气象雷达产品物理量完整总结

本文涵盖气象雷达（含双偏振雷达）核心物理量的定义、计算原理、物理含义、典型取值范围，并给出识别雨、雪、冰雹的典型数值组合。

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目录

• 一、基础多普勒物理量
• 二、双偏振物理量
• 三、导出产品
• 四、雨、雪、冰雹识别典型数值组合
• 五、综合识别判据速查
• 六、注意事项

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一、基础多普勒物理量

1.1 反射率因子 Z / dBZ

定义

在瑞利散射条件下，单位体积内所有降水粒子直径 6 次方之和：

$$Z = \sum D^6 \quad (\mathrm{mm^6/m^3}), \qquad dBZ = 10\log_{10}(Z)$$

物理含义

• 反映云雨目标的含水量和粒子大小，dBZ 越高表示水含量越高、降水能力越强；
• 与降水率正相关，是降水估计的基础；
• 强对流中高 dBZ 可能指示冰雹存在；
• 层状云中约 3.5~4.5 km 高度常出现亮带（融化层），冰粒子融化后模拟大水滴，导致 dBZ 异常偏高。

典型值

1.2 径向速度 V_r

定义

利用多普勒效应，通过检测气象目标物的多普勒频移，测量目标物在雷达波束方向的速度分量：

$$V_r = \frac{\lambda f_d}{2}$$

物理含义

• 只能探测径向分量：$V_r = V \cos\theta$；
• 正速度：风离开雷达；负速度：风接近雷达；
• 径向速度是抽样体积内所有粒子径向速度的平均值；
• 用于识别中气旋、辐合辐散、风切变。

无模糊范围

$$V_{max} = \pm \frac{\lambda PRF}{4}$$

1.3 谱宽 SW (σ_v)

定义

雷达照射分辨体积内各散射体不同径向速度与平均速度的偏离程度，即多普勒功率谱的二阶矩（关于平均速度的方差）的平方根：

$$\sigma_v = \sqrt{\frac{\int (v - \bar{V})^2 S(v)\,dv}{\int S(v)\,dv}}$$

物理含义

• 表征分辨体积内速度的离散程度；
• 与风速和风向的变化率成正比；
• 高谱宽区域：边界层、雷暴、高切变环境；
• 低谱宽区域：地物杂波、稳定层状云；
• 谱宽越大表示湍流越强、速度变化越剧烈。

生成方法

自相关法——计算相邻脉冲对的相位变化，相位变化大则谱宽高，变化小则谱宽低。

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二、双偏振物理量

双偏振雷达同时发射和接收水平和垂直两种偏振状态的电磁波，能够探测降水粒子的形状、相态和取向信息。

2.1 差分反射率因子 Z_DR

定义

水平偏振反射率因子与垂直偏振反射率因子之比，以 dB 表示：

$$Z_{DR} = 10\log_{10}\left(\frac{Z_{HH}}{Z_{VV}}\right) \quad (\mathrm{dB})$$

物理含义

• 反映粒子的非球形程度（轴比）；
• $Z_{DR} \gt 0\ \mathrm{dB}$：粒子水平方向尺寸大于垂直方向（如大雨滴、扁球状粒子）；
• $Z_{DR} \approx 0\ \mathrm{dB}$：粒子近似球形（如小雨滴、翻滚的干冰雹）；
• $Z_{DR} \lt 0\ \mathrm{dB}$：粒子垂直方向尺寸更大（如大冰雹、某些冰相粒子）。

典型值

一般 Z_DR 有效范围为 -7.9~+7.9 dB。

2.2 线性退偏振比 LDR

定义

交叉偏振接收功率与同偏振接收功率之比，以 dB 表示：

$$LDR = 10\log_{10}\left(\frac{Z_{cross}}{Z_{co}}\right) \quad (\mathrm{dB})$$

发射水平偏振时，同时接收水平（同偏振）和垂直（交叉偏振）通道；LDR 即为交叉偏振功率与同偏振功率之比。

物理含义

• 对粒子的形状、取向和相态非常敏感；
• 完全球形粒子不产生退偏振，$LDR = 0$；
• 湿的、翻滚的、不规则形状的粒子产生较大的 LDR 值；
• 尤其对融化中的冰相粒子（如湿雪、融化中的冰雹）有显著响应；
• 由于交叉偏振功率通常很小，LDR 通常为负值（dB）；
• LDR 测量需要雷达天线交叉极化隔离度 > 35 dB。

典型值

对于 C 波段雷达，降雨的 LDR 值介于 -35 dB（层状云降雨）到 -22 dB（大滴强降雨）之间。

2.3 差分相移 Φ_DP

定义

水平偏振和垂直偏振波在传播过程中累积的相位差：

$$\Phi_{DP} = \Phi_H - \Phi_V$$

物理含义

• 反映雷达波传播路径上介质的前向散射特性；
• 液态水对水平偏振波的“阻力”大于垂直偏振波（雨滴水平尺寸更大），因此水平相位延迟更大，Φ_DP 为正；
• 在大雨中快速增大；
• 沿径向累积，具有累积效应，绝对值本身难以直接解读局地信息；
• 可用于估计降水强度和路径衰减。

典型值：0~360°（累积量，随距离增大）

2.4 比差分相移 K_DP

定义

差分相移 Φ_DP 沿距离的变化率，即单位距离上的差分相位变化：

$$K_{DP} = \frac{1}{2} \frac{d\Phi_{DP}}{dr} \quad (^\circ/\mathrm{km})$$

物理含义

• 反映单位距离内降水介质对两种偏振波传播影响的差异；
• 与降水强度直接相关，强降水对应大 K_DP；
• 不受降水衰减影响（与 Z 不同）；
• 对粒子形状敏感，反映传播路径上降水粒子的轴比；
• 大雨滴和高浓度对应大 K_DP 值；
• 增加中的 K_DP 正值指示更高的降水率和更大的雨滴。

典型值

K_DP 有效范围约为 -2~10 °/km。

2.5 相关系数 CC / ρ_hv

定义

水平偏振和垂直偏振回波之间的互相关系数，反映两种偏振通道回波的一致性和相关性：

$$\rho_{hv} = \frac{\lvert \langle S_{VV} S_{HH}^* \rangle \rvert}{\sqrt{\langle \lvert S_{HH} \rvert^2 \rangle \langle \lvert S_{VV} \rvert^2 \rangle}}$$

取值范围为 0 到 1.05，无量纲。

物理含义

• 度量采样体积内散射体在两种偏振方向上响应的一致性和均匀性；
• 接近 1.0：气象目标均匀一致（如纯雨）；
• < 0.8：非气象回波（地物杂波、生物、碎片）；
• 纯雨中 CC 通常 > 0.97；
• 冰雹：0.90~0.95；大冰雹 CC < 0.80；
• 可用于识别混合相态粒子、界定地杂波范围。

典型值

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三、导出产品

3.1 垂直积分液态水 VIL

定义

反射率因子沿垂直方向的积分，反映垂直柱体内液态水的总量：

$$VIL = 3.44 \times 10^{-6} \int Z^{4/7}\,dh \quad (\mathrm{kg/m^2})$$

物理含义

• 反映垂直柱体内液态水的总量；
• 用于判别强对流、冰雹潜势和雷暴强度；
• VIL 值越大，雷暴越强，可能伴有冰雹；
• 冰雹成熟阶段的 VIL 值通常为 30~60 kg/m²。

3.2 回波顶高 ET

定义

雷达回波达到的最高高度，通常以某个反射率阈值（如 18 dBZ 或 45 dBZ）对应的最大高度来定义。

物理含义

• 反映对流发展的垂直伸展高度；
• 回波顶越高，对流越旺盛；
• 45 dBZ 回波顶高 ≥ 7.5 km 是冰雹预警的重要指标。

3.3 降水估计 QPE

Z-R 关系

$$Z = a R^b$$

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四、雨、雪、冰雹识别典型数值组合

以下表格综合了双偏振雷达各物理量在不同降水类型下的典型数值组合。

4.1 综合识别表

4.2 各物理量速查

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五、综合识别判据速查

在实际业务中，单一物理量难以准确判别降水类型，需要综合多个物理量。

5.1 识别雨

• CC > 0.95（纯雨通常 > 0.97）
• Z_DR > 0.5 dB（大雨滴对应较大正值）
• K_DP 适中至大（与降水强度正相关）
• LDR < -22 dB（较低退偏振）

5.2 识别雪

• Z_DR ≈ 0 dB（干雪通常 0~0.5 dB）
• CC > 0.95（纯雪高相关）
• K_DP ≈ 0（积雪几乎无差分相移）
• LDR 约 -32 dB
• 注意区分：湿雪 CC 可低至 0.50~0.95，Z_DR 可增大至 3.0 dB

5.3 识别冰雹

• Z 很高（>55 dBZ）
• CC 降低（大冰雹 CC < 0.80~0.85）
• Z_DR ≈ 0 或负值（翻滚球形粒子）
• K_DP 空洞（强回波区 K_DP 反而低）
• LDR 增大（不规则形状导致退偏振增强）
• 融化中的冰雹：Z_DR 增大（>2 dB），K_DP 增大（>1.5 °/km），LDR 明显增大

5.4 识别融化层/亮带

• CC 降低至 0.80~0.95
• LDR 明显增大
• Z 出现局部峰值（融化后模拟大水滴）
• Z_DR 变化

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六、注意事项

1. PRF 与雷达产品的约束关系：所有多普勒产品都受多普勒两难约束。高 PRF 扩大测速范围但缩小测距范围，低 PRF 相反。

2. 双偏振参数的优势：Z_DR、K_DP 和 CC 能够提供常规多普勒雷达无法获取的粒子形状和相态信息，显著提高降水估计精度和冰雹识别能力。

3. Z-R 关系的不确定性：降水估计的相对误差通常在 50% 甚至更大，Z-R 关系本身、冰雹、标定误差、亮带等都是重要误差源。

4. 冰雹识别的综合判据：单一参数难以可靠识别冰雹。典型的大冰雹特征组合是：高 Z、低 CC、Z_DR 接近 0 或负值、K_DP 空洞。融化中的冰雹则表现为 Z_DR 和 K_DP 同时增大。

5. LDR 的局限性：LDR 测量对雷达系统交叉极化隔离度要求很高（>35 dB），实际应用中需注意系统校准。

6. CC 的数据质量控制功能：CC 还可以用于识别双偏振数据质量较差的区域——弱信号区域 CC 会变得嘈杂，甚至出现 >1.0 的不可靠值。

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以上内容系统整合了气象雷达（含双偏振雷达）核心物理量的定义、计算原理、典型取值及识别应用，可作为气象雷达产品分析和降水粒子识别的知识框架。