寧波雙偏振雷達在浙北強對流天氣的應用分析

肖王星　董群　吳福浪

摘 要：本文選取了對農業經濟影響嚴重的2020年3月21日浙北強對流為例，分析此次強對流過程的雙偏振雷達回波演變。結果表明：回波特征上為明顯的強回波前傾;低層為有界弱回波，中高層回波懸垂，強回波后側有弱回波通道和V型缺口，相對風暴速度垂直剖面展現了回波前沿中低層輻合和高層輻散，大于60dbz的回波區延伸到-20℃高度;雙偏振參量上出現明顯的冰雹特征（ZDR為0～1，CC值<0.9，KDP為-0.1～0.1°/km），HCL和HI產品對冰雹落區有較好的參考價值。

關鍵詞：雙偏振;強對流;冰雹;HCL

中圖分類號：S716.1

文獻標識碼：A

強對流天氣是指出現短時強降水、雷雨大風、龍卷風、冰雹和颮線等現象的災害性天氣，發生在對流云系或單體對流云塊中，在氣象上屬于中小尺度天氣系統。強對流帶來的短時暴雨、雷雨大風和冰雹等天氣對農作物傷害很大，且一直是浙江主要的災害性天氣之一，其具有突發性、局地性和致災嚴重等特點，常常給農業經濟和人民財產造成巨大的損失[1]。目前，天氣雷達是強對流天氣短臨預報和監測預警的重要手段。業務上常用的新一代多普勒天氣雷達主要對降水粒子的回波強度、徑向速度和速度譜寬等信息進行監測[2]，雙偏振參數可以有效提高定量降水估測和抑制雷達雜波等[3-5]。目前，開展此項雙偏振改造的臺站還不多，由此雙偏振雷達產品在業務應用中的研究成果相對缺乏。已有的研究發現，雙偏振雷達在強對流天氣過程、冬季降雪和冰雹識別上具有較好的應用效果。

2019年2月，新一代雙線偏振多普勒雷達在寧波正式投入使用。冰雹是從雷雨云中降落的堅硬的球狀、錐狀或形狀不規則的固體降水。常見的冰雹大小如豆粒，直徑2cm左右，大的如雞蛋大小（直徑約5cm），特大的可達10cm以上。2020年3月21日的強對流天氣過程中，浙北的紹興、杭州、寧波等地區均出現了冰雹天氣，使得較多農業大棚塑料薄膜受損。且此次冰雹過程正處于春季茶葉、油菜、枇杷等作物的采摘上市時段[6-8]，更是很多露天蔬菜、果樹等的復蘇、萌芽開花的重要時期，對農業生產活動造成了巨大的影響。因此，本研究將利用寧波達蓬山S波段雙偏振雷達對2020年3月21日強對流天氣過程的回波特征和雙偏振產品特征及變化進行分析，為今后雙偏振雷達產品在寧波強天氣過程中的應用、提前預報強對流天氣減少農業損失等提供參考，并為農業氣象技術服務指導。

1 資料說明

本文所使用的雷達數據來自寧波達蓬山S波段雙線偏振多普勒天氣雷達。該雷達位于寧波市慈溪市達蓬山（N30.08°，E121.51°）。雷達數據時間為北京時間2020年3月21日。

2 強對流天氣過程分析

2.1 強對流天氣實況

2020年3月21日傍晚到夜里，浙江北部出現了一次短時暴雨、雷雨大風和區域性冰雹天氣。此次強對流天氣強度強，影響范圍廣。據氣象信息員上報，杭州富陽、紹興上虞和柯橋以及寧波余姚、鄞州、北侖、奉化等地先后出現冰雹，冰雹直徑1～4cm。杭州、紹興、寧波和舟山下屬多個縣市區出現8級以上（極大風速≥17.2m/s）雷雨大風和短時強降水（1h雨量≥20mm）。16∶00—20∶00，共有158個測站出現短時強降水，其中最大為杭州市余杭區雙聯村1h雨量47mm;共有221個測站極大風速大于8級，59個測站大于10級，10個測站大于12級，其中紹興市嵊州董塢崗村風力達到39.9m/s（13級）。

2.2 雷達回波特征分析

寧波雙偏振雷達組合反射率顯示，由江西移入的多單體風暴在浙江北部開始發展加強。造成此次大范圍短時暴雨、雷雨大風和冰雹天氣的為2個強對流單體。單體A和單體B移動速度快，強回波區維持時間長，發展后在主體回波前沿形成弓形強回波區。3月21日16∶48單體A位于杭州富陽，強回波中心達到65.5dbz，且一直發展并向東南方向移動;17∶24單體A進入紹興上虞，強回波區擴大，中心達到71dbz，單體B中發展出大于60dbz的強回波中心;17∶48單體A強度維持，進入寧波余姚，強回波中心69.5dbz，單體B移動到紹興嵊州，強回波增強到64.5dbz;18∶30單體A減弱到達寧波北侖，強回波中心66.5dbz，單體B增強至最強，回波中心66.5dbz，影響寧波奉化。之后強回波帶繼續東移并減弱入海。

根據單體A和單體B的演變以及雷達探測距離的限制，以下將主要選取3月21日17∶24和17∶48的雷達探測資料，對強對流天氣的回波特征進行分析，這2個時次余姚和紹興出現冰雹、大風和短時強降水天氣。從圖1可以看出，17∶24的單體A、17∶48的單體A和單體B低層沿回波移動方向反射率因子具有很大梯度，最強回波頂位于低層反射率因子高梯度區之上，出現明顯的強回波區前傾結構。低層為有界弱回波，中高層回波懸垂，強回波后側有弱回波通道，相對風暴速度垂直剖面展現了回波前沿中低層輻合和高層輻散，表明了強烈對流天氣結構;低層0.5°仰角的反射率因子上出現后側弱回波區的V型缺口，表明強的下沉氣流，可能引起破壞性大風。從時間演變上，17∶24單體A大于60dbz的強回波區發展至-20℃高度上，云層中存在大冰雹粒子，強回波質心處于高空3.3～4.5km，低層有冰雹粒子降落;單體B在-20℃高度上開始出現大于50dbz的回波區。17∶48單體A略減弱東移，其強回波質心下降至2.9～3.6km，處于0℃線以下;單體B東移發展，強回波繼續向上延伸，-20℃線附近出現大于60dbz的回波區。

2.3 雙偏振參量對冰雹的識別

通過分析雙偏振雷達的偏振參量差分反射率因子ZDR、差分相移率KDP和相關系數CC，可以判斷此次冰雹相態的變化。ZDR可以指示粒子總數在不同尺寸上的分布，雨滴粒子直徑越大，ZDR越大;其中DBZ大ZDR小是冰雹的顯著特征[7]。CC用來描述水平和垂直極化的回波信號變化的相似度。一般氣象目標的CC值較高，大部分的氣象回波CC值高于0.9，大冰雹的CC值低于0.85[9]。KDP是雙通道相位的差值，即水平極化波和垂直極化波傳播常數的差，冰雹的KDP在0值附近[10]。17∶24的單體A和17∶48的單體B反射率因子核心區對應0.5°仰角ZDR處于0～1，CC值小于0.9，KDP介于-0.1°～0.1°/km，說明低層出現冰雹粒子。

2.4 相態分類HCL和冰雹指數HI特征

HCL算法可以利用雙偏振雷達的參量對粒子進行10種相態分類。分析發現（圖略），冰雹指數HI的落區和HCL中冰雹相態分布吻合，均較好地指示了可能出現冰雹的區域。預報單體A和單體B在3月21日17∶24和17∶48分別于余姚和紹興出現冰雹，16∶48單體A在杭州出現冰雹，18∶30單體A和單體B分別在北侖和奉化出現冰雹，與實況較為一致。單體B需要注意的是，在業務預報實踐中發現，HCL和HI存在一定程度上的空報，誤報16∶48單體B在杭州出現冰雹，當中高空出現冰雹粒子時，上述產品可能預報出有冰雹，但由于融化層較厚，不一定在地面能觀測到冰雹，因此還需要結合雙偏振參量進行分析檢驗，可以較好地判斷出冰雹的發生和落區。

3 總結與討論

本研究以2020年3月21日浙北強對流天氣為例，利用常規觀測資料和寧波S波段雙偏振雷達分析此次過程的演變特征，得到如下結論。

回波特征上出現明顯的強回波區前傾結構;低層為有界弱回波，中高層回波懸垂，強回波后側有弱回波通道，相對風暴速度垂直剖面展現了回波前沿中低層輻合和高層輻散，為典型的強烈對流天氣結構。

后側弱回波區的V型缺口，表明雷雨大風的形成;大于60dbz的回波區延伸到-20℃高度，指示了冰雹出現的可能。

結合CR>60dbz的位置和冰雹實況，反射率因子高值區的ZDR處于0～1，CC值<0.9，KDP介于-0.1°～0.1°/km，表明了低層冰雹粒子的降落，HCL和HI產品可以指示冰雹的落區。

以上經驗可以為冰雹天氣的研究提供理論依據，并在以后的短臨天氣預報中應用，對強對流天氣進行提前預報預警，以提前做好防護，減少強對流天氣在農業生產中帶來的損失。

參考文獻

[1]劉學華，王立靜，何麗萍，等.浙江省2月份連續降雹過程診斷[J].氣象科學，2011，31（1）：46-53.

[2]馮晉勤，張深壽，吳陳鋒，等.雙偏振雷達產品在福建強對流天氣過程中的應用分析[J].氣象，2018，44（12）：59-68.

[3]鄭佳鋒，張杰，朱克云，等.雙偏振天氣雷達測雨誤差及水凝物識別分析[J].氣象科技，2014，42（3）：364-372.

[4]魏慶，胡志群，劉黎平，等.C波段偏振雷達數據預處理及在降水估計中的應用[J].高原氣象，2016（01）：231-243.

[5]程周杰，劉憲勛，朱亞平.雙偏振雷達對一次水凝物相態演變過程的分析[J].應用氣象學報，2009（5）：594-601.

[6]季丹丹，錢卓蕾，包君俏，等.2018年3月4日罕見強對流天氣成因及其對農業的影響[J].浙江農業科學，2020，61（1）：176-179.

[7]葉海龍，吳海鎮.油菜生育期的氣象災害分析[J].浙江農業科學，2009（03）：558-561.

[8]孫繼松.強對流天氣預報的基本原理與技術方法[M].北京：氣象出版社，2014.

[9]曹俊武，劉黎平.雙線偏振多普勒天氣雷達識別冰雹區方法研究[J].氣象，2006，32（6）：13-19.

[10]曹俊武，劉黎平，葛潤生.模糊邏輯法在雙線偏振雷達識別降水粒子相態中的研究[J].大氣科學，2005（05）：827-836.

（責任編輯 李媛媛）