連州一次冰雹暴雨過程的雷達觀測分析

收稿日期：2024-01-30

基金項目：清遠市氣象局科研課題（202007）。

作者簡介：阮楚雯（1990—），女，廣東四會人，工程師，主要從事天氣預報預警服務研究。#通信作者：吳楊（1991—），男，河北泊頭人，工程師，碩士研究生，主要從事天氣預報預警服務研究，E-mail：635255154@qq.com。

摘 要：基于MICAPS常規觀測資料和雙偏振雷達觀測資料，對2021年5月12日發生在連州的冰雹暴雨強天氣過程的環流背景和雷達特征進行了分析。結果表明：西風短波槽、低層切變線及地面準靜止鋒是此次強對流天氣過程的主要影響系統，西南低空急流為暴雨、冰雹的發生提供了充足的能量和水汽條件，冷暖空氣交匯是不穩定能量釋放的觸發機制。溫濕層結表現出“上干冷、下暖濕”的喇叭口分布，零度層高度適宜（4.6 km），高達2 018.7 J/kg的對流有效位能，低層850 hPa存在淺薄的逆溫層，有利于能量聚集迸發。桂北與湘南交界處不斷有多個對流單體生成并東移發展，進入連州時呈強反射率因子核心、回波懸垂、鉤狀回波、低層入流缺口、中氣旋等強風暴特征，且單體發展旺盛時風暴中心附近中底層出現相關系數小（＜0.85）、差分反射率低（接近于0 dB）的典型特征。采用的連州S波段雙線偏振雷達算法產品能較好地識別出強降雨，但對冰雹的識別仍有不足。

關鍵詞：強對流；雙偏振雷達；中氣旋

中圖分類號：P426.6 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）04–0-03

連州市位于廣東省西北部，南嶺山脈之中萌渚嶺的南麓，屬于粵北山區地帶和中亞熱帶季風氣候區，雨季平均開始時間是3月中下旬，冰雹、暴雨等高影響天氣多發于春季，易造成作物減產、人員傷亡、設施受損等嚴重災害。國內許多氣象學者對冰雹、暴雨等強對流天氣的發生機制、雷達回波特征做了很多深入、細致的研究工作。何際斌[1]指出連州暴雨天數和暴雨強度不斷增加；李懷宇等[2]廣東冰雹天氣主要出現在3—5月且集中在粵北山區和西江流域河網地帶；王堅紅等[3]采用合成分析等方法，得出前汛期廣東北部暴雨區受西風帶系統影響為主，暴雨中尺4度系統為氣旋及變形場鋒生；陳小婷等[4]認為，低層強的西南氣流和暖平流有利于對流風暴發生。

連州S波段雙線偏振雷達于2015年5月建成，次年6月業務應用，雙偏振天氣雷達可以探測與降水粒子形狀和類型密切相關的物理量，可以更好地識別混合區內降水粒子相態[5-6]。2021年5月12日09：00

～11：00連州市北部三水、瑤安、大路邊等鄉鎮先后遭遇雷暴、冰雹、暴雨等災害性天氣。08：00桂北與湘南交界處有超50 dBz的混合型回波移入連州，向東北移動過程中不斷發展，09：30后前側的單體發展成強風暴，10：00瑤安錄得1 h為58.6 mm的暴雨，10：24大路邊鎮出現10～15 min的冰雹天氣。利用連州雙偏振雷達探測資料和MICAPS觀測資料，對2021年5月12日連州北部鄉鎮冰雹暴雨天氣過程特征和發生機制進行分析，探討雙偏振雷達觀測產品在該天氣過程的

效果。

1 環流背景與條件

1.1 環流形勢

從2021年5月12日08：00天氣形勢可看出（圖1），此次連州強對流天氣過程發生期間500 hPa上東亞中高緯地區多短波活動，低緯華南地區受西風短波槽槽前西南氣流影響，且副熱帶高壓邊緣（588線）穩定維持在華南沿海，有利于在華南至長江三角洲建立一條風速為12～14 m/s西南低空急流（850 hPa），為華南地區輸送源源不斷的水汽，華南地區低層呈現明顯高濕區（T-Td＜2 ℃），再加上近地面（925 hPa）在湘桂交界處到江西中部、浙江北部存在一條東北西南走向的切變線，為強對流天氣的發生和加強提供了有利的動力條件。地面低壓中心位于長江口以東洋面上，觸發對流的準靜止鋒呈東北西南走向從桂林西北部經過湖南、江西、浙江一直延伸到東海。可見，西風短波槽、低層切變線及地面準靜止鋒是此次強對流天氣過程的主要影響系統，作為暖濕氣流的載體的西南低空急流，為暴雨、冰雹發生提供了充足能量和水汽條件，冷暖空氣交匯觸發不穩定能量釋放。

1.2 環境特征

08：00清遠探空站顯示，850 hPa與500 hPa的溫差達到28.1 ℃，對流抑制能量（CIN）低至26.4 J/kg，對流有效位能CAPE值高達2 018.7 J/kg，比11日08：00增加970.9 J/kg，表明大氣層結不穩定度躍增，存在較強位勢不穩定層結；但925 hPa偏南風8 m/s和500 hPa西南風15 m/s顯示垂直風切變較弱。此外，CAPE值一直延展到-20 ℃層（8.3 km左右）以上，有利于冰雹在過冷水區域中不斷增長；0 ℃層高約為4.6 km，與-20 ℃層高度差約為3.7 km，適宜的厚度增加了雹胚在過冷卻水含量豐富的環境中的碰撞機會，有利于冰雹形成。

850 hPa、550 hPa附近存在淺薄逆溫層，有利于能量積累，溫濕層結表現出“上干冷、下暖濕”的喇叭口分布，有利于強對流發生和發展。且在強盛西南氣流影響下，0～6 km表現為1個深厚濕層，7 km以上才是相對濕度＜30%的干層，表明中低層水汽條件好。

2 風暴特征演變和結構分析

2.1 降雹風暴的雷達回波演變特征

12日06：00，在桂北與湘南交界處（即925 hPa切變線尾端）開始有結構松散的多單體對流風暴生成，并逐漸連成一片混合型回波，以約50 km/h速度自西南向東北方向移動，50 dBz以上回波區于08：18移入連州。回波區前側的降雹風暴在移動過程中一直維持強盛對流結構，09：42風暴中心強度高達70 dBz，回波頂高14.3 km，10：18移出連州，強度雖然有所減弱但風暴中心仍達67 dBz。09：42在低層1.5°仰角（高度為

2 km左右）觀測到明顯入流缺口，缺口處呈現明顯的有界弱回波區（圖2a），這是強烈的上升運動表現之一，隨后在10：06～10：24也觀測到鉤狀回波（圖2b）。沿著反射率因子所示方向做剖面，發現強回波在反射率因子圖上出現高層懸垂，且50 dBz已擴展到10 km以上，超過-20 ℃層高度，是產生冰雹的顯著特征之一。

2.2 徑向速度特征分析

09：30，清遠連州雷達2.4°仰角首先觀測到強風暴對應的中氣旋，10：18時中氣旋減弱，共持續近48 min。

09：42，2.4°仰角徑向速度圖上（圖3）出現正、負速度對，最大正、負速度分別為24.5、-14.0 m/s，呈現中氣旋特征。此時低層多個仰角均存在中氣旋，其中3.3°仰角在距離雷達約40 km處的中氣旋旋轉速度約

30 m/s，達到強中氣旋標準。10：24，因風暴減弱，強風暴低層只存在徑向速度輻合。

2.3 雹云單體的風暴結構

風暴底、風暴頂和最大反射率因子所在高度呈現強風暴反射率核心的三維空間結構，直觀地反映出強風暴發展過程。09：00，對流風暴移入連州三水瑤族鄉，風暴頂高度為12 km，最大反射率因子61 dBz高度為3.1 km，風暴底高度則為0.5 km。在強風暴朝東偏北方向移動過程中，最大反射率因子在09：18前的幾個時刻的高度小于4 km，表明低層回波發展較強。09：54最大反射率因高度迅速增至6.7 km，說明風暴發展旺盛，高層的懸垂回波大于低層，對應的風暴頂高度也超過15 km。

從垂直累計液態水含量VIL值變化看，強風暴的VIL值從9：00的28 kg/m2，增至此次冰雹暴雨過程最大值61 kg/m2（10：00），12 min內VIL值躍增33 kg/m2。隨后最大反射率因子高度逐步下降，10：24降至3.4 km，

此時大路邊鎮觀測到冰雹。11：00，隨著風暴減弱VIL值陡降至30 kg/m2以下，表明降雹前、后的VIL值出現躍增和陡降現象。

3 雙偏振雷達特征

清遠連州S波段雙線偏振雷達不僅提供了反射率因子和徑向速度，還提供了差分反射率（ZDR）和相關系數（ρHV）等偏振參量，用偏振參量可分析出雹暴中水凝物粒子相態、濃度、大小和形狀等信息。

09：54，風暴發展旺盛時，0.5°和1.5°仰角風暴反射率因子大值區內ZDR值大部超過3 dB，相關系數ρHV超過0.9，表明低層主要以降水粒子為主，但0.5°仰角的反射率核心區內零散地分布著7～8個ZDR值接近0 dB

的像素，相應的相關系數ρHV小于0.85°/km，表明雷暴

低層存在小范圍冰雹。從ZDR和ρHV垂直剖面可看出，10：12為冰雹出現前6 min，懸垂回波處的ZDR值為

-0.5～0.2 dB，這是由于液相轉變成冰相時，介電常數減小以及冰相粒子更接近球形。而在懸垂回波下基本反射率40～55 dBz的區域，ZDR低值對應的是ρHV大值，而ZDR大值對應的是ρHV低值，說明該區域有多種相態的降水粒子共存。10：24降雹時，0.5°仰角上，在基本反射率因子＞55 dBz大值區，是對應相關系數ρHV＜0.85的低值，且差分反射率因子ZDR接近于0 dB。

4 降水粒子的相態識別

清遠連市S波段雙線偏振雷達采用相態分類算法識別強對流降水粒子類型，輸入變量為ZH、V、ZDR和ρHV等數據，輸出了包含小雨、大雨和冰雹等10種不同相態的降水粒子類型。09：00風暴剛開始影響連州時（圖略），低層0.5°～2.4°仰角識別出大片大雨區（綠色）與三水瑤族鄉境內強降水落區相一致，但大雨區附近的降雹區域（紅色）則為空報，而在中高層3.3°以上仰角則更多地被識別為冰晶、霰和干雪，可信度較高。隨著時間的推移，低層降雹區域面積有所擴大，但在瑤安瑤族鄉的降雹區域也是空報，只有在10：18的降雹區域大路邊鎮境內實際冰雹落區吻合。由此可見，目前連州S波段雙線偏振雷達采用的相態分類算法系統對于強降雨識別較好，但是對于冰雹識別仍有不足，需進一步優化。

5 結論

（1）西風短波槽、低層切變線及地面準靜止鋒是此次強對流天氣過程的主要影響系統，西南低空急流為暖濕氣流載體，為暴雨、冰雹發生提供了充足的能量和水汽條件，冷暖空氣交匯是不穩定能量釋放的觸發機制。

（2）產生于弱垂直風切變環境中的強風暴，深厚低層濕層和高度位勢不穩定，對強風暴發展提供了十分有利條件。

（3）雹云單體回波強度普遍大于60 dBz，發展高度超15 km，中低層出現有界弱回波區和鉤狀回波，徑向速度圖上出現中氣旋。降雹前、后的回波強度和垂直累計液態含水量（VIL值）出現躍增和陡降現象。

（4）偏振參量反映出冰雹云的典型特征：在反射率因子大、相關系數ρHV小、差分反射率ZDR接近于0 dB的區域出現冰雹。采用的連州S波段雙線偏振雷達算法產品能較好地識別出強降雨，但對冰雹識別仍有不足。

參考文獻

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