一次高炮防雹的相控陣雙偏振雷達(dá)觀測(cè)特征

孫 躍 任 剛 孫鴻娉 董亞寧 劉福新 肖 輝

1）（中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

2）（山西省人工增雨防雷技術(shù)中心，太原 030032）

3）（山西省臨汾市隰縣氣象局，臨汾 041399）

引 言

冰雹是常見的強(qiáng)對(duì)流天氣之一，突發(fā)性強(qiáng)，常伴有短時(shí)強(qiáng)降雨、雷暴大風(fēng)等天氣現(xiàn)象，造成嚴(yán)重災(zāi)害。人工防雹是減輕冰雹災(zāi)害的重要措施［1-2］。利用遙感探測(cè)手段開展冰雹云的識(shí)別、監(jiān)測(cè)及評(píng)估防雹效果，是有效開展人工防雹作業(yè)的必要支撐手段。在冰雹云的識(shí)別方面，與僅能獲得水平位置的閃電定位［3］和衛(wèi)星云圖［4］識(shí)別法相比，天氣雷達(dá)能夠獲取降水云系的三維空間結(jié)構(gòu)，是冰雹強(qiáng)對(duì)流天氣的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)手段。傳統(tǒng)單偏振天氣雷達(dá)主要基于反射率因子大小、宏觀形態(tài)和大氣層結(jié)條件構(gòu)建冰雹云識(shí)別指標(biāo)［5］，對(duì)云微物理特征的直接響應(yīng)和反演能力存在局限。雙偏振天氣雷達(dá)發(fā)射／接收水平和垂直兩個(gè)偏振方向的電磁波，可額外觀測(cè)差分反射率、共極化相關(guān)系數(shù)和差分相移等偏振參量，為識(shí)別水凝物粒子類型［6-8］及分析降水演化過程［9-10］提供物理基礎(chǔ)，已成為監(jiān)測(cè)和研究冰雹云的重要手段［11-12］。由于冰雹強(qiáng)對(duì)流天氣往往具有發(fā)生和發(fā)展迅速、核心空間尺度小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，人工防雹作業(yè)仍存在未完全解決的問題。以我國業(yè)務(wù)布網(wǎng)的S波段天氣雷達(dá)為例，通常執(zhí)行6 min 1次9個(gè)仰角的體掃，不易捕捉冰雹云的快速變化和精細(xì)垂直結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重制約冰雹云早期識(shí)別、作業(yè)時(shí)機(jī)和位置選擇以及作業(yè)效果的物理檢驗(yàn)。因此，具有更高時(shí)空分辨率探測(cè)能力的相控陣?yán)走_(dá)成為解決上述問題的可能手段。

相控陣是對(duì)雷達(dá)天線和掃描體制的描述。區(qū)別于傳統(tǒng)拋物面天線通過機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行不同方向的掃描，相控陣?yán)走_(dá)可以通過控制雷達(dá)收／發(fā)單元陣列的電磁波相位控制雷達(dá)波束的方向，實(shí)現(xiàn)更快速地探測(cè)［13］。美國最早開展相控陣?yán)走_(dá)的氣象應(yīng)用工作，自2002年起對(duì)退役的相控陣情報(bào)雷達(dá)進(jìn)行氣象探測(cè)改裝［14］，并發(fā)展了一維相掃體制的X 波段相控陣天氣雷達(dá)（簡(jiǎn)稱相控陣?yán)走_(dá)）［15］。日本也建設(shè)了X波段相控陣雙偏振天氣雷達(dá)（以下簡(jiǎn)稱相控陣雙偏振雷達(dá)），并構(gòu)建強(qiáng)風(fēng)暴快速監(jiān)測(cè)與臨近預(yù)報(bào)平臺(tái)［16］。自2007年，中國氣象科學(xué)研究院分別聯(lián)合中國電子科技集團(tuán)公司第14研究所和安徽四創(chuàng)電子股份有限公司等單位，先后研制了S波段［17］和X 波段［18-20］相控陣?yán)走_(dá)，為我國天氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域相控陣?yán)走_(dá)的自主研發(fā)和應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。湖南宜通華盛科技有限公司［21］和珠海納睿雷達(dá)科技有限公司［22］等民營企業(yè)也自主研制了X 波段相控陣?yán)走_(dá)，應(yīng)用于氣象和民航單位的天氣監(jiān)測(cè)保障業(yè)務(wù)。這些X 波段相控陣?yán)走_(dá)能夠在30 s或1 min內(nèi)完成幾十個(gè)仰角的體掃，時(shí)空分辨率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)布網(wǎng)業(yè)務(wù)雷達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)幾十千米半徑區(qū)域的立體精細(xì)化監(jiān)測(cè)，成為傳統(tǒng)業(yè)務(wù)布網(wǎng)雷達(dá)大范圍監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充。我國已實(shí)現(xiàn)自主研制和建設(shè)相控陣雙偏振雷達(dá)［23］，同時(shí)具備高時(shí)空分辨率探測(cè)能力和云降水微物理分析能力，并在多單體［24］、臺(tái)風(fēng)外圍龍卷［25］、中氣旋［26］等多種強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)與研究中得到初步應(yīng)用。

隰縣位于山西省西南部、臨汾市西北緣，地處呂梁山脈南麓西側(cè)。2019年10月1日隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)正式進(jìn)行業(yè)務(wù)試驗(yàn)，該雷達(dá)不僅能夠彌補(bǔ)臨汾市C 波段業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)在探測(cè)隰縣上空時(shí)低仰角存在部分遮擋的局限，而且可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)到隰縣行政村的強(qiáng)致災(zāi)天氣落區(qū)探測(cè)，預(yù)期在山洪預(yù)警、冰雹和暴雨災(zāi)害評(píng)估以及人工增雨效果評(píng)估等多項(xiàng)業(yè)務(wù)工作中發(fā)揮重要參考作用。同時(shí)也應(yīng)注意到，相控陣雙偏振雷達(dá)作為一種在業(yè)務(wù)上尚屬新型的高性能探測(cè)設(shè)備，在監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)和理論研究中均具有創(chuàng)新應(yīng)用潛力，不應(yīng)僅被視為傳統(tǒng)機(jī)械掃描式布網(wǎng)雷達(dá)的簡(jiǎn)單補(bǔ)充。如果能將相控陣雙偏振雷達(dá)充分應(yīng)用于防雹作業(yè)，有望進(jìn)一步提升作業(yè)指揮水平和作業(yè)效果深入分析的能力。但目前基于相控陣雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)開展防雹作業(yè)效果分析的研究尚不多見，相關(guān)工作亟待推進(jìn)。

相控陣快速掃描的能力對(duì)于人工防雹機(jī)理的創(chuàng)新研究至關(guān)重要。目前，對(duì)高炮防雹作業(yè)的主要機(jī)理存在不同解釋。其中一大類主要著眼于人工引晶的微物理作用［27-30］，即向過冷水區(qū)打入人工冰核作為催化劑，與原有冰相粒子競(jìng)爭(zhēng)增長，導(dǎo)致原有雹胚缺少足夠供其長大的過冷水，以達(dá)到防雹目的。另一類則關(guān)注防雹炮彈爆炸的動(dòng)力作用。高炮彈爆炸能夠產(chǎn)生短時(shí)動(dòng)力作用，這在增雨作業(yè)的炮響雨落現(xiàn)象［31-32］中已有初步歸納分析，在我國防雹作業(yè)中也有一定實(shí)踐［33］。我國學(xué)者持續(xù)開展爆炸防雹機(jī)理研究［33-36］，并歸納了爆炸次級(jí)效應(yīng)改變?cè)苾?nèi)流態(tài)從而抑制主上升氣流的理論［33］。但與爆炸防雹相關(guān)的研究近年陸續(xù)減少，既未在防雹業(yè)務(wù)規(guī)范中被充分考慮，國際學(xué)術(shù)界也無充分認(rèn)可或重視此類機(jī)制。這是因?yàn)榕趶棻ㄉ婕皵?shù)十米乃至百米空間尺度的短時(shí)動(dòng)力過程，以往缺乏高時(shí)空分辨率的探測(cè)和數(shù)值模擬手段，不易深入開展研究。相控陣?yán)走_(dá)有潛力推進(jìn)上述研究工作，特別是相控陣?yán)走_(dá)的距離-高度顯示（range height indicator，RHI）在垂直方向（波束俯／仰方向）幾乎瞬時(shí)完成相掃，相比于掃描速度較慢的傳統(tǒng)機(jī)械雷達(dá)，能夠及時(shí)探測(cè)作業(yè)前／后云內(nèi)動(dòng)力和微物理特征的短時(shí)垂直結(jié)構(gòu)變化，為作業(yè)機(jī)理的深入研究提供關(guān)鍵證據(jù)。

為此，本文研究2021年6月28日山西省臨汾市隰縣的高炮防雹作業(yè)個(gè)例，基于作業(yè)信息和雷達(dá)數(shù)據(jù)，對(duì)比高炮防雹作業(yè)前后冰雹云的動(dòng)力和微物理特征，討論高炮防雹作業(yè)效果和機(jī)理。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 雷達(dá)和高炮防雹作業(yè)數(shù)據(jù)

本文主要使用的雷達(dá)數(shù)據(jù)來自隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)，由珠海納睿雷達(dá)公司研制，基本性能見表1。隰縣位于呂梁山脈南麓、黃土高原殘塬溝壑地形區(qū)中地勢(shì)相對(duì)平坦的區(qū)域。雷達(dá)布設(shè)在隰縣西北緣地勢(shì)相對(duì)較高的位置（圖1），探測(cè)范圍可覆蓋全縣，并能彌補(bǔ)原有業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)因地形遮擋導(dǎo)致的探測(cè)局限。本次個(gè)例雷達(dá)采用方位機(jī)械掃描、俯仰相掃的體制，每60.25 s 1 次體掃數(shù)據(jù)，共21個(gè)仰角（0.9°～36.9°，采樣分辨率為1.8°），每個(gè)仰角下含300個(gè)方位（采樣分辨率為1.2°），徑向距離庫分辨率為30 m，最大探測(cè)距離為43.17 km。觀測(cè)記錄包括8 個(gè)變量：原始反射率因子（單位：dBZ）、水平反射率因子（ZH，單位：dBZ）、多普勒徑向速度（VR，單位：m·s-1）、速度譜寬（SW，單位：m·s-1）、差分反射率（ZDR，單位：dB）、共極化相關(guān)系數(shù)（ρhv，量綱為1）、差分相移（ΦDP，單位：（°））和差分相移率（KDP，單位：（°）·km-1）。

表1 隰縣X波段相控陣雙偏振雷達(dá)基本性能參數(shù)Table 1 Basic performance parameters of X-band phased array dual polarization radar in Xi County

為評(píng)估隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)回波強(qiáng)度和位置的可靠性，還需利用附近的布網(wǎng)業(yè)務(wù)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)要比對(duì)。本文選取與隰縣距離最近的臨汾C波段業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)（距離庫長為0.3 km，探測(cè)半徑為150 km），該雷達(dá)為CINRAD-CC 型單偏振雷達(dá)，位于隰縣雷達(dá)東南側(cè)約102.69 km（圖1），每342 s 1次9層體掃觀測(cè)。

圖1 隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)位置和周邊地形（藍(lán)色圓圈為雷達(dá)探測(cè)覆蓋范圍，填色為海拔高度）Fig.1 Location of X-band phased-array dual polarization radar in Xi County and topography（the shaded）（blue circle denotes its detection area，the shaded denotes terrain）

本文高炮防雹作業(yè)所使用的炮站為陽頭升塬炮站（圖1所示），位于雷達(dá)南偏東方向，距離雷達(dá)站點(diǎn)約為22.6 km。高炮防雹作業(yè)時(shí)間為2021年6月28日19：04—19：05（北京時(shí)，下同）。高炮防雹作業(yè)使用三七高炮，高炮防雹作業(yè)仰角范圍為46°～73°，方位范圍為347°～357°，消耗炮彈10發(fā)。

此外，本文使用ERA5再分析數(shù)據(jù)［37］的溫度垂直廓線分析雷達(dá)回波垂直結(jié)構(gòu)。

1.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

在雷達(dá)數(shù)據(jù)的時(shí)間匹配方面，考慮到本文個(gè)例的回波均出現(xiàn)在雷達(dá)南側(cè)，而雷達(dá)數(shù)據(jù)文件時(shí)間為從正北0°起開始記錄探測(cè)時(shí)間，故將每個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)文件名顯示的時(shí)間增加30 s，四舍五入到分鐘作為標(biāo)示數(shù)據(jù)的時(shí)間。

在雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面，主要對(duì)ZH，ZDR，ρhv共3個(gè)偏振參量進(jìn)行徑向的10庫中值濾波，以減小原始數(shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)波動(dòng)［38］對(duì)雷達(dá)變量統(tǒng)計(jì)和分析的影響。KDP采用原始數(shù)據(jù)中存儲(chǔ)的、已預(yù)先經(jīng)過平滑的數(shù)據(jù)。由于本個(gè)例的VR未見明顯速度折疊，因此無額外處理。

需要指出的是，本文分析的雷達(dá)數(shù)據(jù)未經(jīng)過衰減訂正，一方面，本文研究個(gè)例中強(qiáng)對(duì)流云的水平空間尺度較小，不存在雷達(dá)波束穿越水平數(shù)十千米大范圍降水云的典型情況，衰減并不明顯；另一方面，目前針對(duì)X 波段的衰減訂正方法主要是基于ΦDP的徑向廓線［39-40］，而該變量在云體邊緣起伏較大，在尺度較小的對(duì)流云中不能理想地反映衰減，反而容易引入偏差，破壞原始探測(cè)的回波垂直結(jié)構(gòu)，影響分析結(jié)果，可能更難分辨衰減訂正過程引入的偏差與高炮防雹作業(yè)本身導(dǎo)致的變化。針對(duì)無衰減訂正情況，本文所用的X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)中是否存在明顯衰減的問題，將在3.1節(jié)通過臨汾C 波段業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)進(jìn)行對(duì)比分析。

1.3 分析變量

本文對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的分析主要從兩方面入手。一是關(guān)注回波宏觀特征隨時(shí)間的變化，選取受高炮防雹作業(yè)影響單體移動(dòng)的范圍作為分析區(qū)域，統(tǒng)計(jì)不同強(qiáng)度閾值回波頂高作為宏觀特征量，分析其時(shí)間序列是否存在與高炮防雹作業(yè)相聯(lián)系的特征。其他宏觀特征統(tǒng)計(jì)量，如不同閾值的回波面積，由于受本文個(gè)例回波單體合并影響，不易客觀反映受高炮防雹作業(yè)單體的變化，故不進(jìn)行展示和討論。二是聚焦高炮防雹作業(yè)范圍內(nèi)云體的動(dòng)力和微物理垂直結(jié)構(gòu)的變化。具體為選取高炮防雹作業(yè)前／后各1 min、高炮防雹作業(yè)方位內(nèi)及鄰近的RHI，基于ZH，VR，ZDR，ρhv，KDP等直接觀測(cè)量和徑向速度散度、粒子相態(tài)識(shí)別等二次計(jì)算結(jié)果，分析是否存在與現(xiàn)有爆炸防雹理論一致或其他可解釋的短時(shí)變化特征。在此基礎(chǔ)上，討論本次高炮防雹作業(yè)的效果、影響機(jī)理和相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)勢(shì)。

需要額外計(jì)算的變量說明如下：

①組合反射率因子（composite reflectivity factor），垂直方向上ZH最大值的水平分布，表征某時(shí)刻回波水平分布的概況。將體掃中每個(gè)仰角層的ZH雙線性插值到0.1 km×0.1 km 的水平網(wǎng)格，針對(duì)某一格點(diǎn)取所有仰角層中ZH最大值即可獲得。

②強(qiáng)回波頂高，ZH某一閾值（如20，30，45，55 d BZ 等）出現(xiàn)的最大高度，通過對(duì)原始數(shù)據(jù)直接進(jìn)行統(tǒng)計(jì)獲得。由于雷達(dá)數(shù)據(jù)處理時(shí)已經(jīng)通過濾波抑制統(tǒng)計(jì)波動(dòng)，且本文不討論弱于20 d BZ 的回波，故雷達(dá)波束末端可能影響云高判定的雜波對(duì)本文回波頂高的影響較小，因此對(duì)回波頂高判斷時(shí)的波束空間連續(xù)性不再作其他規(guī)定。

③徑向速度散度（radial velocity divergence，RVD），是本文提出的用于診斷垂直氣流結(jié)構(gòu)的計(jì)算量。將VR沿徑向進(jìn)行30庫（900 m）中值濾波以濾除對(duì)流系統(tǒng)中小尺度擾動(dòng)和觀測(cè)波動(dòng)，通過30庫滑動(dòng)線性擬合求得VR沿徑向的變化率，即徑向速度的散度。由于雷達(dá)低仰角觀測(cè)時(shí)波束是準(zhǔn)水平的，RVD 可以較為便捷地反映雷達(dá)探測(cè)水凝物的水平輻合／輻散情況，從而有助于診斷對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)的垂直氣流結(jié)構(gòu)。如高層輻散和中低層輻合可診斷得到上升氣流，而中低層的輻散可指示與降水區(qū)相聯(lián)系的下沉氣流。以往用于診斷主上升氣流的水平速度零線［33，41-42］理論上需要扣除云體水平移速，但該過程的計(jì)算可能因各層氣流不一致導(dǎo)致計(jì)算比較繁瑣。相比之下，本文提出的RVD 計(jì)算更便捷。

④水凝物粒子相態(tài)識(shí)別（hydrometeor classification）。使用馮亮等［43］基于X 波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)的模糊邏輯算法方案，輸入為ZH，ZDR，ρhv，KDP和溫度垂直廓線，輸出包括雨、冰雹、雨加雹、霰、雪、冰晶和過冷水在內(nèi)共10種分類識(shí)別結(jié)果。這里應(yīng)指出，目前基于雙偏振參量的水凝物粒子相態(tài)識(shí)別算法及參數(shù)尚存在主觀性和經(jīng)驗(yàn)性等局限［44］，因而不能將其視作絕對(duì)準(zhǔn)確的微物理分析結(jié)果，也不能完全替代對(duì)原始觀測(cè)的分析。但為多個(gè)觀測(cè)參量和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的集成，水凝物粒子相態(tài)識(shí)別結(jié)果在一定概率上能合理反映粒子分類的可能結(jié)果，為降水云演化的綜合分析提供便利。本文將水凝物粒子相態(tài)識(shí)別結(jié)果視為輔助雷達(dá)偏振參量開展綜合分析的變量。

2 天氣背景概況

2021年6月28日08：00隰縣處于200 h Pa高空急流帶內(nèi)和500 hPa高壓脊前，850 hPa 30°N 附近存在西南低渦和從我國東部延伸到東海的切變區(qū)，隰縣東南側(cè)存在146 dagpm 等值線閉合的小范圍高壓區(qū)。在這種大氣中低層的配置下，雖然沒有向隰縣地區(qū)輸送水汽的直接通道，但水汽可分別沿西南低渦東側(cè)和東海切變區(qū)北側(cè)到達(dá)隰縣東南側(cè)小高壓中心西側(cè)，被輸送至隰縣附近。28日上午隰縣及鄰近區(qū)域的對(duì)流有效位能為0，尚未出現(xiàn)對(duì)流不穩(wěn)定條件，但是隰縣東北側(cè)到東南側(cè)存在1000～2000 J·kg-1的中等不穩(wěn)定區(qū)?？傮w而言，28日上午隰縣不具備高空槽、切變線、低空急流、高對(duì)流有效位能等典型的大范圍降水或中尺度強(qiáng)對(duì)流背景條件，但周邊存在低空輸送和不穩(wěn)定條件，仍可能受小范圍對(duì)流性天氣的影響。

3 雷達(dá)數(shù)據(jù)特征

3.1 過程概況

圖2展示2021年6月28日對(duì)流天氣過程的組合反射率因子演變情況。18：31雷達(dá)站南側(cè)出現(xiàn)活躍的對(duì)流單體活動(dòng)，回波總體向東南方向移動(dòng)。為了說明受高炮防雹作業(yè)影響的單體和其他相鄰單體在高炮防雹作業(yè)時(shí)和高炮防雹作業(yè)后的移動(dòng)及合并情況，自18：56（高炮防雹作業(yè)前8 min）手動(dòng)為強(qiáng)單體進(jìn)行編號(hào)（編號(hào)A～E，其中A 為19：04被作業(yè)的單體）。18：56中心強(qiáng)度超過60 d BZ的回波處于陽頭升塬炮站北偏西方向約10 km（單體A），預(yù)計(jì)將進(jìn)入炮站作業(yè)范圍。19：04 為高炮防雹作業(yè)時(shí)刻，圖2中炮站北側(cè)V 型黑線為高炮防雹作業(yè)的方位角范圍。由高炮防雹作業(yè)時(shí)回波位置可知，對(duì)流云回波已經(jīng)處于旺盛發(fā)展階段，高炮防雹作業(yè)時(shí)間偏晚。高炮射擊范圍僅覆蓋單體A 西側(cè)強(qiáng)回波邊緣，受高炮防雹作業(yè)時(shí)機(jī)選擇滯后的影響，未達(dá)到單體最強(qiáng)核心處，但高炮防雹作業(yè)位置仍然處于云內(nèi)，因此認(rèn)為本次高炮防雹作業(yè)可影響單體A，故視其為作業(yè)云。高炮防雹作業(yè)后，受影響的單體A 繼續(xù)向東偏南方向移動(dòng)并與單體B 合并，范圍和強(qiáng)度逐漸減小至消亡。同時(shí)，炮站北側(cè)未受高炮防雹作業(yè)影響的對(duì)流云單體向東移動(dòng)，單體C、單體D、單體E等不斷合并，強(qiáng)回波范圍逐步增大并逐漸移出隰縣雷達(dá) 探測(cè)范圍。本次過程隰縣境內(nèi)無地面降雹報(bào)告。

圖2 2021年6月28日隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)的組合反射率因子（V 型黑實(shí)線為高炮防雹作業(yè)方位范圍，黑色點(diǎn)劃線為雷達(dá)162°方位角，A～E為單體編號(hào)，＆表示多個(gè)單體合并）Fig.2 Composite reflectivity factor change of X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（black V shaped solid lines denote the range of shooting azimuth，black dashed line denotes 162°azimuth of the radar，A-E denote cells，＆denotes the merging of cells）

圖3是2021年6月28日19：01臨汾C波段業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)的組合反射率因子和低仰角ZH，其中黑線為隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)40 dBZ 等值線。由圖3的組合反射率因子可知，主要云體強(qiáng)回波位置基本一致，但臨汾C 波段業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)的組合反射率因子略小于隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)，原因有兩個(gè)方面：一方面，受呂梁山脈南麓大地形影響，臨汾雷達(dá)前兩層仰角的觀測(cè)存在大范圍遮擋或部分遮擋（圖3低仰角ZH），導(dǎo)致無法獲取低層強(qiáng)回波信息計(jì)算組合反射率因子；另一方面，不同波段天氣雷達(dá)反射率因子存在差異。如對(duì)于等效球形直徑為3.5～5.5 mm 的單個(gè)橢球雨滴，散射模擬結(jié)果顯示X 波段ZH明顯大于C 波段和S波段［45-46］。此外，兩部雷達(dá)對(duì)同一云體的觀測(cè)仰角及橫切單體的垂直部位也存在差異，導(dǎo)致很難精確、定量對(duì)比兩部雷達(dá)的反射率因子。鑒于所研究的對(duì)流單體大致處于兩部雷達(dá)之間，隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)可能出現(xiàn)明顯衰減的波束遠(yuǎn)端正位于臨汾C 波段業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)幾乎無衰減的雷達(dá)波束近端，因此可以通過回波的形態(tài)對(duì)比分析隰縣X 波段雷達(dá)是否存在明顯衰減。由圖3可見，以偏強(qiáng)的40 dBZ回波為例，隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)和臨汾C 波段業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)強(qiáng)回波分布形態(tài)基本一致，在隰縣X波段相控陣雙偏振雷達(dá)強(qiáng)回波（黑色等值線）的遠(yuǎn)端（東南方向）未見明顯的V 型缺口等與衰減相對(duì)應(yīng)的回波特征。由此表明，隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)在這次水平尺度較小的強(qiáng)對(duì)流過程中并未發(fā)生明顯衰減，不對(duì)其進(jìn)行衰減訂正可行。另外，鑒于臨汾C波段業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)低層存在較多遮擋，下文不再使用臨汾雷達(dá)的數(shù)據(jù)開展其他分析。

圖3 2021年6月28日19：01臨汾C波段業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)的組合反射率因子和低仰角Z HFig.3 Composite reflectivity and Z H at low elevations for Linfen C-band operational weather radar at 1901 BT 28 Jun 2021

3.2 回波宏觀特征隨時(shí)間變化

由概況分析可見，本次過程中不同單體間的移動(dòng)方向和生命期差異較大，且存在單體合并現(xiàn)象，這種情況下既不易對(duì)各個(gè)單體進(jìn)行追蹤分析，也不宜劃定高炮防雹作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。因此，為了將受高炮防雹作業(yè)影響的單體與其北側(cè)其他對(duì)流單體區(qū)分開，在統(tǒng)計(jì)區(qū)域回波并計(jì)算強(qiáng)回波頂高時(shí)，以單體A 移動(dòng)方向東北側(cè)、雷達(dá)135°方位為界，依據(jù)雷達(dá)東南側(cè)指定范圍內(nèi)（135°～180°方位范圍，即正南到東南的1／8象限）的體掃數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不同強(qiáng)度回波頂高。

由強(qiáng)回波頂高隨時(shí)間的變化（圖4）可知，17：45強(qiáng)度為45 d BZ的回波區(qū)頂高出現(xiàn)在6～7 km 的高空，隨后高空出現(xiàn)55 dBZ強(qiáng)回波，各強(qiáng)度回波頂高呈起伏上升趨勢(shì)。19：04強(qiáng)度為20 d BZ 的回波頂高上升至12 km 高度以上。45 dBZ強(qiáng)回波頂高全程在6～10 km 起伏變化，并在高炮防雹作業(yè)前4 min 維持在約9 km 高度，同時(shí)55 dBZ強(qiáng)回波頂高維持在8 km 高度附近，表明對(duì)流云發(fā)展旺盛至成熟階段。19：04高炮防雹作業(yè)后，55 dBZ 回波頂高在1 min內(nèi)急劇下降約2 km，并在約4 min內(nèi)維持在0℃層及以下，最低至4 km 高度。而后可能由于單體A 與單體B 合并，各強(qiáng)度的回波頂高回升，但10 min后各強(qiáng)度回波頂高總體持續(xù)下降，19：30強(qiáng)度為55 dBZ的回波接地消失。

圖4 2021年6月28日隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)探測(cè)的單體A移動(dòng)范圍內(nèi)不同Z H 閾值回波頂高的時(shí)間序列（統(tǒng)計(jì)范圍為雷達(dá)方位角135°～180°，黑色虛線為0℃層高度）Fig.4 Time series of reflectivity top height with different Z H thresholds within the moving range of cell A detected by X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（statistical area is the range of radar azimuth between 135°and 180°，black dashed line denotes 0℃height）

總體而言，研究范圍內(nèi)強(qiáng)對(duì)流在高炮防雹作業(yè)后的強(qiáng)回波頂高迅速且明顯降低，這與人工防雹作業(yè)人員常說的卸雹效應(yīng)一致。但小范圍的高炮防雹作業(yè)不能在短時(shí)間內(nèi)影響整個(gè)對(duì)流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)，因而在高炮防雹作業(yè)后對(duì)流云仍出現(xiàn)短暫的組織化增強(qiáng)現(xiàn)象，但最終未能進(jìn)一步發(fā)展增強(qiáng)。此處應(yīng)指出，強(qiáng)回波頂高在高炮防雹作業(yè)后迅速下降的現(xiàn)象并不足以說明高炮防雹作業(yè)效果，以下進(jìn)一步分析高炮防雹作業(yè)范圍及鄰近RHI上對(duì)流單體垂直結(jié)構(gòu)在高炮防雹作業(yè)前后的短時(shí)差異。

3.3 高炮防雹作業(yè)前后動(dòng)力結(jié)構(gòu)差異

首先選取位于高炮防雹作業(yè)方位范圍內(nèi)（雷達(dá)162°方位）的RHI數(shù)據(jù)，分析ZH的垂直結(jié)構(gòu)。由圖5高炮防雹作業(yè)前1 min 162°方位角可見，單體A的ZH核心距雷達(dá)水平方向約為16 km，強(qiáng)度超過45 dBZ 的強(qiáng)回波向上延伸并穿過0℃層（約4.83 km高度）到達(dá)8 km 高度，強(qiáng)度超過50 d BZ 的強(qiáng)回波中心位于3～4 km 高度。6～7 km 高度呈弱有界回波區(qū)和懸掛回波特征，是強(qiáng)單體冰雹云的典型特征之一，基本符合高炮防雹作業(yè)的對(duì)象特征，且懸掛回波特征在單體西側(cè)邊緣方位仍存在（圖5高炮防雹作業(yè)前165.6°方位角）。由于高炮作業(yè)僅持續(xù)1 min，且作業(yè)方位的記錄未能精確到秒，因此無法確定19：04雷達(dá)數(shù)據(jù)中哪些方位的觀測(cè)正在受影響或已經(jīng)受到影響，故選擇分析高炮作業(yè)后1 min（19：05）的雷達(dá)數(shù)據(jù)。由于云體向偏東方向移動(dòng)，高炮防雹作業(yè)后162°方位角的RHI更加接近云體邊緣，ZH受云體移走的影響明顯偏弱，故選擇向東即雷達(dá)方位逆時(shí)針方向順延1個(gè)方位角（160.8°方位）的RHI一并分析。由作業(yè)后ZH垂直結(jié)構(gòu)（圖5作業(yè)后162°和160.8°方位角）可見，回波在0℃層附近、單體核心垂直3～5 km 高度出現(xiàn)斷裂，形成2個(gè)回波相對(duì)大值區(qū)分別位于低層2 km 高度和高空5～6 km 高度。由于高炮防雹作業(yè)前單體A 從作業(yè)位置到云體更邊緣位置的ZH垂直結(jié)構(gòu)總體連續(xù)（圖5作業(yè)前162°和160.8°方位角），基本可以確定RHI的ZH垂直結(jié)構(gòu)的斷裂特征在高炮防雹作業(yè)后出現(xiàn)。

圖5 2021年6月28日隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)探測(cè)的單體A 作業(yè)前后1 min RHI的Z H（黑色虛線為0℃層高度）Fig.5 Z H in RHI of cell A 1 min before and after the hail suppression detected by X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（black dashed line denotes 0℃height）

選取高炮防雹作業(yè)前1 min 162°方位角和高炮防雹作業(yè)后1 min 160.8°方位角的RHI為垂直結(jié)構(gòu)分析對(duì)象（圖6）。由圖6可知，高炮防雹作業(yè)前最高層VR存在由負(fù)轉(zhuǎn)正的分布，對(duì)應(yīng)高層輻散特征。單體前部中層存在VR小值，且負(fù)值帶延伸至單體核心高層并與ZH的懸掛回波位置基本吻合，對(duì)應(yīng)對(duì)流單體典型的前側(cè)入流特征。高炮防雹作業(yè)后VR沿水平方向的變化范圍從高炮防雹作業(yè)前的-3～8 m·s-1減小到3～8 m·s-1，且與前側(cè)入流對(duì)應(yīng)的小值／負(fù)值帶的形態(tài)也發(fā)生改變。由圖6的RVD 變化可知，高炮防雹作業(yè)前單體前側(cè)與入流對(duì)應(yīng)的輻合帶延伸至單體核心高層的輻散帶顯示前部的主上升氣流區(qū)。入流輻合帶下方和單體后部底層為輻散帶，理論上與降水及底層出流對(duì)應(yīng)。單體強(qiáng)中心后部（水平15 km 左側(cè)）也存在垂直分布的輻合帶，其中緊鄰水平15 km 左側(cè)的輻合帶從低層一直延伸到接近0℃層，這可能與單體核心降水出流導(dǎo)致的抬升有關(guān)，并且與對(duì)流系統(tǒng)中后部新單體的生成密切相關(guān)。由高炮防雹作業(yè)后的RVD（圖6）可知，前側(cè)入流輻合帶縮短且不再向單體內(nèi)延伸，對(duì)流核心輻散帶更明顯地延伸到底層，強(qiáng)回波后部從低層一直延伸到0℃的輻合帶消失，據(jù)此可推斷單體前部和后部的上升運(yùn)動(dòng)均減弱。綜合上述分析，有利于強(qiáng)對(duì)流單體維持和新單體生成的典型動(dòng)力結(jié)構(gòu)，高炮防雹作業(yè)后短時(shí)間內(nèi)發(fā)生改變乃至消失。

圖6 2021年6月28日隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)探測(cè)的單體A 作業(yè)前后1 min的RHI上的V R 和RVD（黑色虛線為0℃層高度）Fig.6 V R and RVD in RHI of cell A 1 min before and after the hail suppression detected by X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（black dashed line denotes 0℃height）

3.4 高炮防雹作業(yè)前后偏振參量和水凝物粒子相態(tài)識(shí)別差異

圖7是單體A 在高炮防雹作業(yè)前后1 min偏振參量和粒子相態(tài)對(duì)比。由圖7的ZDR可見，高炮防雹作業(yè)前1 min單體核心存在強(qiáng)度超過1 dB的ZDR柱特征。ZDR柱指的是ZDR正值區(qū)呈柱狀且從低層一直延伸到0℃層以上的現(xiàn)象［47］，通常認(rèn)為與過冷層出現(xiàn)的大雨滴及強(qiáng)上升氣流輸送作用密切相關(guān)［48-49］。ZDR大值中心分散于2～4 km 高度單體前部和單體核心，數(shù)值約為2.5 d B。高炮防雹作業(yè)后1 minZDR柱消失，表明上升氣流減弱。同時(shí)，ZDR大值中心高度下降，主要分布于近地面，最大可達(dá)3.4 dB，表明低層的大雨滴或其他水平取向的扁平粒子增多。

由圖7 的KDP可知，高炮防雹作業(yè)1 min后大值更加集中在約3 km 高度且數(shù)值增大，可能對(duì)應(yīng)液態(tài)含水量［50］的增加。

由圖7的ρhv可知，高炮防雹作業(yè)前1 min 0℃層以下的單體核心和前部存在多個(gè)小于0.9的分散低值點(diǎn)，而高炮防雹作業(yè)后1 min出現(xiàn)柱狀ρhv小值區(qū)，并從地面向上延伸至略微超過0℃層，可能對(duì)應(yīng)大雨滴或其他水平與垂直尺寸不一致的粒子有組織地下落。ρhv的小值中心位于4 km 高度，為0.94，近地面ρhv約為0.96，且小于0.9的低值點(diǎn)減少。

由圖7的水凝物粒子相態(tài)識(shí)別可知，高炮防雹作業(yè)前1 min 單體A 核心0℃層以上以霰粒子為主，還有小范圍過冷水區(qū)（水平距離15 km，5～6 km高度），可能是與ZDR柱對(duì)應(yīng)的被上升氣流輸送至此的過冷雨滴。這部分過冷雨滴，一方面可能形成凍滴并充當(dāng)雹胚［51］，另一方面也能促進(jìn)冰雹、霰等粒子的撞凍增長。單體A 核心0℃層以下至近地面，由多到少分別有雨夾雹、霰、濕雪、大雨、雨、毛毛雨等不同相態(tài)的粒子并呈柱狀分布，顯示正在發(fā)生冰相粒子下落及部分融化過程。在高炮防雹作業(yè)1 min 后單體A 核心0℃層以上的小范圍過冷水區(qū)消失，下部出現(xiàn)明顯的大雨粒子區(qū)，中低層兼有少量雨夾雹和濕雪，0℃層以下不再有鄰接的多相態(tài)粒子柱狀分布。結(jié)合前文上升氣流的減弱現(xiàn)象，可推斷此時(shí)單體A 核心在過冷層的霰、雹等粒子新生或增長并下落的過程減弱或消失，原先0℃層以下的冰相粒子則加速下落并融化。更多的雨滴下落也會(huì)增加雨滴的重力碰并增長，這些因素均可能導(dǎo)致近地面出現(xiàn)大雨滴增多。

圖7 2021年6月28日隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達(dá)探測(cè)的單體A 作業(yè)前后1 min的RHI上的偏振參量和粒子相態(tài)（黑色虛線為0℃層高度）Fig.7 Polarimetric variables and hydrometeor classification in RHI of cell A 1 min before and after the hail suppression detected by X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（black dashed line denotes 0℃height）

3.5 可能的作用機(jī)理

高炮防雹作業(yè)存在微物理和爆炸動(dòng)力作用兩大類機(jī)理學(xué)說，本文基于高時(shí)空分辨率相控陣雙偏振雷達(dá)觀測(cè)分析的結(jié)果支持爆炸作用這一大類學(xué)說。因?yàn)橐酝臄?shù)值模擬研究中，人工引晶引發(fā)的防雹微物理過程通常需要數(shù)分鐘到十幾分鐘才起明顯效果［27-29］，屬于相對(duì)慢的過程，而本文作業(yè)前后1 min的雷達(dá)數(shù)據(jù)分析顯示在高炮防雹作業(yè)后至多2 min便出現(xiàn)動(dòng)力和微物理特征的明顯變化，屬于相對(duì)快的過程。一方面，高炮防雹作業(yè)后的強(qiáng)回波中心斷裂、動(dòng)力垂直結(jié)構(gòu)改變等觀測(cè)與分析結(jié)果與許煥斌［33］歸納的爆炸引發(fā)擾動(dòng)導(dǎo)致流態(tài)改變并抑制上升氣流的理論大致吻合。另一方面，高炮防雹作業(yè)后短時(shí)間內(nèi)低層出現(xiàn)更多大雨滴的現(xiàn)象也與炮響雨落高炮防雹作業(yè)實(shí)踐基本吻合。因此，這些現(xiàn)象均有望成為高炮防雹短時(shí)動(dòng)力作用的新證據(jù)。

對(duì)于人工引晶是否在本次過程中也起了作用，則不易被證明。高炮防雹作業(yè)時(shí)單體處于旺盛至成熟階段，探測(cè)及分析結(jié)果顯示單體核心的過冷水以ZDR柱向上輸送的過冷雨滴為主。高炮防雹作業(yè)后上升氣流減弱，過冷雨滴減少或消失，這難以支撐人工冰晶消耗大量過冷水的過程。由于水凝物粒子相態(tài)識(shí)別算法每個(gè)空間點(diǎn)僅能識(shí)別一類粒子的局限性，在單體核心高層幾乎均以霰粒子為主的定性結(jié)果下，盡管也有少許空間點(diǎn)顯示過冷水和冰晶、霰粒子交錯(cuò)分布的識(shí)別結(jié)果，但無法證明是否有人工冰晶參與微物理過程。

同時(shí)需要指出的是，本文未能在雷達(dá)數(shù)據(jù)中找到防雹炮彈爆炸的直接信號(hào)，其可能原因是盡管雷達(dá)徑向距離庫分辨率為30 m，但1.8°的垂直采樣寬度在水平距離15 km 處相當(dāng)于RHI垂直分辨率近500 m，導(dǎo)致不易明確探測(cè)到半徑僅有幾十米的高炮防雹彈爆炸的直接動(dòng)力效應(yīng)。因此，未來有必要在較近水平距離采用雷達(dá)高仰角開展針對(duì)性探測(cè)，進(jìn)一步探明高炮防雹彈進(jìn)云爆炸的相關(guān)信號(hào)，深入厘清爆炸過程的直接、間接動(dòng)力作用和粒子融化及拖曳等間接作用，以及這些作用在短時(shí)間內(nèi)的演變特征和相互關(guān)系，如爆炸的激波是否能直接促成大雨滴碰并影響垂直氣流。

4 小 結(jié)

本文利用2021年6月28日隰縣一次高炮防雹過程的相控陣雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)，分析高炮防雹作業(yè)前后云體的宏觀特征、動(dòng)力和微物理特征變化，并對(duì)作業(yè)機(jī)理和相控陣快速掃描的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行討論。主要結(jié)論如下：

1）回波頂高的時(shí)間變化序列顯示，55 d BZ 頂高在高炮防雹作業(yè)前4 min維持在8 km 高度，在高炮防雹作業(yè)后1 min急劇下降約2 km 至0℃層以下。

2）對(duì)RHI的宏觀垂直結(jié)構(gòu)和動(dòng)力特征分析結(jié)果顯示，高炮防雹作業(yè)前1 min對(duì)流單體是具有懸掛回波的旺盛單體。本文提出的垂直氣流診斷量RVD 顯示，單體前側(cè)和后側(cè)均有輻合帶，利于強(qiáng)對(duì)流維持和后續(xù)新對(duì)流生成。高炮防雹作業(yè)1 min后，強(qiáng)單體垂直結(jié)構(gòu)在0℃層附近斷裂，單體前部和后部的輻合帶減弱或消失，表明有利于對(duì)流維持和新生的動(dòng)力垂直結(jié)構(gòu)改變，上升氣流減弱。

3）RHI上的偏振參量和水凝物相態(tài)粒子識(shí)別結(jié)果顯示：高炮防雹作業(yè)1 min后ZDR柱消失，近地面ZDR增大、中低層KDP增大，ρhv從0℃層到近地面呈現(xiàn)數(shù)值為0.94～0.96的柱狀區(qū)。單體核心上部的過冷水小范圍中心消失，0℃層以下由雨夾雹、霰、濕雪及各種雨的混合柱狀分布轉(zhuǎn)為低層大雨。

4）通過對(duì)作用機(jī)理的討論，上述短時(shí)動(dòng)力和微物理特征的明顯變化與爆炸導(dǎo)致氣流擾動(dòng)改變流態(tài)、炮響雨落等人工影響機(jī)制或現(xiàn)象有對(duì)應(yīng)之處，可支持爆炸防雹理論。

未來還有許多工作值得開展。首先，應(yīng)開展更多針對(duì)性的觀測(cè)和探測(cè)，以便深入研究和歸納高炮防雹作業(yè)可能產(chǎn)生的動(dòng)力與微物理效應(yīng)，更加明確地分辨冰雹云的自然變化和受作業(yè)影響的變化。其次，本文結(jié)果顯示高炮防雹作業(yè)時(shí)機(jī)偏晚，未來應(yīng)更充分地利用相控陣快速探測(cè)的特點(diǎn)，發(fā)展更有效的冰雹云早期識(shí)別技術(shù)，以便在對(duì)流發(fā)展早期開展作業(yè)。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)相控陣?yán)走_(dá)與傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)的聯(lián)合應(yīng)用，探索強(qiáng)對(duì)流回波垂直結(jié)構(gòu)校正和防雹作業(yè)指揮預(yù)估提前量的改進(jìn)方法。此外，本文未利用雷達(dá)數(shù)據(jù)反演雨滴譜、冰相粒子譜和三維風(fēng)場(chǎng)等物理量，這是因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)云動(dòng)力和微物理反演方法尚存在較多經(jīng)驗(yàn)假定，應(yīng)在多種手段聯(lián)合探測(cè)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展應(yīng)用與分析。