一次長生命史超級單體降雹演化機制及雙偏振雷達回波分析*

高 麗 潘佳文 蔣璐璐 翁之梅

1 福建省臺州市氣象局，臺州 318000 2 廈門市氣象局，海峽氣象開放實驗室，廈門 361012 3 寧波市氣象局，寧波 315000

提 要： 2019年3月21日一次長生命史超級單體導(dǎo)致浙江省中部多個縣(市)降雹，為了研究超級單體得以長時間維持的環(huán)境背景及其云物理特征，利用常規(guī)資料以及寧波S波段雙偏振雷達數(shù)據(jù)，結(jié)合粒子相態(tài)識別算法，對此次過程的演變進行了分析。結(jié)果表明：高空槽前、850 hPa切變線附近和地面冷鋒為超級單體提供了合適的環(huán)流背景；風(fēng)暴傳播區(qū)域?qū)α饔行荒艿脑黾?、風(fēng)暴承載層的平均風(fēng)向與風(fēng)暴移動方向相近、風(fēng)速大、對流風(fēng)暴沿地面假相當(dāng)位溫梯度大值區(qū)向東傳播及沿海強垂直風(fēng)切變，導(dǎo)致中氣旋旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)厚度的增加，這些都是對流風(fēng)暴長時間維持的原因。通過此次降雹單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)：整個生命史對流發(fā)展非常旺盛，最大反射率維持在60 dBz以上，風(fēng)暴頂維持在8 km以上，風(fēng)暴質(zhì)心高度出現(xiàn)的三次明顯波動，對應(yīng)三次降雹過程。垂直累積液態(tài)含水量(VIL)躍增量雖不及傳統(tǒng)指標，但結(jié)合垂直累積液態(tài)含水量密度(VILD)、VIL最大值及最大反射率因子大值區(qū)，對冰雹業(yè)務(wù)預(yù)報有指示作用。通過降雹單體雙偏振特征分析發(fā)現(xiàn)：冰雹下落過程中的翻滾現(xiàn)象，導(dǎo)致差分反射率(Zdr)值接近0 dB，水平和垂直偏振波差異導(dǎo)致三體散射特征(TBSS)根部Zdr大值區(qū)的出現(xiàn)；冰雹降落融化產(chǎn)生的外包水膜現(xiàn)象，使其Zdr值增大，相關(guān)系數(shù)(CC)值減?。煌ㄟ^偏振參數(shù)Zdr和CC特征，有助于識別高空大冰雹；超級單體的有界弱回波區(qū)(BWER)附近的Zdr柱不僅可指示上升運動，同時對降雹單體不同的成長階段具有指示作用。

引 言

冰雹作為對流風(fēng)暴成熟階段的產(chǎn)物，其突發(fā)性強、破壞力大，常導(dǎo)致嚴重的災(zāi)害性天氣，一直是災(zāi)害性天氣研究領(lǐng)域的重要課題。在導(dǎo)致冰雹的強對流風(fēng)暴中，超級單體風(fēng)暴作為組織程度最高的風(fēng)暴，往往造成的雹災(zāi)更為嚴重，也更值得研究。

這些研究加深了對降雹型超級單體結(jié)構(gòu)的認識，但由于單偏振多普勒天氣雷達不易探測粒子相態(tài)、形狀、空間取向等云物理特征，因此上述研究多集中于風(fēng)暴結(jié)構(gòu)的研究，對于云物理結(jié)構(gòu)方面的研究相對較少。

隨著我國雙偏振天氣雷達升級改造計劃的推進，將進一步提高冰雹等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警能力。2019年3月21日06—11時(北京時，下同)浙江省中部出現(xiàn)的超級單體造成金華、紹興、臺州、寧波等多個縣市降雹，維持近6 h，但預(yù)報難度高，極具研究價值。本文利用常規(guī)觀測資料、NECP再分析資料和雙偏振雷達資料，對此過程中造成多次降雹的長生命史超級單體的維持機制以及冰雹偏振特征進行研究，以提升超級單體降雹機理的認識，進而探討如何運用雙偏振雷達數(shù)據(jù)提高長歷時超級單體降雹的預(yù)警能力。

1 資料與方法

所用資料包括：寧波S波段雙偏振多普勒雷達(海拔高度458 m)每6 min一次的探測產(chǎn)品、常規(guī)高空探測和地面觀測產(chǎn)品、浙江省中尺度站觀測數(shù)據(jù)以及NECP 1°× 1°再分析資料。

為確保雙偏振雷達數(shù)據(jù)的可靠性，本文參考吳翀(2018)所提出的質(zhì)量控制算法，使用相關(guān)系數(shù)及信噪比數(shù)據(jù)對非氣象回波進行了剔除。此外，使用Park et al(2009)基于模糊邏輯算法的HCA粒子相態(tài)分類算法，即將雷達回波識別為“小雨、大雨、冰雹、大雨滴、生物、地物、干雪、濕雪、冰晶、霰”共10類水凝物相態(tài)。相關(guān)研究表明HCA算法可增進對強對流風(fēng)暴內(nèi)部微物理結(jié)構(gòu)的了解(潘佳文等，2020a)，同時該算法已在WSR-88D雙偏振雷達上進行廣泛的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2 天氣過程概述及分析

2.1 天氣過程概述

2019年3月20日16—20時，受西南暖濕氣流影響，安徽南部、江西北部有多條緯向多單體回波生成并發(fā)展，并于21日06時進入浙江省境內(nèi)。在浙江省有利的環(huán)流背景下發(fā)展成為超級單體風(fēng)暴，生命史近6 h(21日06—12時)，造成浙江省多縣(市)冰雹天氣。截至21日12時，浙江金華、紹興、臺州、寧波4個市9個縣(區(qū))受災(zāi)(如圖1)，根據(jù)災(zāi)情收集上報情況，本次過程以直徑小于2 cm的小冰雹為主，最大冰雹直徑為2 cm，達到大冰雹標準。此次過程具有降雹時間長、影響范圍廣、造成災(zāi)害重等特點。那么導(dǎo)致多次降雹的超級單體長時間維持的原因是什么？此次超級單體降雹過程又有哪些雙偏振特征？

2.2 天氣形勢分析

21日08時，降雹區(qū)位于500 hPa冷溫槽前，高層200 hPa及中低層500、700、850 hPa皆有強盛西南氣流輸送，浙江西部位于高空急流右側(cè)及低空急流出口左前方鋒生區(qū)，高低空急流耦合有利于對流上升運動發(fā)展。同時低層850 hPa東北—西南走向切變線橫跨浙江中部，地面冷鋒南壓至浙江西北部，浙江中部(降雹區(qū))位于在高空槽前、850 hPa切變線附近和地面冷鋒南側(cè)正渦度輻合上升區(qū)(圖2a)。

從浙江西部代表站衢州站探空曲線上看500 hPa存在明顯干冷空氣入侵，T-Td由12℃(20日20時)增加至35℃(21日08時，圖略)，干冷空氣疊置于低層強盛的西南急流形成的暖能量舌之上，使得溫度垂直遞減率增大并形成上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)；同時中低層環(huán)境風(fēng)垂直切變顯著增強，20日08時0～3 km垂直風(fēng)切變達22 m·s-1，0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?8 m·s-1，強的垂直風(fēng)切變有利于對流風(fēng)暴的高度組織化發(fā)展和傳播。隨著地面冷鋒南下伴隨低層(850 hPa)切變線東移導(dǎo)致浙江中部對流天氣發(fā)生發(fā)展。對比21日08時浙江中南部代表站洪家站探空曲線(圖2b)可以發(fā)現(xiàn)，低層較高的濕度下，云底低，溫度與露點曲線自下而上呈喇叭口形狀，上干下濕的垂直結(jié)構(gòu),250 hPa及以上的西南風(fēng)高達60 m·s-1，高空風(fēng)的抽吸作用促進對流的發(fā)展，有利于冰雹的發(fā)生。同時0℃層和-20℃層高度分別為4.2和7.1 km。需要注意的是，探空數(shù)據(jù)的0℃層高度為干球溫度0℃(DBZ)層，并不能準確反映冰雹融化層高度。為更準確地指示冰雹融化層高度，根據(jù)俞小鼎(2014)的研究，當(dāng)對流層中層存在明顯干層時，濕球溫度0℃(WBZ)層的高度將明顯低于DBZ，WBZ可更準確地指示冰雹融化層高度。通過計算WBZ高度為3.8 km，明顯低于DBZ高度，這一現(xiàn)象說明蒸發(fā)冷卻引起的水膜再凍結(jié)會有利于大冰雹落地。

圖1 浙江探測站點分布、冰雹落區(qū)(縣)以及冰雹開始時間Fig.1 Distribution of observation stations in Zhejiang, hail falling area (county) and onset time of hail

圖2 2019年3月21日08時中尺度分析(a)和洪家站T-logp圖(b)Fig.2 Mesoscale analysis (a) and T-logp diagram at Hongjia Station (b) at 08:00 BT 21 March 2019

3 長生命史超級單體維持機制

3.1 不穩(wěn)定層結(jié)

對流風(fēng)暴為何能維持如此長的生命史且在移動過程中接連產(chǎn)生冰雹？

下面通過討論對流傳播區(qū)域(29.0°～29.5°N、119.5°～122°E)對流穩(wěn)定度(?θse/?z)隨時間的變化(圖3a)，進而分析對流風(fēng)暴發(fā)展和維持的原因。冰雹發(fā)生前20日20時至21日02時，邊界層(1 000～850 hPa)以及對流層中層(600～500 hPa)表現(xiàn)為弱不穩(wěn)定層結(jié)，而對流層中下部(850～700 hPa)雖然為穩(wěn)定層結(jié)，但不穩(wěn)定度呈增加趨勢，尤其是21日08時，對流層中下部(850～700 hPa)由條件不穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定層結(jié)，不穩(wěn)定度快速累積，一定程度上破壞了對流層中層(700～600 hPa及600～500 hPa)不穩(wěn)定度層結(jié)趨于穩(wěn)定的狀態(tài)(21日02—08時)。21日08時之后，對流層整體不穩(wěn)定度增加，不穩(wěn)定層結(jié)增厚。超級單體風(fēng)暴移動到不穩(wěn)定的環(huán)境中，不斷地獲取能量，從而得以較長時間的維持和發(fā)展。

圖3 2019年3月20日20時至21日20時對流不穩(wěn)定度隨時間變化(a)和20日08時至21日20時29.2°N 700 hPa溫度平流(單位：K·s-1)隨時間變化(b)Fig.3 Variation of convective instability during 20:00 BT 20 to 20:00 BT 21 (a) and 29.2°N temperature advection (unit: K·s-1) during 08:00 BT 20 to 20:00 BT 21 (b) in March 2019

與其他層明顯不同，在超級單體移入影響前及影響后，對流層中下部(850～700 hPa)穩(wěn)定度呈現(xiàn)快速增長原因何在？西南氣流東移使得浙江中部對流層中下層受暖平流影響，從各層的平流變化看(圖略)，在風(fēng)暴移近時段21日02—08時700 hPa暖平流有明顯增強，同時大于其他層次。從29.2°N溫度平流沿經(jīng)向分布時序(圖3b，700 hPa)可以看出，21日02—20時浙江中部處于暖平流的控制下，而降雹區(qū)域120°～121°E在21日08—20時出現(xiàn)暖平流中心，這可能與對流發(fā)生過程中潛熱釋放有關(guān)。持續(xù)的暖平流輸送使得此區(qū)域不穩(wěn)定度持續(xù)增長，120.5°～121°E的700 hPa暖平流中心的出現(xiàn)也說明了超級單體在第二次降雹之后仍會繼續(xù)發(fā)展的原因。

3.2 風(fēng)暴承載層平均風(fēng)

高曉梅等(2018)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)暴承載層平均風(fēng)向與風(fēng)暴移動方向越相近，越有利于風(fēng)暴的維持，通常用850、700、500、300 hPa四個層的平均矢量風(fēng)來代表風(fēng)暴承載層的平均移向。通過計算：21日08時浙江中南部代表站臺州洪家站風(fēng)暴承載層風(fēng)速為26.4 m·s-1，平均風(fēng)向為252°；而降雹風(fēng)暴平均移動速度為20.2 m·s-1，相當(dāng)于風(fēng)暴承載層平均風(fēng)的76.5%，方向為261°，偏向風(fēng)暴承載層右側(cè)9°。風(fēng)暴承載層風(fēng)速大同時與降雹風(fēng)暴移向相近，對風(fēng)暴移動起到正反饋作用，導(dǎo)致風(fēng)暴長時間維持，從而出現(xiàn)長生命史的降雹風(fēng)暴。同時較大風(fēng)速增強了下沉氣流的動量下傳作用，有利于風(fēng)暴組織化的增強。

3.3 地面假相當(dāng)位溫演變

圖4為風(fēng)暴路徑與地面假相當(dāng)位溫的演變，由圖可知，21日09—11時浙江省中部一直存在假相當(dāng)溫度的梯度大值區(qū)。在此期間，超級單體風(fēng)暴位于高位溫舌的頂端，其移動路徑與假相當(dāng)位溫等值線密集帶相平行并偏向于冷區(qū)一側(cè)。鋒面作為不同性質(zhì)氣團的交界面，其兩側(cè)通常存在明顯的溫度、濕度、壓力對比，假相當(dāng)位溫作為一種綜合反映溫度、氣壓、濕度的物理量，在此次過程中，其梯度大值區(qū)與地面冷鋒在空間上存在較好的對應(yīng)關(guān)系。此時的假相當(dāng)位溫梯度大值區(qū)同樣具備地面鋒面所具有的較強斜壓性。在本次過程中，超級單體沿著假相當(dāng)位溫梯度大值區(qū)移動，該區(qū)域附近的強斜壓性有利于水平渦度的形成和維持，從而使得超級單體得以長時間維持和發(fā)展。

3.4 深厚的垂直風(fēng)切變和內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的維持

風(fēng)暴的發(fā)展維持、形態(tài)演變與垂直風(fēng)切變密切相關(guān)，強而深厚的垂直風(fēng)切有助于對流風(fēng)暴的有組織化以及發(fā)展加強(張建軍等，2016)。王秀明等(2015)發(fā)現(xiàn)：低層較高濕度下，云底低，強風(fēng)垂直切變與強的垂直運動有對應(yīng)關(guān)系，從而使風(fēng)暴高度組織化，進而成為長生命史風(fēng)暴。同時垂直風(fēng)切變通過水平渦度向垂直渦度的轉(zhuǎn)換和積累，使風(fēng)暴內(nèi)部渦度結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而使風(fēng)暴內(nèi)部環(huán)流維持時間更長、結(jié)構(gòu)更加緊密(俞小鼎等，2006)。

通過風(fēng)暴加強前浙江省0～6 km風(fēng)切變(圖略)可以看到，21日02時之前浙江中部一帶存在34～38 m·s-1的垂直風(fēng)切變，風(fēng)暴進入浙江后21日08時，36～48 m·s-1的強垂直風(fēng)切變中心東移到浙江東部，尤其是寧波、臺州沿海，這也說明了超級單體進入寧波之后仍出現(xiàn)發(fā)展加強的原因。強風(fēng)垂直切變環(huán)境下，風(fēng)暴出現(xiàn)明顯的旋轉(zhuǎn)特征，水平旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)生加速了風(fēng)暴內(nèi)上升氣流和下沉氣流的共存，通過寧波雷達探測到風(fēng)暴旋轉(zhuǎn)速度(圖5)可以看出：在強的風(fēng)垂直切變條件下，自08:42金華出現(xiàn)中氣旋現(xiàn)象，至11:15寧波象山回波出海，中氣旋維持近3 h。鄭媛媛等(2004)研究發(fā)現(xiàn)：持續(xù)3個體掃以上的中氣旋與冰雹等強對流天氣具有很大的相關(guān)性。在三次降雹過程中，與常規(guī)的降雹過程類似，皆出現(xiàn)有界弱回波區(qū)(BWER)坍塌的現(xiàn)象(圖略)，但中氣旋的最大旋轉(zhuǎn)速度卻仍然維持甚至有所增強，直至降雹結(jié)束中氣旋的旋轉(zhuǎn)速度才緩慢減弱，并在中層(2～6 km)維持,這一現(xiàn)象與潘玉潔等(2008)的研究結(jié)果相近。

圖4 2019年3月21日09時(a)，10時(b)，11時(c)地面假相當(dāng)位溫分析(單位：K)Fig.4 Analysis of the potential pseudo-equivalent temperature (unit: K)at 09:00 BT (a), 10:00 BT (b), 11:00 BT (c) March 21 2019

俞小鼎等(2006)發(fā)現(xiàn)，0℃層以上1.5～2 km是冰雹增長的關(guān)鍵區(qū)域，因此0℃以上的持續(xù)中氣旋旋轉(zhuǎn)更有利于冰雹的產(chǎn)生。在后兩次冰雹過程中，中氣旋的最大旋轉(zhuǎn)高度超過0℃層(3.8 km)并呈上升趨勢。同時中氣旋旋轉(zhuǎn)速度增大，旋轉(zhuǎn)高度升高，氣旋式旋轉(zhuǎn)柱加厚，分別呈現(xiàn)出2或3 km的增長。由于中氣旋的強烈旋轉(zhuǎn)造成明顯有界弱回

圖5 2019年3月21日08：42—11：06中氣旋高度及不同仰角旋轉(zhuǎn)速度(橫軸上紅色線段為降雹時長,與圖8一樣)Fig.5 Height of mesocyclone and rotation speed at different elevations during 08:42 BT to 11:06 BT 21 March 2019 (Red lines on horizontal axis： duration of hailfall, same as Fig.8)

波、回波傾斜及懸垂結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，使得超級單體組織化程度更高，也是此降雹風(fēng)暴長時間維持的原因。

4 雷達回波特征演變分析

4.1 回波演變

導(dǎo)致此次浙江中部連續(xù)降雹過程的對流風(fēng)暴，于3月21日02:30在江西省北部生成，其在東移過程中與多個對流單體合并(圖略)，05時該對流單體進入浙江省境內(nèi)，并在衢州市開化縣導(dǎo)致了地面短時大風(fēng)(11級)。

08:42對流單體位于寧波雷達西南方235°/182 km處，單體的南側(cè)呈現(xiàn)出鉤狀回波特征(圖6a)，鉤狀回波東側(cè)具有寬廣的倒“V”字型前側(cè)入流缺口(FIN),與之對應(yīng)，單體的西側(cè)存在后側(cè)入流缺口(RIN)，這些都是經(jīng)典超級常見的特征。而風(fēng)暴相對徑向速度場上表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)對稱的中氣旋(圖6b)，最大轉(zhuǎn)動速度為21 m·s-1，達到強中氣旋的標準(Andra,1997)。代表較強的前側(cè)入流和后側(cè)下沉氣流的FIN和RIN以及強中氣旋的同時存在，預(yù)示著該超級單體已發(fā)展至成熟階段，并于08:53發(fā)生第一次降雹。

09:32在超級單體的后側(cè)，有對流單體B通過云橋與超級單體A建立連接(圖6c)，單體B在速度場上具有中尺度對流渦旋(MCV)，其轉(zhuǎn)動速度為7 m·s-1(圖6d)。在后續(xù)時次，對流單體B逐漸并入超級單體A，對流單體的合并使得超級單體A得以維持并增強，其最大轉(zhuǎn)動速度也有明顯提升(圖5)。

09:54超級單體A再次發(fā)生降雹，在其西南側(cè)不斷有對流單體生成，Zh強中心迅速增大至50 dBz后并入超級單體A。10:17超級單體A的形態(tài)已初步呈現(xiàn)出弓狀回波的特征(圖7)。當(dāng)超級單體嵌入中尺度對流系統(tǒng)中(如颮線、弓狀回波等),往往具有更長的生命史，并常造成更嚴重的災(zāi)害(Atkins et al,2005)。在本次過程中則表現(xiàn)為超級單體A的旋轉(zhuǎn)速度一直維持在中氣旋的強度，并于10:40第三次降下冰雹。

截至11：14回波主體東移入海，超級單體A在近3 h的時間內(nèi)共發(fā)生三次降雹過程。因此，有必要對超級單體A的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)和偏振特征繼續(xù)進行分析。

圖6 2019年3月21日08:42(a，b)和09:32(c，d)時0.5°仰角水平反射率因子(a，c)和徑向速度(b，d)Fig.6 Zh (a, c), Vr (b, d) observed at 0.5° elevation at 08:42 BT (a, b) and (c, d) 09:32 BT 21 March 2019

圖7 2019年3月21日10:17時0.5°仰角水平反射率因子Fig.7 Zh observed at 0.5° elevation at 10:17 BT 21 March 2019

4.2 風(fēng)暴結(jié)構(gòu)演變

圖8為寧波雷達所觀測的超級單體A的時間演變，白色柱體為風(fēng)暴高度，橫坐標紅色實線為三次冰雹發(fā)生時間。在風(fēng)暴發(fā)展過程中，三次降雹過程最大反射率因子(DBZM)都在59 dBz以上，第三次降雹時DBZM已增至76 dBz。通過風(fēng)暴最大反射率因子高度(MHT)、頂高、底高(柱體)的演變趨勢(左側(cè)坐標)可以看出三次降雹過程的變化：起始對流風(fēng)暴位于對流層中層、質(zhì)心高度偏高，并逐漸向下伸展，整個生命史中對流發(fā)展非常旺盛，最大反射率維持在60 dBz以上，風(fēng)暴頂維持在8 km以上，風(fēng)暴質(zhì)心的高度出現(xiàn)了三次明顯的波動，并對應(yīng)三次降雹過程。由于第二次和第三次降雹過程對流單體與超級單體發(fā)生合并作用，09:32和10:34，MHT、VIL、VILD表現(xiàn)為同步快速增長，降雹前1個體掃VIL分別達到最大值55和60 kg·m-2。

圖8 2019年3月21日08：08—11：14超級單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)隨時間的演變Fig.8 Evolution of supercell storm structure with time during 08:08 BT to 11:14 BT 21 March 2019

吳芳芳等(2013)通過一系列超級單體特征研究發(fā)現(xiàn)垂直累積液態(tài)含水量(VIL)和冰雹尺度存在正相關(guān)。刁秀廣等(2008)發(fā)現(xiàn)降雹風(fēng)暴在成熟階段有明顯的VIL躍增現(xiàn)象，通常在16～20 kg·m-2較為有利。同時其附加指標垂直累積含水量密度VILD≥4 g·m-3出現(xiàn)冰雹概率極大，因此業(yè)務(wù)中經(jīng)常關(guān)注VIL的躍增、VILD≥4 g·m-3及VIL持續(xù)高值區(qū)(60～70 kg·m-2)，也經(jīng)常作為是直徑大于2 cm大冰雹預(yù)報指標，但是對于直徑小于2 cm的冰雹，由于VIL極大值只有40～50 kg·m-2，所以在臨近預(yù)報中經(jīng)常被忽視。通過三次冰雹過程的參數(shù)變化(表1)，在降雹前VIL有11～14 kg·m-2的躍增，由于冰雹尺度小，其增量不及傳統(tǒng)指標，但是VILD達6 g·m-3左右、VIL最大值在50 kg·m-2及DBZM達70 dBz上下，在業(yè)務(wù)預(yù)報中匹配應(yīng)用應(yīng)加強關(guān)注。

表1 三次降雹(金華、臺州、寧波)過程參數(shù)變化Table 1 Parameters of three hailstorms in Jinhua, Taizhou and Ningbo

4.3 雙偏振特征分析

4.3.1 冰雹特征

眾所周知，由于冰雹介電常數(shù)低、空間取向隨機、偏振特征與雨滴明顯不同的特點，可以將水凝物的相態(tài)區(qū)分開來。以往的研究表明：相較于只使用Zh進行冰雹的識別，綜合運用Zdr和CC，可更為準確地識別出冰雹在對流單體中的位置及其相態(tài)特征(Aydin et al，1986)。

圖9顯示了第三次降雹10:40時0.5°仰角的Zh、Zdr、CC和粒子相態(tài)識別結(jié)果。此時，Zh強中心超過65 dBz，最大值達67.5 dBz(圖9a)。Zdr低值區(qū)位于該區(qū)域的南側(cè)，最小數(shù)值為負值(圖9b)。由粒子相態(tài)識別結(jié)果可知，在冰雹所在區(qū)域呈現(xiàn)出低Zdr值區(qū)域被高Zdr值區(qū)域包圍的現(xiàn)象(圖9d)。究其原因：大冰雹在下落過程中由于翻滾現(xiàn)象，使得Zdr值接近0 dB。但其周圍的冰雹在下落時融化，產(chǎn)生外包水膜現(xiàn)象使得Zdr值上升。結(jié)合CC可以發(fā)現(xiàn)(圖9c)，冰雹所在區(qū)域CC值明顯下降，說明此處的冰雹已發(fā)生融化，存在混合相態(tài)的水凝物。

4.3.2 三體散射特征(TBSS)

雷達探測大冰雹時，常觀測到三體散射特征(TBSS)。TBSS是一種虛假回波，表現(xiàn)為在大冰雹區(qū)的徑向遠側(cè)無回波區(qū)出現(xiàn)弱的Zh回波束，可作為判別大冰雹的充分但非必要條件(Lemon,1998)。

10:51寧波雷達1.5°仰角出現(xiàn)TBSS現(xiàn)象，Zh強中心達72.5 dBz，在其徑向遠端的弱回波(<20 dBz)伸展長度達15 km。由圖10b和10c可以發(fā)現(xiàn)，冰雹區(qū)的Zdr幾乎為0，而TBSS的根部Zdr有大值區(qū)(5.9 dB)，這是由于冰雹的散射波被地面反射，水平偏振和垂直偏振波的反射差異所致；CC值在冰雹區(qū)數(shù)值小，在TBSS的根部CC值更小(0.22)：并隨距離增大逐漸減小到負值，這與Kumjian et al(2010)歸納的TBSS的偏振特征相符(見圖10中圓圈)。

然而，由于強回波后側(cè)常有較強降雨回波存在，TBSS的Zh弱回波常被遮掩無法辨別(廖玉芳等,2007)，09:04寧波雷達1.5°仰角Zh強中心達63 dBz，由HCA識別結(jié)果可知，此時Zh強中心附近有冰雹存在，然而在Zh強中心的徑向遠端還存在降水回波，因此無法辨別是否存在TBSS(圖略)。但通過結(jié)合Zdr和CC等偏振參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)存在Zdr激增、CC降低的TBSS偏振特征，從而提高了對TBSS的辨識能力。

4.3.3Zdr柱特征

先前的研究表明，強上升氣流有利于冰雹的產(chǎn)生，因為長時間停留在具有過冷云(雨)滴的凍云中是其尺寸增長的主要方式(許煥斌，2012)。Zdr柱是對流風(fēng)暴中最為常見的偏振特征之一，常位于上升氣流附近，可用于指示上升氣流的存在(潘佳文等，2020a；2020b)。由圖11可知，在超級單體的BWER 附近存在Zdr大值區(qū)(圖11b,11d中黑色圓圈處)，其伸展高度可達1.5°仰角(大約6.8 km)。

圖9 2019年3月21日10:40時0.5°仰角水平反射率因子(a)，差分反射率因子(b)，相關(guān)系數(shù)(c)和粒子相態(tài)識別結(jié)果(d)(圖中黑色圓圈是降雹區(qū))Fig.9 Zh (a), Zdr (b), CC (c) and HCA (d) observed at 0.5° elevation at 10:40 BT 21 March 2019(black circle: hail area)

圖10 2019年3月21日10:51時1.5°仰角水平反射率因子(a)，差分反射率因子(b)，相關(guān)系數(shù)(c)Fig.10 Zh (a), Zdr (b) and CC (c) observed at 1.5° elevation at 10:51 BT 21 March 2019

圖11 2019年3月21日08:47時0.5°(a，b)和1.5°(c，d)仰角水平反射率因子(a，c)、差分反射率因子(b，d)Fig.11 Zh (a, c), Zdr (b, d) observed at 0.5° (a, b) and 1.5° (c, d) elevations at 08:47 BT 21 March 2019

沿寧波雷達233°徑向做垂直剖面，可以發(fā)現(xiàn)Zdr柱主要位于BWER內(nèi)側(cè)及回波墻處(圖12a)，Zdr>1 dB區(qū)域的最大伸展高度可達-20℃層(圖12b)。同時伴有CC數(shù)值下降的現(xiàn)象(圖12c)，說明此處存在混合相態(tài)粒子，冰雹正經(jīng)歷濕增長。

隨后時次，Zdr柱的伸展高度不斷下降，并于09:04 降至最低(圖12e)，其垂直伸展高度低于-10℃，此時地面正發(fā)生降雹。需要注意的是，在Zdr柱后側(cè)，距離雷達176 km處，存在Zdr值驟增(圖12e)、CC值驟減(圖12f)區(qū)域，此為TBSS在垂直結(jié)構(gòu)上的偏振特征。

在此后兩次降雹過程中，Zdr柱的伸展高度均呈現(xiàn)出相同的發(fā)展趨勢，其伸展高度不斷增長，分別于09:21和10:12達到最大，Zdr>1 dB區(qū)域均觸及-20℃層，隨后逐漸下降，于降雹時降至最低。

在此后兩次降雹過程中，Zdr柱的伸展高度均呈現(xiàn)出相同的發(fā)展趨勢，其伸展高度不斷增長，分別于09:21和10:12達到最大，Zdr>1 dB區(qū)域均觸及-20℃層，隨后逐漸下降，于降雹時降至最低。

5 結(jié)論與討論

本文針對2019年3月21日發(fā)生在浙江省一次長生命史的超級單體多次降雹過程，利用常規(guī)觀測資料以及寧波S波段雙偏振雷達觀測數(shù)據(jù)，對超級單體得以長時間維持的環(huán)境參數(shù)做出分析，并對導(dǎo)致多次降雹的超級單體的雙偏振雷達特征進行了分析。結(jié)果表明：

圖12 2019年3月21日08:47沿233°徑向(a,b,c)和09:04沿232°徑向(d,e,f)水平反射率因子(a,d)、差分反射率因子(b,e)、相關(guān)系數(shù)(c,f)垂直剖面Fig.12 Vertical cross-section of Zh (a, d), Zdr (b, e), CC (c, f) along the 233° azimuth at 08:47 BT (a, b, c) and along the 232° azimuth at 09:04 BT (d, e, f) 21 March 2019

(1)降雹區(qū)位于在500 hPa高空槽前、850 hPa切變線附近和地面冷鋒南側(cè)正渦度輻合上升區(qū)中，干冷空氣的侵入導(dǎo)致溫度直減率增加，合適的0℃和-20℃層為降雹提供了合適的環(huán)境條件。

(2)持續(xù)的暖平流輸送導(dǎo)致風(fēng)暴傳播區(qū)域不穩(wěn)定度增長，風(fēng)暴承載層的平均風(fēng)向與系統(tǒng)移動方向接近，風(fēng)速大，風(fēng)暴沿地面假相當(dāng)位溫梯度大值區(qū)向東傳播，強垂直風(fēng)切變導(dǎo)致的風(fēng)暴中氣旋旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)厚度增加，使得風(fēng)暴得以長時間維持。

(3)分析長生命史降雹風(fēng)暴結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)三次降雹過程的變化：起始對流風(fēng)暴位于對流層中層、質(zhì)心高度偏高，并逐漸向下伸展，整個生命史中對流發(fā)展非常旺盛，最大反射率維持在60 dBz以上，風(fēng)暴頂維持在8 km以上，風(fēng)暴質(zhì)心高度三次明顯的波動對應(yīng)三次降雹過程。雖然VIL增量(11～14 kg·m-2)不及傳統(tǒng)指標，但結(jié)合VILD(>6 g·m-3)、VIL大值區(qū)及DBZM(70 dBz左右)大值區(qū)仍可對冰雹業(yè)務(wù)預(yù)報有指示作用。

(4)大冰雹在下落過程中由于翻滾現(xiàn)象，其Zdr值接近0 dB，而冰雹散射波被地面反射，水平偏振和垂直偏振波的反射差異，導(dǎo)致TBSS根部Zdr有大值區(qū)(5.9 dB)的出現(xiàn)。隨著冰雹降落融化，其表面存在外包水膜現(xiàn)象使得Zdr值增大，CC值減小。通過偏振參數(shù)Zdr和CC特征有助于識別高空的大冰雹。

(5)超級單體的BWER附近Zdr柱的存在標志著強烈的上升運動。在三次降雹過程中，Zdr柱的伸展高度呈現(xiàn)相似的發(fā)展趨勢：即冰雹高空增長階段，Zdr伸展高度不斷增長，Zdr>1 dB區(qū)域可達-20℃層；降雹階段，Zdr柱的高度顯著下降，于地面降雹時降至最低。

本文僅為一次長生命史超級單體降雹過程的觀測分析結(jié)果，仍以定性分析為主。未來仍需通過更多的個例研究，例如針對不同冰雹尺寸的偏振特征進行定量分析，為雙偏振雷達的大規(guī)模業(yè)務(wù)應(yīng)用提供參考。