基于多源探測資料的“4.12”非典型冰雹特征分析

孫偉，曹舒婭，沈建

(蘇州市氣象局，江蘇 蘇州215131)

1 引 言

蘇州地處中國華東地區(qū)、江蘇南部、長三角中部，在119°55′～121°20′E，30°47′～32°02′N之間，東臨上海、南接嘉興、西抱太湖、北依長江。蘇州處于春夏季強(qiáng)對流天氣頻發(fā)地之一的東亞季風(fēng)區(qū)之中。鄭媛媛等[1-2]認(rèn)為強(qiáng)對流是在大尺度環(huán)流背景下，由中小尺度天氣系統(tǒng)觸發(fā)形成。其特點是局地性強(qiáng)、時間短，往往伴有短時強(qiáng)降水、冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。近兩年隨著國內(nèi)天氣雷達(dá)逐步升級改造、風(fēng)廓線雷達(dá)布點加密和多元觀測資料融合的業(yè)務(wù)化開展，結(jié)合國內(nèi)外強(qiáng)對流預(yù)報預(yù)警技術(shù)的發(fā)展，諸多氣象專家深入開展短時臨近預(yù)報方面的研究，并取得很多有意義的研究成果。俞小鼎等[3]指出45或50 dBZ的回波垂直擴(kuò)展到-20°C等溫線對應(yīng)的高度之上，回波懸垂與有界弱回波區(qū)BWER，垂直累積液態(tài)水VIL，三體散射以及強(qiáng)烈風(fēng)暴頂輻散是預(yù)警強(qiáng)冰雹的主要指標(biāo)。廖玉芳等[4]對中國各地11次強(qiáng)對流事件中23個產(chǎn)生S波段新一代天氣雷達(dá)三體散射的對流風(fēng)暴進(jìn)行了統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：(1)出現(xiàn)三體散射現(xiàn)象的單體反射率因子核心強(qiáng)度都在60 dBZ以上；(2)三體散射長釘長度與強(qiáng)反射率因子核心區(qū)域的體積和最大強(qiáng)度成正相關(guān)；(3)在出現(xiàn)三體散射長釘TBSS情況下，地面都觀測到2 cm直徑以上的冰雹。刁秀廣等[5]指出垂直累積液態(tài)水VIL和對于冰雹特別是強(qiáng)冰雹的識別具有很好的指示作用。胡勝等[6]選取廣東省12個直徑2 cm以上大冰雹風(fēng)暴單體為樣本，分析了大冰雹的雷達(dá)回波特征，結(jié)果顯示：(1)大冰雹單體最大反射率因子都超過65 dBZ，該強(qiáng)反射率因子擴(kuò)展高度均超過5 km(地面以上高度)；(2)都觀測到了三體散射回波，且識別特征具有一定的預(yù)警提前量；(3)-20℃等溫線對應(yīng)高度上的反射率因子均超過54 dBZ。俞小鼎等[7]總結(jié)了大量中國發(fā)生的強(qiáng)冰雹例子的環(huán)境背景和雷達(dá)回波特征，認(rèn)為強(qiáng)冰雹的環(huán)境要素是對流有效位能CAPE、代表對流層深層垂直風(fēng)切變的0～6 km風(fēng)矢量差、以及冰雹融化層高度；強(qiáng)冰雹的多普勒天氣雷達(dá)回波特征包括高懸的強(qiáng)回波(55 dBZ的強(qiáng)回波垂直擴(kuò)展到-20℃等溫線對應(yīng)的高度以上)，任何位置出現(xiàn)65 dBZ以上的強(qiáng)回波，垂直累計液態(tài)水VIL的大值區(qū)，高大的回波懸垂和弱回波區(qū)，超級單體有界弱回波區(qū)、三體散射及強(qiáng)烈風(fēng)暴頂輻散等。

國內(nèi)氣象工作者在雙偏振雷達(dá)資料的應(yīng)用方面也開展了諸多研究，劉黎平等[8]研究了大量的不同類型云降水粒子的相態(tài)和大小，發(fā)現(xiàn)ZDR是判斷對流云和層狀云降水粒子相態(tài)的重要特征之一，ZDR小于0對應(yīng)大冰雹，ZDR值大于0與小冰雹融化而成的大雨滴區(qū)相關(guān)。劉黎平[9]通過研究大量C波段雙偏振雷達(dá)的冰雹特征，建立了一套識別強(qiáng)對流云團(tuán)冰雹區(qū)的方法。吳志根等[10]對車載X波段雙偏振雷達(dá)進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。胡志群等[11]通過對X波段雙偏振雷達(dá)不同降水類型的衰減訂正研究，并研制了一套ZH-KDP-R的降水估測方法。王興等[12]提出一種雷達(dá)回波圖像中颮線特征自動識別的方法。以多普勒天氣雷達(dá)探測資料為主要數(shù)據(jù)源，對雷達(dá)探測到的基本反射率的空間分布和強(qiáng)度進(jìn)行分析，通過數(shù)值預(yù)處理、高通濾波、二值化降噪、圖像特征提取、目標(biāo)物的中軸線提取，以及颮線形態(tài)分析等一系列步驟，實現(xiàn)對雷達(dá)颮線特征的智能識別。王丹妮等[13]對2018年5月5日發(fā)生在我國華中地區(qū)的一次多弓狀雨帶降水過程的形成機(jī)理及其與水平渦度的關(guān)系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：雨帶發(fā)生在切變線南側(cè)的西南氣流中，多弓狀雨帶出現(xiàn)前，大尺度高低層氣旋式曲率的水平渦度和對流有效位能為降水提供了有利于上升運動的背景場。甘明駿等[14]模擬了廣東在2017年5月8日發(fā)生的一次颮線過程，并對這次颮線過程中一個雷暴單體成熟期的電荷結(jié)構(gòu)演變特征進(jìn)行分析，通過分析動力、云水含量、各水成物粒子混合比及攜帶電荷情況，討論了電荷結(jié)構(gòu)的形成及演變機(jī)制。

目前大部分雙偏振雷達(dá)研究基于C波段或者X波段，S波段雙偏振雷達(dá)開展的研究相對比較少，但在降水衰減方面，S波段雷達(dá)具有明顯的優(yōu)勢。目前江蘇省氣象局2018年起逐步把全省的SA單偏振雷達(dá)升級為雙偏振雷達(dá)，以進(jìn)一步提高對冰雹和暴雨等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)報、預(yù)警能力。常州雙偏振雷達(dá)為敏視達(dá)公司生產(chǎn)的S波段雙偏振雷達(dá)，于2020年率先在江蘇全省投入業(yè)務(wù)運行。

本文針對2020年4月12日發(fā)生在蘇州的一次局地伴有冰雹和雷暴大風(fēng)的強(qiáng)對流天氣過程，使用常州雙偏振雷達(dá)著重分析了此次過程的雙偏振參量，并結(jié)合湖州和青浦兩部雷達(dá)開展風(fēng)場反演分析超級單體的動力結(jié)構(gòu)及微物理機(jī)制，以期為今后國內(nèi)東部沿海地區(qū)開展使用S波段雙偏振雷達(dá)提供強(qiáng)對流天氣監(jiān)測預(yù)警依據(jù)。

2 天氣實況及形勢背景

2020年4月12日下午，受東北冷渦南掉影響，江蘇淮河以南東部自北向南出現(xiàn)雷陣雨天氣，17:00—19:00(除標(biāo)明外為北京時間，下同)受強(qiáng)對流云團(tuán)影響，蘇州大部分地區(qū)出現(xiàn)了雷電活動，局地伴有冰雹和陸上陣風(fēng)7～9級、水面陣風(fēng)10級以上的雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。其中蘇州7個國家站均出現(xiàn)7級以上陣風(fēng)。17:25蘇州站出現(xiàn)9級大風(fēng)(21.7 m/s)、18:13陸面極大風(fēng)速24.6 m/s(10級、昆山花橋農(nóng)業(yè)站)，18:50水面極大風(fēng)速33.7 m/s(12級、太湖地區(qū))(圖略)，其中局部冰雹和颮線天氣造成部分農(nóng)作物和樹木倒塌次生災(zāi)害。

12日08時200 hPa高空急流軸位于30°N以南(圖1)，江蘇大部上空處于急流軸出口區(qū)左側(cè)，利于強(qiáng)對流天氣發(fā)生的高空輻散區(qū)中，500～925 hPa為一致強(qiáng)勁的冷渦后部西北氣流，700 hPa在浙北有一條東西向切變線，850 hPa在江淮之間東部存在偏北風(fēng)和西北風(fēng)的弱輻合。溫度場上，500 hPa上風(fēng)向與等溫線交角接近90°，表明渦后冷平流明顯，蘇州上空500 hPa和700 hPa上24小時負(fù)變溫分別為-8℃和-12℃，而925 hPa上江蘇到山東西部存在暖脊，850 hPa和925 hPa上24小時正變溫分別為2℃和4℃，地面有明顯的露點鋒在蘇南地區(qū)，T850-500溫差南京站達(dá)到28℃，冷平流疊加在暖平流之上，形成了上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)。當(dāng)天蘇州上空0℃層高度在1.6 km附近，-20℃層高度為4.6 km，0℃層高度和20℃層高度3 km的高度差非常有利于降雹的發(fā)生條件。另外，低空強(qiáng)勁的西北氣流，疊加雷暴強(qiáng)下沉氣流，造成當(dāng)天江蘇淮河以南東部地區(qū)自北向南的系統(tǒng)性大風(fēng)。

圖1 2020年4月12日08時中尺度分析

3 物理量診斷分析

4月12日08時寶山站的探空圖顯示(圖2a)，600 hPa以下溫度和露點接近，且925 hPa以下風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，表明超低空有暖平流，600 hPa以上整層為干冷空氣，呈現(xiàn)明顯的“喇叭口”結(jié)構(gòu)，在高空強(qiáng)冷平流和底層增溫的共同作用下，上下層溫差將進(jìn)一步加大，這種上干冷下暖濕的垂直層結(jié)分布，有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展，另外950 hPa附近存在的淺薄逆溫層，也有利于對流不穩(wěn)定能量的積累。0～6 km存在強(qiáng)的風(fēng)速垂直切變，有利于對流的有組織化和維持，由于寶山站距離冰雹發(fā)生地55 km左右，有一定的代表意義。從表征不穩(wěn)定度的各項物理量指數(shù)看，有弱的CAPE，但K指數(shù)、SI指數(shù)對冰雹的指示意義不佳。而0℃層高度1.6 km和-20℃層高度4.6 km，3 km的高度差是非常利于形成降雹的。

從江蘇發(fā)生冰雹的時間分布上看，4—7月為江蘇發(fā)生冰雹的高頻月份，而降雹的峰值往往在6月(圖略)?？臻g分布看，發(fā)生最多的地區(qū)是淮北，其次是江淮之間，最少在蘇南，所以此次發(fā)生在蘇州的冰雹過程，物理量指標(biāo)又相對較弱，極易被預(yù)報員忽視。與歷史同期相似的冰雹過程為2015年4月28日，當(dāng)日江蘇自西北向東南出現(xiàn)大范圍的冰雹、短時強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)、強(qiáng)雷電等強(qiáng)對流天氣，我們對比分析了同樣發(fā)生在4月的兩次冰雹過程的各項物理量指標(biāo)(表1)。

表1 江蘇地區(qū)強(qiáng)對流參數(shù)特征值

從12日08時的假相當(dāng)位溫場上看(圖略)，江蘇東部上空800 hPa附近存在θse隨高度減小的弱對流不穩(wěn)定層，到了16時，江淮之間東部出現(xiàn)850 hPa和1 000 hPa的假相當(dāng)位溫差負(fù)值中心，對流不穩(wěn)定度有所加大，為此次強(qiáng)對流天氣的發(fā)生提供了一定的熱力不穩(wěn)定條件(圖2b)。12日午后，淮河以南東部大的垂直風(fēng)切變區(qū)南壓，提供了動力不穩(wěn)定條件。12日午后江淮之間東部低層存在弱的水汽輻合，比濕大值中心，為強(qiáng)對流發(fā)生提供水汽條件。200 hPa江蘇大部處于輻散區(qū)中，16時沿蘇南地區(qū)800 hPa以下存在較強(qiáng)的輻合，高低層形成明顯的抽吸作用，有利于觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放(圖略)。

圖2 12日08時寶山站探空(a)、12日16時850 hPa與1 000 hPa假相當(dāng)位溫差(單位：K)(b)箭頭為水汽通量，陰影部分表示水汽通量散度，單位：g/(cm2?hPa?s)。

4 單偏振雷達(dá)分析

4.1 常規(guī)雷達(dá)參量分析

本次強(qiáng)對流天氣過程分兩個階段先后影響蘇州。第一階段對流系統(tǒng)移入蘇州前，17:00左右在對流回波前部激發(fā)出兩塊對流單體，反射率因子強(qiáng)度迅速加強(qiáng)，其中一塊對流單體發(fā)展成為回波強(qiáng)度超過55 dBZ的超級單體，并于17:18迅速發(fā)展成冰雹云團(tuán)并造成蘇州基本站9級雷暴大風(fēng)和局部降雹天氣。第二階段在對流系統(tǒng)自西北向東南橫掃蘇州過程中，回波移速達(dá)70 km/h，造成蘇州陸上陣風(fēng)7～9級、水面陣風(fēng)10級以上的雷暴大風(fēng)，其中水面最大風(fēng)速達(dá)12級(33.7 m/s)。

此次過程冰雹云在雷達(dá)圖上可見明顯的冰雹結(jié)構(gòu)，17:00冰雹云團(tuán)在蘇州相城區(qū)激發(fā)并快速發(fā)展加強(qiáng)，17:18湖州單偏振雷達(dá)0.5°反射率因子圖上可見強(qiáng)回波質(zhì)心強(qiáng)度達(dá)65 dBZ(圖3)，PPI圖上有三體散射長釘現(xiàn)象同時伴有旁瓣回波，在RHI剖面圖上存在回波穹隆結(jié)構(gòu)和有界弱回波區(qū)。徑向速度圖上同時可見中層徑向輻合和三體散射長釘(圖略)。沿反射率因子梯度大值區(qū)作剖面分析發(fā)現(xiàn)大于50 dBZ強(qiáng)回波擴(kuò)展到-20℃等溫線以上(-20℃層高度4.6 km)，同時存在弱回波區(qū)和回波懸垂。當(dāng)天蘇州上空0℃層高度大約在1.6 km。另外，由于季節(jié)和天氣背景特殊，0℃層和-20℃度層高度都很低，VIL和ET都呈現(xiàn)非典型冰雹特征。

圖3 17:18湖州雷達(dá)反射率強(qiáng)度0.5°仰角PPI、任意強(qiáng)度剖面圖(a)和速度剖面圖(b)

對比17:12、17:18和17:24三個時次的雷達(dá)反射率因子強(qiáng)度剖面圖可見(圖4)，17:12大于50 dBZ的反射率因子強(qiáng)度核心最高發(fā)展至7 km左右，17:18大于50 dBZ的反射率因子強(qiáng)度核心略有加強(qiáng)，發(fā)展高度有所下降，至17:18大于50 dBZ反射率因子強(qiáng)度降至4 km以下，預(yù)示著降雹和地面大風(fēng)的出現(xiàn)。

圖4 17:12、17:18和17:24反射率因子強(qiáng)度任意剖面(a、b、c)和徑向速度沿徑向剖面(d、e、f)圖橫坐標(biāo)單位為km，縱坐標(biāo)單位為0.1 km。

對比三個時次的徑向速度沿徑向的剖面發(fā)現(xiàn)：在4 km高度有明顯的中層徑向輻合，同時8 km高層存在輻散現(xiàn)象，由于回波底高距離地面已達(dá)1.4 km以上高度，因此通過0.5°仰角雷達(dá)掃描無法探測到底層風(fēng)場信息。

我們進(jìn)一步分析超級單體經(jīng)過時，蘇州本站氣溫、氣壓和風(fēng)向風(fēng)速三要素所發(fā)生的劇烈變化。由圖5可見，冰雹超級單體過境時(17:00左右)，風(fēng)速急增，氣壓陡升，濕度增大，溫度驟降。風(fēng)速在短短的10 min內(nèi)由8 m/s迅速增加到21.3 m/s，風(fēng)向也由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)。各氣象要素的變化時間先后不同：溫度和濕度的變化是相對應(yīng)的，地面出現(xiàn)降雹(約17:18左右)的15 min內(nèi)，風(fēng)速急增、溫度驟降。氣壓在降雹時有所升高，但降水開始后，氣壓又大幅上升(見圖中的18:30—19:30之間)，氣壓先后出現(xiàn)兩個峰值。這可能是降水發(fā)生時，高空動量下傳，導(dǎo)致氣壓升高。對比風(fēng)速增大和降雹發(fā)生的時間發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速增大滯后于地面降雹時間(約提前7 min)，圖中地面降雹發(fā)生在17:18，風(fēng)速為8.9 m/s，7 min后地面風(fēng)速陡升至21.3 m/s，而后風(fēng)力又所有減小，17:30降至7.8 m/s，18:30之后風(fēng)力突然增大并一直維持在8級以上，這也說明了對流系統(tǒng)主體影響與降雹超級單體間有一定的時間間隔，這與上述對雷達(dá)回波經(jīng)過蘇州的演變前后兩個階段分析一致。

圖5 2020年4月12日蘇州站要素變化圖

沿著圖6的0.5°仰角PPI強(qiáng)度做法向垂直剖面中發(fā)現(xiàn)(圖7)，環(huán)境風(fēng)場為西北風(fēng)，中層(3～5 km)高度可見明顯的速度模糊，同時存在顯著的傾斜上升的渦旋，表明有強(qiáng)的風(fēng)垂直切變存在，有利于左側(cè)對流的發(fā)展。正是左側(cè)的對流單體發(fā)展旺盛，從而產(chǎn)生降雹和大風(fēng)天氣，而右側(cè)的對流單體則逐漸減弱。

圖6 17:18湖州雷達(dá)反射率強(qiáng)度0.5°仰角PPI圖

圖7 17:12(a)、17:18(b)和17:24(c)徑向速度沿法向剖面圖 橫坐標(biāo)單位為km，縱坐標(biāo)單位為0.1 km。

17:00冰雹云對流單體回波強(qiáng)度快速加強(qiáng)并超過40 dBZ(圖略)；17:06其反射率因子核心強(qiáng)度超過50 dBZ(圖略)。反射率因子的垂直廓線可見(圖8a)，17:06反射率因子核心位于7 km左右高度，隨后反射率因子核心不斷下降，17:18高度在3.5 km左右，強(qiáng)度超過60 dBZ。該冰雹云單體在0.5°和1.5°仰角上的反射率因子強(qiáng)度圖上均存在三體散射長釘和旁瓣回波。另外在0.5°仰角上呈“彗星”狀，頭部位于西北方向，尾部位于東南方向(圖6)。該形狀是由于高空冷渦后部的西北氣流造成的，低層的入流來自西南方向。反射率因子大值區(qū)位于對流主體的西北方向，靠近入流一側(cè)。VPR廓線的變化表明冰雹云中反射率核有一個快速下降并增強(qiáng)的過程，到17:30反射率因子強(qiáng)度又快速減小，強(qiáng)反射率因子的快速下降，說明地面已經(jīng)產(chǎn)生降雹天氣。

水平風(fēng)切變的廓線可見(圖8b)，17:06對流發(fā)展階段6 km高度上有強(qiáng)度超過20×10-2s-1的水平風(fēng)切變存在，17:18和17:30的水平風(fēng)切變強(qiáng)度基本維持，但是高度降至4 km左右，表明中層存在強(qiáng)的水平徑向輻合，而且是從底層到中層遞增的趨勢，而在4 km以上高度水平風(fēng)切變隨高度又開始下降。

圖8 17:06、17:18和17:30的反射率因子強(qiáng)度廓線圖(a)和水平風(fēng)切變圖(b)

4.2 雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場反演

周海光等[15]開展了笛卡爾坐標(biāo)下雙多普勒天氣雷達(dá)三維風(fēng)場反演技術(shù)的反演試驗，并取得良好的反演結(jié)果。劉黎平等[16-18]利用外場試驗資料，采用雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場反演技術(shù)，分析了長江流域暴雨過程的中尺度結(jié)構(gòu)及其演變過程，并研制基于三維變分法的雙、多基多普勒雷達(dá)風(fēng)場反演系統(tǒng)。周海光等[19]對2001年7月13日安徽省合肥、馬鞍山雙多普勒雷達(dá)觀測研究，并反演了暴雨系統(tǒng)的三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)特征。王俊等[20]利用雙多普勒雷達(dá)研究了強(qiáng)颮線過程的三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)，分析獲得了成熟階段和減弱階段的不同結(jié)構(gòu)特征。

本文采用了笛卡爾坐標(biāo)系下雙多普勒雷達(dá)三維風(fēng)場技術(shù)，其中反演區(qū)域為圖中黑色方框區(qū)域(左下角：121.109°E，30.828°N：右上角：120.190°E，31.791°N)，反演區(qū)域水平分辨率為500 m，垂直分辨率為250 m。該區(qū)域內(nèi)左側(cè)對流單體發(fā)展成為冰雹云，而右側(cè)對流單體逐漸減弱。為了進(jìn)一步分析冰雹云的動力與微物理特征，湖州和青浦雷達(dá)相距80 km左右，利用這兩部雷達(dá)進(jìn)行了雙多普勒雷達(dá)的風(fēng)場反演。

在1 km高度風(fēng)場反演中(圖9)，(50，70)格點單體反射率因子核心強(qiáng)度有超過55 dBZ的中心回波區(qū)，并可見明顯的偏東風(fēng)風(fēng)速輻合。(20，50)格點單體存在西北風(fēng)和東北風(fēng)的風(fēng)向輻合。

圖9 雙雷達(dá)風(fēng)場反演區(qū)域(a)，1 km(b)、2 km(c)、3 km(d)和5 km(e)高度的雙雷達(dá)水平風(fēng)場反演圖

在2 km高度風(fēng)場反演中，(50，70)格點單體有反射率因子強(qiáng)度超過55 dBZ的中心回波區(qū)向南傾斜，存在明顯的氣旋式輻合。同時，風(fēng)向從1 km的偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，形成風(fēng)的垂直切變。在(60，60)格點處出現(xiàn)渦旋。同時，(20，50)格點單體風(fēng)場上存在輻散。

在3 km高度風(fēng)場反演中，(50，70)格點單體有反射率因子強(qiáng)度超過55 dBZ的中心回波區(qū)向南傾斜，表明有明顯氣旋式輻合存在。(20，50)格點單體存在著輻散，回波強(qiáng)度超過50 dBZ的強(qiáng)中心消失。

在5 km高度風(fēng)場反演中，(50，70)格點單體在反射率因子強(qiáng)度有超過50 dBZ的中心回波區(qū)并存在著明顯的風(fēng)場輻合。(20，50)格點單體存在明顯的輻散。這一結(jié)論與之前的徑向速度沿法向剖面得出的結(jié)論一致。通過1～5 km風(fēng)場反演發(fā)現(xiàn)，各高度中如果有風(fēng)垂直切變、輻合的存在，則有利于超級單體的發(fā)生發(fā)展。

18:50太湖水面出現(xiàn)33.7 m/s的瞬時極大風(fēng)(12級，太湖柱石島北站)。雷達(dá)速度圖可見大風(fēng)特征：常州雷達(dá)距離太湖地區(qū)的回波底高約1.4 km，相當(dāng)于850 hPa高度。湖州和青浦雷達(dá)距離蘇州更近，回波底高為500 m左右，更具有代表意義。所以選擇湖州和青浦雷達(dá)來做雙雷達(dá)風(fēng)場反演。

通過分析18:43雙雷達(dá)風(fēng)場的垂直剖面可發(fā)現(xiàn)(圖10)，在水平坐標(biāo)的20～30 km處，反射率因子強(qiáng)度超過40 dBZ的高度達(dá)6 km，在5 km垂直高度以下，存在明顯的上升運動，最大上升速度在20 m/s。而18:49，在同樣的位置(20～30 km)處，對流發(fā)展高度快速降至5 km以下，且在2 km以下存在明顯的下沉氣流，下沉氣流速度超過20 m/s。18:50太湖水面自動站出現(xiàn)33.7 m/s的大風(fēng)。造成12級大風(fēng)的可能原因是高空動量下傳和降水粒子拖曳的共同作用。但沒有更多的自動站可以佐證是否存在明顯的下?lián)舯┝鳌?/p>

圖10 18:43(a)和18:49(b)反射率因子剖面與風(fēng)場疊加圖

5 雙偏振雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品應(yīng)用

5.1 雙偏振參量分析

江蘇省氣象局2018年起逐步把全省的SA單偏振雷達(dá)升級為雙偏振雷達(dá)，常州雙偏振雷達(dá)作為整機(jī)國產(chǎn)的S波段雙偏振雷達(dá)(表略)，于2020年率先在江蘇全省投入業(yè)務(wù)運行。本次強(qiáng)對流天氣過程被常州雙偏振雷達(dá)完全捕捉到。

差分相移率KDP是指在特定距離內(nèi)水平偏振回波和垂直偏振回波相位之間的差值，表征不同偏振在傳播路徑上，因傳播系數(shù)不同引起的相位變化，冰雹的KDP在零值附近[21]。需要指出的是，由于KDP產(chǎn)品計算與相關(guān)系數(shù)CC相關(guān)，當(dāng)CC＜0.9時，不計算KDP和KDP產(chǎn)品會出現(xiàn)一些“空洞”的區(qū)域，即在對應(yīng)有雷達(dá)回波的地方，KDP上沒有數(shù)據(jù)。由于大冰雹的CC通常小于0.85，因此，KDP產(chǎn)品在分析冰雹演變時有缺陷，但可以對小冰雹或濕雹來分析KDP的變化。KDP代表液態(tài)水濃度，同時也與粒子直徑有關(guān)，KDP大說明液態(tài)水含量多、粒子直徑大。KDP對固態(tài)不敏感，此次過程KDP如此之大，表明此次降雹是由大量集聚的濕的小冰雹組成，由于水的介電常數(shù)大于冰，所以KDP較大。

17:12KDP的垂直剖面圖上可見(圖11)，4 km高度處有強(qiáng)度為1°km-1的大值區(qū)，其同高度的ZH超過50 dBZ，17:18KDP的發(fā)展高度明顯下降，17:24KDP發(fā)展高度已經(jīng)降至4 km以下，且KDP值也快速減小，預(yù)示著地面已經(jīng)產(chǎn)生降雹或者出現(xiàn)大風(fēng)。

圖11 17:12(a)、17:18(b)和17:24(c)沿垂直雷達(dá)徑向a的K DP垂直剖面圖 橫坐標(biāo)單位為km，縱坐標(biāo)單位為0.1 km

差分反射率ZDR柱代表著強(qiáng)的上升氣流，過冷卻雨滴、融合的冰雹、霰粒子可被帶到濕球溫度0℃層高度之上，ZDR仍可維持1 dB以上的正值；由于粒子尺寸篩選作用，越往高空，粒子直徑越小，ZDR值越低。ZDR柱通?？蓴U(kuò)展到0℃層高度之上的2～3 km處。冰雹的發(fā)展一般是經(jīng)過過冷水滴凍結(jié)、淞附為霰粒子，霰粒子外表融化，再進(jìn)一步淞附，最后形成冰雹。本文中同樣能看到ZDR快速增大的現(xiàn)象(圖12)。17:12只是在2 km高度出現(xiàn)0.2 dB左右的ZDR。17:18ZDR快速發(fā)展到6 km高度左右，中心強(qiáng)度達(dá)1.2 dB。說明冰雹云在發(fā)展過程中存在強(qiáng)的上升氣流。17:24ZDR快速下降，表明由于冰雹的拖曳作用，導(dǎo)致冰雹云中上升氣流減弱。

圖12 17:12(a)、17:18(b)和17:24(c)沿垂直雷達(dá)徑向a的Z DR垂直剖面圖 坐標(biāo)的說明同圖11。

5.2 雙偏振參量分析

馮濤等[21]認(rèn)為風(fēng)廓線雷達(dá)能夠分析大氣水平運動在垂直方向上的微物理特征，實時監(jiān)測中尺度降水期間風(fēng)的垂直切變和對流發(fā)展，可為短臨預(yù)報提供參考。國內(nèi)專家研究[22-24]表明風(fēng)場隨高度的垂直分布和變化與天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展有著密切的聯(lián)系。楊引明等[25]研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)在對垂直速度隨高度的波動程度中能夠為短臨預(yù)報預(yù)警提供指示作用。

蘇州市氣象局購買的南京恩瑞特實業(yè)有限公司生產(chǎn)的邊界層風(fēng)廓線儀(CLC-11-D)，安放在張家港、常熟、太倉等氣象局觀測場內(nèi)，該風(fēng)廓線雷達(dá)可探測地面至2 km左右高度的水平風(fēng)、垂直風(fēng)的風(fēng)廓線特征。本文所用資料的垂直分辨率為60 m，時間分辨率為6 min。圖14是風(fēng)廓線雷達(dá)于12日17:00—19:00觀測到的水平風(fēng)垂直廓線資料(圖13a)。從雷達(dá)回波的移動情況可知(圖4)，強(qiáng)對流系統(tǒng)經(jīng)過張家港風(fēng)廓線雷達(dá)的時間大致在12日17:30，系統(tǒng)來臨前(12日17:30之前)，17時在1 500 m高度附近風(fēng)向由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，17:30颮線影響本站后，首先是西北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，同時高空風(fēng)力明顯增大。低層風(fēng)向也由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，在系統(tǒng)影響時刻，風(fēng)力從9.3 m/s突然增大至14 m/s。17:40開始，1 000 m以下垂直風(fēng)速有明顯增大的趨勢，最大垂直風(fēng)速達(dá)8 m/s，說明颮線影響時刻，存在明顯的下沉運動。常熟風(fēng)廓線儀也發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。由于常熟風(fēng)廓線儀距離張家港風(fēng)廓線儀35 km左右，常熟風(fēng)廓線儀底層風(fēng)力在18:10左右明顯增大，與地面自動站出現(xiàn)14.9 m/s實況大風(fēng)時刻基本一致。

對比風(fēng)廓線儀和對流系統(tǒng)的雷達(dá)回波移動路徑及時間發(fā)現(xiàn)，對流系統(tǒng)的主體尚未影響太倉時，地面大風(fēng)已經(jīng)出現(xiàn)，且太倉風(fēng)廓線儀的垂直風(fēng)速在18:00—18:15有一個突然增大的過程，并達(dá)到13.9 m/s，風(fēng)向由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，18:20地面偏北風(fēng)速達(dá)17 m/s。但是雷達(dá)回波上對流系統(tǒng)在18:32才經(jīng)過太倉風(fēng)廓線儀所在地區(qū)?？赡茉蚴窃趯α飨到y(tǒng)主體影響太倉前，地面先出現(xiàn)陣風(fēng)鋒，所以會提前18 min觀測到大風(fēng)。

由圖13可發(fā)現(xiàn)，對流系統(tǒng)經(jīng)過后的輻散氣流主要在600 m以下，這一高度附近使用常州多普勒雷達(dá)0.5°仰角也很難觀測到。另外，風(fēng)廓線雷達(dá)測得的對流系統(tǒng)前部的垂直上升氣流中，基本沒有大于4 m/s的上升速度，而對流系統(tǒng)后部可觀測到大范圍的下沉氣流。導(dǎo)致這一現(xiàn)象可能有以下兩個原因：第一，颮線系統(tǒng)的上升區(qū)很窄且系統(tǒng)的移速又快(約70 km/h)，所以無法觀測到明顯的上升氣流；第二，根據(jù)國外研究表明，強(qiáng)風(fēng)暴最大上升區(qū)變化很大，有時在云底，有時在云中或云頂，因而強(qiáng)的上升氣流在低層的風(fēng)廓線雷達(dá)不一定能觀測到。

圖13 張家港(a)、常熟(b)和太倉(c)風(fēng)廓線雷達(dá)圖

6 結(jié)論和討論

本文針對2020年4月12日傍晚前后發(fā)生在江蘇蘇州的局部風(fēng)雹過程，詳細(xì)分析了該過程的天氣背景、強(qiáng)對流三要素、雙偏振雷達(dá)參量演變特征并結(jié)合雙雷達(dá)風(fēng)場反演，分析了超級單體的動力結(jié)構(gòu)及云物理機(jī)制，還利用風(fēng)廓線雷達(dá)等資料得出以下結(jié)論。

(1)本次蘇州局地風(fēng)雹天氣過程發(fā)生在高空有冷渦南掉，底層有暖濕氣流，造成上下層強(qiáng)烈不穩(wěn)定的環(huán)流背景下，地面有輻合線快速東移南壓，蘇南地區(qū)850 hPa和1 000 hPa的假相當(dāng)位溫差為負(fù)值中心，對流不穩(wěn)定度加大，為此次強(qiáng)對流天氣的發(fā)生提供了一定的熱力不穩(wěn)定條件。造成大風(fēng)的主要原因是冷空氣大風(fēng)疊加強(qiáng)對流大風(fēng)作用。0℃層高度1.6 km和-20℃層高度4.6 km，3 km的高度差是非常有利于形成降雹的。

(2)此次冰雹過程在單偏振的雷達(dá)強(qiáng)度和速度上及垂直剖面圖上有經(jīng)典的冰雹云特征：回波強(qiáng)度超過50 dBZ，有明顯的三體散射、氣旋式輻合、高層回波懸垂和強(qiáng)風(fēng)暴頂輻散等特征。雙線偏振雷達(dá)各偏振參量(差分反射率ZDR、差分相移率KDP)反映出冰雹云的典型特征：水平反射率因子大、ZDR小、KDP小的區(qū)域出現(xiàn)冰雹，ZDR值通常為-1.0～0.2 dB。

(3)通過雙多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)場反演發(fā)現(xiàn)，1～5 km高度中如果有風(fēng)垂直切變、輻合的存在，則有利于對流單體的發(fā)生發(fā)展，反之則減弱。通過垂直剖面分析發(fā)現(xiàn)的高空動量下傳和降水粒子拖曳是導(dǎo)致太湖水面出現(xiàn)下?lián)舯┝鞯闹匾?。另外通過對比雷達(dá)回波和風(fēng)廓線雷達(dá)能很好地刻畫對流系統(tǒng)具體的影響時間和強(qiáng)度變化情況。