雙偏振雷達在畢節(jié)一次強風暴中的特征分析

姚 浪，周永水，李 剛，李 力，吳 姍

(1.貴州省畢節(jié)市氣象局，貴州 畢節(jié) 551700；2.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002；3.貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)氣象局，貴州 畢節(jié) 551700)

0 引言

畢節(jié)位于貴州西北部，平均海拔達1600 m，境內(nèi)山地起伏、地形復雜，春季強對流天氣頻發(fā)，風雹災(zāi)害成為畢節(jié)受災(zāi)程度較大的災(zāi)害性天氣之一。由于地處四川盆地至烏蒙山脈海拔驟升山區(qū)，春季地面輻合線影響頻繁，常成為貴州強對流風暴發(fā)展的源地，對流發(fā)展具有回波生成快、發(fā)展強度強、降雹頻次高、影響范圍廣、致災(zāi)嚴重等特點。因此準確識別冰雹云，判斷可能發(fā)生的災(zāi)害性天氣，及時發(fā)布預(yù)警信息，開展人工防雹作業(yè)對氣象防災(zāi)減災(zāi)有著十分重要的意義。隨著雷達升級改造，雙偏振雷達投入業(yè)務(wù)運行，其雙偏振參量能更好地識別降水粒子類型[1]。張鴻發(fā)等[2]在偏振雷達觀測冰雹云方面做了大量研究，李春娥等[3]、李瑋等[4]在偏振參量識別冰雹方面給出參量特征。劉亞男等[5]在雙極化雷達對云中水凝物粒子相態(tài)識別作出分析。本文選取2021年5月9日畢節(jié)市一次大范圍冰雹、大風、短時強降水強對流天氣過程，結(jié)合觀測資料對典型單體進行雙偏振雷達特征分析，總結(jié)習水雷達在畢節(jié)中東部應(yīng)用效果。

1 資料和天氣實況

本文使用遵義習水C波段雙偏振雷達和貴陽C波段多普勒雷達對畢節(jié)一次冰雹、大風、短時強降水天氣進行雷達產(chǎn)品特征分析。冰雹數(shù)據(jù)來源于畢節(jié)市縣氣象局觀測資料，天氣背景分析數(shù)據(jù)來自MICAPS高空、地面觀測資料，降水量使用畢節(jié)地面觀測自動站數(shù)據(jù)。

2021年5月9日14時開始，畢節(jié)市境內(nèi)西部地區(qū)分散對流天氣發(fā)展，17時分散對流單體緩慢東移合并加強為線狀強回波影響七星關(guān)、赫章和大方，18—23時組合反射率產(chǎn)品呈多單體對流風暴緩慢東移南壓影響畢節(jié)中東部地區(qū)。過程收集到畢節(jié)境內(nèi)七星關(guān)、納雍、赫章、織金、黔西、大方和金沙共計7縣域45鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹天氣，冰雹直徑20 mm以上7鄉(xiāng)鎮(zhèn)，最大冰雹直徑金沙安洛宋家坪35 mm；小時雨強25 mm以上短時強降水72站，最大小時雨強為黔西中建20時100.5 mm。過程共計發(fā)生100 mm以上大暴雨12站，50 mm以上暴雨58站，其中畢節(jié)中心城區(qū)降水量達120.8 mm，站點最大降水量142.3 mm。出現(xiàn)20 m·s-1以上大風7站，黔西城區(qū)測站最大風速達33.4 m·s-1(19時09分)。本次強對流天氣過程在畢節(jié)中東部出現(xiàn)大范圍冰雹、大風、短時強降水和強雷暴天氣，具有持續(xù)時間長、影響范圍大、對流強度強和受災(zāi)損失重等特點。

圖1 2021年5月9日畢節(jié)市冰雹、大風天氣實況Fig.1 Hail and gale weather in Bijie on May 9, 2021

2 天氣背景與環(huán)境場特征

強對流天氣發(fā)生前高空500 hPa貴州受584線北側(cè)西南氣流影響，青藏高原東南側(cè)至云南西北地區(qū)為溫度冷槽區(qū)，低層受暖區(qū)偏南氣流控制，威寧早晨探空有弱逆溫層，午后增溫有利于不穩(wěn)定能量集聚。20時500 hPa西風迅速增大至18～20 m·s-1，高空冷平流自西向東影響貴州西北部地區(qū)；850 hPa南風急流建立，地面熱低壓發(fā)展，隨著午后升溫貴州區(qū)域低層高溫高濕特征明顯。貴陽站850 hPa與500 hPa溫差從24 ℃增大到31 ℃，威寧探空呈喇叭口分布，中高層干區(qū)明顯。20時貴陽CAPE值達1560 J·kg-1。威寧、貴陽SI指數(shù)分別為-3.3 ℃、-5.8 ℃，貴州西北部地區(qū)上干冷下暖濕層結(jié)加劇大氣不穩(wěn)定度，14時畢節(jié)自西向東露點分布為6～18 ℃，露點梯度大。隨著14—17時邊界層輻合線擾動和能量鋒區(qū)抬升，畢節(jié)對流天氣發(fā)展，0～3 km貴州西北部16～17 m·s-1中等強度的垂直風切變和中高層干侵入利于組織對流的形成，適宜的融化層高度(WBZ：4300m)和-20 ℃層高度(7300m)為冰雹的形成和增大提供了適宜的環(huán)境溫場條件。

3 冰雹、大風過程的雙偏振雷達產(chǎn)品分析

3.1 大冰雹識別

3.1.1 強風暴特征 習水雷達0.5°仰角在17時04分探測到大方東部有強度超過50 dBz回波發(fā)展，17—20時該強回波緩慢東南移動，期間對流單體多次發(fā)展—成熟—減弱，風暴路徑上多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹、短時強降水。圖3給出18時03分發(fā)生在畢節(jié)市東北部一個強風暴單體的不同仰角反射率因子(Zh)和0.5°仰角徑向速度(V)。由圖3a可見低層沿入流一側(cè)(南側(cè))反射率因子具有很大梯度，強回波呈勾狀形態(tài)，最大回波強度達64 dBz(高度約1800 m)，在紅點標注區(qū)域存在弱回波區(qū)，2.5°～4.3°仰角上紅點區(qū)回波強度遞增，3.5°仰角上50 dBz以上強回波區(qū)呈準圓形，反射率因子梯度較低層分布更均勻，弱回波區(qū)上空存在反射率因子>60 dBz強回波中心，風暴單體自西北向東南出現(xiàn)回波懸垂。1.5°、2.5°、3.5°、4.3°、6.1°仰角上最大反射率因子分別達66.5 dBz(高度約3600 m)、69.5 dBz(高度約5600 m)、69 dBz(高度約7500 m)、68.5 dBz(高度約9200 m)和54.5 dBz(高度約12 800 m)，強回波伸展高度高，且在1.5°仰角4500 m高度上沿雷達徑向60 dBz強回波區(qū)域后側(cè)出現(xiàn)三體散射長釘和旁瓣回波特征。在低層徑向速度圖上可見風暴單體南側(cè)入流區(qū)存在明顯負速度大值區(qū)，入流氣流顯著，疊加低層弱回波區(qū)上空有高強回波懸垂，該區(qū)域存在強上升氣流。對比貴陽多普勒雷達18時06分(圖略)觀測到金沙南部冰雹云回波低層呈勾狀形態(tài)，向南一側(cè)探測到V型缺口，垂直方向上向東南方出現(xiàn)懸垂回波，60 dBz以上強回波伸展到10 km以上。強風暴特征與習水雷達觀測一致，主要區(qū)別在于金沙南部冰雹云單體所處方位和單體移動方向的差異導致習水雷達在1.5°仰角探測到強回波區(qū)后側(cè)的三體散射長釘現(xiàn)象，而貴陽雷達同仰角未探測到三體散射長釘現(xiàn)象。對應(yīng)觀測實況，金沙南部安洛鄉(xiāng)宋家坪于17時50分—18時30分出現(xiàn)最大直徑為35 mm的大冰雹，該風暴單體組織性好，屬于具有強風暴特征的成熟階段冰雹云。

圖2 5月9日天氣綜合分析(a)和20時威寧T-lnp圖(b)Fig.2 Comprehensive analysis of weather on May 9 (a) and 20∶00 Weining diagram (b)

圖3 5月9日18時03分不同仰角反射率因子和0.5°徑向速度圖(a.0.5°Zh,b.1.5°Zh,c.3.5°Zh,d.0.5°V)Fig.3 The reflectivity factor of different elevation angles and the radial velocity of 0.5° at 18∶03 on May 9 (a.0.5°Zh, b.1.5°Zh, c.3.5°Zh, d.0.5°V)

沿單體低層反射率因子梯度大值區(qū)的金沙縣安洛鄉(xiāng)西部—黔西縣鼎新鄉(xiāng)做反射率因子剖面分析(圖4)，發(fā)現(xiàn)18時03分50 dBz以上反射率因子已接近近地層，60 dBz以上強回波自近地層到10 km以上出現(xiàn)小區(qū)域垂直伸展形態(tài)，-20 ℃層以上強回波區(qū)域大，對流發(fā)展極其深厚，利于大冰雹在融化層以上的翻滾和體積增大。垂直形態(tài)上可見低層弱回波區(qū)上空對應(yīng)中高層強回波區(qū)，風暴頂位于低層反射率因子大值區(qū)上空，在接近5 km高度附近出現(xiàn)短時有界弱回波區(qū)，表明該區(qū)域存在一支強盛上升氣流。19時09分，60 dBz以上強回波區(qū)質(zhì)心逐漸下降，面積迅速減小，50 dBz以上反射率因子呈準垂直分布，對流單體進入減弱消亡階段，對應(yīng)地面觀測以降水天氣為主。

圖4 5月9日反射率因子剖面(a.18時03分,b.19時09分)Fig.4 Reflectance factor profile on May 9 (a.18∶03,b.19∶09)

3.1.2 雙偏振雷達參量特征 雙偏振雷達的雙線偏振功能可以有效提高探測冰雹的準確率和改進降水估測，同時對冰雹在垂直方向上的翻滾狀態(tài)和下落融化過程進行判斷?？紤]到該單體造成實際強對流天氣有短時強降水和大冰雹混合，結(jié)合觀測天氣現(xiàn)象和雙偏振雷達差分反射率因子ZDR、相關(guān)系數(shù)CC和比微差相移KDP可以更準確地識別冰雹云特征。0.5°仰角上反射率因子Zh≥55 dBz區(qū)域ZDR值在-1～1 dB，CC上該區(qū)域ρHV<0.9，其中在金沙安洛南側(cè)至百里杜鵑沙廠東側(cè)探測到中心值為0.67的低值區(qū)，KDP顯示金沙安洛南側(cè)出現(xiàn)1～3.5 °·km-1大值區(qū)，其南側(cè)為KDP空白區(qū)，在Zh南側(cè)梯度大值區(qū)對應(yīng)ZDR>2 dB，中心峰值達5.2 dB，表明安洛南側(cè)可能為分界線，其北部為干冰雹區(qū)，南側(cè)出現(xiàn)融化的冰雹和大雨滴混合。從0.5°仰角CC(圖5c)可見在標記處冰雹區(qū)南側(cè)出現(xiàn)了較大范圍的ρHV低值區(qū)，對應(yīng)低層反射率因子該區(qū)域強度低于50 dBz，表明CC產(chǎn)品在低層徑向方向上前側(cè)的大冰雹區(qū)可能造成后側(cè)ρHV出現(xiàn)異常低值區(qū)。2.5°仰角上反射率因子Zh≥50 dBz區(qū)域?qū)?yīng)ZDR接近0 dB(圖5b)，該高度強回波區(qū)粒子為干冰雹，在南側(cè)入流區(qū)百里杜鵑仁和鄉(xiāng)東部出現(xiàn)ZDR>1 dB大值區(qū)，觀測高度為6200 m，處于融化層之上，可以判斷為一個ZDR柱，指示該區(qū)域有強上升氣流存在。

圖5 5月9日18時03分雙偏振參量(a.0.5°ZDR,b.2.5°ZDR,c.0.5°CC,d.0.5°KDP)Fig.5 Dual polarization parameters at 18∶03 on May 9 (a.0.5°ZDR, b.2.5°ZDR, c.0.5°CC, d.0.5°KDP)

由圖6的ZDR剖面可見低層反射率因子南側(cè)梯度大值區(qū)對應(yīng)ZDR>1 dB高度接近5 km，寬約10 km，中心峰值接近5dB(高度3800 m)，該區(qū)域降水粒子主要為融化的小冰雹和較大的降水粒子。結(jié)合相關(guān)系數(shù)CC剖面可見，對應(yīng)反射率因子Zh>60 dBz區(qū)域ρHV約在0.85以下，在8 km高度附近出現(xiàn)1個ρHV<0.7的低值區(qū)，中心最低值達0.42，表明8 km附近有帶尖刺的大冰雹或超大冰雹發(fā)展，對應(yīng)近地層可以找到間斷ρHV<0.7的低值塊，可見高空大冰雹在穿越融化層下落到近地層仍能達大冰雹尺寸，對應(yīng)地面在該區(qū)域內(nèi)收集到35 mm大冰雹實況信息。

圖6 5月9日18時03分差分反射率因子ZDR剖面(a)、相關(guān)系數(shù)CC剖面(b)Fig.6 Differential reflectance factor ZDR section (a), correlation coefficient CC section (b) at 18∶03 on May 9

3.2 黔西大風回波特征

5月9日19時09分黔西城區(qū)觀測到33.4 m·s-1的12級西北大風，大風發(fā)生時對流風暴呈多強單體線性排列，黔西位于線狀強回波前側(cè)弱反射率因子影響區(qū)域，風暴整體向東偏南方向移動。分析大風發(fā)生前雷達回波特征發(fā)現(xiàn)，18時56分低仰角反射率因子在黔西東北區(qū)域有前側(cè)V型入流缺口，西北部有強單體緩慢東移，結(jié)合地面氣壓觀測百里杜鵑近1 h正變壓達3 hPa，風向轉(zhuǎn)為西北，風暴冷池下沉出流氣流與南風的輻合在黔西南側(cè)激發(fā)出強度為15～25 dBz的陣風鋒和弱對流單體發(fā)展，抬高仰角到2.5°箭頭標記處Zh弱，跟蹤2個體掃后南側(cè)弱單體逐漸消散。0.5°仰角徑向速度上仁和鄉(xiāng)以西—中坪鄉(xiāng)為風暴前側(cè)入流區(qū)，雨沖南側(cè)—仁和鄉(xiāng)西部為風暴出流正速度區(qū)，在黔西縣西北側(cè)的仁和鄉(xiāng)南部標記處探測到旋轉(zhuǎn)速度為26.7 m·s-1的氣旋式輻合速度對，抬高仰角到1.5°該區(qū)域為10～16 m·s-1負速度區(qū)，速度對伸展高度約為2200～3500 m，持續(xù)時間1個體掃。這表明強風暴單體前側(cè)與陣風鋒之間風暴底層出流氣流配合近地層強氣旋式輻合會造成極端破壞性大風天氣。

圖7 5月9日18時54分不同仰角反射率因子Zh和徑向速度V(a.0.5°Zh,b.2.5°Zh,c.0.5°V,d.1.5°V)Fig.7 The reflectivity factor Zh and radial velocity V at different elevation angles at 18∶54 on May 9 (a.0.5°Zh, b.2.5°Zh, c.0.5°V, d.1.5°V)

4 小結(jié)

本文分析了2021年5月9日畢節(jié)強對流天氣發(fā)生時的主要環(huán)流背景和多普勒雷達與雙偏振雷達產(chǎn)品在畢節(jié)東部典型強對流單體中的特征，揭示了金沙南部大冰雹和黔西大風的雷達產(chǎn)品特征，認為多普勒雷達和雙偏振雷達均能探測出對流單體的強風暴形態(tài)，雙偏振參量的優(yōu)勢在于能有效識別降水粒子類型以及對大冰雹特征的顯示，主要結(jié)論如下：

①此次過程500 hPa冷平流加強、低層南風急流建立，上干冷下暖濕層結(jié)使得畢節(jié)大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，垂直方向上存在中等強度的風切變，隨著午后地面輻合線疊加露點鋒抬升觸發(fā)對流天氣，形成有組織性的多單體強風暴。

②習水、貴陽雷達均探測到金沙南部低層反射率因子強回波區(qū)呈勾狀形態(tài)，伴有弱回波區(qū)，抬高仰角顯示中高層回波懸垂、有短時有界弱回波區(qū)，60 dBz以上強回波區(qū)伸展到10 km以上，強風暴單體特征明顯，有利于大冰雹、大風的發(fā)生。

③習水雷達雙偏振參量顯示金沙南部低仰角反射率因子Zh大值區(qū)與ZDR零值附近對應(yīng)干冰雹特征顯著，反射率因子強中心南側(cè)梯度大值區(qū)ZDR>1 dB區(qū)域與KDP>1°·km-1的大值區(qū)重疊能反映出水凝物粒子類型特征，近地層ρHV<0.7的低值區(qū)存在能有效識別大冰雹的降落。

④ 陣風鋒的出現(xiàn)以及風暴單體底層冷池出流是百里杜鵑—黔西一線大風出現(xiàn)的主要原因，配合徑向速度圖上低層強氣旋式輻合使得地面大風得以加強，造成黔西縣出現(xiàn)極端破壞性大風天氣。