雙偏振雷達(dá)在江蘇“7.6”降雹過(guò)程中的應(yīng)用分析

曹舒婭 孫偉 韋芬芬 沈沛豐 何琰

摘要 針對(duì)2019年7月6日發(fā)生在江蘇徐州、宿遷、淮安、南京以及常州一線的一次大范圍冰雹天氣過(guò)程，利用再分析資料分析天氣背景、不穩(wěn)定機(jī)制和抬升條件。通過(guò)徐州和南京S波段雙偏振雷達(dá)偏振參量及宿遷和淮安的雙多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)對(duì)冰雹云的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)和微物理特征開(kāi)展了詳細(xì)的分析。結(jié)果表明：此次大范圍冰雹天氣發(fā)生在高空冷渦南落、橫槽南擺，低層暖濕氣流北抬，上下層強(qiáng)烈不穩(wěn)定的環(huán)流背景下，地面低壓緩慢東移南壓，提供了輻合抬升條件。此次降雹天氣過(guò)程中，雷達(dá)回波圖上顯示有典型的冰雹云特征——三體散射長(zhǎng)釘、回波穹隆結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度超過(guò)50 dBZ，中層徑向輻合，風(fēng)暴頂輻散等特征。雙偏振雷達(dá)各偏振參量也表現(xiàn)出冰雹云的特點(diǎn)，出現(xiàn)冰雹的地區(qū)展現(xiàn)水平反射率因子ZH大、差分反射率因子ZDR小、相關(guān)系數(shù)CC小的特征，ZDR值為-1.0～0.5 dB，CC值小于0.85;超級(jí)單體在近地層還出現(xiàn)表征入流區(qū)的CC谷、ZDR柱、差分相移率KDP柱等特征。ZDR柱、KDP柱和CC谷等雙偏振參量特征在強(qiáng)對(duì)流短時(shí)臨近預(yù)報(bào)和冰雹識(shí)別方面具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演表明此次過(guò)程降雹集中時(shí)段，冰雹云的穹隆空間結(jié)構(gòu)，降雹時(shí)刻存在的明顯下沉氣流。

關(guān)鍵詞 雙偏振雷達(dá); 冰雹; 風(fēng)場(chǎng)反演; 粒子相態(tài); 雷達(dá)參量

冰雹是影響江蘇的重要災(zāi)害性天氣之一，局地性強(qiáng)，危害性大，往往給經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成較大損失。目前，國(guó)內(nèi)已通過(guò)單偏振雷達(dá)開(kāi)展冰雹預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)相關(guān)研究工作。研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)冰雹發(fā)生的有利環(huán)境條件包括大對(duì)流有效位能、強(qiáng)深層垂直風(fēng)切變和適當(dāng)?shù)? ℃層高度，其雷達(dá)回波特征包括出現(xiàn)回波穹隆，較大的垂直積分液態(tài)水含量VIL、三體散射長(zhǎng)釘?shù)龋ㄓ嵝《Φ龋?012），同時(shí)冰雹發(fā)生時(shí)冷渦槽后類(lèi)對(duì)流不穩(wěn)定表現(xiàn)在中低層溫度直減率大，風(fēng)垂直切變強(qiáng)，風(fēng)隨高度強(qiáng)烈順轉(zhuǎn)，觸發(fā)機(jī)制是中尺度低壓和輻合線、干線（鄭媛媛等，2011;徐璐璐等，2019）。冰雹融化層的高度應(yīng)該采用濕球溫度0 ℃層（Wet Blub Zero，WBZ）高度而不是干球溫度0 ℃層（Dry Blub Zero，DBZ）（俞小鼎等，2014）。還有些研究得出判斷冰雹出現(xiàn)的雷達(dá)產(chǎn)品閾值特征和兩級(jí)階梯冰雹天氣所需的物理量特征，并建立了部分地區(qū)雹天氣概念模型和預(yù)報(bào)指標(biāo)（馮晉勤等，2010;路亞奇，2016;曹艷察等，2018;劉曉莉等，2019;王易等，2019）。

近幾年隨著我國(guó)雙偏振雷達(dá)的逐步升級(jí)，雙偏振雷達(dá)的應(yīng)用研究也取得了諸多進(jìn)展（王振會(huì)和王雪婧，2019）。研究發(fā)現(xiàn)，差分反射率因子（ZDR）是判斷對(duì)流云和層狀云降水粒子相態(tài)的重要指標(biāo)之一（劉黎平等，1996）。建立了基于模糊邏輯法識(shí)別冰雹的方法研究并創(chuàng)建了C波段雙偏振雷達(dá)探測(cè)冰雹云的一種有效方法（劉黎平，2002;曹俊武等，2006），對(duì)移動(dòng)X波段雙線偏振多普勒氣象雷達(dá)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析并提出了一種基于常規(guī)產(chǎn)品和雙偏振參量估測(cè)降水的方法（吳志根等，2006;胡志群等，2008;宋文婷等，2021）。針對(duì)2019年7月6日發(fā)生在江蘇的一次伴有冰雹的大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，通過(guò)徐州和南京雙偏振雷達(dá)參量進(jìn)行分析，并結(jié)合雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)分析冰雹云的熱、動(dòng)力結(jié)構(gòu)及微物理特征。

1 天氣形勢(shì)和物理量分析

1.1 天氣形勢(shì)

2019年7月6日上午8時(shí)（北京時(shí)，下同）起，江蘇出現(xiàn)一次罕見(jiàn)的大范圍伴有冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等的強(qiáng)對(duì)流天氣。全省自北向南先后在徐州、連云港、宿遷、淮安、鹽城、揚(yáng)州、常州等地出現(xiàn)冰雹（圖1a）。其中最大冰雹直徑達(dá)5 cm，于午后出現(xiàn)在淮安。

此次大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生在高空冷渦南掉，低層暖濕氣流北抬，造成上下層強(qiáng)烈不穩(wěn)定的大尺度環(huán)流背景下。5日20時(shí)西風(fēng)槽東移入海，江蘇大部處于沿海槽后，中高緯度高空橫槽東移過(guò)程中不斷南壓，槽后偏北氣流強(qiáng)盛，在冷平流的強(qiáng)烈作用下，橫槽南壓過(guò)程中逐漸轉(zhuǎn)豎并不斷加深發(fā)展，6日在華北東部高空形成閉合性冷渦（圖1b）。冷渦的形成加強(qiáng)了天氣系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)性，使得橫槽加速南甩，配合冷渦的南掉，槽線在6日上半夜前自北向南掃過(guò)江蘇大部分地區(qū)。5日起中低層有暖溫度脊向東向北伸展，與西南暖濕氣流配合，給江蘇大部提供了強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前低層暖濕的熱力條件，這樣的垂直結(jié)構(gòu)為此次大范圍冰雹過(guò)程的發(fā)生發(fā)展提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件。地面上6日低壓東移影響江蘇（圖略），東移過(guò)程中強(qiáng)度始終維持，為6日大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了有利的輻合抬升條件。

1.2 物理量分析

6日08時(shí)徐州探空（圖2a）顯示，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前上述地區(qū)700 hPa以下大氣近飽和，風(fēng)隨高度呈明顯的順轉(zhuǎn)，表明為暖濕層，700 hPa以上為干冷空氣，垂直不穩(wěn)定度大。徐州探空站距離冰雹發(fā)生地90～110 km，有一定的代表意義。徐州站CAPE達(dá)到了2 243.3 J，K指數(shù)達(dá)39 ℃，SI指數(shù)-3.02 ℃，表明大氣中有較高的不穩(wěn)定能量。6日08時(shí)徐州的0 ℃層高度在4 474 m，-20 ℃層高度7 310 m，這兩個(gè)高度在江蘇夏季很有可能產(chǎn)生冰雹天氣。風(fēng)向垂直切變不大，0～6 km存在明顯的風(fēng)速垂直切變。強(qiáng)風(fēng)速垂直風(fēng)切一方面為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生提供動(dòng)力不穩(wěn)定，另一方面維持強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。

假相當(dāng)位溫反映了大氣的溫濕狀況，6日08時(shí)，江蘇上空32°N以北上空900 hPa以下為暖濕氣流控制，800～500 hPa為較干冷空氣，江蘇沿江以北大部600 hPa以下為θse隨高度減小的位勢(shì)不穩(wěn)定區(qū)，此時(shí)徐州強(qiáng)對(duì)流已經(jīng)開(kāi)始，到了12時(shí)，高空干冷空氣繼續(xù)南下，江蘇上空對(duì)流不穩(wěn)定范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，29～34°N上空600～500 hPa附近存在干冷中心，500 hPa以下為不穩(wěn)定區(qū)，此時(shí)淮河以南強(qiáng)對(duì)流天氣開(kāi)始，到了16時(shí)，對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)繼續(xù)南擴(kuò)（圖2b），28～33°N上空存在較強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定，強(qiáng)對(duì)流落區(qū)繼續(xù)南移，到了20時(shí)，江蘇上空對(duì)流不穩(wěn)定明顯減弱，表明此時(shí)不穩(wěn)定能量已有所釋放。

6日06時(shí)徐州上空600 hPa附近開(kāi)始出現(xiàn)弱的上升運(yùn)動(dòng)中心，到了11時(shí)，地面以上出現(xiàn)整層上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，上升速度較08時(shí)顯著增強(qiáng)，中心值超過(guò)3 Pa·s-1，但強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，14時(shí)以后徐州附近過(guò)程結(jié)束，而淮安上空上升運(yùn)動(dòng)在14時(shí)附近開(kāi)始，16時(shí)左右結(jié)束，上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)烈，中心速度數(shù)值超過(guò)3.5 Pa·s-1（圖略）。

此次過(guò)程中低層自孟加拉灣一直到江蘇建立了一條水汽通道。08時(shí)水汽通量的輻合區(qū)主要位于江蘇西北部附近，16時(shí)蘇南開(kāi)始出現(xiàn)水汽輻合中心，中心值均超80×10-5 kg-1·hPa-1·m-2·s-1，水汽在江蘇強(qiáng)烈匯合上升，為此次大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣提供水汽條件（圖略）。

2 雷達(dá)參量分析

2019年7月6日早晨至傍晚前后（08—20時(shí)）江蘇自北向南出現(xiàn)大范圍伴有冰雹的強(qiáng)對(duì)流天氣，部分地區(qū)伴有短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)。此次過(guò)程徐州和南京雙偏振雷達(dá)，宿遷、淮安、常州單偏振雷達(dá)全程監(jiān)測(cè)，獲取了完整的觀測(cè)資料，本文重點(diǎn)分析雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品在監(jiān)測(cè)冰雹及雷達(dá)反演風(fēng)場(chǎng)等強(qiáng)對(duì)流天氣中的應(yīng)用。

08時(shí)位于山東菏澤附近的對(duì)流單體加強(qiáng)發(fā)展并向東移近江蘇徐州豐縣，單體中心強(qiáng)度超過(guò)60 dBZ，9時(shí)11分該單體開(kāi)始影響豐縣，并持續(xù)了11個(gè)體掃，其中有8個(gè)體掃出現(xiàn)三體散射，回波中心強(qiáng)度最強(qiáng)超過(guò)65 dBZ，10時(shí)30分該單體逐漸減弱與其他對(duì)流單體合并影響徐州城區(qū)（圖略）。11—13時(shí)由安徽淮北東移進(jìn)入江蘇宿遷境內(nèi)的回波以帶狀對(duì)流為主，強(qiáng)回波中心與上午影響徐州地區(qū)的對(duì)流單體相比強(qiáng)度略有減弱，但仍維持在55～60 dBZ，強(qiáng)中心發(fā)展高度在12 km以上。13時(shí)后隨著地面輻合線東移南壓，在淮安洪澤境內(nèi)回波再次加強(qiáng)，最強(qiáng)回波中心超過(guò)65 dBZ，先后在宿遷和淮安境內(nèi)出現(xiàn)5 cm以上的冰雹（圖略）。之后回波一路東移過(guò)長(zhǎng)江，19時(shí)在常州附近略有加強(qiáng)，單體的回波中心強(qiáng)度超過(guò)60 dBZ。21時(shí)強(qiáng)回波帶東移移出蘇州，開(kāi)始影響上海，后半夜繼續(xù)東移入海，過(guò)程結(jié)束（圖略）。

2.1 雷達(dá)強(qiáng)度、徑向速度分析

雷達(dá)反射率因子強(qiáng)度圖上可以明顯地看出對(duì)流云團(tuán)的水平和垂直特征。6日08時(shí)開(kāi)始山東境內(nèi)有超級(jí)單體以60 km·h-1的速度向東南方向移動(dòng)（圖略），開(kāi)始影響徐州豐縣，東移過(guò)程中回波強(qiáng)度迅速加強(qiáng)至65 dBZ，此時(shí)豐縣開(kāi)始出現(xiàn)雷暴和短時(shí)強(qiáng)降水。回波范圍明顯擴(kuò)大，發(fā)展高度向上延伸，強(qiáng)反射率因子核達(dá)70 dBZ，頂高超10 km。此時(shí)在3.3°以上仰角反射率因子圖上都可見(jiàn)明顯的三體散射（圖略），4.3°仰角的長(zhǎng)釘長(zhǎng)度達(dá)30 km，三體散射長(zhǎng)釘是探測(cè)到冰雹的顯著特征之一;反射率因子高值區(qū)向上擴(kuò)展，50 dBZ回波伸展到-20 ℃等溫線以上高度。反射率因子圖上，沿著如圖3a所示方向做垂直剖面，當(dāng)天-20 ℃高度為7.3 km，通過(guò)垂直剖面圖可見(jiàn)50 dBZ已在10 km以上，遠(yuǎn)超過(guò)了-20 ℃層高度。速度圖上，中層（3～6 km）存在明顯的徑向輻合、高層（10 km以上）存在風(fēng)暴頂?shù)妮椛ⅲ▓D3c1—c4）。

8時(shí)28分超級(jí)單體回波繼續(xù)向東南方向移動(dòng)，影響沛縣，回波有加強(qiáng)的趨勢(shì)，最強(qiáng)反射率因子強(qiáng)度超過(guò)70 dBZ，0.5°～6.0°仰角都出現(xiàn)三體散射長(zhǎng)釘，長(zhǎng)釘最長(zhǎng)達(dá)40 km，反射率因子垂直剖面上，強(qiáng)反射率因子中心抬高至10 km，50 dBZ回波擴(kuò)展到12 km，徑向速度剖面圖上可見(jiàn)，底層明顯的輻合、中層氣旋式輻合和高層輻散（圖3c3）。

8時(shí)42分開(kāi)始，三體散射長(zhǎng)釘消失，中層徑向輻合明顯減弱，但此時(shí)最大反射率因子強(qiáng)度仍超過(guò)60 dBZ。強(qiáng)反射率因子一直維持到9時(shí)12分，之后逐漸減弱（圖3b1—b4）。

除了反射率因子的三維空間結(jié)構(gòu)外，垂直累積液態(tài)水含量VIL值的大小也對(duì)判斷風(fēng)暴強(qiáng)度以及冰雹出現(xiàn)具有一定的參考價(jià)值（圖略）。08時(shí)—08時(shí)42分，基于超級(jí)單體的垂直累積液態(tài)水含量都維持在60 kg·m-2。但是VIL隨時(shí)間的變化與最強(qiáng)反射率因子強(qiáng)度變化趨勢(shì)呈反比。

表1列出了出現(xiàn)三體散射的時(shí)刻和仰角高度。由表可見(jiàn)，三體散射多出現(xiàn)在風(fēng)暴中層，也就是在2.4～6.0（°）仰角的雷達(dá)掃描更易探測(cè)到三體散射長(zhǎng)釘。這是由于風(fēng)暴距雷達(dá)只有60～80 km，高度在0.9～2.5 km之間，由于雷達(dá)盲區(qū)導(dǎo)致三體散射長(zhǎng)釘無(wú)法探測(cè)。而對(duì)于更高仰角，反射率因子迅速降低，在對(duì)流單體的后邊緣，反射率因子遠(yuǎn)小于顯示閾值，從而三體散射長(zhǎng)釘無(wú)法顯示。同時(shí)，三體散射在08時(shí)—08時(shí)42分每個(gè)體掃都能見(jiàn)到，在08時(shí)30分—09時(shí)18分過(guò)程地面觀測(cè)到降雹，但是每個(gè)體掃都無(wú)法觀測(cè)到三體散射長(zhǎng)釘，說(shuō)明三體散射長(zhǎng)釘?shù)某霈F(xiàn)比地面降雹提前6～30 min。

2.2 雙偏振參量分析

參照陳超等（2018）方法，對(duì)徐州和南京的雙線偏振雷達(dá)資料進(jìn)行質(zhì)量控制。質(zhì)控后根據(jù)地面降雹實(shí)況，結(jié)合單偏振多普勒雷達(dá)產(chǎn)品，同時(shí)開(kāi)展雙偏振雷達(dá)參量的研究來(lái)分析冰雹云特征。

6日（8時(shí)30分—20時(shí)）徐州、連云港、宿遷、淮安、揚(yáng)州及常州多地出現(xiàn)冰雹，從地面獲取的實(shí)況來(lái)看，冰雹尺寸較大（2～5 cm）。徐州、南京雙偏振雷達(dá)全程監(jiān)測(cè)此次過(guò)程，與單偏振雷達(dá)相比，雙偏振雷達(dá)在粒子相態(tài)的識(shí)別上更有優(yōu)勢(shì)，通過(guò)分析ZH、ZDR、KDP、CC等產(chǎn)品可判斷降水粒子的形狀、相態(tài)分布和尺寸等特征。

Heinselman and Ryzhkov（2006）、Picca and Ryzhkov（2010）開(kāi)展了雙偏振雷達(dá)對(duì)冰雹的空間相態(tài)識(shí)別研究，因此，通過(guò)分析雙偏雷達(dá)ZDR、KDP、CC產(chǎn)品可對(duì)此次過(guò)程冰雹相態(tài)的變化做出判斷。08時(shí)之前0.5°仰角雷達(dá)反射率回波強(qiáng)度小于55 dBZ，對(duì)應(yīng)ZDR小于2 dB，08時(shí)后隨著回波強(qiáng)度增強(qiáng)到55～60 dBZ，ZDR也增強(qiáng)到3～4 dB，8時(shí)11分ZDR增強(qiáng)到3～5 dB，并持續(xù)到8時(shí)42分，后減弱到2～3 dB，09：12再次增強(qiáng)到3～5 dB，之后ZDR減弱到2 dB。從低仰角ZDR的變化可以看出，過(guò)程期間低層強(qiáng)回波中心的ZDR均為正值，隨著回波強(qiáng)度的增強(qiáng)，ZDR也加強(qiáng)，對(duì)應(yīng)相態(tài)可能是冰雹融化形成的大雨區(qū)或是冰雹外覆有外包水膜（劉黎平等，1996）。抬高仰角，08時(shí)17分在3.3°和4.3°仰角（約3.8～4.7 km高度）55～60 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)ZDR為0～0.2 dB，對(duì)應(yīng)為冰雹區(qū)，8時(shí)28分在6.0°仰角（約5.9 km高度）強(qiáng)回波中心（65 dBZ）對(duì)應(yīng)ZDR為0～-1 dB（圖4），8時(shí)34分ZDR在0～-1 dB負(fù)值區(qū)降低到3.3°仰角（約3.4 km高度），在此高度以下ZDR為正值，說(shuō)明冰雹在下落并逐漸融化（劉黎平等，1996），地面實(shí)況在08時(shí)30分左右出現(xiàn)冰雹，對(duì)應(yīng)冰雹融化成外包水膜的小冰雹或大雨滴，在回波懸垂6～8 km的高度上ZDR為1～2 dB正值區(qū)，對(duì)應(yīng)存在是大的過(guò)冷雨滴和濕雹。08時(shí)30分左右在豐縣獲取的實(shí)況顯示冰雹直徑小于2 cm。結(jié)合高低仰角ZDR的變化和探空資料分析，ZDR接近0 dB、回波強(qiáng)度大于55 dBZ的區(qū)域首先出現(xiàn)在0 ℃層（約4 470 m）附近，后向上向下擴(kuò)展，最低高度降至2.4 km，該高度以下ZDR轉(zhuǎn)為正值，此現(xiàn)象說(shuō)明由于濕球0 ℃高度比較高，融化層厚度厚，加上午后地面溫度超過(guò)25 ℃（圖4b—k），因此冰雹在下降過(guò)程中融化的可能性較大。

在冰雹云單體的發(fā)展階段，通過(guò)雙偏振參量特征，能發(fā)現(xiàn)ZDR柱、KDP柱和CC谷，這些特征的出現(xiàn)是由于強(qiáng)對(duì)流單體上升或下沉氣流及微物理結(jié)構(gòu)相互作用導(dǎo)致。

在雷達(dá)低仰角出現(xiàn)CC值較小的區(qū)域（小于<0.85）被稱(chēng)為CC谷，有時(shí)會(huì)也會(huì)發(fā)展到中層。圖4k中CC谷（0.7～0.85）位于超級(jí)單體前側(cè)鉤狀回波的鉤狀處。這是由于CC與不同相態(tài)物質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，因而這里的CC低值形成原因主要有兩種：近地層昆蟲(chóng)、樹(shù)葉、雜物等碎片被卷入上升氣流中，這些碎片具有不規(guī)則形狀，會(huì)導(dǎo)致CC低值。另外也有學(xué)者認(rèn)為，CC的減少還與強(qiáng)的上升氣流將雨滴帶入高層造成低層水成物的缺乏導(dǎo)致返回雷達(dá)的信噪比較低有關(guān)，即通常說(shuō)的有界弱回波區(qū)，圖4e中的CC谷就是這種情況。可以作為衡量上升氣流強(qiáng)度的間接指標(biāo)。在圖4g中的50 km處，能看到反射率因子強(qiáng)度超過(guò)55 dBZ的回波墻存在，同時(shí)對(duì)應(yīng)著圖4h的切向速度剖面圖上能看到明顯的渦旋特征，由于環(huán)境風(fēng)是由西北向東南朝向雷達(dá)方向，在40～50 km處有逆時(shí)針的氣旋存在，而在50～60 km處有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的反氣旋存在，在氣旋和反氣旋的相交處，正好是冰雹云區(qū)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)回波區(qū)。

ZDR柱、KDP柱特征主要出現(xiàn)在云體中層，表現(xiàn)為超過(guò)0度層高度的大值區(qū)（ZDR>3 dB或KDP>2 （°）·km-1）柱狀區(qū)。ZDR柱和KDP柱表征的微物理含義明顯不同。（圖4i）中的ZDR柱可向上延伸到6 km。由于ZDR大值區(qū)對(duì)應(yīng)著大雨滴區(qū)，出現(xiàn)該現(xiàn)象表明此處有強(qiáng)的上升氣流將暖雨滴帶入過(guò)冷區(qū)且沒(méi)有立即凍結(jié)形成。因此，利用ZDR柱可以判斷冰雹云強(qiáng)上升氣流所在位置。但圖4j看，KDP柱的出現(xiàn)，表征了冰雹云中含有大量液態(tài)的水滴存在，說(shuō)明該區(qū)域有大量融化的水包膜存在。

近地面的KDP印與ZH高值區(qū)重合（圖4i、j），ZH高值區(qū)可包含雨滴、融化的小冰雹和冰雹的區(qū)域。低層的KDP由于質(zhì)控原因易出現(xiàn)缺值。因此可以綜合ZH大值區(qū)、ZDR小值或者負(fù)值區(qū)及KDP缺值來(lái)判斷云中大冰雹所在的區(qū)域位置。而KDP對(duì)應(yīng)著是雨滴和融化的小冰雹;同時(shí)，又由于大冰雹不符合瑞利散射，KDP在大冰雹的分析上會(huì)產(chǎn)生“空洞”。

2.3 雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演

為了進(jìn)一步分析冰雹云的動(dòng)力與微物理演變過(guò)程，利用徐州雙偏振雷達(dá)和宿遷單偏振雷達(dá)進(jìn)行雙多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演，本文根據(jù)周海光和張沛源（2005）方法采用了笛卡爾坐標(biāo)系下雙多普勒雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)技術(shù)，反演區(qū)域?yàn)樗捱w雷達(dá)1.5度仰角反射率因子強(qiáng)度（圖5）中黑色方框區(qū)域（左下角118.109°E，34.628°N;右上角：118.490°E，34.991°N），反演區(qū)域水平分辨率為500 m，垂直分辨率為250 m。

為了更加清晰地展示對(duì)流發(fā)展的動(dòng)力、微物理變化，將13時(shí)31分西南-東北方向的ZH與三維風(fēng)場(chǎng)垂直剖面進(jìn)行疊加（圖6a、b），ZDR、KDP和CC與三維風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行疊加（圖略）。在橫坐標(biāo)（-35 km，-40 km）之間，能發(fā)現(xiàn)冰雹云的明顯的回波墻存在，在冰雹云移動(dòng)前側(cè)（由左向右移動(dòng)）有反射率因子大值區(qū)存在，強(qiáng)度超過(guò)50 dBZ的強(qiáng)回波伸展高度超過(guò)6 km，回波墻高度約4 km，左側(cè)有明顯的反射率因子梯度大值區(qū)。同時(shí)風(fēng)場(chǎng)在冰雹的下落通道上對(duì)應(yīng)著下沉氣流，而左側(cè)有明顯的入流上升氣流，強(qiáng)上升氣流位于有界弱回波區(qū)側(cè)下方，最大上升速度可達(dá)25 m·s-1，ZDR柱則位于強(qiáng)上升氣流附近。在上升速度大值區(qū)的右側(cè)，上升氣流顯著減小，這是由于空中含有大量大雨滴、霰、濕雪等冰相粒子，上升氣流無(wú)法托住它們，使得這些粒子開(kāi)始下落并拖曳空氣形成下沉氣流，有一些固態(tài)粒子在下落過(guò)程中融化并釋放潛熱，一部分固態(tài)降水粒子通過(guò)入流氣流再次進(jìn)入到上升氣流中，讓對(duì)流發(fā)展更旺盛。另外，KDP代表液態(tài)水的濃度，也與直徑有關(guān)，KDP大，說(shuō)明液態(tài)水含量多，粒子直徑大。KDP對(duì)固態(tài)不敏感，對(duì)雨夾雹有反應(yīng)，但是，這里KDP達(dá)3.1（°）·km-1，表明該單體液態(tài)水含量多，另外由于水的介電常數(shù)大于冰，所以KDP較大。同時(shí)KDP大值區(qū)高度快速下降，預(yù)示著冰雹的下落和地面大風(fēng)的出現(xiàn)。在2～6 km的冰雹增長(zhǎng)區(qū)內(nèi)，有明顯的CC小于0.95的小值區(qū)存在（圖略），這是由于在傾斜的上升氣流中，有碎屑等非降水粒子卷入氣流中導(dǎo)致。

3 結(jié)論和討論

針對(duì)2019年7月6日江蘇自北向南發(fā)生的一次大范圍伴有冰雹的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，詳細(xì)分析了天氣背景、物理量場(chǎng)、單和雙偏振參量并結(jié)合雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)分析冰雹云的熱、動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征及微物理機(jī)制，得出以下結(jié)論：

1）此次大范圍冰雹過(guò)程發(fā)生在高空橫槽南擺，配合冷渦南掉，使得槽線在6日上半夜前自北向南掃過(guò)江蘇，低層暖濕氣流北抬，上下層強(qiáng)烈不穩(wěn)定的大尺度環(huán)流背景下，地面上低壓緩慢東移南壓，為6日大范圍冰雹過(guò)程提供了輻合抬升條件。江蘇大部地面至600 hPa為θse隨高度減小的位勢(shì)不穩(wěn)定區(qū)和0～6 km深層垂直風(fēng)切分別為大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供強(qiáng)熱、動(dòng)力不穩(wěn)定條件。此次過(guò)程江蘇大部上空整層存在明顯的上升運(yùn)動(dòng)。

2）此次冰雹過(guò)程在單偏振的雷達(dá)強(qiáng)度和速度上及垂直剖面圖上有經(jīng)典的冰雹云特征，雙線偏振雷達(dá)各偏振參量反映出冰雹云的特征：在基本反射率大、ZDR小、CC小的區(qū)域出現(xiàn)冰雹，ZDR值通常為-1.5～0.3 dB，CC值普遍為小于0.85;冰雹超級(jí)單體在近地層還出現(xiàn)表征入流區(qū)的CC谷特征;此外，KDP代表液態(tài)水的濃度，也與冰雹直徑有關(guān)，KDP大，說(shuō)明液態(tài)水含量多，粒子直徑大。KDP對(duì)固態(tài)不敏感，對(duì)雨夾雹有反應(yīng)。本研究中KDP達(dá)3.1（°）·km-1，表明該單體液態(tài)水含量多，另外由于水的介電常數(shù)大于冰，所以KDP較大。同時(shí)KDP大值區(qū)高度快速下降，預(yù)示著冰雹的下落和地面大風(fēng)的出現(xiàn)。在垂直方向上2～6 km處的冰雹增長(zhǎng)區(qū)內(nèi)，有明顯的CC小于0.95的小值區(qū)存在，這是由于在傾斜的上升氣流中，有碎屑等非降水粒子卷入氣流中導(dǎo)致。因此，雙偏振參量特征識(shí)別冰雹云的大小和具體位置具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

3）另外，利用雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)對(duì)降雹時(shí)段研究發(fā)現(xiàn)，冰雹發(fā)展階段有明顯的上升氣流存在，在降雹時(shí)刻出現(xiàn)明顯的下沉氣流。通過(guò)雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演能更好的刻畫(huà)冰雹云的微物理空間結(jié)構(gòu)，也有助于加深對(duì)風(fēng)雹云三維結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)（References）

曹俊武，劉黎平，陳曉輝，等，2006.3836C波段雙線偏振多普勒雷達(dá)及其在一次降水過(guò)程中的應(yīng)用研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，17（2）：192-200. Cao J W，Liu L P，Chen X H，et al.，2006.Data quality analysis of 3836 C-band dual-linear polarimeteric weather radar and its observation of a rainfall process[J].J Appl Meteor Sci，17（2）：192-200.doi：10.3969/j.issn.1001-7313.2006.02.009.（in Chinese）.

曹艷察，田付友，鄭永光，等，2018.中國(guó)兩級(jí)階梯地勢(shì)區(qū)域冰雹天氣的環(huán)境物理量統(tǒng)計(jì)特征[J].高原氣象，37（1）：185-196. Cao Y C，Tian F Y，Zheng Y G，et al.，2018.Statistical characteristics of environmental parameters for hail over the two-step terrains of China[J].Plateau Meteor，37（1）：185-196.doi：10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00044.（in Chinese）.

陳超，胡志群，胡勝，等，2018.廣州S波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量初步分析[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，34（1）：59-67. Chen C，Hu Z Q，Hu S，et al.，2018.Preliminary analysis of data quality of Guangzhou S-band polarimetric weather radar[J].J Trop Meteor，34（1）：59-67.doi：10.16032/j.issn.1004-4965.2018.01.006.（in Chinese）.

馮晉勤，湯達(dá)章，王新強(qiáng)，等，2010.新一代天氣雷達(dá)超級(jí)單體風(fēng)暴中氣旋特征分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，33（6）：738-744. Feng J Q，Tang D Z，Wang X Q，et al.，2010.Mesocyclone features of supercell storms from CINRAD/SA[J].Trans Atmos Sci，33（6）：738-744.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.2010.06.011.（in Chinese）.

Heinselman P L，Ryzhkov A V，2006.Validation of polarimetric hail detection[J].Weather Forecast，21（5）：839-850.doi：10.1175/waf956.1.

胡志群，劉黎平，楚榮忠，等，2008.X波段雙線偏振雷達(dá)不同衰減訂正方法對(duì)比及其對(duì)降水估測(cè)影響研究[J].氣象學(xué)報(bào)，66（2）：251-261. Hu Z Q，Liu L P，Chu R Z，et al.，2008.Comparison of different attenuation correction methods and their effects on estimated rainfall using X-band dual linear polarimetric radar[J].Acta Meteorol Sin，66（2）：251-261.（in Chinese）.

劉黎平，2002.雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)估測(cè)混合區(qū)降雨和降雹方法的理論研究[J].大氣科學(xué)，26（6）：761-772. Liu L P，2002.A theoretical study of estimations of rain and hail rates in mixed-phase areas with dual linear polarization radar[J].Chin J Atmos Sci，26（6）：761-772.（in Chinese）.

劉黎平，錢(qián)永甫，王致君，1996.用雙線偏振雷達(dá)研究云內(nèi)粒子相態(tài)及尺度的空間分布[J].氣象學(xué)報(bào)，54（5）：590-599. Liu L P，Qian Y F，Wang Z J，1996.The study of spacial distribution of phase and size of hydrometeorsin cloud by dual linear polarization radar[J].Acta Meteorol Sin，54（5）：590-599.（in Chinese）.

劉曉莉，朱煜，孟翠麗，等，2019.云凝結(jié)核濃度對(duì)南京地區(qū)一次冰雹云過(guò)程影響的數(shù)值研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，42（6）：936-943. Liu X L，ZhuY，Meng C L，et al.，2019.Numerical simulation of the influence of cloud condensation nucleus concentration on a hail cloud in the Nanjing area[J].Trans Atmos Sci，42（6）：936-943.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20180203001.（in Chinese）.

路亞奇，曹彥超，張峰，等，2016.隴東冰雹天氣特征分析及預(yù)報(bào)預(yù)警[J].高原氣象，35（6）：1565-1576. Lu Y Q，Cao Y C，ZhangF，et al.，2016.The prediction and forewarning system as well as weather characteristics anlyses of hail in the east of Gansu[J].Plateau Meteor，35（6）：1565-1576.doi：10.7522/j.issn.1000-0534.2015.00116.（in Chinese）.

Picca J C，Ryzhkov A V，2010.Polarimetric signatures of melting hail at S and C bands.Detection and short-term forecast[C]//Preprints 26th Conference on Interactive Information and Processing Systems（IIPS） for Meteorology，Oceanography，and Hydrology.Atlanta：American MeteorogicalSociaty.

宋文婷，李昀英，黃浩，等，2021.基于S波段雙偏振雷達(dá)資料的降水粒子類(lèi)型識(shí)別算法及應(yīng)用[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，44（2）：209-218. Song W T，Li Y Y，HuangH，et al.，2021.Hydrometeors classification and its application based on S-band dual polarization radar data[J].Trans Atmos Sci，44（2）：209-218.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200318001.（in Chinese）.

王易，徐芬，吳海英，2019.一次致雹超級(jí)單體結(jié)構(gòu)特征分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，42（4）：612-620. Wang Y，XuF，Wu H Y，2019.Structure characteristics analysis of a supercell hailstorm[J].Trans Atmos Sci，42（4）：612-620.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20171019013.（in Chinese）.

王振會(huì)，王雪婧，2019.張培昌教授學(xué)術(shù)論文整理與分類(lèi)研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，42（6）：953-960. Wang Z H，Wang X J，2019.Collection and classification of Professor Zhang Peichang's published articles in radar meteorology[J].Trans Atmos Sci，42（6）：953-960.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20190924001.（in Chinese）.

吳志根，楊禮敏，王勤典，等，2010.移動(dòng)X波段雙線偏振多普勒氣象雷達(dá)及其關(guān)鍵技術(shù)分析[J].氣象，36（8）：126-133. Wu Z G，Yang L M，Wang Q D，et al.，2010.X-band mobile dual-polarized Doppler weather radar and analysis of several key techniques adopted[J].Meteor Mon，36（8）：126-133.（in Chinese）.

徐璐璐，李倩，李慧琳，等，2019.2018年9月丹東連續(xù)兩次風(fēng)雹天氣的多尺度對(duì)比分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，35（6）：1-7. Xu L L，Li Q，Li H L，et al.，2019.Multi-scale comparative analysis of two hail events in Dandong in September 2018[J].J Meteorol Environ，35（6）：1-7.doi：10.3969/j.issn.1673-503X.2019.06.001.（in Chinese）.

俞小鼎，2014.關(guān)于冰雹的融化層高度[J].氣象，40（6）：649-654. Yu X D，2014.A note on the melting level of hail[J].Meteor Mon，40（6）：649-654.（in Chinese）.

俞小鼎，周小剛，王秀明，2012.雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)展[J].氣象學(xué)報(bào)，70（3）：311-337. Yu X D，Zhou X G，Wang X M，2012.The advances in the nowcasting techniques on thunderstorms and severe convection[J].Acta Meteor Sin，70（3）：311-337.（in Chinese）.

鄭媛媛，姚晨，郝瑩，等，2011.不同類(lèi)型大尺度環(huán)流背景下強(qiáng)對(duì)流天氣的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警研究[J].氣象，37（7）：795-801. Zheng Y Y，Yao C，Hao Y，et al.，2011.The short-time forecasting and early-warning reasearch on severe convective weather under different types of large-scale circulation background[J].Meteor Mon，37（7）：795-801.（in Chinese）.

周海光，張沛源，2005.一次局地大暴雨三維風(fēng)場(chǎng)的雙多普勒雷達(dá)探測(cè)研究[J].大氣科學(xué)，29（3）：372-386. Zhou H G，Zhang P Y，2005.A study of the 3D wind of heavy rain with dual-Doppler radar[J].Chin J Atmos Sci，29（3）：372-386.（in Chinese）.

Study of “7.6” hail event in Jiangsu based on Dual-Polarization weather radar observations

CAO Shuya，SUN Wei，WEI Fenfen，SHEN Peifeng，HE Yan

Suzhou Meteorology Bureau，Suzhou 215131，China

Based on the S-band dual polarization Doppler weather radar of Xuzhou and Nanjing，the single polarization radar of Suqian and Huaian，and the reanalysis data，the paper analyzes the circulation background，instability mechanismdynamic，uplift conditions，radar echo and the evolution characteristics of dual polarization radar parameters and the wind inversion technology of dual radar of a wide range hailstorm process accompanied by a thunderstorm and short-term excessive rainfall occurred in Jiangsu Xuzhou，Suqian，Huaian，Nanjing and Changzhou on July 6，2019.The results show that a wide range of strong convective weather occurredwhen the cold vortex falling on high level and horizontal trough swing south，the trough line swept across Jiangsu from north to south before midnight on the 6th，the lower layer warm and humid air flow moved northward，under the background of strong unstable circulation on upper and lower layers，and the low pressure slowly moved eastward and the South pressure provided the convergence and uplift conditions.Generally，the intensity of radar echo is over 50 dBZ and the echo top is always above 10 km in this procedure.Additionally，it appears that there are significant Three Body Scattering Spikes，cyclonic convergence and storm top divergence.A hail storm can be identified by its polarization parameters （such as the ZDR，CC，KDP）.Hail storm usually exist in the area with strong reflectivity、low value of ZDR，and CC.The typical value of ZDR is usually between -1.0 and 0.2 and the value of CC is less than 0.85.Additionally，ZDR and KDP columns help identify hail，thunderstorms，and short-term heavy rainfall.The characteristics of the two polarization parameters above can be used for the prediction of strong convection and hail recognition.As a result of study of the hail period using double radar wind inversion technology，a noticeable downdraft is found.In the three-dimensional flow field structure of the hailstorm supercell，the cyclonic air flow forms at the front of the storm，and then gradually inclines to the top of the storm to form the anticyclonic air flow，which forms the downdraft;in the weakening stage of the system，there is a strong downdraft，strong echo bottom and ground.Due to dual radars ability to retrieve fine structure of three-dimensional wind，it is possible to deepen the understanding of hailstorm cloud structure and improve the prediction and early warning capability of severe convective weather，such as hailstorms.

dual Doppler radar;hail;wind field retrieval;hydrometeor classification;radar parameters

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201116001

（責(zé)任編輯：袁東敏）