不同類型強降水風(fēng)暴低層雙偏振參量對比分析*

李 芳 刁秀廣

1 山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,濟南 250031 2 山東省濟寧市氣象局,濟寧 272000 3 山東省氣象臺,濟南 250031

提 要: 利用山東S波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)資料、探空資料和地面降水實況,根據(jù)環(huán)境背景特征將強降水風(fēng)暴分為雷暴大風(fēng)(同時伴有強降水或冰雹)為主型(簡稱“混合型”)和單純強降水為主型(簡稱“降水為主型”),對兩種類型風(fēng)暴分別考慮三種分鐘降水量級,在六種不同情況下對強降水風(fēng)暴的低層雙偏振參量特征進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明:隨著分鐘降水量級增大,兩種類型強降水風(fēng)暴低層反射率因子(ZH)和差分相移率(KDP)都隨之增大,“降水為主型”風(fēng)暴差分反射率(ZDR)和相關(guān)系數(shù)(CC)變化不明顯,“混合型”風(fēng)暴ZDR和CC減小,說明隨著降水量級增大,“混合型”強降水風(fēng)暴低層尺寸更大的冰雹數(shù)量增多,導(dǎo)致ZDR和CC減小;對于2 mm·min-1以上高強度降水,“混合型”風(fēng)暴低層ZH、ZDR、KDP分別集中在50.5～57.0 dBz、1.7～2.7 dB、2.4～4.3°·km-1,CC在0.960以上,而“降水為主型”風(fēng)暴低層ZH、ZDR、KDP分別集中在49.5～53.5 dBz、1.2～2.1 dB、2.5～3.9°·km-1,CC在0.970以上,說明高強度降水時多數(shù)“混合型”風(fēng)暴含有大量5～10 mm左右的較小冰雹,這些較小冰雹在低層融化為大雨滴使ZDR值增大,同時也使回波強度ZH高于“降水為主型”;相同分鐘降水量級情況下,“混合型”風(fēng)暴低層ZH和ZDR大于“降水為主型”,CC小于“降水為主型”,因為前者內(nèi)部不僅存在較多5～10 mm較小冰雹,還存在一些大的冰雹粒子;風(fēng)暴低層較大的KDP對兩種類型強降水均有明顯的指示意義。

引 言

暴雨特別是短時強降水是一種影響嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣,也是目前氣象科學(xué)重點研究解決的難題之一(Chen et al,2013;肖靖宇等,2022;趙淵明和漆梁波,2021)。連降暴雨或大暴雨常導(dǎo)致山洪爆發(fā)、水庫垮壩、江河橫溢、交通和電訊中斷,給國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)帶來嚴(yán)重危害。短時強降水天氣時間尺度和空間尺度相對較小,且具有局地性特征,突發(fā)性強、致災(zāi)嚴(yán)重、預(yù)報難度大(侯淑梅等,2020)。短時間內(nèi)的強降水天氣大多由中小尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生,其系統(tǒng)的形成和發(fā)展機理是天氣預(yù)報業(yè)務(wù)及氣象學(xué)者關(guān)注的重點與難點(王孝慈等,2022;吳照憲等,2022)。

隨著雙偏振天氣雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列基于雙偏振參量的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)與微物理特征研究(劉黎平等,1996;Kumjian and Ryzhkov,2008;Kumjian,2013;Romine et al,2008;馮晉勤等,2018;刁秀廣等,2020;2021;2022;李昭春等,2021)。劉黎平等(2002)運用三個偏振量反演降水強度和液態(tài)含水量,研究指出ZDR和KDP受滴譜變化影響較小。荀愛萍等(2019)利用廈門雙偏振雷達(dá)資料,統(tǒng)計分析不同降水強度下的偏振參量特征,當(dāng)降水類型為小/中雨時,平均ZH、ZDR、KDP分別為36 dBz、1.0 dB和0.28°·km-1;當(dāng)降水類型為大雨時,平均ZH、ZDR、KDP分別為44 dBz、1.4 dB和0.63°·km-1;當(dāng)降水類型為暴雨時,平均ZH、ZDR、KDP分別為49 dBz、1.7 dB和1.32°·km-1。潘佳文等(2020)對一次強降水超級單體風(fēng)暴個例分析表明,反射率因子梯度大值區(qū)附近存在一個淺薄的差分反射率因子大值區(qū)(ZDR弧),ZDR柱位于有界弱回波區(qū)的上方、主上升氣流的東南側(cè),KDP柱位于主上升氣流的西北側(cè),主要由大量混合相態(tài)水凝物造成,其位置與地面雨強中心存在較好的對應(yīng)關(guān)系。申高航等(2021)利用雨滴譜及雙偏振雷達(dá)資料對一次強降水過程不同時段進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)KDP可以揭示豐富的過冷卻水位置,ZDR可以反映降水粒子主要的相態(tài)及形狀變化。何清芳等(2022)對同時發(fā)生在兩個地區(qū)的冰雹云和短時強降水風(fēng)暴進(jìn)行偏振對比分析,降雹和短時強降水風(fēng)暴均發(fā)現(xiàn)了KDP柱,但兩者高度不同,短時強降水風(fēng)暴的KDP柱發(fā)展高度低于降雹天氣過程。目前對于強降水雙偏振特征研究僅限于一些個例分析,不同類型強對流雙偏振參量的差異性對比分析較少。

本文以山東SA雙偏振多普勒天氣雷達(dá)(濟南、青島和濟寧)資料為基礎(chǔ),結(jié)合地面自動氣象站1～2 mm、2～3 mm和3 mm以上三種分鐘降水量級,對兩類強對流風(fēng)暴低層雙偏振參量特征進(jìn)行分析與對比,為進(jìn)一步提高定量降水估測精度和短時強降水預(yù)警技術(shù)水平提供客觀依據(jù)。

1 資料及方法

1.1 資料選取標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)環(huán)境背景特征將強降水風(fēng)暴分為雷暴大風(fēng)為主型(簡稱“混合型”)和單純強降水為主型(簡稱“降水為主型”)兩類?！盎旌闲汀憋L(fēng)暴以雷暴大風(fēng)(瞬時風(fēng)速≥17.2 m·s-1)天氣為主,局部伴有短時強降水和(或)冰雹,主要受西風(fēng)帶系統(tǒng)影響,關(guān)鍵環(huán)境條件是空氣濕度小,存在明顯的干層(700～400 hPa溫度露點差ΔTd700-400≥15℃),850～500 hPa溫差(ΔT850-500)較大(≥28℃);“降水為主型”風(fēng)暴以短時強降水天氣為主,個別站點出現(xiàn)雷暴大風(fēng)或冰雹,主要受副熱帶高壓邊緣西南氣流或暖式切變影響,大氣中水汽豐富,關(guān)鍵環(huán)境條件是空氣濕度大,不存在明顯的干層(ΔTd700-400<15℃),ΔT850-500較小(<28℃),環(huán)境0℃層高度較高。

“混合型”滿足ΔT850-500≥28℃和ΔTd≥15℃,共有11次過程,選取分鐘降水量連續(xù)2分鐘≥2 mm 且小時雨量超過30 mm的強降水風(fēng)暴。“降水為主型”滿足ΔT850-500<28℃和ΔTd700-400<15℃,共17次過程,選取分鐘降水量連續(xù)2分鐘≥2 mm 且小時雨量超過40 mm的強降水風(fēng)暴。基于單站雙偏振雷達(dá)探測數(shù)據(jù),強降水按分鐘降水量分為1～2 mm、2～3 mm和3 mm以上三個等級,分別統(tǒng)計風(fēng)暴低層(0.5～1 km)對應(yīng)的雙偏振參數(shù),包括ZH、ZDR、CC和KDP?！盎旌闲汀憋L(fēng)暴有56個樣本(23個地面站),“降水為主型”風(fēng)暴有95個樣本(37個地面站)。

1.2 統(tǒng)計分析方法

利用濟南、青島和濟寧雙偏振雷達(dá)單站觀測資料,統(tǒng)計強降水站點上空、風(fēng)暴低層(0.5～1 km)12個距離庫雙偏振參量。距離庫選取以地面雨量站點為參考,根據(jù)風(fēng)暴移動方向,選取站點后側(cè)3個徑向(站點及左右各1°徑向),各徑向4個距離庫(庫長為250 m)。低層雙偏振參量與地面降水實際情況差別較小,因此選擇1 km高度作為上限;距離雷達(dá)較近的區(qū)域在0.5 km高度以下會出現(xiàn)明顯的雜波干擾,0.5 km高度以下不做分析。

使用雷達(dá)低仰角掃描產(chǎn)品(極坐標(biāo)),30～70 km 基本用0.5°仰角數(shù)據(jù)(高度在0.5～1.0 km),30 km之內(nèi)、0.5～1.0 km高度使用CC值較大的仰角產(chǎn)品數(shù)據(jù)(多為1.5°仰角),同時雷達(dá)站周圍近處低仰角雜波干擾區(qū)域、遮擋區(qū)域和明顯的波束非均勻填充區(qū)域不進(jìn)行偏振量統(tǒng)計。雜波干擾區(qū)域主要包括近處固定地物及風(fēng)力發(fā)電機組干擾。濟南雷達(dá) 0.5° 仰角在115°～160°方位有遮擋現(xiàn)象,主要是濟南南部山區(qū)及泰山山脈遮擋,泰山主峰遮擋較明顯;青島雷達(dá)0.5°仰角在53°～62°方位有明顯遮擋(嶗山遮擋),西側(cè)245°～263°方位0.5°和1.5°仰角有明顯遮擋;濟寧雷達(dá)無遮擋。有些對流回波會出現(xiàn)明顯的波束非均勻填充現(xiàn)象,在CC產(chǎn)品上表現(xiàn)為明顯的后側(cè)徑向上CC小值區(qū)。

雙偏振參量與分鐘降水量對應(yīng)關(guān)系要綜合考慮,既考慮下降到地面時間,又要考慮單體移動方向及移動速度。大小不同的雨滴降落速度存在差異,1～4 mm的雨滴(降水量主要貢獻(xiàn)者)下落速度基本在4～8 m·s-1。遠(yuǎn)處為0.5°仰角數(shù)據(jù),1 km高度下降到地面時間在2～4 min;近處多為1.5°仰角數(shù)據(jù),時間要延遲1 min左右,0.5 km高度下降到地面時間為1～2 min,延遲后為2～3 min。綜合考慮,選取雷達(dá)體掃時間后延2～4 min地面站的分鐘降水量進(jìn)行對應(yīng)分析。

依據(jù)雷達(dá)識別出的單體移動速度,計算2 min風(fēng)暴移動的距離,大致估測12個距離庫距離地面雨量站點的長度。圖1是一次“混合型”強對流過程資料選取示例,觀測時間是00:36。風(fēng)暴移動速度較快,基本沿南偏東方向移動(藍(lán)色箭頭),參考站點禹城站周圍徑向速度較大,綜合考慮,選取距離站點約1 km 后側(cè)北偏西區(qū)域12個距離庫數(shù)據(jù)(圖1中藍(lán)色方框區(qū)域),對應(yīng)降水量是2 min(00:38—00:40)的平均降水量。對于其他過程不同方向移動的風(fēng)暴,仍然選取站點后側(cè)12個距離庫數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)區(qū)方位根據(jù)單體移動方向進(jìn)行調(diào)整(圖1中棕色和綠色虛線方框及箭頭線)。對于移動緩慢的風(fēng)暴,距離站點的距離相對要較近,而對于移動較快的風(fēng)暴,距離站點的距離相對要較遠(yuǎn)。

注:方框區(qū)為讀取數(shù)據(jù)區(qū),箭頭代表風(fēng)暴移動方向。圖1 一次“混合型”強對流過程的(a)水平極化反射率因子ZH,(b)平均徑向速度V,(c)相關(guān)系數(shù)CC,(d)差分反射率因子ZDR和(e)差分相移率KDPFig.1 (a) The horizontal polarization ZH, (b) average radial velocity V, (c) correlation coefficient CC, (d) differential reflectivity ZDR and (e) specific differential phase KDP of a “mixed type” convective storm process

利用雙偏振參量統(tǒng)計數(shù)據(jù),做出不同等級降水量對應(yīng)的雙偏振參量箱型圖,分析1/4、3/4分位特征值、中值、平均值等,并對雙偏振參量進(jìn)行對比分析。

2 強降水風(fēng)暴低層雙偏振參量特征

2.1 不同類型強降水環(huán)境參數(shù)

“混合型”強降水天氣過程包括:2019年4月24日、5月10日、6月8日、8月16日強降水,2020年5月17日、6月1日、6月25日強降水,2021年5月26日、6月30日、7月9日、7月31日強降水。

“降水為主型”強降水天氣過程包括:2019年6月20日、7月6日、7月27日、8月10日強降水,2020年7月22日、8月1—2日、8月3—4日、8月6日、8月13日、8月26日、8月30日強降水,2021年6月14日、6月29日、7月5日、7月7日、7月11日、7月13—14日強降水。

“混合型”與“降水為主型”強降水關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)平均值見表1。表中可以看出,“混合型”強降水天氣K指數(shù)、整層比濕積分IQ、對流有效位能CAPE*(訂正后的CAPE)明顯小于“降水為主型”,ΔT850-500、垂直風(fēng)切變SHR及干層強度(ΔTd700-400)明顯大于“降水為主型”,濕球0℃層高度WBZ和0℃層高度ZH明顯低于“降水為主型”?！盎旌闲汀睆娊邓鞖鉂穸刃?有干層存在,利于雷暴大風(fēng)的出現(xiàn),垂直風(fēng)切變大,利于颮線、多單體風(fēng)暴簇、相對孤立的超級單體等組織性強的風(fēng)暴發(fā)展與維持;WBZ低,利于地面出現(xiàn)冰雹天氣,同時出現(xiàn)融化的冰相粒子和大的液態(tài)粒子的概率較高。

表1 “混合型”與“降水為主型”強降水關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)平均值Table 1 Average value of key ambient parameters of “mixed type” and “precipitation dominated type” convections

2.2 “混合型”強降水

符合選取標(biāo)準(zhǔn)的“混合型”強降水風(fēng)暴低層雙偏振參量(ZH、ZDR、KDP和CC)箱型圖見圖2a。

注:■ 對應(yīng)1～2 mm·min-1,■ 對應(yīng)2～3 mm·min-1,■ 對應(yīng)3 mm·min-1,×為平均值,─為中值。圖2 (a)“混合型”和(b)“降水為主型”強降水雙偏振參量箱型圖Fig.2 Dual polarization parameter box diagram of (a) “mixed type” and (b) “precipitation dominated type” convections

由1～2 mm·min-1降水對應(yīng)的雙偏振參量可以看出,ZH、ZDR、KDP和CC的平均值分別為52.2 dBz、2.6 dB、2.1°·km-1和0.970(數(shù)據(jù)共有378組)。ZH主要集中在49.5～54.5 dBz,中值為51.5 dBz,最大為64.0 dBz;ZDR主要集中在1.9～3.2 dB,多數(shù)小于3.2 dB,中值為2.5 dB;KDP主要集中在1.6～2.5°·km-1,多數(shù)在1.6°·km-1以上,中值為2.0°·km-1;CC主要集中0.965～0.985,多數(shù)大于0.965,中值為0.975。

由2～3 mm·min-1降水對應(yīng)的雙偏振參量可以看出,ZH、ZDR、KDP和CC的平均值分別是52.6 dBz、2.2 dB、2.8°·km-1和0.967(數(shù)據(jù)共有202組)。ZH主要集中在50.5～54.0 dBz,中值為52.0 dBz,最大為67.0 dBz;ZDR主要集中在1.7～2.7 dB,多數(shù)小于2.7 dB,中值為2.1 dB;KDP主要集中在2.4～3.5°·km-1,多數(shù)在2.4°·km-1以上,中值為2.8°·km-1;CC主要集中0.960～0.980,多數(shù)大于0.960,中值為0.975。

由3 mm·min-1以上降水對應(yīng)的雙偏振參量可以看出,ZH、ZDR、KDP和CC的平均值分別是54.0 dBz、2.2 dB、3.7°·km-1和0.968(數(shù)據(jù)共有49組)。ZH主要集中在50.6～57.0 dBz,中值為53.7 dBz,最大為60.0 dBz;ZDR主要集中在1.9～2.5 dB,多數(shù)小于2.5 dB,中值為2.1 dB;KDP主要集中在3.4～4.3°·km-1,多數(shù)在3.4°·km-1以上,中值為3.7°·km-1;CC主要集中0.960～0.980,多數(shù)大于0.960,中值為0.965。

“混合型”強降水隨著分鐘降水量增大,ZH和KDP也隨之增大,ZDR和CC略有減小。1～2 mm·min-1降水,ZDR大,表明液態(tài)粒子直徑大,KDP小,表明液態(tài)粒子濃度小,即濃度偏小、直徑偏大的液態(tài)粒子降水強度偏弱。3 mm·min-1以上降水,KDP明顯較大,液態(tài)粒子濃度高,高濃度液態(tài)粒子可導(dǎo)致ZH增大;ZDR偏小,表明液態(tài)粒子直徑略有偏小,高濃度直徑偏小的液態(tài)粒子降水強度最大。

對于“混合型”強降水(分鐘降水量1 mm以上,對應(yīng)降水強度>60 mm·h-1),風(fēng)暴低層CC多數(shù)在0.960以上,ZH主要集中在50～57 dBz,ZDR主要集中在1.7～3.2 dB,KDP主要集中在1.6～4.3°·km-1。

“混合型”存在較多0.960以下的CC值,表明有明顯冰相粒子干擾。1～2 mm·min-1和2～3 mm·min-1的降水風(fēng)暴低層對應(yīng)的ZH有60 dBz以上數(shù)值,ZDR有負(fù)值,CC有小于0.900的數(shù)據(jù)值,表明存在明顯較大的相對較干的冰粒子干擾。

2.3 “降水為主型”強降水

符合選取標(biāo)準(zhǔn)的“降水為主型”強降水風(fēng)暴低層雙偏振參量(ZH、ZDR、KDP和CC)箱型圖見圖2b。

1～2 mm·min-1降水對應(yīng)的雙偏振參量顯示,ZH、ZDR、KDP和CC的平均值分別是49.6 dBz、1.7 dB、1.8°·km-1和0.980(數(shù)據(jù)共有522組)。ZH主要集中在48.0～51.0 dBz,中值為49.7 dBz,最大為61.0 dBz;ZDR主要集中在1.4～2.2 dB,多數(shù)小于2.2 dB,中值為1.7 dB;KDP主要集中在 1.5～2.1°·km-1,多數(shù)在1.5°·km-1以上,中值為1.7°·km-1;CC主要集中0.975～0.985,多數(shù)大于0.975,中值為0.980。

2～3 mm·min-1降水對應(yīng)的雙偏振參量顯示,ZH、ZDR、KDP和CC的平均值分別是51.2 dBz、1.8 dB、2.9°·km-1和0.977(數(shù)據(jù)共有401組)。ZH主要集中在50.5～52.5 dBz,中值為51.5 dBz,最大為57.0 dBz;ZDR主要集中在1.5～2.1 dB,多數(shù)小于2.1 dB,中值為1.8 dB;KDP主要集中在2.5～3.3°·km-1,多數(shù)在2.5°·km-1以上,中值為2.9°·km-1;CC主要集中0.970～0.985,多數(shù)大于0.970,中值為0.980。

3 mm·min-1以上降水對應(yīng)的雙偏振參量顯示,ZH、ZDR、KDP和CC的平均值分別是51.4 dBz、1.6 dB、3.6°·km-1和0.978(數(shù)據(jù)共有147組)。ZH主要集中在49.5～53.5 dBz,中值為52.0 dBz,最大為57.0 dBz;ZDR主要集中在1.2～2.0 dB,多數(shù)小于2.0 dB,中值為1.6 dB;KDP主要集中在3.2～3.9°·km-1,多數(shù)在3.2°·km-1以上,中值為3.6°·km-1;CC主要集中在0.975～0.985,多數(shù)大于0.975,中值為0.980。

“降水為主型”強降水隨著分鐘降水量增大,ZH和KDP也隨之增大,KDP增大更加明顯,ZDR和CC變化不明顯。對于“降水為主型”強降水,不同分鐘降水量級ZDR變化不明顯,表明液態(tài)粒子直徑基本相當(dāng)或一致;KDP明顯增強,表明液態(tài)粒子濃度明顯增強,從而導(dǎo)致回波強度有所增大,降水強度明顯加強。

對于“降水為主型”強降水(分鐘降水量1 mm以上,對應(yīng)降水強度>60 mm·h-1),風(fēng)暴低層CC多數(shù)在0.97以上,ZH、ZDR、KDP分別主要集中在48～54 dBz、1.2～2.2 dB、1.5～3.8°·km-1,0.960以下的CC值較少,表明冰相粒子干擾較少。

2.4 兩類強降水風(fēng)暴低層雙偏振特征對比

表2是濾除明顯冰雹干擾后的不同分鐘降水量級“混合型”與“降水為主型”風(fēng)暴低層雙偏振參量對比。兩種類型強降水風(fēng)暴低層雙偏振特征對比時,排除冰雹干擾才更為合理,因此,將ZH≥60 dBz的距離庫數(shù)據(jù)全部濾除后重新統(tǒng)計出ZH、ZDR、KDP和CC區(qū)間值(25%～75%)和平均值(詳見表2)。

表2 “混合型”與“降水為主型”強降水雙偏振參量對比Table 2 Comparison of dual polarization parameters between “mixed type” and “precipitation dominated type” severe rainfalls

可以看出,相同分鐘降水量級,“混合型”強降水ZH和ZDR平均值均大于“降水為主型”,而CC平均值小于“降水為主型”,1～2 mm·min-1和3 mm·min-1以上降水的“混合型”強降水KDP平均值均稍大于“降水為主型”,而2～3 mm·min-1降水的“混合型”強降水KDP平均值稍小于“降水為主型”。

1～2 mm·min-1降水,“混合型”強降水與“降水為主型”強降水ZH、ZDR、KDP和CC平均值的差值分別為2.2 dBz、0.9 dB、0.3°·km-1和-0.009。2～3 mm·min-1降水,“混合型”強降水與“降水為主型”強降水ZH、ZDR、KDP和CC平均值的差值分別為0.7 dBz、0.5 dB、-0.1°·km-1和-0.007。3 mm·min-1以上降水,“混合型”強降水與“降水為主型”強降水ZH、ZDR、KDP和CC平均值的差值分別為2.3 dBz、0.5 dB、0.2°·km-1和-0.010。

造成兩種不同類型強降水風(fēng)暴低層雙偏振參量特征差異與天氣環(huán)境因素密切相關(guān)。對于“混合型”強降水,干層強度較強(平均ΔTd為22.3℃),700～400 hPa 存在明顯的干層,干空氣的夾卷及蒸發(fā)作用可加強對流風(fēng)暴下沉氣流強度,粒子下降速度較快,同時濕球0℃層高度較低,下降中的固態(tài)粒子在濕球0℃層高度以下歷時較短,在低層融化后形成偏大的液態(tài)粒子,同時還會有部分偏小的固態(tài)粒子不會完全融化,ZH對粒子大小較為敏感,ZDR對液態(tài)粒子或融化的冰相粒子大小較為敏感。依據(jù)Rasmussen and Heymsfield(1987a;1987b)、Dolan et al(2013)研究成果,相對濕度為100%時,初始尺寸10 mm 的冰雹下落2 km后基本融化成大雨滴,15 mm 的冰雹經(jīng)過融化后直徑約8 mm左右(反射率因子約為54 dBz), “混合型”強降水天氣濕球0℃層高度在3 km左右,下降2 km高度后基本處在1 km 高度,因此,“混合型”強降水風(fēng)暴低層出現(xiàn)大雨滴和小于10 mm的冰相粒子概率較高,從而導(dǎo)致大的ZH、ZDR(甚至5 dB以上的ZDR高值)和偏小的CC,融化的冰相粒子也可導(dǎo)致KDP增大甚至出現(xiàn)奇異值。 “降水為主型”強降水天氣具有深厚的濕層和較高的濕球0℃層高度,干層強度較弱(平均ΔTd為7.5℃),干空氣夾卷與蒸發(fā)效應(yīng)不明顯,粒子下降速度相對偏小,粒子在0℃層高度或濕球0℃層高度之下歷時較長,小的冰相粒子融化較為明顯,在低層基本表現(xiàn)為純的液態(tài)粒子,粒子直徑相對偏小,其結(jié)果就是ZH和ZDR偏小,CC偏大。

1～2 mm·min-1和3 mm·min-1以上降水,“混合型”強降水的KDP平均值均稍大于“降水為主型”強,KDP區(qū)間值上限明顯偏大,結(jié)合CC區(qū)間值下限偏小,表明“混合型”強降水風(fēng)暴低層KDP不僅存在較高濃度的液態(tài)粒子,而且有融化的冰雹粒子干擾(KDP不僅對液態(tài)粒子濃度較為敏感,融化的冰相粒子也可導(dǎo)致KDP增大),“降水為主型”強降水風(fēng)暴低層基本表現(xiàn)為較高濃度的液態(tài)粒子。2～3 mm·min-1降水,“混合型”強降水KDP平均值稍小于“降水為主型”強對流,區(qū)間值基本相當(dāng),無論是“混合型”強降水還是“降水為主型”強降水基本表現(xiàn)為較高濃度的液態(tài)粒子。

3 結(jié) 論

本文利用山東S波段雙偏振雷達(dá)探測資料,對2019—2021年5—8月兩類強降水風(fēng)暴低層不同分鐘降水量級偏振參量特征進(jìn)行了分析,討論了六種不同情況下強降水風(fēng)暴低層偏振特征差異的環(huán)境因素和云微物理特征,得出如下結(jié)論:

(1)隨著分鐘降水量級增大,兩種類型強降水風(fēng)暴低層ZH和KDP都隨之增大;“降水為主型”風(fēng)暴ZDR和CC變化不明顯,“混合型”風(fēng)暴ZDR和CC減小。說明隨著降水量級增大,兩種類型風(fēng)暴低層液態(tài)粒子濃度增大。“混合型”風(fēng)暴低層尺寸更大的冰雹干擾增多,導(dǎo)致ZDR和CC減小?！敖邓疄橹餍汀憋L(fēng)暴低層ZDR無明顯變化,表明液態(tài)粒子大小隨著降水強度增大無明顯變化。

(2)對于2 mm·min-1以上高強度降水,“混合型”強降水風(fēng)暴低層ZH、ZDR、KDP分別集中在50.5～57.0 dBz、1.7～2.7 dB、2.4～4.3°·km-1,CC在0.960以上,液態(tài)粒子濃度較高,回波強度較強;“降水為主型”強降水風(fēng)暴低層ZH、ZDR、KDP分別集中在49.5～53.5 dBz、1.2～2.1 dB、2.5～3.9°·km-1,CC在0.970以上。說明這種情況下多數(shù)“混合型”對流風(fēng)暴含有大量5～10 mm左右的小冰雹,濕球0℃層高度較低,較小冰雹在低層融化為大雨滴,明顯增加了相應(yīng)的ZDR值,也導(dǎo)致回波強度ZH高于“降水為主型”。

(3)對比兩類強降水風(fēng)暴低層相同分鐘降水量級偏振特征,“混合型”強降水的ZH和ZDR大于“降水為主型”,而CC小于“降水為主型”。主要因為“混合型”強降水內(nèi)部不僅存在較多5～10 mm較小冰雹,還存在一些大的冰雹粒子,在低層融化為大雨滴或小的冰相粒子,導(dǎo)致ZH和ZDR較大而CC較小?！敖邓疄橹餍汀睆娊邓兄挥猩倭恐睆?～10 mm 的較小冰雹,濕球0℃層高度較高,融化后在低層形成尺寸較小的雨滴。

(4)無論是“混合型”強降水還是“降水為主型”強降水,風(fēng)暴低層最典型特征是有大的KDP,相同分鐘降水量級情況下平均值差別不明顯,因此將KDP應(yīng)用于強降水估測具有明顯優(yōu)勢。在無明顯冰雹干擾(ZH<60 dBz)的情況下,1～2 mm·min-1、2～3 mm·min-1、3 mm·min-1以上降水KDP分別在1.4～2.6°·km-1、2.2～3.3°·km-1、3.3～4.4°·km-1。