攀枝花一次多單體冰雹天氣的雙偏振雷達特征分析

摘要 運用EC ERA5 0.25°×0.25°逐小時再分析資料、常規探空資料、地面觀測資料和攀枝花市X波段雙偏振多普勒天氣雷達資料，分析了2021年7月12日攀枝花市一次多單體冰雹、大風災害性天氣過程的天氣學背景和雙偏振雷達回波特征。結果表明：雙偏振參量對識別降水相態有較好的指示性，強回波區對應趨于零的差分反射率因子、較小的差分傳播相移率和相關系數時，對冰雹的識別和預報具有重要的參考價值。

關鍵詞 X波段雙偏振雷達；冰雹；回波特征

中圖分類號：P458.1+21.2 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）03–0135-03

冰雹天氣局地性強，來勢兇猛、持續時間短，多發于內陸山地地區，常造成較大的經濟損失。雙偏振多普勒天氣雷達能夠發射和接收水平和垂直偏振2種電磁波，除獲取常規雷達參量外，還能得到如ZDR、ΦDP、KDP等偏振參量，能更精確地探測非球形降水粒子群，了解氣象目標物內降水粒子的相態、大小和空間分布等，提高測雨精度和識別冰雹的準確率，能夠在一定程度上彌補天氣動力學預報中的不足，尤其是在短臨監測預警中，可以為預報員提供十分重要的參考依據，對人工消雹作業等也具有重要的指示意義。2021年7月12日20：00左右，攀枝花市米易縣普威鎮、白馬鎮、得石鎮一帶出現了強對流天氣，局地伴隨有大風和冰雹，部分村組不同程度遭受風雹災害，導致玉米、烤煙等農作物大面積受損，造成直接經濟損失達50.4萬元。運用EC ERA5 0.25°×0.25°逐小時再分析資料、常規探空資料、攀枝花保安營X波段雙偏振雷達資料，分析了此次多單體冰雹、大風災害性天氣過程的天氣學背景和雙偏振雷達回波特征。

1 天氣形勢分析

1.1 環流背景及環境場分析

2021年7月12日08：00，500 hPa有低槽南下影響攀西地區，槽后為冷平流，700 hPa本地持續為西南氣流的控制，有暖平流的輸送，其中西昌站風速達到12 m/s，比濕為11 k/kg，有利于暖濕氣流的輸送和不穩定能量的積累。7月12日20：00，西昌站探空圖顯示，中低層較干，僅700 hPa附近存在淺薄濕層，0～6 km垂直風切變僅為3 m/s，且整層環境風均較弱；CAPE值達1 491.5 J/kg，SI為-2.16，有一定的對流不穩定潛勢，且對流抑制能量較小，僅為28.4 J/kg；0 ℃

層高度5 679 m，-20 ℃層高度8 783 m，由于對流層中層存在明顯干層，在0 ℃層以下，蒸發冷卻作用對冰雹有再凍結的作用；抬升凝結高度3 038 m，自由對流高度3 221 m，而普威平均海拔高度在2 000 m左右，相對較低的自由對流高度，抬升凝結高度有利于氣層抬升達到飽和對流的觸發。該地地面處于均壓區內，地面氣溫在22～25 ℃，12日19：00～20：00，米易境內地面存在輻合線，有利于觸發對流產生，進而導致不穩定能量的釋放。

1.2 物理量場

從7月12日普威上空時序圖可看出，12日白天整層基本為下沉運動，僅在傍晚前后中低層存在上升運動；但20：00左右，垂直方向上風向切變較明顯，且存在一定上干下濕的不穩定層結（圖1）。700 hPa水汽通量散度顯示，12日全天該地大部水汽通量散度都為正值，僅在19：00、20：00在米易縣和鹽邊縣的北部出現了負的水汽通量散度，即有水汽在這一區域的輻合，輻合中心最大值為-6×10-7 g·s·cm-2·hPa-1，水汽的輻合抬升有利于對流的發生發展（圖2）。

2 雷達回波特征分析

2.1 常規雷達參量

產生此次冰雹過程的風暴是從涼山州南下并發展的線狀多單體風暴，向東南偏南方向移動并在19：20后開始影響當地。19：14的回波顯示：在白坡附近的風暴后側已有明顯的“V”形缺口出現，表明其已發展十分強盛。19：33普威北部已形成一個較強的對流單體，其前側又有新的對流開始生成，強回波質心較高，19：38該對流中心強度最大值達到65 dBz，超過50 dBz的強回波伸展至8 km以上，強回波自南向北傾斜，高層有強回波中心位于低層弱回波區之上，反射率因子質心明顯下降；風暴A0中存在三維相關切變，未達到中氣旋強度，但在9.9°仰角徑向速度圖中可以看到有明顯風暴頂輻散，表明風暴中存在強烈的輻合和上升運動[1]。19：42該單體西南側又有3個新的對流觸發、發展，至19：57時間段內，回波持續增強，并向東南緩慢移動，19：57強中心值達到最大為65 dBz，此后略有減弱，對流單體位置穩定少動，位于普威、白馬一帶。同一時刻的反射率因子剖面顯示，高層有懸垂回波的存在，相應3個對流單體超過50 dBz的回波高度已擴展至8 km以上，接近﹣20 ℃層，表明對流發展已十分旺盛，強回波伸展的高度也有利于冰雹的生成[2]。19：57普威東南部的A、B兩個對流單體合并，在兩個體掃內強回波質心已明顯降低，強回波中心最大值為65 dBz。20：01后回波開始逐漸減弱并繼續向東南方向移動，20：01剖面顯示強回波中心已經接地。

從VIL看，在19：30前，白坡附近風暴中VIL出現明顯躍增，最強超過45 kg/m2，19：33～19：38的VIL最大值也已經超過35 kg/m2，并在隨后的兩個體掃內迅速減小。19：47～19：57，3個新生的單體都有VIL迅速增大，19：57單體B的VIL最大值已經達到40 kg/m2，表明云體中含有大量水汽，很可能出現較強的降水或降雹。20：01后各單體的VIL逐漸減小，其中在19：57～20：01，3個單體的垂直積分液態水含量在兩個體掃內均迅速減小，同時對應有基本反射率因子回波質心的迅速降低，表明將出現大風的可能性較大[3]。

2.2 雙偏振雷達參量回波特征

差分反射率表達一個探測空間體（距離庫）平均的粒子形狀，與粒子的軸比有關，在液態降水情況下，水滴下落過程中呈扁平狀，水平軸大于垂直軸，雨滴越大，反射率因子回波強度越強，ZDR也越大；而冰雹由于形狀不規則，且下落過程中會出現翻滾，因此導致其反射率因子強，相應的ZDR值較小，小冰雹的ZDR值趨近于零，大冰雹下落時呈自由落體，ZDR值一般為負值。從19：38的差分反射率可以看出，與基本反射率因子強回波處對應的ZDR值在2.4°仰角上，部分區域ZDR值減小為0.8～2.0，而其他基本反射率因子強回波處對應的ZDR值大都在3.0以上，因此在較高層以小冰雹為主；在0.5°和1.5°仰角，ZDR值主要在2.0～4.0，表明低層以液態降水粒子為主，可能是冰雹下落過程中融化形成雨區，或冰雹并未為完全融化而在外包裹有一層水膜（圖3）。此外，由于此過程發生在盛夏，當日午后氣溫較高，直到冰雹天氣發生前，地面氣溫仍在20 ℃以上，這就使得部分冰雹還未下落到地面就已經融化或部分融化，使得實際觀測到的多為小冰雹。

協相關系數是描述水平和垂直極化的回波信號變化的相似度的參量，主要受粒子形態、數量和空間向性的影響，液態降水的協相關系數（CC）一般在0.95～1.0，而冰雹和冰水混合物出現的協相關系數一般較小，在0.85～0.97。19：52對流單體A和B在0.5°和1.5°仰角的CC在0.8～0.95，而2.4°仰角CC均有明顯減??；單體C內低層大部分為液態降水粒子，1.5°仰角CC明顯減小，在0.8～0.92，表明固態降水粒子增多，這一區域很可能有大量雹胚增長。

差分相移傳播率為水平與垂直雙通道相位的差值，其差異包含各向同性粒子和各向異性粒子的差異。因為各向同性粒子對水平極化波和垂直極化波能產生相近的相移，因此KDP的差異主要歸因于各向異性粒子組成的差異，即主要取決于液態降水，受冰雹等固態粒子影響很小，干冰雹的KDP接近于零[4]。由于當協相關系數小于0.88時的系統將不再計算KDP，因此圖中存在一些KDP缺失的空洞[5]。0.5°和1.5°仰角上與基本反射率因子強回波處對應的KDP值大多為0.75～3.1，而在2.4°仰角KDP大值區中出現了-0.4～0.5的區域，表明其中部分區域有冰雹的存在。

3 結論

（1）高空低槽過境和地面輻合線為此次降雹過程的主要觸發機制，低空西南暖濕氣流提供了不穩定能量，低層的輻合上升運動也有利于對流天氣的發展。

（2）雙偏振參量對識別降水相態有較好的指示性，KDP由于不受降水衰減、雷達標定誤差和系統偏差影響，且KDP主要取決于液態降水，因此可以對降雨區和降雹區進行有效區分。

（3）當觀測到反射率因子強回波時，可對比相應強回波區是否存在趨于零的差分反射率因子ZDR、較小的差分傳播相移率KDP和相關系數CC等偏振參量，以此作為判斷是否將出現冰雹的參考依據。

參考文獻

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責任編輯：黃艷飛

Analysis on Dual-polarization Radar Echo Characteristics of A Multi-cells Hailstorm Process in Panzhihua

Yu An-di （Panzhihua Meteorological Bureau， Panzhihua， Sichuan 617000）

Abstract Based on the EC ERA5 0.25°×0.25° hourly reanalysis data， conventional sounding data， ground observation data and X-band dual-polarization Doppler weather radar data in Panzhihua.a Hailstorm Process caused by Multi-cells Hailstorm cloud in was Panzhihua analyzed.The results showed that the dual polarization parameters have good indicative properties for identifying the precipitation phase， and the strong echo region has important reference value for the identification and prediction of hail when it corresponds to the differential reflectivity factor that tends to zero， the small differential propagation phase shift rate and the correlation coefficient.

Key words X-band dual-polarization radar; Hail; Echo signature

作者簡介 余諳迪（1996—），女，四川達州人，助理工程師，主要從事天氣預報研究。

收稿日期 2022-12-10