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X波段移动双偏振多普勒雷达对超级单体产生龙卷风的近距离观测

HOWARD B. BLUESTEIN, MICHAEL M. FRENCH, AND ROBIN L. TANAMACHI

气象学学院，俄克拉何马大学，诺尔曼，奥克拉荷马

STEPHEN FRASIER, KERY HARDWICK, FRANCESC JUNYENT, AND

ANDREW L. PAZMANY*

微波遥感技术实验室，麻州大学计算机与电气工程系，阿默斯特，马萨诸塞州阿默斯特

（手稿于2006年2月15，在终稿于2006年4月26）

摘要

X波段双偏振多普勒移动雷达对在2004年5月12日和29日在奥克拉荷马和堪萨斯的超级单体内龙卷风的分别观测，在前者的龙卷风，一个可见的圆形碎片环检测低值的差分反射率和互相关系数区别于周围的螺旋带的高值的差分反射率和互相关系数。在龙卷风的一个侧面显示了另一个弯曲的碎片带。在2004年29日的龙卷风/气旋，这是风暴拦截队通过降水的隐藏的视图，漩涡及其相关的“弱回声洞”的时间相对较宽；然而，一个碎片环在差分反射率字段或在互相关系数场是不明显的，极有可能是因为雷达波束扫描得太高。在这种情况下，利用差分反射率的识别差分衰减的碎片困难，使用的互相关系数这是必要的，以确定有没有碎片云。这个后者的龙卷风的母风暴是一个高降水超级单体（HP），这也催生了一个反气旋龙卷风，约10公里远的气旋龙卷风，沿后翼阵风锋。在这场龙卷风中也没有探测到碎片云，也可能因为雷达的光束太高。

1 引言

双偏振雷达已用于区分不同类型的水凝物中，由于其不同的形状和组成(例如Zrnic and Ryzhkov 1999; Straka et al. 2000; Bringi 和Chandrasekar2001). 提出了极化雷达也可以区分龙卷的碎片，这是假定由形状不规则、随机取向的颗粒和水凝物，这是更匀称、更系统化。(Ryzhkov等2005)使用S波段（波长10cm）具有半功率波瓣宽度1.9°到0.9°的雷达，并且0.9°（有效系数实际上是稍宽，由于天线的旋转），分别地进行容积扫描，收集在奥克拉荷马中部在1999年五月三日,2003年五月8日， 2003年五月9日的数据，当龙卷风的范围分别为45-60，20，和35-55公里。他们发现雷达反射率因子Z特征为之间的45和55 dBz，差分反射率（ZDR）小于0.5 dB，他们解释为代表的碎片。他们还发现相对较低的值的互相关系数小于0.8。虽然他们认为相关系数的特征值可能是龙卷风签名的最佳指标是因为它像ZDR一样不受雷达校准误差，他们还指出，相关系数有可能如果微分相位变化的雷达分辨率体积内是错误的。

从2001开始，一组来自俄克拉何马大学的气象学院（OU）和一个麻州大学电气与计算机工程系，阿默斯特（麻省）操作移动的X波段（波长3厘米）一般风暴监视雷达并探测龙卷风和大平原南部近距离龙卷风暴。在2002春天，雷达第一次极化和多普勒能力（pazmany等人.2003）在2004春季，收集2天内在近距离的龙卷风资料。在2种情况下，在雷达网格内龙卷风及其相关的碎片云和冷凝漏斗清晰可见。

本文的目的是详细分析双线偏振多普勒天气雷达收集的数据，并将它们用以龙卷风的方面，以确定是否有碎片的特征不同于水凝特征。本研究的延伸雷日科夫等.（2005）在更多的情况下，添加并使用X波段雷达；更重要的是，雷达定位更接近龙卷风，使空间分辨率更精细。此外，由于在某些情况下，龙卷风是可见的，在雷达分析中的特征，空气中的碎片可能是相关的。使用的移动雷达系统的描述和数据采集和处理的方式，在第2节中详细说明。在第3节讨论了龙卷风的情况下研究。这项研究总结在第4节，并给出了主要的研究结果和影响。

2 移动雷达系统和数据采集的描述

移动极化X波段雷达系统（UMass X-Po）这里是是由在微波遥感实验室的研究生和教师建立（MIRSL），作为一个更便宜、功耗低、可靠，极化替代多普勒轮子（沃尔曼等.1997）。极化版本的道琼斯指数，X波段极化雷达在Wheels (X-POL)，是由康涅狄格大学（anagnostou等人.2004），但据我们所知，在文献中已报道没有对基于数据的龙卷风的分析。而这里的极化是伟大的现场试验值（例如克劳马尔等人.2005），其设计和施工本身就是一个有价值的教育经验，参与的学生在 UMass。像其他地面移动雷达（Bluestein等人.2001），它被安装在一辆卡车。

关于雷达系统的细节都被pazmany等人（2003）和朱伊恩特等人（2004）发现。该雷达系统是一个基于磁控管海洋雷达收发由雷声公司制造的发展。它被修改为以发送相等的功率垂直（五）和水平（小时）极化脉冲。雷达体积采样每37.5米（径向分辨率是150米），然后棚车平均超过75米，每37.5米添加第二接收器，ZDR和微分相移（KDP）可以计算而无需使用昂贵的大功率收发开关。计算互相关系数和卜勒速度，后者从相干接收脉冲对测量中计算。

由于雷达在X波段操作在暴雨时是衰减高感，预计全雷达波束穿过暴雨时由于差分衰减会出现的错误估计。而衰减可修正使用，例如，帕瓦罗蒂等人的方法.（2001）“self-consistent”，在本研究中没有做任何修改。交错的脉冲重复频率来延长最大不模糊速度，同时保持一个比较长的最大射程（Zrnic和Mahapatra 1985）。该雷达收发器、双极化天线和底座安装在卡车平台上，数据采集、定位控制器和显示系统在船员舱内。关于雷达系统特性的进一步详细信息见表1。

表1 UMass X-pol 雷达参数

这种数据采集模式的数据处理系统在2004年采用。在“监控模式”，低数据率的雷达反射率数据显示和记录，可能会出比较长的范围（大于120公里）。在这种模式下，雷达操作员可以得到强度、一般的想法的大小、形状和在一个平面位置指示器的风暴位置（PPI）显示。在“数据采集模式”中，中频（IF）雷达数据直接传输到磁盘的范围内，以30公里的范围内。由于数据带宽和处理器的局限性，这些数据并没有实时显示出来。参数H和V的反射率（ZH，ZDR、KDP和ZV），相关系数、多普勒速度均值和标准偏差(Doviak 和 Zrnic 1984; Bringi和Chandrasekar 2001)是在现场操作后电脑计算后的。因此，监视模式被用来定位雷达车，并在确定是否是有价值的，开始记录所有的雷达变量。在数据采集期间（在两种模式下），天线在恒定仰角扫描360个角。当原始数据被记录下来，它对PPI数据显示是不可能监视任何。每5或10分钟左右，雷达操作员会切换到监控模式，确保暴雨特征被记录还指出PPI显示在所需的范围和方位；因此，有数据采集几分钟差距很多情况下（所有的雷达数据进行变量）。由于混叠存储在楔形段和某些天线旋转速度的某些部分不会被存储。最后，在2004年雷达计算机上的存储空间受到严重限制，因此，在大的数据在现场操作将被删除，以便使新的数据的空间，因此，雷达操作员必须在数据采集模式操作时非常保守的选择。（数据处理系统进行改进，在2005和上述的大部分障碍数据收集已被删除。）处理后的数据在监测和数据采集模式转换成兼容供使用美国国家大气研究中心（NCAR）格式的软件（Oye等. 1995），使雷达图像可以显示、编辑和其他操作。

现场进行操作在过去的几年里（Bluestein 1999; Kramar等. 2005）。风暴和龙卷风在仰角尽可能接近地面扫描，但最中间的树木，建筑等，不像雷日科夫等人收集的数据.（2005）使用固定位置的雷达，通过这里的极化数据收集梁堵塞近地面通常不受在方位角沿龙卷风的位置，由于我们的努力，让风暴特征的角度尽可能通畅，多亏雷达车的机动性。然而，雷达雷日科夫等人使用S波段的天线不升高为固定站点.（2005），并没有作出任何努力，以纠正任何堵塞，因为他们已经做了。同时，没努力让雷达车水平，所以有可能在PPI扫描垂直偏移一些未知量。天线旋转速度尽可能快使数据采样的方位就够了，至少有每一束方位1.25°。

除了由马萨诸塞大学极化数据，数据红外毫米波长（W波段）移动雷达（Bluestein等人.2005）收集，由两道斯（kosiba等人.2005），并通过红外数字热成像摄像机（塔纳町等人.2006），分析了其他地方的报告。

3案例研究

a. 收集的数据的空间分辨率的情况下

在2004的实验中，从四月下旬到六月上旬，在龙卷风的范围从4公里5月12日和29日8–14km收集资料。因此，不同分辨率体积稍大（考虑由于天线旋转）12日70米x70米x150米可能稍大于29日175 Mx175 M x150 M 。5月12日天线的仰角分别约为2.5°和3°，29日分别为5.1°和4.8°；因此，对雷达波束的中心12日近似高度175–210米AGL，29日可能是675米–1.25公里AGL。由于雷达平台没有被水平化，上述高度可能是在一个未知的程度上的错误。在29日高度的光束可能是一个较长的范围内的龙卷风和更高的仰角，这是很有可能这样的雷达波束的产品瞄准了远处的树木。从经验中，我们认为，高程的角度可能会一直有错误的高达2°，2004年在光束的中心的高度的不确定性12日是140米，29日是450米。

相比之下，对由雷日科夫等人提出的光束中心高度数据（2005），这是收集的 1999年5月3日在0°和0.5°仰角和2003年5月8号和9号的数据，从当龙卷风在20公里范围内低至30–175米AGL和当龙卷风在50公里的范围内变化到4.35m的AGL。因此，他们的数据的地面上的高度与我们的例子相比较，但低于我们的其他数据。数据的径向分辨率1999年5月3日为240 m，2003年五月八号和九号为 267 m （A. Ryzhkov 2005, 个人通信）。因此，分析体扫分辨率315米x315米x265米的数据是最好的（2003年5月8日）。因此，虽然大部分由马萨诸塞大学极化数据收集在一个更高的空间分辨率（70米x70米x150米），收集的资料只有在一个高度角（尽可能接近地面），而由雷日科夫等人描述的数据（2005）在一个深的体积中收集。因此，在本文中详细的数据缺乏的垂直连续性很好地显示出来的。

b.在堪萨斯南部的2004年5月12日的龙卷风

1）“阿提卡”龙卷风

在堪萨斯南部中心的形成一个超级单体，在干线交叉口和流出边界，约1730–1800 CDT（UTC 5 h后）2004日12时，催生了一系列的龙卷风（图1），两组进行数据采集模式由马萨诸塞大学极化。一个龙卷风形成于阿提卡，东邻堪萨斯，产生的损害由国家气象服务（NWS）提供。这股龙卷风被跟踪到西北方向，从雷达卡车（图2）中看非常清晰，仅4公里。由于它的运动是正常的道路上，雷达车停后，风暴拦截船员能够保持在一个位置观察整个生命的龙卷风。

图1. 在堪萨斯南部中心的形成一个超级单体，约1730–1800 CDT（UTC 5 h后）

5月12日的雷达反射率模式风暴尺度的角度在阿提卡的龙卷风超级单体（时间2001:09 CDT的雷达图像，按照这里的扫描开始的时间是有效的）如图3c看到。钩状回波的尖端和低反射率的陷波北部和东北部的钩回声连接到风暴的主体，这取决于北部和东北部。在龙卷风形成，雷达回波在暴风雨的西南侧的附属物（45 dBz）缩小成薄带弱得多的雷达反射率（图3a），弯曲是一个逆时针的方式，最终在一个狭窄的环30 dBz的回波；较弱的雷达反射率的就弯背在顺时针方向，有环状两螺旋带的出现（图3b）。这很可能是环标记的碎片在什么看起来像一个灰尘在地面上的旋转（未显示），在发展的龙卷风。无论是极化，也没有速度数据，在这个时候，环的外观和水平尺寸看起来非常像一个沙尘暴（Bluestein等人2004；参见图4）。环的位置是在沿线拐点可能明显的钩状回波交叉后翼阵风锋，如龙卷风在内布拉斯加州的Bluestein等人讨论（参见图5和6）和在堪萨斯tanamachi等人讨论的龙卷风（2007）。

与龙卷风有关的雷达反射率的图案是一个环状中等强度回声（40 dBz）直径约625米，周边较弱的区域的回声（15–25 dBz），直径200米；强回声环以外有40–50 dBz回波螺旋带（图4a）。这些特征是常见的龙卷风的时候被雷达在近距离观测到（例如，藤田1981；Bluestein等人.1993；沃曼等人1996；吉尔2000；Bluestein，pazmany Bluestein等人2004；亚力山大和沃尔曼2005；杜为尔等人.2005）。

该地区包括中等强度回声环配置准圆形区域相对低ZDR和相关系数（图4b）。这些变化小于0.5 dB区域（编码绿色和白色）和相关系数低于0.5（编码绿色）。第一螺旋带内外环的特点是1.5–3分贝。在龙卷风涡流相关的多普勒速度范围是325米，而在25m/s风速超过范围800米（图4c）。而F2损伤报道龙卷风，相对较弱的风感觉到的雷达可能是一个相对高的仰角，使雷达波束的中心是175米，远高于附近的树的顶部，并可能高于最高风速的水平（例如，沃曼和吉尔2000；亚力山大和沃尔曼Bluestein等人2005）。它也可能在图4c显示多普勒风的数据没有被收集在龙卷风是F2强度。风速测定由马萨诸塞大学X-POL测量的（更多信息可在网上www.cswr.org / dataimages /rotate/ 12may2004.HTML）在大致相同的时间。为了进一步说明雷达反射率ZDR，和多普勒速度相关，通过龙卷风上述参数绘制在图5（相关系数不显示），在恒定的范围龙卷风的中心。对围绕核心的龙卷风ZDR负值区域是显而易见的在2001:09 CDT；中等反射率的环是不太容易辨别。极低的值在涡流的中心ZDR的（2分贝）在相对高反射率方面

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