一次春季冰雹天氣過程中X波段雙偏振雷達(dá)的特征分析

李春娥 武麥風(fēng) 胡偉 張亞婷 趙翔

摘要利用探空資料和咸陽旬邑X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)對2017年4月26日的冰雹天氣過程進(jìn)行了天氣形勢分析與雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品的特征分析，結(jié)果表明，該次冰雹天氣發(fā)生在 200 hPa 西風(fēng)急流、500 hPa槽后冷平流、高溫高濕的中低空條件及地面干冷空氣的天氣背景下，大氣層結(jié)具有強(qiáng)不穩(wěn)定度，垂直方向上存在較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，均有利于對流運(yùn)動的發(fā)展;西安探空的0 ℃層高度以及-20 ℃層高度均十分有利于冰雹在雷暴單體中的維持和增長;邊界層附近有逆溫層，有利于不穩(wěn)定能量儲存;近地層有強(qiáng)的干冷空氣，抬升了中低層的暖濕空氣;X波段雷達(dá)的反射率因子以及徑向速度均表現(xiàn)出典型的雷暴單體回波特征，出現(xiàn)了明顯的三體散射回波;存在與強(qiáng)入流和強(qiáng)上升運(yùn)動對應(yīng)的弱回波區(qū)和懸垂結(jié)構(gòu)，具有明顯的回波墻;0 ℃層高度（3 km）以上有≥50 dBz的強(qiáng)回波;徑向速度剖面圖上中低層輻合、高層輻散，滿足冰雹發(fā)生的回波速度特征;X波段雙偏振雷達(dá)的差分反射率因子（ZDR）、差分傳播相移（KDP）、零滯后相關(guān)系數(shù)（RHV）等參量能有效地提高對冰雹的識別能力。冰雹回波的ZDR、KDP、RHV的取值范圍與強(qiáng)降水回波有明顯區(qū)別，能夠有效地區(qū)分冰雹回波與強(qiáng)降水回波。在降雹時，2.4°仰角ZDR 出現(xiàn)大面積0值、KDP 為-1.2～0.45 °/km，RHV為0.74～0.95，HCL可以直觀地對降水粒子的種類進(jìn)行判斷。X 波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)能夠較好地反映對流單體的回波特征，雙偏振參量能提供更多的冰雹識別特征。

關(guān)鍵詞X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá);影響系統(tǒng);回波特征;偏振特征產(chǎn)品

中圖分類號P412.25文獻(xiàn)標(biāo)識碼A?文章編號0517-6611（2020）15-0230-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.065

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Analysis of the Characteristics of Xband Dualpolarization Radar during a Hail Weather in Spring

LI Chune1，WU Maifeng2，HU Wei1 et al

（1.Meteorological Bureau of Xianyang City， Xianyang，Shaanxi 712000;2.Meteorological Bureau of Weinan City， Weinan，Shaanxi 714000）

AbstractUsing sounding data and Xianyang Xunyi Xband double polarization doppler weather radar， the weather situation of a hail process on 26 April 2017 and the characteristics of the dual polarization radar product were analyzed， the results showed that the hail weather occurred in 200 hPa westerly jet， after the 500 hPa trough cold advection， low in the condition of high temperature and high humidity and ground dry cold weather background， atmosphere and had strong stability， vertically exist strong vertical wind shear， is conducive to the development of convective motion;The height of 0 ℃ layer and -20 ℃ layer in Xian sounding were favorable for the maintenance and growth of hail in thunderstorm monomer. There was an inversion layer near the boundary layer， which was conducive to the storage of unstable energy. There was strong dry cold air in the near stratum， which lifts the warm moist air in the middle and lower strata. The reflectivity factor and radial velocity of xband radar showed typical characteristics of thunderstorm monomer echo， and there was obvious threebody scattering echo. There were weak echo regions and overhang structures corresponding to strong inflow and strong rising motion， and there were obvious echo walls. Strong echoes ≥50 dBz were observed above the height of 0 ℃ layer （3 km）. The radial velocity profile showed convergence in the upper middle and lower layer and divergence in the upper layer， satisfying the echo velocity characteristics of hail. ZDR， KDP， RHV and other parameters of Xband dualpolarization radar could effectively improve the recognition ability of hail. The value range of ZDR， KDP and RHV of hail echo was obviously different from that of heavy precipitation echo， which could effectively distinguish hail echo from heavy precipitation echo. When hail fell， a large area of 0 value and KDP value of 2.4 elevation Angle ZDR appeared from -1.2-0.45 °/km， RHV from 0.74 - 0.95， and HCL could directly judge the types of precipitation particles. The xband dualpolarization doppler weather radar could better reflect the echo characteristics of convective monomers， and the dualpolarization parameters could provide more hail recognition features.

Key wordsXband dualpolarization doppler weather radar;Impact system;Echo characteristics;Polarization characteristic product

基金項(xiàng)目陜西省氣象局科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目面上科研項(xiàng)目“X波段雙偏振雷達(dá)測量參數(shù)在冰雹識別中的應(yīng)用”（2017M-19）。

作者簡介李春娥（1969—），女，陜西白水人，高級工程師，從事短期天氣預(yù)報研究。*通信作者，正研級高級工程師，從事短期天氣預(yù)報研究。

收稿日期2020-02-05

陜西關(guān)中北部處于關(guān)中平原向黃土高原的過渡地帶，地形復(fù)雜，冰雹、雷雨大風(fēng)、短時強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣發(fā)生頻繁，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成較大影響。特別是冰雹，其突發(fā)性強(qiáng)、持續(xù)時間短、局地性特征明顯，利用常規(guī)天氣資料分析，僅能做出潛勢預(yù)報，臨近預(yù)報業(yè)務(wù)主要利用雷達(dá)資料，國內(nèi)在利用新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品對冰雹等強(qiáng)對流天氣監(jiān)測和分析方面的研究已經(jīng)有了不少成果[1-5]。近年來國內(nèi)也開始對X 波段雙偏振雷達(dá)展開研究，馬建立等[6]研究了X波段雙偏振雷達(dá)電磁波衰減對冰雹識別的影響，指出X波段電磁波在雨區(qū)的衰減會導(dǎo)致識別冰雹不準(zhǔn)確，經(jīng)過衰減訂正后的差分反射率因子能更有效識別冰雹。張雄等[7]研究了X波段雙偏振天氣雷達(dá)在冰雹識別中的應(yīng)用，指出X波段雙偏振雷達(dá)的偏振參量ZDR和粒子識別 HCL 等對冰雹具有較好的指示性。

2017年4月26日17：00，咸陽市彬州境內(nèi)有對流云發(fā)展，并自東北向西南移動，進(jìn)入長武縣后發(fā)展加強(qiáng)，在相公鎮(zhèn)、彭公鄉(xiāng)及冉店鄉(xiāng)造成冰雹天氣。最大冰雹直徑10 mm，其中相公鎮(zhèn)冰雹密度較大，持續(xù)時間10 min左右，地面上覆蓋了薄薄一層雹粒。這是典型的陜西局地性冰雹[8]，預(yù)報難度較大，市氣象臺漏報了這次冰雹過程。筆者從層結(jié)不穩(wěn)定條件、水汽條件、抬升觸發(fā)條件等方面探討有利于此次冰雹過程發(fā)生的環(huán)境背景條件，并利用咸陽旬邑X波段雙偏振雷達(dá)資料對冰雹的雷達(dá)回波特征進(jìn)行識別和分析，以期能給預(yù)報員提供更多的冰雹預(yù)報著眼點(diǎn)，減少這類冰雹天氣的漏報，提高咸陽強(qiáng)對流天氣短時臨近預(yù)報預(yù)警水平。

1天氣形勢及主要影響系統(tǒng)

2017年4月26日08：00，200 hPa在陜西省北部有西風(fēng)急流軸，咸陽位于高空急流軸南側(cè)強(qiáng)輻散區(qū)，有利于對流云頂質(zhì)量輻散的加強(qiáng)和上升運(yùn)動的維持[9];500 hPa歐亞大陸為兩槽一脊型，巴爾喀什湖到貝加爾湖為寬闊的高壓脊，烏拉爾山附近和我國東北部為冷渦。咸陽位于平?jīng)龅接苤械南禄矍暗钠街睔饬髦?，槽后有明顯的干冷平流，有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生;700～850 hPa陜西位于高壓環(huán)流之中，關(guān)中北部較暖，南部受偏東氣流影響，濕度較大。高溫高濕的中低空條件有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)展;邊界層附近出現(xiàn)從華北倒灌下來的東北路干冷空氣，925 hPa西安出現(xiàn)12 m/s的NE風(fēng)，強(qiáng)冷空氣的大量堆積又促使了中低層暖濕空氣的抬升;地面圖上陜西處于西伯利亞到華南的帶狀高壓之中，冷空氣勢力較強(qiáng)，冷墊作用明顯。長武附近有一條干線（圖1），水平干濕分布不均勻易引起大氣層結(jié)不穩(wěn)定，加強(qiáng)了對流云的發(fā)展，為局地冰雹天氣的發(fā)生提供了觸發(fā)條件;以T850 hPa-T500 hPa>22 ℃來表示大氣不穩(wěn)定區(qū)域，可以發(fā)現(xiàn)，26日08：00西安位于不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，說明關(guān)中地區(qū)的不穩(wěn)定能量充足，受到系統(tǒng)觸發(fā)容易發(fā)生強(qiáng)對流。

2探空資料分析

26日08：00西安站探空TlogP圖（圖2）顯示，0 ℃層在3 km以下，位置較低，有利于冰雹天氣發(fā)生;邊界層附近有逆溫層，有利于不穩(wěn)定能量儲存，當(dāng)能量積累到一定程度時沖破逆溫層，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動[10]。600 hPa 以上為干層，925～750 hPa濕度條件較好，大氣處于上干下濕狀態(tài)。925 hPa以下的干冷大氣表征了近地層有強(qiáng)的干冷空氣，抬升了低層的暖濕空氣，大氣層結(jié)呈不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生。SI指數(shù)大于3，不符合強(qiáng)對流天氣特征，是由于在850～500 hPa存在逆溫層，SI指數(shù)判據(jù)不能用[11]。

3冰雹過程的X波段雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品分析

雙偏振雷達(dá)可以交替發(fā)射或同時發(fā)射水平和垂直偏振波，并接收2 個偏振方向的回波信號，除獲取反射率強(qiáng)度（Z）、徑向速度（V）、速度譜寬（W）外，還可探測差分反射率因子（ZDR）、差分傳播相移（KDP）、零滯后相關(guān)系數(shù)（RHV）等參量，具有識別粒子相態(tài)功能，能夠很好地區(qū)分強(qiáng)回波是冰雹回波還是強(qiáng)降水回波[12]。

3.1多普勒天氣雷達(dá)常規(guī)產(chǎn)品

旬邑雷達(dá)0.5°仰角基本反射率圖上，4月26日15：58在距離長武18 km的彬州市東北部有一塊強(qiáng)度55 dBz的強(qiáng)回波自東北向西南方向緩慢移動，16：57回波移近長武邊界，17：12強(qiáng)回波進(jìn)入長武縣相公鎮(zhèn)，其后部出現(xiàn)14 km長的三體散射，2個體掃后于17：27強(qiáng)回波前部穿過相公鎮(zhèn)到達(dá)彭公鄉(xiāng)，三體散射特征減弱，在此期間長武相公鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，強(qiáng)回波位置與冰雹區(qū)相對應(yīng)，冰雹出現(xiàn)時段和三體散射出現(xiàn)時段相對應(yīng)。

回波向遠(yuǎn)離雷達(dá)方向移動，對26日17：20反射率（圖3a）進(jìn)行徑向切割（圖3b），垂直剖面圖上出現(xiàn)回波懸垂和有界弱回波（BWER），在回波移動方向的前方低層有干冷入流氣流，加強(qiáng)了對流云的抬升。0 ℃層高度（3 km）以上有≥50 dBz的強(qiáng)回波，符合冰雹發(fā)生的條件。強(qiáng)回波頂高在5 km左右，高度較低，與大冰雹相比，春季小冰雹的回波高度較低，回波強(qiáng)度弱，這可能是因?yàn)樵诖杭镜蛯幽芰枯^低，地面的輻合抬升作用促使暖濕氣流上升，但上升高度有限。

3.35°仰角的徑向速度圖上（圖4a），在長武縣相公鎮(zhèn)境內(nèi)中層有小的氣旋性輻合存在，徑向速度剖面圖上（圖4b），2 km以上中低層輻合、高層輻散，滿足冰雹發(fā)生的回波速度特征。

此次冰雹天氣過程中垂直累積液態(tài)含水量（VIL）為15～20 kg/m2，與夏季冰雹發(fā)生過程中VIL值相比偏低。

3.2X波段雙偏振雷達(dá)參量特征及產(chǎn)品分析X波段雙偏振雷達(dá)冰雹回波的ZDR、KDP、 RHV取值范圍與強(qiáng)降水回波有明顯區(qū)別，能有效提高冰雹的判識能力。

3.2.1差分反射率因子（ZDR）。

雙偏振參數(shù)在識別降水粒子類型時，差分反射率的識別作用最大，為最重要的偏振參量[13]，在降水粒子相態(tài)識別方面有著廣泛的應(yīng)用。差分反射率因子（ZDR）是水平反射率因子與垂直反射率因子之差，與粒子形狀關(guān)系密切，主要表征降水粒子的空間取向和長短軸之比。試驗(yàn)和觀測結(jié)果均表明，水滴形狀一般呈扁平狀，水平軸大于垂直軸，雨區(qū)ZDR在0～5.0 dBz，水平反射率因子值通常不大;而冰雹在下落過程中翻滾和形狀不規(guī)則，認(rèn)為其是各向同性的，導(dǎo)致冰雹云具有較大的水平反射率因子值和較小的 ZDR 值[14] 。

ZDR 能反映降水粒子的尺寸和橫縱軸之比，其主要依賴于粒子總數(shù)在不同尺寸上的分布。從圖5可以看出，在降雹時，對應(yīng)強(qiáng)回波處的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)（圖5中紅色橢圓）內(nèi)0.5°仰角ZDR以正值為主，2.4°仰角ZDR出現(xiàn)大面積0值和小范圍負(fù)值，最小值為-1.1 dBz，說明雷暴單體在高層以固態(tài)粒子垂直分布為主，在低層以冰水混合粒子水平分布為主，24°仰角的0值區(qū)對冰雹預(yù)報具有較好的指示意義。

3.2.2差分傳播相移（KDP）。

KDP為水平極化發(fā)射電磁波和垂直極化發(fā)射的電磁波在穿過降水目標(biāo)時，傳播常數(shù)發(fā)生變化而引起的傳播相移的變化，反映了相移變化在距離上的對應(yīng)關(guān)系。KDP 的差異主要?dú)w因于各向異性粒子組成的差異，因此液態(tài)降水是影響 KDP 的主要因素，KDP值越大表明液態(tài)含水量越豐富。在圖6a中重點(diǎn)關(guān)注區(qū)內(nèi)2.4°仰角KDP為-1.2～0.45°/km，說明雷暴單體中存在濕雹的可能性。

3.2.3零滯后相關(guān)系數(shù)（RHV）。RHV反映了水平偏振和垂直偏振回波功率之間的相關(guān)系數(shù)，僅與目標(biāo)形狀和相態(tài)有關(guān)。從RHV 的特性來看，粒子的形狀和空間取向以及降水粒子的數(shù)量是影響其值的主要因素。RHV對應(yīng)降雨時，因水平和垂直信號相關(guān)性較好，所以值較大，接近于 1。冰雹由于下落過程中存在翻滾，散射性質(zhì)發(fā)生較大變化使得相關(guān)系數(shù)較小[15] 。圖6b中在距離雷達(dá)33 km處的 RHV 值 >0.97，說明該處水凝物類型單一，為液態(tài)降水的可能性很大，越往后方RHV值越減小，0.5°仰角重點(diǎn)關(guān)注區(qū)處的 RHV 值為 0.74～095，說明此處為混合水凝物，可能為濕雹或濕雪。

3.2.4基本粒子HCL。

雙偏振雷達(dá)通過模糊邏輯識別法提供了水凝物分類產(chǎn)品（HCL），將水凝物分成 9 類，可以直觀對降水粒子的種類進(jìn)行判斷。從圖6c可以看到，0.5°仰角重點(diǎn)關(guān)注區(qū)內(nèi)有較大范圍的干雪、小冰雹和大雨，冰雹在雷暴單體前部，后部為強(qiáng)降水。

4結(jié)論

該研究利用探空資料和咸陽旬邑X波段雙偏振天氣雷達(dá)對2017年4月26日咸陽北部的一次對流單體冰雹天氣過程進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）此次冰雹天氣發(fā)生在 200 hPa 西風(fēng)急流、500 hPa槽后冷平流、高溫高濕的中低空條件及地面干冷空氣的天氣背景下，大氣層結(jié)具有強(qiáng)不穩(wěn)定度，垂直方向上存在較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，均有利于對流運(yùn)動的發(fā)展。

（2）26日08：00 西安探空的 0 ℃層高度以及-20 ℃層高度均十分有利于冰雹在雷暴單體中的維持和增長;邊界層附近有逆溫層，有利于不穩(wěn)定能量儲存;近地層有強(qiáng)的干冷空氣，抬升了中低層的暖濕空氣。

（3）X波段雷達(dá)的反射率因子以及徑向速度均表現(xiàn)出典型的雷暴單體回波特征，出現(xiàn)了明顯的三體散射回波;存在與強(qiáng)入流和強(qiáng)上升運(yùn)動對應(yīng)的弱回波區(qū)和懸垂結(jié)構(gòu)，具有明顯的回波墻;0 ℃層高度（3 km）以上有≥50 dBz的強(qiáng)回波;徑向速度剖面圖上中低層輻合、高層輻散，滿足冰雹發(fā)生的回波速度特征。

（4）X波段雙偏振雷達(dá)的ZDR、KDP、RHV 等參量能有效地提高對冰雹的識別能力。冰雹回波的ZDR、KDP、RHV 的取值范圍與強(qiáng)降水回波有明顯區(qū)別，能夠有效地區(qū)分冰雹回波與強(qiáng)降水回波。在降雹時，2.4°仰角ZDR 出現(xiàn)大面積0值、KDP 為-1.2～0.45 °/km，RHV在 0.74～0.95，HCL 可以直觀地對降水粒子的種類進(jìn)行判斷。通過分析可知，X 波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)能夠較好地反映對流單體的回波特征，雙偏振參量能提供更多的冰雹識別特征。

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