一次秋季冰雹過程的環境場和雙偏振雷達特征分析

呂 健，劉圣楠，王俊人，邵偉軍，燕榮江

（金華市氣象局，浙江 金華 321000）

冰雹是破壞力極大、局地性較強的一種災害性天氣，往往給經濟和人民財產造成較大損失，但由于其時空尺度小、突發性強，冰雹的預報和預警一直是天氣預報業務的難點。天氣雷達具有高時空分辨率的特征，是對冰雹、大風、龍卷和暴洪等短時臨近天氣進行監測和預警的主要工具之一。

單偏振多普勒雷達可以探測到降水粒子的基本反射率因子（ZH）、徑向速度（V）、速度譜寬（W）等產品。而雙偏振多普勒雷達通過水平和垂直偏振波對大氣中的粒子進行探測，并根據接收到的水平和垂直偏振波進行對比分析，除得到單偏振產品外，還可以探測到差分反射率因子（ZDR）、差分相移率（KDP）以及相關系數（CC）等雙偏振產品，這些雙偏振產品能夠更加有效地判斷出大氣中粒子的形狀和相態，有助于預報員在氣象業務工作中判斷冰雹、識別雨雪和計算降水強度[1-3]，從而有效提升強對流天氣的監測和預報預警能力。

ZDR表示降水粒子對水平和垂直偏振波平行分量散射能量的差異。通過分析ZDR的大小不僅可以判斷降水粒子的平均形狀，還可以判斷降水粒子的相態[4]。ZDR最大的作用之一就是用于冰雹的識別。KDP是水平極化波和垂直極化波傳播常數的差，可以表征單位體積內含水量的多少，KDP值越大則含水量越大[5]。一般情況下干冰雹的KDP較小，接近0 或是負值，通常在-0.5～0.5 °/km[6]，因此可以利用該偏振參量有效地判別冰雹的干、濕特性。CC 用來描述水平和垂直極化的回波信號變化的相似度，可用于區分降水和非降水、數據質量改善以及雷達取樣體內水凝物粒子的均勻性識別[7]。

近年來我國逐漸開展了雙偏振雷達的升級改造工程，許多學者對雙偏振雷達開展本地化應用研究，研究成果有助于在當地強對流天氣的預報預警工作中發揮重要作用。俞小鼎等[7]研究給出了S 波段雷達雙偏振參量識別冰雹的判據，有助于業務一線預報員利用雙偏振參量定量地判別冰雹；茍阿寧等[8]使用雙偏振雷達資料詳細分析了各種參量對降雪過程中固態降水粒子的識別作用，提升了雙偏振雷達資料在當地固態降水天氣中的應用技術；楊磊等[9]為提高S 波段雙偏振雷達對降水粒子的識別能力，將雙偏振雷達數據結合探空溫度數據展開研究。浙江省金華市新一代S 波段雙偏振雷達于2020 年8月完成改造并投入應用，雙偏振雷達產品在金華的業務應用時長較短，尚處于初步階段，尤其是利用金華雙偏振雷達資料研究的冰雹天氣個例還不多、本地化應用還不足。

浙江省金華市的冰雹天氣過程主要出現在春季和初夏，而2021 年秋季（9 月20 日）浙江省金華市出現了一次冰雹天氣過程，此次過程局地性強、受災嚴重，較為罕見。本文利用常規氣象觀測資料和NCEP GDAS/FNL 0.25°×0.25°逐6 h 再分析資料，分析了此次冰雹過程的環流背景和不穩定條件；通過分析金華雙偏振雷達資料，對降水粒子進行相態識別，并對冰雹云的演變展開分析，進而探討和驗證雙偏振雷達資料對冰雹的識別能力，提煉冰雹云在生消過程中雙偏振參量的特征，為今后金華地區冰雹的短時臨近預報預警以及雙偏振雷達本地化業務應用提供參考。

1 實況回顧

2021 年9 月20 日15：00 前后在浙江省金華市永康市出現強對流天氣，伴有短時強降雨、局地雷暴大風和冰雹（圖1），永康市氣象臺發布了冰雹橙色預警信號。當天15：00—16：00（北京時），永康南部6個區域氣象站（海拔高度在100～200 m）出現8～10級大風，最大為筻里站（27.2 m·s-1，10 級）；小時雨強最大為永康峰箬（35.2 mm）；15：00 左右永康境內自西向東出現冰雹，最大直徑為2 cm 左右，氣象協理員觀測上報的降雹區與圖1 所示的STI 軌跡基本相同。一般來講，浙江省中部地區的降雹過程持續時間較短，一般僅為幾分鐘，少數情況下可持續十幾分鐘；但此次降雹過程持續時間較長，達30 min 左右。另外，由于冰雹尺寸大、持續時間長，對當地的農業、通信、建筑及交通等帶來了嚴重影響。

圖1 9 月20 日降雹風暴移動路徑（黑色空心三角形和折線表示STI 軌跡）、15：00—16：00 降水量（填色，單位：mm）和8 級及以上極大風站點（空心圓）

2 環境條件分析

此次強對流天氣過程發生在西太平洋副熱帶高壓東退、高空槽和低層低渦東移的環流背景下。從9月20 日08：00 中尺度分析綜合圖（圖2a）可以看到，500 hPa 浙江省位于高空槽前、副熱帶高壓588線北緣的西南氣流中，溫度槽落后于高度槽有利于引導冷空氣南下。700 hPa 冷渦東移過程中帶來明顯的干冷空氣，14：00 溫度平流場在120°E 附近可以分析出一個-15×10-5K·s-1的冷平流中心；850 hPa浙江省被20 ℃暖溫度脊控制，14：00 溫度平流場在120°E 附近可以分析出一個12×10-5K·s-1的暖平流中心。垂直方向上不同的溫度平流造成高低空溫差進一步加大，14：00 再分析資料顯示對流發生點850～500 hPa 溫度差達到26 ℃，對流不穩定性急劇增強。0 ℃和-20 ℃層高度分別下降到4.8 和7.8 km，符合金華地區出現冰雹的指標[10]。

圖2 9 月20 日08：00 中尺度分析（a）和14 時1 000 hPa 風場（b，單位：m·s-1，黑色實線示意中-β 尺度輻合線，紅色空心三角形表示永康站位置）

對流有效位能（CAPE）和垂直風切變是判斷雷暴發展強度的2 個重要指標，一般將CAPE 達到1 000 J·kg-1定義為中等以上強度的對流有效位能、0～6 km 的風矢量差在12～20 m·s-1定義為中等強度垂直風切變[7]。通過分析當天CAPE 隨時間的演變可以發現，08：00—14：00 為大氣不穩定能量持續積累的過程，14：00 永康附近CAPE 值升至1 681 J·kg-1，為中等到強的CAPE，接近金華地區出現冰雹的CAPE 歷史均值[10]。同時，低層和深層垂直風切變在永康附近均達到近12 m·s-1，為中等強度垂直風切變。較大的CAPE 和較強的垂直風切變有利于高組織程度的強風暴出現。

由圖2b 可知，14：00 邊界層風場在永康附近存在一條顯著的中-β 尺度輻合線，為此次過程提供重要的觸發條件；對流觸發后不穩定能量得到釋放，暖濕空氣被劇烈抬升，對流風暴迅速發展并加強，最終造成金華地區出現冰雹等災害性天氣。

綜上，這是一次副熱帶高壓北部邊緣的強對流天氣過程，溫度場和風場交角較小，可以判斷為準正壓類強對流天氣[11]。大氣呈現“上干冷、下暖濕”的對流性不穩定層結，近地面中尺度輻合線提供了輻合抬升條件。另外，中層干冷空氣的卷入有利于降低融化層高度、減小融化層厚度，更有利于冰雹落地。

3 雷達單偏振參量分析

3.1 降雹風暴回波演變

分析0.5°仰角ZH演變可以發現，20 日14：00永康上游有一多單體線狀風暴東移，移動過程中逐漸加強。15：00（圖3a）多單體線狀風暴北側的多個小對流單體已合并為更旺盛的對流單體，回波形態呈現典型的鉤狀，強回波中心正好位于永康附近，最大基本反射率因子達62 dBZ。與鉤狀回波前側的暖濕入流缺口相對應，徑向速度圖可以識別出旋轉速度為13 m·s-1的弱中氣旋（圖3b）。15：06 金華雷達0.5°仰角ZH（圖3c）存在前側入流缺口（FIN）和后側入流缺口（RIN），對應徑向速度（圖3d）可以識別旋轉速度為18 m·s-1的中等強度中氣旋。說明超級單體已處于成熟階段。中氣旋在垂直方向伸展至6.0°仰角，持續時間達半小時，深厚持久的中氣旋是此次降雹過程中徑向速度圖的主要特征，表明存在強烈的輻合上升氣流，為雹胚成長提供了有利的動力條件。15：30 回波強度明顯減弱且結構變得松散，超級單體進入消亡階段。

圖3 9 月20 日15：00（a、b）和15：06（c、d）0.5°仰角ZH（a、c）和徑向速度（b、d）

3.2 降雹風暴結構特征

14：48—15 ：06 連續4 個體掃均可以在6.0°仰角反射率因子圖上看到三體散射長釘（TBSS）（圖4a），說明對流層高層已出現冰雹；15：06—15：24 連續4 個體掃可以在0.5°仰角觀察到TBSS。15：10 協理員上報出現直徑2 cm 左右的冰雹。可見TBSS 在冰雹預報預警方面具有較好的指示意義，本次過程可以利用高層出現TBSS 現象提前發布冰雹預警信息。

圖4 9 月20 日15：06 6.0°仰角ZH（a）、沿雷達徑向通過最強反射率因子核心的ZH（b）和徑向速度（c，單線箭頭示意氣流走向，雙線箭頭示意徑向速度方向）垂直剖面

15：06（超級單體成熟階段）沿雷達徑向通過最強反射率因子核心做垂直剖面（圖4b），對流云發展非常旺盛，對流云頂高達16～17 km，質心高度達6～7 km，55 dBZ 以上強回波達12 km，接近對流層頂，遠高于-20 ℃層等溫線高度（7.8 km）；剖面左側的強回波區域對應冰雹的下降通道，回波強度＞60 dBZ，而右邊是寬廣的弱回波區和位于弱回波區之上的懸垂回波，還可以看到較明顯的有界弱回波區（BWER）。分析徑向速度剖面（圖4c）發現，對流層中層（3～6 km）存在明顯的徑向輻合、高層（10 km 以上）存在風暴頂輻散。此外，可以看到一支前向入流從對流層低層進入云體，傾斜上升并在高層向后流出，這支上升氣流為冰雹云輸送水汽，同時托舉小冰粒在過冷水區停留生長成為冰雹；同時，對流層中層存在一支后向入流，向前、向下傾斜，并在云體底部達到最強，這支下沉氣流為干冷空氣，有利于熱力不穩定層結的建立，并最終形成地面冷池和冰雹落區。

異常大的垂直累積液態水含量（VIL）和VIL 密度也是出現冰雹較好的判別指標[12]。從15：06 垂直累積液態水含量和回波頂高水平分布可以看到，VIL 中心值達70 kg·m-2，對應回波頂高（ET）為19 km，可以計算出VIL 密度接近4 g·m-3。研究表明，當VIL 密度＞4 g·m-3時，風暴產生直徑＞2 cm 的大冰雹的概率較大[7]。

綜上所述，此次降雹由超級單體風暴造成，單偏振參量顯示出鉤狀回波、低層弱回波區、深厚持久的中氣旋、中高層回波懸垂和有界弱回波區等雷達特征。該風暴具有典型的冰雹云特征：云體前部存在一支很強的斜升氣流并從高層流出，有利于托舉小冰粒停留在云中生長成為足夠大的冰雹，然后脫離云體落到地面；后部存在一支干冷的下沉氣流從中層流入、從云底流出，形成冰雹落區。高懸的強回波、高反射率因子值和異常大的VIL 值、弱回波區和有界弱回波區、三體散射現象等均指示了冰雹的出現。

4 雷達雙偏振參量分析

4.1 雙偏振參量水平特征

15：00 的0.5°仰角出現大面積55 dBZ 以上的反射率因子區，對流風暴核心區ZH達到60 dBZ 以上，對應區域的ZDR為2.0～4.0 dB，KDP＞3 °/km，CC 值基本在0.96 以上，因此可以判斷此時對流層低層（離地面1.8 km）降水粒子為大雨滴；當把探測仰角抬高至2.4°，發現ZDR減小且出現負值，KDP在0.75～3 °/km，CC 降到0.90～0.95，表明降水粒子均一性降低，對流層中層（離地面3 km）已經出現冰雹。15：06 的0.5°仰角對流風暴核心區ZDR出現負值，低層已經開始出現冰雹。

15：12（圖5）超級單體風暴中心區反射率因子維持在60 dBZ 以上，相應的0.5°仰角ZDR已明顯降低且出現負值，是出現冰雹的重要指標；再結合KDP與CC 偏振參量可以進一步分析冰雹的干、濕特征及其尺寸大小。先分析風暴核心區A 的降雹情況：ZDR極值為-2.12 dB；KDP出現“空洞”現象（圖5c），這是由于干冰雹差分相移率往往波動很大以至于不能獲得符合質量控制要求的KDP值，所以在圖上出現缺值[7]，說明A 區出現了干冰雹；CC 明顯降低，在0.81～0.92；上述雙偏振參量ZDR、KDP、CC 特征指示A區出現了大的干冰雹，這與氣象協理員在15：10 觀測到直徑2 cm 左右冰雹的實況基本相符。再分析風暴核心區B 的降雹情況：ZDR主要分布在0.8～2 dB，根據Lemon 提供的ZDR與冰雹直徑的關系圖[7]，這很可能是直徑在1～3 cm 的濕雹（也可能是降雨）；再結合KDP和CC，可以看到KDP主要分布在1.5～3.1°/km，CC 在0.92～0.96，表明是濕冰雹。B 區冰雹在降落時融化，產生了外包液態水膜，因此雙偏振參量出現了上述特征。

圖5 15：12 0.5°仰角Z（Ha）、ZD（Rb）、KD（Pc）和CC（d）（A、B 表示不同冰雹類型的降雹區）

如圖6 所示，15：18 的0.5°仰角60 dBZ 以上高反射率因子區進一步擴大，將反射率因子≥55 dBZ的區域劃分為A、B、C 3 個子區域。A 區（風暴核心區）ZDR為-0.31～0.88 dB，KDP“空洞”消失，KDP較前一體掃明顯增加，分布在3～6 °/km，CC 為0.85～0.97，說明A 區為降雹區，存在大的濕冰雹且伴有強降雨；15：15—15：20 在降雹區附近的區域站出現強降雨，其中峰箬降水量為8.5 mm、筻里為8.3 mm、楊溪為4.9 mm。B 區的ZDR為1.5～3.1 dB，KDP與A 區相差不多，也分布在3～6°/km，CC 增大且基本都在0.95～0.99，是典型的大雨滴特征。C 區ZDR存在一個明顯異于周邊的大值中心，為1.3～4.25 dB，CC 為0.91～0.97，是小濕雹特征；另外，KDP相對偏小，分布在0～2.1°/km，說明降雹區沒有伴隨強降雨；15：15—15：20 位于C 區內的區域站降雨量很小，其中長城降水量為0.7 mm、上黃為0.2 mm。

圖6 15：18 0.5°仰角Z（Ha）、ZD（Rb）、KD（Pc）和CC（d）（A、B、C 表示不同相態降水粒子的高反射率因子區）

15：18 超級單體風暴造成的降水相態比較復雜，反射率因子≥60 dBZ 的風暴核心區內存在大的濕冰雹且伴有強降雨，而位于其周邊的反射率因子≥55 dBZ 的區域存在小的濕冰雹和大雨滴。

15：30 超級單體進入消亡階段，ZDR為1～2.5 dB，KDP為1.9～4.1 °/km，CC 為0.95 以上，是強降雨的雙偏振參量特征。說明此時降雹已經結束，降水粒子相態由固液混合態轉為均一液態；對應實況降水很強，15：25—15：30 強回波區附近的峰箬站出現12.3 mm的降雨。

降雹過程持續30 min 左右，大的干冰雹和濕冰雹均有出現，雙偏振參量的加入能夠有效識別冰雹的尺寸及其干、濕特性。

4.2 雙偏振參量垂直結構

為了更詳細地描述超級單體風暴的垂直結構特征，有學者對ZDR柱[13-14]、KDP足[15-18]進行研究，并提出ZDR柱往往與強上升氣流區相對應，其伸展高度與上升氣流存在正相關并且可作為判別風暴強度的指標之一；ZDR柱常位于風暴發展達到成熟階段前的上升氣流附近[19]，而KDP足往往與下沉氣流對應關系較好。

強上升氣流是冰雹產生的必要條件之一。從ZDR垂直剖面演變（圖7）可以發現，降雹前14：42（對流風暴發展階段），ZDR柱（＞1 dB 的區域）伸展至10 km以上，高于-20 ℃層高度（7.8 km）；15：06 地面出現降雹（超級單體成熟階段），ZDR柱高度明顯降低。其微物理含義是由于ZDR大值區對應著大雨滴區，出現ZDR柱的位置說明此處有強烈的上升氣流將暖雨滴帶入過冷區且沒有馬上凍結，形成尺度較大的過冷水滴，當過冷水滴不斷增長、凍結且上升氣流不足以托舉粒子時，降水粒子降落導致ZDR柱高度顯著降低。如圖7b 所示ZDR柱高度降低后的ZDR數值是明顯增大的。ZDR柱在風暴發展前期的演變特征（在冰雹生長階段ZDR柱可以伸展到-20 ℃層以上，當地面出現降雹時ZDR柱高度顯著降低）并非偶然，高麗等[19]所分析的三次降雹過程中ZDR柱也具有相似的演變規律。

圖7 9 月20 日14：42（a）和15：06（b）沿雷達徑向通過高反射率因子區的ZDR 垂直剖面

因此，ZDR柱不僅可以判斷冰雹云強上升氣流所在位置，其演變特征還可以有效地提前判別出冰雹，例如本次過程可以利用該指標提前約20 min 預判冰雹的出現。另外，ZDR垂直剖面上還存在一些虛假回波需要注意判別：在ZDR柱右側不遠處存在一個ZDR異常高值區，對應CC 值很低，這是TBSS 的雙偏振特征；在15 km 以上的大氣高層也存在一個ZDR高值區，這是旁瓣回波的雙偏振特征。

沿雷達徑向通過高反射率因子區分別作15：06（超級單體成熟階段）ZH、ZDR、KDP、CC 的垂直剖面。可以識別出超級單體冰雹云的回波懸垂和BWER。BWER 右側為處于云體中層的ZDR柱，與上升氣流相聯系，有利于冰雹在0 ℃層（4.8 km）以上增長；左側為處于云體低層ZH強中心內的KDP足，與冰雹降落導致的下沉氣流相聯系，可以指示冰雹落區。CC垂直剖面圖BWER 內存在低于0.9 的值，這是由于該區域存在相態較為復雜的降水粒子，既存在固態粒子又存在雨滴，還可能存在一些底層入流卷入的雜物[20]（如昆蟲、雜草、樹葉等），也會導致CC 出現低值。

5 結論

本文利用常規氣象觀測資料和NCEP GDAS/FNL 再分析資料，針對2021 年秋季浙江省中部地區發生的一次降雹天氣過程，從環流背景、不穩定性和觸發條件等方面展開分析，并結合金華新一代S 波段雙偏振雷達分析了超級單體的形成和冰雹云的演變及其結構特征，得出以下結論：

（1）降雹過程發生在西太平洋副熱帶高壓東退、高空槽和低層低渦東移的環流背景下，大氣垂直結構呈現“上干冷、下暖濕”的對流性不穩定層結，邊界層中尺度輻合線提供有利的觸發條件，是一次準正壓類強對流天氣。

（2）降雹由超級單體風暴造成，該風暴具備典型的冰雹云特征。TBSS 在冰雹預報預警方面具有較好的指示意義，本次過程可以利用高層出現TBSS 現象提前發布冰雹預警信息。超級單體成熟階段KDP“空洞”現象說明出現了大的干冰雹，而KDP“空洞”消失、ZDR和CC 增大指示濕冰雹的存在；隨著超級單體減弱，冰雹尺寸減小并逐漸轉為液態降水。雙偏振參量能夠有效地幫助研判冰雹的干、濕特性和尺寸變化。

（3）超級單體成熟階段BWER 西側的KDP足與冰雹下降導致的下沉氣流相聯系，在冰雹落區預報中具有較好的指示意義。

（4）在對流風暴發展前期，ZDR柱若能伸展到-20 ℃層以上則有利于冰雹生長，可作為判別降雹的指標之一，在短臨預報以及冰雹識別方面具有較好的應用潛力。此次過程提前約20 min 觀測到ZDR柱伸展至-20 ℃層以上，預報員可以借助該指標提前判斷出冰雹。

（5）本文僅為一次冰雹過程的診斷分析，未來還需要對更多冰雹個例開展研究，以驗證上述ZDR柱演變特征在對流風暴發展前期對冰雹的預報和指示作用，進而獲得一些可以業務化使用的定量關系，有效提升冰雹天氣的預報預警能力。