閩南地區2020年“5·6”冰雹過程的雙偏振產品特征分析*

盧蕓蕓 焦志敏 倪 悅

(1.龍巖市新羅區氣象局，福建 龍巖 364030；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081;3.龍巖市氣象局，福建 龍巖 364099)

0 引言

大范圍降雹是影響福建的重要災害性天氣之一，尤其是直徑超過20mm的大冰雹，空間尺度小、突發性強、破壞力大、發展演變迅速，是短臨天氣預報的難點。天氣雷達具有較高的時空分辨率，是冰雹等強對流天氣監測預警的重要手段。隨著多普勒天氣雷達和雙偏振天氣雷達的發展和應用，有關冰雹回波的研究陸續開展。Seliga等[1]首先提出雙線偏振雷達的設想，通過同時探測水平和垂直偏振雷達波的反射率因子，可以分析雨滴譜的分布，提高降水測量的精度。Aydin等[2]利用雨滴與冰雹在大小和形狀方面的差異，使用反射率因子Zh和差分反射率因子ZDR對冰雹進行識別。Kumjian 等[3]研究表明，ZDR柱與對流風暴中強烈的上升氣流有關，在上升氣流和后側下沉氣流(Rear-Flank-DownDRaft，RFD) 存在ZDR柱、差分相移率KDP柱和相關系數CC環。Snyder等[4]發現，ZDR柱的伸展高度與最強上升氣流有關，上升氣流的強弱又與冰雹的生長潛力相關，ZDR柱高度的變化要早于最大上升氣流強度的變化。Zrnic[5]發現了大冰雹在雷達回波中的三體散射現象(Three Body Scatter Signature，TBSS)。陳秋萍等[6]研究表明，TBSS是大冰雹形成的充分非必要條件。

近年來，隨著我國雙偏振雷達的逐步升級，雙偏振雷達的應用研究也取得了諸多進展。劉黎平等[7]發現ZDR是判斷對流云和層狀云降水粒子相態的重要指標之一。王洪等[8]研究表明，大雹粒子的翻滾使冰雹區水平反射率因子高、ZDR低，雨和冰晶粒子的混合導致CC下降，KDP觀測對冰雹不敏感。潘佳文等[8]利用廈門 S 波段雙偏振雷達分析了一次導致大冰雹的超級單體風暴，結果表明：相較于發展到成熟階段才出現的反射率因子特征，ZDR柱等偏振特征可指示冰雹云的物理和動力結構，并對冰雹云的發展具有一定的預示性。但前期工作主要集中在X波段和C波段雙偏振雷達。由于S波段雷達對于冰雹有著更好的觀測效果，并在實際業務中被廣泛使用，因此，開展基于S波段雙偏振雷達對冰雹的觀測研究十分必要。

2016年，廈門的新一代天氣雷達升級為雙線偏振天氣雷達，升級后收集到了2020年5月6日冰雹過程完整的觀測數據，且直徑20～50mm的冰雹個例幾乎都出現在該雷達站半徑150km的觀測范圍內。因此，本文對出現在漳州地區直徑20mm以上的冰雹強風暴個例及其演變過程，尤其是風暴發展前期的S波段雙偏振參數(ZDR、KDP、CC等)進行分析，以探尋其對冰雹等強對流天氣發生發展的指示意義。

1 天氣實況和形勢分析

受低層切變影響，2020年5月6日，我省中南部沿海和內陸局部出現集中降雹，冰雹直徑普遍在5～20mm，最大30～50mm。此次冰雹過程具有如下特點：①5月大范圍降雹前所未見。自1950年有氣象記錄以來，福建省出現較大范圍的降雹過程幾乎都出現在3～4月，而本次過程發生在5月，屬歷史罕見；②單日降雹范圍最廣。除寧德、平潭外，其余8個地市共35個縣(市、區)出現冰雹；③少雹區出現集中降雹。福建降雹的空間分布特點為中北部多、南部少，山區多、平原少，內陸多、沿海少，而本次過程降雹集中在中南部沿海和內陸局部，少雹區出現集中降雹，極為罕見。

從500hPa和850hPa的中尺度分析(圖1)可知，6日08時福建受500hPa高空槽前西南偏西氣流影響，在閩南地區500hPa和850hPa高度上同時存在兩支西風急流，850hPa有西南風的風速輻合，500hPa干舌和850hPa濕舌在閩西南地區重疊。500hPa在長江流域以南有一溫度槽，850hPa在華南沿海一帶有一溫度脊。溫度槽的南端與溫度脊的北端在閩南地區重疊。6日20時高空槽東移靠近福建，500hPa西風急流維持，而850hPa急流強度有所減弱，850hPa濕度仍較大，但500hPa干區西退變小，500hPa溫度槽和850hPa溫度脊已減弱，850hPa風速輻合區北推至閩北。地面處倒槽南側的暖區內，午后升溫明顯。

(a)6日08時 (b)6日20時

圖2 2020年5月6日08時廈門站探空圖

從6日08時廈門站探空資料(圖2)可知，抬升凝結高度(LCL)950hPa，自由對流高度(LFC)992hPa均較低，容易觸發對流。K指數34℃(閾值32℃)，SI指數-3.6(閾值-2.3)，訂正后CAPE值2127.4J/kg(閾值1900J/kg)，0～6km垂直風切變19m/s，說明具有較好的對流發生條件[9]。從層結曲線看，850hPa至地面濕度較大，而850hPa以上均為干層，呈明顯的上干下濕“喇叭口”結構，這為冰雹的形成提供了有利的環境條件。根據俞小鼎[10]的研究，若對流層中存在明顯干層，則濕球0℃層高度低于干球0℃層高度。根據探空數據，干球0℃層高度4980m，濕球0℃層高度3160m，由于干層的存在，使得濕球0℃層高度明顯低于干球0℃層高度，顯著降低了冰雹的融化層高度，有利于冰雹的落地。

2 風暴演變的雙偏振特征分析

本文根據王昂生等人[11]的研究，將冰雹風暴云的發展過程分為發生、躍增、醞釀、降雹和消亡等5個階段，本文著重對前4個階段展開分析研究。

2020年5月6日13∶55—15∶00，漳州龍海程溪鎮、東泗鄉相繼出現直徑達50mm冰雹實況。在漳州的冰雹風暴云單體發展復雜，根據回波的演變特征可分析出風暴云先后出現三次降雹(圖6)：13∶29單體A第一次降雹，14∶15單體B第二次降雹(程溪鎮)，14∶30單體C第三次降雹(東泗鄉)。

2.1 單體A發展過程

12∶32—12∶55為發生階段，12∶32單體A在3.3°仰角初生，12∶44在6.3km出現2～3dB的ZDR柱，12∶55反射率因子發展至50dBZ，垂直累積液態水含量VIL值最大為23.5kg/m2，在6km高度單體A的西側出現4～5dB的ZDR柱和0.9～0.96的CC低值區(圖3)。

13∶01—13∶06為躍增階段，反射率因子強度增至60dBZ，VIL值增大至31.5kg/m2，單體西側仍存在ZDR柱和CC低值區。

13∶12—13∶18為醞釀階段，反射率因子強度增至68dBZ，強回波中心接近7km，VIL值增大至58kg/m2。在此期間ZDR柱和CC低值區一直伴隨出現在單體A的西側，13∶29移動至單體A的南側，造成了單體C的發展和壯大。該階段在6°仰角先后出現TBSS和旁瓣回波，預示著空中已經形成較大的冰雹。由圖4可得，冰雹的雙偏振特征為：強反射率因子核(≥60dBZ)對應接近0dB的ZDR和0.9-0.94的CC低值區；TBSS的雙偏振特征為：極低的CC(<0.8)，ZDR在起始位置具有高值、隨距離增加逐漸減小并轉為負值；旁瓣回波的雙偏振特征為：負值ZDR和CC低值(<0.9)。在同一時次的徑向剖面圖上TBSS也具有相同的雙偏振特征(圖略)。根據上述雙偏振特征可識別出被降水回波掩蓋的TBSS和旁瓣回波。

13∶24—13∶29為降雹階段，單體A質心高度下降，VIL值下降至44.5kg/m2。圖5表示，0.5°仰角(白色框線內)ZDR在0.8～4.0dB，KDP在1.7～6.4deg/km，CC值在0.85～0.96，說明冰雹在下落過程中融化成水滴及水包冰雹的混合物，在該時段并未在地面收集到冰雹實況，分析原因可能是：醞釀階段只持續2個體掃，冰雹增長有限，尺寸較小，降落到地面時已融化成雨滴或較小的濕雹。

2.2 單體B發展過程

13∶18—13∶29,單體B初生;13∶35—13∶41為躍增階段；13∶46—14∶15為醞釀階段。在以上3個階段，單體B的西側均出現ZDR柱和相應CC低值區，尤其在13∶58強度為4dB的ZDR柱出現在6.6km左右。醞釀階段在仰角3.3°～6.0°的水平反射率因子圖上均能觀察到單體B的TBSS，其TBSS的偏振參數特征與前述單體A的特征一致。由于單體B的醞釀階段長于單體A、持續了30min，冰雹單體在垂直方向上進一步發展，使得冰雹尺寸更大。

圖3 12∶55仰角4.3°的水平反射率因子(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)和徑向速度(e)

圖4 13∶18仰角6.0°的ZDR(a)、CC(b)、水平反射率因子(c)和KDP(d)

圖5 13∶29仰角0.5°的水平反射率因子(a)、ZDR (b)、CC(c)、KDP (d)和徑向速度(e)

2.3 單體C發展過程

13∶24單體C初生，13∶29—13∶35為躍增階段，反射率因子從45dBZ增至60dBZ，VIL增至49kg/m2，13∶29在其西側出現了一個4dB的ZDR柱和相應CC低值區，速度場上出現一個由氣旋、反氣旋組成的渦旋對，二者共用負速度中心，而單體A不具備這種結構(圖6)；13∶35單體A經歷由強變弱、單體C經歷由弱變強的過程(圖7)。

13∶41—14∶15為醞釀階段，期間單體C南側存在4～5dB的ZDR柱和小于0.9的CC低值區，直到15∶00ZDR柱減弱消失，單體C也隨之減弱，降雹結束。沿單體C渦旋中心徑向方向做剖面(圖8a、c)，可見在單體C中已出現成熟的穹窿結構，反射率因子核突破10km，在有界弱回波區BWER內存在一很強的上升氣流，該區域對應著CC低值區(<0.9)，并把大量的水汽帶到0℃層以上，使得5dB的ZDR柱高達7.5km。KDP柱也有一定體現，但由于CC<0.9，KDP圖上出現了空洞。由此可見，ZDR柱在此提供了一個形成凍結雨滴的源泉，凍滴為冰雹形成的主要雹胚之一。

圖6 13∶29仰角6.0°的水平反射率因子(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)和徑向速度(e)

圖7 13∶35仰角6.0°的水平反射率因子(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)和徑向速度(e)

圖8 14∶09單體C沿徑向的剖面

通過分析該個例單體A、B、C4個階段的雙偏振參數特征，可發現ZDR柱的出現與上升氣流有關，ZDR柱的伸展高度與上升氣流的強度成正比；相較于發展到成熟階段才出現的反射率因子特征，較強的ZDR柱(>3dB)和CC低值區(<0.9)往往提前出現。

3 結論與討論

針對2020年5月6日導致閩南地區大冰雹的超級單體風暴，本文利用廈門S波段雙偏振雷達分析冰雹風暴云演變過程中的偏振參數特征及三體散射偏振特征，探討這些偏振特征在業務應用中的可行性。主要結論如下：

①較強的熱力條件、較大的垂直風切變、上干下濕的不穩定層結、適宜的濕球0℃層高度為此次冰雹過程提供了有利的環境條件。

②大冰雹具有高反射率因子、低ZDR的偏振特征，利用該特征可迅速從降水回波中識別出冰雹。

③對于S波段雷達而言，三體散射現象是高空存在大冰雹的重要指標，根據冰雹TBSS現象和旁瓣回波的雙偏振特征，可識別出被降水回波掩蓋的TBSS和旁瓣回波，三體散射的偏振特征有助于提升對高空冰雹的識別能力。

④較強的ZDR柱(>3dB)和CC低值區(<0.9)先于反射率因子特征出現，這對于預測冰雹風暴單體的發展、分裂和維持有一定的指示意義。

需要指出的是，本文僅對一次暖區內閩南地區冰雹單體個例的分析，仍以定性分析為主，各偏振量之間的定量關系有待進一步研究。