引言

至2015年底，山东省共有新一代天气雷达8部，其中SA天气雷达6部，SC和CD多普勒天气雷达各1部。济南SA天气雷达于2002年初投入运行。泰山CD天气雷达于2007年初投入运行，是山东省海拔高度最高的天气雷达，其天线馈源海拔高度为1 545.8 m。CD和SA雷达虽然波长不同，生产厂家也不同，但观测模式和产品算法是相同的，业务观测模式都采用VCP21体扫模式，即9个仰角扫描方式(0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°、19.5°)。我国新一代天气雷达的建设与应用推动了强对流天气及相关业务深入细致的研究工作^[1-9]，大大提高了强对流天气临近预警技术水平，对强对流天气预警及人工影响天气工作发挥了巨大作用。刘雨佳等^[10]通过泰山CD与济南SA雷达的回波对比分析，发现两部雷达在重叠且基本同距区域内的回波强度存在差异，2007—2010年10次个例3个高度CAPPI回波强度资料的总体对比分析表明，SA雷达均值较CD雷达大2 dBZ左右, 同时还指出，SA测量的回波强度均值超过30 dBZ，较强回波(＞30 dBZ)所占比例较多时，两部雷达测量相同区域时，会存在相当大的差异，且差异一般随着SA雷达平均回波强度增加而增大。泰山CD雷达2007投入业务应用以来已有9 a之久，积累了大量探测资料，但还没有对冰雹和强降雨风暴的具体应用进行过系统性的分析研究，因此对泰山雷达资料的综合分析应用工作需要进一步加强。

2016年6月13—14日和9月11日，山东部分地区遭受到强冰雹袭击，造成严重经济损失。利用泰山CD雷达和济南SA雷达探测资料，结合天气实况，对6月13—14日和9月11日强冰雹风暴参数进行对比分析，发现两部雷达对强风暴的探测结果差异明显，希望泰山雷达探测资料在今后的实际业务应用中引起有关业务人员的高度重视。

1 天气概况

受高空冷涡和地面气旋的共同影响，2016年6月13—14日, 鲁西北西部、鲁中和鲁南的大部分地区出现强对流天气，大风、暴雨、冰雹造成农作物受灾面积132.6千hm²，成灾面积95.8千hm²，绝收面积19.4千hm²，倒塌房屋402间，严重损坏房屋3 489间。受低槽和切变线的影响，2016年9月11日，鲁西北东部、鲁中东部和鲁东南地区出现强对流天气，大风和冰雹造成农作物受灾面积13 581 hm²，成灾面积9 272 hm²，绝收面积952 hm²。

两次强对流过程范围广、强度较强、破坏性大，其中造成严重灾害的强风暴具有历时长、强度强的特征。在济南和泰山雷达共同覆盖的150 km范围内有4个强风暴历时较长(生命史超过2 h)，并都伴有直径30 mm以上的冰雹。4次强风暴分别为：2016年6月13日造成阳谷强冰雹的风暴(简称0613阳谷风暴)、6月13日造成平阴和肥城强冰雹的风暴(简称0613平阴风暴)、6月14日造成章丘和淄博强冰雹的风暴(简称0614章丘风暴)和9月11日造成惠民、高青、桓台强冰雹的风暴(简称0911高青风暴)，见表 1。0613阳谷风暴15:40前后生成于莘县境内，东南方向移动，影响阳谷至梁山一带，阳谷冰雹大如鸡蛋，最大冰雹直径超过30 mm，18:00之后风暴消散；0613平阴风暴17:30前后生成于茌平县境内，南偏东方向移动，影响东阿、平阴、肥城，冰雹和大风天气在平阴和肥城造成较大经济损失，最大冰雹直径超过30 mm，19:40之后风暴消散；0614章丘风暴15:30前后生成于齐河县境内，东略偏南方向移动，影响章丘、周村、淄川、青州，冰雹和大风天气在章丘、淄川、青州造成较大经济损失，最大冰雹直径超过30 mm，18:30之后风暴消散；0911高青风暴16:15前后生成于商河县境内，南偏东方向移动，一路影响惠民、高青、桓台，冰雹和大风天气在高青和桓台造成较大经济损失，冰雹大如核桃，最大冰雹直径超过30 mm，19:40之后风暴消散。

2 风暴参数演变与对比

风暴参数包括最大反射率因子(DBZM)、基于单体的垂直积分液态水含量(C-VIL)、单体强中心高度(HT)、单体顶高(TOP)等。图 1是泰山CD雷达和济南SA雷达探测到的4个强风暴DBZM、C-VIL、HT和TOP演变情况及各参数平均值，虚线为泰山CD雷达资料，实线为济南SA雷达资料，黑色、绿色、蓝色和红色分别代表 0613阳谷风暴、0613平阴风暴、0614章丘风暴和0911高青风暴。

DBZM变化表明，SA雷达监测到的DBZM值基本大于CD雷达观测到的DBZM值，风暴成熟阶段DBZM差异更加显著，生成发展阶段除0613阳谷风暴外其他3个风暴的DBZM差别较小，减弱阶段差异有明显缩小趋势(图 1a)。0613阳谷风暴CD雷达和SA雷达监测的DBZM平均值分别为49.4 dBZ和57.2 dBZ，相差7.8 dBZ；0613平阴风暴DBZM平均值分别为56.5 dBZ和64.4 dBZ，相差7.9 dBZ；0614章丘风暴DBZM平均值分别为57.5 dBZ和64.9 dBZ，相差7.4 dBZ；0911高青风暴DBZM平均值分别为55.5 dBZ和61.5 dBZ，相差6.0 dBZ(图 1e)。SA和CD雷达观测到的强盛阶段的0613阳谷风暴、0613平阴风暴、0614章丘风暴、0911高青风暴的DBZM平均值分别为61 dBZ、67 dBZ、66 dBZ、63 dBZ和51 dBZ、57 dBZ、57 dBZ、56 dBZ，平均差值分别为10 dBZ、10 dBZ、9 dBZ、7 dBZ(图略)，6月份3个强风暴差值较大，而9月份强风暴差值相对偏小，泰山CD雷达探测到的DBZM显著偏小。

风暴生成发展期间C-VIL有明显增大现象，减弱消亡阶段有明显下降趋势，但两部雷达所实测的数据有较大差异，济南SA雷达数据明显大于同时次CD雷达数据(图 1b)；0613阳谷风暴SA和CD雷达监测的C-VIL平均值分别为30.2 kg·m^-2和11.6 kg·m^-2，相差18.6 kg·m^-2；0613平阴风暴C-VIL平均值分别为56.4 kg·m^-2和30.5 kg·m^-2，相差25.9 kg·m^-2；0614章丘风暴C-VIL平均值分别为59.0 kg·m^-2和31.6 kg·m^-2，相差27.4 kg·m^-2；0911高青风暴C-VIL平均值分别为49.1 kg·m^-2和23.1 kg·m^-2，相差26.0 kg·m^-2；4个强风暴中0613平阴风暴和0614章丘风暴的C-VIL的平均值及演变基本相当，差别不大，而0613阳谷风暴的C-VIL的平均值明显偏小(图 1e)。SA和CD雷达观测到的强盛阶段的0613阳谷风暴、0613平阴风暴、0614章丘风暴、0911高青风暴的C-VIL平均值分别为45 kg·m^-2、63 kg·m^-2、62 kg·m^-2、52 kg·m^-2和15 kg·m^-2、35 kg·m^-2、33 kg·m^-2、24 kg·m^-2，平均差值分别为30 kg·m^-2、28 kg·m^-2、29 kg·m^-2、28 kg·m^-2(图略)，平均差值较大，但差值相对稳定。

HT数据表明，4个长寿命风暴演变过程中其强中心高度变化急剧，最高可达9~10 km，说明该类强风暴具有较高的回波悬垂，利于大冰雹的形成(图 1c)；两部雷达探测到的HT有时存在4~5 km的差值。0613阳谷风暴SA雷达和CD雷达监测的HT平均值分别为5.2 km和3.9 km，差值为1.3 km；0613平阴风暴HT平均值分别为5.1 km和6.1 km，差值为-1.0 km；0614章丘风暴HT平均值分别为5.1 km和5.0 km，差值为0.1 km；0911高青风暴HT平均值分别为4.2 km和4.5 km，差值为-0.3 km(图 1e)。SA和CD雷达观测到的强盛阶段的0613阳谷风暴、0613平阴风暴、0614章丘风暴、0911高青风暴的HT平均值分别为5.4 km、5.3 km、5.1 km、4.5 km和4.3 km、6.7 km、5.2 km、4.6 km，SA雷达观测到的0613阳谷风暴HT平均值比CD雷达观测到的HT平均值高1 km左右，其他3个风暴情况正好相反，都是CD雷达观测到的HT偏高。

TOP数据表明，4个长寿命风暴演变过程中其风暴顶高度也存在明显变化现象，最高可达12 km以上高度，SA雷达探测到的TOP明显高于CD雷达探测到的TOP值(图 1d)。0613阳谷风暴SA雷达和CD雷达监测的TOP平均值分别为10.1 km和6.6 km，差值为3.5 km；0613平阴风暴TOP平均值分别为11.1 km和9.3 km，差值为1.8 km；0614章丘风暴TOP平均值分别为10.7 km和8.5 km，差值为2.2 km；0911高青风暴TOP平均值分别为9.7 km和7.8 km，差值为1.9 km(图 1e)。SA和CD雷达观测到的强盛阶段的0613阳谷风暴、0613平阴风暴、0614章丘风暴、0911高青风暴的TOP平均值分别为10.6 km、11.8 km、10.8 km、9.7 km和7.8 km、10.0 km、8.7 km、8.0 km，平均差值分别为2.8 km、1.8 km、2.1 km、1.7 km(图略)，泰山CD雷达观测到的TOP值明显偏低。

3 原因分析

根据电磁衰减理论，雨和冰雹对不同波长的电磁波有不同的衰减，而且有时候差别很大。雨强50 mm的强降水对5.6 cm和10 cm波长的衰减系数分别是0.214 dB·km^-1和0.015 dB·km^-1，雨强100 mm的强降水对5.6 cm和10 cm波长的衰减系数分别是0.481 dB·km^-1和0.030 dB·km^-1；直径1.93 mm的冰雹，如果外层有0.1 mm的水膜，5.6 cm和10 cm波长的衰减系数分别是0.79 dB·km^-1和0.15 dB·km^-1，如果外层有0.5 mm的水膜，5.6 cm和10 cm波长的衰减系数分别是2.48 dB·km^-1和0.34 dB·km^-1[11]，无论是大冰雹或者是强降雨，CD雷达的电磁衰减明显大于SA雷达。

图 2是4次强风暴几个时次的济南SA雷达组合反射率因子(CR37)和泰山CD雷达组合反射率因子(CR38)产品，SA雷达CR37和CD雷达CR38产品唯一差别是显示距离的差异，CR37最大显示距离是230 km，CR38最大显示距离是250 km。6月13日17:34济南雷达产品风暴属性显示，0613平阴风暴Q1的DBZM= 53 dBZ、HT=4.1 km、TOP=5.6 km、C-VIL=16 kg·m^-2(图 2a)，17:35泰山雷达产品风暴属性显示，0613平阴风暴M5的DBZM=53 dBZ、HT=4.2 km、TOP=5.3 km、C-VIL=9 kg·m^-2(图 2b), 虽然时间略有差异，但风暴参数DBZM、HT、TOP值基本相当。0613阳谷风暴在减弱阶段后面3个体扫HT大致相当(图 1c)，DBZM相差较小或者相同(图 1a)，只是TOP差别较大。两部雷达观测到的同一风暴的HT和TOP值基本相当，同时DBZM相差较小或者相同，说明两部雷达所获取的数据质量或者说是雷达探测性能基本相同，产品数据是可信的，而C-VIL值有差别，原因之一是泰山雷达处于较高的海拔高度，无法获取近地层的数据，或者是TOP值有明显差异。

9月11日18:28济南雷达产品风暴属性显示，0911高青风暴M6的DBZM= 65 dBZ、HT=5.3 km、TOP=9.1 km、C-VIL=51 kg·m^-2(图 2c)，18:28泰山雷达产品风暴属性显示，0911高青风暴P3的DBZM=58 dBZ、HT=5.6 km、TOP=7.6 km、C-VIL=20 kg·m^-2(图 2d)。可以看出，同一时间济南SA雷达探测到的风暴基本呈圆形，而泰山CD雷达探测到的风暴呈扁状，风暴后部出现弱的回波，是大的冰雹粒子衰减造成的回波失真。风暴参数HT基本相当，而DBZM、C-VILZ、TOP有明显差别，风暴与泰山站之间没有其它风暴，因此DBZM差别是冰雹造成的强衰减；济南SA雷达TOP值是9.1 km，对应仰角为4.3°，泰山CD雷达TOP值是7.6 km，对应仰角为2.4°。3.4°仰角风暴上空所对应的高度是9.7 km，考虑到波瓣宽度(上下各0.5°，121 km处波束可展宽到2 km左右)，泰山雷达3.4°仰角也能扫描到风暴上空9 km高度，因此泰山雷达观测到的TOP值明显偏低最大的可能性是电磁衰减所致。

6月13日19:08济南雷达产品风暴属性显示，0613平阴风暴Q1的DBZM=70 dBZ、HT=5.3 km、TOP=12 km、C-VIL=80 kg·m^-2，19:05泰山雷达产品风暴属性显示，0613平阴风暴M5的DBZM=51 dBZ、HT=10.4 km、TOP=10.4 km、C-VIL=22 kg·m^-2，19:11体扫的DBZM=56 dBZ、HT=9.7 km、TOP=12.8 km、C-VIL=33 kg·m^-2。两部雷达观测到的同一风暴的风暴参数差别明显，HT相差约5 km，DBZM相差约14 dBZ以上，C-VIL差别更大。18:50—19:30在泰山雷达站和0613平阴风暴之间有强降水风暴W6影响(图 2c)，肥城市潮泉区域站在19:00—19:30降水量为56.5 mm，小时雨强>110 mm。强风暴Q1经过肥城市胡屯和桃园时也产生强降水，胡屯区域站在19:13—19:30之间降水量为32.3 mm，桃园区域站在19:21—19:36之间降水量为28.8 mm，小时雨强>110 mm，风暴Q1除产生大冰雹外还产生较强的降雨。因此，造成0613平阴风暴HT和DBZM数据差别较大的主要原因是：由于强降雨和大的冰雹粒子的共同衰减，泰山雷达探测到0613平阴风暴中低层时电磁能量严重衰减而造成数据严重失真，而高层衰减相对较弱，探测到中高层的数据相对可靠。

6月14日16:26济南雷达产品风暴属性显示，0614章丘风暴D1的DBZM=66 dBZ、HT=10.2 km、TOP=10.2 km、C-VIL=69 kg·m^-2，16:24泰山雷达产品风暴属性显示，0614章丘风暴K0的DBZM=61 dBZ、HT=6.3 km、TOP=12.8 km、C-VIL=52 kg·m^-2。两部雷达观测到的同一风暴的风暴参数差别明显，HT相差约4 km，TOP相差约2.6 km，DBZM相差约5 dBZ，C-VIL相差17 kg·m^-2。此时0614章丘风暴距济南雷达距离是58 km，6.0°仰角风暴上空所对应的高度是6.4 km(对应的最大反射率因子为65 dBZ)，9.9°仰角对应的高度是10.2 km，9.9°仰角之上扫描仰角14.6°所对应的高度是15.5 km，因此，由于上层仰角间隔较大，济南雷达无法观测到风暴上空12.8 km高度数据；0614章丘风暴距泰山雷达距离是64 km，9.9°仰角观测到的是风暴上空12.9 km高度，6.0°仰角对应的高度是8.6 km，同样，由于上层仰角间隔较大，泰山雷达无法观测到风暴上空10.2 km高度数据；因此，此时济南雷达观测到的DBZM和HT数据更加可靠，而泰山雷达观测TOP数据更加真实，同一高度CD雷达观测到的最大反射率因子值小于SA雷达观测到的数值，有两种可能，时间略有差异而造成的反射率因子值的波动或者大的粒子对短波长电磁波的衰减所致。

图 2i和图 2j分别是0613阳谷风暴16:41SA雷达和16:42CD雷达CR产品，可以看出，济南雷达产品显示，DBZM=67 dBZ、HT=3.7 km、TOP=12.8 km、C-VIL=54 kg·m^-2，同时还出现明显的旁瓣回波和三体散射(TBSS)回波，实际上这种现象从16:35—17:05连续6个体扫一直存在，说明风暴内部存在较大的冰雹粒子而且维持时间较长，虽然地面实况冰雹直径不详，但大如鸡蛋，最大冰雹直径至少在30 mm以上；泰山雷达产品显示，DBZM=41 dBZ、HT=5.3 km、TOP=7.3 km、C-VIL=4 kg·m^-2，两者的差异非常大，特别是DBZM相差26 dBZ，前后几个体扫一直存在较大差异。从图上也可以直观地看到，0613阳谷风暴在两部雷达上差异显著，而阳谷风暴周围的其他3个风暴差异却不是很大，3个风暴都有55 dBZ左右的反射率因子，因此，0613阳谷风暴强度差异显著的唯一解释是更大的冰雹粒子对C波段电磁波强烈吸收衰减造成的。

4个强风暴旺盛阶段都出现三体散射或旁瓣回波现象(0911高青风暴在潍坊SA雷达上有旁瓣回波，其他3个风暴在济南SA雷达上出现三体散射或旁瓣回波)，说明风暴内部存在较大的冰雹粒子。强风暴最大反射率因子较大差异的主要因素是大的冰雹粒子或强降雨对CD雷达电磁波产生的明显衰减作用，由于强的衰减，使得CD雷达探测到的风暴强度和强回波面积以及风暴顶部高度严重失真，特别是强风暴与雷达之间存在强降雨时，强风暴中层以下高度回波减弱更加严重，从而也导致基于单体风暴参数(反射率因子、风暴底和风暴顶)计算出来的C-VIL数据明显偏小。两部雷达天线海拔高度差异较大，泰山雷达无法探测到风暴低层的信息，尤其是距离越远，探测到的最低高度越高，100 km距离探测到的风暴最低高度是3.1 km，因此，也是导致C-VIL偏小的原因之一。一般而言，强风暴旺盛阶段存在较深厚的回波墙和较高的回波悬垂，同一时次两部雷达观测到的强风暴部位不一致，考虑到衰减作用，SA雷达上相同反射率因子在CD雷达上可能表现的不一样，也就导致HT和TOP的差异。

4 结论

1) 4个强冰雹风暴具有较大的反射率因子、较大的垂直积分液态含水量和较高的风暴顶高度，风暴成熟阶段济南SA雷达探测到的DBZM值都在60 dBZ以上，C-VIL值基本在50 kg·m^-2以上，TOP值基本在9 km以上，0613平阴风暴和0614章丘风暴不仅持续时间相差不多，而且DBZM、C-VIL和TOP值相近，DBZM基本都在64 dBZ以上，最大达到70 dBZ，C-VIL基本在60 kg·m^-2以上，最大在80 kg·m^-2左右，TOP值基本在10.5 km以上。

2) SA雷达和CD雷达监测到的风暴参数有明显差异，SA雷达观测到的强风暴DBZM、C-VIL和TOP值明显大于CD雷达观测到的值，特别是DBZM和C-VIL在风暴强盛阶段差异更加明显。生成发展阶段除0613阳谷风暴外，其他3个风暴的DBZM差别较小，减弱阶段差异有明显缩小趋势。风暴强盛阶段，SA和CD雷达观测到的0613阳谷风暴、0613平阴风暴、0614章丘风暴和0911高青风暴的DBZM平均差值分别为10 dBZ、10 dBZ、9 dBZ和7 dBZ，C-VIL平均差值分别为30 kg·m^-2、28 kg·m^-2、29 kg·m^-2和28 kg·m^-2，TOP平均差值分别为2.8 km、1.8 km、2.1 km和1.7 km，HT平均差值分别为1.1 km、-1.4 km、-0.1 km和-0.2 km。

3) 造成强风暴参数差异性的主要因素是大的粒子或者强降雨对CD雷达电磁波强烈衰减，同时泰山CD雷达的地理环境和观测模式也是原因之一。风暴发展或减弱阶段，风暴强度偏小，CD雷达对电磁波的衰减相对也弱些；风暴强盛阶段，风暴强度较强，强回波对C波段电磁波衰减更加明显，造成两部雷达观测到的回波强度差异更加明显。如果CD雷达与强冰雹风暴之间有强降雨风暴，会造成的更加严重的衰减；衰减作用引起的风暴反射率因子的减弱，会导致C-VIL明显偏小和TOP明显偏低。