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快速扫描的、极化的、X波段移动多普勒雷达对俄克拉荷马的一次EF-5级龙卷(2011年5月24日)的观测

1 引言

为了研究诸如龙卷(~10s)等具有短对流(或轨道)时间尺度的现象，需要快速更新对它们发生发展的记录。在X波段工作的移动多普勒雷达可以非常接近龙卷，因而非常适合探测龙卷。这些移动多普勒雷达也具有快速扫描的能力，部分为电子扫描，部分为机械扫描(Wurman 2001; Isom et al. 2009; Bluestein et al. 2010). French et al. (2012) 研究一些龙卷和它们的生命周期，所用雷达的体扫更新时间仅为6~14秒。

一些学者已经用固定的S波段和C波段的多普勒雷达研究了包含龙卷和不含龙卷的超级单体，这样可以探究微物理过程并识别龙卷碎片的特征(Kumjian and Ryzhkov 2008)。极化的X波段移动多普勒雷达也可以被用于相同的目标(Bluestein et al. 2007; anamachi et al. 2012: Snyder et al. 2011; 2012)。然而，由于技术障碍，到目前为止，具有极化能力的电扫描多普勒气象雷达尚未投入应用 (Zhang et al. 2011)。

与此同时，Pazmany et al. (2011)设计并应用了一种具有快速机械扫描能力、极化能力的X波段移动多普勒雷达(差分反射率因子Zdr和同极化相关系数rho;hv)。本文的目的是展示一些对EF-5级龙卷独特的近距离、快速扫描、极化测量。

2 雷达的描述

名为RaXPol(快速扫描、X波段、极化）的车载雷达(图1)最大可以以180⁰s^-1方位角速度进行扫描。使用频率跃迁获得足够多的样本(12个)以对高转速下的多普勒风和极化变量进行估计。RaXPol比那些非极化、部分电扫描的移动多普勒雷达扫描得慢，比如DOW (Wurman 2001), MWR-05XP(Bluestein et al. 2010), or the AIR (Isom et al. 2009)；但是比其他极化移动雷达扫描的快的多(Bluestein et al. 2007; Wurman et al. 2011)。

图1 RaXPol，2011年春季（来自视频帧copy;H。Bluestein）

3 收集的数据

2011年5月24日，在两次部署期间使用RaXPol收集了数据，其中一个位于埃尔里诺的西南部，包括一个龙卷的消散、EF-5级龙卷的发生(图3,4)以及它在57分钟内发张至成熟(图5)。第二次部署(未展示)包含一个尺度仅为1.5km的龙卷。非极化、部分电扫描的MWR-05XP也进行了两次部署(未展示)。

图2 RaXPol跟踪到的两起龙卷风的路径和RaXPol部署的位置

图3 2011年5月24日，发生在埃尔里诺的龙卷风，大约在2058 - 59 UTC(copy;H。Bluestein)

图4 RaXPol正在扫面时，2011年5月24日台风所造成的灾害，照片拍摄于5月25日

2011.（copy;H。Bluestein）

图5 当龙卷风最强烈(最大多普勒速度125 m/s)时，RaXPol于2011年5月24日以10仰角（~70 m ARL）收集的数据。 等效雷达反射率因子dBZe(左上)，展开的多普勒速度m/s (右上)，共极相关系数(左下)，频谱宽度(右下); Zdr没有在这里显示。每个环表示1km范围。

图6 2011年5月4日(2057：08 UTC)在龙卷风附近的低回波弧，10⁰仰角。等效反射率因子，单位：dBZe(左)；展开的多普勒速度，单位：m/s。每个环显示1km范围。

在龙卷风高达70m ARL(above radar level)时最强烈，具有125m/s的多普勒风速。等效反射率因子场、多普勒速度场，共级相关系数场和频谱相关系数场(图5)展现了4km范围内明显的龙卷碎片特征。风速的测量值达到了用多普勒雷达所测到的风速的第二高的值；1999年5月3日，在Cape Creek测量到了高达135m/s的龙卷风风速。一个独特的标志是，在龙卷风的前方和尾部可以看到一条低反射率的弧线(图6)。

图7展示了雷达记录风场快速演变的能力：在仅仅大约26s的时间内，多普勒风速以良好的时间连续性，从大约50~60m/s增加到远超过80m/s。风暴尺度上，在风暴尺度上可以看到有明确界限的弱回波区(BWZR)、弯曲的Z_dr带和rho;_hv弧。在2秒的时间尺度上，低rho;_hv碎片特征具有很好的时间连续性(图9)。可以发现一些碎片跟随在龙卷的周围(如图9中的“D”)。碎片区域有时与龙卷中相对较高的反射率区域、“碎片球(图10)”以及逗号形状(图9)相重合。

龙卷风的垂直截面(图11)显示，在500m以上有弱回波口和一个约1km宽的碎片特征区域，并延伸到2km ARL。谱宽最大处位于500m以下，多普勒速度最大处位于低层，最大多普勒速度随着高度径向向外倾斜。

4 结论

据我们所知，这个数据集是EF-5龙卷风的第一个极化、快速扫描、移动多普勒雷达数据集，数据质量很好，科学成果即将出炉。

图7 在龙卷发展的20s内，在10仰角处展的开多普勒速度。2058:52 – 2059:12 UTC,每两秒。多普勒速度色标显示在底部，以m/s为单位。每环表示1km范围。

图8 中间层的BEWR(左)，弯曲的Zdr带(中)，共极相关系数(rho;hv)弧(右)。2011年5月24日，2047：08 UTC，180仰角(~3 km ARL)。每环表示1km范围

图9 如图8，但是对于共极互相关系数rho;hv， “D”标记可追踪的碎片; 另外两个箭头表示静止的，明显的地面目标。 低值标记碎片球和碎片弧。

图10 碎片球，图7和图9中第二块面板的等效雷达反射率因子（dBZe）。

图11 垂直截面：等效雷达反射率因子(左上)，共极相关系数(右上)，频光谱宽度(左下)，风暴相对多普勒速度的绝对值(右下)，2011年5月24日，2102：23 UTC 24

2011年5月。来自5公里范围内的RaXPol数据。

致谢

该研究得到了俄克拉荷马大学的国家科学基金会MRI Grant ATM-0821231和Grant ATM-0934307的支持。 我们还要感谢John Meier和Bob Palmer（OU ARRC）维护雷达并为其存储提供空间。

参考文献

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Bluestein, H. B., M. M. French, I. PopStefanija, R. T. Bluth, and J. B. Knorr, 2010: A mobile, phased-array Doppler radar for the study of severe convective storms. Bull. Amer. Meteor. Soc., 91, 579 – 600.

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Isom, B. M., R. D. Palmer, M. B. Yeary, J. Meier, R. Kelley, B. L. Cheong, D. Bodine, R. J. Doviak, Y. Zhang, T. Y. Yu, M. Biggerstaff, and R. M. May, 2009: A new frontier for mobile radar – the Atmopsheric Imaging Radar: design specifications and experimental functionality. 34th Conf. on Radar Meteor., Williamsburg, VA, Amer. Meteor. Soc. (recorded presentation online)

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