利用相控陣?yán)走_(dá)對2020年5月閩南一次降雹過程分析*

崔夢雪 張晗昀 張妤晴 鄭澤華 陳 賽 陳德花

(1.海峽氣象開放實驗室，福建 廈門 361012；2.廈門市氣象臺,福建 廈門 361012；3.廈門市氣象局,福建 廈門 361012)

冰雹是從發(fā)展強盛的積雨云中降落到地面的冰球，是一種季節(jié)性明顯、局地性強，來勢兇猛、持續(xù)時間短，以機械性傷害為主的氣象災(zāi)害，是我國主要的災(zāi)害性天氣之一[1]；常常伴隨狂風(fēng)、暴雨等其他天氣現(xiàn)象，給農(nóng)林牧業(yè)、通信交通、房屋建筑物以及人民生命安全等造成嚴(yán)重?fù)p失[2]。冰雹等強對流天氣系統(tǒng)尺度小、生命史短，不能用短期天氣預(yù)報方法預(yù)報，其預(yù)報和預(yù)警一直是短臨預(yù)報業(yè)務(wù)工作中的難點，是氣象工作者研究的熱點與難題，也是提高氣象防災(zāi)減災(zāi)能力的迫切需要。

目前，利用新一代天氣雷達(dá)進(jìn)行冰雹監(jiān)測、分析和預(yù)報已成為全國防范強對流天氣的重要途徑[3-6]，大量研究揭示了冰雹形成的機理及其演變規(guī)律，在冰雹的監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警服務(wù)中發(fā)揮了重要作用[7-12]。但由于新一代天氣雷達(dá)天線采用機械掃描方法，業(yè)務(wù)運行采用VCP 21模式，最快只能在6 min內(nèi)完成9個仰角的掃描。這種模式掃描周期過長，垂直方向分辨率較差，對快速變化的中小尺度天氣過程，如冰雹、下?lián)舯┝?、龍卷等的監(jiān)測識別難以滿足業(yè)務(wù)需求[13,14]。

相控陣天氣雷達(dá)通過相位控制掃描，其波束的轉(zhuǎn)換更為靈活迅速，能夠在1 min之內(nèi)完成一個體掃，是一種能在保證雷達(dá)資料質(zhì)量的前提下，進(jìn)行更快速掃描的雷達(dá)技術(shù)[15,16]。世界主要發(fā)達(dá)國家較早開展了相控陣天氣雷達(dá)的觀測與應(yīng)用研究，并取得了一些重要的成果。2002年，美國國家雷達(dá)技術(shù)委員會推薦相控陣技術(shù)為美國下一代雷達(dá)發(fā)展的方向。在我國，早期相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)主要用于軍事和航天等領(lǐng)域，近年來也開展了相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的相關(guān)研發(fā)工作[17-19]。2020年，廈門市氣象局與納睿達(dá)科技有限公司合作，開展了X波段相控陣?yán)走_(dá)的觀測試驗，同年9月已建成3部X波段相控陣?yán)走_(dá)并開展觀測試驗。

2020年5月6日午后到傍晚，閩南沿海受到強對流天氣影響，出現(xiàn)大范圍冰雹、雷雨大風(fēng)、短時強降水天氣(降水如圖1)，大部分地區(qū)出現(xiàn)罕見的冰雹，直徑普遍在5～20mm左右，最大達(dá)30～50mm。此次降雹范圍廣，集中在沿海，造成影響大，且發(fā)生在5月，實屬罕見。本文利用廈門翔安X波段相控陣?yán)走_(dá)、廈門海滄S波段雙偏振雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)等多源資料，詳細(xì)分析了此次冰雹回波的演變過程，為利用相控陣?yán)走_(dá)識別和預(yù)警短時局地災(zāi)害性天氣奠定基礎(chǔ)。

圖1 2020年5月6日08時-7日08時閩南地區(qū)累積降水與地形高度(填色)

1 資料來源及說明

廈門翔安X波段相控陣?yán)走_(dá)位于廈門市翔安區(qū)(24.6°N，118.3°E，見圖2)，于2020年4月底開始試運行，是福建首部相控陣?yán)走_(dá)，相較于S波段雙偏振雷達(dá)，其徑向分辨率由250m提升到30m，時間分辨率達(dá)到1min，可提供更快速、精細(xì)的回波結(jié)構(gòu)，雷達(dá)參數(shù)詳見表1。本文所用其他資料包括常規(guī)地面和高空觀測資料、區(qū)域氣象自動站觀測資料、ERA5再分析資料、廈門翔安風(fēng)廓線雷達(dá)資料及廈門海滄S波段雙偏振雷達(dá)資料。

圖2 廈門翔安相控陣?yán)走_(dá)及廈門海滄雙偏振雷達(dá)分布圖

表1 廈門翔安X波段相控陣?yán)走_(dá)主要性能參數(shù)

2 環(huán)流背景

2.1 大尺度環(huán)流分析

2020年5月6日08時，副高控制華南地區(qū)，588線位于廣東北部-福建南部一帶，位置較福建典型冰雹天氣形勢偏北，閩南地區(qū)處于副熱帶高壓邊緣，副高北側(cè)有一支24m/s的副熱帶急流。700hPa華南低空急流軸風(fēng)速達(dá)18m/s，閩南地區(qū)位于急流出口區(qū)，有明顯風(fēng)速輻合，利于上升運動發(fā)展。850 hPa江南北部存在一條東西向暖式切變線，低空急流從廣西南部延伸至廣東北部，閩南地區(qū)位于切變線南側(cè)暖濕氣團中。200hPa處于高空急流的分流輻散區(qū)(圖3a)，構(gòu)成低空輻合高空輻散的形勢。低層減壓增濕增溫利于熱力與動力不穩(wěn)定能量的積聚，而高層抽吸作用利于上升運動的增強與維持。地面上四川低渦強烈發(fā)展，閩南處于低壓倒槽中，午后升溫明顯，東北華北受冷高壓控制，冷鋒入倒槽導(dǎo)致不穩(wěn)定能量釋放，觸發(fā)大范圍強對流天氣。

2.2 穩(wěn)定度分析

從6日08時廈門站探空來看(圖略)，存在明顯上干、下濕結(jié)構(gòu)，濕層淺薄集中在近地層，925hPa比濕達(dá)到15g/kg，近地層近乎飽和且存在明顯逆溫，利于水汽與不穩(wěn)定能量的累積。08時的CAPE值已經(jīng)達(dá)到1870J/kg，訂正后CAPE值達(dá)到2500J/kg，SI指數(shù)為-3.6℃，K指數(shù)為34℃，多種對流指數(shù)顯示當(dāng)日大氣層結(jié)極其不穩(wěn)定，有利于強對流天氣的發(fā)生。另外，0℃、-20℃層高度分別為4.9km、7.9km，濕球0℃層位于3.2km，有利于冰雹天氣的發(fā)生。分析6日08時物理量場(圖略)可知，福建大部地區(qū)K指數(shù)達(dá)33℃以上，SI指數(shù)指數(shù)低于-2℃，與探空數(shù)據(jù)有一致的結(jié)果。

(a) (b)

3 風(fēng)廓線雷達(dá)分析

分析翔安站風(fēng)廓線雷達(dá)資料發(fā)現(xiàn)(見圖4)，6日上午1km以下高度風(fēng)場以偏東風(fēng)為主，中層為偏西到西南風(fēng)，午后風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，表示低層垂直風(fēng)切變加大并有暖平流。15時后，近地面一支西南風(fēng)超低空急流形成，極大改善了本地的水汽及不穩(wěn)定條件，有利于強對流天氣的發(fā)生。18時前后，1km以下的邊界層偏東風(fēng)加強，1～2.5km高度風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南-東南風(fēng)，高度變厚，2～3km低空風(fēng)速大于12m/s，低空西南急流為對流天氣提供了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量，對強對流天氣的預(yù)報有很好的指示意義。

圖4 2020年5月6日08～20時廈門翔安風(fēng)廓線雷達(dá)0～5km高度水平風(fēng)時序圖

4 單體風(fēng)暴演變過程

分析海滄S波段雙偏振雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)表明，6日13時以后，漳州開始有對流回波生成并東移，回波快速發(fā)展，14時18分強度達(dá)到60dBz以上，之后快速減弱東移入海。隨后，不斷有對流回波從漳州西部生成發(fā)展，受偏西風(fēng)引導(dǎo)一路向東移動，形成塊狀回波，于17時30分回波分裂為左右兩個風(fēng)暴，右移風(fēng)暴先強烈發(fā)展，隨后快速減弱。左移風(fēng)暴先是緩慢發(fā)展，隨后快速增強(如圖5)，18時26分，左移風(fēng)暴發(fā)展為超級單體風(fēng)暴，強回波中心達(dá)到65dBz以上，強回波中心高度可達(dá)8km左右，低層存在 “V形”入流缺口，VIL值明顯的躍升。沿著風(fēng)暴的徑向伸展有明顯的三體散射長釘，長度超過10km，預(yù)示著超級單體風(fēng)暴內(nèi)部有大冰雹。實況發(fā)現(xiàn)，集美區(qū)18時30分、翔安區(qū)18時40分左右出現(xiàn)降雹天氣。18時44分以后，單體風(fēng)暴逐漸減弱，回波中心強度明顯減小，強中心的面積也顯著縮小。

(a)18∶09 (b)18∶21 (c)18∶26

5 雷達(dá)回波參量分析

由于超級單體風(fēng)暴于18時30分左右開始接近翔安雷達(dá)中心，受靜錐區(qū)的探測限制，本文分時間段采用兩部雷達(dá)資料進(jìn)行分析：18時30分前，采用空間和時間分辨率高的翔安X波段相控陣雙偏振雷達(dá)資料，之后采用海滄S波段雙偏振雷達(dá)資料。

18時20分相控陣?yán)走_(dá)回波(見圖6)顯示，60dBZ以上的強回波中心高度達(dá)到8km，有明顯的懸垂回波特征和有界弱回波區(qū)，8km高度強回波中心處對應(yīng)ZDR值和KDP值為接近0的負(fù)值，該處相關(guān)系數(shù)CC在0.5～0.85附近，表明8km處有明顯的冰雹特征。2km以下低層有偏東風(fēng)入流在徑向上分量在5～10m/s左右，2km以上徑向速度為偏西風(fēng)，最大值達(dá)27m/s以上，低層垂直風(fēng)切變大。由于零度層高度為5km左右，可以看到明顯的ZDR柱(ZDR值大于2)延伸至6～7km，結(jié)合BWER特征可以推測ZDR柱附近有強上升氣流，有利于抬升水相粒子并使冰相粒子得到增長。融化層下ZDR大于3，KDP大于2，反射率因子值大于50dBZ，相關(guān)系數(shù)CC接近于1，表明大量大雨滴處于下落過程。

(a)水平反射率因子 (b)徑向速度 (c)差分反射率因子

18時26分，單體處于成熟階段(圖7)，60dBZ以上的強回波中心高度下降至2～3km處，強回波質(zhì)心下降?；夭ńY(jié)構(gòu)有懸垂回波特征和有界弱回波區(qū)，回波懸垂附近強回波中心處對應(yīng)ZDR值和KDP值均接近于0，說明此時冰雹粒子高度也在下降。2km以下低層有偏東風(fēng)入流在徑向上分量在5～10m/s，2km以上徑向速度為偏西風(fēng)，最大值達(dá)27m/s以上，垂直風(fēng)切變?nèi)暂^大。零度層高度以上ZDR柱消失，表明上升氣流可能較之前時刻明顯減弱。融化層下強回波區(qū)對應(yīng)的KDP值較之前時刻也明顯減弱，表明雨滴粒子數(shù)量也明顯減少。2～4km處相關(guān)系數(shù)CC小于0.8，反射率因子值大于60dBZ，表明冰雹及地，這與人工觀測到冰雹時間為18時30分左右是一致的。

(a)水平反射率因子 (b)徑向速度 (c)差分反射率因子

在回波消亡階段，從海滄雷達(dá)探測結(jié)果來看(見圖8)，18時44分60dBZ強回波面積減小，強反射率因子中心處ZDR值從接近0左右的負(fù)值逐漸變成大于1的值，表明原來強回波區(qū)為冰雹為主變成了以液態(tài)降水粒子為主。0～2km處KDP值在該時間段呈減小趨勢，表明降水粒子數(shù)量在減小。強回波區(qū)內(nèi)相關(guān)系數(shù)上升也印證了，單體逐漸從降雹轉(zhuǎn)為液態(tài)降雨過程。速度圖顯示，3～6km左右高度的強輻合逐漸消失，邊界層以下都有降水導(dǎo)致的水平輻散。

(a)水平反射率因子 (b)徑向速度 (c)差分反射率因子

6 結(jié)論與討論

本文利用廈門翔安X波段相控陣?yán)走_(dá)高時空分辨率資料，結(jié)合廈門海滄S波段雙偏振雷達(dá)、廈門海滄風(fēng)廓線雷達(dá)等多源資料，探討了5月閩南沿海一次罕見的大范圍降雹過程從發(fā)展到成熟階段雷達(dá)回波特征的變化，得到以下幾點結(jié)論。

①本次過程是一次發(fā)生在副高邊緣暖濕氣流控制下低層暖強迫型強對流，低空急流出口區(qū)風(fēng)速輻合、200hPa輻散抽吸構(gòu)成上升動力條件，低層減壓增濕增溫利于熱力與動力不穩(wěn)定能量的積聚，地面冷鋒入倒槽導(dǎo)致不穩(wěn)定能量釋放，觸發(fā)大范圍強對流天氣。

②風(fēng)廓線雷達(dá)分析表明，6日午后近地面一支西南風(fēng)超低空急流形成，極大改善了本地的水汽及不穩(wěn)定條件，對于強對流天氣預(yù)報有很好的指示意義。

③相控陣?yán)走_(dá)分析表明，降雹單體低層具有明顯的勾狀回波及有“V形”缺口，無明顯三體散射回波。垂直剖面上強反射率因子中心高度高，有明顯的有界弱回波區(qū)BWER和回波懸垂，風(fēng)場上低層有偏東風(fēng)入流及水平輻合。

④ZDR、KDP和CC等雙偏振參數(shù)有利于對降水粒子的相態(tài)進(jìn)行定性分析，相控陣?yán)走_(dá)雙偏振參量分析表明，冰雹的ZDR與KDP在零值附近，CC值低，有明顯ZDR柱。

⑤單體降雹階段，相控陣?yán)走_(dá)能快速探測到強反射率因子中心下降，ZDR柱消失，低層KDP值與CC值迅速減小，為冰雹預(yù)警爭取提前量。相較于傳統(tǒng)雙偏振雷達(dá)，相控陣?yán)走_(dá)高時空分辨率有利于對移動和發(fā)展迅速的強對流單體進(jìn)行連續(xù)觀測，可以更好地捕捉到云中的微物理特征變化，為冰雹的預(yù)警和預(yù)報業(yè)務(wù)提供參考。