冰雹的C波段双极化雷达特征外文翻译资料

 2022-11-28 15:20:24

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冰雹的C波段双极化雷达特征

MATTHEW E. ANDERSON *，LAWRENCE D. CAREY **，WALTER A. PETERSEN和KEVIN R. KNUPP

阿拉巴马州亨茨维尔的阿拉巴马大学（UAHuntsville），阿拉巴马州亨茨维尔

^美国航空航天局马歇尔太空飞行中心（MSFC），阿拉巴马州摘要

许多研究表明，双极化雷达是冰雹的有效工具。以S波段频率采用雷达的研究发现，冰雹在地面和正上方具有高反射率（Zhgt; 50 dBZ）和接近零差分反射率（-1 lt;ZDRlt;1 dB）的特点。 一些研究假设，更高频率的雷达观测到的冰雹信号，例如C波段，应该是相似的。 为了验证这一假设，利用阿拉巴马州和田纳西州边界地区的C波段雷达观测，仔细记录了九次冰雹事件的双极化雷达特征，其中包括46次产生冰雹的对流细胞和172次冰雹报告。 与S波段的先前结果不同，这项研究表明，C波段的冰雹通常在地面和正上方以高Zh（gt; 50 dBZ）和高ZDR（3 - 8 dB）为特征。

1.介绍

严重的风暴对识别和预测很重要，因为它们可能造成严重的损害和死亡。 国家气象局（NWS）将严重雷暴定义为产生大冰雹（本研究开始时直径ge;1.9厘米），强风（gt; 26米/秒）或龙卷风的风暴。 在本研究过程中，NWS严重冰雹的定义变为冰雹直径ge;2.5厘米 1。 一场大型的冰雹风暴可能对作物，牲畜，家庭和汽车造成数百万美元的财产损失（Hillaker等1985，Changnon 1999）。 在极少数情况下，大冰雹甚至会导致人员和牲畜的人身伤害或死亡

.

。显然，确定冰雹区域以保护生命和财产非常重要。 为此，地基雷达是检测和临近预报冰雹的最广泛使用的观测工具（例如Greene和Clark 1972，Eccles和Atlas 1973，Mather等1976，Bringi等1984，Edwards和Thompson 1998）。

双极化雷达观测提高了雷达气象学家识别包括冰雹在内的水文流星类型的能力。 已经在S波段（例如Aydin等，1986，Bringi等，1986，Hubbert等，1998，Straka等，2000），C-波段（例如Meischner等1991，Houml;ller等1994，Keenan等2003，Deierling等2005，Tabary等2009a，Tabary等2010）和X带（例如Dolan和Rutledge 2009，Snyder等2010）波长。 C波段双极化雷达的使用在全球运营的天气服务中越来越普遍，包括澳大利亚和许多亚洲和欧洲国家，在美国进行预测的私人市场（例如媒体广播）以及用于研究目的的全球大学由于他们的负担能力。 因此，仔细记录冰雹的C波段双极化雷达特征非常重要。 这项研究利用乌克兰天空气象和运筹学研究所（ARMOR）的先进雷达（Petersen et al。2007），在阿拉巴马州和田纳西州边界地区的9个不同日子检查了46个采样的产生冰雹的对流细胞的极化雷达特征。

2.先前的双极化雷达冰雹研究

有许多文献实例证明了使用双极化雷达变量识别冰雹的有效性。 例如，差分反射率（ZDR）

是水平（Zh）和垂直（Zv）偏振之间的分贝反射率差异的量度（Bringi和Chandrasekar 2001，第381页）。 因此，ZDR有助于估算水星的扁率。 粒子越大，ZDR就越大。 在降雨中，ZDR为正值（典型值为1至4 dB），随Zh稳定增加（Bringi and Chandrasekar 2001 p。397）。 对于大型Zh（gt; 50 dBZ），ZDR在雨中通常gt; 2.5 dB。 冰雹通常比雨滴更扁，因此与较低的ZDR相关。 在冰雹中，扁率对ZDR的影响可以相对于降雨进一步降低，因为随着翻滚的随机取向和冰雹的较低介电常数（Straka et al.2000）。 因此，冰雹可能在雷达上看起来像是一个“有效的球体”，ZDR通常接近0 dB。 一些基于S波段双极化雷达的研究发现，冰雹在表面附近的特征为接近零ZDR（| ZDR| lt;1 dB）和大Zh（gt; 50 dBZ）（Bringi 1984，Illingworth等，1986，Bringi等，1986，Aydin等，1990，Herzegh和Jameson，1992，Hubbert等，1998）。 由于ZDR（冰雹）区低Z区博士被称为“ZDR-hole”（Wakimoto and Bringi 1988），所以称为ZDR最小值的双极化雷达冰雹信号较大Zh区域中较高的ZDR（降雨）区域（图。1）（Bringi等，1986，Bringi和Chandrasekar 2001，第451-456页）。 在S波段的其他雷达研究表明，与融化冰雹有关的ZDR可能是中等正值（0 lt;ZDRlt;2.5 dB），但对于给定的Zh（Leitao和Watson 1984，Aydin等人1986，Straka等人2000，Heinselman和Ryzhkov 2006，Depue等人2007）。 大Zh和相对小ZDR之间的这种反相关形成了大多数S波段双极化雷达冰雹探测算法的基础。 一些作者提出，这些检测大冰雹的方法可以直接应用于C波段（例如Vivekanandan等，1990，Aydin和Giridhar和1992，Bringi和Chandrasekar 2001，第451-452页）。

相关系数（rho;HV）是给定雷达体积中水平和垂直极化之间的脉冲返回的同极相关性。 在包含降雨的雷达体积中，预计rho;HV很高，在S波段大于0.98，在C波段大于0.95（例如Bringi等1991，Carey等2000，Keenan等2000 ）。 在C波段降雨中rho;HV（0.95至0.98）的抑制值与产生共振散射的大水滴相关联。 发现S波段（Balakrishnan和Zrnic 1990）和C波段（Tabary等2010）冰雹的rho;HV值低于0.95。 在冰雹和融化冰雹区域的低（lt;0.95）rho;HV可以用非瑞利（Mie或共振）散射，不规则形状的水凝物，水凝物的混合物（如雨和冰雹）和各种水文流星形状，介电常数和下降模式（Balakrishnan和Zrnic 1990）。

在C波段频率，Meischner等人 （1991），Ryzhkov等人 （2007），Tabary等人（2009a）和Tabary等人 （2010）已经表明，在0 dB或甚至很低（lt;2.5 dB）附近，ZDR不一定能在冰雹融化地区预期到图2）。 Meischner等人 （1991）将异常高ZDR（gt; 5 dB）归因于较小波长的较小熔融冰雹和共振效应。 较小的冰雹在雷达上可能会出现大雨滴，并呈现高ZDR。 共鸣开始发生在C波段，降雨和融化的冰雹大于5毫米（Zrnic et al。2000）。 因此，当存在大颗粒时，与S波段相比，C波段ZDR明显更高（Zrnic et al.2000）。 Ryzhkov等人。 （2007）表明异常高ZDR可以用大型雨滴和小冰雹在融化冰雹中主导Zh来解释。 Tabary等人 （2009a）和Tabary等人 （2010）证明，确认的融化冰雹，降雨和冰雹混合物的情况通常与ZDRgt; 3 dB和高达8 dB或更高相关。 所有上述C波段研究表明，用于冰雹识别高Zh和低ZDR的S波段方法可能并不总是在C

带。 另一方面，Bringi和Chandrasekar（2001）（p.451-452）和Ryzhkov等人 （2009）认为，当冰雹较大且数量足以支配Z时，应在C带观测到ZDR - 孔（| ZDR| lt;1.0 dB和大Zhgt; 50 dBZ） TF78）并且显示为有效的球体。 Vivekanandan等人使用融化冰雹的雷达模型， （1990）表明直径在12-15mm以上的冰雹脱落融化水并翻滚，导致Cband处的“ZDR - 孔”特征。 显然，必须更好地理解C波段冰雹的双极化雷达特征，以便正确识别冰雹并提供严重风暴的警报。

3.数据和方法

这项研究使用的雷达是位于亨茨维尔国际机场的UAHuntsville-NASA ARMOR C波段双极化雷达。 有关ARMOR的更多规格可参见Petersen等人。 （2007年）。 对于除两个事件（2008年5月20日和2008年8月2日）以外的所有事件，ARMOR处于PPI扇区体积扫描模式，其中包括用户选择的方位角之间的多个扫描仰角，用于在水平方向对选定的风暴进行很好的采样，每2至3分钟垂直。 另一种扫描方法是在最低三个仰角（0.7°，1.3°和2.0°）下每3至5分钟重复进行一次全360°监视扫描的常规操作系列。 ARMOR Zh和ZDR是本研究中用于表征冰雹的主要变量。 ARMORrho;HV用于识别与冰雹融化有关的雨雹混合物的潜在区域。 在C波段，由于共振散射和各种水流形状，介电常数和下降模式，在C波段，部分融化的冰雹和源自冰雹的大雨滴的混合物的特征应该是低rho;HV（lt;0.95）雷达分辨率量（Balakrishnan和Zrnic 1990，

Meischner等人 1991年，Tabary等人 2010）。 ZDR已在小雨中使用垂直指向扫描进行了校准（Gorgucci et al。1999）。 Zh已经使用双极化变量之间的自洽性进行了校准（Ryzhkov et al。2005）。

Zh和ZDR已分别用衰减和衰减衰减进行了校正（Bringi et al.2001）。 ARMOR在整个田纳西河谷运行，其数据已在其他研究中显示出效果（例如Deierling等2005，Gatlin等2009）。 最近，已经尝试开发和使用改进的传播校正方法，这些方法解决了与C波段中增强的衰减和差分衰减相关的与共振大小的大雨滴区域和/或融化的冰雹相关的“热点”（Carey等人2000，Tabary等2009b，Gu等，2011）。 虽然有希望，但这些最近的方法尚未广泛测试它们对于操作目标的有用性，因此未在此使用。

为了研究冰雹的C波段极化特征，ARMOR数据和风暴报告用于9个不同的冰雹事件，包括46个对流细胞和172个冰雹报告（表格1）。 冰雹报告尺寸范围从0.6厘米到10.8厘米，平均约3.3厘米。 绝大多数冰雹报告的尺寸ge;1.9厘米，在本研究的大部分时间符合严重的NWS定义，而65％的报告（111）符合当前NWS对严重冰雹的定义。 观测到的冰雹的位置，大小和时间均来自NCDC Storm Data。 对于2009年4月10日举行的多产冰雹活动，UAHuntsville和美国国家航空航天局的工作人员和学生也进行了冰雹特性的互联网调查。 通过比较存档的雷达数据与其时间和地点，对每份冰雹报告的精度进行了仔细评估。 如果在冰雹报告的 /- 15分钟和1公里范围内没有发生50 dB的回波，那么该研究报告中就没有使用该报告。 使用1公里/ 15分钟的标准

捕获所有潜在的冰雹数据并解决报告位置和时间的不准确性。 表2 显示影响雹石融化过程的不同环境因素，例如熔化水平，温度递减率，相对湿度和表面温度。 这些数据来自亨茨维尔，AL地区的归档RUC（快速更新周期）模型探测结果。

虽然所有46个产生冰雹的对流细胞的Zh和ZDR的平面位置指示器（PPI）图像目视检查冰雹特征（例如， 图3），本研究的定量结果依赖于在每个质量控制冰雹报告的1公里范围内表征Zh和ZDR。 分析半径0.5公里和1.5公里也进行了测试，但对整体结果影响不大，因此未显示。 通过ZDR与高度的高度图（CFAD）对比高度（Yuter等，1995），ZDR对Zh在低水平（即，高度低于1km的数据）和轮廓频率的联合绝对频率直方图）用于评估2009年4月10日事件的C波段冰雹特征（5个细胞，77份冰雹报告）。 对于所有9次冰雹事件（46个单元，172次冰雹报告）的综合分析，ZDR与Zh的联合相对频率直方图是使用低层数据（高度低于1 km的数据）创建的，每个箱中的绝对计数除以总箱数并以百分比表示。 类似地，ZDR和rho;HV的CFAD与相对于0°C水平的高度（H0，km）被用于评估与复合分析相关的熔融冰雹的特征。 这些图也是通过将每个箱中的绝对数除以总箱数并以百分比表示的。 本研究中使用的直方图箱尺寸为：Zh为2 dBZ，ZDR为0.5 dB，rho;HV为0.01，高度为250 m。

4.结果

我们首先介绍了2009年4月10日惊人的冰雹事件的结果。虽

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