基于X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)的超級單體風(fēng)暴觀測分析

張羽，陳炳洪，曾琳，沈曉鈿，傅佩玲，劉顯通

(1. 廣州市氣象臺，廣東 廣州 511430；2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州 510641)

1 引言

超級單體風(fēng)暴是所有強對流風(fēng)暴中組織化程度最高，發(fā)展最猛烈的一種，極易造成冰雹、大風(fēng)、短時強降水、甚至龍卷風(fēng)等極端強對流天氣[1-3]。天氣雷達(dá)是觀測和研究超級單體風(fēng)暴最有效的工具，早期天氣雷達(dá)獲取的探測參數(shù)單一，主要圍繞反射率特征開展超級單體觀測研究，發(fā)現(xiàn)超級單體在上升氣流的作用下出現(xiàn)回波懸垂、鉤狀回波、有界弱回波區(qū)等特征[4-5]。多普勒天氣雷達(dá)出現(xiàn)后，通過對徑向速度資料的分析，可進(jìn)一步研究超級單體風(fēng)暴內(nèi)部的渦旋結(jié)構(gòu)特征。Donaldson[6]利用多普勒天氣雷達(dá)首次觀測到超級單體的中氣旋結(jié)構(gòu)，隨后越來越多的觀測個例都證實了超級單體總與中氣旋相伴出現(xiàn)，并先后建立了超級單體的流場概念模型和中尺度概念模型[7-9]。隨著觀測個例的增多和研究的深入，發(fā)現(xiàn)超級單體又可進(jìn)一步分為弱降水超級單體、經(jīng)典超級單體和強降水超級單體[10]。由于多普勒天氣雷達(dá)屬于單偏振體制雷達(dá)，無法獲取降水粒子的尺寸、相態(tài)等信息，導(dǎo)致過去對超級單體的研究多集中于風(fēng)暴結(jié)構(gòu)和動力特征，對相關(guān)云物理過程的分析較少。雙偏振探測理論出現(xiàn)后，雙偏振雷達(dá)逐漸應(yīng)用于強對流觀測研究[11]。與多普勒天氣雷達(dá)相比，雙偏振雷達(dá)通過發(fā)射水平和垂直兩種極化電磁波，除可以獲取降水粒子的反射率因子Z和徑向速度V參數(shù)外，還可以進(jìn)一步獲取差分反射率因子ZDR、差分相移率KDP、相關(guān)系數(shù)CC 等偏振參數(shù)，這些參數(shù)演變與降水粒子的形狀、相態(tài)、空間取向等關(guān)系密切，廣泛應(yīng)用于粒子相態(tài)識別和定量降水估測[12-14]。超級單體內(nèi)部云物理過程復(fù)雜，降水粒子相態(tài)多樣，通過雙偏振參量分析可發(fā)現(xiàn)更多的觀測特征。比如可觀測到對流風(fēng)暴中存在ZDR柱、KDP柱、冰雹的CC會變小等[15-16]。超級單體風(fēng)暴的雙偏振參量特征：如ZDR弧、CC 谷、ZDR環(huán)和CC 環(huán)等也先后得到大量證實[17-19]。

盡管天氣雷達(dá)在超級單體監(jiān)測觀測中發(fā)揮了重要作用，但是常規(guī)天氣雷達(dá)均采用天線機械驅(qū)動的掃描方式，常用的VCP21 模式下共有9 個仰角，耗時約6 min。這種模式存在掃周期過長，垂直方向分辨率較差等不足，難以獲取超級單體內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)和云微物理特征[20]。相控陣天氣雷達(dá)通過相位控制掃描，其波束的轉(zhuǎn)換更靈活迅速，能夠在1 min 之內(nèi)完成一個體掃。世界主要發(fā)達(dá)國家較早開展了相控陣天氣雷達(dá)的觀測與應(yīng)用研究，并取得了一些重要的成果[21-22]。在我國，早期相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)主要用于軍事和航天等領(lǐng)域，近年來也開展了相控陣天氣雷達(dá)技術(shù)的相關(guān)研發(fā)工作[23-25]。目前，國內(nèi)正在開展X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)的組網(wǎng)建設(shè)，前期觀測試驗表明，X 波段相控陣?yán)走_(dá)可較好地彌補S 波段雷達(dá)觀測盲區(qū)，提升龍卷等快速演變的中小尺度天氣系統(tǒng)精細(xì)監(jiān)測預(yù)警能力[26-27]。

2020 年3 月27 日傍晚，廣州地區(qū)發(fā)生了一次超級單體風(fēng)暴導(dǎo)致的局地冰雹和大風(fēng)過程，本文使用位于廣州番禺的X 波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)對超級單體風(fēng)暴的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其演變進(jìn)行分析，以期加深對雷達(dá)探測能力和超級單體風(fēng)暴精細(xì)觀測特征的認(rèn)識，并為未來X 波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)在短臨監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)中的應(yīng)用提供探索和參考。

2 資料來源及說明

廣州目前建成有5 部X 波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)和1 部S 波段業(yè)務(wù)雷達(dá)(圖1)。本文用于分析的S 波段雷達(dá)和X 波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)都位于廣州市番禺區(qū)，兩者相距約3.8 km。表1 是X 波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)主要性能參數(shù)，其中最小距離庫長為30 m，掃描仰角范圍為0.9～20.7 °(共11層)，完成一次體掃的時間約為90 s。雷達(dá)在體積掃描時首先在一個方位上進(jìn)行相控陣掃描(RHI)，然后切換到另一個方位角，再繼續(xù)完成多層仰角掃描。與傳統(tǒng)雷達(dá)掃描模式相比，這種掃描方式可獲取更準(zhǔn)確的降水系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)信息。另外雷達(dá)具備雙偏振探測能力，在工作時采用雙發(fā)雙收模式，即同步發(fā)射和接收水平偏振及垂直偏振波，可同時獲取回波強度Z、徑向速度V、速度譜寬W、差分反射率因子ZDR、差分相移率KDP、相關(guān)系數(shù)CC等觀測參數(shù)。

表1 X 波段相控陣?yán)走_(dá)主要性能參數(shù)

圖1 廣州天氣雷達(dá)分布圖

另外，雷達(dá)信號的衰減問題是影響雷達(dá)探測準(zhǔn)確性的重要因素，尤其是X 波段雷達(dá)，在強回波時受衰減影響明顯，引起較大的觀測誤差，本文利用自適應(yīng)衰減訂正算法對Z、ZDR進(jìn)行衰減訂正[28]。為了將雙偏振參數(shù)與具體相態(tài)聯(lián)系起來，通過模糊邏輯方法將各水凝物相態(tài)的特征與雷達(dá)觀測量相聯(lián)系，本文使用的相態(tài)識別方法參考美國業(yè)務(wù)運行的HCA 算法[12]，使用Z、ZDR、CC、KDP、Z的標(biāo)準(zhǔn)差[SD(Z)]、差分相移φDP的標(biāo)準(zhǔn)差[SD(φDP)]作為輸入，通過模糊邏輯運算、權(quán)重值計算，顯著性水平檢驗，0 ℃層識別、降水類型識別、經(jīng)驗閾值檢查等步驟后得到11 種類型的相態(tài)粒子，包括：小雨、中雨、大雨、大滴、冰雹、雨夾雹、霰/雹、干雪、濕雪、冰晶、地物雜波等。

3 X波段相控陣?yán)走_(dá)與S波段業(yè)務(wù)雷達(dá)觀測對比

2020 年3 月27 日17 時(北京時間，下同)左右，廣州S 波段雷達(dá)觀測到佛山一帶有對流回波生成并東移靠近廣州。17:00 前后，多個對流風(fēng)暴單體在佛山合并，隨后快速增強。18:00，風(fēng)暴位于廣佛交界區(qū)域，最大回波強度達(dá)到74 dBZ，徑向速度圖上出現(xiàn)了中尺度氣旋，高層仰角出現(xiàn)三體散射(圖略)，表明已經(jīng)發(fā)展為超級單體風(fēng)暴。圖2 是17:42—18:36 超級單體風(fēng)暴參數(shù)的演變圖，17:42—18:00 風(fēng)暴快速發(fā)展增強，其中最大反射率因子(DBZM)由60 dBZ 增加到75 dBZ，最大反射率因子對應(yīng)高度(DBZM HT)由2 km 迅速增加到6.4 km，垂直累積液態(tài)含水量(VIL)由21 kg/m2激增至56 kg/m2。此后DBZM HT、VIL都開始迅速降低。18:18，DBZM HT 降低至2.2 km，VIL 降低至36 kg/m2。DBZM HT 高度的降低預(yù)示著風(fēng)暴核心區(qū)的坍塌，有利于下層氣流加速在地面形成大風(fēng)。VIL 驟降表明地面可能開始出現(xiàn)降雹。從地面觀測實況看，18:12 后在廣州市區(qū)出現(xiàn)小冰雹，荔灣區(qū)逢源街逢源路出現(xiàn)了17.3 m/s的地面大風(fēng)。

圖2 2020年3月27日17:42—18:36 S波段雷達(dá)觀測的超級單體風(fēng)暴特征參數(shù)的時間演變

此次超級單體風(fēng)暴發(fā)展演變迅速，20 min 左右就由普通風(fēng)暴發(fā)展為超級單體風(fēng)暴，并造成地面冰雹和大風(fēng)。雖然S 波段雷達(dá)能夠看到風(fēng)暴的增強發(fā)展過程，但是受時空分辨率影響，無法監(jiān)測到風(fēng)暴的精細(xì)短時變化，難以為監(jiān)測預(yù)警爭取更多的時間。相控陣?yán)走_(dá)憑借其更高的時空分辨率，在精細(xì)監(jiān)測方面具有獨特優(yōu)勢。18:00 前后風(fēng)暴距離廣州番禺相控陣?yán)走_(dá)約20 km，進(jìn)入其最佳探測范圍，同時風(fēng)暴達(dá)到最旺盛階段，因此利用相控陣?yán)走_(dá)對超級單體風(fēng)暴特征做進(jìn)一步分析。圖3和圖4分別為18:00—18:12 S 波段雷達(dá)與相控陣?yán)走_(dá)連續(xù)探測的超級單體強度和徑向速度的對比圖，從掃描速度看，在12 min 內(nèi)，S 波段雷達(dá)完成了3 次體掃，相控陣?yán)走_(dá)完成9 次體掃。短短12 min內(nèi)，超級單體的回波強度和中氣旋強度都在迅速增加，組織結(jié)構(gòu)更加緊密，表明超級單體進(jìn)入關(guān)鍵的快速增強階段。從回波結(jié)構(gòu)看，相控陣?yán)走_(dá)由于徑向空間分辨率為30 m，可更精細(xì)地觀測到風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)特征，如風(fēng)暴前側(cè)的入流缺口特征。在風(fēng)暴后側(cè)，由于相控陣?yán)走_(dá)受衰減影響明顯，未觀測到類似S 波段雷達(dá)的三體散射特征，而是出現(xiàn)明顯的“V”型衰減缺口，導(dǎo)致無法觀測到風(fēng)暴后側(cè)回波。V 型缺口隨著風(fēng)暴強度的發(fā)展會出現(xiàn)一定的變化，風(fēng)暴越強，缺口深度越深，V 型夾角越小，因此也可一定程度反映風(fēng)暴的增強發(fā)展趨勢。從回波強度看，S波段雷達(dá)觀測到的最大反射率為74 dBZ，相控陣?yán)走_(dá)最大反射率為68 dBZ，盡管經(jīng)過了衰減訂正，相控陣?yán)走_(dá)觀測的回波強度還是低于S 波段，這可能與大降水粒子對不同波段雷達(dá)的不同散射有關(guān)，超級單體內(nèi)部含有大量大粒子，對于波長較短的X 波段雷達(dá)，可能就不再滿足雷達(dá)方程計算粒子后向散射截面時常用的瑞利散射假設(shè)，而是進(jìn)入了米散射區(qū)，因此造成波長更短的相控陣?yán)走_(dá)觀測的最大回波強度低于S 波段雷達(dá)。從徑向速度圖看(圖4)，兩部雷達(dá)都觀測到中尺度氣旋，但是相控陣?yán)走_(dá)更高的時空分辨率可精細(xì)地監(jiān)測到中氣旋強度發(fā)展增強的完整過程。從圖4d～4l 可看出，18:00—18:12，中氣旋的入流速度變化不大，基本穩(wěn)定在12 m/s左右，出流速度和面積則迅速增大，由10 m/s 增加至最大23 m/s。相控陣?yán)走_(dá)精細(xì)地監(jiān)測到了這一發(fā)展變化過程。

圖3 2020年3月27日18:00—18:12 S波段雷達(dá)2.4 °仰角(a～c)與相控陣?yán)走_(dá)2.7 °仰角(d～l)反射率對比

圖4 2020年3月27日18:00—18:12 S波段雷達(dá)2.4 °仰角(a～c)與相控陣?yán)走_(dá)2.7 °仰角(d～l)徑向速度對比

4 超級單體近地層特征

圖5 是2020 年3 月27 日18:10 相控陣?yán)走_(dá)2.7 °仰角PPI 觀測的超級單體回波圖?；夭ㄇ皞?cè)出現(xiàn)明顯的倒“V”字形結(jié)構(gòu)的入流缺口(圖5a)，缺口附近存在一個中尺度氣旋(圖4k)，旋轉(zhuǎn)速度約為18 m/s，達(dá)到中等強度中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，可判斷此處為超級單體低層輻合上升氣流區(qū)。在入流區(qū)附近存在一個CC 顯著降低的區(qū)域(圖5b)，呈現(xiàn)明顯的弱回波特征，這可能是由于在風(fēng)暴的低層入流區(qū)域，強烈的上升氣流將雨滴帶入高層，低層入流區(qū)附近水成物含量降低后返回信號的信噪比也隨之下降，造成在入流區(qū)附近CC 值顯著降低，形成CC谷[29]。強回波核心區(qū)對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)較低(圖5b)，最小約0.7。對應(yīng)的ZDR和KDP則較高，表明此處可能伴有融化的冰雹、雨滴等多種混合相態(tài)粒子，導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)降低。強回波后側(cè)的V 型缺口區(qū)域，也出現(xiàn)了CC明顯降低的區(qū)域(圖5b)，最低低至0.4左右。此處相關(guān)系數(shù)的顯著降低可能有多種因素造成，一是強回波核內(nèi)部存在大量非球形粒子，其對水平和垂直波束衰減不一致，造成兩者相關(guān)性顯著降低。二是強回波核心區(qū)域可能存在非均勻波束充塞，導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)下降。

圖5 2020年3月27日18:06相控陣?yán)走_(dá)2.7 °仰角的Z(a)、CC(b)、ZDR(c)、KDP(d)

在超級單體回波最前側(cè)觀測到呈弧狀分布的ZDR大值區(qū)(圖5c)，長度約30 km，最大值超過5 dB，稱作ZDR弧，這是超級單體在低層最明顯的偏振特征。ZDR弧和反射率大值區(qū)并不完全重合，而是位于最前側(cè)的反射率梯度大值區(qū)。散射理論表明，較高的ZDR值主要與大的非球形粒子有關(guān)，主要由濃度不高的大雨滴構(gòu)成；大雨滴集中分布在超級單體前進(jìn)方向的最前側(cè)，可能與粒子分選機制有關(guān)。數(shù)值模擬實驗表明超級單體高低層的風(fēng)垂直切變會導(dǎo)致小的降水粒子(下落末速度小，受環(huán)境風(fēng)作用時間更長)比大的降水粒子(下落末速度大，受環(huán)境風(fēng)作用時間更短)平流到更遠(yuǎn)的區(qū)域[30]，進(jìn)而造成了不同尺寸粒子分布的排序。從ZDR弧的演變特征看，17:55—18:25 在超級單體低層都觀測到ZDR弧特征，此時正是超級單體迅速增強發(fā)展期，此后隨著冰雹降落地面，單體減弱，ZDR弧特征逐漸消失。說明ZDR弧主要出現(xiàn)在超級單體增強階段，這對判斷超級單體的發(fā)展趨勢和臨近預(yù)警有重要指示意義。在超級單體強回波的后側(cè)，還觀測到明顯的ZDR負(fù)值區(qū)，最低至-4 dB，這主要是由于超級單體內(nèi)部有大量扁平狀的大粒子，導(dǎo)致雷達(dá)水平偏振波的衰減率Ah大于垂直偏振波的衰減率Av，明顯降低累積的效果使ZDR為負(fù)值。KDP大值區(qū)位于Z大值區(qū)中后側(cè)區(qū)域(圖5d)，最大值達(dá)8 °/km，Romine[31]將這一特征定義為KDP足，KDP足的存在說明回波的中后側(cè)區(qū)域雨滴數(shù)密度大，有大量的雨滴在此匯集，對應(yīng)的是超級單體降水最強區(qū)域。

另外，在S 波段雷達(dá)圖上也能觀測到類似的ZDR弧和KDP分布特征(圖略)，但他們的觀測值卻不同。S波段雷達(dá)觀測的ZDR弧最大值約為4 dB，KDP最大值約為3 °/km。這主要是由于同一目標(biāo)物對不同波段電磁波的散射差異造成，當(dāng)目標(biāo)物的非球形特征明顯時，差異會更明顯。觀測分析表明X波段相控陣?yán)走_(dá)KDP值約為S波段雷達(dá)3.3倍[32]。

5 超級單體中層特征

圖6 是2020 年3 月27 日18:06 相控陣?yán)走_(dá)觀測的超級單體13.5 °仰角的Z(a)、ZDR(b)、CC(c)產(chǎn)品圖。對應(yīng)風(fēng)暴中心所在高度約4 km(與當(dāng)日08時探空獲取的環(huán)境0 ℃層高度大值相當(dāng))。風(fēng)暴中心的西南側(cè)存在明顯的環(huán)形ZDR大值區(qū)和環(huán)形的CC 低值區(qū)，稱作ZDR環(huán)和CC 環(huán)。ZDR環(huán)強度從里到外呈“低-高-低”的分布，中心區(qū)域低至-1 dB，環(huán)形區(qū)域大部分在1.5 dB 以上，最外側(cè)再次降低至0 dB 左右。CC 環(huán)強度則呈“高-低-高”的分布，中心區(qū)域CC 值在0.95以上，環(huán)形區(qū)域在0.8以下，最外層再次增加到0.9 以上。在反射率圖上未觀測到環(huán)形特征。Kumjian 等[33]對超級單體的觀測研究表明，ZDR環(huán)和CC 環(huán)在氣旋性渦度影響下環(huán)繞在上升氣流周邊，多出現(xiàn)在融化層附近，是超級單體在中層的重要偏振觀測特征。形成這一現(xiàn)象的主要原因是超級單體中層的上升氣流具有正的溫度擾動，冰相粒子隨著上升氣流抬升的過程中會在氣流邊緣落下，并部分或完全融化，引起周圍粒子含水量增加。由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)高于冰相粒子，因此對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的介電常數(shù)也將明顯增大。ZDR參數(shù)對介電常數(shù)的取值十分敏感，最終導(dǎo)致上升氣流附近ZDR明顯增加，形成環(huán)形或者半環(huán)形的ZDR大值帶。同時環(huán)形帶內(nèi)液相粒子、冰相粒子等多種相態(tài)粒子共存，不同相態(tài)粒子的尺寸、形狀、介電常數(shù)都存在差異，又會使得CC 顯著降低，形成CC 環(huán)。從時間演變來看，ZDR環(huán)和CC 環(huán)主要出現(xiàn)在17:55—18:25，正是超級單體快速增強階段，說明ZDR環(huán)的形成與上升氣流強度密切相關(guān)。當(dāng)超級單體進(jìn)入減弱消亡階段時，上升氣流減弱，內(nèi)部逐漸轉(zhuǎn)為下層氣流為主，ZDR環(huán)和CC 環(huán)特征也逐漸消失。因此，ZDR環(huán)和CC 環(huán)可用于指示超級單體發(fā)展趨勢和中層上升氣流位置。

圖6 2010年3月27日18:06相控陣?yán)走_(dá)13.5 °仰角的Z(a)、ZDR(b)、CC(c)

6 超級單體高層特征

圖7 是2020 年3 月27 日18:06 相控陣?yán)走_(dá)20.7 °仰角觀測的超級單體回波的Z(a)、CC(b)、ZDR(c)、HCL(d)，對應(yīng)高度約7 km。超級單體ZH高值區(qū)域?qū)?yīng)著ZDR和CC 的低值區(qū)，ZDR接近于0，CC低至0.6，預(yù)示著大冰雹的存在，也符合典型的大冰雹偏振觀測特征。大冰雹的偏振特征與降水明顯不同，雨滴的扁率隨直徑的增加而增加，并且方向很好。因此，在雨中，高ZH對應(yīng)著高的ZDR。而大冰雹由于所在高度遠(yuǎn)高于融化層，更加干燥，在形態(tài)上多表現(xiàn)為帶突出物的橢圓或圓錐，在上升氣流作用下在空中存在翻滾的現(xiàn)象，類似于各向同性的球形，所以對應(yīng)的差分反射率接近于0。而如果大冰雹在降落的過程中出現(xiàn)融化，其ZDR值就會相對較高。大冰雹區(qū)CC 降低主要是由于不同尺寸、不同軸比冰雹粒子、水滴、冰粒等混合導(dǎo)致水平和垂直偏振信號相關(guān)性較差引起。從粒子相態(tài)識別看，此區(qū)域也識別出明顯的冰雹區(qū)。這一特征有利于識別出空中冰雹粒子，對提前發(fā)布冰雹預(yù)警具有指示意義。

圖7 2020年3月27日18:06相控陣?yán)走_(dá)20.7 °仰角觀測的超級單體回波Z(a)、ZDR(b)、CC(c)、HCL(d)

7 垂直結(jié)構(gòu)特征

相控陣?yán)走_(dá)與S 波段雙偏振雷達(dá)在掃描方式上存在明顯不同，S 波段雷達(dá)在垂直方向僅掃描9層仰角，高層仰角之間存在較大的掃描間隙，且完成一次掃描需要6 min。相控陣?yán)走_(dá)在垂直方向采用電子掃描，各仰角間連續(xù)無間隙，掃描層數(shù)為11 層，完成一次掃描僅需0.2 s 左右，因此更有利于監(jiān)測風(fēng)暴內(nèi)精細(xì)的垂直結(jié)構(gòu)。圖8 是18:06 沿292 °方位角的超級單體垂直剖面圖，以進(jìn)一步分析超級單體的垂直結(jié)構(gòu)特征。ZH圖上60 dBZ 以上強回波發(fā)展高度達(dá)到6 km，呈現(xiàn)明顯的回波懸垂和有界弱回波區(qū)結(jié)構(gòu)。徑向速度的垂直剖面圖上，低層觀測到明顯的徑向速度輻合，入流速度最大為10～15 m/s。高層存在風(fēng)速大值區(qū)，最大超過27 m/s，導(dǎo)致出現(xiàn)速度模糊。ZDR圖上出現(xiàn)ZDR柱，位于有界弱回波區(qū)上方，發(fā)展高度達(dá)到6 km，接近-10 ℃層高度。表明ZDR柱附近有強上升氣流，可將大量水成物粒子帶至環(huán)境0 ℃層高度之上的負(fù)溫區(qū)，形成凍結(jié)雨滴，而凍滴是雹胚的主要來源之一。飛機觀測證實，ZDR內(nèi)存在少量直徑＞2 mm 的雨滴及少許包有水膜的冰雹[34-35]，多種混合相態(tài)粒子的存在會導(dǎo)致對應(yīng)區(qū)域的CC 降低(圖8e)。KDP圖上觀測到KDP＞0.5 °/km 的區(qū)域伸展到0 ℃層以上，這一現(xiàn)象稱為KDP柱。KDP柱主要有大量混合相態(tài)的水成物組成，通常與對面雨強中心具有較好的對應(yīng)關(guān)系。從空間位置看，KDP柱與ZDR柱空間位置并不完全一致，KDP柱位于ZDR柱的左側(cè)，與Zh的高值區(qū)對應(yīng)。KDP柱最大發(fā)展高度超過7 km，表明低層有大量的水成物粒子被輸送到高空并匯聚。ZH、ZDR、KDP和CC 圖近地面的黑色圓圈，則是冰雹下落到地面的雙偏振特征。ZDR中的圓圈稱為“ZDR洞”，是冰雹翻滾落到地面的區(qū)域[36]。KDP中的圓圈處是由于冰雹在近地面融化后造成水凝物濃度增大，因此在近地層出現(xiàn)KDP大值區(qū)；CC 的圓圈說明冰雹達(dá)到地面時CC 值小，有冰雹以及冰融化后雨包膜的混合相態(tài)。從粒子相態(tài)識別剖面圖看(圖8f)，高層存在大量的冰雹粒子，近地層有部分冰雹粒子降落到地面，與黑色圓圈所在位置對應(yīng)。這些特征對識別冰雹在地面的降落時間和位置具有很好的指示意義。

圖8 2020年3月27日18:06相控陣?yán)走_(dá)觀測超級單體沿圖3通過風(fēng)暴中心的292 °方位角做的垂直剖面圖Z(a)、V(b)、ZDR(c)、KDP(d)、CC(e)、HCL(f)

-10～-20 ℃層是有利于冰雹增長的關(guān)鍵區(qū)域，潘佳文等[15]利用S 波段雙偏振雷達(dá)對46 次冰雹過程的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在大冰雹事件中有83%的對流風(fēng)暴ZDR柱伸展高度達(dá)到-20 ℃層高度，而在小冰雹事件中僅有46%的對流風(fēng)暴達(dá)到。相控陣?yán)走_(dá)由于掃描仰角和掃描頻次的增加，可更好地追蹤ZDR柱的高度及發(fā)展演變。圖9 是ZDR柱高度的演變圖(將ZDR≥1 作為判斷最大高度閾值)，17:40ZDR柱高度已經(jīng)達(dá)到4.2 km，超過0 °層高度。此后ZDR柱的伸展高度隨著主上升氣流的增強持續(xù)增長。17:52 高度發(fā)展到6 km，達(dá)到-10 ℃層高度；18:06 前后，ZDR柱高度最大高度接近8 km，超過當(dāng)日-20 ℃層高度，表明超級單體發(fā)展也進(jìn)入最強盛時期。18:10 后，隨著水成物粒子尺寸的增長，冰雹粒子累積區(qū)向主上升氣流的上、下延伸，ZDR高度開始逐漸降低，表明上升氣流開始減弱，由于超級單體高層存在大冰雹，當(dāng)上升氣流無法托載住冰雹時就會使得冰雹下落，冰雹下落的拖拽作用進(jìn)一步削弱上升氣流的強度，這也預(yù)示著冰雹即將開始降落到地面。18:06 的粒子相態(tài)識別剖面圖結(jié)果表明此時有部分冰雹已經(jīng)開始降落到地面。在近地面還觀測到冰雹與大雨滴的混合物，說明部分冰雹在下降過程中出現(xiàn)了融化。根據(jù)地面報告，18:13 后廣州荔灣區(qū)、天河區(qū)先后觀測到小冰雹。數(shù)值模擬結(jié)果表明ZDR柱的發(fā)展高度與上升氣流的強度正相關(guān)，這對判斷風(fēng)暴的增強發(fā)展具有預(yù)示性[37]。潘佳文等[15]對大冰雹的ZDR柱統(tǒng)計分析表明，ZDR柱伸展高度極值早于降雹時刻出現(xiàn)，對于冰雹的識別具有提前量。大冰雹事件提前量約為24 min，小冰雹事件提前量約為11 min。對于本次過程，具有類似特征，ZDR柱的極值出現(xiàn)時間比地面降雹時間提前約12 min。

圖9 17:40—18:20超級單體ZDR柱高度演變

8 結(jié)論

利用X 波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)對2020 年3 月27日發(fā)生在我國華南地區(qū)的一次超級單體風(fēng)暴成熟階段的精細(xì)特征開展分析。

(1) 相控陣?yán)走_(dá)具有更快的掃描速度，更高的空間分辨率，有利于監(jiān)測超級單體的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征及演變。但是受衰減影響明顯，難以觀測到超級單體的完整結(jié)構(gòu)。

(2) 超級單體低層強勁的入流可將近地層的水成物吸入上升氣流中，在入流缺口附近形成CC谷；高低層強烈的風(fēng)切變將小粒子輸送到更遠(yuǎn)的區(qū)域，而大粒子在風(fēng)暴最前側(cè)聚集，形成ZDR弧。ZDR弧主要出現(xiàn)在超級單體快速增強階段，這對超級單體的發(fā)展具有較好的預(yù)示性。

(3) 超級單體的中層(融化層附近)上升氣流具有正的溫度擾動，部分冰相粒子在上升氣流周邊下落時部分或完全融化，形成ZDR環(huán)和CC 環(huán)。ZDR環(huán)和CC 環(huán)的形成和上升氣流強度密切相關(guān)，可指示超級單體發(fā)展趨勢和中層上升氣流位置。

(4) 超級單體的高層高反射率因子區(qū)對應(yīng)的ZDR和CC 都較低，符合大冰雹的典型偏振觀測特征。通過粒子相態(tài)識別產(chǎn)品可進(jìn)一步驗證超級單體高層存在大冰雹。

(5) 超級單體有界弱回波區(qū)上方有大量水成物粒子被上升氣流帶至0 ℃層高度之上，形成ZDR柱。ZDR柱的伸展高度隨著上升氣流的增強持續(xù)增長，相控陣?yán)走_(dá)高時空分辨率特點有利于追蹤ZDR柱高度的發(fā)展演變。冰雹開始降落后，上升氣流減弱，ZDR柱迅速降低，這對判斷超級單體的發(fā)展和冰雹的預(yù)警具有一定的提前量。

(6) 冰雹下落至近地面時，冰雹的翻滾特征導(dǎo)致出現(xiàn)ZDR洞。冰雹降落時會部分融化，導(dǎo)致含水量顯著增加，因此出現(xiàn)KDP大值區(qū)。冰雹以及冰雹融化后雨包膜的混合相態(tài)使得降雹區(qū)的CC 降低。這些特征對識別冰雹在地面的降落時間和位置具有很好的指示意義。

需要說明的是，本文僅是利用X 波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)對一次超級單體風(fēng)暴的觀測分析，且以定性分析為主?？紤]雷達(dá)在觀測強回波時受衰減影響明顯，各偏振量之間的定量關(guān)系還需進(jìn)一步研究，結(jié)果是否具有普適性還需要更多的觀測資料進(jìn)行驗證。