2022 年春季滇東北2 次冰雹過程的雙偏振雷達特征對比分析

余加貴，馬 紅，馬勛豪

云南省昭通市氣象局，云南昭通 657000

強對流天氣是造成氣象災害的主要天氣類型之一，冰雹是對流云中的一種固態降水物，它是一種嚴重的自然災害，是我國分布最廣的一種對流災害天氣。天氣雷達是天氣探測和預報的重要技術裝備。

目前，雙偏振多普勒天氣雷達的探測技術屬于國際前沿水平，除可獲取降水系統水平偏振方向上的回波強度(ZH)、徑向速度(v)、速度譜寬(SW)外，還可以探測差分反射率因子(ZDR)、差分相移常數(KDP)、相關系數(CC)等獨立參量，提高了強對流天氣的探測能力。

梁俊平等[1]的研究表明，強的垂直風切變位于對流層中下層，配合一定的動力抬升條件，有利于超級單體和颮線的發生發展。周圍等[2]的研究表明，位勢散度是引起位勢穩定度局地變化的主要強迫項。盛杰等[3]的研究表明，低層明顯偏暖偏濕、中層偏干，有利于極端對流天氣發生。楊芳園等[4]對一次云南颮線的研究表明，高低空急流耦合和高空動量下傳造成了雷暴大風天氣。賀曉露[5]等的研究表明，在超級單體發展過程中，風暴頂高度、最大水平反射率因子高度和垂直累積液態含水量等風暴參數均呈先升后降趨勢。張紅梅[6]等的研究表明，差分相移常數(KDP)是指示強降水的最典型指標，KDP和強降水對應較好,大范圍的KDP指示了強降水的影響時間和降雨強度。鐘晨[7]等的研究表明，相比常規多普勒雷達、雙偏振多普勒天氣雷達的差分反射率因子、傳播常數、自相關系數可以直接有效在降雹前對云中的雹區進行判斷。

1 天氣背景

通過MICAPS常規資料分析，發現2次持續性的強對流天氣發生，主要是由于500 hPa青藏高原東部短波槽不斷快速東移經過云南北部，700 hPa上，川滇切變線加強南移，切變南側西南急流風速達到20 m/s，有利于孟灣水汽向北輸送。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，對流發展區基本上位于低壓中心附近。15日14:00開始昭通中部形成明顯的地面輻合線，對強對流天氣具有觸發作用。地面輻合線一直維持至20:00之后，為強對流天氣的發生提供了有利的動力抬升條件，有利于對流單體的形成和長時間維持。

從3月14日08:00宜賓探空站的探空資料T-logP圖可以看出(圖略)，濕層位于850～700 hPa，中低層濕度較好，垂直風切變達12 m/s,CAPE=303 J(訂正后為3 218 J)，K=38 ℃，SI=-3.4 ℃，0℃層高度位于4 404 m，-20 ℃層高度位于7 468 m。從3月15日20:00威寧探空站探空資料T-logP圖可以看出，濕層位于600～500 hPa，中層濕度較好，CAPE=755 J，K=40 ℃，SI=-4.2 ℃，0 ℃層高度位于4 498 m，-20 ℃層高度位于7 539 m。探空曲線圖呈鋸齒狀，中層干包逆溫明顯，說明中層有較強的干冷空氣卷入。垂直風切變從08:00的12 m/s增加至20 m/s，強垂直風切變有利于強對流天氣的發生發展。

對比分析發現，3月14日的水汽條件更好，造成的短時強降水面積更大。2次過程都有上干冷下暖濕的結構，但3月15日上層更干，干空氣夾卷更嚴重，有利于0 ℃層和-20 ℃層降低，更有利于大冰雹的生成。從實況分析，3月15日冰雹直徑更大，強度更強。

2 雷達回波特征分析

從3月14日基本反射率因子看(圖1a和圖1b)，造成強對流天氣的為自北向南移動的颮線。13:00川西高原有對流回波東移進入昭通北部，回波處于發展期。14:00回波繼續加強南移，15:00回波處于強盛期，回波呈帶狀，結構緊密，帶狀回波長約100 km，寬約20 km，帶上分布著多個強度大于60 dBz的點狀強回波，直接產生冰雹天氣。回波單體強度最強達到65 dBz以上，回波頂高達到9.9 km，45 dBz以上反射率因子高度達到7.6 km。

徑向速度圖上(圖1c和d)為大片負速度區，帶狀強回波后側有20 m/s以上的后方入流速度中心，是造成大范圍地面大風的主要原因。地面觀測到14日15:00～18:00颮線經過的區域均出現大范圍大風天氣，最大風速達到24.3 m/s(昭陽樂居16:00)。颮線移動速度較快，約為35 km/h，生命史約為4 h。18:00之后回波在東南移過程中開始減弱。颮線源地為川西高原，回波自西北向東南方移動。

從3月15日雷達基本反射率因子分析，雷達探測發現先后出現2個超級單體風暴：第一個超級單體生成于16:30，發源地在鎮雄南部，為本地生成，本地發展為超級單體，之后回波自西向東移動進入貴州畢節，最后減弱消失，移速約為25 km/h，生命史約3 h。第二個超級單體為生成于21:30，也是本地生成，本地發展為超級單體，位置與第一個超級單體接近，源地在鎮雄以南威寧，回波自西南向東北方向移動，移速較慢，約為20 km/h，生命史約為2.5 h。第一個超級單體強于第二個超級單體，兩者生成時間相差約5 h。

3月15日昭通雷達探測到的2個超級單體均呈現鉤狀回波特征，均產生了較強冰雹天氣。鉤狀回波出現在4～8 km高度范圍內，表現為孤立的單體，水平尺度約為60 km,45 dBz以上強回波尺度約為40 km。基本反射率因子垂直剖面圖上2個超級單體均出現了回波墻、弱回波區(BWER)和前懸回波等超級單體風暴特征，隨高度增加風暴向移動方向前方傾斜，回波頂移過低層反射率因子高梯度區而位于有界弱回波區之上。

徑向速度場上2個超級單體均以偏西氣流為主，偏西氣流中出現了逆風區，第一個超級單體逆風區面積比第二個超級單體逆風區面積大。逆風區有利于單體的發展與維持。對應鉤狀回波出現的位置，相應的徑向速度垂直剖面圖場上2個超級單體均出現旋轉速度約為20 m/s的中氣旋。從中氣旋的垂直結構分析，第一個超級單體中氣旋垂直延伸厚度為3.6～11.6 km，表現為從中間向上下延伸，在6～8 km高度范圍內旋轉最強。第二個超級單體中氣旋垂直延伸厚度為4～8 km，相比之下，第一個超級單體中氣旋更加深厚。

3 雙偏振雷達產品分析

3.1 差分反射率因子

差分反射率因子(ZDR)是水平偏振的反射率因子和垂直偏振反射率因子之比，其比值的大小與降水粒子大小和形狀的扁平程度密切相關，能反映粒子的尺寸和橫縱軸之比。從差分反射率因子和垂直剖面圖(圖略)可以看出，對應最強回波部分的ZDR值3月14日14:25 在0.8～2.5 dB 之 間，3 月15 日16:48在0.8～3.5 dB之間，21:33在1～3 dB之間。

冰雹在下落過程中翻滾和形狀不規則，認為其是各向同性的，導致冰雹云具有較小的ZDR值，這3個時段ZDR值的跨度大，說明冰雹中夾雜著水滴。俞小鼎、王秀明等老師在雷達與強對流臨近預報中，對雙偏振C波段雷達ZDR的研究，C波段雷達ZDR值在0～8 dB之間的濕冰雹，直徑小于1.0 cm，與實際情況符合。

3.2 差分相位常數

差分相位常數(KDP)是指水平偏振和垂直偏振脈沖沿著某一段傳播路徑的位相差與路徑長度之比。這個產品對冰雹和波束阻擋不敏感，通常用于強降水估測、冰雹識別、降水類型識別等。KDP值的差異主要歸因于各向異性粒子組成的差異，因此液態降水是影響KDP的主要因素，KDP值越大，表明液態含水量越豐富。

從差分相位常數KDP和垂直剖面圖(圖略)分析發現，對應最強回波部分的KDP值3月14日14:25在0.22～3.10°/km之間，3月15日16:48KDP值為-0.20～2.60°/km，21:33KDP值為-0.25～2.10°/km。說明這3個時段水汽含量高。

3.3 相關系數

相關系數(CC)與取樣體積中降水粒子的均質性密切相關，均質性越好，相關系數越大。如果取樣體積內只包含雪或雨，則相關系數接近1；如果取樣體積內既包含雨滴又包含冰雹，則相關系數會明顯降低，對S波段雷達來說常常不到0.95(對C波段雷達雨滴和冰雹混合后會導致更低的相關系數)。相關系數主要應用于區分非氣象回波、相態識別、冰雹識別。一般來說，冰雹產生的CC信號小于液態水的CC值，但在冰水混合區，其CC值一般都比較小。

從相關系數和垂直剖面圖分析，3月14日14:25冰雹云的CC值在0.85～0.98之間,3月15日16:48的CC值在0.88～0.98之間，21:33的CC值在0.86～0.97之間。這3個時段值CC的跨度較大，說明是混合水凝物，降雹同時帶有降雨。

4 結束語

(1)各種探測資料綜合來看，探空資料能最早發現強對流發生區大氣不穩定情況，能更早反映冰雹發生的大尺度天氣背景，天氣雷達能較早追蹤強對流發生的源地和路徑，細致、準確地定位冰雹的發生、發展和落區。故探空資料和天氣雷達等多資料的結合應用對冰雹災害天氣的預報預警具有重要作用。

(2)春季連續2 d發生強對流天氣，兩者處于相似的天氣背景下。500 hPa短波槽和700 hPa西南急流為強對流天氣的發生提供了有利的動力條件和水汽條件。強盛的暖平流有利于上冷下暖不穩定層結生成。

(3)2次冰雹過程一次屬于颮線，帶狀強回波后側入流急流是造成大范圍地面大風的主要原因。另一次冰雹過程為2個超級單體風暴，均出現了鉤狀回波和中氣旋、逆風區、回波墻、弱回波區、前懸回波等特征。超級單體回波強度和對流發展高度都高于颮線，因而超級單體冰雹災害強度較大，颮線造成的大風災害較重。

(4)颮線移速較快，約為35 km/h，生命史均為4 h。超級單體移速較慢，為20～25 km/h，生命史一般為2～3 h。颮線影響范圍更大，造成的災害性天氣范圍也更大。

(5)2次冰雹過程均出現了大面積ZDR值，接近0，冰雹在下落過程中ZDR在3 dB附近，KDP值跨度大，最大達3.1°/km，CC值均在0.88～0.98的范圍內，滿足濕冰雹形成的條件，降雹同時伴隨著降雨，也與實際出現的降雹降水區域吻合。