雙線偏振雷達在一次冰雹過程中的監(jiān)測分析

□ 民航溫州空管站 侯思遠/ 文

超級單體風暴是局地對流系統(tǒng)發(fā)展的最強烈的形式， 具有突發(fā)性強、歷時短、范圍小、局地性強的特點，常伴隨雷雨大風、冰雹、龍卷等氣象災害。冰雹對航空運輸往往會造成不可估量的嚴重損失，飛行中的航空器遭受雹擊的新聞屢見不鮮，輕則機體受損，重則直接影響飛行安全，同時機坪服務人員和設施設備也面臨著重大的安全威脅。

冰雹云在雷達回波圖上具有一些共同的特征：回波強度大于等于55dbz，回波頂高度高，同時還有十分強的上升氣流。PPI 平面位置顯示上還具有如 “V” 形缺口、指狀回波、鉤狀回波、弓形回波、人字形回波、三體散射TBSS、入流缺口、有界（無界）弱回波區(qū)BWER（WER）等形態(tài)特征；RHI 距離高度顯示上具有如穹隆狀、回波墻、懸垂體、尖頂狀假回波，旁瓣回波等形態(tài)特征。

在超級單體風暴發(fā)生發(fā)展機制的研究中，關注濕度、不穩(wěn)定條件和中尺度抬升機制等關鍵因素的同時，垂直風切變常被用作分析、診斷強對流風暴特別是超級單體的工具。環(huán)境風垂直切變的作用在于引導降水及其下沉氣流遠離低層的入流上升氣流，保證上升氣流的持續(xù)性，在風暴一側(cè)的輻合加強、維持，從而也延長了風暴的生命史。

目前，國內(nèi)常用的多普勒天氣雷達只能發(fā)射一種極化的電磁波，在分析降水粒子的形狀、相態(tài)上無法做到進一步深入。雙線偏振多普勒天氣雷達可以發(fā)射水平和垂直兩種方向上的電磁波，在改進定量降水估測，提升冰雹探測準確率，氣象目標和非氣象目標的區(qū)分和識別，各類降水粒子相態(tài)識別等方面有明顯的改善。

雙線偏振雷達具有差分反射率因子ZDR、差傳播相移KDP、相關系數(shù)CC 等偏振量產(chǎn)品，可判斷降水粒子的形狀、相態(tài)分布和降水類型等信息。有的專家在C 波段雙線偏振雷達的基礎上建立了識別冰雹區(qū)以及混合區(qū)降雨和降雹的方法，有的團隊利用美國S 波段雙線偏振雷達KOUN 進行了識別冰雹區(qū)方法的研究，S 波段雙線偏振雷達在探測強對流方面較C 波段有許多優(yōu)勢，國外的雙線偏振雷達通常工作在S 波段，溫州市氣象局也在2018年升級成為了S 波段雙線偏振雷達。

2019 年4 月24 日下午15 ∶20 ～15 ∶30 溫州機場出現(xiàn)了一次冰雹天氣，并伴有短時強降水，此次過程共造成十余架航空器受損，需要評估受損情況后才能放行，滯留了大量旅客，氣象自動觀測設備也受到損壞。經(jīng)觀測員測量，冰雹直徑為50 毫米，重量29 克。溫州機場自開通以來，僅出現(xiàn)過三次冰雹天氣，隨著溫州機場航班量的不斷增長，此類災害性天氣過程可能造成的損失也在放大，所以提前預警此類天氣就顯得尤為重要。借助溫州雙線偏振雷達產(chǎn)品和高空地面資料對此次過程進行分析，著重分析雙線偏振雷達在監(jiān)測冰雹和短時強降水等強對流天氣中的應用，為預報員在今后監(jiān)測預警強對流天氣過程中提供參考。

天氣形勢分析

（一）天氣圖分析

當日地面圖如圖1 所示。在圖1 所示的24 日08 時東亞地面圖上，北方冷空氣主體位于貝加爾湖以東地區(qū)，前沿已擴散到我國渤海至華北一線，西南倒槽從廣西南部一直向北延伸到華北南部，中東部地區(qū)為倒槽前部的弱氣壓場控制著，此片區(qū)域大部分都出現(xiàn)了大霧天氣，說明地面水汽十分充足。

高空 圖上，850hPa 冷高壓位置與地面圖上相似，高壓前部的冷平流也擴散至渤海灣至華北一線，低壓槽區(qū)控制著華北南部至華南地區(qū)，本場處于弱切變的南側(cè)西南氣流之中，華南急流已發(fā)展到福建中部。700hPa上貝加爾湖以東地區(qū)為高壓脊，我國中部地區(qū)為一致的西北氣流，膠東半島以南至兩湖地區(qū)有一條切變線，切變北側(cè)有弱冷平流隨之南下。本場上空為切變南側(cè)的西南偏西氣流控制。500hPa 天氣形勢與700hPa 形勢相類似，高空淺槽位于長江中下游地區(qū)，槽前的西南氣流控制著東部沿海至廣東西部。圖1中的下午14 時地面清楚地顯示，西南倒槽明顯地向東部延伸，切變線也隨之發(fā)展，本場處于地面的切變線附近。

（二）環(huán)境條件分析

中尺度分析概念最早是由藤田哲野提出，20 世紀70年代美國人米勒通過對環(huán)境場條件的中尺度分析總結(jié)出“天氣型識別法”（流型識別法）。在我國，中尺度分析在暴雨、強對流預報中越來越受到重視，分析個例也日漸增長，本文基于國家氣象中心制定的《中尺度天氣分析業(yè)務技術規(guī)范》進行分析。

根據(jù)08 時的天氣形勢做出的中尺度分析如圖2 所示， 溫州機場所處的區(qū)域在925hPa 和850hPa 上均為濕區(qū)控制， 露點溫度均＞10 ℃， 其 中925hPa露點溫度＞14 ℃。T850-T500hPa ≥26℃也處于本場上空，風雹條件較好，同時也說明中低層溫度直減率非常大，700hPa 上的冷槽位于蘇皖境內(nèi)，伴隨著高度槽的東移也相應東移，500hPa上本場為露點溫度差＞15℃的干區(qū)，即本場處于典型的“下濕上干” 不穩(wěn)定層結(jié)之中，且在中層即將有干冷空氣侵入。200hPa 高空急流也位于本場上空，為高層輻散提供了有利條件，如圖2、圖3 所示。

由于溫州地區(qū)沒有探空資料，本文使用了歐洲中心數(shù)值預報模式以24 日08 時作為初始場的數(shù)值預報產(chǎn)品。從圖3 上可以看出本站08時表現(xiàn)為上干下濕的狀態(tài)，K指數(shù)達35℃，LI指數(shù)為-2℃，表現(xiàn)為不穩(wěn)定狀態(tài)。垂直風切變是強雷暴發(fā)展和維持的重要因素，在超級單體和中尺度對流系統(tǒng)加強、組織化和維持上起到關鍵作用。從圖3 上可以看出近地面1000hPa為2m/s 的東北風，700hPa 為18m/s 的偏西風，兩個等壓面之間的風矢量差數(shù)值為19m/s，厚度約為3km，對應的垂直風切變值為6.3×10-3s-1，在低層呈現(xiàn)出較大的垂直風切變。有利于超級單體風暴的生成和發(fā)展。

強對流天氣系統(tǒng)演變特征

圖4 為4 月24 日冰雹過程溫州雙線偏雷達組合反射率演變圖。

雷達反射率圖演變圖（ 圖4） 顯示，24 日上午11 ∶00 浙江西部山區(qū)有對流云團發(fā)展向偏東方向移動，下午14 時地面圖（圖1）顯示倒槽鋒面明顯向東部發(fā)展，鋒面云系也逐漸東移。13 ∶42 在溫州西南山區(qū)文成縣附近有一個孤立的對流云團生成，配合此時的鋒面發(fā)展，孤立云團得以迅速加強，在生成后約15 分鐘的13 ∶58，對流云團中心反射率就達到了69dbz，且移動速度迅猛，14 ∶43 移動到了距離出生地文成縣以東50km 處的瑞安市。運用四分屏顯示（即屏幕上同時顯示四副不同仰角的反射率因子）來確定雷暴的結(jié)構(gòu)和強弱，可以看出對流單體在14 ∶04 已具有超級單體風暴懸垂結(jié)構(gòu)和有界弱回波區(qū)的特征。

14 ∶32，該超級單體風暴出現(xiàn)了分裂，通過分析圖5 的徑向速度圖可以看出，分裂后的兩個單體風暴呈現(xiàn)出完全不同的旋轉(zhuǎn)方向，右移的風暴呈氣旋式旋轉(zhuǎn)，左移的風暴呈反氣旋式旋轉(zhuǎn)。根據(jù)前人對超級單體風暴分裂以及選擇性加強動力學機制的研究成果，環(huán)境風垂直切變方向隨高度變化是造成風暴選擇性加強的主要原因。當風切變矢量隨高度基本不變時，氣旋式右移風暴和反氣旋式左移風暴會有幾乎相當?shù)陌l(fā)展；當風切變矢量隨高度順時針旋轉(zhuǎn)時，分裂后氣旋式旋轉(zhuǎn)的右移風暴得到加強，而反氣旋式旋轉(zhuǎn)的左移風暴受到抑制；同理，當風切變矢量隨高度逆時針旋轉(zhuǎn)時，風暴分裂后反氣旋式旋轉(zhuǎn)的左移風暴得到加強發(fā)展，而氣旋式旋轉(zhuǎn)的右移風暴受到抑制。

而此次過程中分裂后形成的右移風暴中心反射率強度一直維持在70dbz 以上，最強時達到了81dbz，且有著很高的反射率梯度，具有冰雹云的特征。左移風暴在分裂時中心強度仍有68.5dbz，在經(jīng)過3 個體掃之后，中心強度減弱到60dbz，雖然其后在移動至永嘉山區(qū)后又再次加強，但對溫州機場已無影響，所以本文著重探討右移風暴。但分裂后的右移風暴和左移風暴的不同發(fā)展趨勢，也能證明溫州地區(qū)風切變矢量隨高度順時針旋轉(zhuǎn)。即在0 ～3km 的層結(jié)中，實際風向也隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，有暖平流。這與低層倒槽加強的天氣形勢相吻合。

15 ∶00 溫州機場天氣實況為雷暴伴有強降水，15 ∶20 開始降雹，15 ∶30 冰雹天氣結(jié)束。通過利用四分屏判斷方式，同時結(jié)合徑向速度圖（圖略）可以看出，15 ∶23 該風暴仍為超級單體風暴，如圖6 所示。由于機場離雷達所在位置僅有10km 左右，且雷達所在海拔為700 余米，所以在低仰角上鉤狀回波不十分明顯，但也能看到低層反射率因子的高梯度區(qū)，且從低到高反射率因子向入流一側(cè)（南邊）傾斜，表明了該超級單體風暴具有了低層弱回波區(qū)和中高層懸垂結(jié)構(gòu)。超級單體風暴與其他強風暴的本質(zhì)區(qū)別在于超級單體風暴含有一個持久深厚的中氣旋，在圖7 徑向速度圖上可以看出風暴所在的區(qū)域有一個氣旋式切變速度對，該速度對自14 ∶32開始的分裂結(jié)束后就一直存在，已經(jīng)具有了明顯的中氣旋特征，據(jù)此也可以判定右移的氣旋式旋轉(zhuǎn)單體為超級單體。

雙線偏振雷達產(chǎn)品應用

此次冰雹天氣過程中，先由雷暴伴隨降水開始，自動觀測設備記錄從14 ∶49分開始降水， 分鐘雨量達到 了0.3mm， 在 隨 后 的3 分鐘里分鐘雨量維持在0.2 ～0.3mm，此后分鐘雨量一直維持在0.0 ～0.1mm，直至15 ∶23，分鐘雨量達到了1.3mm，其后最強時達到了2.8mm，并一直持續(xù)到15 ∶29，之后由于設備故障缺失記錄。

分析反射率因子演變之后可以發(fā)現(xiàn)，14 ∶49 ～14 ∶52 的降水是由另一對流云團引起，并非超級單體風暴中的降水，演變同時顯示了超級單體風暴在15 ∶11 前后移動至機場上空， 與此相對應的是，自動觀測記錄上14 ∶53 ～15 ∶09 累積降水僅為0.2mm，而15 ∶09 后分鐘雨量開始增大，此后的分鐘雨量基本在0.1mm 以上為主，觀測員的觀測記錄大雨由15 ∶08 開始也能表明，此時開始的降水才是由超級單體風暴產(chǎn)生。前人研究結(jié)果表明，雙線偏振多普勒雷達可以對冰雹在落地之前是否有融化進行判斷，因此，通過分雙線偏振雷達的三個偏振參數(shù)可以對此次過程的冰雹相態(tài)變化進行分析。

差分反射率ZDR 表示水平極化和垂直極化回波的反射率因子之比的對數(shù)，與產(chǎn)生后向散射的水凝物粒子的形狀、密度和成分構(gòu)成有關。一般來說，冰雹由于在下落過程中不斷翻轉(zhuǎn)、擺動，其ZDR值趨于0 甚至小于0，負ZDR更是冰雹區(qū)的特征，冰雹的外覆水膜可極大地改變其ZDR值的大小。

水平偏振和垂直偏振波在通過一個非各向同性介質(zhì)時，在兩個偏振波之間將會產(chǎn)生微差相移φDP；φDP對距離導數(shù)的一半定義為 “比微差相移” KDP，相當于每單位距離（km）上的微差相移。KDP依賴于降水粒子濃度和大小，還有降水粒子成分構(gòu)成，相對于ZH，KDP對粒子尺寸的依賴度要小一些；密度均勻的球形粒子或密度均勻的隨機翻滾的降水粒子KDP值在0 附近。由于KDP產(chǎn)品計算與相關系數(shù)CC 相關，當CC ＜0.9 時，不計算KDP，KDP產(chǎn)品會出現(xiàn)空白的區(qū)域，即KDP沒有數(shù)據(jù)。

相關系數(shù)CC 反映水平偏振和垂直偏振回波功率之間的相關系數(shù)，其大小與粒子的軸比、傾斜角、形狀不規(guī)則性以及相態(tài)有關，對雷達信噪比較敏感，也易受到地物雜波和旁瓣回波的影響。在純雨、純雪和純霰時其值接近于1.0；在雨和雪混合，雨和冰雹混合以及在Mie散射效應很大的波段（例如大冰雹）CC 會降低。

此次過程中，由于超級單體風暴與雷達之間的距離太近，所以無法分析高層的粒子分布和相態(tài)。如圖8 所示，在15 ∶23 分0.5°仰角上，強回波區(qū)基本覆蓋了機場上空，回波強度在65 ～71dbz，對應的ZDR 值為-0.7 ～3.5dbz，KDP 值為-0.2 ～1.8° /km，CC 值為0.91 ～0.97，符合大冰雹伴隨大雨的特征。在圖9 中，仰角抬高到2.4°，回波強度中心向南傾斜，強回波區(qū)強度 為66 ～69dbz， 對應的ZDR為-1.1 ～2.3dbz，KDP出現(xiàn)了部分區(qū)域空白，CC 為0.82 ～0.96dbz，說明在此高度上冰雹數(shù)量比低層更加密集，而雨滴的數(shù)量更少。以上的偏振參數(shù)的變化及分布說明了，冰雹在下落的過程中部分逐漸融化成了大雨滴，增強了冰雹過程中末尾的降水強度，與末尾階段出現(xiàn)的分鐘降水量達到2.8mm的罕見強降水結(jié)果相一致。

結(jié)論：

（1）24 日08 時溫州機場處于弱輻合之中，低層西南急流位于福建境內(nèi)，且低層濕度很大，而較高的中低層溫度直減率和500hPa 的干區(qū)也表明，中層有弱冷空氣侵入，高層的急流位置也有利于對流的發(fā)展，午后西南倒槽加強，為對流的觸發(fā)帶來了抬升條件。中低層較大的垂直風切變?yōu)槌墕误w風暴的發(fā)生和長時間的維持提供了有利條件。

（2）通過分析多普勒雷達的反射率因子可以發(fā)現(xiàn)，雷暴云團具有懸垂結(jié)構(gòu)和弱回波區(qū)，徑向速度上有持續(xù)的中氣旋存在，因此可以將雷暴云團定性為超級單體風暴。

（3）此次過程中，雙線偏振雷達的偏振參數(shù)證明了，末尾出現(xiàn)的強降水的雨量部分是由冰雹融化帶來的，但由于距離原因，無法測得高層的粒子分布和相態(tài)。