一次人工防雹作業的雙偏振雷達特征分析

鄭 皎，韓遷立，徐 艷，侯 偉

（1.紅河州氣象局，云南 蒙自 661199；2.建水縣氣象局，云南 建水 654300）

天氣雷達一直是人工防雹指揮作業的主要工具。常規多普勒天氣雷達對冰雹的監測存在一定缺陷，它無法通過回波強度和徑向速度特征來區別不同相態的降水粒子，而雙線偏振雷達通過發射水平、垂直正交線極化波束，得到豐富的雷達偏振參量[1]（如差分反射率、相關系數等），研究和利用這些偏振參量，對于提高雷達定量估測降水的準確度，以及了解降水粒子的相態、空間分布等均有更好的指示意義[2]。王致群等[3]探討了偏振雷達在人工影響天氣方面的應用問題，介紹了不同偏振雷達在識別云內水成物粒子相態、密度、觀測云內水成物粒子微物理變化過程，以及被用于云的作業效果評估等方面的方法。陳羿辰等[4]利用雙偏振雷達跟蹤分析了在不同高度上防雹作業前后云體宏觀結構特征各粒子相態等微物理變化過程。劉紅亞等[5]結合天氣個例，對冰雹天氣過程的雙偏振雷達特征進行了分析。

紅河天氣雷達是云南省第一部C波段雙偏振雷達，怎樣利用雙偏振參量實現對冰雹生消的有效監測并建立判別指標，實現人工防雹高效科學指揮顯得尤為重要。本文以一次人工防雹指揮作業為例，對作業前后雙偏振參數特征進行分析，探討紅河州人工防雹判別作業指標。

1 資料及數據來源

雷達資料取自紅河C波段雙偏振新一代天氣雷達，主要選取出現冰雹或防雹作業前后30 min的雷達資料來。雷達基本參數：天線饋源海拔高度2 491 m，雷達波長5.5 cm，采用水平、垂直雙極化方式，強度監測≥400 km，雙偏振測量≥150 km，采用VCP21觀測模式，數據平均間隔為6 min。天氣形勢場資料來自MICAPS，冰雹資料取自云南省災情直報系統，人影作業情況取自云南省人工影響天氣作業信息管理系統。

2 天氣形式分析

2.1 天氣實況和天氣背景

3月17日16：40，元陽縣5個鄉鎮出現降雹，持續時間20 min，冰雹最大直徑4 cm。18：40左右個舊、蔓耗、屏邊、滴水層附近降雹，冰雹直徑2 cm。19：00河口4個鄉鎮先后出現大風冰雹及短時強降水。

3月17日08時，地面冷鋒位于麗江華坪、昆明至文山一帶，紅河州東部地區受冷鋒控制，700 hPa四川南部到云南東部存在弱切變線。本次冰雹天氣過程主要影響天氣系統是冷鋒切變。

2.2 對流潛勢分析

冰雹發生地距蒙自約50 km，蒙自站的探空曲線變化可基本反映這次強對流天氣發生區上空的天氣變化情況（圖1）。

2.2.1 T-ln P圖

從3月17日08時蒙自站T-ln P圖（圖1a）可知，蒙自站“下濕上干”、有逆溫，為典型的喇叭口型結構，且有明顯的不穩定能量，有利于對流發展。熱力對流參數中濕對流有效位能CAPE=604.1 J/kg＞400 J/kg，K指數=38℃＞30℃，沙氏指數SI=-3.14℃＜-1℃，總指數TT=51℃＞50℃，抬升指數LI=-2.75℃＞-3℃，除抬升指數外均滿足強對流的參考指標[6]。綜合指數強天氣威脅指數SWEAT=274.1，接近300的強對流參考指標，0℃層高度為4 345 m，位于600 hPa附近，-20℃層高度為7 520 m，位于400 hPa附近，有利于冰雹的產生。由圖1可知，當天環境條件非常有利于出現強對流天氣[6]。

2.2.2 V-3θ圖

V-3θ圖是運用圖像結構來預測天氣的方法，其中“滾流”引自水利學的概念，用于描述大氣垂直渦旋變化情況，按風矢量及風速的不均勻性分為“順滾流”和“逆滾流”，“順滾流”可作為判別對流性天氣出現與否的重要指標[7-8]。V-3θ圖作為對流潛勢分析的有效方法得到了廣泛應用[9-11]。

從3月17日08時蒙自站V-3θ圖（圖1b）可知，冰雹發生前有較為清晰的結構特征[7-8]，主要表現在：（1）強烈的非均勻結構。θ曲線在850～700、500～400、300～250 hPa等多處明顯折拐（左傾）甚至垂直于T軸，呈現“羅鍋”態，中低層θse和θ*線出現多處明顯左傾，甚至與T軸成鈍角，說明大氣層結結構極不穩定。（2）水汽分布不均勻。θse和θ*線在地面處，700～600 hPa靠得較近，而在500 hPa處θse和θ*線則距離較大，呈現出“蜂腰”結構，表現為中層濕、低層和高層干，且有多個干濕層的狀況，這是水汽條件較差且分布極度不均的一種表現，強對流天氣主要表現為冰雹、大風。（3）存在“超低溫”。θ曲線在300～270 hPa出現明顯的“超低溫”層（θ曲線與P坐標平行），導致對流層大氣的溫度或熱結構的極度不均勻，從而引發對流出現。（4）有順滾流。近地層為東南風，500 hPa以上層為一致的西偏南風，且高層風速遠大于低層，形成深厚的順滾流，存在強的垂直風切變，高層強偏西風的抽吸作用有利于對流運動的發展。

圖1 08時蒙自站T-ln P（a）和V-3θ（b）

根據V-3θ圖對冰雹的潛勢分析，各項指標均滿足，且存在更有利冰雹發生的輔助條件“蜂腰”，可預報未來12～24 h內將出現冰雹大風天氣。

3 雷達常規參量分析

3.1 水平反射率因子Z h

18：22在蠻耗、水田交界處2.4°水平反射率因子圖上（圖2a），Zh超過65 dBZ，頂高達10.0 km，具有清晰的勾狀回波結構。在其徑向后側出現明顯的“TBSS”和“V型缺口”特征，“雹釘”長度超過32 km，有明顯的“旁瓣回波”。在剖面圖上（圖2c），出現入流一側傾斜結構，有明顯的懸垂回波和“BWER”，出現“假尖頂”，55 dBZ以上的反射率因子一直擴展到9 km，超過了8.6 km的-20℃等溫線，具有典型的冰雹回波特征。18：40系統東移至滴水層一帶，特征依然明顯（圖2b），強度增至68 dBZ。但弱回波區收窄，0℃層以上超過55 dBZ的區域變寬（圖2d）。垂直液態水含量從33.9 kg/m2，躍增到39.8 kg/m2，具有產生大冰雹的極大潛勢。研究表明[12-16]，大冰雹常常形成并降落在鉤狀回波附近（或弱回波區附近）的強回波區中。在“TBSS”出現后的10～30 min，往往會產生降雹和大風[17]。

圖2 18：22和18：40差分反射率和反射率因子剖面

3.2 徑向速度特征分析

18：22在0.5°徑向速度圖上（圖3a），負速度在向正速度過渡過程中由-24.9 m/s跳到24.9 m/s，逐漸過渡到8.9 m/s，出現速度模糊，退模糊計算后可知，真實的最大負速度值為-33.8 m/s。在其剖面圖上（圖3c），3～10 km為中低層輻合區，10～17 km為高層輻散區，輻合區較輻散區寬，零速度線呈直立傾斜狀，中低層輻合上升高層輻散的抽吸作用有利于上升運動的發展和維持。18：40在徑向速度圖（圖3b）和剖面圖上（圖3d），低層輻合區寬度收窄，輻散區變寬，說明此時入流氣流減弱，出流氣流加強。

圖3 18：22和18：40徑向速度及其剖面圖

4 雙偏振特征量分析

4.1 差分反射率因子Z DR

ZDR與粒子大小和形狀的扁圓程度緊密相關，通常大冰雹呈橢圓形，在下落過程中會出現翻滾現象，近似于各向同性的“球形”，ZDR也接近0 dB。在大冰雹周圍存在大量較小的濕雹和大雨滴，其ZDR相對較高。這就形成了以大冰雹為中心的ZDR低值區，這一特性可用于區分和判別云內水成物粒子的相態[18-19]。

18：22在蠻耗附近，0.5°差分反射率圖（圖4a圓圈所示位置），Zh超過55 dBZ區域對應存在ZDR為-0.58～-0.03 dB的情況，符合高Zh低ZDR的特征，在其徑向后側，ZDR出現了明顯的負值區。1.5°差分反射率圖（圖4c圓圈所示位置）上形成了ZDR環，其ZDR在-0.39～0.10 dB，趨近于0，說明該區域存在明顯的冰雹粒子[20]。18：40在0.5°差分反射率圖（圖4b）和剖面圖（圖4e）中表現更明顯，BWER附近有ZDR異常大值區，達5 dB，強烈的上升氣流將低層液滴和表面融化的冰雹帶到高層，粒子含水量和扁平程度增大，降落到0℃層以下后形成外包水膜的大冰雹或大雨滴，造成ZDR值異常增大。另外，BWER附近存在明顯的ZDR空洞（圖4d），這是由于未融化或初步融化的冰雹形成冰雹柱所致。經過3個體掃后，“TBSS”和“V型缺口”特征顯著，表明云層中一直含有冰雹粒子。

圖4 18：22和18：40差分反射率和差分反射率剖面

4.2 差分相位常數K DP

KDP是指水平極化脈沖與垂直極化脈沖傳播常數差，KDP的大小能反映出液態含水量的多少，能反映出較大水滴聚集區，且不受強度標定和部分阻擋的影響，實際工作中常用來判別強降水和上升氣流，冰雹表面越濕則KDP值越大[17-20]。它的局限性在于當CC＜0.8時不進行計算，因此會出現KDP空洞。

18：22在2.4°差分相位常數圖上（圖5a），蒙自冷泉、水田、個舊和蠻耗附近的KDP為-0.03～1.02°/km，表明這一地區云中含有較多的液態水，對比這一時段自動站降水情況（圖5c），降水也出現在這一時段，說明了KDP對降水有指示意義，也反映出冰雹粒子還未完全形成。18：40“TBSS”和“V型缺口”特征明顯（圖5b），說明對流發展趨于成熟，滴水層附近KDP為-0.10～-0.01°/km，說明云層中已存在表面較干的冰雹粒子，因此差分相移率較小。

圖5 差分相位常數（a，b）和18：00—19：00附近自動站分鐘降水量（c）

4.3 幅相相關系數

相關系數CC主要用于描述水平和垂直偏振回波信號變化的幅相一致性，CC的大小與粒子的軸化、傾斜角、形狀不規則性以及相態有關。降水粒子均勻性和相關性較好，CC值接近1.0，混合水凝物因粒子形態呈現多樣性，相關性明顯偏弱，小冰雹CC值為0.9～0.95，大冰雹和冰水混合區CC值低于0.9，但都在0.85以上[20-22]。

18：22 Zh超過55 dBZ，CC為0.87～0.93（圖6a、6c圓圈所示位置），說明存在上升氣流帶上去尚未凍結的大雨滴及一部分已凍結的雹粒，粒子均一性較差，相關系數較低。在這區域的徑向后側，受大冰雹衰減影響，Zh和CC值顯著降低，呈現顯著的“TBSS”和“V型缺口”。18：40對流加強，Zh集中為55～60 dBZ，CC為0.93～0.98（圖6b、6d圓圈所示位置），表明粒子的均一性較18：22好，冰雹粒子正在持續增長，粒子相態趨于一致，“融化層”也較18：22范圍更廣，更清晰。

圖6 不同時列2.4°、4.3°相關系數

5 防雹作業情況和作業效果分析

18：54在播咪和卡口可作業區內，最大回波強度達50 dBZ，頂高為6.3 km，云體處在從雷雨云向冰雹云發展的躍增階段，達到防雹作業條件，兩作業點分別在18：54和19：00進行防雹作業1 min，用彈量16枚，炮彈最大射高為3 800±200 m，作業仰角為55°～75°。防雹作業后，19：06作業影響區內，回波強度明顯減弱，云層中已不含冰水混合物或冰雹粒子，降水類型為小雨。非作業區冰雹特征依然顯著，最大Zh為62 dBZ，回波頂高為6.4 km，超過了5.2 km的0℃層，50 dBZ以上回波ZDR為-0.38～1.04 dB，KDP為0.00～0.10°/km，CC為0.92～0.99，說明非作業區依然含有冰水混合物或小冰雹粒子。對比實況分析，作業影響區沒有降雹，非作業區出現了2～4 cm的降雹，造成9個村委會36個村民小組的農業、民房不同程度受災，防雹效果明顯。

6 結論

通過對2020年3月17日紅河州出現冰雹過程的雙偏振特征和防雹作業前后回波變化情況分析，得到以下結論：

（1）本次冰雹天氣過程是在冷鋒切變影響下產生的。最近的蒙自探空站T-ln P圖上存在明顯不穩定能量及“下濕上干”特征，且各項熱力對流參數基本都超過強對流的特征值，非常有利于對流發展。V-3θ圖具有清晰的冰雹結構特征，存在“超低溫”和“順滾流”及更有利于冰雹發生的輔助條件“蜂腰”。

（2）雷達常規參量表現出清晰的冰雹結構特征。表現出高懸的強回波，反射率因子超過65 dBZ，55 dBZ垂直擴展到-20℃等溫線以上；出現顯著的“BWER”、“TBSS”、“勾狀回波”、“旁瓣回波”和“V型缺口”；VIL出現異常躍增；徑向速度圖上有明顯的輻合特征。

（3）雙偏振特征量也表現出明顯的冰雹特征。Zh超過55 dBZ的區域，呈現出高Zh低ZDR的特征，ZDR為-0.58～0.03 dB，CC值為0.87～0.93，KDP為-0.10～-0.01°/km，表明云層中一直有冰雹粒子。

（4）防雹作業效果明顯。防區作業后回波強度顯著降低，云層中已不含冰水混合物或冰雹粒子。但非作業區雷達常規和雙偏振參量的冰雹特征依然顯著，出現2～4 cm的降雹。