雙偏振雷達(dá)在冰雹天氣中的應(yīng)用分析

李新新 商建 于國強(qiáng)

摘 要：本研究利用雙偏振雷達(dá)資料、常規(guī)觀測(cè)資料和ERA5再分析資料對(duì)2019年7月6日和2021年4月30日江淮地區(qū)的兩次強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行診斷分析。結(jié)果表明：①兩次冰雹均發(fā)生在高空冷渦加深南下的環(huán)流形勢(shì)下，上冷下暖的溫度差動(dòng)平流有利于不穩(wěn)定能量在冰雹區(qū)積聚，形成了較大的對(duì)流有效位能;強(qiáng)對(duì)流由地面輻合線觸發(fā)。②強(qiáng)的垂直風(fēng)切變使對(duì)流加強(qiáng)和維持，合適的0 ℃和-20 ℃層高度提供了冰雹形成的必要條件。③超級(jí)單體降雹具有“三體散射”和“鉤狀回波”特征，反射率因子核心達(dá)65 dBZ以上，垂直方向可見低層弱回波區(qū)和中高層回波懸垂。④強(qiáng)反射率因子、低差分反射率因子和較低相關(guān)系數(shù)可指示冰雹，并與差分相移率出現(xiàn)缺值相互印證。

關(guān)鍵詞：冰雹;雙偏振;冷渦

中圖分類號(hào)：P412.25 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）12-0116-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.024

Application Analysis of Dual Polarization Radar in Hail Weather

LI Xinxin? ? SHANG Jian? ? YU Guoqiang

（Yancheng Meteorological Office，Yancheng 224000，China）

Abstract： Based on the dual-polarized radar data， conventional observation data and ERA5 reanalysis data，two severe convective weather processes in Jianghuai area on July 6，2019 and April 30， 2021 were analyzed. The results show that： ①Both processes occurred under the circulation of cold vortex deepened to south. The temperature differential advection between the upper cold and the lower warm was conducive to the accumulation of unstable energy， which formed a large Convective available potential energy; and the surface convergence line triggered severe convection. ②Heavy vertical wind shear strengthened and maintained the convection. Appropriate 0 ℃ and -20 ℃ layer height provided the necessary conditions for the formation of hail. ③The supercell storm had the characteristics of "Three Body Scatter Signature" and "hook echo"， the reflectivity factor core of hail cloud was more than 65 dBZ， and the low-level weak echo area and high-level echo suspension could be seen in vertical direction. ④High reflectivity factor， low ZDR and low CC can indicate hail， which is mutually confirmed with missing value of KDP.

Keywords： hail; dual polarization; cold cortex

0 引言

冰雹是由強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)造成的一種劇烈天氣現(xiàn)象，其出現(xiàn)的范圍雖然較小，生命史較短，但來勢(shì)猛、強(qiáng)度大，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響，甚至威脅到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，是影響江蘇地區(qū)的主要災(zāi)害性天氣之一[1]。

天氣雷達(dá)自誕生以來一直是研究冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的有力工具。從最初僅有的反射率因子產(chǎn)品，發(fā)展到可以提供徑向速度的多普勒雷達(dá)，諸多學(xué)者開展了冰雹等強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)的研究[2-4]。大量研究表明，在降雹過程中，回波頂高在10 km以上，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[5-6]。但多普勒天氣雷達(dá)無法對(duì)降水粒子的形狀、相態(tài)做進(jìn)一步分析，對(duì)冰雹和強(qiáng)降雨區(qū)分不明顯。因此，如何對(duì)冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行有效的識(shí)別并進(jìn)行預(yù)報(bào)一直深受研究者的青睞。雙偏振雷達(dá)作為多普勒雷達(dá)的升級(jí)產(chǎn)品，不僅可以探測(cè)到降水粒子的反射率因子、徑向速度、速度譜寬等信息，還可以探測(cè)到差分反射率因子（ZDR）、差分相移率（KDP）以及相關(guān)系數(shù)（CC）等偏振參數(shù)，這些參數(shù)不僅能用來分析天氣過程，還能識(shí)別粒子相態(tài)，從而為降雹、降水的預(yù)報(bào)提供信息[7-9]。

江淮地區(qū)降雹多發(fā)生于4—9月，往往局地性很強(qiáng)，且以小冰雹（2 cm以下）為主。2019年7月6日和2021年4月30日出現(xiàn)的冰雹范圍大、生命史長且尺度大，在江淮地區(qū)并不多見。這兩次強(qiáng)對(duì)流過程為分析大冰雹的雙偏振特征提供了難得的樣本。本研究將通過對(duì)這兩次過程的對(duì)比分析，探索對(duì)冰雹預(yù)警有指示意義的雙偏振特征，充分發(fā)揮出雙偏振雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)和效益，以提升對(duì)當(dāng)?shù)貜?qiáng)對(duì)流天氣的分類監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力。

1 資料與方法

本研究采用的資料主要包括3種類型。一是第五代大氣再分析資料ERA5，該資料來自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（https：//cds.climate.copernicus.eu），其時(shí)間分辨率達(dá)1 h，空間分辨率為0.25°×0.25°;二是常規(guī)觀測(cè)資料，包括江蘇地面自動(dòng)站資料和徐州探空資料，所選資料均已經(jīng)過質(zhì)量指控;三是徐州、鹽城雙偏振雷達(dá)資料。與新一代天氣雷達(dá)相比，雙偏振雷達(dá)距離分辨率提高至250 m，能更好地用來分析回波的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

2 天氣實(shí)況

2019年7月6日（以下簡(jiǎn)稱0706）白天至夜里，江蘇自北向南出現(xiàn)了區(qū)域性短時(shí)暴雨、8～10級(jí)雷暴大風(fēng)以及冰雹天氣。全省平均雨量30.3 mm，最大雨量116.9 mm（連云港），日極大風(fēng)速37.2 m·s-1（13級(jí)，連云港高公島），另外有6個(gè)市的14個(gè)區(qū)縣先后出現(xiàn)冰雹，最大直徑5 cm（淮安洪澤區(qū)）。2021年4月30日（以下簡(jiǎn)稱0430）下午至夜里，江蘇自北向南出現(xiàn)了區(qū)域性8～10級(jí)雷暴大風(fēng)和冰雹天氣，其中有17個(gè)自動(dòng)站日極大風(fēng)速達(dá)12級(jí)及以上，最大出現(xiàn)在南通通州灣（47.9 m·s-1，15級(jí)），另外有9個(gè)市23個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，最大直徑約5 cm（淮安）。

3 天氣背景及環(huán)流條件

兩次強(qiáng)對(duì)流過程均出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)和冰雹，其中0706過程還伴有短時(shí)強(qiáng)降水和暴雨，而0430過程雖降水較弱，但瞬時(shí)風(fēng)力極大。兩次過程具有相似的環(huán)流形勢(shì)，均發(fā)生在典型的冷渦背景下，見圖1。其共同特征主要表現(xiàn)：500 hPa冷渦東移南掉，高空西北氣流引導(dǎo)干冷空氣南下，江蘇位于冷渦底部，受冷溫槽控制，冷平流影響全省;低層850 hPa上為低渦槽前西南氣流輸送的暖平流影響，形成高層冷平流疊加在低層暖平流上的配置，造成上冷、下暖的溫度差動(dòng)平流，是典型冷渦底部的對(duì)流不穩(wěn)定形勢(shì)。地面圖上黃淮地面低壓向東南方向移動(dòng)，穿過江蘇從長江口附近東移出海，與雷暴的生成與發(fā)展時(shí)間基本對(duì)應(yīng)，強(qiáng)對(duì)流由地面輻合線觸發(fā)。

從0706過程徐州站08時(shí)探空曲線[見圖2（a）]可以看出，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，850 hPa和500 hPa溫差達(dá)27 ℃，對(duì)流有效位能（CAPE）為2243 J·kg-1;0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?5 m·s-1。K指數(shù)為39 ℃，850 hPa比濕為12 g·kg-1，暖濕的低層有利于短時(shí)強(qiáng)降水。850 hPa以下水汽含量近于飽和，其上為干層，上干下濕的水汽垂直分布有利于雷暴大風(fēng)。0 ℃層高度4.5 km，-20 ℃層高度7.3 km，合適的0 ℃和-20 ℃層高度對(duì)冰雹的發(fā)生十分有利，徐州上午08時(shí)前后就出現(xiàn)了冰雹。

對(duì)比0430過程徐州站08時(shí)探空曲線[見圖2（b）]，近地層有淺薄逆溫層，有利于不穩(wěn)定能量的積聚;垂直風(fēng)切變極大，0～6 km達(dá)33.2 m·s-1，0～3 km達(dá)23.5 m·s-1;但水汽條件較差，850 hPa比濕為3 g·kg-1，溫度露點(diǎn)差為22 ℃，因而不利于短時(shí)強(qiáng)降水。850 hPa和500 hPa溫差達(dá)33 ℃，層結(jié)非常不穩(wěn)定。盡管08時(shí)探空顯示CAPE較小，但14時(shí)訂正后CAPE高達(dá)2904 J·kg-1，因此強(qiáng)對(duì)流發(fā)生在午后。0 ℃層高度3.2 km，-20 ℃層高度5.9 km，上述條件有利于雷暴大風(fēng)和冰雹。

4 風(fēng)暴特征及結(jié)構(gòu)分析

冰雹天氣往往與超級(jí)單體有緊密聯(lián)系，在某些強(qiáng)烈的多單體風(fēng)暴中也能產(chǎn)生大冰雹。從0706過程反射率因子回波演變可以看出，08：00颮線主體位于山東，回波呈弓形，底部強(qiáng)回波逐漸影響徐州和連云港。進(jìn)入豐縣時(shí)（08：17—08：40），風(fēng)暴發(fā)展為超級(jí)單體（中氣旋旋轉(zhuǎn)速度約10 m/s），中心強(qiáng)度為73 dBZ，上沖回波高度達(dá)14 km以上;并且3.3°仰角以下都有“三體散射”現(xiàn)象，大冰雹回波特征顯著。沿雷達(dá)徑向作反射率因子剖面，具有低層弱回波區(qū)和中高層回波懸垂結(jié)構(gòu);65 dBZ回波高度伸展至10 km（超出-20 ℃高度），發(fā)展極為旺盛。0430過程中，17：58—18：38自淮安向鹽城移動(dòng)的超級(jí)單體（中氣旋旋轉(zhuǎn)速度約17 m/s）入流缺口處有明顯的鉤狀特征，反射率因子核心>65 dBZ;對(duì)應(yīng)垂直方向也可看到有界弱回波區(qū)和穹窿結(jié)構(gòu)，符合經(jīng)典超級(jí)單體特征。

雙偏振參數(shù)在識(shí)別降水粒子類型時(shí)，ZDR的識(shí)別作用最大。ZDR是水平反射率因子與垂直反射率因子之差，與粒子形狀關(guān)系密切。一般認(rèn)為，小雨滴接近球形，ZDR幾乎為零;大雨滴為扁橢球，ZDR是較大的正值;大冰雹等同于球形，ZDR接近于零。分析發(fā)現(xiàn)，兩次降雹時(shí)強(qiáng)反射率因子回波區(qū)對(duì)應(yīng)的0.5°仰角ZDR數(shù)值較小，為接近于零的正值或負(fù)值，這種高Z值低ZDR值稱作ZDR冰雹信號(hào)。垂直方向上中層出現(xiàn)小范圍負(fù)值，說明雷暴單體內(nèi)高層以固態(tài)粒子垂直分布為主，低層以冰水混合粒子水平分布為主。

CC反映了水平偏振和垂直偏振回波功率之間的相關(guān)系數(shù)，僅與目標(biāo)形狀和相態(tài)有關(guān)。通常非氣象回波的CC值很低（0.7以下）;云和降水回波的CC值則很大，接近于1;冰雹由于下落過程中存在翻滾，散射性質(zhì)發(fā)生較大變化使得CC較?。ǖ陀?.95）。分析來看，0.5°仰角CC主要為大片>0.97的區(qū)域，說明該區(qū)域水凝物類型單一，為液態(tài)降水的可能性很大;而強(qiáng)反射率因子回波區(qū)CC值在0.9左右，說明此處為混合水凝物，可能為濕雹。垂直方向上中層CC則顯著低于0.8，表明有大尺寸的冰相粒子存在。

KDP為水平和垂直發(fā)射的電磁波穿過降水目標(biāo)時(shí)傳播相移的變化，液態(tài)降水是影響KDP的主要因素。干雹區(qū)KDP一般在零值附近，低層外包水膜的冰雹KDP非常大，可達(dá)5°·km-1以上。兩次過程中0.5°仰角KDP大值區(qū)對(duì)應(yīng)濕的固態(tài)聚合物或液態(tài)水含量豐富，但因強(qiáng)反射率因子回波區(qū)CC<0.9而沒有計(jì)算KDP，形成了KDP空洞（4c）。以上分析表明，反射率因子高值對(duì)應(yīng)ZDR負(fù)值或零值，CC<0.9預(yù)示該處大冰雹的存在，并與此處KDP出現(xiàn)缺值相互印證。

5 結(jié)論

本研究利用常規(guī)觀測(cè)資料和ERA5再分析資料對(duì)2019年7月6日和2021年4月30日江淮地區(qū)兩次大范圍強(qiáng)對(duì)流過程的成因進(jìn)行了診斷，并分析了強(qiáng)風(fēng)暴的雙偏振特征，探究了其在短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹天氣中的表現(xiàn)差異，主要得出以下結(jié)論。

①兩次冰雹天氣均發(fā)生在高空冷渦加深南下的環(huán)流形勢(shì)下，高層冷平流疊加在低層暖平流上的配置使對(duì)流不穩(wěn)定度加大，不穩(wěn)定能量在冰雹區(qū)積聚，形成了較大的CAPE，在地面輻合線的觸發(fā)下導(dǎo)致了冰雹的產(chǎn)生。較大的垂直風(fēng)切變使對(duì)流加強(qiáng)和維持，合適的0 ℃和-20 ℃層高度有利于冰雹的形成。

②超級(jí)單體降雹時(shí)具有“三體散射”和“鉤狀回波”特征，最強(qiáng)反射率因子達(dá)65 dBZ以上;垂直高度上可見低層弱回波區(qū)和中高層回波懸垂結(jié)構(gòu)。徑向速度圖上低層具有明顯的氣旋式輻合旋轉(zhuǎn)（中氣旋）。上述這些特征對(duì)于冷渦型降雹具有一定的預(yù)報(bào)指示意義。

③不同于液態(tài)強(qiáng)降水時(shí)強(qiáng)反射率因子對(duì)應(yīng)強(qiáng)ZDR和高CC（>0.97），強(qiáng)反射率因子對(duì)應(yīng)低ZDR（負(fù)值或零值附近）和較低CC（<0.9）可指示冰雹，并與KDP出現(xiàn)缺值相互印證，結(jié)合多種產(chǎn)品綜合分析可更準(zhǔn)確地探測(cè)和預(yù)警冰雹區(qū)域。

研究表明，雙偏振雷達(dá)可以很好地反映出強(qiáng)天氣過程的特征，并能根據(jù)各偏振量的值對(duì)降水類型（冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水）進(jìn)行判別。需要注意的是，本研究僅對(duì)兩次冷渦背景下導(dǎo)致降雹的超級(jí)單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)和偏振特征進(jìn)行了分析，對(duì)于非超級(jí)單體降雹以及其他如副熱帶高壓、西風(fēng)槽背景下的降雹特征還須進(jìn)一步研究。

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