鄭州“7·20”極端暴雨的雙偏振雷達(dá)回波與風(fēng)場特征分析

李建陽, 平凡

(1.南京信息工程大學(xué)遙感與測繪學(xué)院, 南京 210044; 2.中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029)

暴雨可為長期連續(xù)降水積累,亦可由短時強(qiáng)降水引起,通常伴隨著極端性短時強(qiáng)降水天氣出現(xiàn),2021年7月, 河南省發(fā)生了一次極端強(qiáng)降水過程,持續(xù)降水時間長,在7月20日,鄭州市的小時降水量突破歷史極值,造成嚴(yán)重洪澇災(zāi)害,給人民生命和財產(chǎn)造成極大損失。文獻(xiàn)[1-2]針對這次暴雨過程進(jìn)行了降水研究、環(huán)流及物理量特征的分析, 近年來,隨著多普勒雷達(dá)向雙線偏振雷達(dá)的更新?lián)Q代,不僅提供反射率因子Z、徑向速度V和速度譜寬SW,還提供差分反射率Zdr、差分傳播相移Φdp、差分相位常數(shù)Kdp和相關(guān)系數(shù)ρhv。這些變量可應(yīng)用于雷暴中水凝物粒子相態(tài),濃度、尺寸及形狀等參數(shù)分析研究,以及對潛在微物理過程的進(jìn)一步分析。

應(yīng)用雙偏振參量,國外Kumjian等[3]、Snyder等[4]針對超級單體研究了Zdr弧、Zdr柱、Kdp柱等特征與其內(nèi)部的動力結(jié)構(gòu)。國內(nèi)同樣對雙偏振天氣雷達(dá)展開了廣泛的應(yīng)用與研究,例如雷暴單體的生長過程、強(qiáng)對流降水粒子分布、龍卷的動熱力特征、雙偏振雷達(dá)數(shù)值模式的應(yīng)用、強(qiáng)降水定量評估等[5-11]。潘佳文等[12]利用雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)對一次超級單體分析表明,Zdr柱位于主上升氣流附近。林文等[13]對不同強(qiáng)對流系統(tǒng)的雙偏振雷達(dá)觀測分析認(rèn)為,低ρhv、低Zdr、高Z區(qū)域表征大冰雹的存在。

對流風(fēng)暴中的動力結(jié)構(gòu)如中小尺度風(fēng)切變、氣旋式輻合,常常導(dǎo)致強(qiáng)降水回波在某地維持和發(fā)展。已有研究表明,產(chǎn)生強(qiáng)降水的雷達(dá)徑向速度場50%以上是輻合型流場[14],低切變、具有組織性的中氣旋,使得風(fēng)暴的持續(xù)時間顯著延長[15],連續(xù)3個體掃上出現(xiàn)中氣旋,相應(yīng)出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣[16]。通過Z與V進(jìn)行雷達(dá)風(fēng)場反演技術(shù),獲取高分辨率的風(fēng)場數(shù)據(jù),從而更加直觀地了解對流系統(tǒng)內(nèi)部的精細(xì)化氣流結(jié)構(gòu)及其生消演變過程。

現(xiàn)使用鄭州雙偏振雷達(dá),分析此次強(qiáng)降水過程的雙偏振參量特征,并結(jié)合雷達(dá)風(fēng)場反演技術(shù)分析強(qiáng)降水對流系統(tǒng)的粒子相態(tài)分布與動力結(jié)構(gòu),特別是對其與偏振參量特征的對應(yīng)關(guān)系,以期為利用雙偏振雷達(dá)進(jìn)行災(zāi)害性暴雨的監(jiān)測與預(yù)警提供一定的參考依據(jù)。

1 個例簡介與天氣形勢分析

1.1 個例簡介

2021年7月17—21日(協(xié)調(diào)世界時,下同),河南省發(fā)生了歷史罕見的極端強(qiáng)降水過程。其中,在7月17—19日期間,強(qiáng)降水主要發(fā)生在焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽等豫北沿山一帶,隨后強(qiáng)降水中心逐漸南移,向河南中部附近集中。7月19—20日強(qiáng)降水主要位于鄭州市市區(qū)西南部,最大降水量為379.2 mm,20日強(qiáng)降水位于鄭州市中部并不斷增強(qiáng)且長時間滯留[17],在7月20—21日,累計降水量分布如圖1(a)所示,鄭州市全市累計降水量達(dá)到624.1 mm,超過了2019年全年降水量509.5 mm。在7月20日08:00—09:00,鄭州國家氣象站單站小時降水量達(dá)到201.9 mm,如圖1(b)所示,突破了中國大陸地區(qū)歷史極值,7月21日之后降水中心再次北移并在22日逐漸消散。此次降水過程的極端性體現(xiàn)在其持續(xù)時間長、范圍大、累計雨量與小時雨強(qiáng)大,對河南多地造成極為嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害,使得全省150個縣(市、區(qū))1 664個鄉(xiāng)鎮(zhèn)約1 478.6萬人受災(zāi),農(nóng)作物受災(zāi)面積1 021.4 khm2,直接經(jīng)濟(jì)損失約1 200.6億元,給河南省尤其是鄭州市造成了重大的人員傷亡以及財產(chǎn)損失。

圖1 7月20—21日觀測的24 h累計降水量與1 h累計降水量Fig.1 24 h cumulative precipitation and 1 h cumulative precipitation observed from July 20 to 21

1.2 天氣形勢分析

從200 hPa等壓面圖[圖2(a)]上來看,中國呈現(xiàn)出“兩槽一脊”的環(huán)流形勢,東側(cè)槽位于中國東部沿海一帶,槽中低渦中心處在33°N附近,西側(cè)槽處于中國西部地區(qū),槽線呈東北—西南走向,高壓脊頂由河南延伸至渤海,鄭州地區(qū)位于高空急流區(qū)的南側(cè),氣流輻散非常顯著。500 hPa的等壓面圖[圖2(b)]上,西太平洋副熱帶高壓588脊線異常偏北,達(dá)到約40°N的位置,維持在日本海上空,這可能是與南部臺風(fēng)“煙花”的相互作用導(dǎo)致[18],在此背景下,氣流匯聚于河南地區(qū),風(fēng)速達(dá)到最大,其中鄭州站附近東南風(fēng)速達(dá)到14 m/s,有利于鄭州地區(qū)氣流的輻合抬升。在850 hPa圖[圖2(c)]上,副高和臺風(fēng)“煙花”之間建立了穩(wěn)定的水汽輸送帶,將充沛的水汽輸送至河南地區(qū),與來自臺風(fēng)“查帕卡”的暖濕氣流匯聚在河南地區(qū),在鄭州站附近,水汽相較周邊達(dá)到最大,周邊8 m/s的西南氣流與東南氣流在鄭州站轉(zhuǎn)為14 m/s的東風(fēng),為此次強(qiáng)降水過程提供充足的水汽條件。一方面河南地區(qū)處于東南氣流與西南氣流的輻合區(qū),又得益于河南地區(qū)處于復(fù)雜的地形條件下,西側(cè)的伏牛山以及北側(cè)的太行山使匯聚的氣流受地形抬升影響,均提供了良好的對流觸發(fā)條件。

(a)200 hPa位勢高度(藍(lán)色等值線,單位:10 gpm),溫度(紅色等值線,單位: ℃),風(fēng)場(風(fēng)羽:長劃線代表4 m/s),高空急流(填色,m/s);(b)500 hPa位勢高度(藍(lán)色等值線,單位:10 gpm),溫度(紅色等值線,單位: ℃),風(fēng)場(風(fēng)羽:長劃線代表4 m/s);(c) 850 hPa位勢高度(藍(lán)色等值線,單位:10 gpm),溫度(紅色等值線,單位: ℃),風(fēng)場(風(fēng)羽:長劃線代表4 m/s),(填色,相對濕度);(d) 鄭州站2021年7月19日0800UTC上Skew T-lgP圖,黑色為溫度曲線,藍(lán)色為露點(diǎn)曲線,廓線(風(fēng)羽:長劃線代表4 m/s);gpm為位勢高度的單位,換算公式為H=Gh(g/9.8),其中H為位勢高度,g為所在緯度的重力加速度,Gh為幾何高度

此外,由SkewT-lgP圖[圖2(d)]看出,19日,大氣處于上干下濕的狀態(tài),對流不穩(wěn)定能量(CAPE)為804 J/kg。抬升凝結(jié)氣壓(Plcl)為973 hPa,非常接近地面,也即云底較低,蒸發(fā)較小,氣塊幾乎不需要環(huán)境動力抬升就能凝結(jié)降水,整層上來看垂直風(fēng)切變較大,850 hPa上為10 m/s的東風(fēng),500 hPa上風(fēng)向轉(zhuǎn)為8 m/s的南風(fēng),在200 hPa上轉(zhuǎn)為10 m/s的西風(fēng)。20日8:00垂直風(fēng)切變繼續(xù)增大,在上述三層分別達(dá)到16、14、14 m/s,較大的垂直風(fēng)切變?yōu)榇藭r極強(qiáng)短時強(qiáng)降水提供了維持的作用,Plcl更接近地面,達(dá)到985 hPa,溫度與露點(diǎn)溫度在約450 hPa下接近重合,大氣基本飽和,CAPE值進(jìn)一步釋放降為347 J/kg?？梢娫趶?qiáng)降水發(fā)生前期,19日8:00時,位于鄭州上空的水汽充足,CAPE值也較高,不斷加強(qiáng)的垂直風(fēng)切變也為此次強(qiáng)降水的發(fā)展與形成提供了觸發(fā)和維持條件,十分利于對流的發(fā)生。

2 資料方法

使用的雷達(dá)資料為鄭州站S波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá),雷達(dá)的徑向分辨率為250 m,體積掃描模式為VCP21,即包含9個仰角的觀測,分別為0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°和19.5°,完成一次體掃時間為6 min,其中低層仰角下(6.0°及以下)最大不模糊速度為27.83 m/s,高層仰角(9.9°及以上)最大不模糊速度為32.41 m/s。除雷達(dá)資料外,還使用了歐洲中期天氣預(yù)報中心第五代大氣再分析資料(ERA5),時間間隔為1 h,水平分辨率為0.25°× 0.25°。

使用的雷達(dá)特征參量主要有水平反射率因子Z、徑向速度V、差分反射率Zdr、相關(guān)系數(shù)ρhv以及差分傳播相位常數(shù)Kdp。對雙偏振多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,首先是對多普勒速度進(jìn)行速度退模糊的處理,利用國外開源代碼庫PyART[19]的基于區(qū)域的徑向速度退模糊算法[20]。其次是在徑向上對Z、Zdr、ρhv以及差分傳播相移Φdp進(jìn)行五點(diǎn)平滑去噪處理,剔除數(shù)據(jù)中的異常突變值,再利用Ryzhkov等[21]的衰減訂正算法計算修正的Z與Zdr值。最后根據(jù)Schneebeli等[22]利用卡爾曼濾波的算法計算出差分傳播相位常數(shù)Kdp。

三維風(fēng)場的反演方法使用了Shapiro等[23]提出的三維變分反演方法,利用Cressman插值法將極坐標(biāo)下雷達(dá)數(shù)據(jù)插值為笛卡爾坐標(biāo)系下的網(wǎng)格數(shù)據(jù),網(wǎng)格為以雷達(dá)為中心,水平分辨率500 m,范圍為75 km×75 km,垂直分辨率為250 m,雷達(dá)以上12 km高度范圍,將徑向速度值分解為u、v、w3個方向,通過構(gòu)建代價函數(shù)J(u,v,w)如式(1)所示。

“指導(dǎo)教師是查處學(xué)位論文買賣、代寫行為的第一責(zé)任人，要加強(qiáng)對學(xué)生學(xué)術(shù)道德、學(xué)術(shù)規(guī)范的教育，加強(qiáng)對學(xué)位論文研究及撰寫過程的指導(dǎo)，并對學(xué)位是否由其獨(dú)立完成進(jìn)行審查，確保原創(chuàng)性”〔6〕。

J(u,v,w)=JO+JM+JS+JV+JB

(1)

式(1)中:JO為觀測值約束項(xiàng);JM為質(zhì)量守恒約束項(xiàng);JS為平滑約束項(xiàng);JV為垂直渦度方程約束項(xiàng);JB為背景場約束項(xiàng),背景場數(shù)據(jù)主要利用ERA5數(shù)據(jù)通過最鄰近插值法與反演網(wǎng)格匹配。

3 雷達(dá)數(shù)據(jù)特征分析

3.1 反射率因子與徑向速度特征分析

在此次極端強(qiáng)降水發(fā)生過程中,其中以7月20日08:00—09:00最為強(qiáng)盛,強(qiáng)降水中心發(fā)生在鄭州市區(qū),距離雷達(dá)較近,通過圖3組合反射率來看,在07:00—08:00[圖3(a)],鄭州市大部分地區(qū)回波強(qiáng)度超過40 dBZ,中西部區(qū)域強(qiáng)度超過50 dBZ,其中在距離雷達(dá)西側(cè)10～15 km處,長約70 km,呈現(xiàn)貫穿鄭州中部南北走向的類似帶狀強(qiáng)回波中心達(dá)到55～60 dBZ,局部甚至達(dá)到60～65 dBZ。在鄭州市南部山區(qū),不斷有超過50 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)自南向北匯入鄭州市中部的對流系統(tǒng),隨著對流系統(tǒng)的發(fā)展,受低層來自副高、“煙花”以及“查帕卡”的東北方向氣流、東南氣流以及西南氣流的影響,強(qiáng)回波區(qū)逐漸由橫跨鄭州南北走向的類似帶狀回波發(fā)展為匯集在鄭州市區(qū)中心附近團(tuán)狀回波,類似帶狀南北兩端的強(qiáng)回波區(qū)向西側(cè)強(qiáng)回波主體收攏。除此之外,在鄭州西南方向上,平頂山附近存在大片絮狀對流單體,隨著環(huán)境流場向東北方向移動,并不斷合并發(fā)展,其回波強(qiáng)度達(dá)到50～55 dBZ。在08:00—09:00,此時回波(>40 dBZ)單體整體穩(wěn)定維持在鄭州上空。在超過55 dBZ,局部區(qū)域超過60 dBZ的強(qiáng)回波中心在此時段范圍最大,在雷達(dá)中心十公里范圍內(nèi)呈現(xiàn)團(tuán)狀,由于雷達(dá)靜錐區(qū)的影響,只能判斷在高度1.7 km以下存在的強(qiáng)降水質(zhì)心接近地面,在此時段強(qiáng)質(zhì)心緩慢向東側(cè)移動,直至09:00以后才開始逐漸消散為較小絮狀。

黑色實(shí)線AB為剖面所示位置

07:00在0.5°仰角的徑向速度圖上[圖4(a)],呈現(xiàn)明顯的低層輻合特征,大致由東北方向上來自副高控制下的東北氣流、來自臺風(fēng)“煙花”的東南氣流以及臺風(fēng)“查帕卡”西南氣流匯集在鄭州地區(qū),其中在雷達(dá)中心東側(cè)附近的低層負(fù)速度(朝向雷達(dá)氣流)極值達(dá)到了-16～-22 m/s。在雷達(dá)中心可見一塊與西側(cè)正速度區(qū)分隔開的正速度區(qū),該塊區(qū)域與西側(cè)負(fù)速度區(qū)呈現(xiàn)氣旋式輻合特征,正負(fù)速度差達(dá)到12 m/s,整體長度約18 km,高度維持在2 km高度以下,結(jié)合反射率因子圖,此處略前于強(qiáng)回波(> 60 dBZ)位置,類似帶狀南北兩端強(qiáng)回波區(qū)同樣也存在該特征,但范圍較小。逆風(fēng)區(qū)特征反映了局部整層抬升或強(qiáng)對流內(nèi)的上升氣流引起的水平動量交換過程[24],對水平輻散輻合的分布產(chǎn)生影響,造成了中尺度垂直環(huán)流的形成,該區(qū)域具有明顯的風(fēng)向切邊與輻合特征,近地層附近的氣流輻合上升,使對流系統(tǒng)發(fā)展更加強(qiáng)盛[25]。抬高仰角后[圖4(b)],徑向速度圖上明顯呈現(xiàn)“S”形,風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn),存在暖平流,該形式場表示著存在水汽輸送,低層的輻合有利于抬升,以及降水的持續(xù)。風(fēng)暴的發(fā)展維持、形態(tài)演變與垂直風(fēng)切變密切相關(guān),強(qiáng)而深厚的垂直風(fēng)切有助于對流風(fēng)暴的有組織化以及發(fā)展加強(qiáng)[26]。在9.9°度仰角上(圖略),8.5 km距離圈范圍內(nèi),大約處于1.7 km高度以下,分布著風(fēng)向?yàn)闁|南偏東的氣流,正速度(離開雷達(dá)氣流)達(dá)到16～22 m/s,負(fù)速度在該高度內(nèi)出現(xiàn)極值,達(dá)到-28～-22 m/s。在17 km距離圈附近,在該距離圈上高度大約為3.4 km,主要以風(fēng)向?yàn)闁|南偏南的氣流為主,分布著正負(fù)速度的極大值區(qū),處于22～28 m/s的速度區(qū)間,與回波上的類似帶狀強(qiáng)回波區(qū)位置對應(yīng)。在07:00—08:00內(nèi),整體來看,隨著高度增加,風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)由東風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng),低層風(fēng)速急流區(qū)風(fēng)速維持在16～22 m/s,隨著鄭州上空的風(fēng)暴由南北向的類似帶狀發(fā)展為團(tuán)狀,在強(qiáng)回波東西兩側(cè)弱回波缺口也逐漸由類似帶狀回波南部逐漸上移至團(tuán)狀中心兩側(cè),該弱回波缺口對應(yīng)著徑向速度低層?xùn)|側(cè)的大值區(qū),該缺口是風(fēng)暴前強(qiáng)入流所致,由于入流導(dǎo)致的上升氣流太強(qiáng),使小水滴不能在其中增長為大水滴,因此表現(xiàn)為弱回波區(qū)。

圖4 7月20日0.5°、1.45°和2.4°仰角在不同時刻的徑向速度Fig.4 Radial velocity at different moments at elevations of 0.5°, 1.45° and 2.4° in July 20th

在風(fēng)暴的早期和成熟階段,進(jìn)入風(fēng)暴的低層上升氣流主要在弱回波區(qū)或無回波區(qū)中,是強(qiáng)風(fēng)暴最值得注意的特征[27]。在07:00—07:48雷達(dá)中心西側(cè)的逆風(fēng)區(qū)逐漸消失,在08:00—09:00,由于強(qiáng)回波質(zhì)心的緩慢東移,雷達(dá)中心附近大片-22～-16 m/s的負(fù)速度區(qū)中出現(xiàn)面積逐漸擴(kuò)大增長的正速度區(qū)(12～16 m/s),如圖4(c)在09:00時前后呈現(xiàn)明顯逆風(fēng)區(qū)特征,從該特征上可以看出入流的東風(fēng)氣流、北部的東南氣流與風(fēng)暴中部下沉氣流匯集,在風(fēng)暴前側(cè)的入流區(qū)呈現(xiàn)輻合上升以及氣旋式與反氣旋式渦旋特征。該區(qū)域略前于在反射率因子圖上與超過60 dBZ區(qū)域。在從整體過程上看,低層雷達(dá)中心附近主要以正速度區(qū)為主,隨著距離增加依然維持著“S”形,風(fēng)向依然由近地層的東風(fēng)氣流為主,為對流系統(tǒng)提供充足的水汽,隨著高度升高,在高空風(fēng)向順轉(zhuǎn)切變?yōu)槲黠L(fēng)氣流。

3.2 偏振參量與風(fēng)場特征分析

通過水平與垂直方向上偏振參量特征,可以推斷降水粒子的相態(tài)及物理特征,同時也利用反演的風(fēng)場特征進(jìn)一步分析對流系統(tǒng)的動力特征以及發(fā)展演變過程。差分反射率Zdr是與粒子形狀、大小、取向及濃度有關(guān)的特征量,反映著粒子水平與垂直方向上的差異。通常當(dāng)粒子接近球形時,Zdr的值約為0 dB,例如下落時的小雨滴,翻滾下落的冰雹等。而較大的雨滴在下落過程中呈現(xiàn)為扁橢球形狀,即水平方向上大于垂直方向的粒子,Zdr的取值則通常大于0 dB,而冰晶如霰粒子多為-0.5～1 dB。

相關(guān)系數(shù)ρhv定義為目標(biāo)的水平偏振和垂直偏振回波信號的相關(guān)程度。是體現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量和目標(biāo)分類的重要參數(shù),其值的大小與粒子的相態(tài)和形狀有關(guān),易受到雜波的影響。對于穩(wěn)定的單一相態(tài)的降水,ρhv的取值常大于0.95,對于雨和干雪,ρhv的取值接近于1,而當(dāng)存在扁旋轉(zhuǎn)橢球狀或錐球狀大冰雹,融化的包裹著水膜的較小冰雹,雨水與小冰雹共存的取樣空間內(nèi)ρhv的取值會稍微變小,但對氣象目標(biāo)通常ρhv的取值為大于0.8,而非氣象類目標(biāo)ρhv的取值較小,常小于0.8甚至更小。因此ρhv常作為地物雜波等非氣象回波的訂正,敏視達(dá)的雙偏振業(yè)務(wù)雷達(dá)系統(tǒng)在質(zhì)控時把ρhv低于0.9作為非氣象回波的判斷閾值[28]。

在07:00,鄭州市上空Zdr回波主要在3 dB以下,在0.5°仰角上,在雷達(dá)西側(cè)10～15 km處,Zdr呈現(xiàn)同反射率因子圖上類似帶狀強(qiáng)回波(>55 dBZ)區(qū),主要在2.5～3 dB區(qū)間,降水粒子較大。在該仰角上,強(qiáng)降水區(qū)前側(cè),也即該時刻雷達(dá)中心東側(cè),Zdr主要在0.2 dB以下,與Z較小回波的入流缺口對應(yīng),過強(qiáng)的上升氣流使小水滴不能在其中增長為大水滴,在西南風(fēng)氣流主導(dǎo)的中高層區(qū)域,將低層卷起的小液滴帶向南北富集,因此表現(xiàn)為南北強(qiáng)東西弱回波區(qū)。相關(guān)系數(shù)ρhv在0.5°仰角上,如圖5(e)所示,由于近地面受氣流輻合等影響,地面碎屑容易被卷上空中,使得ρhv受地面雜波干擾較大,在雷達(dá)中心40 km半徑范圍內(nèi)普遍低于0.9,而當(dāng)抬高仰角至9.9°,在距離雷達(dá)26 km左右的位置,可見明顯的Zdr環(huán)與ρhv環(huán),如圖5(f)所示,該距離環(huán)上高度大約為4.7 km,對應(yīng)融化層的高度。雷達(dá)西側(cè)的Zdr的大值區(qū)表征著該區(qū)域降水粒子直徑大且濃度較大,ρhv的值均勻且大于0.97,表明該區(qū)域降水粒子相態(tài)一致,而在低層入流缺口較低,ρhv主要分布在0.8～0.9。由于0.5°與1.45°仰角的ρhv較低,Kdp會出現(xiàn)較大偏差,略微抬升仰角至2.4°,如圖5(c)所示,Kdp超過0.5(°)/km與強(qiáng)回波區(qū)有較好的對應(yīng)。在雷達(dá)西側(cè)的強(qiáng)回波主體區(qū)域Kdp值超過3(°)/km,局部超過4(°)/km,表明在該區(qū)域粒子含水量非常高,結(jié)合ρhv與Zdr,該區(qū)域?yàn)闃O端強(qiáng)降水回波區(qū)。在07:00—08:00期間,在2.4°仰角上Kdp團(tuán)狀回波區(qū)范圍逐漸增大,中心大值區(qū)由原先3(°)/km為主體的回波塊增大轉(zhuǎn)為超過4(°)/km的區(qū)域?yàn)橹黧w,逐漸移動至鄭州市中心城區(qū),相應(yīng)仰角上[圖5(a)]Zdr逐漸由南北向類似帶狀強(qiáng)回波區(qū)轉(zhuǎn)為向東側(cè)彎曲的弧狀區(qū)域,回波強(qiáng)度大于3 dB,ρhv在降雨區(qū)變化不明顯,維持在0.97以上。Zdr弧狀區(qū)域高度大約在2 km,厚度約1.5 km,相較于Kdp強(qiáng)回波的位置更偏東,大約為包圍Kdp回波塊0.5(°)/km區(qū)的外邊緣。

08:00—09:00回波達(dá)到最強(qiáng),Kdp在零度層以上的正值表現(xiàn)著過冷水,Zdr則體現(xiàn)著形成霰的過程,低質(zhì)心回波最強(qiáng)超過60 dBZ,回波主體頂高8 km(>30 dBZ),說明冰相過程活躍。零度層以下Zdr的增加體現(xiàn)這粒子尺寸的增加,Kdp的不斷增加體現(xiàn)著冰粒的融化,雨水的碰并,這樣一個垂直發(fā)展的對流過程,有抬升形成的凝結(jié)降水,也有強(qiáng)上升形成的冰相粒子,冰粒子下降又不斷碰并融化,暖雨環(huán)境使得地面不易蒸發(fā),使得降雨量增加。在降雨最強(qiáng)的過程中不同來向的對流單體向輻合中心匯集,使得多單體對流系統(tǒng)合并,發(fā)展的更為強(qiáng)烈與持久。前8個體掃內(nèi),在半徑15 km距離圈上為強(qiáng)Zdr區(qū)[圖5(b)],呈現(xiàn)為細(xì)長的Zdr弧,在該距離上以3～4 dB大小的Zdr為主,說明在2 km高度左右的降水粒子直徑大且濃度特別大,這一時段也是自動站觀測到小時雨強(qiáng)突破歷史極值的時段,弧內(nèi)的低Zdr值與高Z值區(qū),表征此處多為高濃度、較小直徑的降水粒子,體現(xiàn)著粒子的分選機(jī)制。Zdr弧的形成是粒子的分選機(jī)制造成,過強(qiáng)的垂直風(fēng)切變致使不同直徑大小的粒子沿不同的軌跡下落,較小的粒子下落末速度較小,受水平環(huán)境風(fēng)影響,相比大粒子將被帶離至更遠(yuǎn)落區(qū),呈現(xiàn)出大小粒子分離的結(jié)果[29,12]。Kdp在同距離圈內(nèi)以主體超過3(°)/km的回波區(qū)為主[圖5(d)],在稍低的高度上則以超過4(°)/km強(qiáng)回波為主,主要分布在2 km以下,極高雨水含量對應(yīng)雷達(dá)回波質(zhì)心的下降,并在鄭州市中心上空為維持超過5個體掃,地面在該時段雨強(qiáng)達(dá)到極值。在08:54的體掃上,Kdp高強(qiáng)值區(qū)此時以雷達(dá)東側(cè)為主,西側(cè)則降低為1.5(°)/km,范圍與強(qiáng)度也逐漸減小。觀察ρhv的分布,在極端強(qiáng)降水的前8個體掃內(nèi),入流缺口處的低ρhv一直伸至雷達(dá)中心,表明低層依然存在著強(qiáng)上升運(yùn)動,在最后一個體掃時,原本在東側(cè)入流缺口的低值區(qū),轉(zhuǎn)為0.97以上相態(tài)均一的降水粒子區(qū)域,表明此時低層的上升運(yùn)動有所減弱。

通過風(fēng)場反演算法可以得到更加直觀的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。從圖6來看,在07:00—08:00近地面風(fēng)場結(jié)構(gòu)[圖6(a)]整體以東側(cè)強(qiáng)勁的東風(fēng)氣流為主,在鄭州西南側(cè)以東南偏南的氣流為主,強(qiáng)對流系統(tǒng)移動方向前側(cè)的入流缺口逐漸明顯,幾乎達(dá)到最強(qiáng)回波附近,風(fēng)速超過16 m/s。而在最強(qiáng)回波的前側(cè)入流附近,存在著明顯的輻合結(jié)構(gòu),水平風(fēng)速迅速減小,緯向風(fēng)的減弱最為明顯,在08:00—09:00后半段[圖6(b)],與在逆風(fēng)區(qū)[圖4(c)]附近最強(qiáng)回波后側(cè)處的氣流與周圍外側(cè)氣流方向相反,風(fēng)速相對較弱,地面至2 km高度左右,北側(cè)區(qū)域的小風(fēng)速區(qū)呈傾斜氣旋式旋轉(zhuǎn),而在其南部的區(qū)域剛好相反,呈傾斜反氣旋式旋轉(zhuǎn)。結(jié)合徑向速度特征[圖4(c)],該區(qū)域?yàn)閺?qiáng)回波后側(cè)的下沉氣流在地面輻散又與前側(cè)入流氣流匯聚輻合上升,促進(jìn)了降水的加強(qiáng)。

從近地面到高層,垂直風(fēng)切變較大,風(fēng)向低層主要為南風(fēng)、東南風(fēng)與東北風(fēng)在強(qiáng)降水區(qū)的輻合為主[圖6(a)～圖6(d)],1 km高度整體風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南風(fēng),3 km時由大范圍的南風(fēng)氣流主導(dǎo)[圖6(e)、圖6(f)],5 km高度上以西南氣流為主,8 km高度上,對流系統(tǒng)移動方向的后側(cè)區(qū)域以西風(fēng)為主,左前側(cè)則為西南氣流,大致與對流系統(tǒng)的移動方向一致。在沿著類帶狀回波的垂直剖面上[圖3(a)中黑線],如圖7(b)所示,ρhv的分布基本在4 km以下0.98以上,在雷達(dá)附近低層可見降低至0.9附近的入流區(qū),4.5 km左右可見平面圖上的零度層亮帶,ρhv環(huán)表現(xiàn)融化層的低值區(qū),在此高度上冰相粒子在下落過程中逐漸融化,表現(xiàn)為較低的ρhv,為0.92～0.97。Zdr的分布呈現(xiàn)在雷達(dá)中心附近[圖7(c)],超過2 dB的大粒子強(qiáng)降水區(qū)基本在2 km以下,1.5 dB的區(qū)域延伸至高空6 km。在大Zdr的柱狀區(qū)域北側(cè),可以看到一塊4 km以下的3～4(°)/km的Kdp大值區(qū)[圖7(d)],2(°)/km的區(qū)域伸展至高度6 km的柱狀區(qū)域,該柱狀區(qū)域雖未明顯呈現(xiàn)高于零度層且有超過3(°)/km強(qiáng)回波的特征,但在對流系統(tǒng)向東的緩慢移動過程中,該Kdp柱在空間分布上呈現(xiàn)在上升氣流的左側(cè),與Zdr柱狀特征出現(xiàn)分離現(xiàn)象[30]。有研究表明,Kdp柱通常位于Zdr柱的北側(cè)或西北側(cè),并位于上升氣流的左側(cè)[7],且與反射率因子Z的高強(qiáng)值相對應(yīng)。Kdp柱主要由不同相態(tài)的降水粒子組成,在垂直剖面風(fēng)場上,該區(qū)域存在著多個垂直渦旋結(jié)構(gòu),與地面的強(qiáng)降水中心位置對應(yīng)較好,Z達(dá)到60 dBZ。

圖7 7月20日07:00垂直剖面處的反射率因子疊加風(fēng)場,相關(guān)系數(shù),差分反射率和差分相位常數(shù)Fig.7 The reflectivity factor at the vertical profile is superimposed on the wind field, correlation coefficient, differential reflectivity and differential phase constant on July 20th at 07:00

Zdr柱是強(qiáng)對流系統(tǒng)顯著的偏振特征,表現(xiàn)著云體內(nèi)的動力特征[13],Zdr柱表現(xiàn)為超過融化層以上的大Zdr值區(qū),與上升氣流有著較好的對應(yīng)關(guān)系,存在著相關(guān)的正溫度擾動。觀察圖8,在34.5°緯度附近,地面至10 km附近存在Zdr為0.5～2.5 dB的柱狀區(qū)域,在柱狀區(qū)域上,結(jié)合風(fēng)場剖面圖來看,相應(yīng)區(qū)域上存在著較強(qiáng)的上升氣流,相應(yīng)反射率因子在6 km以下較大,而在之上的區(qū)域強(qiáng)度則相對較低,ρhv在4～6 km高度上值為大于0.98,大于同高度北部0.92體現(xiàn)的融化層區(qū)域。在4 km下與6 km以上,ρhv降低,且上部區(qū)域降至0.7左右,體現(xiàn)融化層在該區(qū)域的抬升以及小的冰晶在該高度上碰并過冷水的過程。ρhv在8～10 km又有所上升,在0.85～0.9。Zdr在4～6 km高度附近為0.2～1 dB,結(jié)合ρhv,在該高度上存在著直徑較小的水滴,而其上下兩塊區(qū)域Zdr值增強(qiáng),下部體現(xiàn)著下落的水滴與被上升氣流卷起的低層暖濕水滴碰并增長的過程,在低層融化形成較大且濃度較高的降水粒子。Kdp在相應(yīng)區(qū)域上,4～5 km的高度附近為較大值區(qū),而在5～7 km上則呈現(xiàn)負(fù)值的低值區(qū),結(jié)合之前ρhv在該高度附近的特征與風(fēng)場特征,該高度的上升速度減小,在強(qiáng)上升氣流的作用下粒子在垂直方向上循環(huán)浮動,增大體積直到一定大小時無法被上升氣流拖住,印證該處的成冰過程。同樣與Zdr的分布較為相似,在8 km至更高的區(qū)域,推測為水汽凝華放熱使得高處區(qū)域升溫,被上升氣流帶入此處的冰晶粒子融化,或使一些大粒子外包水膜,Kdp有所增加,Zdr增加。8 km以上的小Z、ρhv與大Zdr、Kdp可能與暖頂有關(guān),在此處分布著濃度較小,融化的冰晶或外包水膜的不規(guī)則枝狀盤狀冰晶粒子等。綜合來看,Kdp柱與Zdr柱作為表征對流系統(tǒng)的動力特征,較好地印證來自東南方向的暖濕氣流為極端強(qiáng)降水的發(fā)展與增強(qiáng)提供了強(qiáng)有力的支持。

圖8 7月20日09:00垂直剖面處的反射率因子疊加風(fēng)場,相關(guān)系數(shù),差分反射率和差分相位常數(shù)Fig.8 The reflectivity factor at the vertical profile is superimposed on the wind field, correlation coefficient, differential reflectivity and differential phase constant on July 20th at 09:00

4 結(jié)論

結(jié)合地面自動站、探空數(shù)據(jù)以及ERA5再分析資料,利用雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)提取多種偏振參量,并反演三維風(fēng)場,分析了對流發(fā)展和成熟時期的回波、徑向速度特征和風(fēng)場結(jié)構(gòu),在平面與剖面上使用多種偏振參量對粒子相態(tài)特征、對流系統(tǒng)動力特征和對流結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析總結(jié),得到以下結(jié)論。

(1)反射率因子回波上的特征表明,對流降水最強(qiáng)的區(qū)域由南北走向的帶狀區(qū)域逐漸聚攏匯集為團(tuán)狀,東側(cè)的回波缺口對應(yīng)著風(fēng)暴的前側(cè)強(qiáng)入流區(qū),偏東風(fēng)氣流帶來的暖濕氣流向風(fēng)暴持續(xù)提供充沛的水汽,此外期間不斷有新生的對流單體向鄭州市中心方向移動,形成“列車效應(yīng)”,有利于降水持續(xù)性發(fā)展。徑向速度圖特征表明,低層呈現(xiàn)明顯的輻合特征,風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn),該形式場表示著存在著暖濕水汽輸送,低層的輻合有利于抬升以及降水的持續(xù)發(fā)展,在風(fēng)暴前側(cè),略前于強(qiáng)回波區(qū)的位置呈現(xiàn)出逆風(fēng)區(qū)特征,體現(xiàn)了該區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)上升運(yùn)動,使對流系統(tǒng)發(fā)展強(qiáng)盛,有利于極端雨強(qiáng)的發(fā)生。

(2)風(fēng)場結(jié)構(gòu)表明,從近地面到高層,由東南風(fēng)順轉(zhuǎn)至偏西風(fēng),對流系統(tǒng)垂直風(fēng)切變較大。 強(qiáng)對流發(fā)展期,特征為風(fēng)暴移動方向前側(cè)的入流缺口。對流風(fēng)暴成熟期特征為風(fēng)暴前側(cè)傾斜式環(huán)流并出現(xiàn)新生逆風(fēng)區(qū)。

(3)偏振參量平面特征表明,ρhv、Zdr、Kdp能更精細(xì)地反映降水的微物理過程。對流發(fā)展期,通過高仰角PPI上Zdr環(huán)與ρhv環(huán)判斷融化層高度,其下Kdp與Zdr增加表征冰相粒子融化過程與雨水碰并增長過程。低高度上Zdr弧與大Kdp說明該區(qū)域降水粒子直徑大且濃度較大,體現(xiàn)降雨極端性。對流風(fēng)暴成熟期,Zdr弧強(qiáng)度增加,表明該區(qū)域存在強(qiáng)烈上升運(yùn)動,為暴雨持續(xù)性發(fā)展提供有利動力條件。

(4)偏振參量剖面特征表明,Zdr柱與Kdp柱能較好地反映對流系統(tǒng)的動力特征及結(jié)構(gòu)分布,Zdr的分布體現(xiàn)相應(yīng)區(qū)域上存在著較強(qiáng)的上升氣流,小粒子在粒子分選作用下被環(huán)境風(fēng)帶至北側(cè)分布的Kdp柱附近,出現(xiàn)Zdr柱與Kdp柱分離現(xiàn)象。ρhv在Zdr柱所在區(qū)域的中層高度上反映了該區(qū)域融化層的抬升,也反映了該高度上存在著直徑較小的水滴,而融化層下的ρhv和Zdr特征則體現(xiàn)了下落的水滴及其與被上升氣流卷起的低層暖濕水滴碰并導(dǎo)致增長的過程,在中高層Kdp的低值區(qū)則表現(xiàn)該處粒子成冰的過程。高層可能是由于水汽凝華放熱使得此處區(qū)域升溫,形成濃度較小、融化的冰晶或外包水膜的不規(guī)則枝狀盤狀冰晶粒子等。