利用相控陣雷達對2020年5月閩南一次降雹過程分析*

崔夢雪 張晗昀 張妤晴 鄭澤華 陳 賽 陳德花

(1.海峽氣象開放實驗室，福建 廈門 361012；2.廈門市氣象臺,福建 廈門 361012；3.廈門市氣象局,福建 廈門 361012)

冰雹是從發展強盛的積雨云中降落到地面的冰球，是一種季節性明顯、局地性強，來勢兇猛、持續時間短，以機械性傷害為主的氣象災害，是我國主要的災害性天氣之一[1]；常常伴隨狂風、暴雨等其他天氣現象，給農林牧業、通信交通、房屋建筑物以及人民生命安全等造成嚴重損失[2]。冰雹等強對流天氣系統尺度小、生命史短，不能用短期天氣預報方法預報，其預報和預警一直是短臨預報業務工作中的難點，是氣象工作者研究的熱點與難題，也是提高氣象防災減災能力的迫切需要。

目前，利用新一代天氣雷達進行冰雹監測、分析和預報已成為全國防范強對流天氣的重要途徑[3-6]，大量研究揭示了冰雹形成的機理及其演變規律，在冰雹的監測和預報預警服務中發揮了重要作用[7-12]。但由于新一代天氣雷達天線采用機械掃描方法，業務運行采用VCP 21模式，最快只能在6 min內完成9個仰角的掃描。這種模式掃描周期過長，垂直方向分辨率較差，對快速變化的中小尺度天氣過程，如冰雹、下擊暴流、龍卷等的監測識別難以滿足業務需求[13,14]。

相控陣天氣雷達通過相位控制掃描，其波束的轉換更為靈活迅速，能夠在1 min之內完成一個體掃，是一種能在保證雷達資料質量的前提下，進行更快速掃描的雷達技術[15,16]。世界主要發達國家較早開展了相控陣天氣雷達的觀測與應用研究，并取得了一些重要的成果。2002年，美國國家雷達技術委員會推薦相控陣技術為美國下一代雷達發展的方向。在我國，早期相控陣雷達技術主要用于軍事和航天等領域，近年來也開展了相控陣天氣雷達技術的相關研發工作[17-19]。2020年，廈門市氣象局與納睿達科技有限公司合作，開展了X波段相控陣雷達的觀測試驗，同年9月已建成3部X波段相控陣雷達并開展觀測試驗。

2020年5月6日午后到傍晚，閩南沿海受到強對流天氣影響，出現大范圍冰雹、雷雨大風、短時強降水天氣(降水如圖1)，大部分地區出現罕見的冰雹，直徑普遍在5～20mm左右，最大達30～50mm。此次降雹范圍廣，集中在沿海，造成影響大，且發生在5月，實屬罕見。本文利用廈門翔安X波段相控陣雷達、廈門海滄S波段雙偏振雷達、風廓線雷達等多源資料，詳細分析了此次冰雹回波的演變過程，為利用相控陣雷達識別和預警短時局地災害性天氣奠定基礎。

圖1 2020年5月6日08時-7日08時閩南地區累積降水與地形高度(填色)

1 資料來源及說明

廈門翔安X波段相控陣雷達位于廈門市翔安區(24.6°N，118.3°E，見圖2)，于2020年4月底開始試運行，是福建首部相控陣雷達，相較于S波段雙偏振雷達，其徑向分辨率由250m提升到30m，時間分辨率達到1min，可提供更快速、精細的回波結構，雷達參數詳見表1。本文所用其他資料包括常規地面和高空觀測資料、區域氣象自動站觀測資料、ERA5再分析資料、廈門翔安風廓線雷達資料及廈門海滄S波段雙偏振雷達資料。

圖2 廈門翔安相控陣雷達及廈門海滄雙偏振雷達分布圖

表1 廈門翔安X波段相控陣雷達主要性能參數

2 環流背景

2.1 大尺度環流分析

2020年5月6日08時，副高控制華南地區，588線位于廣東北部-福建南部一帶，位置較福建典型冰雹天氣形勢偏北，閩南地區處于副熱帶高壓邊緣，副高北側有一支24m/s的副熱帶急流。700hPa華南低空急流軸風速達18m/s，閩南地區位于急流出口區，有明顯風速輻合，利于上升運動發展。850 hPa江南北部存在一條東西向暖式切變線，低空急流從廣西南部延伸至廣東北部，閩南地區位于切變線南側暖濕氣團中。200hPa處于高空急流的分流輻散區(圖3a)，構成低空輻合高空輻散的形勢。低層減壓增濕增溫利于熱力與動力不穩定能量的積聚，而高層抽吸作用利于上升運動的增強與維持。地面上四川低渦強烈發展，閩南處于低壓倒槽中，午后升溫明顯，東北華北受冷高壓控制，冷鋒入倒槽導致不穩定能量釋放，觸發大范圍強對流天氣。

2.2 穩定度分析

從6日08時廈門站探空來看(圖略)，存在明顯上干、下濕結構，濕層淺薄集中在近地層，925hPa比濕達到15g/kg，近地層近乎飽和且存在明顯逆溫，利于水汽與不穩定能量的累積。08時的CAPE值已經達到1870J/kg，訂正后CAPE值達到2500J/kg，SI指數為-3.6℃，K指數為34℃，多種對流指數顯示當日大氣層結極其不穩定，有利于強對流天氣的發生。另外，0℃、-20℃層高度分別為4.9km、7.9km，濕球0℃層位于3.2km，有利于冰雹天氣的發生。分析6日08時物理量場(圖略)可知，福建大部地區K指數達33℃以上，SI指數指數低于-2℃，與探空數據有一致的結果。

(a) (b)

3 風廓線雷達分析

分析翔安站風廓線雷達資料發現(見圖4)，6日上午1km以下高度風場以偏東風為主，中層為偏西到西南風，午后風向隨高度順轉，表示低層垂直風切變加大并有暖平流。15時后，近地面一支西南風超低空急流形成，極大改善了本地的水汽及不穩定條件，有利于強對流天氣的發生。18時前后，1km以下的邊界層偏東風加強，1～2.5km高度風向由西南風轉為偏南-東南風，高度變厚，2～3km低空風速大于12m/s，低空西南急流為對流天氣提供了充沛的水汽和不穩定能量，對強對流天氣的預報有很好的指示意義。

圖4 2020年5月6日08～20時廈門翔安風廓線雷達0～5km高度水平風時序圖

4 單體風暴演變過程

分析海滄S波段雙偏振雷達的探測數據表明，6日13時以后，漳州開始有對流回波生成并東移，回波快速發展，14時18分強度達到60dBz以上，之后快速減弱東移入海。隨后，不斷有對流回波從漳州西部生成發展，受偏西風引導一路向東移動，形成塊狀回波，于17時30分回波分裂為左右兩個風暴，右移風暴先強烈發展，隨后快速減弱。左移風暴先是緩慢發展，隨后快速增強(如圖5)，18時26分，左移風暴發展為超級單體風暴，強回波中心達到65dBz以上，強回波中心高度可達8km左右，低層存在 “V形”入流缺口，VIL值明顯的躍升。沿著風暴的徑向伸展有明顯的三體散射長釘，長度超過10km，預示著超級單體風暴內部有大冰雹。實況發現，集美區18時30分、翔安區18時40分左右出現降雹天氣。18時44分以后，單體風暴逐漸減弱，回波中心強度明顯減小，強中心的面積也顯著縮小。

(a)18∶09 (b)18∶21 (c)18∶26

5 雷達回波參量分析

由于超級單體風暴于18時30分左右開始接近翔安雷達中心，受靜錐區的探測限制，本文分時間段采用兩部雷達資料進行分析：18時30分前，采用空間和時間分辨率高的翔安X波段相控陣雙偏振雷達資料，之后采用海滄S波段雙偏振雷達資料。

18時20分相控陣雷達回波(見圖6)顯示，60dBZ以上的強回波中心高度達到8km，有明顯的懸垂回波特征和有界弱回波區，8km高度強回波中心處對應ZDR值和KDP值為接近0的負值，該處相關系數CC在0.5～0.85附近，表明8km處有明顯的冰雹特征。2km以下低層有偏東風入流在徑向上分量在5～10m/s左右，2km以上徑向速度為偏西風，最大值達27m/s以上，低層垂直風切變大。由于零度層高度為5km左右，可以看到明顯的ZDR柱(ZDR值大于2)延伸至6～7km，結合BWER特征可以推測ZDR柱附近有強上升氣流，有利于抬升水相粒子并使冰相粒子得到增長。融化層下ZDR大于3，KDP大于2，反射率因子值大于50dBZ，相關系數CC接近于1，表明大量大雨滴處于下落過程。

(a)水平反射率因子 (b)徑向速度 (c)差分反射率因子

18時26分，單體處于成熟階段(圖7)，60dBZ以上的強回波中心高度下降至2～3km處，強回波質心下降。回波結構有懸垂回波特征和有界弱回波區，回波懸垂附近強回波中心處對應ZDR值和KDP值均接近于0，說明此時冰雹粒子高度也在下降。2km以下低層有偏東風入流在徑向上分量在5～10m/s，2km以上徑向速度為偏西風，最大值達27m/s以上，垂直風切變仍較大。零度層高度以上ZDR柱消失，表明上升氣流可能較之前時刻明顯減弱。融化層下強回波區對應的KDP值較之前時刻也明顯減弱，表明雨滴粒子數量也明顯減少。2～4km處相關系數CC小于0.8，反射率因子值大于60dBZ，表明冰雹及地，這與人工觀測到冰雹時間為18時30分左右是一致的。

(a)水平反射率因子 (b)徑向速度 (c)差分反射率因子

在回波消亡階段，從海滄雷達探測結果來看(見圖8)，18時44分60dBZ強回波面積減小，強反射率因子中心處ZDR值從接近0左右的負值逐漸變成大于1的值，表明原來強回波區為冰雹為主變成了以液態降水粒子為主。0～2km處KDP值在該時間段呈減小趨勢，表明降水粒子數量在減小。強回波區內相關系數上升也印證了，單體逐漸從降雹轉為液態降雨過程。速度圖顯示，3～6km左右高度的強輻合逐漸消失，邊界層以下都有降水導致的水平輻散。

(a)水平反射率因子 (b)徑向速度 (c)差分反射率因子

6 結論與討論

本文利用廈門翔安X波段相控陣雷達高時空分辨率資料，結合廈門海滄S波段雙偏振雷達、廈門海滄風廓線雷達等多源資料，探討了5月閩南沿海一次罕見的大范圍降雹過程從發展到成熟階段雷達回波特征的變化，得到以下幾點結論。

①本次過程是一次發生在副高邊緣暖濕氣流控制下低層暖強迫型強對流，低空急流出口區風速輻合、200hPa輻散抽吸構成上升動力條件，低層減壓增濕增溫利于熱力與動力不穩定能量的積聚，地面冷鋒入倒槽導致不穩定能量釋放，觸發大范圍強對流天氣。

②風廓線雷達分析表明，6日午后近地面一支西南風超低空急流形成，極大改善了本地的水汽及不穩定條件，對于強對流天氣預報有很好的指示意義。

③相控陣雷達分析表明，降雹單體低層具有明顯的勾狀回波及有“V形”缺口，無明顯三體散射回波。垂直剖面上強反射率因子中心高度高，有明顯的有界弱回波區BWER和回波懸垂，風場上低層有偏東風入流及水平輻合。

④ZDR、KDP和CC等雙偏振參數有利于對降水粒子的相態進行定性分析，相控陣雷達雙偏振參量分析表明，冰雹的ZDR與KDP在零值附近，CC值低，有明顯ZDR柱。

⑤單體降雹階段，相控陣雷達能快速探測到強反射率因子中心下降，ZDR柱消失，低層KDP值與CC值迅速減小，為冰雹預警爭取提前量。相較于傳統雙偏振雷達，相控陣雷達高時空分辨率有利于對移動和發展迅速的強對流單體進行連續觀測，可以更好地捕捉到云中的微物理特征變化，為冰雹的預警和預報業務提供參考。