滇南一次超級單體風(fēng)暴的雷達(dá)特征分析

朱府鴻，李文平，鄭 皎

(1.石屏縣氣象局，云南 石屏 662200；2.紅河州氣象局，云南 蒙自 661100)

0 引言

超級單體風(fēng)暴是對流風(fēng)暴中組織程度最高，生命期最長，具有單一特大垂直環(huán)流的巨大強(qiáng)風(fēng)暴云。它具有一個近于穩(wěn)態(tài)的、有高度組織的內(nèi)部環(huán)流并與環(huán)境風(fēng)的垂直切變有密切關(guān)系[1]。其水平尺度一般在幾十公里，是β-中尺度對流系統(tǒng)，生命期為幾十分鐘到幾小時。超級單體風(fēng)暴常產(chǎn)生雷電、短時強(qiáng)降水、冰雹、大風(fēng)等劇烈強(qiáng)對流天氣，所經(jīng)過的地區(qū)，易造成嚴(yán)重風(fēng)雹災(zāi)害。

近些年，隨著探測設(shè)備的更新和探測技術(shù)的發(fā)展，明顯提高了對冰雹大風(fēng)等局地強(qiáng)對流天氣過程的監(jiān)測和預(yù)報水平，促進(jìn)了對冰雹大風(fēng)天氣的短臨預(yù)警研究。周楠[2]等利用多普勒天氣雷達(dá)資料分析了重慶地區(qū)一次超級單體風(fēng)暴；鄭媛媛[3]等利用雷達(dá)資料分析了不同地區(qū)典型超級單體風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展演變過程及其顯著結(jié)構(gòu)特征；陳曉燕[4]等對黔西南州一次分裂型超級單體風(fēng)暴環(huán)境條件和回波結(jié)構(gòu)分析；廖曉農(nóng)[5]等對北京盛夏一次罕見的大雹事件分析；朱君鑒[6]等利用雷達(dá)資料分析了冰雹風(fēng)暴中的流場結(jié)構(gòu)和大冰雹生成區(qū)，發(fā)現(xiàn)超級單體最大反射率因子維持在60～70 dBz，從回波低層出現(xiàn)強(qiáng)反射率因子梯度，以及弱回波區(qū)和有界弱回波，前后入流缺口，勾狀回波、強(qiáng)中反氣旋和弱中氣旋等特征，在徑向速度圖上，有正負(fù)速度對，有一個持久深厚的中氣旋存在。劉黎平等[7]用C波段雙線偏振雷達(dá)研究冰雹云，發(fā)現(xiàn)反射率因子和降雹強(qiáng)度不是一一對應(yīng)關(guān)系；龔佃利[8]等利用雙偏振多普勒天氣雷達(dá)探測資料對山東諸城的一次罕見強(qiáng)雹暴過程的天氣背景、風(fēng)雹災(zāi)害、雷達(dá)回波演變、雹云結(jié)構(gòu)及大冰雹形成機(jī)制進(jìn)行分析；王洪等利用S波段偏振雷達(dá)對華南超級單體風(fēng)暴進(jìn)行偏振特征分析，表明大雹粒子的翻滾使冰雹區(qū)具有水平反射率因子高、差分反射率低，雨和冰晶粒子的混合導(dǎo)致了相關(guān)系數(shù)的下降，差分相位常數(shù)KDP觀測對冰雹不敏感[9-11]。

以往紅河州地區(qū)受制于無多普勒天氣雷達(dá)觀測，尚未開展對超級單體風(fēng)暴的研究。超級單體的演變規(guī)律尚不清楚。文中利用紅河州新一代雙偏振CINRAD/CC多普勒雷達(dá)觀測資料及其產(chǎn)品，對2020年4月22日夜間發(fā)生在紅河州東南部的中小尺度冰雹天氣過程進(jìn)行雷達(dá)回波特征分析，分析回波變化特征，為今后滇南地區(qū)開展因超級單體風(fēng)暴引發(fā)的災(zāi)害性天氣提供預(yù)報預(yù)警參考。

1 實況與天氣背景分析

1.1 風(fēng)雹及災(zāi)情

2020年4月22日凌晨04∶29(北京時，下同)起，滇南地區(qū)(紅河州)出現(xiàn)了一次極端強(qiáng)對流天氣過程，給個舊市、蒙自市、屏邊縣等多地造成不同程度的風(fēng)雹災(zāi)害，其中災(zāi)害以屏邊縣玉屏、屏邊城區(qū)、阿季伍、卡口、補(bǔ)嘎等地最重，最大冰雹直徑達(dá)60 mm，并伴有8級短時大風(fēng)，是紅河州有記錄以來罕見的一次強(qiáng)對流天氣過程。此次強(qiáng)對流天氣，在6小時內(nèi)(22日02∶00～08∶00)，造成屏邊縣白河站降大暴雨(60.1 mm)；前進(jìn)、零開，河口斑鳩河、蒙自老寨等4站降暴雨；其它有10個站降大雨、34個站降中雨。據(jù)州應(yīng)急局統(tǒng)計核實，全州有12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)生雹災(zāi)，共造成直接經(jīng)濟(jì)損失19 158.42萬元，房屋損壞15 964間，受災(zāi)總?cè)藬?shù)146 702人。圖1給出了造成上述風(fēng)雹災(zāi)害的風(fēng)暴移動路徑、暴雨、冰雹分布，降雹區(qū)與紅河州雷達(dá)1.5°仰角強(qiáng)回波區(qū)(反射率因子>60 dBz)范圍基本一致。

圖1 2020年4月22日，超級單體風(fēng)暴移動路徑、降水量(單位：mm，間隔5)、冰雹落區(qū)(黑三角左側(cè)數(shù)字為最大冰雹直徑，單位：mm)

1.2 天氣背景分析

強(qiáng)對流發(fā)生的前期，由于受偏西干暖氣流的影響，紅河州出現(xiàn)晴熱高溫天氣，最高氣溫維持在25～30℃；從2020年4月21日20∶00，200 hPa高度場上存在明顯高空急流，風(fēng)速達(dá)52(m·s-1)，超級單體風(fēng)暴發(fā)生在高空急流入口區(qū)右側(cè)。500 hPa高度場上看(圖2a)，南支槽位于90°E附近，紅河州位于南支槽前和東亞大槽后的脊線附近，584 dagpm線位于紅河州北部，588 dagpm線位于越南北部22°N附近；在700 hPa環(huán)流場上西藏東部100°E處有已閉合低壓存在，105°E附近有小槽向西南發(fā)展，昭通市至大理州西北部存在風(fēng)場輻合切變，昭通市北部至宣威市附近有一冷平流南下，等溫線較密集，溫度槽落后氣壓槽，說明700 hpa淺槽在加深發(fā)展，冷空氣有所加強(qiáng)，紅河州位于暖舌區(qū)，石屏至白色一線有一支低空急流存在，風(fēng)向為西北風(fēng)、風(fēng)速為16(m·s-1)，超級單體風(fēng)暴發(fā)生地(屏邊縣)在低空急流入口區(qū)左側(cè)(圖略)；地面靜止鋒位于魯?shù)榭h—宣威市—廣南縣—富寧縣一線，紅河州處于鋒前暖區(qū)(圖略)。在500 hPa脊前西北氣流帶來干冷空氣，700 hPa存在輻合切變和暖舌，疊加在850 hPa鋒面和高低空垂直風(fēng)切變觸發(fā)了此次強(qiáng)對流天氣，并形成超級單體風(fēng)暴。

1.3 大氣垂直結(jié)構(gòu)分析

冰雹等強(qiáng)對流天氣產(chǎn)生于較強(qiáng)的對流風(fēng)暴中，它取決于環(huán)境的熱力不穩(wěn)定，環(huán)境垂直風(fēng)切變和水汽的垂直分布等因子[1，12]。衡量熱力不穩(wěn)定大小的最佳參量是對流有效位能Cape[12]。從T-logp圖上看(圖2b)，強(qiáng)對流天氣發(fā)生前12小時內(nèi)，21日20∶00蒙自站CAPE為833.4(J·kg-1)，“喇叭口”結(jié)構(gòu)明顯；K指數(shù)為34.8℃；SI指數(shù)為-1.9 ℃，存在著明顯的熱力不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；21日08∶00，ΔT850-500為28.3℃，ΔT700-500為16℃；到21日20∶00ΔT850-500增大到35℃，ΔT700-500增大到19.7℃，表明從低層到高層垂直溫度遞減率大，上冷下暖的結(jié)構(gòu)增大了層結(jié)的不穩(wěn)定性。21日20∶00，700 hPa～600 hPa，蒙自站中層為西北氣流，有利于冷空氣南下，600 hPa風(fēng)速17.2(m·s-1)、700 hPa風(fēng)速13(m·s-1)風(fēng)速隨高度增加明顯，風(fēng)向順轉(zhuǎn)，顯示有暖平流；500 hPa上為西風(fēng)，風(fēng)速20(m·s-1)，200 hPa上為西南風(fēng)，風(fēng)速40(m·s-1)、由此可見，中高層存在風(fēng)向和較強(qiáng)的風(fēng)速切變；從水汽的垂直分布來看，200 hPa相對濕度為27%，500 hPa相對濕度為23%，606～586 hPa層相對濕度為69%，850 hPa相對濕度為32%，高層和低層相對濕度偏小，606～586 hPa層水汽條件相對較好。上述分析表明，大氣層結(jié)條件十分有利于超級單體風(fēng)暴的發(fā)展及大冰雹、雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生。

圖2 2020年4月21日20時(a)500 hPa環(huán)流形勢分析(藍(lán)色實線為等高線，間隔4 dagpm；紅色虛線為等溫線，間隔4℃)；(b)蒙自站4月21 日20時探空(溫度對數(shù)壓力圖)Fig.2 500 hPa geopotential height(blue solid line，interval：4 dagpm)and temperature(Red doted line，interval：4℃)(a)and Sounding skew(T-logp)at Mengzi (b) at 20∶00 on April 21，2020

2 多普勒雷達(dá)回波特征分析

2.1 超級單體風(fēng)暴發(fā)展演變分析

對流云在04∶29～05∶04發(fā)展過程中，“弓形”回波帶(封二圖版Ⅰ圖3a)位于北端的對流云回波在東移過程中明顯強(qiáng)于南端的對流云，但隨著時間的演變，對流云逐漸減弱，同時位于南端(元陽縣東南部)的對流云在向東移過程中迅速發(fā)展增強(qiáng)，05∶04最大強(qiáng)度達(dá)69 dBZ，60 dBZ高度為6.6 km，此期間風(fēng)暴平均移速為67(km·h-1)。

05∶10單體風(fēng)暴向東移動到蒙自市水田鄉(xiāng)西南，60 dBZ回波頂高10.4 km、寬度3.7 km、面積14 km2，首次呈現(xiàn)“三體散射長釘(TBSS)”和“逗點(diǎn)”狀回波結(jié)構(gòu)特征(封二圖版Ⅰ圖3b)，“逗點(diǎn)”狀尾巴位于西北部。有研究表明，“逗點(diǎn)”狀回波的存在說明中氣旋已經(jīng)形成[12]，證明單體風(fēng)暴已發(fā)展成超級單體；05∶15雷達(dá)在0.5°～2.4°仰角上探測到單體風(fēng)暴東北側(cè)有“V”形槽口回波結(jié)構(gòu)(封二圖版Ⅰ圖3c)，表明低層有強(qiáng)的下沉氣流；05∶22受脊前西北氣流引導(dǎo)，單體風(fēng)暴移動方向由自西向東轉(zhuǎn)為西北—東南走向，單體風(fēng)暴移動至蒙自和屏邊二縣(市)交界處，氣流由低海拔的紅河谷向山峰爬升，受到地形抬升，回波整體得到增強(qiáng)，反射率因子最大強(qiáng)度達(dá)67 dBZ，60 dBZ頂高、回波寬度、回波面積增強(qiáng)分別為12.6 km、7.5 km、66 km2，對應(yīng)地面出現(xiàn)降雹，冰雹直徑10 mm；05∶28單體風(fēng)暴主體移入屏邊縣西北部的新現(xiàn)鄉(xiāng)，雷達(dá)在6.0°仰角上，探測到鉤狀回波結(jié)構(gòu)特征(封二圖版Ⅰ圖3d)。有研究表明[1]，鉤狀回波是強(qiáng)的上升氣流中帶強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的結(jié)果，是龍卷最容易出現(xiàn)的位置，當(dāng)有鉤狀回波出現(xiàn)時，往往會造成雷雨、大風(fēng)、冰雹和強(qiáng)降雨天氣；05∶34單體風(fēng)暴移動到屏邊縣新現(xiàn)鎮(zhèn)底咪村，60 dBZ頂高9.3 km、60 dBZ回波寬度14 km、60 dBZ回波面積增大至97 km2，據(jù)調(diào)查底咪村委會等地區(qū)，05∶32開始降冰雹，降雹持續(xù)時間10 min左右，直徑約40 mm；05∶46單體風(fēng)暴經(jīng)過2個體掃，移動至屏邊縣滴水層鄉(xiāng)，從PPI4.3°仰角上清晰看到“逗點(diǎn)”回波再次出現(xiàn)，逗點(diǎn)尾巴回波轉(zhuǎn)為東北方向(封二圖版Ⅰ圖3e)，表明強(qiáng)對流云系存在著旋轉(zhuǎn)，同時，東北側(cè)“V”形槽口回波結(jié)構(gòu)保持到此刻；05∶52～06∶08，數(shù)據(jù)缺測，超級單體所經(jīng)過之地，地面出現(xiàn)直徑60 mm的大冰雹；06∶20單體風(fēng)暴移動至屏邊縣與馬關(guān)縣交界處，VIL值達(dá)67.9(kg·m-2)、大于60(kg·m-2)的VIL面積達(dá)24 km2、60 dBZ回波頂高13.5 km、60 dBZ回波面積達(dá)131 km2，均達(dá)到本次強(qiáng)降雹過程的最大值，表明超級單體此刻發(fā)展到鼎盛時期，對應(yīng)地面出現(xiàn)直徑40 mm的冰雹；06∶32單體主體移動至文山州馬關(guān)縣蔑廠鄉(xiāng)，紅河州屏邊縣大風(fēng)冰雹天氣結(jié)束。05∶10～06∶32超級單體風(fēng)暴平均移速約57(km·h-1)。

2.2 三體散射特征

有研究證明[12]出現(xiàn)三體散射是大冰雹存在的充分條件，但不是必要條件。三體散射現(xiàn)象對冰雹的預(yù)報具有大約40 min提前量，且“雹釘”長度越長，降大冰雹概率越大，是大冰雹預(yù)警的一個重要指標(biāo)[1，12]。

由表1可知，05∶10雷達(dá)首次探測到三體散射現(xiàn)象，三體散射長釘(TBSS)在6.0°仰角上，長釘最長(17.3 km)，長釘結(jié)構(gòu)明顯；05∶22單體風(fēng)暴移動過程中，在地形抬升作用下，強(qiáng)度得到迅速增強(qiáng)，三體散射長釘(TBSS)回波為36.4 km，增長19.1 km；05∶34單體風(fēng)暴移動到屏邊縣新現(xiàn)鎮(zhèn)波咪村附近，三體散射長釘(TBSS)在6.0°仰角上，回波長度達(dá)到51 km，達(dá)到本次過程最長，結(jié)構(gòu)特征最清晰；研究得出本次個例從雷達(dá)探測到三體散射長釘(TBSS)至地面降大冰雹(05∶58)和出現(xiàn)大風(fēng)(06∶00)，時間提前約50 min左右，比其他學(xué)者研究的時間略長10 min左右。由此可見，三體散射長釘(TBSS)對大冰雹和大風(fēng)的預(yù)報預(yù)警時間提前量在40～50 min，TBSS用于發(fā)布冰雹和大風(fēng)預(yù)警有較好的指示作用。

表1 2020年4月22日，超級單體風(fēng)暴TBSS出現(xiàn)時間、仰角和長度關(guān)系Tab.1 Relationship between occurrence time，elevation and length of super monomer storm TBSS on April 22，2020

本次過程從05∶10～06∶32期間，三體散射現(xiàn)象維持了82 min，超級單體風(fēng)暴所經(jīng)之處，地面出現(xiàn)了歷史罕見的大冰雹，屏邊縣多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)生了嚴(yán)重風(fēng)雹災(zāi)害。統(tǒng)計本次過程發(fā)現(xiàn)，超級單體15個體掃出現(xiàn)三體散射現(xiàn)象(TBSS)其最大反射率因子強(qiáng)度均大于65 dBZ，與Lemon的研究結(jié)果基本相同[13]。

2.3 超級單體風(fēng)暴垂直剖面(RHI)特征分析

有研究指出，回波強(qiáng)度最大值及所在高度，有界弱回波區(qū)(BWER)區(qū)域大小或弱回波區(qū)(WER)區(qū)域大小，垂直累計液態(tài)水含量(VIL)的大值區(qū)等都是判斷強(qiáng)降雹潛勢的指標(biāo)[10]。

對單體風(fēng)暴雷達(dá)回波作垂直剖面(RHI)分析，可得出不同反射率因子強(qiáng)回波核的頂高、底高、寬度和強(qiáng)度等的結(jié)構(gòu)分布特征，有助于提高對冰雹云回波的識別能力。對04∶29～06∶38雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)作RHI產(chǎn)品分析，總結(jié)出風(fēng)暴發(fā)展時期：45 dBZ回波頂高在6.7～11.5 km，平均值8.9 km；60 dBZ回波頂高在3.5～6.6 km，平均值5.5 km。風(fēng)暴成熟時期：45 dBZ回波頂高在12.9～15.7 km，平均值14.0 km；60 dBZ回波頂高在8.5～13.5 km，平均值10.9 km。對比可知，在超級單體風(fēng)暴發(fā)展初期和成熟階段45 dBZ、60 dBZ平均頂高相差分別為：5.1 km、5.4 km，相差約1倍的高度。

21日20∶00蒙自探空資料顯示0℃層高度為4.6 km 、-20℃層高度為8 km，根據(jù)雷達(dá)軟件分析，單體風(fēng)暴成熟階段60 dBZ回波頂高在8.5～13.5 km，可見，60 dBZ強(qiáng)回波核頂高已高于-20℃層約0.5～5.5 km，由此可知，此次超級單體風(fēng)暴引發(fā)地面出現(xiàn)大冰雹的必要條件是60 dBZ強(qiáng)回波核伸展高度達(dá)到或超越-20℃層高度。另外，風(fēng)暴發(fā)展階段60 dBZ回波寬度約1～3.2 km，風(fēng)暴成熟階段60 dBZ回波寬度約6.3～16.2 km，可見，風(fēng)暴發(fā)展階段與成熟階段60 dBZ回波寬度相差在5～6倍左右，本次降大冰雹60 dBZ回波寬度下限在6 km左右。

分析單體風(fēng)暴所有回波剖面發(fā)現(xiàn)，風(fēng)暴成熟階段強(qiáng)回波核伸展高度較高，回波朝運(yùn)動方向出現(xiàn)傾斜，連續(xù)15個體掃均有明顯的三體散射長釘(TBSS)(封二圖版Ⅰ圖4b)、有回波墻(封二圖版Ⅰ圖4a)、低層有寬闊的弱回波區(qū)(WER)(封二圖版Ⅰ圖4a)、有界弱回波區(qū)(BWER)(封二圖版Ⅰ圖4b)和回波懸垂(封二圖版Ⅰ圖4c)存在，RHI上具有超級單體風(fēng)暴的典型特征。

2.4 徑向速度特征分析

逆風(fēng)區(qū)是中尺度輻合、輻散，以及中氣旋的共軛系統(tǒng)在徑向速度場上的表現(xiàn)形式[1，12]。對成熟階段超級單體作剖面分析(沿封三圖版Ⅱ圖5黑色虛線處剖面)可見，05∶10在徑向速度場上(6°仰角)有“逆風(fēng)區(qū)”存在(封三圖版Ⅱ圖5a橢圓區(qū))，從對應(yīng)的剖面圖(封三圖版Ⅱ圖5d)上可見，13～18 km高度上存在徑向大風(fēng)區(qū)，高層氣流輻散特征明顯；05∶34在徑向速度場上(1.5°仰角)，風(fēng)場呈現(xiàn)“S”形輻合(封三圖版Ⅱ圖5b)，表明風(fēng)場存在西北風(fēng)和東南風(fēng)的輻合；對應(yīng)的剖面圖上，在4～17 km高度存在中層徑向輻合及高層輻散現(xiàn)象(封三圖版Ⅱ圖5d)，高層的抽吸作用有利于上升運(yùn)動的產(chǎn)生與增強(qiáng)；05∶46在徑向速度圖上(1.5°仰角)，探測到有中氣旋存在(封三圖版Ⅱ圖5c橢圓區(qū))，其最大轉(zhuǎn)動速度達(dá)14(m·s-1)，風(fēng)向存在輻合切變，表明此刻超級單體風(fēng)暴發(fā)展到鼎盛時期，2個體掃后，即06∶00屏邊站出現(xiàn)18.1(m·s-1)的瞬時西北大風(fēng)。

05∶15～06∶20，在超級單體100～500 m高度為偏南氣流，風(fēng)速從9(m·s-1)增大到24(m·s-1)，1 200 m之上為西北氣流，風(fēng)速大于28(m·s-1)，這種風(fēng)向風(fēng)速切變，低層偏南氣流與攜帶干冷空氣的西北氣流風(fēng)場輻合，有利于對流加強(qiáng)及單體風(fēng)暴維持，利于大冰雹的形成(數(shù)據(jù)從垂直風(fēng)廓線(VWP)產(chǎn)品分析得到)。06∶48在徑向速度圖上，紅河州內(nèi)逆風(fēng)區(qū)、中尺度輻合、中氣旋等結(jié)構(gòu)特征均已消失。

2.5 垂直累積液態(tài)水含量特征分析

垂直液態(tài)含水量產(chǎn)品是判斷強(qiáng)降水、強(qiáng)對流天氣造成的暴雨、冰雹等災(zāi)害性天氣的有效工具之一。垂直積分液態(tài)含水量對冰雹特別敏感，是判斷冰雹云的重要指標(biāo)之一，它往往在降雹前躍增，可作為臨近預(yù)報的一個依據(jù)[1，11，12-14]。由圖6可看出超級單體的VIL值隨時間演變情況，04∶23～04∶41，VIL值完成了第一次躍增，最大值達(dá)24.9(kg·m-2)，對應(yīng)地面出現(xiàn)降雹，降雹后VIL值回落到17.5(kg·m-2)；04∶58～05∶10VIL值再次躍增，到05 ∶10VIL值達(dá)54.8(kg·m-2)，躍增36.2(kg·m-2)，05∶10～06∶32，VIL值保持在42～67.9(kg·m-2)，06∶20風(fēng)暴的VIL值達(dá)到此次過程的最大值(67.9 kg·m-2)，06∶32后VIL值出現(xiàn)斷崖式下落，至06∶44VIL值回落到3.8(kg·m-2)，紅河州強(qiáng)對流天氣過程結(jié)束，地面轉(zhuǎn)為小雨天氣。

圖6 4月22日超級單體風(fēng)暴垂直液態(tài)水含量(VIL)隨時間變化Fig.6 Variation of vertical liquid water content(VIL)with time in supercell storm on April 22，2020

本次強(qiáng)對流天氣過程，降雹前VIL值有2次躍增，第一次躍增到31(kg·m-2)，隨后地面降2～5 mm的冰雹，第二次VIL值增至54.8(kg·m-2)，躍增36.2(kg·m-2)，10 min后地面出現(xiàn)持續(xù)性大冰雹(冰雹直徑40～60 mm)，由此得出，VIL值躍增36(kg·m-2)，以上，需要警惕降大冰雹，大幅度躍增至地面降大冰雹，時間提前量約是20 min。

段鶴[15]等統(tǒng)計分析滇南(西雙版納、普洱地區(qū))冰雹云成熟階段的垂直液態(tài)水含量(VIL)特征發(fā)現(xiàn)，冰雹成熟階段的VIL值為30～60(kg·m-2)，平均45(kg·m-2)。冰雹發(fā)生前所有冰雹回波在一個體掃時間內(nèi)均出現(xiàn)5(kg·m-2)以上的躍增。此次紅河州因超級單體引發(fā)的冰雹過程VIL值變化特征與文獻(xiàn)[11]中研究結(jié)果基本一致。

2.6 差分反射率因子ZDR回波分析

差分反射率因子ZDR是水平極化雷達(dá)反射率因子ZH與垂直極化雷達(dá)反射率因子ZV之比的對數(shù)，反映粒子的形狀、空間取向及相態(tài)信息。對于冰雹而言，其尺寸較大，形狀不規(guī)則，在下落過程中會出現(xiàn)上下翻滾，ZDR趨于甚至 小于0，負(fù)ZDR是冰雹區(qū)的特征，同時ZH一般很大[7，8，16]。ZDR=ZH-ZV(單位：dB)，正負(fù)表明是圓還是扁，大小表示它有多扁。

單體風(fēng)暴發(fā)展初生階段(04∶58)，雷達(dá)反射率因子≤55 dBz，從低層到高層逐一分析，發(fā)現(xiàn)0.5～1.5°仰角，反射率因子40～55 dBz與ZDR值(0.8～4.0 dB)對應(yīng)較好，其它仰角，ZDR值分布不規(guī)則，且小于0 dB的占比較多，無明顯特征；ZDR>0 dB，表明單體內(nèi)以扁平的水滴為主，水滴直徑在1.35～3.68 mm，對ZDR做垂直剖面(封三圖版Ⅱ圖7a橢圓處)，發(fā)現(xiàn)單體反射率因子強(qiáng)中心區(qū)域(圖略)，發(fā)展高度為5.2～6.5 km，對應(yīng)ZDR值在-1～3.0 dB(封三圖版Ⅱ圖7b黑色橢圓處)，上部負(fù)值區(qū)為小雨滴、下部正直區(qū)為大而扁平的雨滴。對單體風(fēng)暴成熟階段(05∶46)，從PPI 2.4°上看(封三圖版Ⅱ圖7d)，單體已經(jīng)出現(xiàn)V型槽口和三體散射特征，反射率因子最大強(qiáng)中心值65 dBZ，55 dBZ伸展高度已大于-20℃層，單體中、低層已有冰雹和大雨滴的存在，對應(yīng)的ZDR值在-3～3.5 dB，在6.0°仰角上(距雷達(dá)站61～75 km)，對應(yīng)三體散射和旁瓣回波的區(qū)域(封三圖版Ⅱ圖7e矩形框內(nèi))，ZDR呈現(xiàn)密集的大值區(qū)，由此可見，大冰雹和雨粒子的ZDR值比反射率因子相對降雹位置更靠移動方向的外側(cè)。風(fēng)暴消亡階段，由于云體移出紅河新一代天氣雷達(dá)探測范圍，無法獲得觀測資料。

2.7 差分相位常數(shù)KDP回波分析

差分傳播相移KDP是指水平極化脈沖與垂直極化脈沖傳播常數(shù)差，表征不同偏振的傳播路徑上，因傳播系數(shù)不同引起的相位變化[9，11-16]。在初生階段(04∶58)，在0.5～1.5°仰角上，PPI反射率因子強(qiáng)度(35～55 dBZ)區(qū)域與KDP值(0.5～7.0°/km)的區(qū)域較吻合(封三圖版Ⅱ圖7g和h)，此時刻地面已出現(xiàn)強(qiáng)降水，表明KDP產(chǎn)品(0.5°～1.5°)用以分析地面短時強(qiáng)降水效果較好，高于1.5°仰角之上，KDP大值區(qū)與回波強(qiáng)中心對應(yīng)較差。成熟階段(05∶46)，在0.5°仰角上，PPI反射率因子(40～60 dBZ)與KDP(0.2～1.7°/km)區(qū)域?qū)?yīng)較好，表明低層0.5°有大雨滴的存在；大于1.5°仰角之上，KDP值、反射率因子和雨滴3者則無明顯對應(yīng)特征，出現(xiàn)KDP“空洞”；分析表明，單體風(fēng)暴初生階段KDP在0.5°～1.5°仰角上用于分析短時強(qiáng)降水有參考價值，成熟階段，KDP在0.5°低仰角用于分析短時強(qiáng)降水效果較好，KDP各仰角用于分析冰雹，結(jié)構(gòu)特征均并不明顯。

2.8 相關(guān)系數(shù)CC回波分析

在單體風(fēng)暴發(fā)展階段(04∶58)，在0.5°～1.5°仰角分析，反射率因子的強(qiáng)回波區(qū)(40～55 dBZ)對應(yīng)CC值為0.95～0.99(封三圖版Ⅱ圖7c)，此時期，風(fēng)暴內(nèi)以降水粒子和上升氣流為主，地面實況為強(qiáng)降雨天氣，表明低仰角CC值對降水粒子的相關(guān)性較好，CC值≥0.95，高于1.5°仰角后，CC值逐漸增大到0.99，但結(jié)構(gòu)特征不明顯；單體風(fēng)暴成熟階段(05∶46)，在0.5仰角上，PPI反射率因子(35～45 dBZ)對應(yīng)CC值0.95～0.98的區(qū)域，該區(qū)域地面降中雨，表明CC大值區(qū)與強(qiáng)降水相關(guān)性較好，從圖7I(封三圖版Ⅱ)可知，0.5°仰角，PPI反射率因子強(qiáng)回波區(qū)域(50～66 dBZ)對應(yīng)的CC值 在0.73～0.92，呈現(xiàn)出明顯的“過渡帶”結(jié)構(gòu)特征，該區(qū)域為大冰雹和冰水混合區(qū)，對應(yīng)地面出現(xiàn)大冰雹，證明了大冰雹會使CC值降低到0.92以下；≥2.4°仰角以上的高度層未見明顯的CC環(huán)結(jié)構(gòu)。分析得出，大部分氣象回波CC值高于0.95，小冰雹CC值在0.9～0.95，大冰雹和冰水混合區(qū)CC值低于0.92。

3 結(jié)論與討論

對2020年4月22日夜間，發(fā)生在滇南(紅河州)的大冰雹強(qiáng)對流天氣過程的分析，得到如下結(jié)論：

(1)此次超級單體風(fēng)暴是在南支槽東移、高低空冷暖平流、高低空急流和850 hPa鋒面共同配合下觸發(fā)的強(qiáng)對流天氣過程。

(2)本次超級單體風(fēng)暴在PPI產(chǎn)品上“鉤狀回波”“V型槽口”和“三體散射”“逗點(diǎn)”狀回波等特征明顯；在RHI產(chǎn)品上，45 dBZ～60 dBZ回波伸展高度均超越-20℃層，有三體散射長釘、回波墻、弱回波區(qū)、有界弱回波區(qū)(穹窿)和回波懸垂體等結(jié)構(gòu)特征；利用徑向速度圖可以看到“逆風(fēng)區(qū)”“中尺度輻合”“中氣旋”；利用垂直累積液態(tài)水含量(VIL)產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，降大冰雹前VIL值出現(xiàn)2次躍增，躍增>36.2(kg·m-2)后，地面降大冰雹，超級單體成熟階段VIL值維持在42～67.9(kg·m-2)波動，降雹后VIL值有所回落。這些為準(zhǔn)確預(yù)報強(qiáng)對流天氣提供了可靠的依據(jù)。

(3)偏振觀測表明，單體風(fēng)暴發(fā)展階段，0.5～1.5°仰角，反射率因子40～55 dBz與ZDR值(0.8～4.0 dB)對應(yīng)較好，其它仰角ZDR值分布不規(guī)則且小于0 dB的占比較多，無明顯結(jié)構(gòu)特征；PPI產(chǎn)品(2.4°)上，單體中低層冰雹和大雨滴區(qū)，對應(yīng)的ZDR值在-3～3.5 dB；PPI產(chǎn)品(6.0°)上，三體散射和旁瓣回波區(qū)域，對應(yīng)ZDR為密集的大值區(qū)，大冰雹和雨粒子的ZDR值比反射率因子更靠向降雹位置的外側(cè)。KDP產(chǎn)品可用作分析云體上升氣流和強(qiáng)降水，有一定參考價值，用于分析冰雹則特征不明顯。PPI產(chǎn)品(0.5°)反射率因子強(qiáng)回波區(qū)域(50～66 dBZ)對應(yīng)的CC值在0.73～0.92，呈現(xiàn)出明顯的“過渡帶”結(jié)構(gòu)特征，大冰雹和冰水混合區(qū)CC值低于0.92。

(4)三體散射長釘(TBSS)，在本次大冰雹過程的預(yù)報時間提前量在40～50 min左右；VIL值≥50(kg·m-2)，躍增≥36(kg·m-2)，預(yù)示著地面將降大冰雹，TBSS和VIL產(chǎn)品用于發(fā)布冰雹和大風(fēng)預(yù)警及指導(dǎo)人工防雹有較好的指示作用。

需要指出的是，文中僅是一次受南支槽東移和低層切變線南壓影響的春季冰雹強(qiáng)對流的個例分析。紅河部分地區(qū)受制于無多普勒天氣雷達(dá)觀測資料，大冰雹個例資料較少，研究雙偏振雷達(dá)回波特征仍需更多的冰雹個例。