強(qiáng)冰雹和強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴雙偏振特征差異性

摘 要 利用青島雙偏振多普勒天氣雷達(dá)資料和常規(guī)觀測資料以及區(qū)域氣象觀測站資料，對2019年8月16日發(fā)生在山東諸城的一次強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴和2020年8月3日發(fā)生在山東高密的一次強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴雙偏振特征差異性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）風(fēng)暴低層上升氣流區(qū)一側(cè)都存在明顯的ZDR弧，強(qiáng)上升氣流區(qū)周圍都分布有ZDR環(huán)、深厚的ZDR柱和KDP柱。（2）主要差異包括諸城強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴的強(qiáng)度明顯較強(qiáng)，強(qiáng)中心高度明顯較高，中氣旋旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度和風(fēng)暴頂輻散強(qiáng)度明顯較強(qiáng)，但ZDR柱與KDP柱高度較低，ZDR柱與KDP柱寬度明顯較窄，強(qiáng)的中氣旋旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度和風(fēng)暴頂輻散強(qiáng)度有利于強(qiáng)回波核的懸垂及冰雹增長；高密強(qiáng)風(fēng)暴更加寬闊、深厚的上升氣流將濃度較高的液態(tài)或小的濕冰粒子帶至較高高度，ZDR柱與KDP柱高度較高。（3）濕度垂直分布和風(fēng)場垂直廓線對風(fēng)暴強(qiáng)度與天氣實(shí)況起到關(guān)鍵作用。諸城強(qiáng)風(fēng)暴產(chǎn)生在較干的濕度垂直分布和西北氣流環(huán)境條件下，以強(qiáng)冰雹為主；高密強(qiáng)風(fēng)暴產(chǎn)生在較濕的濕度垂直分布及西南氣流環(huán)境條件下，以高強(qiáng)度降雨為主。

關(guān)鍵詞 超級單體；雙偏振；微物理；差異性

中圖分類號： P412.25" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" 文章編號： 2096-3599（2024）03-0023-14

DOI：10.19513/j.cnki.hyqxxb.20220807001

Difference in dual-polarization signatures between a severe hail supercell storm and a heavy precipitation supercell storm

DIAO Xiuguang1，2

（1. Key Laboratory for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Shandong， Jinan 250031， China; 2. Shandong Meteorological Observatory， Jinan 250031， China）

Abstract Using Qingdao dual-polarization Doppler radar data， conventional observations and data of regional meteorological observing stations， the differences in polarimetric signatures are analyzed between a severe hail supercell storm， which occurred in Zhucheng， Shandong on 16 August 2019， and a heavy precipitation supercell storm， which occurred in Gaomi， Shandong on 3 August 2020. The results are shown below. （1） The common features include ZDR arc on the updraft side in the low level of storm， as well as ZDR ring， deep ZDRcolumn and KDPcolumn around the strong updraft regions. （2） The major differences are as follows. The Zhucheng severe hail supercell storm has stronger maximum reflectivity， higher height of maximum reflectivity， stronger mesocyclone rotation intensity and storm top divergence intensity， but lower" ZDR column and KDP column， and narrower ZDR column and KDP column. The strong mesocyclone rotation intensity and storm top divergence intensity are conducive to the overhang of storm core and the growth of hails. The wider and deeper updraft in Gaomi supercell storm brings the liquid or" small wet ice particles with higher concentration to a higher height， resulting in higher ZDR column and KDP column. （3） The vertical distribution of humidity and the vertical profile of wind play a key role in the storm intensity and weather situation. The Zhucheng supercell storm occurs under the conditions of drier vertical humidity and northwest airflow， and results in severe hails; the Gaomi supercell storm occurs under the conditions of wetter vertical humidity and southwest airflow， and generates high-intensity precipitation.

Keywords supercell; dual-polarization; microphysical; difference

引言

超級單體風(fēng)暴是指伴有深厚持久中氣旋的風(fēng)暴，組織性強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長，常常會產(chǎn)生強(qiáng)冰雹、強(qiáng)下?lián)舯┝魃踔笼埦淼葹?zāi)害性天氣，因此，對超級單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)特征以及微物理過程的相關(guān)研究具有重要科學(xué)意義。20世紀(jì)60年代初期，Browning［1-2］首先提出了超級單體風(fēng)暴一詞，并給出了超級單體三維氣流結(jié)構(gòu)模型。20世紀(jì)70年代后期，Lemon等［3］在對超級單體風(fēng)暴分析、總結(jié)的基礎(chǔ)上，對Browning［1-2］提出的超級單體風(fēng)暴概念模型進(jìn)行了適當(dāng)修改，提出了一個(gè)新的超級單體概念模型，至今仍被應(yīng)用。隨著觀測技術(shù)手段的不斷改進(jìn)和個(gè)例增加，氣象學(xué)者將超級單體風(fēng)暴分為3類，即弱降水（low-precipitation， LP）超級單體、經(jīng)典（classic，CL）超級單體和強(qiáng)降水（high-precipitation，HP）超級單體風(fēng)暴［4-6］。對于超級單體風(fēng)暴，早期研究主要專注于導(dǎo)致強(qiáng)冰雹或龍卷的超級單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特征，隨著數(shù)值模式的發(fā)展和雙極化技術(shù)的應(yīng)用，對強(qiáng)風(fēng)暴特別是超級單體風(fēng)暴雙極化特征的個(gè)例研究迅速增多。不同尺寸和不同相態(tài)的氣象目標(biāo)物對應(yīng)不同的雙偏振參量特征值，對這些參量特征值進(jìn)行細(xì)致分析與模糊邏輯運(yùn)算，可以進(jìn)一步識別降水粒子的相態(tài)分布以及降水類型等，還可以對風(fēng)暴內(nèi)部的微物理特征進(jìn)行定性分析，從而對風(fēng)暴微物理過程作出推斷［7-11］。對強(qiáng)風(fēng)暴雙偏振特征的諸多研究［12-15］表明，環(huán)境0 ℃層高度以上通常會出現(xiàn)大的差分反射率（ZDR）和差分相移率（KDP），ZDR超過一定閾值（1.0 dB或1.5 dB）即稱之為ZDR柱，KDP超過一定閾值［0.75（°）·km-1或1.0（°）·km-1］即稱之為KDP柱。ZDR柱由過冷卻雨滴、水包膜的冰粒子、濕的扁球結(jié)構(gòu)或球形結(jié)構(gòu)冰粒的混合物組成，ZDR柱與強(qiáng)上升氣流區(qū)相對應(yīng)，ZDR柱的高度與上升氣流存在正相關(guān)關(guān)系［10，13，15-16］。0 ℃層高度以上KDP大值區(qū)的出現(xiàn)，表明有豐富的液態(tài)雨水和（或）濕冰存在［10，13，17］。超級單體風(fēng)暴低層前側(cè)入流區(qū)反射率因子梯度大的部位往往會出現(xiàn)ZDR＞3 dB的高值，類似弧狀，稱之為ZDR弧，而風(fēng)暴中層強(qiáng)上升氣流區(qū)周圍會出現(xiàn)環(huán)狀或半環(huán)狀增強(qiáng)的ZDR值，稱之為ZDR環(huán)［10，17-18］。

國內(nèi)在雙偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制［19-20］、強(qiáng)對流風(fēng)暴的偏振特征［21-25］、水凝物粒子分類［26-28］和風(fēng)暴微物理過程［29-30］等領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究工作，并取得了豐富成果，為雙偏振雷達(dá)業(yè)務(wù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。對強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴偏振觀測特征分析表明，風(fēng)暴低層上升氣流區(qū)一側(cè)的ZDR弧、中層強(qiáng)上升氣流周圍的ZDR環(huán)、0 ℃層高度以上的ZDR柱和KDP柱（上升氣流周圍）等是其共同特征［31-37］，與國外觀測的偏振特征基本相同或相似。對強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴的觀測個(gè)例分析較少，潘佳文等［38］對2018年5月7日發(fā)生在閩南地區(qū)的一次特大暴雨強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴分析表明，在前側(cè)下沉氣流南側(cè)的反射率因子梯度大值區(qū)附近存在一個(gè)淺薄的ZDR弧，ZDR柱位于有界弱回波區(qū)的上方，位于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(qiáng)中心存在較好的對應(yīng)關(guān)系。關(guān)于強(qiáng)冰雹與強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴雙偏振特征有何差異性的問題，目前國內(nèi)還沒有相關(guān)文獻(xiàn)。

基于青島SA雙偏振雷達(dá)探測資料，結(jié)合常規(guī)觀測和地面實(shí)況資料，對2019年8月16日在山東諸城等地產(chǎn)生的強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴和2020年8月3日在山東高密產(chǎn)生小時(shí)雨量超過100 mm的強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴雙偏振參量結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行對比分析，目的是初步了解兩類超級單體風(fēng)暴低層、中層、高層及垂直結(jié)構(gòu)上的雙偏振特征、微物理特征，以及兩類超級單體風(fēng)暴雙偏振和微物理特征的差異，期望對兩類超級單體風(fēng)暴微物理過程的認(rèn)識及相關(guān)臨近預(yù)警技術(shù)有所幫助。

1 資料與方法

利用常規(guī)氣象觀測資料和非常規(guī)氣象觀測資料，分析強(qiáng)冰雹超級單體和強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴雙偏振和微物理特征異同性。常規(guī)觀測資料主要是08時(shí)（北京時(shí)，下同）探空數(shù)據(jù)，依據(jù)探空數(shù)據(jù)計(jì)算相關(guān)環(huán)境物理量，分析對應(yīng)的天氣形勢。2019年8月16日諸城強(qiáng)冰雹區(qū)距離青島探空站約95 km，2020年8月3日高密強(qiáng)降水區(qū)距離青島探空站約60 km，主要應(yīng)用青島探空數(shù)據(jù)計(jì)算相關(guān)物理量，同時(shí)增加了風(fēng)暴發(fā)生前1 h歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5資料（時(shí)間分辨率為1 h，水平分辨率為0.25°×0.25°）計(jì)算的相關(guān)物理量。

非常規(guī)觀測資料主要是區(qū)域氣象觀測站（以下簡稱“區(qū)域站”）分鐘降水量、極大風(fēng)速和青島SA雙偏振雷達(dá)高分辨率（250 m）探測資料。雙偏振特征主要分析青島雷達(dá)探測到的風(fēng)暴低層（高度低于2 km）、0 ℃層和-20 ℃層3個(gè)層次的水平極化反射率因子（ZH）、ZDR、KDP和相關(guān)系數(shù)（Cc）等偏振參量特征，以及垂直剖面雙偏振特征。諸城強(qiáng)冰雹區(qū)距離青島SA雷達(dá)站約95 km，高密強(qiáng)降水區(qū)距離青島SA雷達(dá)站約60 km，兩次超級單體風(fēng)暴均處在青島SA雷達(dá)的較佳觀測范圍內(nèi)。青島SA雷達(dá)小雨區(qū)ZDR值分布形態(tài)與參考值基本一致，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

文中所分析的風(fēng)暴ZDR柱閾值為1.0 dB，ZDR弧閾值為3 dB，KDP柱閾值為1.0 （°）·km-1。依據(jù)Seliga等［39］和Illingworth等［40］的研究，ZDR為1.0 dB的雨滴直徑約為1.6 mm，ZDR為3.0 dB的雨滴直徑約為3.5 mm，文中小雨滴指ZDR＜1.0 dB的雨滴（直徑小于1.6 mm），大雨滴指ZDR≥3.0 dB的雨滴（直徑大于3.5 mm），1.0 dB≤ZDR＜3.0 dB的雨滴為中等大小雨滴。

2 天氣實(shí)況及天氣背景

2.1 天氣實(shí)況

2019年8月16日下午，山東諸城遭受強(qiáng)冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣襲擊，造成諸城強(qiáng)冰雹的風(fēng)暴屬于長壽命超級單體風(fēng)暴（以下簡稱“諸城強(qiáng)風(fēng)暴”）。該風(fēng)暴生成于14：00前后，消散于17：00前后，15：10—15：45影響諸城，賈悅附近最大冰雹直徑在50 mm以上。賈悅區(qū)域站降水量為27.2 mm（亦為風(fēng)暴最大降水量），極大風(fēng)速為22.7 m·s-1。影響諸城期間風(fēng)暴最大反射率因子為75～78 dBZ，風(fēng)暴強(qiáng)度非常強(qiáng)。風(fēng)暴位置、形態(tài)分別見圖1a、b。

2020年8月3日下午，山東高密出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣，高密夏莊區(qū)域站在17：42—18：42出現(xiàn)114.5 mm的強(qiáng)降水，相鄰的朝陽區(qū)域站同時(shí)間段降水量為39.9 mm，兩站強(qiáng)降水由移動(dòng)緩慢的超級單體風(fēng)暴（以下簡稱“高密強(qiáng)風(fēng)暴”）產(chǎn)生。強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴生成于16：53前后，旺盛階段風(fēng)暴基本是朝東偏北方向緩慢移動(dòng)，17：27開始出現(xiàn)中氣旋并持續(xù)到18：02，18：47之后風(fēng)暴減弱。沒有觀測到大風(fēng)天氣，也沒有冰雹報(bào)告。強(qiáng)降水主要集中在17：49—18：09（20 min），夏莊站降水量達(dá)54.1 mm，朝陽站為26.4 mm，其間風(fēng)暴最大反射率因子為60～65 dBZ。風(fēng)暴位置和風(fēng)暴形態(tài)分別見圖1a、c。

2.2 天氣背景與環(huán)境參數(shù)

2019年8月16日08：00，影響系統(tǒng)為冷渦，500 hPa冷渦中心在河北、內(nèi)蒙古和遼寧交界處上空，槽線壓在山東半島中部區(qū)域，850 hPa切變位于山東與河北交界處，地面輻合線位于山東境內(nèi)的黃河北側(cè)（圖略）。低層較暖，850 hPa氣溫為21 ℃，中層較干冷，400 hPa氣溫為-19 ℃，比濕為0.2 g·kg-1，上干冷、下暖濕的配置造成熱力不穩(wěn)定及能量累積。14：00，地面輻合線南壓至沂源—臨朐—萊州一帶，并在臨朐東南部觸發(fā)新的對流，演變?yōu)槌墕误w風(fēng)暴。環(huán)境物理量（表1）顯示，抬升指數(shù)（lifting index，LI）為負(fù)值，對流有效位能（convective available potential energy，CAPE）較小，0～6 km垂直風(fēng)切變（SHR）為中等強(qiáng)度，850 hPa與500 hPa溫差（Δt）較大，干層強(qiáng)度（700 hPa與400 hPa溫度露點(diǎn)差平均值）較大，存在明顯的干層，整層比濕積分（IQ）較小。風(fēng)暴觸發(fā)地位于章丘探空站和青島探空站之間，處在章丘探空站下游約75 km，而距離青島探空站約180 km，章丘探空0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?1.7 m·s-1，隨著天氣系統(tǒng)東移南壓，上游地區(qū)的強(qiáng)垂直風(fēng)切變也隨著系統(tǒng)移動(dòng)，觸發(fā)地上空具有強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變，同時(shí)，20：00青島探空500 hPa風(fēng)向和風(fēng)速分別是285°和25 m·s-1，0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?3.8 m·s-1，風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展階段諸城一帶0～6 km垂直風(fēng)切變明顯增大。諸城上游濰坊雷達(dá)站（兩者距離約為85 km）風(fēng)廓線（VAD wind profile，VWP）產(chǎn)品顯示，14：00—14：30，6 km高度風(fēng)速約為20 m·s-1（風(fēng)向約為300°），地面為東南風(fēng)，風(fēng)速為2 m·s-1左右，0～6 km SHR超過20 m·s-1，強(qiáng)度較強(qiáng)。由14：00 ERA5資料（表1中帶“*”時(shí)次對應(yīng)數(shù)據(jù)）可知，風(fēng)暴影響前1 h，諸城上空K指數(shù)增大，Δt減小，CAPE減弱（476 J·kg-1左右），SHR和500 hPa風(fēng)速明顯增大。在CAPE較弱的情況下，強(qiáng)垂直風(fēng)切變也利于組織性強(qiáng)的對流風(fēng)暴產(chǎn)生。

2020年8月3日08：00，影響系統(tǒng)為高空槽與副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）外圍西南氣流。500 hPa冷渦中心在內(nèi)蒙古東部上空，槽線底端位于河北北部一帶，低層850 hPa槽線底部伸展到河北、河南與山東交界區(qū)域上空，緩慢東移。副高北側(cè)588 dagpm線位于山東與江蘇交界區(qū)域，基本呈緯向型分布。強(qiáng)降水風(fēng)暴產(chǎn)生在槽前副高北側(cè)西南氣流暖濕區(qū)，環(huán)境物理量（表1）顯示，K指數(shù)較大，LI較小，CAPE較強(qiáng)，深層垂直風(fēng)切變?yōu)橹械葟?qiáng)度（08：00與20：00對比幾乎沒有變化），IQ較大，干層強(qiáng)度較小，沒有明顯的干層，0 ℃層高度（HZ）特別是濕球0 ℃層（HWBZ）較高，不利于地面出現(xiàn)冰雹。由15：00 ERA5資料（表1中帶“*”時(shí)次對應(yīng)數(shù)據(jù)）可以看出，風(fēng)暴影響前1 h，高密上空K指數(shù)有所減小，Δt增大，CAPE明顯加強(qiáng)（4 618 J·kg-1左右），深層SHR有所減弱，低層SHR明顯減弱，500 hPa風(fēng)速基本沒有變化。

兩次過程相比，8月3日強(qiáng)降水天氣具有更強(qiáng)的CAPE、更大的IQ、更低的抬升凝結(jié)高度（lifting condensation level，LCL）和較高的0 ℃層或濕球0 ℃層高度，深層和低層垂直風(fēng)切變明顯較小。

3 諸城強(qiáng)風(fēng)暴雙偏振特征

選取15：24青島雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，15：10—15：45是冰雹最為嚴(yán)重階段，賈悅災(zāi)情最為嚴(yán)重，并出現(xiàn)直徑50 mm以上的特大冰雹。

3.1 不同水平層次雙偏振特征

圖2從上至下為ZH、ZDR、KDP和Cc，從左至右為15：24諸城強(qiáng)風(fēng)暴0.5°仰角PPI（plan position indicator）和0 ℃層（4.5 km）及-20 ℃層（7.7 km）高度CAPPI（constant altitude plan position indicator）。

3.1.1 風(fēng)暴低層（1.7 km）特征

南側(cè)存在明顯的入流缺口（圖2a），為氣旋性旋轉(zhuǎn)上升氣流區(qū)（賈悅站以西），對應(yīng)有較多距離庫ZDR≥3 dB（即ZDR弧，圖2d），同時(shí)KDP較?。▓D2g），Cc大小不一（圖2j），表明風(fēng)暴低層上升與下沉氣流結(jié)合區(qū)附近存在少量大的粒子（包括大的雨滴和小的濕冰粒子）或非氣象目標(biāo)物。65 dBZ以上（最大70 dBZ）回波區(qū)基本對應(yīng)負(fù)的ZDR和小的Cc，為大冰雹區(qū)域，中氣旋東北側(cè)KDP較大［最大為8.5 （°）·km-1］，含濕冰粒子和一定濃度的雨滴。強(qiáng)回波核后側(cè)2條徑向ZDR為明顯的負(fù)值區(qū)（一直持續(xù)到165 km，圖2d），由強(qiáng)冰雹衰減所致，3條徑向Cc為小值區(qū)（一直持續(xù)到165 km），由波束非均勻填充（non-uniform beam filling，NBF）所致（圖2j）［24，35，41］。其他區(qū)域（強(qiáng)回波核區(qū)東側(cè)及北側(cè)45 dBZ以上回波區(qū)）對應(yīng)大的ZDR值（多在2 dB以上）和大的Cc，KDP為0.5～3.5 （°）·km-1，有中等大小和大的雨滴存在，或許伴有少量小的濕冰粒子。

3.1.2 0 ℃層高度特征

有明顯的有界弱回波區(qū)（bounded weak echo region，BWER），其北側(cè)為強(qiáng)回波墻，最大為74 dBZ（圖2b）。BWER東、南和西側(cè)分布有大的ZDR，中間區(qū)域ZDR較小，即ZDR環(huán)（圖2e），BWER周圍有少量大的粒子；BWER內(nèi)ZDR和Cc較小（圖2k），粒子相態(tài)或形狀較為復(fù)雜。風(fēng)暴西側(cè)對應(yīng)大的ZDR和KDP（圖2h）、小的Cc，濕冰粒子與液態(tài)粒子共存。其他強(qiáng)回波區(qū)基本對應(yīng)小的甚至負(fù)的ZDR和小的KDP，以沒有融化的冰雹粒子或霰粒子為主；65 dBZ以上回波區(qū)ZDR更小，為大冰雹粒子區(qū)。65 dBZ以上回波區(qū)后側(cè)徑向有明顯的Cc小值區(qū)，一直延伸到165 km處（圖2k），近處為三體散射（three-body scatter spike，TBSS），遠(yuǎn)處為NBF。

3.1.3 -20 ℃層高度特征

存在較強(qiáng)的回波懸垂，最大為74 dBZ（圖2c）。中氣旋西側(cè)邊緣側(cè)存在ZDR≥1 dB的距離庫，即ZDR柱（圖2f），存在KDP≥1.0 （°）·km-1的距離庫，即KDP柱（圖2i），表明上升氣流強(qiáng)度較強(qiáng)，可將一定數(shù)量的液態(tài)或濕冰粒子帶至-20 ℃層甚至以上高度。該高度其他區(qū)域基本對應(yīng)小的ZDR、小的KDP和大的Cc，以冰雹粒子或霰粒子為主，存在較大區(qū)域的大冰雹粒子區(qū)。強(qiáng)回波區(qū)后側(cè)徑向Cc小值區(qū)為TBSS（圖2l）。

3.2 垂直剖面雙偏振特征

圖3a、b、c、d、e分別是15：24青島雙偏振雷達(dá)ZH、ZDR、KDP、Cc和V（徑向速度）垂直剖面產(chǎn)品（圖1b和圖2a中白色直線，起點(diǎn)方位為262.7°、距離為101.0 km，終點(diǎn)方位為286.3°、距離為115.5 km，綜合考慮徑向速度及KDP柱和ZDR柱高度等選擇沿白線方向進(jìn)行剖面）。

可以看出，風(fēng)暴具有深厚的BWER，其頂部（45 dBZ）達(dá)到-10 ℃層高度。BWER后側(cè)為強(qiáng)回波墻，60 dBZ回波頂部接近9.4 km，濕球-20 ℃至0 ℃層之間有70 dBZ以上回波（厚度約為4 km，圖3a）。

濕球0 ℃層以上BWER南北兩側(cè)各有1條清晰的ZDR大值區(qū)（大于1 dB），即ZDR柱（圖3b），北側(cè)略高于南側(cè)，2條ZDR柱之間ZDR較小，即為ZDR環(huán)，同時(shí)BWER南北兩側(cè)都存在KDP＞1 （°）·km-1的大值區(qū)，即KDP柱（圖3c），南側(cè)KDP柱1的高度明顯高于北側(cè)KDP柱2的高度。BWER內(nèi)及低層弱回波區(qū)內(nèi)Cc較小，最小為0.6（圖3d），相態(tài)較為復(fù)雜。

BWER后側(cè)強(qiáng)回波墻區(qū)域（65 dBZ以上）對應(yīng)的ZDR和Cc較小，ZDR多為負(fù)值，Cc基本小于0.9，基本為相對不規(guī)則的大冰雹區(qū)域；-10 ℃層上下，65 dBZ以上回波南側(cè)對應(yīng)有大的KDP柱，除了大冰雹粒子外，還含有一定數(shù)量的雨滴或濕冰粒子。濕球0 ℃層高度之下冰相粒子出現(xiàn)明顯融化，ZDR和KDP明顯增大。

徑向速度剖面上，風(fēng)暴中心區(qū)域（基本是60 dBZ以上回波柱體）對應(yīng)的徑向速度相對較小且有離開雷達(dá)的徑向速度，而兩側(cè)對應(yīng)有大的徑向速度（入流）且出現(xiàn)速度模糊，強(qiáng)的西偏北氣流在風(fēng)暴兩側(cè)產(chǎn)生較強(qiáng)的入流，形成明顯的“雙渦”結(jié)構(gòu)。風(fēng)暴中心區(qū)域南側(cè)（圖3e中左側(cè)）為氣旋性渦旋氣流結(jié)構(gòu)，即中氣旋，北側(cè)（圖3e中右側(cè)）為反氣旋性渦旋流場結(jié)構(gòu)。

強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴中氣旋周圍粒子相態(tài)較為復(fù)雜，在強(qiáng)上升氣流的作用下，雨滴或濕冰粒子可以被帶至較高高度。BWER上方及南側(cè)回波懸垂區(qū)，-10 ℃層高度之上以冰相粒子為主；BWER后側(cè)，濕球0 ℃層高度之上以冰雹粒子和霰粒子為主，厚度超過8 km，同時(shí)冰雹尺寸明顯較大。冰粒子在下降通道中進(jìn)一步增長，形成大冰雹粒子，在地面產(chǎn)生強(qiáng)冰雹災(zāi)害。

4 高密強(qiáng)風(fēng)暴雙偏振特征

選取17：56青島雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，超級單體風(fēng)暴成熟階段所影響的區(qū)域站最大降水量出現(xiàn)在夏莊站，17：56—18：02降水量為15.5 mm（最大分鐘降水量為3.0 mm），朝陽站17：56—18：02降水量為10.6 mm（最大分鐘降水量為2.2 mm），夏莊站雨強(qiáng)明顯大于朝陽站。

4.1 不同水平高度偏振特征

圖4是17：56青島雙偏振雷達(dá)0.5°仰角、5.1 km（0 ℃層）和8.5 km（-20 ℃層）（由左至右）ZH、ZDR、KDP和Cc產(chǎn)品（由上至下）。

4.1.1 風(fēng)暴低層特征

南側(cè)有明顯的入流缺口和反射率因子梯度高值區(qū)（圖4a），ZH梯度高值區(qū)對應(yīng)ZDR高值（3 dB以上），即ZDR?。▓D4d），KDP較?。▓D4g），Cc較大（圖4j），風(fēng)暴南側(cè)存在少許大的雨滴。其他區(qū)域（45～54 dBZ），ZDR為1.0～2.4 dB，KDP為0.5～3.5 （°）·km-1，一定濃度中等大?。ㄅc南側(cè)對比）的雨滴為主。夏莊區(qū)域站附近ZDR為1.3～2.1 dB，KDP為1.5～3.3 （°）·km-1。夏莊站ZDR略小于朝陽站，而KDP明顯大于朝陽站，夏莊站周圍上空存在高濃度的直徑略偏小的雨滴，從而導(dǎo)致更強(qiáng)的降水。

4.1.2 0 ℃層高度特征

存在寬闊的強(qiáng)回波區(qū)（ZH≥45 dBZ，圖4b）、ZDR大值區(qū)（圖4e）和KDP大值區(qū)（圖4h）。中氣旋周圍存在更大的ZDR和KDP，ZDR有3 dB以上的高值區(qū)，KDP有2.5（°）·km-1以上的高值區(qū)，存在較高濃度的雨滴或小的濕冰粒子（Cc＜0.95的距離庫，圖4k）。中氣旋東側(cè)較長徑向的Cc低值區(qū)為波束非均勻填充（NBF，圖4k）。

4.1.3 -20 ℃層高度特征

存在較強(qiáng)的水平極化反射率因子ZH（圖4c），最大為65 dBZ（1個(gè)距離庫），基本是中氣旋內(nèi)存在ZDR柱（ZDR≥1 dB的區(qū)域，圖4f）和KDP柱［KDP≥1 （°）·km-1區(qū)域，圖4i］，強(qiáng)上升氣流將一定濃度的雨滴帶到-20 ℃層甚至更高高度。中氣旋東側(cè)強(qiáng)回波區(qū)（ZH≥45 dBZ）對應(yīng)小的ZDR、小的KDP和大的Cc（圖4l），以冰雹粒子或霰粒子為主。其他區(qū)域，特別是東部區(qū)域，存在較大范圍的45 dBZ以下的回波區(qū)，對應(yīng)小的ZDR、小的KDP和大的Cc，以霰粒子及冰晶粒子為主。-20 ℃層或以上高度有豐富的冰相粒子（包括冰雹粒子），可為地面強(qiáng)降水提供豐富的“粒子源”。

4.2 垂直剖面偏振特征

圖5a、b、c、d、e分別是17：56青島雷達(dá)ZH、ZDR、KDP、Cc和V垂直剖面產(chǎn)品（圖1c中和圖4c中白色直線，起點(diǎn)方位為302.2°、距離為63.4 km，終點(diǎn)方位為345.0°、距離為51.6 km，綜合考慮BWER、徑向速度及KDP柱和ZDR柱高度等選擇沿白線方向進(jìn)行剖面）。

可以看出，風(fēng)暴旺盛階段，45 dBZ回波頂部達(dá)到14 km（-60 ℃層附近）（圖5a），BWER頂部（45 dBZ）在濕球0 ℃層高度附近。BWER上方存在深厚寬闊的ZDR柱（圖5b）和KDP柱（圖5c），其頂部均超過-20 ℃層高度。水平方向上-10 ℃層高度處ZDR柱寬度為8 km左右，KDP柱寬度為6 km左右，液態(tài)粒子濃度較高。BWER內(nèi)部ZDR為1～3 dB，KDP較小，Cc大小不一，以中等大小的雨滴為主，Cc小值區(qū)相態(tài)復(fù)雜。BWER東側(cè)（圖5a右側(cè)），濕球0 ℃層之上約9.5 km厚度內(nèi)ZDR和KDP較小而Cc較大，為冰相粒子，包括小的冰雹粒子、霰粒子和冰晶粒子。BWER東側(cè)，濕球0 ℃層之下出現(xiàn)明顯融化，ZDR和KDP明顯增大，底層ZDR和KDP又有所減小，Cc較大，基本為雨滴，為強(qiáng)降水區(qū)域。

徑向速度剖面上，風(fēng)暴主體（45 dBZ以上回波區(qū)）基本對應(yīng)離開雷達(dá)的正徑向速度（出流），西側(cè)（圖5e中左側(cè)）和東側(cè)對應(yīng)有朝向雷達(dá)的負(fù)徑向速度（入流），西側(cè)為氣旋性旋轉(zhuǎn)氣流結(jié)構(gòu)即中氣旋，且-20 ℃層高度之上切變強(qiáng)度更強(qiáng)。深厚的氣旋性旋轉(zhuǎn)上升氣流導(dǎo)致風(fēng)暴主體高度較高，達(dá)到-60 ℃層高度以上，同時(shí)將豐富的液態(tài)粒子或濕冰粒子帶至-20 ℃層以上高度。風(fēng)暴流場也具有“雙渦”結(jié)構(gòu)，西側(cè)為氣旋性旋轉(zhuǎn)，東側(cè)為反氣旋性旋轉(zhuǎn)，強(qiáng)度明顯弱于諸城強(qiáng)風(fēng)暴。

高密強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴BWER上方至-20 ℃層高度之間（厚度約為4.5 km）含有豐富的液態(tài)粒子或濕冰粒子，BWER東側(cè)濕球0 ℃層之上約9.5 km厚度內(nèi)含有豐富的冰相粒子，包括小的冰雹粒子、霰粒子和冰晶粒子，可為地面強(qiáng)降水提供豐富的降水粒子。

低層強(qiáng)上升氣流區(qū)東側(cè)及北側(cè)45～55 dBZ區(qū)域?qū)?yīng)1～2 dB的ZDR、大的KDP和Cc，表明該區(qū)域以中等大小雨滴為主，同時(shí)雨滴濃度較高，降水強(qiáng)度大，為強(qiáng)降水區(qū)。

5 雙偏振特征對比分析

5.1 風(fēng)暴參數(shù)特征

風(fēng)暴參數(shù)主要包括最大反射率因子（DBZM）及所在高度（HT）、風(fēng)暴頂高（TOP）、基于單體的垂直累積液態(tài)含水量（C-VIL）、ZDR柱和KDP柱高度，同時(shí)對中氣旋最大旋轉(zhuǎn)速度及所在高度、風(fēng)暴頂輻散強(qiáng)度（用風(fēng)暴頂最大徑向速度差ΔV表示）也進(jìn)行了相應(yīng)統(tǒng)計(jì)，平均結(jié)果見表2。強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴統(tǒng)計(jì)的是影響諸城階段（15：13—16：04），強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴統(tǒng)計(jì)的是中氣旋維持階段（17：33—18：13）。

諸城超級單體風(fēng)暴的DBZM、強(qiáng)中心高度HT、中氣旋最大旋轉(zhuǎn)速度、風(fēng)暴頂幅散強(qiáng)度等明顯大于高密超級單體風(fēng)暴，而ZDR柱和KDP柱高度明顯低于高密超級單體風(fēng)暴，中氣旋最大切變差異不明顯。由于雷達(dá)探測距離原因，青島雷達(dá)對諸城強(qiáng)風(fēng)暴不能探測到風(fēng)暴頂，TOP和ΔV數(shù)據(jù)綜合了臨沂SA單偏振雷達(dá)探測數(shù)據(jù)（表2中帶“*”數(shù)據(jù)）。

5.2 共同特征

風(fēng)暴低層有明顯的入流缺口，上升氣流區(qū)一側(cè)，反射率因子梯度較大，對應(yīng)有ZDR弧，ZDR弧區(qū)域內(nèi)以大粒子為主，包括大的雨滴和濕冰粒子，風(fēng)暴旺盛階段一直伴有該特征（其他時(shí)次圖略）。

BWER周圍存在ZDR柱、KDP柱和ZDR環(huán)等偏振特征，強(qiáng)上升氣流區(qū)內(nèi)溫度明顯高于外圍環(huán)境溫度，降水粒子仍可以以液態(tài)或濕冰相粒子形式存在，KDP柱內(nèi)存在一定濃度的液態(tài)粒子或濕冰粒子。風(fēng)暴旺盛階段，ZDR柱和KDP柱維持在較高高度（-20 ℃層高度以上）。

ZDR弧、ZDR環(huán)、ZDR柱和KDP柱等偏振特征，與Kumjian等［18］總結(jié)的非龍卷超級單體風(fēng)暴雙偏振特征及潘佳文等［34，38］分析的大冰雹超級單體雙偏振特征和強(qiáng)降水超級單體雙偏振特征基本類似，高度上存在一些差異。

5.3 主要差異性

風(fēng)暴強(qiáng)度、強(qiáng)中心高度和風(fēng)暴頂高度存在明顯差異。旺盛階段，諸城強(qiáng)風(fēng)暴DBZM和HT明顯較大而TOP較低。諸城強(qiáng)風(fēng)暴最大反射率因子維持在70 dBZ以上，平均為75.9 dBZ，且范圍較大，高密強(qiáng)風(fēng)暴最大反射率因子維持在60 dBZ以上，平均為65.1 dBZ。諸城強(qiáng)風(fēng)暴HT平均為6.6 km（表2），維持在-13 ℃層高度附近，而高密強(qiáng)風(fēng)暴HT平均為3.9 km（表2），維持在8 ℃層高度附近。諸城強(qiáng)風(fēng)暴TOP平均為12.5 km（表2），維持在-46 ℃層高度附近，而高密強(qiáng)風(fēng)暴TOP平均為14.2 km（表2），維持在-60 ℃層高度附近。

風(fēng)暴低層微物理特征存在差異。旺盛階段，諸城強(qiáng)風(fēng)暴低層ZDR高值區(qū)（ZDR＞3 dB）的范圍更大，風(fēng)暴北側(cè)和東側(cè)存在明顯的ZDR高值區(qū)，強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴低層以大粒子為主，既存在大雨滴，也存在小的濕冰粒子。高密強(qiáng)風(fēng)暴低層北側(cè)ZDR明顯小于3 dB，同時(shí)對應(yīng)大的KDP，以濃度較高的中等大小雨滴為主。

ZDR柱和KDP柱高度差異明顯，強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴ZDR柱和KDP柱高度明顯高于強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴（表2）。諸城強(qiáng)風(fēng)暴ZDR柱平均高度為7.9 km，維持在-21 ℃層附近，KDP柱高度為8.5 km，維持在-24 ℃層附近。高密強(qiáng)風(fēng)暴ZDR柱高度為9.2 km，維持在-24 ℃層附近，KDP柱高度為9.7 km，維持在-28 ℃層附近。

ZDR柱和KDP柱寬度差異明顯。旺盛階段，諸城強(qiáng)風(fēng)暴-20～0 ℃層高度ZDR柱和KDP柱僅分布在中氣旋周圍小范圍內(nèi)，面積較小，而高密強(qiáng)風(fēng)暴-20～0 ℃層高度ZDR柱和KDP柱覆蓋整個(gè)中氣旋及周圍區(qū)域，面積較寬闊。0 ℃層高度之上高密強(qiáng)風(fēng)暴具有非常寬闊深厚的液態(tài)粒子或濕冰粒子區(qū)。

5.4 偏振特征差異性原因

兩次強(qiáng)風(fēng)暴雙偏振特征存在明顯的差異性，導(dǎo)致差異性的主要因素是什么？

不同的環(huán)境物理量，如濕度廓線、風(fēng)場廓線隨高度的變化等，可導(dǎo)致不同的風(fēng)暴強(qiáng)度結(jié)構(gòu)及不同的微物理結(jié)構(gòu)［42-44］。諸城強(qiáng)風(fēng)暴產(chǎn)生在相對較干的環(huán)境條件下，850 hPa之上溫度露點(diǎn)差較大，干層深厚，530～450 hPa除外（圖6a）。高密強(qiáng)風(fēng)暴產(chǎn)生在相對較濕的環(huán)境條件下，地面至300 hPa溫度露點(diǎn)差平均值小于6 ℃（圖6b）。諸城強(qiáng)風(fēng)暴產(chǎn)生在西北氣流環(huán)境形勢下，925～500 hPa為西偏北氣流（圖6a），而且850與500 hPa溫差較大，而高密強(qiáng)風(fēng)暴產(chǎn)生在西南氣流環(huán)境形勢下，925～400 hPa為西偏南氣流（圖6b），而且850與500 hPa溫差較小，濕球0 ℃層較高，較高的濕球0 ℃層致使較多冰相粒子產(chǎn)生明顯融化。高密強(qiáng)風(fēng)暴較濕的濕度垂直分布形態(tài)及西南氣流風(fēng)場結(jié)構(gòu)，不利于冰雹特別是強(qiáng)冰雹天氣的出現(xiàn)，而是利于強(qiáng)降水天氣的出現(xiàn)。

兩次強(qiáng)風(fēng)暴氣流結(jié)構(gòu)存在一些差異，諸城強(qiáng)風(fēng)暴旺盛階段風(fēng)暴頂幅散強(qiáng)度和中氣旋旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度及風(fēng)暴柱體兩側(cè)入流強(qiáng)度都明顯大于高密強(qiáng)風(fēng)暴（表2），強(qiáng)的入流更利于中氣旋旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的加強(qiáng)與維持，在強(qiáng)的“抽吸”和強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)作用下可以“承載”較強(qiáng)的回波懸垂，利于強(qiáng)風(fēng)暴核的懸垂與大冰雹的循環(huán)增長。高密強(qiáng)風(fēng)暴旺盛階段中氣旋頂部高度較高，平均8.4 km（表2），有6個(gè)體掃在9.6 km左右高度（圖5e）；較高的中氣旋頂高，暖濕氣流氣旋性旋轉(zhuǎn)上升的高度較高，一定數(shù)量的粒子在環(huán)境-20 ℃層高度以上保持過冷卻狀態(tài)，導(dǎo)致高密強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴具有較高和較寬闊的的ZDR柱和KDP柱。同時(shí)，8月3日08：00青島探空顯示，平衡高度（equilibrium level，EL）在190 hPa（約12.8 km），對應(yīng)氣溫為-54 ℃（圖6b）；8月16日08：00青島探空顯示，平衡高度EL在321 hPa（約9.0 km），對應(yīng)氣溫為-27 ℃（圖6a）；較高的平衡高度和較高的中氣旋頂高更利于高密強(qiáng)風(fēng)暴具有更高的風(fēng)暴頂高，達(dá)到-60 ℃層高度，而諸城強(qiáng)風(fēng)暴頂高較低，在-46 ℃層附近。

兩次強(qiáng)風(fēng)暴KDP柱高度高于ZDR柱，ZDR柱高度之上存在一定濃度更小的雨滴。1.5 mm以下的雨滴，其ZDR小于1 dB，1.0 mm以下的雨滴，其ZDR小于0.5 dB［39-40］。小的雨滴更容易在過冷卻狀態(tài)下存在，大量過冷卻狀態(tài)的很小雨滴構(gòu)成了KDP柱最高端的部分，而這些雨滴因?yàn)橹睆捷^小，對ZDR貢獻(xiàn)較小。強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴KDP柱和ZDR柱明顯高于強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴，沒有查詢到相關(guān)文獻(xiàn)。

強(qiáng)冰雹和強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴雙偏振特征及其差異性的分析僅限于1對個(gè)例，其差異性是否具有普遍性？導(dǎo)致某些明顯差異特征的物理因素是什么？需要更多個(gè)例進(jìn)一步深入研究及通過數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證。由于雷達(dá)探測模式和性能的局限性，強(qiáng)風(fēng)暴微物理特征只能進(jìn)行定性解釋，很難做到定量分析。

6 結(jié)論

利用青島雙偏振雷達(dá)探測資料，結(jié)合天氣實(shí)況數(shù)據(jù)資料，對一次強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴和一次強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴雙偏振特征和微物理結(jié)構(gòu)以及差異性進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）諸城強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生在東北冷渦和地面中β尺度輻合線共同作用環(huán)境背景下，上干冷、下暖濕，具有強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定，CAPE較弱，深層和低層垂直風(fēng)切變較強(qiáng)。高密強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生在西風(fēng)槽線前、副高北側(cè)暖濕氣流區(qū)，深層垂直風(fēng)切變?yōu)橹械葟?qiáng)度，CAPE強(qiáng)，同時(shí)濕層深厚。

（2）兩次強(qiáng)風(fēng)暴有明顯的雙偏振共同特征。風(fēng)暴低層上升氣流區(qū)一側(cè)，對應(yīng)有明顯的ZDR弧。具有明顯的BWER，其周圍有ZDR環(huán)和KDP大值區(qū)。-20 ℃層高度具有明顯的ZDR柱和KDP柱，分布在中氣旋周圍。風(fēng)暴低層上升氣流區(qū)一側(cè)ZDR弧區(qū)域以大粒子為主，ZDR柱內(nèi)含有中等大小雨滴或小的濕冰粒子，KDP柱內(nèi)雨滴或小的濕冰粒子濃度較高。

（3）兩次強(qiáng)風(fēng)暴存在明顯的雙偏振特征差異性。風(fēng)暴強(qiáng)度、強(qiáng)中心高度差別明顯，諸城強(qiáng)風(fēng)暴DBZM平均約為76 dBZ，HT約為6.6 km，高密強(qiáng)風(fēng)暴DBZM平均約為65 dBZ（65 dBZ以上距離庫較少），HT約為3.9 km。ZDR柱和KDP柱的高度及寬度存在明顯差異，諸城強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴ZDR柱、KDP柱的高度與寬度明顯小于高密強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴，-10 ℃層高度附近，諸城強(qiáng)風(fēng)暴ZDR柱寬度約為1.2 km，高密強(qiáng)風(fēng)暴ZDR柱寬度約為7 km。低層ZDR存在差異，諸城強(qiáng)風(fēng)暴低層北側(cè)存在較大范圍的ZDR高值區(qū)，含有大的雨滴或小的濕冰粒子。風(fēng)暴低層KDP高值區(qū)微物理特征不同，諸城強(qiáng)風(fēng)暴低層KDP高值區(qū)基本對應(yīng)55 dBZ以上的ZH，包含一定濃度的大雨滴和一些小的濕冰粒子，而高密強(qiáng)風(fēng)暴低層KDP高值區(qū)以高濃度的雨滴為主。ZDR柱寬度差異明顯，KDP柱寬度和高度存在明顯差異，-10 ℃層高度附近，諸城強(qiáng)風(fēng)暴KDP柱寬度約為3.5 km，高密強(qiáng)風(fēng)暴KDP柱寬度約為8 km，諸城強(qiáng)風(fēng)暴KDP柱伸展到-23 ℃層高度，高密強(qiáng)風(fēng)暴KDP柱伸展到-38 ℃層高度。

（4）氣流結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度存在差異。諸城強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴內(nèi)中氣旋旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度和風(fēng)暴頂幅散強(qiáng)度明顯大于高密強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴，同時(shí)兩側(cè)入流強(qiáng)度也明顯大于高密強(qiáng)風(fēng)暴。強(qiáng)的入流利于中氣旋加強(qiáng)與維持，同時(shí)強(qiáng)風(fēng)暴頂輻散的抽吸作用，使得強(qiáng)回波核懸垂在較高高度，對冰雹的產(chǎn)生與增長非常有利。高密強(qiáng)風(fēng)暴ZDR柱寬度較寬，強(qiáng)上升氣流區(qū)較寬闊，同時(shí)上升氣流區(qū)內(nèi)含有濃度較高的液態(tài)或濕冰粒子。

（5）諸城強(qiáng)風(fēng)暴產(chǎn)生在較干冷的環(huán)境條件下，整層比濕積分明顯小于高密風(fēng)暴，較干的濕度垂直分布及西北氣流風(fēng)場結(jié)構(gòu)，較低的濕球0 ℃層，利于地面降雹。高密風(fēng)暴產(chǎn)生在較濕的濕度垂直分布及西南氣流風(fēng)場結(jié)構(gòu)條件下，較高的濕球0 ℃層，利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生，不利于地面降雹。

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