閩西南地區一次春季降雹過程的雙偏振參量及降水粒子譜特征*

何清芳 林 文 張深壽 肖秀珠 張紅梅

1 福建省龍巖市氣象局，龍巖 364000 2 福建省氣象科學研究所，福州 350001 3 福建省災害天氣重點實驗室，福州 350001

提 要：基于福建龍巖S波段雙偏振雷達和地面降水現象儀資料對2020年3月27日龍巖永定的冰雹云以及同時發生在龍巖漳平的短時強降水云體進行觀測對比分析。結果表明：降雹單體在降雹前出現回波高度躍增，存在有界弱回波區，在云體移動方向前部出現了強度為2～4 dB的ZDR弧，內部KDP柱發展較高，最高至7～8 km，強降水云體也出現KDP柱，但高度較低；兩個強對流云體前部雨滴譜增寬時大滴端先增加，呈現雙峰或多峰結構，靠近云體強中心小滴端(直徑≤1 mm)數濃度呈量級增多，與云體前部強環境垂直風切有關；在降雹或強降水階段，永定站冰雹為低密度冰雹，滴譜呈現弱雙峰結構，漳平站則為單峰結構，兩站的大滴(直徑>3 mm)多為小冰雹融化造成；降雹后滴譜雙峰結構主要由雨滴的碰并造成，云體后部滴譜收窄伴隨著小粒子數濃度呈量級減少。

引 言

冰雹天氣是華南地區主要氣象災害之一，具有生命史短、局地性強、突發性強等特點，常給農業生產帶來嚴重的影響，因此冰雹云的識別一直是氣象界的一大課題。研究冰雹的發生和發展，了解云內部微物理特征及冰雹分布譜的演變，對冰雹天氣監測預警及人工防雹作業指揮和效果評估都具有重要意義。

近年來，新型遙感探測設備在災害性天氣中得到較好的應用。激光雨滴譜儀通過對地面降水粒子的自動識別，能夠全天候自動觀測降水粒子譜變化，譜特征能在一定程度上反映自然降水的物理結構及演變特征(Hu and Srivastava,1995;Konwar et al,2014;Wu et al,2019;蔣年沖等，1986；宮福久等，1997；石愛麗等，2004；余東升等，2011；林文等，2016；王俊和劉暢，2019)。在降雹過程中的雨滴譜資料分析應用也有一定成果，Federer and Waldvogel(1975)基于雨滴譜觀測數據分析了多細胞風暴的冰雹和雨滴特征分布，李聰等(2017)利用雨滴譜儀觀測資料分析了南京一次冰雹天氣降水粒子微結構特征，岳治國和梁谷(2018)結合激光粒子譜儀及天氣雷達資料分析了降雹過程中粒子物理量隨時間的演變特征，陶濤等(2020)利用雨滴譜觀測資料對比分析了一次非典型強對流天氣過程中降雨和降雹的微物理特征。激光雨滴譜儀是基于地面降雹粒子譜特征來反映冰雹粒子在云內物理的發展過程，雙偏振雷達則可通過探測空中粒子的雷達回波參數來認識云的發展和演變規律，其相比常規天氣雷達，還能探測到差分反射率因子(ZDR)、差分相移率(KDP)及相關系數(CC)等偏振參數，通過對偏振參數分析可判斷云中粒子的尺寸大小、形狀、相態、降水類型等信息，有利于識別冰雹云，在研究冰雹云的微觀物理特征及動力結構等方面具有較好的應用價值。國內外學者應用雙偏振雷達在冰雹云識別方面開展了許多研究，Aydin et al(1986)研究了基于ZDR技術識別冰雹區的方法；H?ller et al(1994)、Kumjian et al(2008)基于雙偏振雷達參數，分別對V型風暴和超級單體風暴帶來冰雹天氣的動力結構和微觀物理特征進行了研究；劉黎平等(1993)、曹俊武和劉黎平(2006)研究了雙偏振雷達識別冰雹區的方法；馮晉勤等(2018)、潘佳文等(2020)利用廈門雙偏振雷達資料研究了冰雹相態演變特征；林文等(2020)研究了不同強度降雹天氣及非降雹天氣雙偏振參數特征。

利用雨滴譜儀資料聯合雙偏振雷達資料對災害性天氣發生發展及演變特征的研究工作仍不多，因此，本文利用地面及高空探測資料、地面雨滴譜儀、雙偏振多普勒雷達等資料，對2020年3月27日龍巖永定區出現的一次冰雹天氣的云物理特征及動力結構進行分析，并與同一天氣系統下龍巖漳平發生的強降水云體及2021年5月31日龍巖上杭縣發生的暖區暴雨云系進行對比分析，研究冰雹云和非雹云的雙偏振參量及地面降水粒子譜特征，為短時臨近預報預警及有效實施人工防雹作業提供相關依據。

1 資料處理及天氣背景分析

1.1 資料和方法

本文所使用的資料主要包含冰雹發生當日的高空和地面天氣資料，經過數據質量控制的龍巖S波段雙偏振雷達資料及龍巖永定、漳平國家基準氣象站降水現象儀資料。

DSG4降水現象儀是一種采用現代激光技術的光學測量系統(探頭同Pasivel第二代激光雨滴譜儀)，根據降水粒子對激光信號的衰減影響程度，測量和計算降水粒子的直徑D和下落末速度V，共有32個尺度等級和32個速度等級，其中粒子速度測量范圍為0.050～20.800 m·s-1，粒徑測量范圍為0.062～24.5 mm，采樣間隔為1 min，基于降水粒子的速度-尺度譜分布可對雨、陣雨、毛毛雨、雨夾雪、冰雹等降水現象類型進行分類識別。

參考Yuter et al(2006)、Friedrich et al(2013)、Jia et al(2019)的方法先對所用觀測數據進行質量控制：(1)剔除儀器前兩檔(D<0.3 mm)的觀測數據；(2)選取原始粒子數大于10個；(3)剔除掉強風造成慢落速大滴(V<1 m·s-1且D>5 mm)的觀測誤差；(4)剔除雨滴在儀器探頭濺散(V低于雨滴線向下60%下限且D<2 mm)造成的觀測誤差；(5)剔除儀器采樣區邊緣不完整觀測的降水粒子(V高于雨滴線向上60%上限且D<8 mm)造成的誤差。

冰雹過程中降水粒子的相態為固態和液態，冰雹的不同形狀導致了不同的的下落末速度-直徑關系，本文中雨滴、冰雹的下落末速度選用前人提出的理論公式來表示，具體見表1，其中為了區分大雨滴和小冰雹(直徑在5～8 mm)，使用雨的下落末速度-直徑關系和冰雹之間的平均值，即冰雹低密度式(2)(Knight and Heymsfield，1983)。根據Niu et al(2010)和Jia et al(2019)的方法對不同粒子的下落末速度進行修正，采用訂正系數為(ρ0/ρ)0.5(ρ為實際空氣密度，ρ0為標準大氣空氣密度)，永定和漳平根據地面自動站該次過程中的平均溫度、氣壓計算得出訂正系數為1.05。

表1 雨滴、冰雹下落末速度-尺度關系

1.2 天氣實況及環流背景

從2020年3月27日08時(北京時，下同)500 hPa高空圖來看(圖略)，西風槽和南支槽東移，龍巖市受南支槽前西南氣流影響，福建省東部T-Td>15℃，龍巖市東南部存在部分干區；925～700 hPa切變東移南壓，龍巖市受切變南側西南氣流影響，有較強的垂直上升速度，西南氣流帶來充沛的水汽，低層比濕為10～12 g·kg-1，濕度條件較好，龍巖市東南部存在部分上干下濕的不穩定層結，為降雹提供有利條件；從地面來看，西路和東路冷空氣逐漸南下影響福建省，高層冷空氣疊加在低層暖濕氣流上，大氣層結處于不穩定狀態，為降雹提供了熱力條件；從08時龍巖站探空曲線圖表明，0℃層高度為4 031 m，-20℃層高度為7 640 m，在春季兩層對應高度較為適宜，有利于冰雹天氣的發生；CAPE值為1 929 J·kg-1，K指數為36℃，對流儲存能量較大，層結不穩定明顯。從風廓線資料分析可見(圖略)，垂直上升速度大值中心與風速大值中心基本重合，17—18時垂直風切變約為2 m·s-1，18—19時龍巖站上空高層風速達22.8 m·s-1，而900 hPa到地面風速在2 m·s-1左右，高低空風速差超過20 m·s-1，達到中至強垂直風切變的標準，激發高低層能量交換，促進對流發展。

15:03—21:00龍巖市中東部出現劇烈的強對流天氣，部分地區出現短時強降水和局地小冰雹，其中永定氣象站于18：05—18：07人工觀測到冰雹，其直徑約為8 mm，持續時間約為2 min，小時雨強大于20 mm·h-1；漳平自動站小時累計雨量超過 30 mm，為短時強降水天氣。

2 雙偏振雷達特征分析

永定區18時左右的降雹過程是受強回波單體移入影響。根據雙偏振雷達組合反射率監測顯示(圖1)，16:47(圖1a)強對流單體位于廣東梅州境內，經過回波分裂增強，回波強度達60 dBz，強中心高度約為5.1 km，云體大于60 dBz的回波強度持續10個體掃。17:37(圖1b)風暴單體移至永定西南邊界，略有減弱，回波強中心為60.5 dBz，高度降至3.9 km，速度圖上開始出現明顯輻合區。17:43(圖1c)強回波單體移入永定峰市鎮，受輻合影響，回波又出現顯著增強至62.5 dBz，強中心高度出現躍增再次發展至7.3 km。17:48(圖1d)強回波進一步發展到成熟階段，強中心達65.0 dBz(高度達7.3 km)。從剖面(圖2a)來看，大于60 dBz的強回波已發展到-20℃高度，且存在旁瓣回波，在入流一側存在有界弱回波區；速度零線對應強回波，在速度入流即強回波前部存在強度為2～4 dB 的ZDR弧，其從地面發展延伸至7～8 km，對應著較強環境風切變(Kumjian and Ryzhkov,2008)；-20～0℃強回波區對應的CC值為0.8～0.96，說明此處已有冰雹粒子存在；從KDP圖中可以看到強度達2～3°·km-1的KDP柱，最高至7～8 km，說明云中已出現大粒子下泄拖曳造成的強下沉氣流。17:59(圖1e)云體風速輻合減弱，強回波單體再次分裂為雙核，西側強回波前沿移至永定城區，強中心達62.5 dBz(圖2b)，其高度下降至4.3 km，對應的ZDR高值區下降，對應的CC的低值區以及KDP柱同樣下降至0℃層，說明此時云內冰雹粒子開始大量下落。18:05(圖1f)雷達回波移至永定站上空(即測站觀測到的降雹期)，云體強度較上一時刻減弱，最強回波減至58 dBz(圖2c)，近地面ZDR增大至4 dB，CC值仍在0.9～0.92，說明此時地面降水粒子為大雨滴和小冰雹混合，與地面觀測相符。隨著降水過程的持續，云體回波整體變松散，風暴減弱消亡(圖1f)。

圖1 2020年3月27日16:47—18:05永定強對流天氣過程組合反射率CR演變(紅色圓圈所示為此次觀測的雷達回波單體)

圖2 2020年3月27日(a)17:48，(b)17:59，(c)18:05永定站強對流單體中心沿徑向剖面的雙偏振雷達回波特征(ZH：水平反射率因子，Vr：徑向速度，ZDR：差分反射率因子，CC：相關系數，KDP：差分相移率；組合反射率CR圖中紅色虛線為相應的剖面位置，五角星為永定站雨滴譜儀位置；下同)

相近時刻，18:27左右漳平本站出現較明顯短時強降水，其回波單體發展與永定站較為相似，同樣由外縣移入經過單體分裂、發展加強，因此選取該片強回波塊與永定降雹單體進行對比。該云系于15:46 在漳州奎洋鎮發展成多單體，向東北方向移動并逐漸加強；17:26西側分裂出強對流單體，移至漳平南部邊界，此時回波強度達60 dBz，強中心高度在1.8 km。強對流云體在移動過程中繼續發展增強，18:11(圖3a)強回波中心超65.0 dBz，最強在0℃層附近，對應的CC值約為0.85，ZDR接近0，此處有冰雹出現。18:16(圖3b)云體繼續加強，回波頂高突破-20℃層，最大回波強度仍大于60 dBz，強中心高度達5.1 km，此時出現明顯的KDP柱，0℃層附近KDP空洞(Kumjian,2013b)對應著50 dBz以上的反射率，且CC值約為0.9，說明此處仍有冰雹存在，但低層KDP較強的區域對應CC值在0.90～0.95且ZDR為2～4 dB，說明地面為強降水，可能有融化小雹或霰粒子(Romine et al，2008；Kumjian,2013a)。18:27(圖3c)回波單體移入漳平本站上空，回波強度仍可達63 dBz，但其高度下降至2.4 km，KDP柱高度降低，近地層KDP增大至5°·km-1，ZDR減小為2～2.5 dB且CC為0.94以上，說明此時地面以強降水為主。

圖3 2020年3月27日(a)18:11,(b)18:16,(c)18:27漳平站強對流單體中心沿徑向剖面的雙偏振雷達回波特征

為更好地分析冰雹等強對流降水云系的雙偏振參數特征，選取2021年5月31日龍巖上杭縣發生的暖切南側西南氣流影響產生的暖區暴雨云系進行對比分析。此次過程中，上杭縣藍溪鎮11—12時的小時雨量達52.8 mm。從08時探空資料表明0℃層高度為5.3 km，-20℃層為9 km。從雷達回波來看，31日09:30前后龍巖西南部有多單體發展，11:02在上杭藍溪鎮西南方向有強回波合并加強發展，并沿東北方向向藍溪鎮靠近(圖4a)，云系最強回波強度為51.5 dBz，強中心最高為5.8 km，KDP柱高度也發展至5.8 km，除了在0℃層附近(CC接近0.95且ZDR為1～2.5 dB)有明顯的融化層亮帶特征外，其余高度CC>0.98，無冰雹特征；11:13—11:35 回波塊移入藍溪鎮上空維持(圖4b)，最強回波強度為54 dBz，其高度達5.4 km，KDP柱發展高度為5.5 km，此時高空仍無冰雹特征。與永定站冰雹云、漳平短時強降水個例對比可見，暖區降水云系強回波主體大部分位于0℃以下，強回波、ZDR大值區、KDP柱發展高度相較前兩個強對流云系低，偏向暖云降水機制主導；而永定站和漳平站的強對流降水則更多包含了冰相降水過程。

圖4 2021年5月31日(a)11:02,(b)11:13藍溪鎮暖區降水云中心沿徑向剖面的雙偏振雷達回波特征

3 強對流雨滴譜特征分析

3.1 微物理參數的演變

從降水粒子數濃度、最大直徑和降水雨強隨時間的變化可見(圖5a)，永定站雨滴譜儀記錄的最大冰雹直徑為7.5 mm，這與人工觀測的直徑8 mm基本一致。17:43—17:54受強回波單體前側弱回波影響，地面出現了零星弱降水，此時雨滴尺度小、數濃度低。17:54—18:02為強回波單體前部降水，雨滴直徑顯著增大，但數濃度增長較緩慢(93～204 個·m-3)，說明強回波前部降水以數量少的大滴為主。隨著云體主體回波進入永定站上空，18:03個別降水粒子直徑達到7.5 mm，平均直徑為1.187 mm，含水量及雨強也達到第一個小峰值，數濃度開始增大。18:04粒子最大直徑減小至5 mm，平均直徑減小至0.937 mm，含水量略有減小，數濃度才出現第一個峰值，此時降水以高濃度的雨滴組成。18:05—18:07 地面降水粒子最大直徑及平均直徑均再次達到峰值，分別為7.5 mm、1.375 mm，含水量也達到峰值56.64 g·m-3，同時數濃度又出現降低，此時人工觀測到冰雹。18:08以后粒子最大直徑及平均直徑均減小，同時數濃度再次增大到第二峰值。隨著強回波單體移出，降水粒子數濃度快速減小，粒子尺度逐步減小。同時段漳平站降水的雨滴譜參量演變與永定站類似(圖5b)，18:05對流單體前側弱回波區，雨滴尺度小、數濃度低。18:20—18:25單體前部出現5.5 mm的大雨滴，含水量較小、數濃度較低。18:27—18:30回波強中心移入后，降水粒子最大直徑、含水量和雨強均達到最大，與永定降雹不同的是粒子平均直徑減小，而雨滴數濃度同時也達最大。18:32隨著強回波單體移出，降水粒子也是直徑逐漸減小，含水量降低，數濃度迅速下降。

圖5 2020年3月27日(a)永定站17:43—18:20和(b)漳平站18:24—18:44降水粒子參數(數濃度NT、雨強R、含水量LWC、最大直徑Dmax、平均直徑Dave)隨時間的變化

3.2 降水粒子譜的特征對比

由于永定站降水包含液相和冰相粒子，漳平站通過雙偏振雷達分析判斷為液相降水，因此分析了永定和漳平兩站降水期間的降水粒子速度-尺度譜分布來研究兩站降水粒子的相態(圖6)，圖中雨滴線、低密度雹1線、低密度雹2線、高密度雹線為根據表1公式計算所得。永定站受云體前側影響時(圖6a)，雨滴下落末速度和尺度的離散度不大，均勻分布在理論雨滴線兩側，整體數濃度較?。皇軓娀夭ㄖ黧w影響時，雨滴下落末速度和尺度的離散度加大(圖6b)，有樣本出現在低密度雹1線上，根據Friedrich et al(2013)結論認為低密度雹2線和高密度雹線在粒子直徑5～8 mm仍以大雨滴為主，因此此時地面觀測到的冰雹可判斷為低密度冰雹；降雹后(圖6c)，強回波主體后部降水粒子又均勻分布在理論雨滴線兩側，基本為液相，而數濃度則較之前顯著增加。漳平站的降水粒子下落末速度-尺度圖(圖6d)與永定冰雹云后部降水(圖6c)近乎類似，判斷其為以雨滴為主的降水，與雙偏振雷達分析結論一致。

圖6 2020年3月27日(a,b,c)永定站(a)17:43—18:02，(b)18:03—18:08，(c)18:09—18:20，和(d)漳平站18:24—18:40的降水粒子速度-尺度圖(填色為單位尺度間隔下單位體積雨滴數，單位：個·m-3·mm-1)

從永定站地面降水粒子尺度譜的時間變化情況來看，17:55—18:00(圖7a，7b，7c)強回波前部雨滴譜迅速變寬，譜型從單峰向雙峰、多峰演變，此時62.5 dBz強中心高度為4.3 km，對應的ZDR高值區以及KDP柱均下降至0℃層，可見此時云內冰雹粒子開始下落。18:02—18:03(圖7d，7e)小雨滴數目呈數量級增長，大雨滴數目有所增長，最大直徑達7.5 mm，18:03(圖7e)的粒子速度-尺度譜中已有個別粒子分布在低密度雹1線上(圖略)，此刻已有小冰雹夾雜在大雨滴中，但由于數量較少，未被觀測到。18:04(圖7f)粒子尺度譜寬變窄，大滴數減少且未有冰雹出現，小雨滴數目進一步增長達到最大值1 469.8 m-3，此刻碰并破碎機制產生大量的小雨滴。18:05—18:07為明顯的雨夾雹階段，小雨滴數目有所下降(圖7g，7h，7i)，譜寬增大至7.5 mm，落在低密度雹1線附近的粒子數較18:03多(圖略)，最強回波為58 dBz、ZDR及KDP最大值區均下降至0℃層以下，說明降雹發生，因此能被地面人工觀測到。18:08 后以降水為主，粒子尺度譜譜寬逐漸收窄，呈現由雙峰向單峰結構演變，小粒子數濃度減少幅度較為顯著(圖7j)。

圖7 2020年3月27日17:55—18:13永定站雨滴譜演變

漳平站當18:24—18:28強回波靠近時，ZH>55 dBz強中心高度為3.9 km，對應KDP柱及ZDR柱在4.1 km左右，可見粒子下落、以降水為主，云體前部雨滴譜與永定站一樣也是呈現雙峰結構，但小雨滴的數濃度明顯較永定少，第二峰與第一峰強度相當(圖8a，8b)。隨著主體回波影響，18:29—18:31最強降水期，強回波高度降低至3.1 km，KDP柱及ZDR柱高度也降低，雨滴譜迅速增寬至5.5 mm，小滴端數濃度較之前呈量級增長，但滴譜反而呈單峰分布(圖8c，8d)。隨著回波移出減弱，雨滴譜譜寬變窄，雨滴數濃度減小(圖8e，8f)，與永定類似，小粒子數濃度減少幅度較為顯著。

圖8 2020年3月27日18:25—18:37漳平站雨滴譜演變

綜合永定和漳平兩站的滴譜瞬時變化來看，在強對流云體前部雨滴譜增寬都是大滴端先增加，出現明顯的雙峰或多峰結構，隨著云體強中心的靠近才使小滴端數濃度呈量級增多，這與強對流云體前部垂直環境風切變較強導致大、小雨滴下落軌跡及落區出現顯著分離，與ZDR弧結構(Kumjian and Ryzhkov,2008;Jung et al,2010；Dawson Ⅱ et al,2014;2015)類似，即云體前部為濃度不高大雨滴構成，靠近強中心則出現高濃度的小雨滴。在降雹或強降水階段，雨滴譜呈現單峰或幅度較之前弱的雙峰結構，根據0℃層至地面的雙偏振參量CC值在0.95左右可判斷此時的大滴多為小冰雹或霰融化造成(圖2c，圖3c)；在降雹后，降水粒子譜先呈現雙峰結構，該部位對應的CC值接近0.99，因此可判斷雙峰結構主要由雨滴的碰并造成；隨著云體的移出滴譜逐漸譜寬收窄，呈現由雙峰減弱向單峰結構演變，小粒子數濃度呈量級減少。

4 結 論

2020年3月27日在槽前西南氣流影響的背景下，龍巖東南部出現強對流天氣過程，本文基于雙偏振雷達和地面降水粒子譜對在永定站有觀測到冰雹的云體以及同時發生在漳平只觀測到短時強降水的云體進行分析，主要有以下結論：

(1)永定的降雹單體在降雹前出現回波高度躍增，存在有界弱回波區，在云體移動方向前部出現了強度為2～4 dB的ZDR弧，內部出現了發展高度較高的KDP柱，最高至7～8 km；而漳平的強對流云體也可觀測到KDP柱，但發展高度較低，空中出現了冰雹但在下落過程中融化，地面以大雨滴強降水為主。

(2)在強對流云體前部雨滴譜增寬呈現雙峰或多峰結構，此時大滴端先增加，隨著云體強中心的靠近才是小滴端(D≤1 mm)數濃度呈量級增多，這與云體前部強環境垂直風切導致的大、小雨滴降落軌跡分離有關。

(3)在降雹或強降水階段，永定站觀測到的冰雹為低密度冰雹，滴譜呈現幅度較弱的雙峰結構，漳平站則是呈現單峰結構，此時兩站的大滴(D>3 mm)多為小冰雹融化造成。

(4)在降雹后降水粒子譜的雙峰結構主要由雨滴的碰并造成，云體后部降水的滴譜譜寬收窄伴隨著小粒子數濃度呈量級減少。