2023年滇東北一次強風暴過程雙偏振雷達觀測分析

袁興洪 李宇航 馬紅

摘要 此次過程主要由500 hPa短波槽和700 hPa切變線共同影響造成，經訂正后的CAPE值較大，伴隨前期高溫晴熱天氣，具備能量、動力、水汽條件，0 ℃層和 -20 ℃層高度適宜冰雹的發展。從風暴發展的強度ZH、速度V、雙偏振參量ZDR、KDP、CC分析了強風暴發展過程的水平和垂直參數。

關鍵詞 雷達；強風暴；冰雹；雙偏振

中圖分類號：P412.25 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）12–0-03

Observation and Analysis of A Strong Storm Process in Northeast Yunnan in 2023 by Dual Polarization Radar

Yuan Xing-hong et al（Zhaotong Mete-

orological Bureau， Zhaotong， Yunnan 657000）

Abstract This process is mainly caused by the combined influence of 500 hPa shortwave trough and 700 hPa shear line. After correction， the CAPE value is relatively high， accompanied by high temperature and sunny weather in the early stage， with energy， power， and water vapor conditions. The 0 ℃ and -20 ℃ layers are suitable for the development of hail. The horizontal and vertical parameters of the development process of strong storms were analyzed from the intensity ZH， velocity v， polarization parameters ZDR， KDP， and R2 of storm development.

Key words Radar; Strong storm; Hail; Bipolarization

冰雹災害是一種季節性明顯、局地性強、突發性強、持續時間短和具有明顯陣性特征的氣象災害，是云南省重要的災害性天氣之一。昭通位于云南省東北部，是四川盆地向云貴高原過渡地帶，境內多山地，地形地貌復雜，海拔差異大，每年都會發生冰雹災害，不僅會給昭通蘋果、烤煙、花椒等農業及高原特色產業都帶來了重大損失，還會威脅糧食安全。

昭通新一代天氣雷達具有雙偏振功能的多普勒雷達，可以探測到水平偏振反射率因子ZH、差分反射率因子ZDR、差分相位常數KDP、相關系數R2等與降水粒子類型、形狀和分布等要素密切相關的參數，得到降水粒子微物理結構的信息，可以用來識別混合區內降水粒子的相態，使得相關部門了解降水的本質。

1 實況和災情

2023年4月17日18：00開始，受高空槽和低層強輻合天氣系統影響，昭通市威信、鎮雄、大關、彝良、永善局部區域出現短時強降水、冰雹、大風、雷暴等強對流天氣，其中威信、鎮雄出現大冰雹（冰雹直徑5 cm以上），形成嚴重雹災。從衛星云圖、雷達回波圖、地面自動站點和災情信息收集情況，冰雹天氣嚴重區域主要集中在威信縣長安等6個鄉鎮，鎮雄縣雨河等10鄉鎮，冰雹直徑以1～4 cm為主，最大直徑5 cm以上。冰雹災害造成的直接經濟損失為1.74億元，其中受災最嚴重的鎮雄縣損失超過1.2億元。

2 天氣形勢和物理條件分析

2.1 天氣形勢

通過分析常規觀測資料，發現本次強對流風暴天氣主要是由于500 hPa短波槽和700 hPa切變線共同影響造成。2023年4月17日08：00，500 hPa上（圖略）青藏高原東部有一短波槽快速東移到四川盆地南部到滇東北一帶；700 hPa上川滇切變線加強南移，切變南側西南急流風速達到22 m/s，有利于孟灣水汽向北輸送，且形成較強的低層輻合抬升條件。槽前系統性上升運動配合較好的水汽條件，為強對流天氣的發生提供了有利的動力條件和水汽條件。昭通前期持續維持高溫晴熱天氣，地面為熱低壓控制，為對流發生提供了有力的能量條件，對流發展區基本位于低壓中心附近。

2.2 物理條件分析

分析與強對流發展區臨近的四川宜賓和貴州威寧探空資料，發現4月17日08：00宜賓探空站CAPE=50.2 J，用14：00氣溫訂正后為1 670 J；威寧探空站CAPE=0 J，用14：00氣溫訂正后為2 248 J。說明過程發生前，該地區積累了充足的不穩定能量。0 ℃層和-20 ℃層高度分別是云中冷、暖云分界線高度和大水滴的自然冰化區，是表示雹云特征的2個參數[1]。

當日宜賓探空站08：00，0 ℃高度為4 894.0 m，融化層（WBZ）高度為4 155.4 m，-20 ℃高度為7 781.0 m；威寧探空站08：00，0 ℃高度為4 997.0 m，融化層（WBZ）高度為4 436.9 m，-20 ℃高度為7 582.0 m。0 ℃層、-20 ℃層高度基本都在600 hPa和400 hPa附近，融化層高度較低，比較適宜冰雹的形成。2個探空站都有低層風隨高度順轉的暖平流特征，有利于上冷下暖不穩定層結生成和強對流天氣的發生發展。

3 風暴特征演變及其結構分析

3.1 水平反射率特征分析

本次降雹地區處于山區地帶，海拔相對較低，平均海拔為1 300 m左右，且降雹回波離昭通雷達大多100 km以外。昭通雷達海拔較高，雷達饋源海拔為3 162 m，只能觀測到云層高度4.5 km以上的雷達回波參數，該高度在0 ℃層以下融化層之上，對低層觀測存在一定盲區。

此次強對流風暴由多單體風暴組成（圖略），時間維持較長，系統基本以51 km/h速度自西北向東偏南方向移動，移動過程中不斷生消變化。20：09，風暴單體回波發展成熟（圖1a），處于降雹階段，雷達回波（CR）達到64 dBz，回波頂高度超過了15 km，60 dB回波強度達到11.5 km，同時雷達回波垂直剖面表現出回波墻、強回波懸、低層弱回波區等特征。20：37，強風暴單體發生分裂，分裂成南、北2個相對獨立的單體風暴，南邊單體風暴繼續向鎮雄境內移動，北邊單體風暴向東北威信方向移動；21：00，北邊風暴單體再次發生分裂，分裂成東、西2個相對獨立的強單體風暴，分裂后的強單體風暴移動過程中觸發強度和大小不一的對流單體；22：14，雷達回波強度和高度減弱，強風暴處于消亡階段。

3.2 強風暴徑向速度特征分析

強風暴雷達回波處于初生、躍增、醞釀階段，中低層速度圖上均出現正負速度對輻合特征（圖略）。20：09，強風暴單體A雷達回波處于成熟降雹階段，0.5°仰角速度圖上出現強的輻合特征（圖1b），最大正速度為19.5 m/s，最大負速度為-10 m/s，輻合速度為29.5 m/s；1.5°仰角速度圖上在風暴運動的前方出現氣旋性輻合（圖1c），最大正速度為40 m/s，最大負速度為-12 m/s，旋轉速度為26 m/s，達到了強中氣旋標準[2]，此時速度剖面圖上中低層出現輻合；6.0°仰角速度圖上高層出現輻散特征（圖1d），中氣旋的出現表明強雷暴達到成熟且有進一步發展的趨勢。

3.3 強風暴雙偏振特征分析

3.3.1 水平方向雙偏振特征分析 ZDR值與粒子形狀密切相關，CC值與降水粒子相態均一性相關，KDP和液態水含量關系密切[3-4]。

20：09，強風暴成熟降雹階段，0.5°仰角ZH＞45 dBz強回波區域ZDR值在-0.06～6 dB之間，此仰角ZH≥60 dBz強回波中心區域ZDR值大部分＜1 dB，在強回波后方及移動方向ZDR值較大，大部分＞2 dB，存在大雨滴及融化的小冰雹，同時在強回波中心雷達徑向遠端存在ZDR低值區，ZDR值存在衰減，表明強回波內存在大直徑的冰雹或強的降水區。

在強單體中心CC值為0.80～0.97，低層ZH≥50 dBz強回波區域大部分CC＜0.97，也存在＜0.9的區域，表明可能存在直徑＞2 cm的大冰雹，同時也含有直徑＜2 cm的小冰雹或融化的冰雹等粒子。強風暴中心反射率因子ZH大值區與KDP大值區基本吻合，KDP大部分為0～8.3°km-1，KDP大值區主要位于低層強回波中心雷達徑向遠端。結合ZH和ZDR分析，低層雷達反射率因子ZH≥60 dBz，大值區KDP值存在部分為0值區域，ZDR值較小，可能存在干冰雹，但低層反射率因子大值區徑向后側含水量較豐富，存在冰雹融化及大雨滴，此時地面有發生降干冰雹、雨夾雹或短時強降水的可能，其余地方KDP值為零，液態含水量較低。

3.3.2 強風暴垂直方向雙偏振特征分析 強風暴垂直方向特征，在風暴發展的各個階段均能發現ZDR柱和KDP柱，為風暴中最為常見的偏振特征之一。ZDR柱內存在非常大的雨滴，并常位于主上升氣流附近[5]。KDP柱通常位于ZDR柱的西側或西北側，常位于上升氣流左側[6]，與強回波中心反射率因子ZH大值區對應較好。

分析20：09強風暴單體成熟降雹階段垂直方向特征，發現該階段回波頂高度超過15 km，出現高懸的強回波，55 dBz強回波高度超過12 km，遠高于當天探空上-20 ℃等溫線高度，垂直剖面上最強回波頂偏左一點有旁瓣產生稱為假尖頂的虛假回波（圖2a、圖2b、2d），表明回波中有大的降水粒子存在，此時強風暴發展旺盛。

反射率因子垂直剖面上出現強回波懸垂、回波墻、低層弱回波區等特征（圖2a），速度圖上出現了中低層輻合，高層輻散特征（圖2b），ZDR垂直剖面上出現高于融化層的ZDR柱（圖2c），＞1 dB值的ZDR柱高度超過7 km，ZDR柱與反射率因子ZH低層弱回波區對應（圖4），這表明ZDR柱所在地區為上升氣流區域；KDP垂直剖面上出現高于融化層的KDP柱（圖2d），KDP柱出現在ZDR柱左邊，與反射率因子ZH低層大值區對應較好，為下沉氣流區域；CC值垂直剖面上出現了高于融化層＜0.9的區域（圖略），強風暴中含有各種降水粒子，此區域為未凍結的過冷水滴、濕雪、冰雹等粒子相態。

粒子相態識別（HCL）上，低層為冰雹、大雨滴等降水粒子，低層以上為冰雹、霰、干雪等粒子相態，地面降水可能存在干冰雹和＞2 cm的大冰雹，以融化的小冰雹和大雨滴為主，相態識別與地面降水相態一致。

4 強風暴回波強度、高度及垂直液態水含量分析

該強單體回波發展過程中經歷了2次分解和1次合并，從19：58發展增強到22：14，降雹基本結束持續時間約2 h 20 min。從強風暴回波頂高、組合反射率（CR）及垂直液態水含量（VIL）隨時間變化分析，回波頂高度從20：03開始到21：00處于上升階段。以上參數反映出該強風暴具有發展旺盛、持續時間長、影響范圍廣等特征。

5 結論

（1）本次強風暴天氣過程由500 hPa短波槽和700 hPa切變線共同影響造成，具備有利的動力條件和水汽條件。經14：00氣溫訂正后CAPE值較大，低層風隨高度順轉暖平流特征，有利于形成上冷下暖不穩定層結，0 ℃層和-20 ℃層高度適中，有利于冰雹的形成。

（2）本次強風暴天氣過程由多單體風暴組成，強風暴回波頂高度超過了15 km，55 dBz強回波高懸的強回波頂高度超過12 km，ZH垂直剖面上出現了回波墻、強回波懸垂、低層弱回波區、旁瓣假尖頂回波等特征，速度圖上達到中等強度中氣旋的標準，伴有低層輻合、高層輻散特征，風暴發展旺盛，達到了強風暴發展標準。

（3）雙偏振水平方向上，強風暴強回波后端出現了明顯的ZDR衰減，同時該階段低層KDP值達到了2o～8o km-1，為大雨滴和融化的冰雹。低層反射率因子ZH≥60 dBz，大值區部分地方出現ZDR＜1 dB、KDP=0，CC＜0.97，此區域對應較大的干冰雹區域。

（4）強風暴躍增到降雹階段出現了ZDR柱和KDP柱，ZDR柱對應風暴的強上升氣流區，與風暴反射率因子ZH低層弱回波區與速度輻合區對應較好，KDP柱在ZDR柱的左側，與低層反射率因子ZH大值區相對應，一般為短時降水區域。降水粒子識別（HCL）上與風暴降雹階段分析結論基本一致。

（5）從強風暴雷達回波發展高度（TOP），組合反射率強度（CR），垂直液態水含量（VIL）分析，從降雹開始到結束3個值均維持在高位，回波發展旺盛，高度高、強度強。

參考文獻

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