連州一次冰雹暴雨過(guò)程的雷達(dá)觀測(cè)分析

收稿日期：2024-01-30

基金項(xiàng)目：清遠(yuǎn)市氣象局科研課題（202007）。

作者簡(jiǎn)介：阮楚雯（1990—），女，廣東四會(huì)人，工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)研究。#通信作者：吳楊（1991—），男，河北泊頭人，工程師，碩士研究生，主要從事天氣預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)研究，E-mail：635255154@qq.com。

摘 要：基于MICAPS常規(guī)觀測(cè)資料和雙偏振雷達(dá)觀測(cè)資料，對(duì)2021年5月12日發(fā)生在連州的冰雹暴雨強(qiáng)天氣過(guò)程的環(huán)流背景和雷達(dá)特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：西風(fēng)短波槽、低層切變線及地面準(zhǔn)靜止鋒是此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的主要影響系統(tǒng)，西南低空急流為暴雨、冰雹的發(fā)生提供了充足的能量和水汽條件，冷暖空氣交匯是不穩(wěn)定能量釋放的觸發(fā)機(jī)制。溫濕層結(jié)表現(xiàn)出“上干冷、下暖濕”的喇叭口分布，零度層高度適宜（4.6 km），高達(dá)2 018.7 J/kg的對(duì)流有效位能，低層850 hPa存在淺薄的逆溫層，有利于能量聚集迸發(fā)。桂北與湘南交界處不斷有多個(gè)對(duì)流單體生成并東移發(fā)展，進(jìn)入連州時(shí)呈強(qiáng)反射率因子核心、回波懸垂、鉤狀回波、低層入流缺口、中氣旋等強(qiáng)風(fēng)暴特征，且單體發(fā)展旺盛時(shí)風(fēng)暴中心附近中底層出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)小（＜0.85）、差分反射率低（接近于0 dB）的典型特征。采用的連州S波段雙線偏振雷達(dá)算法產(chǎn)品能較好地識(shí)別出強(qiáng)降雨，但對(duì)冰雹的識(shí)別仍有不足。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)對(duì)流；雙偏振雷達(dá)；中氣旋

中圖分類號(hào)：P426.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）04–0-03

連州市位于廣東省西北部，南嶺山脈之中萌渚嶺的南麓，屬于粵北山區(qū)地帶和中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨季平均開(kāi)始時(shí)間是3月中下旬，冰雹、暴雨等高影響天氣多發(fā)于春季，易造成作物減產(chǎn)、人員傷亡、設(shè)施受損等嚴(yán)重災(zāi)害。國(guó)內(nèi)許多氣象學(xué)者對(duì)冰雹、暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生機(jī)制、雷達(dá)回波特征做了很多深入、細(xì)致的研究工作。何際斌[1]指出連州暴雨天數(shù)和暴雨強(qiáng)度不斷增加；李懷宇等[2]廣東冰雹天氣主要出現(xiàn)在3—5月且集中在粵北山區(qū)和西江流域河網(wǎng)地帶；王堅(jiān)紅等[3]采用合成分析等方法，得出前汛期廣東北部暴雨區(qū)受西風(fēng)帶系統(tǒng)影響為主，暴雨中尺4度系統(tǒng)為氣旋及變形場(chǎng)鋒生；陳小婷等[4]認(rèn)為，低層強(qiáng)的西南氣流和暖平流有利于對(duì)流風(fēng)暴發(fā)生。

連州S波段雙線偏振雷達(dá)于2015年5月建成，次年6月業(yè)務(wù)應(yīng)用，雙偏振天氣雷達(dá)可以探測(cè)與降水粒子形狀和類型密切相關(guān)的物理量，可以更好地識(shí)別混合區(qū)內(nèi)降水粒子相態(tài)[5-6]。2021年5月12日09：00

～11：00連州市北部三水、瑤安、大路邊等鄉(xiāng)鎮(zhèn)先后遭遇雷暴、冰雹、暴雨等災(zāi)害性天氣。08：00桂北與湘南交界處有超50 dBz的混合型回波移入連州，向東北移動(dòng)過(guò)程中不斷發(fā)展，09：30后前側(cè)的單體發(fā)展成強(qiáng)風(fēng)暴，10：00瑤安錄得1 h為58.6 mm的暴雨，10：24大路邊鎮(zhèn)出現(xiàn)10～15 min的冰雹天氣。利用連州雙偏振雷達(dá)探測(cè)資料和MICAPS觀測(cè)資料，對(duì)2021年5月12日連州北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)冰雹暴雨天氣過(guò)程特征和發(fā)生機(jī)制進(jìn)行分析，探討雙偏振雷達(dá)觀測(cè)產(chǎn)品在該天氣過(guò)程的

效果。

1 環(huán)流背景與條件

1.1 環(huán)流形勢(shì)

從2021年5月12日08：00天氣形勢(shì)可看出（圖1），此次連州強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程發(fā)生期間500 hPa上東亞中高緯地區(qū)多短波活動(dòng)，低緯華南地區(qū)受西風(fēng)短波槽槽前西南氣流影響，且副熱帶高壓邊緣（588線）穩(wěn)定維持在華南沿海，有利于在華南至長(zhǎng)江三角洲建立一條風(fēng)速為12～14 m/s西南低空急流（850 hPa），為華南地區(qū)輸送源源不斷的水汽，華南地區(qū)低層呈現(xiàn)明顯高濕區(qū)（T-Td＜2 ℃），再加上近地面（925 hPa）在湘桂交界處到江西中部、浙江北部存在一條東北西南走向的切變線，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生和加強(qiáng)提供了有利的動(dòng)力條件。地面低壓中心位于長(zhǎng)江口以東洋面上，觸發(fā)對(duì)流的準(zhǔn)靜止鋒呈東北西南走向從桂林西北部經(jīng)過(guò)湖南、江西、浙江一直延伸到東海。可見(jiàn)，西風(fēng)短波槽、低層切變線及地面準(zhǔn)靜止鋒是此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的主要影響系統(tǒng)，作為暖濕氣流的載體的西南低空急流，為暴雨、冰雹發(fā)生提供了充足能量和水汽條件，冷暖空氣交匯觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放。

1.2 環(huán)境特征

08：00清遠(yuǎn)探空站顯示，850 hPa與500 hPa的溫差達(dá)到28.1 ℃，對(duì)流抑制能量（CIN）低至26.4 J/kg，對(duì)流有效位能CAPE值高達(dá)2 018.7 J/kg，比11日08：00增加970.9 J/kg，表明大氣層結(jié)不穩(wěn)定度躍增，存在較強(qiáng)位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)；但925 hPa偏南風(fēng)8 m/s和500 hPa西南風(fēng)15 m/s顯示垂直風(fēng)切變較弱。此外，CAPE值一直延展到-20 ℃層（8.3 km左右）以上，有利于冰雹在過(guò)冷水區(qū)域中不斷增長(zhǎng)；0 ℃層高約為4.6 km，與-20 ℃層高度差約為3.7 km，適宜的厚度增加了雹胚在過(guò)冷卻水含量豐富的環(huán)境中的碰撞機(jī)會(huì)，有利于冰雹形成。

850 hPa、550 hPa附近存在淺薄逆溫層，有利于能量積累，溫濕層結(jié)表現(xiàn)出“上干冷、下暖濕”的喇叭口分布，有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生和發(fā)展。且在強(qiáng)盛西南氣流影響下，0～6 km表現(xiàn)為1個(gè)深厚濕層，7 km以上才是相對(duì)濕度＜30%的干層，表明中低層水汽條件好。

2 風(fēng)暴特征演變和結(jié)構(gòu)分析

2.1 降雹風(fēng)暴的雷達(dá)回波演變特征

12日06：00，在桂北與湘南交界處（即925 hPa切變線尾端）開(kāi)始有結(jié)構(gòu)松散的多單體對(duì)流風(fēng)暴生成，并逐漸連成一片混合型回波，以約50 km/h速度自西南向東北方向移動(dòng)，50 dBz以上回波區(qū)于08：18移入連州?；夭▍^(qū)前側(cè)的降雹風(fēng)暴在移動(dòng)過(guò)程中一直維持強(qiáng)盛對(duì)流結(jié)構(gòu)，09：42風(fēng)暴中心強(qiáng)度高達(dá)70 dBz，回波頂高14.3 km，10：18移出連州，強(qiáng)度雖然有所減弱但風(fēng)暴中心仍達(dá)67 dBz。09：42在低層1.5°仰角（高度為

2 km左右）觀測(cè)到明顯入流缺口，缺口處呈現(xiàn)明顯的有界弱回波區(qū)（圖2a），這是強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)之一，隨后在10：06～10：24也觀測(cè)到鉤狀回波（圖2b）。沿著反射率因子所示方向做剖面，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)回波在反射率因子圖上出現(xiàn)高層懸垂，且50 dBz已擴(kuò)展到10 km以上，超過(guò)-20 ℃層高度，是產(chǎn)生冰雹的顯著特征之一。

2.2 徑向速度特征分析

09：30，清遠(yuǎn)連州雷達(dá)2.4°仰角首先觀測(cè)到強(qiáng)風(fēng)暴對(duì)應(yīng)的中氣旋，10：18時(shí)中氣旋減弱，共持續(xù)近48 min。

09：42，2.4°仰角徑向速度圖上（圖3）出現(xiàn)正、負(fù)速度對(duì)，最大正、負(fù)速度分別為24.5、-14.0 m/s，呈現(xiàn)中氣旋特征。此時(shí)低層多個(gè)仰角均存在中氣旋，其中3.3°仰角在距離雷達(dá)約40 km處的中氣旋旋轉(zhuǎn)速度約

30 m/s，達(dá)到強(qiáng)中氣旋標(biāo)準(zhǔn)。10：24，因風(fēng)暴減弱，強(qiáng)風(fēng)暴低層只存在徑向速度輻合。

2.3 雹云單體的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)

風(fēng)暴底、風(fēng)暴頂和最大反射率因子所在高度呈現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)暴反射率核心的三維空間結(jié)構(gòu)，直觀地反映出強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)展過(guò)程。09：00，對(duì)流風(fēng)暴移入連州三水瑤族鄉(xiāng)，風(fēng)暴頂高度為12 km，最大反射率因子61 dBz高度為3.1 km，風(fēng)暴底高度則為0.5 km。在強(qiáng)風(fēng)暴朝東偏北方向移動(dòng)過(guò)程中，最大反射率因子在09：18前的幾個(gè)時(shí)刻的高度小于4 km，表明低層回波發(fā)展較強(qiáng)。09：54最大反射率因高度迅速增至6.7 km，說(shuō)明風(fēng)暴發(fā)展旺盛，高層的懸垂回波大于低層，對(duì)應(yīng)的風(fēng)暴頂高度也超過(guò)15 km。

從垂直累計(jì)液態(tài)水含量VIL值變化看，強(qiáng)風(fēng)暴的VIL值從9：00的28 kg/m2，增至此次冰雹暴雨過(guò)程最大值61 kg/m2（10：00），12 min內(nèi)VIL值躍增33 kg/m2。隨后最大反射率因子高度逐步下降，10：24降至3.4 km，

此時(shí)大路邊鎮(zhèn)觀測(cè)到冰雹。11：00，隨著風(fēng)暴減弱VIL值陡降至30 kg/m2以下，表明降雹前、后的VIL值出現(xiàn)躍增和陡降現(xiàn)象。

3 雙偏振雷達(dá)特征

清遠(yuǎn)連州S波段雙線偏振雷達(dá)不僅提供了反射率因子和徑向速度，還提供了差分反射率（ZDR）和相關(guān)系數(shù)（ρHV）等偏振參量，用偏振參量可分析出雹暴中水凝物粒子相態(tài)、濃度、大小和形狀等信息。

09：54，風(fēng)暴發(fā)展旺盛時(shí)，0.5°和1.5°仰角風(fēng)暴反射率因子大值區(qū)內(nèi)ZDR值大部超過(guò)3 dB，相關(guān)系數(shù)ρHV超過(guò)0.9，表明低層主要以降水粒子為主，但0.5°仰角的反射率核心區(qū)內(nèi)零散地分布著7～8個(gè)ZDR值接近0 dB

的像素，相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)ρHV小于0.85°/km，表明雷暴

低層存在小范圍冰雹。從ZDR和ρHV垂直剖面可看出，10：12為冰雹出現(xiàn)前6 min，懸垂回波處的ZDR值為

-0.5～0.2 dB，這是由于液相轉(zhuǎn)變成冰相時(shí)，介電常數(shù)減小以及冰相粒子更接近球形。而在懸垂回波下基本反射率40～55 dBz的區(qū)域，ZDR低值對(duì)應(yīng)的是ρHV大值，而ZDR大值對(duì)應(yīng)的是ρHV低值，說(shuō)明該區(qū)域有多種相態(tài)的降水粒子共存。10：24降雹時(shí)，0.5°仰角上，在基本反射率因子＞55 dBz大值區(qū)，是對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)ρHV＜0.85的低值，且差分反射率因子ZDR接近于0 dB。

4 降水粒子的相態(tài)識(shí)別

清遠(yuǎn)連市S波段雙線偏振雷達(dá)采用相態(tài)分類算法識(shí)別強(qiáng)對(duì)流降水粒子類型，輸入變量為ZH、V、ZDR和ρHV等數(shù)據(jù)，輸出了包含小雨、大雨和冰雹等10種不同相態(tài)的降水粒子類型。09：00風(fēng)暴剛開(kāi)始影響連州時(shí)（圖略），低層0.5°～2.4°仰角識(shí)別出大片大雨區(qū)（綠色）與三水瑤族鄉(xiāng)境內(nèi)強(qiáng)降水落區(qū)相一致，但大雨區(qū)附近的降雹區(qū)域（紅色）則為空?qǐng)?bào)，而在中高層3.3°以上仰角則更多地被識(shí)別為冰晶、霰和干雪，可信度較高。隨著時(shí)間的推移，低層降雹區(qū)域面積有所擴(kuò)大，但在瑤安瑤族鄉(xiāng)的降雹區(qū)域也是空?qǐng)?bào)，只有在10：18的降雹區(qū)域大路邊鎮(zhèn)境內(nèi)實(shí)際冰雹落區(qū)吻合。由此可見(jiàn)，目前連州S波段雙線偏振雷達(dá)采用的相態(tài)分類算法系統(tǒng)對(duì)于強(qiáng)降雨識(shí)別較好，但是對(duì)于冰雹識(shí)別仍有不足，需進(jìn)一步優(yōu)化。

5 結(jié)論

（1）西風(fēng)短波槽、低層切變線及地面準(zhǔn)靜止鋒是此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的主要影響系統(tǒng)，西南低空急流為暖濕氣流載體，為暴雨、冰雹發(fā)生提供了充足的能量和水汽條件，冷暖空氣交匯是不穩(wěn)定能量釋放的觸發(fā)機(jī)制。

（2）產(chǎn)生于弱垂直風(fēng)切變環(huán)境中的強(qiáng)風(fēng)暴，深厚低層濕層和高度位勢(shì)不穩(wěn)定，對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)展提供了十分有利條件。

（3）雹云單體回波強(qiáng)度普遍大于60 dBz，發(fā)展高度超15 km，中低層出現(xiàn)有界弱回波區(qū)和鉤狀回波，徑向速度圖上出現(xiàn)中氣旋。降雹前、后的回波強(qiáng)度和垂直累計(jì)液態(tài)含水量（VIL值）出現(xiàn)躍增和陡降現(xiàn)象。

（4）偏振參量反映出冰雹云的典型特征：在反射率因子大、相關(guān)系數(shù)ρHV小、差分反射率ZDR接近于0 dB的區(qū)域出現(xiàn)冰雹。采用的連州S波段雙線偏振雷達(dá)算法產(chǎn)品能較好地識(shí)別出強(qiáng)降雨，但對(duì)冰雹識(shí)別仍有不足。

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