攀枝花一次多單體冰雹天氣的雙偏振雷達特征分析

摘要 運用EC ERA5 0.25°×0.25°逐小時再分析資料、常規(guī)探空資料、地面觀測資料和攀枝花市X波段雙偏振多普勒天氣雷達資料，分析了2021年7月12日攀枝花市一次多單體冰雹、大風(fēng)災(zāi)害性天氣過程的天氣學(xué)背景和雙偏振雷達回波特征。結(jié)果表明：雙偏振參量對識別降水相態(tài)有較好的指示性，強回波區(qū)對應(yīng)趨于零的差分反射率因子、較小的差分傳播相移率和相關(guān)系數(shù)時，對冰雹的識別和預(yù)報具有重要的參考價值。

關(guān)鍵詞 X波段雙偏振雷達；冰雹；回波特征

中圖分類號：P458.1+21.2 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）03–0135-03

冰雹天氣局地性強，來勢兇猛、持續(xù)時間短，多發(fā)于內(nèi)陸山地地區(qū)，常造成較大的經(jīng)濟損失。雙偏振多普勒天氣雷達能夠發(fā)射和接收水平和垂直偏振2種電磁波，除獲取常規(guī)雷達參量外，還能得到如ZDR、ΦDP、KDP等偏振參量，能更精確地探測非球形降水粒子群，了解氣象目標物內(nèi)降水粒子的相態(tài)、大小和空間分布等，提高測雨精度和識別冰雹的準確率，能夠在一定程度上彌補天氣動力學(xué)預(yù)報中的不足，尤其是在短臨監(jiān)測預(yù)警中，可以為預(yù)報員提供十分重要的參考依據(jù)，對人工消雹作業(yè)等也具有重要的指示意義。2021年7月12日20：00左右，攀枝花市米易縣普威鎮(zhèn)、白馬鎮(zhèn)、得石鎮(zhèn)一帶出現(xiàn)了強對流天氣，局地伴隨有大風(fēng)和冰雹，部分村組不同程度遭受風(fēng)雹災(zāi)害，導(dǎo)致玉米、烤煙等農(nóng)作物大面積受損，造成直接經(jīng)濟損失達50.4萬元。運用EC ERA5 0.25°×0.25°逐小時再分析資料、常規(guī)探空資料、攀枝花保安營X波段雙偏振雷達資料，分析了此次多單體冰雹、大風(fēng)災(zāi)害性天氣過程的天氣學(xué)背景和雙偏振雷達回波特征。

1 天氣形勢分析

1.1 環(huán)流背景及環(huán)境場分析

2021年7月12日08：00，500 hPa有低槽南下影響攀西地區(qū)，槽后為冷平流，700 hPa本地持續(xù)為西南氣流的控制，有暖平流的輸送，其中西昌站風(fēng)速達到12 m/s，比濕為11 k/kg，有利于暖濕氣流的輸送和不穩(wěn)定能量的積累。7月12日20：00，西昌站探空圖顯示，中低層較干，僅700 hPa附近存在淺薄濕層，0～6 km垂直風(fēng)切變僅為3 m/s，且整層環(huán)境風(fēng)均較弱；CAPE值達1 491.5 J/kg，SI為-2.16，有一定的對流不穩(wěn)定潛勢，且對流抑制能量較小，僅為28.4 J/kg；0 ℃

層高度5 679 m，-20 ℃層高度8 783 m，由于對流層中層存在明顯干層，在0 ℃層以下，蒸發(fā)冷卻作用對冰雹有再凍結(jié)的作用；抬升凝結(jié)高度3 038 m，自由對流高度3 221 m，而普威平均海拔高度在2 000 m左右，相對較低的自由對流高度，抬升凝結(jié)高度有利于氣層抬升達到飽和對流的觸發(fā)。該地地面處于均壓區(qū)內(nèi)，地面氣溫在22～25 ℃，12日19：00～20：00，米易境內(nèi)地面存在輻合線，有利于觸發(fā)對流產(chǎn)生，進而導(dǎo)致不穩(wěn)定能量的釋放。

1.2 物理量場

從7月12日普威上空時序圖可看出，12日白天整層基本為下沉運動，僅在傍晚前后中低層存在上升運動；但20：00左右，垂直方向上風(fēng)向切變較明顯，且存在一定上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)（圖1）。700 hPa水汽通量散度顯示，12日全天該地大部水汽通量散度都為正值，僅在19：00、20：00在米易縣和鹽邊縣的北部出現(xiàn)了負的水汽通量散度，即有水汽在這一區(qū)域的輻合，輻合中心最大值為-6×10-7 g·s·cm-2·hPa-1，水汽的輻合抬升有利于對流的發(fā)生發(fā)展（圖2）。

2 雷達回波特征分析

2.1 常規(guī)雷達參量

產(chǎn)生此次冰雹過程的風(fēng)暴是從涼山州南下并發(fā)展的線狀多單體風(fēng)暴，向東南偏南方向移動并在19：20后開始影響當?shù)亍?9：14的回波顯示：在白坡附近的風(fēng)暴后側(cè)已有明顯的“V”形缺口出現(xiàn)，表明其已發(fā)展十分強盛。19：33普威北部已形成一個較強的對流單體，其前側(cè)又有新的對流開始生成，強回波質(zhì)心較高，19：38該對流中心強度最大值達到65 dBz，超過50 dBz的強回波伸展至8 km以上，強回波自南向北傾斜，高層有強回波中心位于低層弱回波區(qū)之上，反射率因子質(zhì)心明顯下降；風(fēng)暴A0中存在三維相關(guān)切變，未達到中氣旋強度，但在9.9°仰角徑向速度圖中可以看到有明顯風(fēng)暴頂輻散，表明風(fēng)暴中存在強烈的輻合和上升運動[1]。19：42該單體西南側(cè)又有3個新的對流觸發(fā)、發(fā)展，至19：57時間段內(nèi)，回波持續(xù)增強，并向東南緩慢移動，19：57強中心值達到最大為65 dBz，此后略有減弱，對流單體位置穩(wěn)定少動，位于普威、白馬一帶。同一時刻的反射率因子剖面顯示，高層有懸垂回波的存在，相應(yīng)3個對流單體超過50 dBz的回波高度已擴展至8 km以上，接近﹣20 ℃層，表明對流發(fā)展已十分旺盛，強回波伸展的高度也有利于冰雹的生成[2]。19：57普威東南部的A、B兩個對流單體合并，在兩個體掃內(nèi)強回波質(zhì)心已明顯降低，強回波中心最大值為65 dBz。20：01后回波開始逐漸減弱并繼續(xù)向東南方向移動，20：01剖面顯示強回波中心已經(jīng)接地。

從VIL看，在19：30前，白坡附近風(fēng)暴中VIL出現(xiàn)明顯躍增，最強超過45 kg/m2，19：33～19：38的VIL最大值也已經(jīng)超過35 kg/m2，并在隨后的兩個體掃內(nèi)迅速減小。19：47～19：57，3個新生的單體都有VIL迅速增大，19：57單體B的VIL最大值已經(jīng)達到40 kg/m2，表明云體中含有大量水汽，很可能出現(xiàn)較強的降水或降雹。20：01后各單體的VIL逐漸減小，其中在19：57～20：01，3個單體的垂直積分液態(tài)水含量在兩個體掃內(nèi)均迅速減小，同時對應(yīng)有基本反射率因子回波質(zhì)心的迅速降低，表明將出現(xiàn)大風(fēng)的可能性較大[3]。

2.2 雙偏振雷達參量回波特征

差分反射率表達一個探測空間體（距離庫）平均的粒子形狀，與粒子的軸比有關(guān)，在液態(tài)降水情況下，水滴下落過程中呈扁平狀，水平軸大于垂直軸，雨滴越大，反射率因子回波強度越強，ZDR也越大；而冰雹由于形狀不規(guī)則，且下落過程中會出現(xiàn)翻滾，因此導(dǎo)致其反射率因子強，相應(yīng)的ZDR值較小，小冰雹的ZDR值趨近于零，大冰雹下落時呈自由落體，ZDR值一般為負值。從19：38的差分反射率可以看出，與基本反射率因子強回波處對應(yīng)的ZDR值在2.4°仰角上，部分區(qū)域ZDR值減小為0.8～2.0，而其他基本反射率因子強回波處對應(yīng)的ZDR值大都在3.0以上，因此在較高層以小冰雹為主；在0.5°和1.5°仰角，ZDR值主要在2.0～4.0，表明低層以液態(tài)降水粒子為主，可能是冰雹下落過程中融化形成雨區(qū)，或冰雹并未為完全融化而在外包裹有一層水膜（圖3）。此外，由于此過程發(fā)生在盛夏，當日午后氣溫較高，直到冰雹天氣發(fā)生前，地面氣溫仍在20 ℃以上，這就使得部分冰雹還未下落到地面就已經(jīng)融化或部分融化，使得實際觀測到的多為小冰雹。

協(xié)相關(guān)系數(shù)是描述水平和垂直極化的回波信號變化的相似度的參量，主要受粒子形態(tài)、數(shù)量和空間向性的影響，液態(tài)降水的協(xié)相關(guān)系數(shù)（CC）一般在0.95～1.0，而冰雹和冰水混合物出現(xiàn)的協(xié)相關(guān)系數(shù)一般較小，在0.85～0.97。19：52對流單體A和B在0.5°和1.5°仰角的CC在0.8～0.95，而2.4°仰角CC均有明顯減?。粏误wC內(nèi)低層大部分為液態(tài)降水粒子，1.5°仰角CC明顯減小，在0.8～0.92，表明固態(tài)降水粒子增多，這一區(qū)域很可能有大量雹胚增長。

差分相移傳播率為水平與垂直雙通道相位的差值，其差異包含各向同性粒子和各向異性粒子的差異。因為各向同性粒子對水平極化波和垂直極化波能產(chǎn)生相近的相移，因此KDP的差異主要歸因于各向異性粒子組成的差異，即主要取決于液態(tài)降水，受冰雹等固態(tài)粒子影響很小，干冰雹的KDP接近于零[4]。由于當協(xié)相關(guān)系數(shù)小于0.88時的系統(tǒng)將不再計算KDP，因此圖中存在一些KDP缺失的空洞[5]。0.5°和1.5°仰角上與基本反射率因子強回波處對應(yīng)的KDP值大多為0.75～3.1，而在2.4°仰角KDP大值區(qū)中出現(xiàn)了-0.4～0.5的區(qū)域，表明其中部分區(qū)域有冰雹的存在。

3 結(jié)論

（1）高空低槽過境和地面輻合線為此次降雹過程的主要觸發(fā)機制，低空西南暖濕氣流提供了不穩(wěn)定能量，低層的輻合上升運動也有利于對流天氣的發(fā)展。

（2）雙偏振參量對識別降水相態(tài)有較好的指示性，KDP由于不受降水衰減、雷達標定誤差和系統(tǒng)偏差影響，且KDP主要取決于液態(tài)降水，因此可以對降雨區(qū)和降雹區(qū)進行有效區(qū)分。

（3）當觀測到反射率因子強回波時，可對比相應(yīng)強回波區(qū)是否存在趨于零的差分反射率因子ZDR、較小的差分傳播相移率KDP和相關(guān)系數(shù)CC等偏振參量，以此作為判斷是否將出現(xiàn)冰雹的參考依據(jù)。

參考文獻

[1] 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用[M].北京：氣象出版社，2006.

[2] 陳梓浩，熊翠嬋.廣東“4.21”颮線過程的中尺度分析[J].廣東氣象，2019，41（3）： 5-9.

[3] 劉紅亞，楊引明，張晶，等.一次冰雹天氣的WSR-88D雙偏振雷達特征分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2020，43（2）：1-10.

[4] 劉黎平.雙線偏振多普勒天氣雷達估測混合區(qū)降雨和降雹方法的理論研究[J].大氣科學(xué)，2002，26（6）：761-772.

[5] 蘇冉，廖菲，周芯玉.雙線偏振雷達在廣州“3.19”降雹過程中的應(yīng)用分析[J].熱帶氣象學(xué)報，2018，34 （2）：209-216.

責(zé)任編輯：黃艷飛

Analysis on Dual-polarization Radar Echo Characteristics of A Multi-cells Hailstorm Process in Panzhihua

Yu An-di （Panzhihua Meteorological Bureau， Panzhihua， Sichuan 617000）

Abstract Based on the EC ERA5 0.25°×0.25° hourly reanalysis data， conventional sounding data， ground observation data and X-band dual-polarization Doppler weather radar data in Panzhihua.a Hailstorm Process caused by Multi-cells Hailstorm cloud in was Panzhihua analyzed.The results showed that the dual polarization parameters have good indicative properties for identifying the precipitation phase， and the strong echo region has important reference value for the identification and prediction of hail when it corresponds to the differential reflectivity factor that tends to zero， the small differential propagation phase shift rate and the correlation coefficient.

Key words X-band dual-polarization radar; Hail; Echo signature

作者簡介 余諳迪（1996—），女，四川達州人，助理工程師，主要從事天氣預(yù)報研究。

收稿日期 2022-12-10