雙偏振雷達對貴州一次強對流過程的應用分析

李 力，周永水，顧天紅，姚 浪

(1.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002；2.貴州省畢節市氣象臺，貴州 畢節 551799)

0 引言

天氣雷達是對強對流天氣監測預警的重要工具之一。近年來國內很多地區完成了單偏振雷達向雙偏振雷達的改造，并廣泛應用于氣象業務。雙偏振雷達不僅可以探測降水粒子的回波強度(Zh)、徑向速度(V)、速度譜寬(W)等單偏振信息，還可以探測到差分反射率因子(ZDR)、差分相移率(KDP)以及相關系數(CC)等偏振參數。這些偏振參數與降水粒子的相態、形狀、空間取向和分布等密切相關，有助于判識對流天氣的主要類型。近年來國內對雙偏振雷達的研究工作取得了很多進展，高麗等[1]分析了一次長生命史超級單體降雹的雙偏振雷達特征，指出通過偏振參數ZDR和CC特征有助于識別高空的大冰雹；林文等[2]對比分析了超級單體、普通降雹單體和非降雹單體在發展、成熟階段出現的雙偏振參數特征，發現了ZDR柱、KDP柱、CC谷等特征；潘佳文等[3]認為差分反射率因子柱高度的演變對于雹暴的發展具有預示性。目前國內大部分雙偏振雷達的研究都基于S波段雷達。俞小鼎等[4]指出對于冰雹和雨滴不同波段雙偏振雷達觀測到的ZDR和KDP是有差別的；劉黎平[5]等認為相較于S波段而言，C波段雙偏振雷達觀測雨區時ZDR值較大，觀測冰雹區時ZDR值較小。以上研究表明在業務應用中C波段雙偏振雷達的參數閾值與S波段有一定差異，而國內西部地區大多都是C波段雷達，并陸續完成了雙偏振升級，因此需要大量的個例研究來支持定量化C波段雙偏振雷達的參數，為業務應用提供參考。

貴州地處云貴高原東南側斜坡之上，山地和丘陵占92.5%[6]，冰雹、短時強降水等強對流天氣頻發，復雜的山地地形使得強對流天氣有很強的局地性，近年來很多學者利用多普勒雷達對貴州冰雹進行了研究[7,8]，但卻一直缺乏雙偏振雷達對強對流活動的觀測。習水雷達于2020年完成雙偏振的改造和驗收，投入業務運行時間較短，十分有必要加強其對分類強對流監測和預警性能的研究。習水雷達探測范圍處于貴州強對流的初生源地，分類強對流天氣的識別對下游地區監測預警和人工防雹作業有非常重要的作用，亟待充分發揮出雙偏振雷達的優勢和效益。本文利用其探測資料分析了2021年5月2日強對流天氣過程中冰雹和短時強降水的雙偏振雷達參量特征，以及冰雹相態變化，以期為貴州使用C波段雙偏振雷達對分類強對流天氣的監測和預警提供參考。

1 資料來源與天氣實況

本文所使用的雷達數據來自遵義市習水CINRAD/CA-D型雙偏振多普勒雷達，海拔高度1665 m，波長為5.35 cm，頻率為5600 MHz，體積掃描共9層。此外，還用到高空觀測資料進行天氣形勢和環境條件分析，用地面自動站觀測資料作為實況數據。

此次強對流過程自2021年5月2日17時(北京時，下同)開始，持續至3日08時，冰雹主要發生在2日17—21時，短時強降水主要發生在3日02—08時。此次過程共造成七星關區、大方縣、黔西縣、金沙縣、仁懷縣、習水縣、息烽縣、鎮寧縣、西秀區出現降雹(圖1a)，冰雹直徑在10 mm左右，最大冰雹直徑為仁懷縣龍井鄉15 mm，出現18個站次的雷暴大風，最大風速為務川站28 m·s-1；190站出現短時強降水，最大小時雨強為赤水市長期站57.3 mm·h-1(圖1b)。

圖1 2021年5月2日17時—3日08時冰雹(a)和短時強降水(b)站點分布

2 環境特征和雷達回波演變情況

此次過程貴州西北部處于500 hPa高空槽前上升氣流區，700 hPa在云南東部有切變線存在，貴州受12 m·s-1的西南急流控制，有利于輸送能量和水汽，850 hPa切變線自四川東部南壓，20時南壓至貴州北部邊緣，切變線配合地面輻合線逐漸東移南壓影響貴州北部地區，貴州大部受偏南氣流影響，處于切變線南側的暖區，西北部露點溫度梯度較大，是對流觸發的有利條件。

用14時的地面溫度訂正探空(圖略)，貴陽、威寧的對流有效位能(CAPE)均在1500 J·kg-1以上、宜賓的CAPE值達到2000 J·kg-1以上，大的不穩定能量有利于觸發強對流天氣。威寧中層有較明顯的干層，干空氣夾卷有利于風雹天氣的發展。3個站點-20 ℃層高度為7500～7800 m，較適宜冰雹的生成，但濕球溫度0 ℃層高度(WBZ)較高為3900～4200 m，對大冰雹的形成不利。

根據雷達回波形態和影響系統，此次強對流過程可分為2個階段(圖2)，第1階段為單體回波階段，發生在偏南風控制的暖區。2日14時12分在云南昭通和貴州畢節交界處有塊狀回波生成，東北移動過程中逐漸合并為回波A且強度增強，15時54分進入貴州畢節市北部。同時14時30分在畢節市中部生成的塊狀回波B也逐漸增強，回波A和B東移過程中發展造成冰雹天氣，回波A造成金沙、仁懷降雹，19時30分左右減弱消散。回波B造成七星關區、大方、黔西、金沙、息烽降雹，21時左右減弱消散。第2階段是由850 hPa切變線和地面輻合線配合引起的線狀多單體回波，3日00時開始進入赤水，逐漸東移影響貴州北部地區，伴隨短時強降水天氣。

圖2 雷達組合反射率因子圖：第1階段(a～c)、第2階段(d～f)(五角星為習水雷達站)

由于地形阻擋或雷達回波衰減等因素，第1階段的回波B不在習水雷達的有效探測范圍內，故不作分析，主要以回波A為分析對象。第2階段主要分析線狀多單體回波進入習水后帶來短時強降水的雙偏振特征。對比冰雹回波和強降水回波的雙偏振特征參量，為C波段雙偏振雷達在業務中判識分類強對流提供參考。

3 雙偏振雷達應用

圖3為17時46分雷達2.5°仰角的水平反射率因子(Zh)和徑向速度圖，可以看到回波A有明顯的冰雹結構特征，最大反射率因子達到70 dBz，存在明顯的V型入流缺口，大于50 dBz的回波伸展高度達9400 m，超過-20 ℃層高度，VIL達到127 kg·m-2。2.5°仰角約4140 m高度上出現三體散射回波，徑向速度上有明顯的三體散射和氣旋式輻合，回波沿AB線段的剖面可看出明顯的有界弱回波和回波墻結構。

3.1 降水粒子相態分析

圖3的回波特征提示該對流單體有可能出現大冰雹(直徑>2 cm)，但僅憑反射率因子無法對冰雹直徑做出準確判斷，考慮到當天WBZ較高，冰雹在下落過程中可能融化，因此，利用雙偏振雷達差分反射率因子ZDR、相關系數CC、差分相移率KDP3個參數來分析冰雹下落過程中的相態變化。

圖3 2021年5月2日17時46分2.5°仰角基本反射率(a)、徑向速度(b)

ZDR表示水平極化和垂直極化回波的反射率因子之比的對數，反映水凝物粒子的非球形程度。一般認為冰雹在下落過程中不斷翻轉，可近似于各項同性的球形粒子，ZDR值趨近于0，尺寸較大的冰雹在下落過程中保持自由降落狀態，ZDR值小于0。而雨滴在下落過程中近似橢球型，雨滴越大形狀越趨于扁平，對應的ZDR值越大。若冰雹在下落過程中融化或外包水膜，則會獲得更扁平的形狀和更穩定的取向，因此其觀測特征與大雨滴相似，具有較高的Zdr[9]。相關系數(CC)是水平偏振和垂直偏振回波功率之間的相關關系，反映的是相態的均一性。曹俊武等[10]指出，若為單一的液態水，CC一般大于0.95，小冰雹的CC一般在0.9～0.95之間，大冰雹和冰水混合區的CC<0.9。差分相移率KDP是指在特定距離內水平偏振回波和垂直偏振回波相位之間的差值，表征不同偏振回波因傳播路徑不同而引起的變化[11]。KDP值的大小與液態水粒子形狀及密度有關，對固態粒子不敏感，冰雹的KDP趨近于0[12]。從高層6.0°仰角(圖4e～h)的回波特征可以看出，金沙縣清池鎮境內(黑色方框區域)Zh為55～65 dBz，對應的ZDR和KDP在0附近，CC較小為0.9～0.95，表明對流云上部有冰雹存在。對比低層0.5°仰角(圖4a～d)可以看出，Zh為50～55 dBz，ZDR增大為4 dB，CC為0.95，KDP為3～4 °·km-1。從高Zh、增大的ZDR和較低的CC，可以判斷地面應為下落過程中表面融化成為水膜的小冰雹，從高KDP值可以判斷小冰雹中混合有降水。對比沿圖4j中AB線段做剖面的ZDR垂直分布可以看到(圖5b)，WBZ以下ZDR由接近0的負值轉為正值并隨高度降低逐漸增大(黑色方框內)，表明在WBZ以上有冰雹存在，下落過程中融化成包裹有水膜的冰雹，且ZDR在近地層的增幅很大。研究表明，小冰雹ZDR值增大的幅度要高于大冰雹，說明小冰雹比大冰雹融化得更快，其偏振特征值更接近扁平的大雨滴[3]。當天金沙站14時的地面溫度為30.5 ℃，仁懷站為31.5 ℃，地面高溫和較高的融化層導致冰雹表面融化，對應地面觀測到直徑10 mm左右的小冰雹，最大為直徑15 mm的降雹，降雹的同時出現了降水，18時清池鎮小時雨強為2.5 mm，19時龍井站出現了28.6 mm·h-1的短時強降水。

3.2 對流云雙偏振參數特征

在對流云低層觀測到明顯的CC谷(圖4c、4k)，表現為CC值較周圍顯著減小的區域(CC<0.85)。CC谷的形成主要與上升氣流有關，研究認為上升氣流會將近地層的昆蟲、樹葉等碎片帶入，這些碎片具有不規則的形狀和隨機的方向，導致CC值降低[13]。CC谷形成的另一個原因是上升氣流將降水粒子帶到高層，中低層形成有界弱回波區導致返回信噪較低[2]。CC谷可伸展到中高層，如圖4g所示，6.0°仰角Zh有界弱回波區，CC值明顯較周圍減小。因此通過識別CC谷可以判斷出對流云上升氣流區的位置，這也是人工防雹作業關注的重要區域。

如圖4i、4j，在云體移動前方(右側)，0.5°仰角Zh大值區前側有ZDR值為4～5 dB的帶狀或弧狀區域，可以判斷為ZDR弧。在ZDR弧后側橢圓區域內Zh>60 dBz，ZDR為-1～1 dB，CC在0.9左右，表明該區域為降雹區，而橢圓前側黑色方框區域，Zh值為40～50 dBz，對應4～5 dB的ZDR弧，且有較高的CC和KDP，表明該區域為大雨滴或表面融化的小冰雹。ZDR弧的存在表明環境風垂直切變增強，導致冰雹，大、小雨滴下落軌跡和落區分離的現象。沿圖4i、4j的AB線段做剖面圖可以更清楚地看到這樣的分離現象，如圖5a、5b所示，黑色橢圓區域內對流云的中高層到近地層均有>60 dBz的Zh，對應ZDR值從WBZ以上到近地層都在0 dB左右，表明地面有降雹。在降雹區的前側(黑色方框區域)，地面為ZDR大值區，表明地面為濕冰雹和大雨滴的混合降水，再往前Zh值和ZDR值減小，地面為小雨滴。

圖4 2021年5月2日17時46分0.5°仰角Zh(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)；6.0°仰角Zh(e)、ZDR(f)、CC(g)、KDP(h)；18時03分0.5°仰角Zh(i)、ZDR(j)、CC(k)、KDP(l)

ZDR柱和KDP柱是強對流云體內普遍存在的動力特征，主要出現在中層[2]。潘佳文等[14]利用雙多普勒雷達風場反演結果證明了ZDR柱可用于指示上升氣流的存在，較強的上升運動能將水成物輸送到負溫區，有助于形成凍滴，凍滴是主要雹胚之一，因此ZDR柱的存在為冰雹的形成提供了有利條件。從ZDR剖面(圖5b)可以看到，ZDR在高于WBZ 2000～2500 m處存在2～4 dB的大值，可以判斷為ZDR柱。ZDR柱高度略高出-10 ℃高度(6200 m)，而-10～-20 ℃是冰雹濕增長的關鍵區域，表明有利于冰雹的增長。需要指出，由于雷達顯示軟件的回波高度不包括雷達站海拔高度，所以此處的ZDR柱高度加上了雷達站的海拔高度。從Zh剖面圖可以看出(圖5a)，ZDR柱出現在上升氣流(有界弱回波區)邊緣，表明有強上升氣流將暖區中的雨滴帶入到過冷水層還未來得及凍結，因此利用ZDR柱可以判斷上升氣流區和過冷水含量高的位置。KDP柱出現在ZDR柱的西北側(圖略)，2～3 °·km-1的KDP大值區高于WBZ，KDP柱對應的降水粒子除雨滴外，還有大量融化的冰粒子。

圖5 2021年5月2日18時03分Zh(a)、ZDR(b)、KDP(c)剖面圖(WBZ為濕球溫度0 ℃層高度)

綜上所述，CC谷和ZDR柱均可顯示上升氣流的位置，不同的是，CC谷在低層就可以觀測到，而ZDR柱在對流云中層才能觀測到。ZDR柱的向上發展表明上升運動增強，研究指出，云體內上升氣流增強10～15 min后地面降水速率或降雹強度出現增加[15]，從17時46分開始觀測到ZDR柱到17時58分回波加強提早了2個體掃，表明ZDR柱的出現對于雹暴的發展具有預示性。

三體散射現象是C波段雷達在探測冰雹事件中常出現的虛假回波。本次強對流單體也觀測到了明顯的三體散射特征，17時46分2.5°仰角的雷達回波顯示(圖6)，在強回波(Zh=70 dBz)沿徑向伸展方向，呈現出長釘狀的弱回波，回波強度為13～25 dBz，強中心的遠端(圖6b黑色方框)ZDR出現數值驟增(4 dB)并隨距離增加迅速減小、CC明顯減小(<0.6)的現象，這與福建雙偏振雷達觀測到的三體散射雙偏振特征一致[3,16]。

圖6 2021年5月2日17時46分4.3°仰角Zh(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)

3.3 短時強降水雙偏振參數特征

短時強降水是指雨量超過20 mm·h-1的降水事件，可能會引起山洪、地質災害、城市內澇等次生災害，一直以來是強對流天氣預報中的關注重點。為研究發生短時強降水前雷達偏振量的變化特征，選取習水雙偏振雷達探測范圍內的習酒鎮臨江站和習酒站做分析(圖7中黑色圓圈)，小時雨量分別為27.5 mm和20.5 mm。

大雨滴在降落過程中形變程度較大，因此雨滴越大ZDR也越大。ZDR和KDP隨回波強度增大而增大，3日02時37分，0.5°仰角的回波表現出大雨滴特征：Zh=50 dBz、ZDR=5 dB、CC=0.97、KDP=9 °·km-1，該回波從上游逐漸移入習酒鎮，表明習酒鎮上空(黑色方框)對流云內有大雨滴增加(圖7)。該特征比臨江站和習酒站的降水峰值提前1～2個體掃，對短時強降水的預報有較好的指示意義。賴晨等[17]同樣發現ZDR值的變化大都超前于地面雨量變化，這有助于提前判斷地面雨強的演變趨勢。抬高仰角(4.3°)也表現為高ZDR(5～7 dB)、較高CC(0.95)、高KDP(10 °·km-1)的特征(圖8)，這一點明顯區別于冰雹回波，指示出整層都是大雨滴。值得注意的是，由于觀測站點分布不可能無限密集，所以觀測到的強降水不一定出現在雙偏振參數的最大值區域，但其大值區仍對強降水有指示意義。相比于Zh、ZDR、CC大面積的高值區，KDP呈現出從小值到大值的“突變”，并可以清晰地觀測到KDP大值區的移動，更能準確定位短時強降水的位置。

圖7 2021年5月3日02時37分0.5°仰角Zh(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)(黑色圓圈為觀測到短時強降水的點)

圖8 2021年5月3日02時37分4.3°仰角Zh(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)

4 結論與討論

針對2021年5月2日發生在貴州西北部的1次強對流過程，使用習水雙偏振雷達的觀測數據，分析了冰雹和短時強降水的雙偏振參量特征，結果表明：

①對流云的雷達回波反射率因子高、>50 dBz的反射率因子高度超過-20 ℃層，存在有界弱回波區、三體散射、高VIL值等特征，指示有大冰雹存在的可能。高層雙偏振參數ZDR、KDP<0，CC為0.90～0.95，表明有冰雹粒子存在，隨著高度降低ZDR和KDP從負值向正值轉變，CC為0.95左右，表明冰雹在下落過程中融化為包裹著水膜的小冰雹，并伴隨有降水，這與地面觀測事實一致。

②在對流云低層觀測到CC谷和ZDR弧，中層觀測到ZDR柱和KDP柱。CC谷和ZDR柱均可指示上升氣流的位置，ZDR柱的出現對雹暴的發展有可預視性。此外，還觀測到三體散射的雙偏振特征：三體散射長釘區域對應的ZDR出現數值驟增(4 dB)并隨距離增加迅速減小、CC明顯減小(<0.6)的現象。

③短時強降水的ZDR和KDP隨回波強度增大而增大，CC維持在0.95以上，與冰雹不同的是短時強降水從高層到低層的ZDR和KDP都維持正的大值。KDP大值區能更準確地指示出強降水的位置。

需要提出的是，本文沒有對ZDR柱的演變和對流云的發展消亡做更多分析，有待今后收集更多更顯著的個例進行深入探討。由于KDP的計算與CC相關，當CC<0.9時不計算KDP，因此在高層有大冰雹的地方KDP會出現一些“空洞”，這在分析冰雹時有一定缺陷，也導致本次觀測到的KDP柱較小。本文僅為1次對流天氣過程的分析，未來需要通過更多個例，研究不同類型對流云中的雙偏振特征的演變，并將貴州地區雙偏振參量對分類強對流天氣識別定量化，才能更好地為雙偏振雷達在短臨業務中應用提供參考。