遼寧“21·11”特大暴雪的雙偏振雷達(dá)參量特征分析

金 巍， 胡志群， 曲姝霖， 于 涵， 李 黎

（1. 鞍山市氣象局，遼寧 鞍山 114004； 2. 中國氣象科學(xué)院 災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081； 3. 中國科學(xué)院空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190； 4. 蘭州大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；5. 遼陽市氣象局，遼寧 遼陽 111000； 6. 營口市氣象局，遼寧 營口 115000）

0 引言

對(duì)降雪過程大多為宏觀特征分析研究，隨著國內(nèi)新一代天氣雷達(dá)的偏振升級(jí)改造，通過偏振量的分析和質(zhì)量評(píng)估，讓人們能夠識(shí)別水凝物相態(tài)及譜分布，加深理解降水過程中微物理演變，提升降水的預(yù)報(bào)能力［1-4］。同過去多普勒雷達(dá)相比，雙偏振雷達(dá)含有差分反射率（ZDR）、差分傳播相移率（KDP）和相關(guān)系數(shù)（CC）產(chǎn)品，可以更加微觀地監(jiān)測(cè)粒子的微物理特征［5-7］。

因此，近年來我國基于雙偏振雷達(dá)進(jìn)行質(zhì)量控制和對(duì)雨雪天氣的分析也有了一些微觀特征的研究成果。張哲等［8］在雙偏振多普勒天氣雷達(dá)的定量降水的應(yīng)用中得出，水平極化反射率因子強(qiáng)度（ZH）、ZDR和KDP與降水粒子有關(guān)。江慧遠(yuǎn)［9］在強(qiáng)對(duì)流特征及風(fēng)場(chǎng)分析中，發(fā)現(xiàn)冰雹發(fā)展時(shí)段，可以觀測(cè)到偏振參量ZDR柱和KDP柱，ZDR柱與大滴粒子出現(xiàn)相一致，與粒子相態(tài)識(shí)別結(jié)果相符。雍佳［10］在暴雪垂直結(jié)構(gòu)的云微物理特征研究中，發(fā)現(xiàn)在2 km 高度附近，暴雪過程具有暖性層云結(jié)構(gòu)，存在一條ZDR強(qiáng)回波帶。荀愛萍等［11］統(tǒng)計(jì)分析雙偏振雷達(dá)的偏振參量資料得到，ZDR、KDP同粒子外形和相態(tài)有關(guān)。陶然亭［12］分析了中國東部地區(qū)不同速型降雪過程中的偏振參量特征。武靜雅等［13］利用Ka 和X 波段雙偏振雷達(dá)對(duì)北京一次降雪的分析得出，雪帶的垂直結(jié)構(gòu)僅包括三層，分別是凝結(jié)增長(zhǎng)層、叢集層和淞附層。曹俊武等［14-15］研究發(fā)現(xiàn)了雙偏振雷達(dá)ZDR識(shí)別降水粒子效果好于KDP和CC。在國內(nèi)［12］和國外［16-17］研究中，均發(fā)現(xiàn)地面降雪量的增加與高空增大的KDP相一致。

鄭佳鋒等［18］、谷娟等［19］、林青云等［20］、徐舒揚(yáng)等［21］先后對(duì)雙偏振天氣雷達(dá)對(duì)降雨或降雪水凝物識(shí)別進(jìn)行了分析和研究?？芾倮俚龋?2］發(fā)展了多種基于雙偏振觀測(cè)量的定量降水估計(jì)方法，得出雙偏振雷達(dá)對(duì)降水估計(jì)的準(zhǔn)確度比單偏振關(guān)系R（Z）有所提升。陶然亭［12］、吳楊等［23］研究得出，在溫度高空低、近地層高的降雪過程，ZH、ZDR、KDP閾值特征分別為30 dBZ、0～0.5 dB、0.1 （°）·km-1。

利用業(yè)務(wù)使用的雙偏振天氣雷達(dá)資料進(jìn)行我國北方降雪研究相對(duì)較少，希望通過基于雙偏振雷達(dá)對(duì)遼寧罕見特大暴雪的偏振參量特征分析，進(jìn)一步了解北方暴雪發(fā)生特點(diǎn)，為預(yù)報(bào)員進(jìn)行極端災(zāi)害性暴雪天氣分析提供個(gè)例參考。

1 暴雪過程簡(jiǎn)介

1.1 資料說明

包括營口S 波段雙偏振雷達(dá)資料、常規(guī)氣象觀測(cè)資料和再分析資料。由于11 月中國東北地區(qū)對(duì)流高度較低，所以使用資料的最大高度取為10 km。文中所使用的時(shí)間均為世界時(shí)。已完成對(duì)營口雙偏振雷達(dá)反射率水平通道和垂直通道插值質(zhì)控工作，營口雙偏振雷達(dá)運(yùn)行不到一年，系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)測(cè)表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)誤差范圍小，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

1.2 暴雪概況

2021 年11 月7—9 日，遼寧地區(qū)發(fā)生了罕見的特大暴雪、雨雪冰凍、寒潮、大風(fēng)天氣，遼寧省近半數(shù)國家氣象觀測(cè)站降雪量、雪深均超過2007 年“3·4”暴雪過程，突破了1951 年有完整氣象記錄以來歷史極值（圖1）。其中，遼寧中部的鞍山市區(qū)為強(qiáng)降雪中心，7 日08：00 至9 日04：00 之間44 個(gè)小時(shí)鞍山市降雪量達(dá)到80.8 mm，雪深53 cm，遼陽縣7 日08：00 至8 日21：00 之間37 個(gè)小時(shí)降雪量達(dá)到69.2 mm，雪深48 cm，海城市7日08：00至8日18：00之間34個(gè)小時(shí)降雪量達(dá)到64.0 mm，雪深41 cm，鞍山市區(qū)、海城市、遼陽縣最大24 小時(shí)降雪量分別為68.5 mm、61.4 mm 和61.2 mm，降雪主要出現(xiàn)在7 日08：00 至8 日08：00，鞍山市區(qū)、海城市、遼陽縣最大小時(shí)降雪量分別為10.6 mm、9.1 mm和9.4 mm，主要出現(xiàn)在7 日19：00—20：00，這次降雪過程的特點(diǎn)是雪強(qiáng)大，時(shí)段集中，而且這次降雪持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，主要降雪主要出現(xiàn)在7日09：00—21：00，降雪高峰在7 日18：00—20：00，連續(xù)3 小時(shí)降雪量在鞍山市區(qū)、海城市和遼陽縣分別達(dá)到25.9 mm、23.6 mm和21.9 mm，觀測(cè)到的最大雪強(qiáng)達(dá)到10.6 mm·h-1，最大雪深強(qiáng)度為13 cm·h-1，出現(xiàn)在鞍山市區(qū)，本次遼寧省特大暴風(fēng)雪過程也給當(dāng)?shù)卦斐煞浅４蟮难?zāi)，遼寧中部的鞍山站降雪過程中，氣溫一直處于0 ℃以下（-5.8～-0.5 ℃），地面天氣現(xiàn)象一直是降雪，7 日21：00 之后雪強(qiáng)開始減弱，氣溫有所回升，7日22：00至9日03：00鞍山站地表0 cm溫度一直處于0 ℃，路面降雪有部分融化結(jié)冰，同時(shí)，遼寧東南部由于氣溫較遼寧其他地區(qū)偏高，存在雨雪轉(zhuǎn)化。

圖1 2021年11月7日08：00至9日04：00遼寧地區(qū)雨雪總量和雪深Fig. 1 Total amount of rain and snow and snow depth in Liaoning from 08：00 on November 7 to 04：00 on November 9， 2021：hourly snowfall at Anshan， Haicheng and Liaoyang County Stations （a）， hourly snow depth and snowfall at Anshan Station （b）， total amount of rain and snow in Liaoning （c）， and snow depth in Liaoning （d）

1.3 背景分析

在中高層天氣圖上（圖略），2021 年11 月7—9日遼寧地區(qū)罕見特大暴風(fēng)雪天氣過程，受500 hPa高空槽及槽前西南暖濕氣流影響，低空850 hPa 低渦東移加強(qiáng)，海上副熱帶高壓北抬，副高后部東南急流從黃海向遼寧輸送充沛的水汽，遼寧地區(qū)地面受江淮氣旋北上影響，地面到超低空偏北急流加強(qiáng)過程中，冷空氣不斷由地面向高層擴(kuò)展，為此次遼寧地區(qū)特大暴雪過程的暖濕空氣沿冷墊向上爬升，提供了較好的動(dòng)力條件。此時(shí)的高低空和地面有利的天氣形勢(shì)是遼寧地區(qū)出現(xiàn)罕見特大暴風(fēng)雪過程產(chǎn)生的基礎(chǔ)。

從大尺度的環(huán)流背景（圖2）看，這次特大暴風(fēng)雪，由高空槽東移引導(dǎo)地面冷高壓東移南落，低空暖濕空氣增強(qiáng)，存在上下層結(jié)不穩(wěn)定，導(dǎo)致遼寧暴風(fēng)雪天氣過程。7日00：00，遼寧地區(qū)位于200 hPa北側(cè)急流軸入口區(qū)的右側(cè)，位于南側(cè)急流出口區(qū)左側(cè)，說明遼寧地區(qū)高層存在明顯的輻散；500 hPa高空槽位于內(nèi)蒙古與蒙古國東部邊界，850 hPa切變線位于江淮流域至山東半島一線，850 hPa遼寧地區(qū)受西南暖濕氣流影響，以上是遼寧西部地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)降雪的水汽和動(dòng)力條件。

圖2 2021年11月7日00：00（a， c， e）和12：00（b， d， f）高低空天氣圖Fig. 2 High and low weather map at 00：00 （a， c， e） and 12：00 （b， d， f） on November 7， 2021

7 日12：00，在200 hPa 上，東北地區(qū)和江淮區(qū)域仍各有一條急流，遼寧地區(qū)位于東北地區(qū)急流的入口區(qū)右側(cè)，江淮流域的急流出口區(qū)的左側(cè)，說明遼寧地區(qū)高層存在更強(qiáng)的輻散；500 hPa 西風(fēng)槽東移，南北呈階梯槽，850 hPa南部暖濕切變線東伸北抬在遼寧中部到山東半島東部一線，遼寧東部有12 m·s-1的西南急流配合，850 hPa 遼寧地區(qū)氣溫在5 ℃左右，一直維持較明顯的暖平流；這樣的低層水汽輻合、高層輻散抽吸作用，為遼寧中、東部地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)降雪提供了水汽和動(dòng)力條件。

在6 日12：00 地面圖上（圖3），地面氣旋在山東境內(nèi)的西南部生成，此后，在山東境內(nèi)沿著偏東方向移動(dòng)；7日12：00，江淮氣旋入海加強(qiáng)，氣旋中心氣壓為1 012.5 hPa，位于山東半島東部沿海，氣旋中心氣壓為1 012.5 hPa，較6日12：00氣壓下降6.5 hPa，7日12：00遼寧地區(qū)處于江淮氣旋西北側(cè)，有地面冷空氣南下；第一股冷空氣在6 日12：00 其冷空氣前鋒已經(jīng)到達(dá)遼寧西部，這股冷空氣從7 日白天開始自西北向東南影響遼寧，遼寧處于江淮氣旋的西北部，遼寧西半部有強(qiáng)盛的偏北風(fēng)，與低空西南急流位置相對(duì)應(yīng)，7 日白天開始遼寧西部產(chǎn)生明顯降雪；在7日12：00地面圖上，遼寧東南部氣溫為10 ℃，較西半部氣溫偏高15 ℃左右，東、西部溫度露點(diǎn)差為7～10 ℃，遼寧處于暖鋒西北側(cè)，第二股冷空氣在7日12：00 前后開始，遼寧境內(nèi)不斷有冷空氣從北部補(bǔ)充南下，低空暖濕氣流沿著冷空氣前沿抬升，7 日18：00—21：00，遼寧東半部穩(wěn)定處于暖鋒前部，同樣，說明此次遼寧高架對(duì)流發(fā)生時(shí)，地面冷墊對(duì)低空暖濕氣流具有一定抬升作用。8 日06：00 江淮氣旋北上，氣旋中心移動(dòng)到吉林境內(nèi)，遼寧對(duì)流性強(qiáng)降雪基本結(jié)束。

圖3 2021年11月6日12：00（a）、7日12：00（b）、7日18：00（c）和8日06：00（d）地面圖Fig. 3 Ground map at 12：00 on November 6 （a）， 12：00 on November 7 （b）， 18：00 on November 7 （c）and 06：00 on November 8 （d）， 2021

2 降雪過程中雙偏振雷達(dá)參量特征分析

2.1 徑向速度（VH）分析

2.1.1 垂直風(fēng)廓線的水平風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)演變與降雪的關(guān)系

利用2021 年11 月7 日06：59 至8 日04：01 營口雙偏振雷達(dá)的風(fēng)廓線（VWP）的時(shí)間-高度剖面圖（圖4），可以發(fā)現(xiàn)：7 日06：59 之前，超低空（指1 km高度以下）大氣沒有明顯的偏北氣流，7 日06：59—11：58 在1.2 km 以上低空有一致的西南急流，并有20 m·s-1西南急流從2.4 km向下擴(kuò)展到低空1.5 km高度，在0.3～0.9 km 高度上有4 m·s-1東北氣流向上擴(kuò)展加強(qiáng)為8 m·s-1，之后偏北氣流攜帶著冷空氣由地面向上層繼續(xù)擴(kuò)展，7 日20：03 之后地面至1.8 km 高度轉(zhuǎn)為12 m·s-1偏北急流，在2.1～4.9 km高度有24 m·s-1偏南急流，帶來了豐沛的水汽，隨后偏南急流中心不斷減弱，在7 日10：59—20：03，12 m·s-1偏北急流由低層向高層伸展加強(qiáng)，降雪強(qiáng)度也不斷加強(qiáng)，當(dāng)?shù)涂诊L(fēng)向由東北轉(zhuǎn)為西北，此次遼寧地區(qū)強(qiáng)降雪過程基本結(jié)束。

圖4 2021年11月7日07：00至8日04：00營口雷達(dá)風(fēng)廓線隨時(shí)間演變Fig. 4 Evolution of Yingkou Radar wind profile from 07：00 on November 7 to 04：00 on November 8， 2021

說明此次遼寧特大暴雪過程低空偏南急流和高空西南急流相配合，形成比較深厚的水汽輸送帶，為此次大暴雪過程的發(fā)生提供充足的水汽條件；同時(shí)，地面到超低空偏北急流加強(qiáng)過程中，冷空氣不斷由地面向高層擴(kuò)展，暖濕空氣沿冷墊向上爬升，提供了較好的動(dòng)力抬升條件。

2.1.2 雷達(dá)徑向速度的PPI回波

分析2021 年11 月7 日18：00—20：00 營口雷達(dá)1.5°和2.4°仰角雙偏振雷達(dá)徑向速度（VH）的PPI 圖（圖5），可知：在強(qiáng)降雪時(shí)段，雷達(dá)低層呈反S 型，有冷平流，圖5（a～f）均觀測(cè)到偏北急流形成的牛眼結(jié)構(gòu)，最大可達(dá)20 m·s-1，冷空氣南下起到冷墊作用，中高層垂直方向上順時(shí)針旋轉(zhuǎn)有暖平流，偏南急流可達(dá)27 m·s-1，提供充沛的水汽輸送，同時(shí)，中層存在強(qiáng)風(fēng)向垂直切變使系統(tǒng)移動(dòng)緩慢，促使強(qiáng)降雪得以維持較長(zhǎng)時(shí)間，7 日20：00 遼寧中部鞍山站出現(xiàn)10.6 mm·h-1暴雪，小時(shí)雪深強(qiáng)度達(dá)到了13 cm。

圖5 2021年11月7日18：00—20：00營口雷達(dá)徑向速度VH的PPI回波Fig. 5 PPI echo of Yingkou Radar radial velocity VH at 18：00—20：00， November 7， 2021

2.2 降雪過程的雙偏振雷達(dá)特征

通過對(duì)營口雙偏振雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行分析，可以獲取降雪粒子的形狀、尺寸大小、相態(tài)分布、空間取向等雙偏振雷達(dá)特征。

2.2.1 水平反射率因子ZH

水平反射率因子ZH與雷達(dá)探測(cè)粒子的大小和濃度有關(guān)［24］。

水平偏振的雷達(dá)反射率因子ZH定義（滿足瑞利散射條件）如下。

式中：ZH在實(shí)際應(yīng)用中常用dBZ 表示，取決于粒子自身滴譜分布情況；D為粒子（雨雪或冰晶）直徑；i為某一個(gè)直徑附近的粒子數(shù)；滴譜為粒子直徑的函數(shù)，用N（D）（個(gè)·m-3·mm-1）表示。

由2021 年11 月7—8 日鞍山站（相對(duì)雷達(dá)方位36.57°，距離65.498 km）上空的ZH（0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°仰角）和逐小時(shí)降水量曲線圖（圖6）分析，可知：在7日07：00至8日17：00主要降雪時(shí)段，0.5°、1.5°、2.4°仰角的ZH分別在20～40 dBZ、30～45 dBZ、15～35 dBZ 之間，強(qiáng)降雪與弱降雪對(duì)比，在2.4°仰角ZH差距最大；在7 日17：00—20：30 強(qiáng)降雪時(shí)段，ZH最大在35～40 dBZ，在3.4°、4.3°和6.0°高仰角中，ZH分別達(dá)到30～35 dBZ、20～28 dBZ、5～15 dBZ，與弱降雪活動(dòng)相比，高仰角ZH增幅較大。以上說明，在此次強(qiáng)暴雪階段中，上升氣流更強(qiáng)，使得高空有明顯的冰晶增長(zhǎng)且粒子濃度很大，高層反射率因子強(qiáng)度與小時(shí)降雪強(qiáng)度變化更為一致，體現(xiàn)出本次過程高架對(duì)流性質(zhì)強(qiáng)降雪的特征。

由2021 年11 月7 日07：05—22：17 鞍山站上空ZH剖面圖（圖7）分析，可知：7 日07：00—21：00 上空對(duì)流活動(dòng)最為旺盛，在強(qiáng)降雪回波區(qū)的ZH基本在30 dBZ 以上，并有40～45 dBZ 點(diǎn)綴中間，ZH質(zhì)心高度基本處于1～3 km 高度；在最強(qiáng)降雪時(shí)段（7 日18：00—20：00），35 dBZ 的ZH伸展到5 km 高度以上，中間點(diǎn)綴著40～45 dBZ；說明ZH越強(qiáng)，粒子越大（ZH正比于D6），濃度越高［正比于N（D）］，強(qiáng)烈的上升氣流，以及偏南急流帶來的充沛水汽，使高低空中翻滾的雪或冰晶粒子直徑增大，有利于產(chǎn)生強(qiáng)降雪。

圖7 2021年11月7日07：05—22：17鞍山站ZH隨時(shí)間演變Fig. 7 Evolution of ZH at Anshan Station from 07：05 to 22：17 on November 7， 2021

2.2.2 差分反射率ZDR

差分反射率ZDR定義為

式中：ZDR為水平和垂直偏振波的回波強(qiáng)度差，表示一個(gè)探測(cè)空間體（距離庫）的平均粒子形狀值，與粒子大小密切相關(guān)。

由文獻(xiàn)［25-26］研究所得，ZDR的取值范圍一般為-1.5～6.0 dB。降水粒子在下落過程中受重力作用呈扁橢球；當(dāng)ZH＞ZV，通常ZDR＞0，粒子呈扁橢球；當(dāng)ZH＜ZV，通常ZDR＜0，表示粒子呈豎橢球，ZH=ZV，通常ZDR=0，表示粒子呈圓球體。

通常ZDR＞0，當(dāng)ZDR≥3～6 dB，粒子下落過程中，大雨滴呈扁橢球；當(dāng)ZDR值較小或接近于0，冰晶或雪花近似小球形；非球形冰晶緊密的雪花ZDR值會(huì)較大一些［26］。所以，ZDR對(duì)于識(shí)別降雨、降雪以及雨雪相態(tài)有較好的判斷。

分析2021 年11 月7—8 日鞍山站逐小時(shí)降水量和雙偏振雷達(dá)ZDR剖面圖（圖8），可知：在7 日00：00至8 日22：00，在3 km 高度以下，ZDR有明顯的正值，最大正值僅為0.1～0.3 dB，7 日08：00—21：00 強(qiáng)降雪區(qū)，ZDR取值在-0.3～0.3 dB 之間，ZDR最大正值伸展到8 km，ZDR數(shù)值集中在0.1～0.3 dB，處于ZH回波強(qiáng)度40 dBZ的范圍內(nèi)。18：00—20：00強(qiáng)降雪階段，高層和低層ZDR值均接近于0，粒子接近圓球狀，說明空中小球形冰晶和部分雪花結(jié)構(gòu)松散；同時(shí)，7 日00：00高空?qǐng)D（圖略）顯示：遼寧中部距離地面4.5 km（約600 hPa）高空溫度已經(jīng)降至-10 ℃，在低于-10 ℃（4～8 km）高度層上，粒子密度較小，原始的冰晶的聚并作用較強(qiáng)，散射等效作用近似于球形化，粒子有著不同的下落速度，在重力和動(dòng)力作用下，在下降過程中進(jìn)行著凝結(jié)、碰撞、粘連、聚合等過程，不斷生長(zhǎng)形成組織疏松的聚并雪，以冰晶和雪花的形式降落，近地面溫度小于0 ℃，粒子在下落過程中不足以融化，進(jìn)而使得地面降雪率增加。Wang等［27］研究得出融化層上方的冰相微物理過程對(duì)降水的觸發(fā)和增強(qiáng)起著重要作用，與本文研究結(jié)果較為一致。

圖8 2021年11月7—8日鞍山站ZDR隨時(shí)間演變Fig. 8 Evolution of ZDR at Anshan Station from November 7 to 8， 2021

Liu 等［28］研究表明雙極化多普勒雷達(dá)水平和垂直兩個(gè)接收器的失配會(huì)產(chǎn)生明顯的ZDR偏差，2021年11 月7 日15：00—22：00 營口雙偏振雷達(dá)機(jī)內(nèi)系統(tǒng)標(biāo)定和ZDR監(jiān)測(cè)，顯示ZDR的平均值為0.32 dB，波動(dòng)范圍在0.04 dB 范圍內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)測(cè)表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)誤差范圍小，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

雍佳等［10，29］、陶然亭［12］、吳楊等［23］研究結(jié)果與此次遼寧鞍山站特大暴雪過程研究結(jié)論比較一致，強(qiáng)降雪發(fā)生均存在反射率因子強(qiáng)度偏強(qiáng)（30～35 dBZ），ZDR正值偏小，均在（0～0.5 dB）；而強(qiáng)降雨發(fā)生階段具有反射率因子強(qiáng)度偏強(qiáng)（一般為40～55 dBZ），ZDR正值偏大（一般為3～6 dB）特征。在本次鞍山站暴雪過程中，整層ZDR取值在-0.3～0.3 dB 之間，符合降雪發(fā)生的粒子特征。

2.2.3 差分傳播相移率KDP

一般來說，KDP不受雷達(dá)系統(tǒng)標(biāo)定誤差的影響，KDP主要依賴于降水濃度及相態(tài)［30］。由圖9 分析所得：2021 年11 月7—8 日鞍山站主降雪時(shí)段（7 日08：00—21：00），在1～8 km 高度，KDP為0～0.3 （°）·km-1，在低空2 km 高度有0.6 （°）·km-1點(diǎn)綴其中；在強(qiáng)降雪時(shí)段（7 日17：00—20：00），在1～8 km 高度，KDP為0～0.6 （°）·km-1，在7 km 高度，KDP為0.3 （°）·km-1，KDP出現(xiàn)懸垂；以上說明，在主降雪時(shí)段，KDP為0～0.6 （°）·km-1，在7 km 高度，KDP為0.3 （°）·km-1，說明高空冰晶和雪粒子有較高的數(shù)濃度，同時(shí)，強(qiáng)降雪階段出現(xiàn)了KDP柱和KDP懸垂。

圖9 2021年11月7日00：04至8日22：21鞍山站KDP隨時(shí)間演變Fig. 9 Evolution of KDP at Anshan Station from 00：04 on November 7 to 22：21 on November 8， 2021

這次降雪的研究結(jié)果與王清川等［31］、賀曉露等［32］和楊祖祥等［33］所分析的結(jié)果較為一致，較高的粒子數(shù)濃度對(duì)應(yīng)著較大的KDP值，KDP柱和KDP懸垂的出現(xiàn)預(yù)示著強(qiáng)降雪即將發(fā)生。Gou等［34］研究結(jié)果得出，基于KDP的雷達(dá)降水強(qiáng)度估計(jì)效果最好，說明KDP其位置與雪強(qiáng)中心均存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.2.4 相關(guān)系數(shù)CC

相關(guān)系數(shù)主要反映探測(cè)范圍內(nèi)水凝物是否有一致性相態(tài)。由2021 年11 月7 日07：05—22：17 鞍山站上空偏振雷達(dá)CC剖面圖（圖10）分析，可知：7 日08：00—21：00 鞍山站上空1～8 km 高度最大CC為0.95～1.0，中層CC有0.7～0.8 點(diǎn)綴其中，在最強(qiáng)降雪時(shí)段（7日17：00—20：00），鞍山整層上空CC接近于1.0，僅有少量CC為0.9點(diǎn)綴其中。CC主要與粒子的相態(tài)一致性有關(guān)，聚合度低的雪或干雪CC值較大，整個(gè)過程CC最大值都大于0.98，說明相態(tài)一致性較好，主要由干雪組成。

圖10 2021年11月7日00：04至8日22：21鞍山站CC隨時(shí)間演變Fig. 10 Evolution of CC at Anshan Station from 00：04 on November 7 to 22：21 on November 8， 2021

而7日12：00鞍山站低空1～3 km高度ZH較?。?0～30 dBZ）為層狀云，對(duì)應(yīng)于ZDR較大值（0.1～0.3 dB），相關(guān)系數(shù)CC接近或略低于0.9，大連探空站（距離鞍山較近）850～925 hPa 高空溫度分別在3.8～4.4 ℃，超低空950 hPa 附近溫度低于-2 ℃，2 km 高度以下層狀云與融化層（高度1.8 km，溫度0 ℃附近）高度相近，雪花在空中下降過程中，在融化層高度降水粒子為雨雪混合相態(tài)，故部分區(qū)域相關(guān)系數(shù)CC較低。

2.2.5 不同小時(shí)降雪量級(jí)的雙偏振雷達(dá)參數(shù)特征

選用遼寧中部強(qiáng)降雪中心的3 個(gè)代表站點(diǎn)［包括鞍山站（相對(duì)雷達(dá)方位36.57°，距離65.498 km）、海城站（相對(duì)雷達(dá)方位40.46°，距離29.948 km）、遼陽縣站（相對(duì)雷達(dá)方位36.47°，距離78.383 km）國家氣象觀測(cè)站］的逐小時(shí)降雪量，小時(shí)降雪量級(jí)（小數(shù)點(diǎn)后保留1 位）分為≤0.1 mm、0.2～1.0 mm、1.1～2.0 mm、2.1～4.0 mm、4.1～6.0 mm、6.1～8.0 mm、8.1～10.0 mm 和10.1～12.0 mm，共8個(gè)量級(jí)，采用6分鐘一次的雙偏振雷達(dá)掃描一次獲取的偏量（ZH、、ZDR、KDR和CC），分別對(duì)各站的小時(shí)降雪量進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)，探討分析此次遼寧中部降雪過程中不同站點(diǎn)小時(shí)降雪量與上空的雙偏振雷達(dá)參量特征。選擇遼寧中部降雪最大的三個(gè)站點(diǎn)（鞍山站、遼陽縣站、海城站）；從營口雙偏振雷達(dá)6 分鐘1 次的0.5°～19.9°仰角的雷達(dá)體掃中提取雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)（ZH、ZDR、KDP、CC），統(tǒng)計(jì)每個(gè)體掃，每個(gè)站點(diǎn)各個(gè)時(shí)刻最大值為從0.5°～19.9°仰角中選取最大值，平均值為從0.5°～19.9°仰角中所有數(shù)據(jù)的平均值。設(shè)定的最大值為每個(gè)小時(shí)三個(gè)站點(diǎn)的最大值的平均，設(shè)定的平均值為每個(gè)小時(shí)三個(gè)站點(diǎn)平均值的平均。

由2021年11月7日00：00至8日23：00遼寧中部不同降雪量級(jí)的雙偏振雷達(dá)參數(shù)特征（圖11）可知：

圖11 2021年11月7日00：00至8日23：00遼寧中部（鞍山、海城及遼陽縣）不同降雪量級(jí)的雙偏振雷達(dá)參數(shù)特征Fig. 11 Parametric characteristics of dual polarization radar with different snowfall levels in central Liaoning（Anshan， Haicheng and Liaoyang County） from 00：00 on November 7 to 23：00 on November 8， 2021

在≤0.1 mm 小時(shí)降雪量級(jí)時(shí)，ZH最大值和平均值分別為11.4 dBZ 和6.2 dBZ；在0.2～1.0 mm 小時(shí)降雪量級(jí)時(shí)，ZH最大值和平均值分別為17.4 dBZ和10.6 dBZ；在1.1～2.0 mm 小時(shí)降雪量級(jí)時(shí)，ZH最大值和平均值分別為22.7 dBZ和13.9 dBZ；在2.1～4.0 mm、4.1～6.0 mm、6.1～8.0 mm、8.1～10.0 mm和10.1～12.0 mm 小時(shí)降雪量級(jí)時(shí)，ZH最大值和平均值分別為31～35 dBZ 和21～26 dBZ。由此可知，在＞2 mm 的小時(shí)降雪量級(jí)，ZH最大值為35 dBZ，在＞8 mm 的小時(shí)降雪量級(jí)中，ZH平均值為25～26 dBZ，較2.1～8.0 mm 小時(shí)降雪量級(jí)的ZH平均值大4 dBZ左右，說明ZH越強(qiáng)，粒子越大和濃度越高，強(qiáng)烈的上升氣流使高低空中翻滾的雪或冰晶粒子直徑增大，有利于產(chǎn)生強(qiáng)降雪。

在≤0.1 mm、0.2～1.0 mm 小時(shí)降雪量級(jí)的ZDR最大值和平均值分別在0.9～1.1 dB和-0.3～-0.2 dB之間，在1.1～2.0 mm 小時(shí)降雪量級(jí)的ZDR最大值和平均值分別為0.4 dB 和-0.5 dB，在2.1～4.0 mm、4.1～6.0 mm、6.1～8.0 mm、8.1～10.0 mm 和10.1～12.0 mm 小時(shí)降雪量的ZDR最大值和平均值分別在0.3～0.8 dB 和-0.3～-0.1 dB 之間。由此可知，在＞2.0 mm 小時(shí)強(qiáng)降雪估測(cè)中，ZDR最大值和平均值分別為0.3～0.8 dB 和-0.3～-0.1 dB，在ZDR最大值對(duì)小時(shí)降雪估測(cè)中，≤2.0 mm 和＞2.0 mm 小時(shí)降雪量的ZDR最大值范圍分別為0.7～1.1 dB和0.3～0.8 dB，強(qiáng)降雪的ZDR反而小于弱降雪，說明強(qiáng)降雪粒子下落過程中，呈豎橢球體或圓球體冰晶和雪花更多。

在≤2.0 mm 小時(shí)降雪量級(jí)中，KDP最大值和平均值分別接近0.1 （°）·km-1和0 （°）·km-1，在2.0～12.0 mm 小時(shí)降雪量級(jí)中，KDP最大值和平均值分別在0.2～0.4 （°）·km-1和0.1～0.2 （°）·km-1之間。由此可知，在≤2.0 mm 小時(shí)降雪量級(jí)中，KDP平均值接近于0，在＞2.0 mm 小時(shí)強(qiáng)降雪估測(cè)中，KDP最大值和平均值隨著降雪強(qiáng)度增強(qiáng)而增大，說明強(qiáng)降雪發(fā)生時(shí)，空中雪花濃度增高，小時(shí)降雪強(qiáng)度更大。

整個(gè)降雪過程（＞2.0 mm 小時(shí)降雪級(jí)），CC最大值和平均值均大于0.98，說明基本上由相同相態(tài)的干雪粒子組成。

綜上所述，遼寧此次罕見的強(qiáng)降雪過程中，降雪粒子雙偏振雷達(dá)參數(shù)特征為：在＞2.0 mm 小時(shí)強(qiáng)降雪估測(cè)中，ZH最大值和平均值分別為33～35 dBZ和21～26 dBZ，ZDR最大值和平均值分別為0.3～0.8 dB和-0.3～-0.1 dB，KDP最大值和平均值分別為0.2～0.4 （°）·km-1和0.1～0.2 （°）·km-1，CC最大值和平均值均大于0.98。

2.2.6 典型剖面圖分析

選用代表不同降雪量級(jí)的三個(gè)時(shí)刻（分別為8日04：42、7日09：32和7日19：10）雷達(dá)體掃資料，分析營口雷達(dá)中心到鞍山站（暴雪中心）兩點(diǎn)連線剖面上的雷達(dá)偏參數(shù)（ZH、ZDR、KDP和CC）特征，由圖12矩形黑框區(qū)分析可知：

圖12 2021年11月8日04：42、7日09：32和7日19：10營口雷達(dá)中心到鞍山站兩點(diǎn)連線上的雷達(dá)偏參數(shù)ZH（單位：dBZ）、ZDR（單位：dB）、KDP［單位：（°）·km-1］和CC的剖面圖Fig. 12 Profile of radar bias parameters ZH （unit： dBZ）， ZDR （unit： dB）， KDP ［unit： （°）·km-1］ and CC on the two-point connecting line from Yingkou Radar Center to Anshan Station at 04：42 on November 8， 09：32 on November 7 and 19：10 on November 7， 2021

8日05：00鞍山站過去1小時(shí)降雪量為0.6 mm，圖12（a～d）（8 日04：42）的偏參數(shù)特征：ZH為15～25 dBZ，ZDR為0.8～2 dB，KDP為-0.1～0.1 （°）·km-1，CC為0.7～0.9。

7日10：00鞍山站過去1小時(shí)降雪量為5.1 mm，圖12（e～h）（7 日09：32）的偏參數(shù)特征：ZH為20～45 dBZ，ZDR為局部-0.5～0.8 dB，KDP為0.1～0.3（°）·km-1，CC為0.7～1.0。

7日20：00鞍山站過去1小時(shí)降雪量為10.6 mm，圖12（i～l）（7 日19：10）的偏參數(shù)特征：ZH為30～40 dBZ，ZDR為-0.5～0 dB，KDP為0.2～0.5 （°）·km-1，CC為0.95～1.0。

從以上剖面圖中可以看出，在降雪強(qiáng)階段中，具有更大的ZH、KDP值和更小ZDR正值（甚至負(fù)值），說明強(qiáng)的上升氣流與充沛水汽條件帶來較大直徑與較高濃度的雪粒子，降雪粒子主要以球狀或豎橢圓狀的冰晶或者雪粒子為主。而降雪弱的時(shí)段，ZH、KDP值較小，說明較小的雪花直徑與較低的數(shù)濃度，但是8 日05：00ZDR表現(xiàn)為更大的正值，回波強(qiáng)度ZH越小，反而ZDR越大，CC小于0.9，說明雪花在下落過程中，降雪粒子以球狀或扁橢圓球狀為主，低層融化層存在雨雪粒子混合現(xiàn)象。

2.2.7 雨雪轉(zhuǎn)換分析

張琳娜等［35］對(duì)北京冬季雨轉(zhuǎn)雪溫度統(tǒng)計(jì)得出，850 hPa、925 hPa 和1 000 hPa 溫度分界點(diǎn)分別為-4 ℃、-2 ℃和0 ℃，地面溫度＜1 ℃。此次過程降水相態(tài)分析，選取位于遼寧南部的莊河站、岫巖站和大連站作為代表站（遼寧南部地區(qū)降水相態(tài)存在雨雪轉(zhuǎn)換），從3 個(gè)代表站各層溫度變化分析得出：在“21·11”過程中，7日12：00代表站（遼寧南部大連探空站）高空850 hPa 和925 hPa 溫度分別為3.8 ℃和4.4 ℃，超低空959 hPa溫度較低，為-2.6 ℃，冷空氣首先從超低空切入，莊河站地面溫度較高（6.0 ℃），降水相態(tài)為雨，岫巖站地面溫度為0.1 ℃，降水相態(tài)為雨夾雪，大連站地面溫度為0.4 ℃，降水相態(tài)為雪，隨著低層冷空氣進(jìn)一步南下，8 日00：00 大連站探空850 hPa 和925 hPa 溫度分別降至-10 ℃和-5.9 ℃，莊河、岫巖和大連站地面溫度分別為-3、-5和-0.4 ℃，這三個(gè)站點(diǎn)降水觀測(cè)相態(tài)均為雪；“21·11”過程中降水相態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)的溫度基本與文獻(xiàn)中標(biāo)準(zhǔn)比較一致。分析此次過程成因，7日12：00超低空950～1 000 hPa 溫度低于-2 ℃時(shí)，超低空接近雨轉(zhuǎn)雪的溫度指標(biāo)，地面溫度在0～1 ℃之間，降水相態(tài)存在雨、雪或雨夾雪三種天氣現(xiàn)象，因此僅依據(jù)特定層次溫度指標(biāo)難以判斷是否會(huì)發(fā)生雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換。

遼寧位于中國的東北部地區(qū)，冬季寒冷，常有暴雪天氣發(fā)生，且夜間氣溫下降常出現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)換，更是加大了監(jiān)測(cè)難度。如果利用雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品識(shí)別出融化層高度和降水粒子相態(tài)，對(duì)預(yù)報(bào)員利用雷達(dá)定量估測(cè)降水相態(tài)有較大的幫助。為此，利用營口雙偏振雷達(dá)觀測(cè)產(chǎn)品和探空資料可以分析判斷融化層高度。

圖13（a）為營口雷達(dá)2.4°仰角基本反射率因子圖，顯示岫巖站（B點(diǎn)）回波強(qiáng)度≤25 dBZ，強(qiáng)度較弱，為弱降水回波，無法判斷出融化層。沿圖13（a）中ABC 線位置作垂直剖面圖，圖13（c）是ZH剖面圖，1.4～2.7 km 高度（圖上矩形黑色框格內(nèi)）基本反射率因子較大，圖中黃色區(qū)域?yàn)橐粭l35～40 dBZ 的回波水平亮帶，反映出融化層亮帶特性，回波頂高度在5 km附近。圖13（d）、（e）分別顯示ZDR和CC的剖面圖，1.4～2.7 km 高度附近ZDR圖上有一條高值帶（圖中黑色線標(biāo)出區(qū)域），CC圖上有一條低值帶（圖中黑色線標(biāo)出區(qū)域），為0.85～0.95。圖13（b）顯示了ZDR的PPI圖，距離雷達(dá)中心有一個(gè)環(huán)狀亮帶（圖中藍(lán)色圓環(huán)圍住區(qū)域），ZDR比周邊區(qū)域大，內(nèi)外環(huán)分別距離地面1.4～2.7 km高度。綜合分析，1.4～2.7 km高度與之上下層相比，反射率因子偏高（35～40 dBZ），CC較小，ZDR較大，判斷此處為融化層高度。

圖13 2021年11月7日10：36營口雙偏振雷達(dá)ZH和ZDR的PPI圖（a， b）及ZH、ZDR、CC的剖面圖（c～e）Fig. 13 PPI diagram of Yingkou Radar ZH and ZDR （a， b） and profile of ZH， ZDR and CC （c～e） at 10：36 on November 7， 202

分析雙偏振雷達(dá)融化層（ML）產(chǎn)品、粒子分類（HCL）產(chǎn)品和探空實(shí)況資料發(fā)現(xiàn)（圖14）：7日12：04融化層高度較高，位于高空1.8 km附近，實(shí)際0 ℃層高度位于ML 產(chǎn)品的兩條實(shí)線之間（1.4～2.7 km），且與內(nèi)層實(shí)線接近，HCL 顯示判斷岫巖和莊河低空降水粒子為干雪、濕雪、冰晶混合，營口站近地層降水粒子為小雨，營口站觀測(cè)實(shí)況降水相態(tài)為雪，岫巖站為雨夾雪，莊河站為小雨；7日23：57，融化層高度較低，位于低空0.12 km 附近時(shí)，實(shí)際0 ℃層高度接近融化層內(nèi)實(shí)線，內(nèi)實(shí)線接近雷達(dá)中心，HCL 判斷岫巖站和莊河站低空降水粒子為干雪，判斷營口近地層降水粒子為小雨和濕雪混合，觀測(cè)實(shí)況顯示營口、岫巖和莊河降水相態(tài)均為純雪。由于營口雷達(dá)附近存在雜波，造成融化層高度及降水粒子特征偏差，雙偏振雷達(dá)HCL 產(chǎn)品對(duì)站點(diǎn)降水粒子估測(cè)表述的是某一高度的粒子相態(tài)，與地面降水相態(tài)存在一定差距。以上說明，雙偏振雷達(dá)的ML 產(chǎn)品和HCL 產(chǎn)品對(duì)冬季降水粒子的探測(cè)和降水相態(tài)的判定有一定的參考價(jià)值，但是由于雷達(dá)站點(diǎn)附近存在一定雜波會(huì)帶來一定偏差。

圖14 2021年11月7日12：04（a）和23：57（b）營口雷達(dá)ML和HCL產(chǎn)品的PPI圖Fig. 14 PPI diagram of Yingkou Radar ML and HCL products at 12：04 （a） and 23：57 （b） on November 7， 2021

以上說明，ZDR回波可提高降雪粒子的辨識(shí)度，ML產(chǎn)品和HCL產(chǎn)品對(duì)粒子相態(tài)判定有一定的參考價(jià)值。本文研究結(jié)果與一些文獻(xiàn)研究結(jié)果較為一致，如魏瑋等［36］在雷達(dá)偏振參量和零度層亮帶的時(shí)空演變分析中，發(fā)現(xiàn)雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用在冬季降雪預(yù)報(bào)中具有較好的優(yōu)勢(shì)，楊祖祥等［37］采用雙偏振雷達(dá)和探空資料判斷降水粒子相態(tài)，效果較好。

3 結(jié)論

利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料和雙偏振雷達(dá)資料分析了2021 年11月7—9日遼寧地區(qū)罕見特大暴雪的雙偏振雷達(dá)參量特征和天氣過程成因。通過偏振參量的時(shí)空演變分析，揭示了降雪過程粒子譜分布變化，從而理解掌握降雪強(qiáng)度的演變規(guī)律，對(duì)降雪預(yù)報(bào)有較好的指示作用。得到的主要結(jié)論如下：

（1）分析垂直風(fēng)廓線和水平風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)演變與強(qiáng)降雪的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在遼寧中部強(qiáng)降雪時(shí)段，雷達(dá)低層呈反S型，有冷平流，觀測(cè)到偏北急流形成的牛眼結(jié)構(gòu)，最大風(fēng)速可達(dá)20 m·s-1，冷空氣南下起到冷墊作用，中高層垂直方向上順時(shí)針旋轉(zhuǎn)有暖平流，偏南急流可達(dá)27 m·s-1，提供了充沛的水汽輸送，同時(shí)，中層存在強(qiáng)風(fēng)向垂直切變使系統(tǒng)移動(dòng)緩慢，強(qiáng)降雪得以維持較長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)，西南急流最大伸展高度可達(dá)8 km，說明本次高架對(duì)流降雪過程對(duì)流旺盛，空氣中水汽條件深厚。

（2）在強(qiáng)降雪時(shí)段（7 日17：00—20：00，世界時(shí)）15 dBZ 以上回波伸展到8 km 附近，35 dBZ 水平反射率因子ZH強(qiáng)度伸展到5 km 以上，而且低層3 km高度以下點(diǎn)綴著40 dBZ 以上的強(qiáng)反射率因子，說明本次高架對(duì)流降雪過程對(duì)流旺盛，空氣中水汽條件深厚，容易形成較大直徑與較高數(shù)濃度的雪花，產(chǎn)生強(qiáng)降雪。

（3）在強(qiáng)降雪時(shí)段，差分反射率ZDR正值僅為0.1～0.3 dB，說明邊界層高架對(duì)流促使暖濕氣流上升速度增強(qiáng)，雪花截面積大，在下落過程中，更容易受上升氣流影響，沒有明顯的一致指向，甚至截面為垂直指向，降雪粒子呈豎橢球狀，因此，強(qiáng)雪越強(qiáng)，反而ZDR越小，甚至變?yōu)樨?fù)值。在相態(tài)特征識(shí)別上，ZDR增強(qiáng)了降雪粒子的辨識(shí)度。

（4）在最強(qiáng)降雪時(shí)段，7 km 高度的空中差分傳播相移率（KDP）出現(xiàn)較大正值［≥0.3 （°）·km-1］，說明高空冰晶和雪粒子有較高的數(shù)濃度，可以用來預(yù)測(cè)降雪強(qiáng)度躍增。在垂直上升氣流較強(qiáng)時(shí)，空中冰晶和雪粒子濃度增大，KDP越大，降雪強(qiáng)度越強(qiáng)，KDP柱特別是KDP懸垂的出現(xiàn)預(yù)示著強(qiáng)降雪即將發(fā)生。

（5）CC主要與粒子的相態(tài)一致性有關(guān)，聚合度低的雪或干雪CC值較大，整個(gè)過程CC均大于0.98，說明相態(tài)一致性好，都是由干雪組成。

（6）遼寧中部的強(qiáng)降雪粒子的雙偏振雷達(dá)參數(shù)特征為：在＞2 mm 小時(shí)強(qiáng)降雪估測(cè)中，ZH最大值和平均值分別為33～35 dBZ 和21～26 dBZ，ZDR平均值和最大值分別為-0.3～-0.2 dB 和0.3～0.8 dB，進(jìn)一步說明強(qiáng)降雪過程中，上升氣流強(qiáng)，雪花以截面更垂直的方式下落（呈豎橢球體），導(dǎo)致ZDR表現(xiàn)為負(fù)值，當(dāng)降雪弱的時(shí)段，ZDR表現(xiàn)為正值，回波越弱，反而ZDR越大，因?yàn)榈蛯尤诨瘜哟嬖谟暄┗旌?，所以粒子以扁橢球體方式下落為主。KDP最大值和平均值分別在0.2～0.4 （°）·km-1和0.1～0.2 （°）·km-1之間，說明強(qiáng)降雪時(shí)段雪花濃度更高；CC均大于0.98，說明雖然整個(gè)降雪過程雪花粒子的一致性較好，基本上都為干雪。

（7）在降水粒子相態(tài)判定中，ML產(chǎn)品和HCL產(chǎn)品有較好的參考價(jià)值。

本文的研究局限性在于，遼寧營口雙偏振雷達(dá)使用時(shí)間較短，典型個(gè)例較少，本文只是針對(duì)一次遼寧特大暴雪雙偏振雷達(dá)的參數(shù)特征分析，研究的結(jié)論可能還有一定局限性，需要更多的個(gè)例加以驗(yàn)證。