基于雙偏振雷達(dá)資料的洞庭湖區(qū)一次強(qiáng)對流過程的分階段特征分析

唐明暉,陳龍,陳鶴,鄧朝平,吳亞昊

(1.湖南省氣象臺，長沙 410118;2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410118)

引言

洞庭湖區(qū)位于處于長江中游荊江南岸，跨湘鄂兩省，有湘、資、沅、澧四水注入，在長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)中處于明顯的戰(zhàn)略地位。據(jù)統(tǒng)計，洞庭湖區(qū)是湖南強(qiáng)對流天氣高發(fā)區(qū)(潘志祥等，2015)。強(qiáng)對流天氣對漁業(yè)、航運(yùn)以及湖泊觀光旅游安全造成很大危害。如2013年3 月22 日，洞庭湖區(qū)岳陽因超級單體風(fēng)暴導(dǎo)致風(fēng)雹災(zāi)害，造成死亡1人、倒房356戶1 066間、農(nóng)作物受災(zāi)面積13 910 hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2.2 億元；2018 年5月18日，洞庭湖區(qū)湘陰、汨羅、平江等地出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣，最大風(fēng)速達(dá)28.7 m·s-1，造成農(nóng)作物、居民住房、交通、電訊、水利等方面全面受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1.1億元。因此開展洞庭湖區(qū)強(qiáng)對流分析研究，尤其是分類預(yù)警，提煉預(yù)報技術(shù)指標(biāo)刻不容緩。

國內(nèi)學(xué)者應(yīng)用新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品對該地區(qū)強(qiáng)對流天氣做了一定的探討和研究。如蔡榮輝(2017)等針對雷暴大風(fēng)開展了天氣系統(tǒng)配置的分型研究；楊偉等(2020)通過對多次龍卷過程分析研究指出，高空輻散與邊界層輻合疊加產(chǎn)生的強(qiáng)烈抽吸作用對水龍卷的發(fā)生發(fā)展十分重要。但以上研究僅局限于單偏振天氣雷達(dá)，隨著我國天氣雷達(dá)技術(shù)不斷發(fā)展，將逐步完成雙偏振升級改造，雙偏振天氣雷達(dá)與單偏振天氣雷達(dá)相比，不僅能獲取到目標(biāo)物的回波強(qiáng)度，還能測得差分反射率因子(ZDR)柱、差分相移率(KDP)、相關(guān)系數(shù)(CC)等新的獨(dú)立變量，提供更加全面的冰雹狀態(tài)信息(劉黎平等，2002，2016；楊祖祥等，2019；楊通曉和岳彩軍，2019；朱義青和胡順起，2021)。雙偏振天氣雷達(dá)在冰雹研究應(yīng)用領(lǐng)域也取得一些進(jìn)展(馮晉勤等，2018；劉紅亞等，2020；曹舒婭等，2021；高麗等，2021)，潘佳文等(2020)指出大冰雹區(qū)表現(xiàn)出低ZDR、三體散射(TBSS)相關(guān)系數(shù)低；刁秀廣和郭飛燕(2021)發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴低層強(qiáng)反射率核后側(cè)徑向上出現(xiàn)顯著ZDR負(fù)值區(qū)，可作為大冰雹(直徑＞50 mm)的識別依據(jù)；潘佳文等(2021)也明確指出ZDR柱對降雹，尤其大冰雹具有一定提前量。相比較對冰雹的雙偏振研究而言，國內(nèi)對雷暴大風(fēng)的雙偏振研究應(yīng)用較少，國外近年的研究表明，冰雹融化、增發(fā)冷卻形成的固液混合態(tài)粒子對下?lián)舯┝餍纬捎兄匾饔?Kuster et al.，2016；Mahale et al.，2016；Kuster et al.，2021)。

2021 年5 月15 日洞庭湖區(qū)出現(xiàn)了一次強(qiáng)對流過程，結(jié)合雷達(dá)回波發(fā)展演變特征發(fā)現(xiàn)，本次過程分為多單體風(fēng)暴和颮線兩個階段，且強(qiáng)對流天氣類型有明顯差異，因此本文將利用雙偏振雷達(dá)針對本次過程進(jìn)行分階段分析，以期為洞庭湖區(qū)分類強(qiáng)對流監(jiān)測及預(yù)警提供重要參考依據(jù)。

1 資料及天氣實(shí)況

1.1 資料說明

本文所使用的雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)均來自長沙S波段多普勒天氣雷達(dá)(海拔高度622 m、雷達(dá)掃描模式為VCP21，以下簡稱長沙雷達(dá))，天氣系統(tǒng)、探空分析數(shù)據(jù)來自常規(guī)觀測資料，冰雹、降水、雷暴大風(fēng)資料來自地面氣象觀測站和災(zāi)害報告。

1.2 天氣實(shí)況

受高空槽東移、西南急流和地面輻合線的共同影響，2021年5月15日(北京時，下同)午后至夜間洞庭湖區(qū)出現(xiàn)了一次強(qiáng)對流過程(圖1a)：10站次冰雹，其中岳陽縣公田站最大冰雹直徑3 cm(17∶00)；22站次雷暴大風(fēng)，其中岳陽縣中洲站瞬時大風(fēng)最強(qiáng)達(dá)到36.9 m·s-1(20∶23，12級)，突破該站有氣象記錄以來風(fēng)速歷史極值；275站次小時雨強(qiáng)達(dá)到20 mm·h-1。白天和夜間強(qiáng)對流天氣有明顯差異：冰雹主要出現(xiàn)在午后的14∶50—17∶00(受分散的多單體風(fēng)暴前后移入洞庭湖區(qū)影響)，僅1 站次冰雹出現(xiàn)在21∶00；雷暴大風(fēng)全部出現(xiàn)在夜間的20∶00—21∶30 (受線狀的颮線整體移入洞庭湖影響)。受極端強(qiáng)對流天氣影響，洞庭湖區(qū)1.8 萬人、885 hm2農(nóng)作物受災(zāi)、倒塌房屋71 間，且多條交通干線、通訊線路和電力線路中斷。

圖1 2021年5月15日08∶00—16日08∶00洞庭湖區(qū)強(qiáng)對流天氣的空間分布(a)、15日19∶05—21∶00岳陽縣中洲站逐5 min氣象要素演變(b)Fig.1 (a)The spatial distribution of heavy convection station from 08∶00 BT 15 to 08∶00 BT 16 May 2021 in Dongting Lake area and(b)the evolution of meteorological elements at Yueyang Zhongzhou station every 5 minutes from 19∶05 BT to 21∶00 BT 15 May 2021

20∶23 岳陽縣中洲的極端大風(fēng)達(dá)到36.9 m·s-1(12級)，分析極端大風(fēng)發(fā)生(圖1b黑色箭頭)前后氣象要素變化可知，20∶15前，該站氣溫維持25 ℃左右、氣壓維持993 hPa左右，風(fēng)速較小(低于4 m·s-1)。20∶15—20∶30，氣溫由25.2 ℃降至23.0 ℃；風(fēng)速急增，5 min 風(fēng)速增加15 m·s-1，20∶25 達(dá)到18 m·s-1(期間瞬時最大風(fēng)速達(dá)36.9 m·s-1)；氣壓由992.4 hPa 升至997.3 hPa，5 min 內(nèi)上升4.9 hPa；5 min 降雨量從20∶15 開始快速增強(qiáng)，20∶20、20∶25的5 min雨量達(dá)到8.2 mm、11.6 mm，表現(xiàn)出典型的颮線過境時氣溫下降、風(fēng)力急增、氣壓猛升的特征，且短時雨強(qiáng)大。

2 環(huán)流背景和探空資料分析

15 日08∶00(圖略)，洞庭湖區(qū)處于200 hPa 高空急流強(qiáng)輻散區(qū)內(nèi)、500 hPa 高空槽前、500—925 hPa 西南急流核區(qū)；700 hPa干舌、850 hPa濕舌在洞庭湖區(qū)構(gòu)成上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)；15 日白天地面暖低壓在湖南南部顯著發(fā)展，午后開始在地面輻合線作用下觸發(fā)了強(qiáng)對流發(fā)生。20∶00 和08∶00 相比，500 hPa 高空槽向東移動約450 km，洞庭湖區(qū)其他天氣系統(tǒng)配置、不穩(wěn)定層結(jié)特征基本維持不變(圖略)，因此本次過程發(fā)生在典型的低空暖平流強(qiáng)迫背景下(許愛華等，2014)。

對離洞庭湖區(qū)最近的長沙探空站進(jìn)行分析，08∶00僅存在較淺薄大氣濕層(圖2a)，925 hPa和850 hPa比濕均達(dá)到了14 g·kg-1(表1)；500 hPa比濕僅為2.5 g·kg-1；0—3 km、0—6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?8.0 m·s-1、30.4 m·s-1，達(dá)到了強(qiáng)垂直風(fēng)切變強(qiáng)度；濕球0 ℃層(WBZ)、-10 ℃層、-20 ℃層高度為4.4 km、6.7 km、8.0 km，WBZ 明顯低于0 ℃層高度(4.7 km)，干層向下延伸到較低高度有利于大冰雹不被或少被融化(俞小鼎，2014；曾智琳等，2019)。對流有效位能(CAPE)為587.8 J·kg-1，CAPE經(jīng)14∶00 的地面溫度訂正后達(dá)2 187.3 J·kg-1，且集中在-10～-30 ℃高度，較大的不穩(wěn)定能量有利于冰雹增長。20∶00各項對流指數(shù)仍有利于強(qiáng)對流的發(fā)生(表1)，和08∶00 相比，0—3 km 垂直風(fēng)切變進(jìn)一步增大，達(dá)到了19.5 m·s-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了馬淑萍等(2019)統(tǒng)計的極端雷暴大風(fēng)發(fā)生的平均值(13.3 m·s-1)；K指數(shù)增強(qiáng)至39.8 ℃；850 hPa 以下干層更加清楚，探空曲線(圖2b)類似于康嵐等(2018)分析得到的典型濕下?lián)舯┝鳌癤型”探空形態(tài)。對比而言，雷暴大風(fēng)特別是極端性大風(fēng)的潛勢較白天進(jìn)一步增強(qiáng)；夜間隨著洞庭湖區(qū)溫度下降(圖略)，CAPE 條件較午后到傍晚下降，因此僅21∶00觀測到小冰雹。

表1 2021年5月15日08∶00、20∶00長沙站探空環(huán)境物理量Table 1 The environmental elements of Changsha station on May 15 2021

圖2 2021年5月15日08∶00(a)、20∶00(b)長沙站探空圖Fig.2 The observational soundings of Changsha station at(a)08∶00 BT and(b)20∶00 BT on 15 May 2021

3 多單體風(fēng)暴階段的雙偏振特征分析

洞庭湖區(qū)的冰雹是由多個單體風(fēng)暴前后影響該區(qū)域所致(圖略)，其中超級單體I2(圖3紅色橢圓所示)為維持時間最長的風(fēng)暴。由于洞庭湖區(qū)處于長沙雷達(dá)50—100 km 距離圈內(nèi)，結(jié)合長沙雷達(dá)海拔高度，選取2.4°仰角間隔30 min的反射率因子對I2的演變進(jìn)行追蹤分析(圖3)。從圖3 可見，I2 于13∶59 初生于洞庭湖區(qū)西側(cè)的沅江(圖3a)，并快速東移北上(圖3a—d)，15∶54 開始轉(zhuǎn)為東移為主(圖3e—h)。14∶45、15∶02，2.4°仰角ZH首次出現(xiàn)旁瓣回波且維持了4個體掃(圖3b)；14∶56、16∶11、16∶23、16∶34—16∶40、16∶57、17∶14 均識別出中氣旋，此后I2 強(qiáng)度略有減弱，但仍維持強(qiáng)風(fēng)暴強(qiáng)度，17∶00出現(xiàn)3 cm冰雹。

圖3 長沙雷達(dá)2021年5月15日13∶59(a)、14∶27(b)、14∶56(c)、15∶25(d)、15∶54(e)、16∶23(f)、16∶51(g)、17∶20(h)2.4°仰角間隔30 min反射率因子ZH演變圖(紅色橢圓為單體風(fēng)暴I2所在位置)Fig.3 The radar reflectivity factor ZH on 2.4°elevation angle from Changsha radar station at(a)13∶59 BT,(b)14∶27 BT,(c)14∶56 BT,(d)15∶25 BT,(e)15∶54 BT,(f)16∶23 BT,(g)16∶51 BT and(h)17∶20 BT on May 15 2021(The red ellipse denotes the location of the single storm I2)

I2 于13∶59 首次被雷達(dá)識別，為了更加清晰地反映I2 的演變過程，下文用最大水平反射率因子(DBZM)、垂直累積液態(tài)水含量(VIL)、質(zhì)心高度(HT)、回波頂高(TOP)這些風(fēng)暴參數(shù)及單體強(qiáng)回波面積S55(ZH≥55 dBz)、S60(ZH≥60 dBz)，S65(ZH≥65 dBz)來分析其發(fā)展演變過程(圖4)。

圖4 2021年5月15日13∶59—17∶37風(fēng)暴I2的最大水平反射率因子(DBZM)、垂直累積液態(tài)水含量(VIL)、強(qiáng)回波面積(S55、S60、S65)、強(qiáng)質(zhì)心高度(HT)和回波頂高(TOP)變化Fig.4 The maximum horizontal reflectivity(DBZM),vertically integrated liquid water content(VIL),area of strong echo(S55,S60,S65),centroid height(HT)and top height(TOP)of the storm I2 from 13∶59 BT to 17∶37 BT 15 May 2021

14∶45 以前，I2 逐步發(fā)展，DBZM、VIL、TOP、S55面積在波動中緩慢增至60 dBz、53 kg·m-2、7.3 km、15 km2；VIL、TOP 低于55 kg·m-2、8 km；HT 低于冰雹的有效增長層-10 ℃高度(6.3 km)，此為初始發(fā)展時段。14∶50開始，DBZM穩(wěn)定維持在60 dBz以上，最強(qiáng)達(dá)到了74 dBz，16∶17—16∶40連續(xù)4個體掃大于70 kg·m-2；HT、TOP、VIL大部分處于穩(wěn)定增長狀態(tài)，VIL最大達(dá)到92 kg·m-2，尤其是HT、VIL 2 個體掃(14∶56—15∶02)躍增幅度達(dá)2.1 km、26 kg·m-2；強(qiáng)回波面積S55、S60、S65逐漸增大，且S60、S65達(dá)到了120 km2、81 km2；HT 一直處于冰雹的有效增長-10 ℃高度(6.3 km)，為冰雹的翻滾增長提供了有利條件(Witt and Nelson，1991；胡勝等，2015；曾智琳等，2019)，此為冰雹碰并增長時段。HT在16∶40驟降至2.4 km(降幅達(dá)3.9 km)，低于WBZ高度，此后，HT雖又有所升高，但也低于冰雹有效增長-10 ℃高度(6.3 km)；S60、S65則出現(xiàn)較穩(wěn)定的下降，S55發(fā)展至最大(達(dá)到380 km2)后再減小；且I2的VIL、HT、TOP在17∶26及以后降至50 kg·m-2、3 km、11 km以下，HT 進(jìn)一步降至WBZ 高度，說明此時風(fēng)暴上升氣流減弱，無法承托大冰雹時段，此為成熟降雹時段。

綜上所述，解放戰(zhàn)爭時期的教育是新民主主義教育的重要組成部分，對新中國成立初期教育事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生很大的推動作用，對當(dāng)前黨的教育事業(yè)具有一定的借鑒作用。因此開展解放戰(zhàn)爭時期黨對教育問題的認(rèn)識和實(shí)踐的研究很有必要。國內(nèi)外學(xué)界對本選題都有較為深入的研究基礎(chǔ)，特別是國內(nèi)學(xué)界研究成果的數(shù)量和質(zhì)量都有較大的提高。

由上述風(fēng)暴演變過程可知，超級單體A導(dǎo)致了3 cm(17∶00)大冰雹發(fā)生，經(jīng)歷了初始發(fā)展時段(13∶30—14∶45)、冰雹碰并增長時段(14∶56—16∶34)、成熟降雹時段(16∶40—17∶32)，其發(fā)展演變過程符合潘佳文(2020)、陳龍(2023)、俞小鼎(2020)等對冰雹云的研究結(jié)果。接下來進(jìn)一步對I2三個不同時段雷達(dá)偏振量產(chǎn)品的垂直結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，以剖析冰雹云在不同演變時段雷達(dá)偏振參數(shù)所體現(xiàn)出的特征和云物理機(jī)制。

3.1 I2初始發(fā)展時段

I2 初始發(fā)展時段為I2 從初生到云體躍增之前時段。該階段ZH達(dá)到55 dBz，對應(yīng)徑向速度圖有“逆風(fēng)區(qū)”特征，說明具有一定輻合特征，輻合的上升氣流將雨滴向上輸送，雨滴在上升過程中不斷增長，隨著粒子直徑增大、軸比增大，導(dǎo)致ZDR不斷增大，大部分為0.2～3.0 dB，最強(qiáng)達(dá)到3.5 (圖略)。14∶45 2.4°仰角首次出現(xiàn)了旁瓣回波(圖5a)；ZH(＞55 dBz)區(qū)域?qū)?yīng)較大KDP(＞1.7°·km-1)區(qū)域(圖5b)，表明水含量大；對應(yīng)ZDR值大部分大于1 dB(圖5c)；粒子形態(tài)識別(HCL)產(chǎn)品判斷此時降水粒子相態(tài)為以雨滴為主(圖5d)。

圖5 2021年5月15日14∶45 2.4°仰角反射率因子ZH(a)、差分相移率KDP(b)、差分反射率因子ZDR(c)、粒子相態(tài)識別HCL(d)(白實(shí)線AB為圖6剖面所在位置)Fig.5 (a)The reflectivity factor ZH,(b)specific differential phase KDP,(c)differential reflectivity ZDRand(d)hydro classification HCL on 2.4°elevation angle at 14∶45 BT 15 May 2021(The white line denotes the location of the profile for fig.6)

沿14∶45 的2.4°仰角ZH(圖5a)實(shí)線AB 所在位置作I2 剖面分析可見，ZH強(qiáng)回波(大于55 dBz)超過了WBZ所在高度(圖6a黑框)，對應(yīng)區(qū)域有表征上升氣流的ZDR(＞1 dB)柱，ZDR柱中心(＞2.5 dB)也擴(kuò)展至WBZ高度(圖6b 黑框)，說明較強(qiáng)上升氣流為凍結(jié)雨滴提供了動力抬升條件(潘佳文等，2021)；隨著較強(qiáng)上升氣流攜帶水汽向上輸送，導(dǎo)致雨滴碰并增長、含水量進(jìn)一步增大，對應(yīng)區(qū)域(圖6c 黑框)KDP較大(＞1.7°·km-1)，過冷水含量增大；對應(yīng)區(qū)域(圖6d 黑框) CC 在0.9～0.99。綜合分析可知，初始發(fā)展時段，強(qiáng)ZH回波(＞55 dBz)對應(yīng)的相態(tài)以夾雜著大雨滴的水凝物為主。

3.2 I2冰雹碰并增長時段

隨著I2 反射率因子增強(qiáng)，14∶56，2.4°仰角ZH達(dá)到了60 dBz(圖7a)；徑向速度圖識別出中氣旋(圖7b)；旋轉(zhuǎn)帶來的上升運(yùn)動有利于冰雹在空中翻滾增長(潘佳文等，2020；王建恒等，2020)，VIL 出現(xiàn)明顯躍增，1 個體掃從35 kg·m-2(圖7c)躍增至70 kg·m-2(圖7d)；由粒子形態(tài)識別產(chǎn)品(HCL)判斷此時該區(qū)域降水粒子相態(tài)為以冰雹粒子為主(圖7e)。

圖7 2021年5月15日14∶56的2.4°仰角反射率因子ZH(a)、徑向速度V(b)、垂直液態(tài)水含量VIL(c)、粒子相態(tài)識別HCL(e)、6.0°仰角反射率ZH(f)和15∶02的垂直液態(tài)水含量VIL(d)Fig.7 (a)The reflectivity factor ZH,(b)radial velocity V,(c)vertically integrated liquid water content VIL,(e)hydro classification HCL on 2.4°elevation angle,(f)reflectivity factor ZHon 6.0°elevation angle at 14∶56 and(d)vertically integrated liquid water content VIL at 15∶02 BT 15 May 2021

沿14∶56 6.0°仰角ZH(圖7f)的實(shí)線AB作I2剖面分析，可以看出，60 dBz強(qiáng)中心擴(kuò)展至-10 ℃高度以上(圖8a 黑框)，充分滿足了大冰雹形成所需溫度，此時風(fēng)暴I2中較強(qiáng)的上升運(yùn)動能將水凝物輸送到負(fù)溫區(qū)，保證充足的凝結(jié)水供應(yīng)；徑向速度圖中層出現(xiàn)輻合(圖8b黑框)、高層出現(xiàn)輻散，造成的抽吸作用更有助于上升運(yùn)動的增強(qiáng)與維持；強(qiáng)中心(＞60 dBz)所對應(yīng)的ZDR由初始發(fā)展時段的正值(圖6b 黑框)降至小于0(圖8c 黑框)，因冰雹形狀多為表面不規(guī)則的球體，且在下降過程中具有翻滾現(xiàn)象，可近似于各向同性的球形粒子，故導(dǎo)致ZDR小于0。不僅如此，伸展高度隨著上升氣流的增強(qiáng)繼續(xù)增長，與上升氣流對應(yīng)的ZDR(＞2.5 dB)柱擴(kuò)展至-10 ℃高度(圖8c 黑框)，ZDR柱中的液相粒子釋放相變潛熱可增加云內(nèi)與云頂?shù)臏夭罴安环€(wěn)定度，促使上升氣流進(jìn)一步增強(qiáng)，水成物向上輸送作用增強(qiáng)，有助于凍滴增多，為冰雹的形成和增長提供了有利條件(王建恒等，2020；潘佳文等，2021)；對應(yīng)ZDR小于0處，CC由初始發(fā)展時段大于0.9(圖6d黑框)降至0.7(圖8d黑框)；對應(yīng)強(qiáng)回波區(qū)域(＞60 dBz)KDP出現(xiàn)“空洞”(圖8e)，這種現(xiàn)象是距離庫內(nèi)粒子非均一性和強(qiáng)冰雹衰減作用造成CC小于0.9、KDP污染出現(xiàn)異常，則不顯示(劉黎平，2002)，表明對應(yīng)高度降水粒子以固態(tài)為主，且處于增大時段。而對比3 km高度以下，ZH(45～50 dBz)區(qū)域主要對應(yīng)較強(qiáng)的ZDR(＞3 dB，圖8c)、強(qiáng)的CC (＞0.99，圖8d)、強(qiáng)的KDP(1.7～2.4°·km-1，圖8e)，說明低層降水粒子以夾著大雨滴且濃度較高的液態(tài)水為主。

圖8 2021年5月15日14∶56沿圖5a中AB線的反射率因子ZH(a)、徑向速度V(b)、差分反射率因子ZDR(c)、相關(guān)系數(shù)CC(d)、差分相移率KDP(e)的垂直剖面圖(白點(diǎn)線為-10 ℃所在高度，黑框?yàn)榇笥?0 dBz強(qiáng)回波所在位置)Fig.8 The profile for(a)reflectivity factor ZH,(b)radial velocity V,(c)differential reflectivity ZDR,(d)correlation coefficient CC and(e)specific differential phase KDP taken along the solid line AB in Fig.5a at 14∶45 BT 15 May 2021(The white dotted line denotes the height of-10℃,and the black box indicates the strong echoes greater than 60 dBz)

3.3 I2成熟降雹時段

冰雹不斷翻滾增大，I2 上升氣流越來越弱，冰雹云內(nèi)平衡狀態(tài)被打破，進(jìn)入成熟降雹時段。ZH達(dá)到60 dBz 回波(圖9a 黑橢圓)對應(yīng)CC 小于0.9(圖9d 黑橢圓)，出現(xiàn)KDP空洞(圖9c 黑橢圓)，周邊有KDP足(超過2.4°·km-1異常大值)，表明對應(yīng)高度雨滴濃度仍較高且存在包水膜的冰雹粒子；ZDR的值與粒子總數(shù)在不同尺寸上的分布有關(guān)，一般來說，冰雹在下降過程不斷翻滾、擺動，近似球形粒子，ZDR值接近于0，大冰雹在下落過程中保持自由降落狀態(tài)，電磁波經(jīng)過大冰雹時水平電磁波比垂直電磁波衰減要強(qiáng)，導(dǎo)致ZDR甚至出現(xiàn)負(fù)值(馮晉勤，2018；Picca and Ryzhkov，2012)，此時ZH強(qiáng)中心對應(yīng)ZDR負(fù)值區(qū)(圖9e 黑橢圓)，說明冰雹直徑較大；HCL顯示對應(yīng)降水粒子為霰且霰粒區(qū)域出現(xiàn)了冰雹粒子(圖9f黑橢圓)。而霰粒區(qū)域正對應(yīng)于中氣旋區(qū)域(圖9b 黑橢圓)，霰容易被氣旋式環(huán)流卷入上升氣流，而上升氣流存在大量的液態(tài)水，有利于霰粒作為雹胚經(jīng)歷濕增長及降雹的維持。

圖9 2021年5月15日16∶40 2.4°仰角反射率因子ZH(a)、徑向速度V(b)、差分相移率KDP(c)、相關(guān)系數(shù)CC(d)、差分反射率因子ZDR(e)以及粒子相態(tài)識別HCL(f)(黑橢圓為大于60 dBz強(qiáng)回波所在位置)Fig.9 (a)The reflectivity factor ZH,(b)radial velocity V,(c)specific differential phase KDP,(d)correlation coefficient CC,(e)differential reflectivity ZDRand(f)hydro classification HCL on 2.4°elevation angle at 16∶40 BT 15 May 2021(The black eclipse denotes the location of the strong echo greater than 60 dBz)

16∶40 沿圖9a 中的實(shí)線AB 作剖面(圖10)分析可知，ZH強(qiáng)中心(＞60 dB，圖10a 黑框)底部降至2 km 以下，低于WBZ高度；對應(yīng)ZDR出現(xiàn)負(fù)值(圖10b黑框)，CC為0.85～0.9，局部低至0.8(圖10c 黑框)，對應(yīng)出現(xiàn)KDP空洞(圖10d 黑框)，說明冰雹下落的拖曳作用進(jìn)一步削弱上升氣流的強(qiáng)度，預(yù)示冰雹即將落地。如果在冰雹初始發(fā)展到增長期，預(yù)報員對空中冰雹在下降的過程中是否會融化把握不大，存在預(yù)警發(fā)布猶豫期，而此時監(jiān)測到ZH(＞60 dBz)大值區(qū)配合ZDR低值區(qū)(＜0 dB)、CC 低值區(qū)(＜0.9)均下降至低層(2 km 以下)，應(yīng)可以預(yù)判地面將有冰雹降至地面(17∶00 岳陽縣公田3 cm 冰雹)及時發(fā)布預(yù)警，該冰雹預(yù)警提前量至少可達(dá)20 min。

圖10 2021年5月15日16∶40沿圖9a中AB實(shí)線所作的反射率因子ZH(a)、差分反射率因子ZDR(b)、相關(guān)系數(shù)CC(c)、差分相移率KDP(d)垂直剖面圖(白點(diǎn)線為WBZ高度，黑框?yàn)榇笥?0 dBz強(qiáng)回波所在位置)Fig.10 The profile for(a)reflectivity factor ZH,(b)differential reflectivity ZDR,(c)correlation coefficient CC,(d)specific differential phase KDPtaken along the solid line AB in Fig.9a at 16∶40 BT 15 May 2021(The white dotted line denotes the WBZ height,and the black box indicates the location of the strong echo greater than 60 dBz)

4 颮線階段雙偏振特征分析

4.1 颮線演變特征分析

15日18∶06在湘西北已有多個分散風(fēng)暴單體生成(圖略)，18∶58 已經(jīng)組織化演變成弓狀回波，有明顯速度輻合帶與之對應(yīng)(圖略)，20∶07颮線東移過程中與東側(cè)的超級單體合并，曲率明顯增強(qiáng)，發(fā)展成長S型颮線(圖11a黑橢圓)，100 km范圍內(nèi)有6個中尺度渦旋集中發(fā)展，其中中氣旋K0 出現(xiàn)了速度模糊，正負(fù)速度差值達(dá)到了54 m·s-1，達(dá)到了強(qiáng)中氣旋強(qiáng)度(圖11d)，S 型颮線對應(yīng)的KDP值(圖11b)在0.5～3.1°·km-1，局地達(dá)到7°·km-1，說明對應(yīng)的超級單體風(fēng)暴的液態(tài)水含量高，對應(yīng)ZDR達(dá)到了1 dB 以上(圖11c)，表征為大雨滴為主。S 型颮線回波東移，導(dǎo)致洞庭湖區(qū)大范圍雷暴大風(fēng)。21∶14 開始，S 型強(qiáng)颮線出現(xiàn)斷裂，演變成多單體強(qiáng)風(fēng)暴，并逐漸東移南壓。

圖11 2021年5月15日20∶07 0.5°仰角反射率因子ZH(a)、差分相移率KDP(b)、差分反射率因子ZDR(c)、徑向速度V(d)(黑橢圓為颮線所在位置)Fig.11 (a)The reflectivity factor ZH,(b)specific differential phase KDP,(c)differential reflectivity ZDR and(d)radial velocity Von 0.5°elevation angle at 20∶07 BT 15 May 2021.(The black eclipse denotes the location of squall line)

重點(diǎn)對極端大風(fēng)(20∶24)發(fā)生時雙偏振參量進(jìn)行分析(圖12)，沿圖12a中實(shí)線AB剖面圖分析，55 dBz強(qiáng)回波降至1 km 以下(圖12b 黑框)，55 dBz 強(qiáng)回波區(qū)域?qū)?yīng)的ZDR達(dá)到1.5 dB(圖12c 黑框)，徑向速度圖5 km高度有27 m·s-1的速度大值區(qū)，東側(cè)27 m·s-1速度大值區(qū)降至1 km 以下(圖12e 白框)，KDP達(dá)到了2.4°·km-1以上，最強(qiáng)為4.6(圖12d 黑框)，可見1 km 以下有明顯大雨滴。從強(qiáng)回波(50～55 dBz)伸展高度(圖12b)判斷6 km以上雖也有冰雹粒子碰并下降，但隨著冰雹粒子的融化、降水的蒸發(fā)產(chǎn)生負(fù)浮力，負(fù)浮力進(jìn)一步促進(jìn)下沉氣流的增強(qiáng)。潘佳文等(2022)、Romine 等(2008)等指出KDP顯著大值區(qū)位于ZH大值區(qū)(＞50 dBz)內(nèi)，說明KDP與下沉氣流有較好對應(yīng)關(guān)系，不僅如此，極端大風(fēng)發(fā)生前后雨量15 min(20∶15—20∶30)達(dá)到23.4 mm(圖1b)，推斷強(qiáng)降水拖曳作用也加劇了極端大風(fēng)的產(chǎn)生。

圖12 2021年5月15日20∶24 0.5°仰角反射率因子ZH(a)以及沿圖12a AB所作的反射率因子ZH(b)、差分反射率因子ZDR(c)、差分相移率KDP(d)、徑向速度V(e)的垂直剖面圖(黑框?yàn)?5 dBz強(qiáng)回波所在位置，白框?yàn)樗俣却笾祬^(qū)降至1 km以下所在位置)Fig.12 (a)The reflectivity factor ZHon 0.5°elevation angle at 20∶24 and the profile for(b)reflectivity factor ZH,(c)differential reflectivity ZDR,(d)specific differential phase KDPand(e)radial velocity V taken along the solid line AB in fig.12a at 20∶24 BT 15 May 2021(The black box denotes the location of the strong echo greater than 55 dBz,and the white box indicate the area where the speed is below 1 km)

4.2 中氣旋特征分析

結(jié)合雷達(dá)回波演變發(fā)現(xiàn)颮線鑲嵌的超級單體風(fēng)暴K0(對應(yīng)中氣旋K0)和極端大風(fēng)密切相關(guān)(圖略)，對中氣旋K0 底高、頂高、最強(qiáng)切變高度、切變值大小進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)(圖13)，19∶50—19∶56，中氣旋僅表現(xiàn)出三維切變特征，切變值為8×10-3·s-1。20∶01 切變值劇增至42×10-3·s-1，達(dá)到了強(qiáng)中氣旋強(qiáng)度，超級單體風(fēng)暴K0 三維切變以及中氣旋期間，中氣旋底高明顯偏低，位于2 km以下。20∶01至極端大風(fēng)發(fā)生(圖13黑色箭頭)前，底高均低于1 km，比極端大風(fēng)出現(xiàn)時間提前了20 min 以上。20∶07—20∶13 最強(qiáng)切變所在高度和頂高位置重合，達(dá)到了5.5 km 以上，20∶13 最強(qiáng)切變高度、頂高出現(xiàn)陡降。20∶19切變值也快速下降，且最強(qiáng)切變高度、頂高降至1.8 km，此時對應(yīng)強(qiáng)下沉氣流的發(fā)生，可見20∶23極端大風(fēng)發(fā)生在中氣旋K0最強(qiáng)切變高度、切變值大小先增后降階段，這和馮晉勤(2010)等研究得出“雷暴大風(fēng)產(chǎn)生前，中氣旋頂高開始下降，最強(qiáng)切變高度也隨之下降”結(jié)論一致。

圖13 2021年5月15日19∶50—20∶36中氣旋K0底高、頂高、最強(qiáng)切變高度、切變大小演變圖Fig.13 The evolution of height of top and bottom,the maximum shear and its height associated with the mesocyclone K0 from 19∶50 to 20∶36 BT 15 May 2021

5 結(jié)論與討論

針對2021年5月15日洞庭湖區(qū)極端強(qiáng)對流天氣，使用長沙S 波段雙偏振天氣雷達(dá)進(jìn)行分階段(多單體風(fēng)暴、颮線)分析，并對多單體風(fēng)暴階段的I2進(jìn)行了分時段分析，得出主要結(jié)論如下：

(1)本次過程發(fā)生在低層暖平流強(qiáng)迫背景下。白天，強(qiáng)熱力不穩(wěn)定、強(qiáng)垂直風(fēng)切變、合適的WBZ、-10 ℃和-20 ℃層高度等均為冰雹的發(fā)生發(fā)展提供了有利條件；夜間，低層垂直風(fēng)切變增強(qiáng)、探空曲線“X”形特征明顯，雷暴大風(fēng)尤其是極端大風(fēng)的潛勢進(jìn)一步增強(qiáng)。

(2) I2 初始發(fā)展時段，雨滴在上升過程中不斷增長、ZDR不斷增大；ZH強(qiáng)回波(＞55 dBz)、ZDR柱中心(＞2.5 dB)擴(kuò)展至WBZ高度，強(qiáng)上升氣流攜帶水汽向上輸送，導(dǎo)致水滴碰并增長、含水量增大，對應(yīng)區(qū)域KDP較大(＞1.7°·km-1)、CC 在0.9～0.99，說明此時上升的水凝物已出現(xiàn)混合相態(tài)；降水相態(tài)是以夾雜著大雨滴的水凝物為主。

(3)I2 冰雹碰并增長時段，ZH強(qiáng)度、發(fā)展高度急速增長，VIL明顯躍增，ZH強(qiáng)中心(＞60 dBz)擴(kuò)展至-10℃高度以上，對應(yīng)的ZDR由初始發(fā)展時段的降至負(fù)值，CC下降、KDP出現(xiàn)“空洞”，表明此時降水以固態(tài)粒子為主，且處于增大時段。

(4)I2 成熟降雹時段，ZH強(qiáng)中心(＞60 dBz)范圍增大、底部降至WBZ 高度以下，CC 局部低至0.8、存在ZDR負(fù)值區(qū)、KDP空洞，預(yù)示冰雹即將落地。

(5)颮線階段與多單體風(fēng)暴階段相比，中氣旋持續(xù)時間更長，強(qiáng)回波對應(yīng)的KDP值異常偏大。極端大風(fēng)即將發(fā)生前，55 dBz強(qiáng)回波、27 m·s-1速度大值區(qū)降至1 km以下；ZH大值區(qū)(＞50 dBz)內(nèi)有與下沉氣流對應(yīng)的KDP足，說明強(qiáng)降水的拖曳作用也加劇了極端大風(fēng)的產(chǎn)生。

在實(shí)際預(yù)報業(yè)務(wù)過程中，預(yù)報員容易關(guān)注到槽、急流強(qiáng)度、地面輻合線以及各項對流物理量對強(qiáng)對流天氣發(fā)展的明顯潛勢，但對強(qiáng)對流出現(xiàn)時間、類型及強(qiáng)度偏差估計仍可能不足，究其原因是對強(qiáng)對流風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展機(jī)制認(rèn)識不夠。本文對該次過程主要從環(huán)流背景、雙偏振參數(shù)方面進(jìn)行了分析，但分析研究仍不夠深入全面：如偏振量ZDR、CC 和KDP的演變以定性分析為主，特別是環(huán)境探空時段(08時、20時)的溫度廓線體現(xiàn)的溫度與實(shí)際雷暴內(nèi)部的溫度存在差異，對于WBZ、ZDR柱高度的估計難免存在誤差，再如未分析洞庭湖區(qū)下墊面性質(zhì)在颮線組織發(fā)展過程的作用等。期待今后隨著其它觀測設(shè)備的增加和探測手段的完善，為提高洞庭湖區(qū)的強(qiáng)對流天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性和時效性提供更多幫助。