一次罕見超級單體風(fēng)暴的X 波段雙偏振雷達特征分析

王清川，彭 敏，周 濤，東高紅，黃浩杰，王鶴婷

（1.河北省廊坊市氣象局，廊坊 065000；2.河北省人工影響天氣中心，石家莊 050021；3.天津市氣象臺，天津 300074）

引言

近年來，雙偏振雷達的應(yīng)用研究逐漸增多，相較于常規(guī)天氣雷達，雙偏振雷達可以發(fā)射水平及垂直兩個方向的偏振電磁波，除獲得水平反射率因子等常規(guī)探測參數(shù)外，還能得到差分反射率因子（ZDR）等一系列偏振參數(shù)。雙偏振探測理論是1976 年由Seliga 等［1］提出，在研究云內(nèi)粒子相態(tài)、識別冰雹云等方面有較好的應(yīng)用價值。2000 年以后，隨著國內(nèi)雙偏振雷達建設(shè)，利用SA（SC）雙偏振雷達或X 波段雙偏振雷達針對超級單體風(fēng)暴的研究逐漸增多并取得了大量成果，劉黎平等［2］建立了C 波段雙線偏振雷達識別冰雹區(qū)的方法，指出負(fù)ZDR對應(yīng)大冰雹區(qū)。馮晉勤等［3］發(fā)現(xiàn)利用雙偏振雷達產(chǎn)品可分析出冰雹的相態(tài)演變。王洪等［4］發(fā)現(xiàn)超級單體風(fēng)暴水平反射率因子中心附近存在ZDR柱。潘佳文等［5］研究發(fā)現(xiàn)ZDR弧先于鉤狀回波和中氣旋出現(xiàn)，對超級單體的發(fā)展具有較好的指示性。張學(xué)泰等［6］研究發(fā)現(xiàn)KDP和相關(guān)系數(shù)（CC）特征表明同一層面上單體存在著雹水共存、干冰雹粒子、大冰雹三種狀態(tài)。江慧遠(yuǎn)等［7］發(fā)現(xiàn)冰雹區(qū)的差分反射率因子ZDR和差分相位常數(shù)KDP數(shù)值小，冰水混合區(qū)的相關(guān)系數(shù)（ρhv）較低。陳星登等［8］發(fā)現(xiàn)冰雹云的雙偏振特征整體與非降雹對流云一致，但在冰雹區(qū)域內(nèi)反射率因子（ZH）大于62dBz 時，ZDR迅速降低至0 附近。賴晨等［9］研究發(fā)現(xiàn)差分相移率KDP峰值出現(xiàn)時間滯后于閃電頻數(shù)峰值約15min。近年來，X 波段雙偏振雷達的應(yīng)用研究也逐漸增多，王碩甫等［10］發(fā)現(xiàn)X 波段雙偏振雷達的ZDR、ρhv、KDP等參量能提供更多的冰雹識別特征。李曉敏等［11］綜合X 波段雙線偏振天氣雷達的參量及環(huán)境溫度參數(shù)，總結(jié)分析了雷暴單體內(nèi)各類水成物粒子分布、演變。李春娥等［12］發(fā)現(xiàn)X 波段雙偏振雷達的ZDR、RHV等參量能有效地提高對冰雹的識別能力。上述研究對提高超級單體風(fēng)暴的認(rèn)識，提升雙偏振雷達在災(zāi)害性天氣短臨監(jiān)測、預(yù)警業(yè)務(wù)中的應(yīng)用能力起了積極作用。

河北省是超級單體的多發(fā)區(qū)，所引發(fā)的災(zāi)害性天氣也常常造成嚴(yán)重的經(jīng)濟財產(chǎn)損失，甚至是人員傷亡。裴宇杰等［13］、王福俠等［14-15］，許多氣象工作者利用多普勒雷達做了大量研究，但是，利用X 波段雙偏振雷達針對超級單體特征的研究還不多。隨著X 波段雙偏振雷達的布網(wǎng)及在災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)警中的廣泛業(yè)務(wù)應(yīng)用，需要加強在災(zāi)害性天氣監(jiān)測、短臨預(yù)警、分災(zāi)種識別等方面的應(yīng)用能力研究。2020年6 月25 日夜間（20∶00—23∶00，北京時，未特別說明下同）北京東南部、廊坊中部及天津西南部先后出現(xiàn)冰雹、雷暴大風(fēng)、短時強降水等災(zāi)害性天氣。本文利用北京市房山X 波段雙偏振雷達和多普勒雷達資料，對此次超級單體風(fēng)暴進行研究，希望能為今后該地區(qū)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測、短臨預(yù)警等提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 資料與方法

本文分析所用資料包括2020 年6 月25 日08時—26 日08 時（北京時，未特別說明下同）常規(guī)觀測資料、加密自動站資料、北京房山X 波段雙偏振雷達和多普勒雷達探測資料等，所用分析數(shù)據(jù)均經(jīng)過質(zhì)量控制。

采用插值法進行雙多普勒雷達風(fēng)場反演，即以球坐標(biāo)方式表示的多普勒雷達原始資料（回波強度和徑向速度）用雙線性方法插值到水平格距為1km，垂直格距為0.5km 的直角坐標(biāo)上，根據(jù)兩部雷達的相對位置進行資料的配對，并對反演的風(fēng)場進行檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 天氣概況和天氣背景

2020 年6 月25 日夜間21∶30—22∶30，廊坊中部先后出現(xiàn)冰雹、雷暴大風(fēng)和短時強降水等強對流天氣，自動站監(jiān)測到的最大風(fēng)速為28.5m·s-1（11 級），最大小時雨強為50.4mm·h-1，廊坊廣陽區(qū)、安次區(qū)南部、永清東部和霸州東部等多地出現(xiàn)冰雹，最大直徑2cm 以上。

6 月25 日08 時，500hPa 冷渦位于內(nèi)蒙古中部與蒙古國交界處，高空槽分為南北兩段，廊坊處于南段槽區(qū)里。700hPa 北段槽線位置和500hPa 槽線位置重合，850hPa 北段槽線位于內(nèi)蒙中部-山西西北部一帶，廊坊位于北段槽前；從槽區(qū)位置高低空配置看，中低層表現(xiàn)為略后傾形勢。地面冷鋒位于內(nèi)蒙古中部至陜西北部。20 時，500hPa 冷渦東移南壓至內(nèi)蒙古東部，北段高空槽略東移、南段已移至東部海上，廊坊處于南段槽后西北氣流里，有明顯的冷平流；700hPa 槽快速東移，850hPa 北段槽穩(wěn)定少動，中低層配置演變?yōu)榍皟A的不穩(wěn)定形勢。地面冷鋒東移，廊坊處于冷鋒前。通過上述分析看到，20 時廊坊正好處于高空槽前，且表現(xiàn)為700hPa 槽前傾和低層850hPa附近暖濕，700hPa 以上為干冷的不穩(wěn)定層結(jié)，同時配合地面冷鋒的存在導(dǎo)致此次強對流天氣的發(fā)生。

從北京站探空資料來看，CAPE 值由25 日08時826J·kg-1增大到14時的1528J·kg-1，K 指數(shù)由30℃增大到33℃；20 時之前北京地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)強對流天氣，在不穩(wěn)定能量得以釋放的前提下，CAPE 值仍有1073J·kg-1，K 指數(shù)更是增大到36℃，說明本地存在很強的不穩(wěn)定。14 時和20 時探空圖整體看呈上干下濕的喇叭口結(jié)構(gòu)，850hPa 及以下比濕＞10g·kg-1、T850-500達到28℃左右，大氣層結(jié)表現(xiàn)為上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)；同時，0～6km 垂直風(fēng)切變由08 時和14 時的11.0m·s-1增大到20 時25.6m·s-1；另外14 時和20 時抬升凝結(jié)高度僅為836.7m 和886.4m，0℃層高度和-20℃高度也較低，分別為3.8km 和6.7km，兩層高度差不到3km。這些物理量參數(shù)特征表明，廊坊地區(qū)大氣的垂直條件存在著強不穩(wěn)定，非常有利于冰雹、雷暴大風(fēng)等強對流天氣發(fā)生發(fā)展。

2.2 X 波段雙偏振雷達特征分析

2.2.1 反射率因子（ZH）

從21∶09 開始到21∶36，在2.3°仰角反射率因子產(chǎn)品上可以清楚的看到三體散射特征，21∶42—21∶48三體散射減弱，除2.3°和4.2°仰角以外，其它仰角上無法觀測到三體散射特征，21∶54—22∶42 再次出現(xiàn)三體散射特征，主要出現(xiàn)在2.3～4.2°仰角上，隨后回波主體進入天津西南部，三體散射特征減弱消失后又再次出現(xiàn)。與上述北京（54511）多普勒雷達的三體散射特征相比，X 波段雙偏振雷達三體散射長釘?shù)拈L度短、持續(xù)時間也較短，但與廊坊本地冰雹降落時間的對應(yīng)關(guān)系好于多普勒雷達。

從21∶30 反射率因子徑向剖面圖（略）可以看到，在4～8km 高度有強度約50dBz 的回波，到21∶36 時，50dBz 強回波高度下降，低層回波增強到55dBz，而21∶42—21∶45，廊坊最貼近強回波區(qū)的3 個加密氣象自動站出現(xiàn)17.0m·s-1以上的大風(fēng)，最大風(fēng)速達28.5m·s-1。21∶42 的剖面圖上（略），55dBz 強回波高度伸展到約7km 高度，下一體掃達到10km 左右，并且6～8.5km 中心強度增加到60dBz，隨后兩個體掃，60dBz 強中心高度迅速下降到4～7km 后又下降到2～6km。22∶18 的55dBz 強回波高度再次迅速伸展到12km 以上，下一體掃基本維持，且是6km 左右出現(xiàn)60dBz 強回波，隨后兩個體掃，55dBz 強回波高度迅速下降，60dBz 強回波下降后消失，22∶36 僅 在5～7.5km 出現(xiàn)55dBz 的強回波。從上述分析可以得出，反射率因子徑向剖面圖上50dBz 及以上強回波迅速向高層伸展后迅速下降與地面災(zāi)害性大風(fēng)出現(xiàn)時間有很好的對應(yīng)關(guān)系，即50dBz 及以上強回波迅速向高層伸展后迅速下降預(yù)示著地面災(zāi)害性大風(fēng)即將出現(xiàn)。

2.2.2 差分反射率（ZDR）-ZDR弧和ZDR柱

21∶09 的1.4～4.2°仰角差分反射率（ZDR）產(chǎn)品上，北京大興第一次出現(xiàn)ZDR弧，且伴隨有ZDR柱，三體散射延伸到回波主體外8km 以上，說明此時存在較強的上升氣流，超級單體已達到成熟階段，有冰雹的生成，ZDR弧和ZDR柱維持一個體掃，但三體散射基本消失。21∶36 發(fā)現(xiàn)在反射率因子55～62dBz 強中心的對應(yīng)區(qū)域，1.4～4.2°仰角上出一條ZDR小于0.5dBz的低值區(qū)，未出現(xiàn)明顯的ZDR弧和ZDR柱。21∶54 在0.4～4.2°仰角上再出現(xiàn)ZDR弧和ZDR柱，3.3°及以下仰角上ZDR弧呈半圓狀，中心值普遍小1dBz，且大片為負(fù)值，ZDR柱中心強度保持在5～7dBz，從剖面圖上（略）可以看到，ZDR柱高度達到5km，ZDR柱呈前傾懸垂?fàn)顟B(tài)，下一個體掃基本維持，結(jié)合高低仰角ZDR弧和ZDR柱的變化，ZDR柱的出現(xiàn)意味著此時上升氣流非常旺盛，強的上升氣流將低層大量水滴吹到高空，突破融化層后部分形成冰雹，部分水滴來不及完全凍結(jié)成為過冷水滴。20 時地面溫度仍為25℃左右，說明底層氣溫仍然較高，冰雹在下降過程中快速融化成大雨滴或外包水膜的冰雹，使得在高空形成的大冰雹到地面時僅觀測到了小冰雹，而降雨強度明顯增大，正好對應(yīng)此次過程中冰雹觀測時間和降雨的最集中時段，此時加密自動站5min 最大降雨量達到23.1mm。22∶18 的ZDR弧和ZDR柱、三體散射均消失，隨后回波主體逐步移出廊坊。

2.2.3 差分傳播相移率（KDP）-KDP柱

6 月25 日21∶15 在4.2°仰角以下空洞連接成片，大值區(qū)極值達20.5°·km-1，21∶36 在1.4～9.9°各仰角上，KDP空洞的旁邊相同位置上均出現(xiàn)大值區(qū)，從剖面圖（略）可以清楚的看到KDP呈柱狀，高度達到接近10km，4km 以下略有前傾，4～8km 豎直且較寬，呈懸垂?fàn)?，兩個體掃過后，KDP柱消失。21∶54 在1.4～9.9°各仰角相同位置上再次出現(xiàn)大值區(qū)，剖面圖上再次呈現(xiàn)KDP柱，且柱體頂部達到15km 左右，10km以下為前傾狀，柱體較寬，10～15km 柱體寬度減小為10km 以下的約1／3，豎直且上下寬度基本一致，下一個體掃，KDP柱基本維持，但低層柱體范圍增大，6km 以上范圍減小。KDP柱的反復(fù)出現(xiàn)說明超級單體內(nèi)部存在風(fēng)場垂直的渦旋結(jié)構(gòu)，使得降水粒子得以上下循環(huán)增長，大而強的KDP懸垂表明對應(yīng)高度層內(nèi)液態(tài)含水量非常豐富，當(dāng)上升氣流不足以托舉時就會出現(xiàn)傾盆大雨，21∶40—22∶00 有5 個加密自動氣象站多次出現(xiàn)5min 降雨量超過10mm，最大達23.1mm。結(jié)合強降水時段和落區(qū)分析，超級單體中KDP柱，特別是KDP懸垂的出現(xiàn)預(yù)示著地面強降水即將發(fā)生，所在的位置與地面雨強中心存在較好的對應(yīng)關(guān)系。到22∶18 無法分辨出的KDP柱，隨后幾個體掃1.4～4.2°仰角20.5°·km-1大值區(qū)范圍慢慢縮小，此時降雨強度減小，回波主體逐步移出廊坊。

2.3 超級單體三維空間結(jié)構(gòu)特征分析

2.3.1 超級單體三維圖像特征

選取廊坊雷暴大風(fēng)、冰雹和短時強降水等害性天氣開始且出現(xiàn)較為集中時段（21∶36—22∶10）的強單體作為研究對象，對涵蓋整個超級單體的雷達數(shù)據(jù)進行處理，由Voxler 軟件所生成的圖像可以較為清楚的看到該超級單體整個三維立體空間結(jié)構(gòu)，從21∶36 開始即可看到懸垂回波和弱的有界弱回波區(qū)，21∶42，有中心強度超過60dBz 的回波墻、有界弱回波區(qū)和穹隆頂部結(jié)構(gòu)，從21∶54 回波主體移動前方右側(cè)視角觀察，30dBz 以上三維空間圖像的底部較中層窄而長，很清楚的看到主體后側(cè)的入流缺口，正前方有凹陷和懸垂凸起，凹陷區(qū)即為弱回波區(qū)，與懸垂部分一起形成有界弱回波穹窿結(jié)構(gòu)，前突懸垂部分一直延伸到中上部，也就是雹云回波的懸垂部分，說明此時強盛的上升氣流支撐冰雹的增長，為冰雹的快速長大提供了優(yōu)越的環(huán)境條件。22∶03 雹暴強回波主體的中上部分裂成南北兩個強回波柱，南強北弱，此時對應(yīng)著強回波間隙減弱，隨后南部主體迅速發(fā)展再次增強。觀測到有界弱回波區(qū)的時間較廊坊地面觀測到災(zāi)害性大風(fēng)的時間早6min，較觀測到冰雹的時間早16min。

2.3.2 超級單體水平風(fēng)場結(jié)構(gòu)

利用北京多普勒天氣雷達和房山X 波段雙偏振雷達數(shù)據(jù)，基于中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室雷達團隊開發(fā)的風(fēng)場反演軟件“Radar Display”，進行雙多普勒雷達風(fēng)場反演，所用風(fēng)場反演方法為插值法［16］，反演的風(fēng)場已經(jīng)過檢驗。由于上述兩部雷達距離較近，導(dǎo)致高層采樣不足，因此本文中雙多普勒雷達風(fēng)場反演結(jié)果分析選擇4km 以下高度數(shù)據(jù)，且只作定性分析。

在0.5km 高度的超級單體主體前沿也對應(yīng)著地面大風(fēng)區(qū)，主體南北兩端對應(yīng)著輻散區(qū)，主體中部后側(cè)可以看到出流口；在1km 高度與0.5km 高度相似（圖略）；在2km 高度（圖略）的超級單體主體前沿對應(yīng)著氣流輻合及逆時針旋轉(zhuǎn)環(huán)流，南部低層氣流輻合導(dǎo)致上升運動，超級單體內(nèi)氣流呈上升旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；3km 高度（圖略）顯示出南部有明顯閉合的旋轉(zhuǎn)氣流；4km 高度的氣流在南端及中部以輻合上升為主，北端以輻合旋轉(zhuǎn)為主。整體可見，雷暴云團北部高層為輻合，低層為輻散，即該雷暴云團北部為消散階段，而雷暴云團南部則呈旋轉(zhuǎn)上升流場特征。此種情況下，超級單體內(nèi)的粒子群不僅有可能在云中進行可上下，也可進出的運動，使得其中一部分粒子在這種循環(huán)中不斷增長成為大冰雹創(chuàng)造了必要的風(fēng)場結(jié)構(gòu)，說明此時強盛的上升氣流支撐冰雹的增長，為冰雹的快速長大提供了有利的環(huán)境條件。

3 結(jié)論和討論

通過上述分析，得出如下幾點結(jié)論：

（1）此次強對流天氣過程是高空冷渦配合低層切變線和地面冷鋒，由地面輻合線、冷池出流觸發(fā)機制而成，高CAPE 值和強垂直風(fēng)切變、高濕和較合適的0℃和-20℃高度等為超級單體風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展和維持提供了有利的環(huán)境條件。

（2）X 波段雙偏振雷達反射率因子徑向剖面圖上50dBz 及以上強回波迅速向高層伸展后迅速下降與地面災(zāi)害性大風(fēng)出現(xiàn)時間有很好的對應(yīng)關(guān)系；偏振參量ZDR弧、ZDR柱的出現(xiàn)可用于冰雹的臨近預(yù)警；Kdp柱的出現(xiàn)，特別是KDP懸垂的出現(xiàn)預(yù)示著地面強降水即將發(fā)生，所在位置與地面雨強中心有較好的對應(yīng)關(guān)系。

（3）超級單體的三維空間圖像、雙雷達水平風(fēng)場反演可以直觀地展現(xiàn)出超級單體的空間結(jié)構(gòu)特征，有助于我們更清楚地認(rèn)識致災(zāi)超級單體風(fēng)暴的特征，為預(yù)報預(yù)警強災(zāi)害性對流天氣提供參考依據(jù)。

上述X 波段雙偏振雷達特征僅為一次多災(zāi)種超級單體過程的觀測分析結(jié)果，未來還需要通過更多的類似個例開展研究。