鄭鐘堯，魏 鳴，王 彥，傅 超

(1.滄州市氣象局，河北滄州 061001；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；3.天津市氣象局，天津 300000)

多普勒天氣雷達(dá)是監(jiān)測(cè)暴雨、颮線、臺(tái)風(fēng)、冰雹等災(zāi)害性天氣過程的重要探測(cè)手段，業(yè)務(wù)上主要將其應(yīng)用于對(duì)以上災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，并用于定量估測(cè)大范圍降水、獲取大氣風(fēng)場(chǎng)的信息以及數(shù)值預(yù)報(bào)模式資料同化的研究[1-2]。天氣雷達(dá)雖然主要用于降水天氣的監(jiān)測(cè)，但也具有探測(cè)非降水回波的能力，例如在探測(cè)火情方面有爆炸回波和火情回波，可以提供動(dòng)態(tài)演變信息，為災(zāi)后調(diào)查提供數(shù)據(jù)支持。

當(dāng)前針對(duì)火情的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)研究較多，例如用NOAA、MODIS、FY等極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有覆蓋范圍廣、時(shí)間分辨率高的優(yōu)勢(shì)[3]。有學(xué)者對(duì)幾種衛(wèi)星系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為EOS/MODIS衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)林火、沙塵等自然災(zāi)害中的監(jiān)測(cè)效果較好，監(jiān)測(cè)精度和準(zhǔn)確度較高[4-5]。王釗等利用MODIS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的地表熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，得到2001—2009年陜西省地表熱異常點(diǎn)的時(shí)空分布規(guī)律[6]。但衛(wèi)星監(jiān)測(cè)空間分辨率較低，受天氣狀況影響較大，對(duì)著火時(shí)長(zhǎng)、實(shí)際著火面積、火災(zāi)次數(shù)等指標(biāo)的確定存在較大誤差[7]。

雷達(dá)對(duì)于在有效范圍內(nèi)的單一或多個(gè)火點(diǎn)監(jiān)測(cè)效果較好，可以作為監(jiān)測(cè)火情的有效補(bǔ)充手段，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有學(xué)者針對(duì)火情產(chǎn)生的雷達(dá)回波及散射機(jī)理做了一些分析。陳永林等[8]對(duì)2006年5月4日上海一次重大火災(zāi)所產(chǎn)生的雷達(dá)回波進(jìn)行分析，證明新一代天氣雷達(dá)處于降水模式下可以探測(cè)到火災(zāi)煙團(tuán)，并且雷達(dá)回波的發(fā)展與火災(zāi)的生消一致；黃克慧等[9]對(duì)2007年發(fā)生在浙江省的10次不同規(guī)模的森林火災(zāi)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)火情產(chǎn)生的回波具有回波頂高度低、出現(xiàn)速度輻散對(duì)、回波強(qiáng)度有變化的特點(diǎn)。福建省自2011年起在龍巖開啟了新一代天氣雷達(dá)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和森林火災(zāi)預(yù)警技術(shù)研究及業(yè)務(wù)應(yīng)用，經(jīng)過幾年的不斷開發(fā)和改進(jìn)，天氣雷達(dá)已成為福建地區(qū)監(jiān)測(cè)、撲救森林火災(zāi)的有效手段。張深壽等[10]認(rèn)為在持續(xù)燃燒的晴空大氣中，溫度、氣壓和濕度變化劇烈，這種不均勻性產(chǎn)生了渦旋湍流，這是以高頻擾動(dòng)渦旋為特征的有旋的三維運(yùn)動(dòng)，對(duì)大量的個(gè)例進(jìn)行分析，得出林火判別的主要指標(biāo)，并提出了對(duì)林火的人工監(jiān)測(cè)流程。黃琴等[11]結(jié)合探空資料分析了大氣溫、壓、濕梯度造成折射指數(shù)分布不均以及背景風(fēng)場(chǎng)引起的晴空回波，其散射機(jī)理與爆炸后期的散射機(jī)理相似。王威等[12]對(duì)岳陽(yáng)市發(fā)生森林火災(zāi)時(shí)的回波進(jìn)行分析，同樣也驗(yàn)證了多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)火情的效果好。福建省氣象局將天氣雷達(dá)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)突發(fā)爆炸事件，2015年4月6日晚福建省漳州市一家PX項(xiàng)目工廠發(fā)生爆炸，利用回波圖上的強(qiáng)度和速度特征，可以清晰地識(shí)別其中較大規(guī)模爆炸的結(jié)構(gòu)演變。

由于爆炸本身屬于小概率突發(fā)事件，與此相關(guān)的深入機(jī)理研究和回波特征分析仍較少。本文為研究天氣雷達(dá)在探測(cè)爆炸燃燒事件中的回波特征和散射機(jī)理，以2015年8月12日23:30左右天津塘沽的重大爆炸事故為例，分析多普勒天氣雷達(dá)回波特征的演變，旨在揭示爆炸回波的形成機(jī)理，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供更多的參考依據(jù)。

1 事件簡(jiǎn)介

2015年8月12日23:30左右，天津市塘沽區(qū)一倉(cāng)庫(kù)發(fā)生重大火災(zāi)爆炸事故，事故造成165人遇難，8人失蹤，798人受傷[13]。距離最近的塘沽天氣雷達(dá)因爆炸受損停機(jī)，距離事故地點(diǎn)較近的多種雷達(dá)設(shè)備則迅速投入到監(jiān)測(cè)任務(wù)中，其中距離事故發(fā)生地118 km的河北滄州多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)到了事故的爆炸回波演變。不過爆炸發(fā)生后近10個(gè)小時(shí)的大火燃燒沒有被滄州雷達(dá)探測(cè)到，分析認(rèn)為后續(xù)燃燒的湍流衍射能量弱，加上受距離、高度和雷達(dá)探測(cè)靈敏度所限，所以難以被雷達(dá)探測(cè)到。

位于河北省滄州市的多普勒天氣雷達(dá)屬于CINRAD/SA型新一代天氣雷達(dá)，被置于VCP21降水模式下運(yùn)行，由于事發(fā)時(shí)8月屬于汛期，按照業(yè)務(wù)要求，滄州雷達(dá)全天候運(yùn)行不停機(jī)，全程監(jiān)測(cè)到了此次爆炸。滄州雷達(dá)距離塘沽雷達(dá)約110 km，位置接近塘沽雷達(dá)的西南方，是距離事發(fā)地最近的一部雷達(dá)。

2 天氣雷達(dá)探測(cè)爆炸回波的原理

天氣雷達(dá)主要以探測(cè)降水回波為主，當(dāng)雷達(dá)波束在大氣中傳播，遇到云滴、雨滴及冰晶等顆粒物會(huì)造成后向散射，隨粒子的相態(tài)和幾何形狀不同而有差異，通過分析雷達(dá)回波可以得到粒子的空間位置、強(qiáng)弱分布、移動(dòng)速度以及相態(tài)類別等特征。大氣的動(dòng)力、熱力和水汽分布不均勻產(chǎn)生的湍流團(tuán)，雷達(dá)探測(cè)到這些湍流團(tuán)在一定條件下通過湍流衍射可產(chǎn)生非降水回波。

爆炸和火災(zāi)發(fā)生時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)可被電磁極化的物質(zhì)對(duì)雷達(dá)電磁波產(chǎn)生散射，爆炸后空氣湍流團(tuán)的溫度、氣壓和濕度的強(qiáng)烈變化使大氣折射率的梯度增大，雷達(dá)可接收到回波信號(hào)。根據(jù)爆炸事件的演變，從爆炸初始階段到后期的濃煙階段，雷達(dá)回波具有不同的特征及形成機(jī)制，下面分別進(jìn)行討論。

2.1 爆炸初始階段的回波形成機(jī)制

開始爆炸時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的庫(kù)房、儲(chǔ)物罐及各種碎片中含有金屬導(dǎo)電介質(zhì)的物質(zhì)，由于爆炸產(chǎn)生的巨大沖擊力會(huì)散布到空中，對(duì)雷達(dá)電磁波產(chǎn)生了散射，回波強(qiáng)度超過35 dBz，最強(qiáng)回波達(dá)到50～55 dBz。瑞利散射條件下，目標(biāo)物對(duì)電磁波的雷達(dá)截面σ(又稱后向散射截面)公式[14]9-10為

(1)

其中，D為目標(biāo)物(如爆炸后的碎屑)的直徑(單位：mm)，λ為雷達(dá)波長(zhǎng)(單位：cm)， 當(dāng)目標(biāo)物的粒子直徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)(即滿足瑞利散射)時(shí)可以通過(1)式計(jì)算其后向散射截面。大氣折射指數(shù)n與散射目標(biāo)的相對(duì)介電常數(shù)ε的關(guān)系[14]91-93為

(2)

散射目標(biāo)的爆炸之初回波的形成機(jī)制：雷達(dá)電磁波探測(cè)到具有相對(duì)介電常數(shù)ε的爆炸碎屑時(shí)發(fā)生散射，即入射電磁波在介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)產(chǎn)生極化，其后向散射能量被雷達(dá)接收。此階段雷達(dá)回波的形成機(jī)制符合粒子散射的規(guī)律，這些導(dǎo)電介質(zhì)對(duì)于電磁波的散射比同體積降水粒子的散射能量強(qiáng)，所以回波較強(qiáng)。

2.2 爆炸發(fā)生后期的回波形成機(jī)制

當(dāng)爆炸發(fā)生一段時(shí)間后，空氣中存在持續(xù)燃燒的濃煙，此時(shí)仍有雷達(dá)回波存在，但回波強(qiáng)度明顯弱于爆炸初始階段，這時(shí)的回波形成機(jī)制有兩類：(1)爆炸后煙云中懸浮的顆粒物如果可以被電磁波極化，仍會(huì)引起粒子散射；(2)當(dāng)這些爆炸碎屑已經(jīng)沉降到地面后，后期持續(xù)的弱回波是大氣溫度、氣壓和濕度的強(qiáng)不均勻引起的晴空湍流團(tuán)對(duì)電磁波的湍流衍射，其回波形成機(jī)理如下[14]30-32。

湍流大氣的回波遵從Bragg定律，回波反射率η(單位：mm2)為

η=0.39Cn2λ-1/3。

(3)

其中λ是雷達(dá)波長(zhǎng)(單位：cm)；Cn是大氣折射率的結(jié)構(gòu)常數(shù)。分析上式可看出，湍流大氣對(duì)雷達(dá)電磁波的反射率η正比于大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn，且與雷達(dá)波長(zhǎng)λ的-1/3次冪成正比。使用量綱分析，并從大氣流體運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)，得出結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn的關(guān)系式為

Cn=a2L04/3M2。

(4)

式中L0是湍流外尺度(單位：km)；M是水平折射率的垂直梯度(單位：m-1)；a是無量綱常數(shù)。

水平折射率的垂直梯度用M表示為

(5)

當(dāng)電磁波在大氣中傳播時(shí)，大氣折射指數(shù)n與溫度、氣壓和濕度各要素之間的關(guān)系式為

(6)

其中，N=(n-1)106是大氣折射指數(shù)的實(shí)際應(yīng)用單位，表示折射指數(shù)的變化，簡(jiǎn)稱折射指數(shù)N單位；T是大氣溫度(單位：K)；P是氣壓(單位：hPa)；e是水汽壓(單位：hPa)。分析(6)式可知，n與P和e成正比，與T成反比。

湍流大氣對(duì)雷達(dá)電磁波衍射的物理實(shí)質(zhì)是：不同尺度的湍塊相當(dāng)于具有不同間距的空間衍射光柵，而不同間距的衍射光柵對(duì)于不同散射角上的散射能量有明顯的貢獻(xiàn)，也即恰巧可以在該方向上形成衍射的“亮點(diǎn)”。根據(jù)光學(xué)中Bragg定律，當(dāng)雷達(dá)發(fā)射電磁波并接收目標(biāo)物的后向散射時(shí)，能在后向方向上產(chǎn)生衍射“亮點(diǎn)”的有效湍流團(tuán)尺度d[15](單位：cm)為

(7)

即只有湍流團(tuán)尺度等于半個(gè)波長(zhǎng)的衍射能量才能夠被雷達(dá)探測(cè)到。滄州S波段多普勒天氣雷達(dá)的波長(zhǎng)是10.7 cm，可探測(cè)到尺度大約為5.35 cm的燃燒湍流團(tuán)。因此，爆炸后期持續(xù)燃燒的階段，大氣存在著溫度、氣壓和濕度各要素的劇烈變化，產(chǎn)生的湍流團(tuán)使大氣折射率及大氣結(jié)構(gòu)常數(shù)分布不均，從而產(chǎn)生湍流大氣的衍射回波，此階段回波形成機(jī)制不同于粒子散射，回波強(qiáng)度相對(duì)較弱。分析公式(3)～(7)可知，不同于粒子散射的強(qiáng)弱主要與粒子尺度有關(guān)，湍流團(tuán)衍射的強(qiáng)弱主要是與水平折射率n的垂直梯度M有關(guān)，且存在符合雷達(dá)半波長(zhǎng)的湍流團(tuán)。

3 爆炸回波特征

滄州雷達(dá)海拔高度為0.112 km，距離事發(fā)地約110 km，根據(jù)雷達(dá)測(cè)高公式計(jì)算可得，雷達(dá)在0.5°、1.5°、2.4°、3.4°仰角上的最低可探測(cè)高度分別為1.78 km、3.7 km、5.43 km、7.35 km。在事故初始階段，爆炸產(chǎn)生的熱對(duì)流足夠高，這四個(gè)仰角的PPI圖上均體現(xiàn)有爆炸特征的回波。

圖1是滄州多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)到的塘沽爆炸回波。爆炸發(fā)生于12日23:34，爆炸前事故發(fā)生地處于起火狀態(tài)(圖1圈出位置為事故發(fā)生地，距離滄州雷達(dá)118 km，方位角44°)。從12日23:36時(shí)次0.5°仰角的強(qiáng)度圖上可以看到事故地點(diǎn)突然出現(xiàn)的強(qiáng)回波，強(qiáng)度可達(dá)50 dBz，且水平尺度非常小，前一時(shí)次該位置還沒有任何異常回波。這一點(diǎn)與氣象回波有所區(qū)分，氣象產(chǎn)生的強(qiáng)回波即使尺度較小，但一般在時(shí)序圖上能觀察到強(qiáng)度由弱變強(qiáng)的過程。此后時(shí)次這個(gè)位置附近的回波強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，?qiáng)回波向偏東方向移動(dòng)，到00:36時(shí)，即事故發(fā)生后一個(gè)小時(shí)，回波強(qiáng)度最高為30 dBz，回波面積變大。說明隨著時(shí)間推移，爆炸產(chǎn)生的火情影響范圍在擴(kuò)大，并且受沖擊波和風(fēng)向共同影響向東南方擴(kuò)散。13日凌晨01:36回波基本消失，回波持續(xù)了2 h。低層5～10 dBz的弱回波是環(huán)境背景的晴空湍流回波。

圖1 2015-08-12 0.5°仰角滄州多普勒天氣雷達(dá)回波圖(圈出位置為事故發(fā)生地)(a.12日23:36；b.13日00:06；c.13日00:36；d.13日01:06)

圖2是23:36和23:42兩個(gè)時(shí)次仰角分別為0.5°、1.5°、2.4°、3.4°的回波強(qiáng)度圖。23:36時(shí)次的0.5°仰角回波強(qiáng)度最強(qiáng)(達(dá)到50 dBz)，2.4°仰角時(shí)雷達(dá)可探測(cè)到的高度為5.9 km，回波強(qiáng)度為35 dBz。由于這個(gè)高度上已經(jīng)沒有背景場(chǎng)的晴空湍流弱回波，周圍沒有其他雜波干擾，抬高雷達(dá)仰角時(shí)爆炸的孤立回波很明顯。23:42時(shí)0.5°仰角回波為40 dBz，范圍較之前增大，抬高仰角到3.4°時(shí)這兩個(gè)時(shí)次的回波仍清晰可見，也可說明爆炸回波的高度足夠高。觀察之后的時(shí)次，高層2.4°仰角的回波直到持續(xù)到13日00時(shí)才逐漸消失。 此階段為爆炸現(xiàn)場(chǎng)空中物質(zhì)中的導(dǎo)電介質(zhì)對(duì)雷達(dá)電磁波的強(qiáng)散射，屬于粒子散射，回波強(qiáng)度較強(qiáng)，穩(wěn)定少動(dòng)。

圖2 2015-08-12T23:36(a)和T23:48(b)爆炸回波多仰角圖

爆炸回波在徑向速度和譜寬圖上也有明顯特征，圖3選取了爆炸初始階段23:36和23:48的徑向速度(0.5°)和譜寬(1.5°)。速度圖上初始時(shí)刻23:36爆炸區(qū)域特征不太明顯，但后續(xù)時(shí)刻暖色調(diào)速度區(qū)面積不斷增大。雖然徑向速度值較小但仍然可以區(qū)分出來，呈輻散特征(圖3中用藍(lán)色圓圈標(biāo)出)。譜寬反映采樣體積內(nèi)粒子的多普勒速度偏離整體平均值的平均程度，可提供由于風(fēng)切變、湍流和采樣體積內(nèi)平均徑向速度方差的觀測(cè)[16]。23:36，0.5°仰角爆炸地點(diǎn)譜寬值不明顯，觀察時(shí)易被忽略，而同時(shí)刻1.5°仰角譜寬值達(dá)到12 m/s，較周圍強(qiáng)烈，譜寬是采樣體積中的速度脈動(dòng)，爆炸對(duì)周圍大氣產(chǎn)生了熱力梯度和氣壓梯度，產(chǎn)生了12 m/s的少見大譜寬值，可以反映出爆炸氣流后大氣中的劇烈擾動(dòng)。下面對(duì)比同時(shí)刻的速度和譜寬圖，以分析爆炸后大氣氣流結(jié)構(gòu)的演變。

圖3 2015-08-12 0.5°仰角徑向速度圖(a.23:36;b.23:48)和1.5°仰角譜寬圖(c.23:36;d:23:48)(藍(lán)色圓圈中為事故發(fā)生地)

為了看到爆炸后大氣垂直方向上的回波特征，對(duì)23:36和23:42兩個(gè)時(shí)次做了反射率因子剖面圖(圖4)。圖4中紅色箭頭方向代表剖線位置，可以看出，23:36 45 dBz的強(qiáng)回波接近3 km高度，此時(shí)處于爆炸初始階段，爆炸發(fā)生時(shí)在極短時(shí)間內(nèi)爆發(fā)出巨大能量，垂直剖面圖上有典型蘑菇云狀熱對(duì)流柱特征。6 min之后的23:42回波強(qiáng)度迅速減弱且高度降低，此時(shí)已經(jīng)過渡到大氣湍流團(tuán)的湍流衍射。

圖4 2015-08-12T23:36(圖a)和T23:42(圖b)反射率因子的PPI和RCS(直線代表剖線位置)

綜合以上資料分析，回波的生消演變與爆炸的過程及特征相符。由時(shí)間、地點(diǎn)、強(qiáng)度和速度特征的吻合可以推斷雷達(dá)回波的確反映了爆炸的真實(shí)情況，回波資料可信。由于爆炸大多是一瞬間的事故，通過雷達(dá)回波能夠分析爆炸發(fā)生的次數(shù)、強(qiáng)弱以及影響范圍等信息，可以作為一種輔助手段為災(zāi)后的調(diào)查研究提供數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)果與討論

(1)此次爆炸回波的特征可以概括為以下幾點(diǎn)。①爆炸發(fā)生后的短時(shí)間內(nèi)雷達(dá)回波強(qiáng)度突然增強(qiáng)，最強(qiáng)達(dá)到50 dBz。爆炸區(qū)域呈正的徑向速度，隨后附近西南方向出現(xiàn)了另一個(gè)正速度區(qū)，呈輻散特征。②爆炸產(chǎn)生的回波有別于氣象回波，呈現(xiàn)水平尺度小、突然出現(xiàn)且強(qiáng)度較大的特點(diǎn)。結(jié)合速度和譜寬圖也能觀察到相應(yīng)地點(diǎn)有回波像素變化。③將雷達(dá)的強(qiáng)度、速度、譜寬以及垂直結(jié)構(gòu)圖與爆炸過程相比較，可以看出雷達(dá)回波的孤立回波特征與爆炸過程相一致。④對(duì)爆炸區(qū)域的反射率因子做垂直剖面圖RCS能看到回波高度和強(qiáng)度突增，有熱對(duì)流柱特點(diǎn)，符合爆炸的蘑菇云特征。用回波分析爆炸有較強(qiáng)的可信度。

(2)通過爆炸事件的回波演變，研究了爆炸燃燒不同階段的散射機(jī)制。爆炸發(fā)生前期回波的主要形成機(jī)制是導(dǎo)電介質(zhì)粒子對(duì)電磁波的散射，此階段回波會(huì)突然加強(qiáng)；爆炸發(fā)生后期回波的形成機(jī)制有兩類，一類仍有空中顆粒物的粒子散射，另一類是由于大氣溫度、氣壓、濕度的劇烈變化而產(chǎn)生的湍流衍射，此階段的回波強(qiáng)度明顯弱于前期，識(shí)別時(shí)可以配合回波強(qiáng)度、徑向速度和譜寬分析。

(3)由于爆炸點(diǎn)范圍相對(duì)于多普勒天氣雷達(dá)整個(gè)探測(cè)范圍較小，且強(qiáng)回波持續(xù)時(shí)間較短，在識(shí)別時(shí)容易將其與常規(guī)降水回波或普通雜波混淆。針對(duì)不同地點(diǎn)，雷達(dá)所能探測(cè)到的煙團(tuán)高度不同，距離越遠(yuǎn)，雷達(dá)探測(cè)能力越弱，具體應(yīng)用時(shí)還需結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況來分析判斷。