一次強冰雹超級單體風暴雙偏振參量特征分析*

李 芳 刁秀廣 魏 鳴

1 山東省濟寧市氣象局,濟寧 272000

2 山東省氣象臺,濟南 250031

3 南京信息工程大學,南京 210044

提 要：利用濟南S波段雙偏振多普勒天氣雷達資料、章丘探空和地面常規氣象觀測資料及災情調查,對2021年7月9日發生在濟南章丘的一次特大冰雹超級單體風暴雙偏振和微物理結構特征進行了分析。結果表明:冷渦天氣背景下,強的垂直風切變和強的對流有效位能,利于超級單體的形成與維持。陣風鋒是風暴觸發機制,也是風暴長時間維持機制。初始風暴由陣風鋒觸發,經過合并發展產生超級單體。成熟階段,風暴西側與陣風鋒交匯區域不斷激發新生單體,并與主體合并,風暴長時間維持。風暴頂強輻散是中氣旋長時間維持和風暴頂高度較高的關鍵因子之一。特大冰雹階段風暴底層右后有明顯的入流缺口,其前側有差分反射率(ZDR)弧,表現為少量大的液態粒子或小的濕冰粒子,入流缺口左側強反射率因子區對應小的ZDR和小的相關系數,為冰雹降落區。垂直結構上,強上升氣流區一側存在深厚的有界弱回波區,0℃層高度之下分布有ZDR環,有界弱回波區內及上方存在ZDR柱,且高度較高,含有少許偏大的液態或融化的小的冰相粒子。較高的ZDR柱表明風暴內上升氣流強盛且高度較高,利于風暴的發展與維持以及冰雹粒子的濕增長。

引 言

冰雹作為強對流風暴發展到強盛階段的產物之一,具有突發性強、發展演變迅速、空間尺度小、破壞力強等特點,尤其是直徑超過2 cm的大冰雹,其破壞力更強,是預報預警的重點和難點。天氣雷達具有高時空分辨率的特點,是監測和預警冰雹的主要探測手段,但由于單偏振多普勒天氣雷達只發射單一的水平線偏振電磁波,無法進一步對降水粒子的形狀、相態等進行分析,對強對流風暴云物理特征的研究受到限制。自Seliga and Bringi(1976)提出雙線偏振雷達的理論以來,雙偏振雷達探測技術不斷完善,不僅可以探測到氣象目標物基本反射率因子(ZH)、平均徑向速度(V)及速度譜寬(SW)等信息,還可以探測到差分反射率(ZDR)、差分相移率(KDP)、相關系數(CC)等雙偏振參數,在研究云內粒子相態、識別冰雹云等方面有較好的應用價值。

大量研究表明,不同尺寸和不同相態的氣象目標物對應不同的雙偏振參數特征值,美國雙偏振雷達操作課程(Dual-Polarization Radar Operations Course,Version 1109)中指出,冰雹(包括冰雹與雨滴的混合物)的ZDR在-2.0～6.0 dB,冰雹的CC小于純降雨,雹雨混雜的CC在0.70～0.96;雨滴的ZDR值在0.0～5.0 dB、CC值>0.97;地物雜波、昆蟲、鳥類等非氣象目標物的ZDR值范圍比冰雹ZDR值范圍大,但CC較小,基本小于0.7。中外學者利用雙偏振雷達對引起降雹的超級單體風暴開展了諸多研究,在理論研究(劉黎平等,1997;許煥斌和段英,2001;2002;李昭春等,2021;申高航等,2021;蘇永彥和劉黎平,2022;Kumjian,2013a;2013b)、超級單體雹云模型(Kumjian and Ryzhkov,2008)、算法研究(Straka et al,2000;Ryzhkov et al,2005;曹俊武和劉黎平,2007;Park et al,2009;梅垚等,2018;王洪等,2016;夏凡等,2023a;2023b)、降雹單體雙偏振特征(Hubbert et al,1998;張鴻發等,2001;江慧遠等,2019;高麗等,2021;潘佳文等,2021;阮悅等,2022;梅垚等,2018;何清芳等,2022)、ZDR柱特征(刁秀廣等,2021)等領域取得了一些研究成果。大量超級單體雙偏振雷達觀測發現,在風暴低層易出現ZDR弧(ZDR>3 dB),在風暴中層常出現ZDR環或CC環,環境0℃層高度以上通常出現ZDR柱(ZDR>1 dB)和KDP柱(KDP>0.75°·km-1),ZDR柱的高度是判別風暴強度指標之一,KDP柱表明有豐富的液態雨或濕冰,是深厚對流上升氣流特征的觀測量度(Bringi et al,1996;Kumjian and Ryzhkov,2009;Hubbert et al,1998;Loney et al,2002;Romine et al,2008;刁秀廣和郭飛燕,2021)。Hall et al(1980;1984)首先通過雙偏振多普勒天氣雷達觀測到ZDR柱的存在。Kumjian and Ryzhkov(2008)通過研究超級單體雙偏振雷達回波特征表明,前側下沉氣流反射率因子高且ZDR接近0,其前側有ZDR的高值區即ZDR弧,在上升氣流和后側下沉氣流存在ZDR柱、KDP柱和CC環。Kumjian et al(2014)通過對42個風暴的統計分析,認為強雹暴發展過程中,ZDR柱峰值高度要比反射率因子核超過-20℃高度這一指標具有更大提前量,可提前10～20 min對冰雹進行預警。王洪等(2018)利用S波段雙偏振雷達對華南超級單體風暴進行雙偏振特征分析,表明大雹粒子的翻滾使冰雹區具有水平反射率因子高、差分反射率因子低的特點,雨和冰晶粒子的混合導致了相關系數的下降。林文等(2020)對不同強度強對流云系S波段雙偏振雷達觀測分析表明,利用KDP“空洞”(CC小于一定閾值時KDP不做計算)搭配ZH高值可以定位云中的大冰雹區。潘佳文等(2020)利用雙多普勒雷達風場反演結果證明了ZDR柱可用于指示上升氣流的存在。龔佃利等(2021)依據山東諸城成熟階段雹云雷達回波形態、徑向速度和三維風場的分析,給出雹云內主上升氣流框架和具有成雹功能的“0線”結構示意圖,有助于理解“0線”結構在大雹循環增長中的可能作用機理。刁秀廣和郭飛燕(2021)利用青島S波段雙偏振雷達對一次雹暴的雙偏振參量進行分析,得出低層強反射率因子核后側徑向上如果出現顯著差分反射率因子負值區,可作為特大冰雹的識別依據。雖然SA雙偏振雷達產品提供了基于模糊邏輯算法的水凝物分類產品(HC),但沒有大冰雹的識別算法,需要針對性開展大冰雹雙偏振特征研究。

本文基于濟南CINRAD/SAD雙偏振雷達資料,結合地面實況資料,對2021年7月9日發生在章丘特大冰雹的長壽命超級單體風暴從垂直結構和不同高度層(底層、中層、高層)進行雙偏振參量特征分析,以期對該類超級單體風暴雙偏振參量所反映的動力機制和云物理結構有更深入的認識,為進一步更好地利用雙偏振雷達資料提升冰雹的預警能力提供參考。

1 天氣實況及天氣背景

1.1 天氣實況

2021年7月9日下午濟南章丘出現一次極端強對流天氣,冰雹持續時間約1 h。章丘區雙山街道東山花園14:30(北京時,下同)開始降雹,最大冰雹直徑達68 mm左右(圖1a),十分罕見,達到特大冰雹等級(中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會,2012);章丘文祖鎮中心小學附近14:45開始降雹,冰雹直徑為30 mm;章丘站周圍15:15開始降雹,冰雹最大直徑為50 mm左右(本站觀測為30 mm),14:30—15:30為特大冰雹階段。濟南雷達、章丘探空及冰雹位置見圖1a,風暴距離雷達站約75 km,14:13—14:48向偏南方向移動,見圖1b中帶點曲線(14:02—14:59),風暴移動較為緩慢。

圖1 (a)相關觀測設備站點分布及(b)風暴移動路徑Fig.1 (a) Distribution of related observation equipment sites and (b) storm tracking information (STI)

造成章丘特大冰雹的強風暴生命史超過4 h,屬于長壽命超級單體風暴(簡稱章丘超級單體風暴)。該超級單體在章丘移動緩慢且持續時間長,造成章丘站出現氣溫驟降(14:53—15:26,氣溫下降9℃)、雷暴大風(15:16風速達到23.1 m·s-1)和短時強降水(15:00—16:00,降水量為20.2 mm)。

1.2 天氣形勢與環境參數

7月9日08:00影響系統為冷渦,200 hPa山東章丘以西處在槽后西北氣流區(圖2a,章丘站200 hPa溫度為-49℃,風速為16 m·s-1,風向為268°), 南側有明顯的急流區,槽后有明顯的溫度梯度,高層降溫明顯(章丘站20:00降溫幅度約5℃);500 hPa和850 hPa山東基本處在槽后西北氣流區,500 hPa槽后溫度梯度較小(圖2b),中層降溫不明顯(章丘站20:00氣溫無明顯變化);低層850 hPa在山東西部有明顯暖區,最高氣溫為25℃(圖2c),低層溫度上升(章丘站20:00氣溫升高5℃);地面上,山東位于地面低壓前部,以東南風為主(圖略)。上層干冷、下層暖濕的垂直配置,易造成熱力不穩定及能量累積,特別是午后低層氣溫進一步升高,不穩定程度和能量累積進一步增大,更利于強對流產生。從探空圖2d可看出,低層較濕,不穩定能量強,環境溫度曲線在0℃層以下有兩段接近于干絕熱線,有利于下擊暴流的發生。

注:粗實線為槽線,黑色實線為等高線(單位:dagpm),紅色數字為氣溫(單位:℃),風向桿為風向風速,粗箭頭實線為急流軸。

由環境物理量(表1)可以看出,7月9日08:00 850 hPa與500 hPa溫差(ΔT)較大,接近30℃,具有強的熱力不穩定;K指數為30℃,抬升指數(LI)為-6.3℃,0～6 km垂直風切變(SHR)達到20.4 m·s-1,利于高組織性風暴的產生與維持。使用章丘站14:00地面溫度和露點溫度進行訂正,對流有效位能(CAPE)由2334.6 J·kg-1增大到4550 J·kg-1,說明隨著地面溫度的升高,對流能量進一步增強。俞小鼎(2014)針對冰雹融化層高度指出:相較于干球溫度0℃層, 濕球溫度0℃層可更準確地指示冰雹融化層高度,尤其是當對流層中層存在明顯干層時;冰雹融化層高度的高低是決定冰雹大小甚至降雹與否的主要因子之一,濕球溫度0°層高度作為冰雹融化層的近似高度,當冰雹融化層較高時,冰雹有可能在下落到地面之前融化。高曉梅等(2018)認為3.0～3.9 km的冰雹融化層高度是魯中平原地區強冰雹發生比較適宜的高度。7月9日08:00章丘探空站濕球0°層高度較低(3.7 km),利于地面出現冰雹。

表1 2021年7月9日08:00環境物理量Table 1 Environmental physical parameters calculated by sounding data of Zhangqiu Station at 08:00 BT 9 July 2021

2 風暴演變特征

2.1 風暴演變

圖3是風暴發展階段和旺盛階段組合反射率演變情況,白色圓圈為中氣旋。

注:白色圓圈為中氣旋。

13:50—14:13為風暴發展階段,對流單體新生、合并發展演變為超級單體。13:50章丘西北部有多個對流單體新生,由前期雷暴產生的陣風鋒觸發,單體A和B各自發展,而單體B發展較快(ZDR柱高度約7 km),在14:13兩者合并,且出現中氣旋,形成超級單體,14:30開始出現強冰雹。13:50—14:13單體基本向偏東方向移動,移動速度約為25 km·h-1。

風暴成熟階段14:13—17:23(中氣旋維持階段)產生多次合并, 14:42—14:59和15:28—15:45是兩次明顯合并發展階段。14:42,超級單體風暴西側與陣風鋒交接區域出現新的對流單體C,其ZDR柱高度約7 km,陣風鋒為主要觸發機制。之后單體C發展,在14:59出現合并,合并之后出現2個中氣旋,同時西側又出現新的單體D(后續自行消散)。新生單體發展區上升氣流迅速加強發展為中氣旋,原中氣旋(東側)在14:59之后迅速減弱,強上升氣流區向新生區域“傳播”。合并之前,原超級單體強度是減弱趨勢(強中心位于中氣旋東側),合并之后風暴西側得到發展并持續,15:05—15:17最大反射率因子在65 dBz以上,同時風暴移動出現明顯偏西分量。15:28—15:45階段合并特征與14:42—14:59 階段基本類似,風暴西側與陣風鋒交匯區域出現新生對流單體E并發展(15:28單體E的ZDR柱高度約10 km),之后與原超級單體合并發展,強上升氣流區向新生單體區域“過度”。

15:40風暴西側陣風鋒上又出現多個新生單體(單體F等,ZDR柱高度約7.3 km),新生單體發展,繼續產生合并,導致風暴南壓的同時向西發展,風暴整體移動緩慢,維持時間較長。14:13—17:23中氣旋階段風暴基本向正南方向移動,移動的直線距離約40 km。

新生單體初始時刻最大反射率因子為30～40 dBz,都具有明顯的ZDR柱,而CC較大,KDP較小,新生單體內上升氣流占主導地位,含有少許偏大的液態粒子。

導致風暴移動緩慢的主要因素是高空引導氣流較弱和新生單體向西傳播,兩者共同作用,導致風暴南移且較為緩慢。500 hPa章丘探空站風向風速分別是298°、10.5 m·s-1,上游邢臺探空站風向風速分別是324°、9.2 m·s-1,引導氣流偏弱。新生單體主要在風暴西側與陣風鋒交匯區域,風暴向西傳播。

2.2 風暴參數演變

風暴參數包括最大反射率因子(ZHmax)及所在高度(H)、基于單體的垂直累積液態含水量(C-VIL)、單體頂部高度(Htop)、ZDR柱(0℃層以上大于1 dB)高度,KDP柱(0℃層以上大于0.75°·km-1)高度,以上除ZDR柱和KDP柱之外的參數可在風暴結構產品(62號)中直接讀出,詳見圖4a。

圖4 2021年7月9日(a)13:50—18:04風暴參數和(b)14:13—17:23中氣旋參數演變Fig.4 Evolution of (a) storm parameters from 13:50 to 18:04 BT and (b) mesocyclone parameters from 14:13 to 17:23 BT 9 July 2021

章丘超級單體風暴初始于13:50,13:50—14:08為發展階段,14:13—17:23為成熟階段,18:04后減弱消散,持續時間4 h 14 min左右。發展階段C-VIL 由13:50的5 kg·m-2迅速增大到14:08的67 kg·m-2,3個體掃躍增62 kg·m-2,對冰雹的發生有明顯的指示作用。風暴初始時刻具有較高的ZDR柱,之后隨單體的發展而明顯增高并維持在較高高度,KDP柱滯后于ZDR柱,高度也低于ZDR柱。單體B初始時刻13:50ZHmax為43 dBz,ZDR柱高度為7 km,而KDP較小,表明風暴觸發區域的陣風鋒附近具有強的上升氣流,新生單體內上升氣流占主導地位并含有少許大的液態粒子。13:56ZHmax明顯增大(最大為51 dBz),ZDR柱高度明顯增高(達到10.5 km),上升氣流強度明顯增強。

風暴在14:13—17:23出現中氣旋,持續時間為190 min,占風暴生命期的75%。中氣旋參數見圖4b,中氣旋頂高基本在6～8 km高度,最大旋轉速度(出流中心與入流中心徑向速度差除以2)基本在20 m·s-1左右(平均值為19.6 m·s-1),最大為25 m·s-1,中氣旋厚度較厚且強度強。風暴頂最大徑向速度差基本在50～60 m·s-1,平均為52.6 m·s-1,具有強的風暴頂輻散特征,其風暴頂幅散強度明顯大于王一童等(2022)所統計分析的超級單體風暴頂輻散強度(平均為38 m·s-1左右,多數在45 m·s-1左右)。

風暴成熟階段(14:13—17:23,圖4a)ZHmax、C-VIL、H、Htop、ZDR柱和KDP柱高度平均值分別為66.2 dBz、82.7 kg·m-2、3.7 km、12.3 km、11.0 km和8.7 km。風暴強度維持在65 dBz以上,頂高維持在12 km高度以上,C-VIL維持在80.0 kg·m-2以上,ZDR柱高度維持在11.0 km(環境溫度為-47℃層),KDP柱高度在8.7 km (環境溫度為-30℃層)附近。

旺盛階段(14:30—15:30地面出現50 mm冰雹階段,圖4a)ZHmax、C-VIL、H、Htop、ZDR柱和KDP柱高度平均值分別為65.5 dBz、85.8 kg·m-2、4.7 km、12.8 km、11.4 km和9.1 km。風暴強中心高度略高于0℃層高度,ZDR柱高度維持在環境溫度-48℃層上下,KDP柱高度在-33℃層附近,風暴頂最大徑向速度差的平均值為58.8 m·s-1,輻散強度明顯大于后期,更利于特大冰雹的出現。

章丘強風暴的主要特征:(1)ZDR柱高度較高,旺盛階段頂部在11.4 km(-48℃層高度),國內外文獻沒有看到ZDR柱如此之高的個例,Snyder et al(2015)分析的個例中個別時次ZDR柱高度接近10 km;表明章丘強風暴上升氣流非常強盛,強上升氣流區內環境溫度-48℃層高度上還存在小的液態粒子,利于冰雹粒子的濕增長。(2)強回波高度較高,14:31—15:28 11個體掃中有8個體掃在13 km左右高度上存在55 dBz以上強回波(圖略),利于形成大的甚至特大冰雹粒子。(3)風暴反射率因子偏弱。刁秀廣和郭飛燕(2021)、刁秀廣等(2021)和刁秀廣(2021)所分析的山東特大冰雹超級單體風暴強盛階段ZHmax平均在70 dBz以上,而章丘強風暴ZHmax平均為65.5 dBz,天氣實況災害較輕,推測大冰雹粒子密度較低是其原因之一,與南方強冰雹超級單體風暴強度(潘佳文等,2020;2021)對比也偏弱。(4)風暴頂輻散強度較強。風暴頂輻散強度越強,其“抽吸作用”越利于強上升氣流的出現與維持,利于中氣旋維持在較高高度和強回波懸垂及大冰雹增長,同時也是導致較高ZDR柱的關鍵因子之一。

由于探測模式原因,雷達探測到的風暴頂高低于實際高度。濟南雷達9.9°仰角在章丘上空探測到的高度在13 km左右,14.6°仰角無數據,只能將9.9°仰角探測到的30 dBz以上的數據作為風暴頂高。FY-2H在14:30、15:00和15:30探測到的云頂亮溫分別為221、219和218 K(圖略),云頂溫度基本在-55～-52℃(13.5～14.1 km),表明對流高度較高。

3 章丘超級單體風暴雙偏振結構特征

地面14:30之后出現強冰雹,選取14:31濟南雷達觀測數據進行分析。此時風暴ZHmax、Htop、ZDR柱高度和KDP柱高度分別為68 dBz、13.3 km、9.5 km和7.8 km,ZDR柱高度較高,在-37℃層高度,同時8.6 km高度(-30℃層)存在65 dBz以上反射率因子,表明風暴內部存在深厚的強上升氣流區。

3.1 垂直結構特征

圖5a～5d分別是14:31濟南雙偏振雷達水平極化反射率(ZH)、差分反射率因子(ZDR)、差分相移率(KDP)和相關系數(CC)垂直剖面,剖面是從雷達站點沿90°徑向,穿過有界弱回波區(BWER)中心,點線從外至內依次是50、55和60 dBz反射率因子等值線,紫色、紅色、白色和藍色水平直線分別為08:00 濕球0℃層(3.7 km)、0℃層(4.3 km)、-10℃層(6.0 km)和-20℃層(7.4 km)高度。

注:紫色、紅色、白色、藍色直線分別為濕球0℃層、0℃層、-10℃層和-20℃層高度。

可以看出,風暴西側(位于圖5的左側,下同)存在明顯的BWER,其正上方有60 dBz左右強回波懸垂。BWER東側為深厚的強回波墻,60 dBz回波頂部達到9.4 km(圖5a),≥60 dBz回波厚度達到5.1 km,風暴頂高13.3 km(-51℃層),風暴發展強盛。差分反射率垂直剖面上BWER上方有1條清晰的ZDR>1 dB大值區即ZDR柱(圖5b),頂部在9.5 km(-37℃層),表明有很強的上升氣流。ZDR柱與風暴內強上升氣流密切相關,對冰雹云的發展具有一定的預示性,強上升氣流將包有水膜的冰粒子和(或)液態粒子帶到環境0℃層高度以上,導致0℃層高度以上出現大的ZDR值(Kumjian et al,2014;刁秀廣等,2021)。0℃層高度以下弱回波區周圍ZDR呈環狀分布,即ZDR環,西側為上升氣流內的ZDR大值區,東側為回波墻內冰相粒子下降到0℃層高度開始出現明顯的融化,出現大的液態粒子和小的融化的冰粒子。

差分相移率垂直剖面上強回波內存在KDP>0.75°·km-1的大值區即KDP柱,頂部在7.8 km,高于-20℃層高度(圖5c)。ZDR柱與KDP柱分離,ZDR柱在55 dBz強回波西側,KDP柱(在60 dBz回波柱體西側)位于ZDR柱的東側,ZDR柱頂部高于KDP柱頂部。

相關系數垂直剖面上(圖5d),-10℃層高度上下與ZDR柱和KDP柱對應區域均存在CC小值區。ZDR柱內KDP和CC都小,少許偏大的液態粒子和濕冰粒子共存。KDP柱內ZDR和CC都小,一定數量小的液態粒子和干冰粒子共存。BWER下方為強上升氣流區,對應小的CC,粒子相態較為復雜?？赡苁且驗閺娛⒌娜肓鳉饬鲗⒎菤庀竽繕宋镂肷仙龤饬髦?造成該部分取樣體積內粒子形狀和種類多樣,造成CC值顯著降級。

綜合分析,濕球0℃層高度以下,風暴ZDR和KDP明顯增大而CC減小,冰相粒子下降到濕球0℃層高度出現明顯融化,一定濃度的液態粒子、融化的冰雹粒子共存。在最低仰角,ZH減弱,ZDR明顯變得更大,CC也變大,小的固態粒子融化程度更加徹底,融化后扁平程度更明顯。濕球0℃層高度以上,除ZDR柱和KDP柱外,其他區域ZDR和KDP較小,CC較大,以相對較干冰相粒子為主,60 dBz以上回波區含有高濃度或大的冰雹粒子,特別是65 dBz以上回波區,含有尺寸更大的冰雹粒子。-10℃層高度之上ZDR柱與KDP柱呈分離狀態,KDP柱位于ZDR柱的東側、強回波墻西側55～60 dBz區域,此種狀態的主要原因是,中層上升氣流區由于正的溫度擾動及液態水的存在,冰粒子出現濕增長,同時有部分液態水“甩落脫離”冰粒子而導致鄰近強回波區域偏大的KDP值(Rasmussen and Heymsfield,1987;Hubbert et al,1998;Loney et al,2002;Snyder et al,2013)。

圖5a中增加了14:25、14:36和14:42時刻的ZH垂直剖面,4個體掃ZDR柱高度分別是7.8、9.5、11.8和12.2 km(圖4a),明顯有增高趨勢,上升氣流強度加強。14:25—14:36 BWER上方存在較強的反射率因子懸垂,東側回波墻強度明顯增強、厚度明顯增厚,風暴發展迅猛。14:31—14:36,-30℃層高度65 dBz以上強回波快速下降并發展,14:36最大反射率因子達71 dBz,高度為3.8 km。14:42回波墻強度有所減弱,但60 dBz以上強回波厚度并沒有減少,依然維持旺盛狀態。

BWER上方的強回波懸垂含有豐富的相對干的冰相粒子及少量過冷卻液態雨滴或(和)濕冰粒子,發展到一定程度后進入下降通道, 60 dBz以上強回波厚度增厚,大的冰相粒子豐富,在有利的濕球0℃層高度條件下,地面容易出現大冰雹甚至特大冰雹,小的冰粒子融化后在底層形成較大的液態粒子。超級單體風暴在這種不斷循環的過程中維持,在地面不斷產生冰雹天氣。

3.2 水平結構特征

3.2.1 風暴底層特征

圖6a～6f分別是14:31濟南雙偏振雷達0.5°仰角ZH、V、ZDR、CC、KDP和粒子相態識別(HC)。圖中疊加了中氣旋(藍色圓圈),其中心對應的高度約1.0 km,藍色實線為50 dBz等值線,藍色虛線為60 dBz等值線。

注:藍色圓圈為中氣旋,藍色實線和藍色虛線分別為50 dBz和60 dBz反射率因子等值線。

強回波中心(圖6a,≥60 dBz)對應的ZDR在0.0～4.6 dB,CC在0.75～0.96,KDP基本為“空洞”區,當CC值低于0.85時,不對KDP進行計算。ZDR大小取決于粒子的大小和形態,球形粒子ZDR為0 dB。冰雹在下降過程中發生翻滾,呈現出近似于各向同性的球形粒子的特性,ZDR接近0 dB;融化程度較明顯的小冰雹粒子,扁平狀態明顯,ZDR較大。反射率因子大值區與ZDR小值區及小的CC是雙偏振雷達識別大冰雹的典型雙偏振特征。HC產品上為“空洞”,是產品算法的自身缺陷。

強回波區(圖6a,50～60 dBz)基本對應大的ZDR和大的KDP(空洞區除外),偏小的CC,ZDR多在2.0～6.0 dB,CC多在0.70～0.97,KDP多在0.75～2.4°·km-1,最大達4.2°·km-1,該區域以混合相態的大粒子為主,即大的液態粒子和小的濕冰粒子,局部存在稍強的降水。HC產品上為混有冰雹的大雨區。

風暴底層右后有明顯的入流缺口,入流缺口周圍及前側區域相關系數差別較大,ZDR較大(超過4 dB 區域為ZDR弧),KDP較小,底層上升氣流區周圍分布著少數呈扁平狀的大粒子或非氣象目標物粒子。

3.2.2 中層特征

圖7分別是14:31濟南雙偏振雷達4.3°仰角ZH、V、ZDR、CC、KDP和HC。圖中疊加了中氣旋(藍色圓圈),其中心對應的高度約5.98 km,基本對應08:00時刻的-10℃層高度(6.0 km),藍色實線為50 dBz等值線,藍色虛線為60 dBz等值線。

注:藍色圓圈為中氣旋,藍色實線和藍色虛線分別為50 dBz和60 dBz反射率因子等值線。

中層(-10℃層附近)有明顯的BWER(最小32 dBz),徑向速度上有較強的氣旋性旋轉氣流,旋轉速度約19 m·s-1,-10℃層附近氣旋性旋轉上升氣流強盛(圖7b)。

BWER附近存在1.0～3.5 dB的ZDR大值區即ZDR柱,0.75～1.5°·km-1的KDP大值區即KDP柱。ZDR柱對應ZH在32～62 dBz,CC在0.75～0.97,液態粒子與濕冰雹粒子共存。中氣旋南側存在兩處0.75～1.3°·km-1的KDP柱,對應大的ZH(39～57 dBz)、小的ZDR(-2.1～0.7 dB)和偏小的CC(0.79～0.99),小的液態粒子與干的冰雹粒子共存。強回波區(50～60 dBz)其他區域對應小的ZDR和KDP、大的CC,以冰雹粒子或霰粒子為主。

圖7e和7f的回波區內空洞區域有差異,主要是KDP產品回波區內“空洞”(白色區域)有2種情況,一是CC小于0.85時不進行計算而顯示為白色,二是KDP值小于-0.8°·km-1時也顯示為白色,KDP值小于-0.8°·km-1時HC產品不受影響。

3.2.3 高層特征

雙偏振雷達6.0°仰角(圖略)中氣旋中心對應的高度約8.2 km(接近08:00時-30℃層高度),最大反射率因子達到70 dBz,強度超過底層和中層。ZDR只有3個距離庫在1.0～2.4 dB,ZDR柱高度達到-30℃層高度但面積較小,沒有KDP大值區,CC較大,高層以干冰雹粒子(存在大的冰雹)和霰粒子為主。徑向速度圖上氣旋性旋轉速度約15 m·s-1,弱于下層。

4 雙偏振特征示意圖

基于前面的分析,給出章丘特大冰雹超級單體風暴水平和垂直方向雙偏振特征示意圖(圖8)。

圖8 濟南章丘特大冰雹超級單體偏振特征示意圖(a)底層,(b)中層,(c)垂直結構Fig.8 Polarization characteristics of supercell of Zhangqiu super hail in Jinan(a) bottom layer, (b) middle layer, (c) vertical structure

章丘超級單體風暴底層(圖8a,1.0 km左右)右后側有明顯的入流缺口,入流一側(入流缺口及其前側區域)對應有ZDR弧(ZDR>4 dB),以較大的粒子為主;60 dBz以上強回波中心對應偏小的ZDR和小的CC,為冰雹區,位于入流缺口東側;底層其他50～60 dBz強回波區域也具有大的ZDR和偏小的CC,以偏大的粒子(偏大的雨滴和小的濕冰粒子)為主;后側反射率因子梯度大值區具有強的下沉氣流(后側下沉氣流區),并產生明顯的陣風鋒;前側下沉氣流偏弱,與底層入流在前側形成輻合。

風暴中層(圖8b,6.0 km左右)存在BWER,其周圍ZDR柱、KDP柱和CC低值區同時存在,ZDR柱區域相對集中,KDP柱區域相對分散,ZDR柱與KDP柱呈分離狀態,ZDR柱基本處于KDP柱西側,強回波中心(≥60 dBz)位于BWER東側。中層ZDR柱、KDP柱和CC低值區基本處于低層入流缺口上方,為液態粒子或(和)濕的冰粒子集中區,ZDR柱和KDP柱之外的區域為寬闊的固態粒子區(包含小-大的冰雹粒子、霰粒子等)。

章丘超級單體風暴底層雙偏振特征,與Kumjian and Ryzhkov(2008)、Kumjian et al(2010)所歸納的超級單體雙偏振概念模型、潘佳文等(2021)所分析的閩南地區大冰雹超級單體及刁秀廣和郭飛燕(2021)所歸納的諸城強冰雹超級單體概念模型基本類似:入流缺口周圍及前側入流區一側存在明顯的ZDR弧,強冰雹區位于入流缺口左側區域,具有強的反射率因子、小的ZDR和小的CC。章丘超級單體風暴中層(約6 km高度)強上升氣流(BWER)周圍分布有ZDR柱、KDP柱和CC小值區,但形態結構與Kumjian and Ryzhkov(2008)、Kumjian et al(2010)、潘佳文等(2021)、刁秀廣和郭飛燕(2021)所歸納的不同,ZDR柱和CC不是呈環狀或半環狀分布,但在較低的濕球0℃層附近ZDR呈半環狀結構,ZDR環高度較低。

垂直結構上(圖8c),風暴BWER一側為強上升氣流區,0℃層高度以下分布有ZDR環,0℃層高度以上有較高的ZDR柱,ZDR環和ZDR柱對應的KDP較小,以少量偏大的液態粒子或小的濕冰粒子為主。BWER東側為深厚的強回波墻,50 dBz以上反射率因子達到10 km高度以上,濕球0℃層高度以上ZDR、KDP較小而CC較大,基本為相對干的冰相粒子,包括大、小冰雹粒子及霰粒子,濕球0℃層高度以上約9.5 km的厚度內含有豐富的冰相粒子;濕球0℃層高度以下出現融化,ZDR和KDP開始增大,下降到1 km高度時融化現象更加明顯,大的液態雨滴、小的融化冰粒子及冰雹粒子共存。降水粒子下降過程中重力拖曳產生下沉氣流,融化降溫進一步加強下沉氣流強度,等等,多種因素在地面出現下擊暴流天氣。

5 結 論

利用濟南S波段雙偏振雷達探測資料,定性分析了2021年7月9日章丘地區的一次特大冰雹超級單體風暴垂直結構及不同高度層雙偏振特征,討論了此次強風暴動力結構及云微物理特征,給出雙偏振特征分布示意圖,并與國內外超級單體風暴雙偏振概念模型進行了對比,得出如下結論。

(1)章丘超級單體風暴產生在西北氣流形勢背景下,具有強的垂直風切變和強的對流有效位能。風暴歷時較長(約250 min),移動緩慢,中氣旋持續時間約190 min,且旋轉強度較強。成熟階段,風暴西側與陣風鋒交匯區域不斷激發新生單體,并與主體回波合并,導致風暴長時間維持。風暴頂強輻散,利于強中氣旋的維持和強回波懸垂,也是風暴維持較長時間的關鍵因子之一。弱的高空引導氣流與新生單體向西傳播,導致風暴南移且較為緩慢。

(2)章丘超級單體風暴成熟階段風暴最大反射率因子、垂直累積液態含水量、風暴頂高、ZDR柱和KDP柱高度等參數較大或高度較高,特別是ZDR柱頂部達到環境溫度-47℃層高度,風暴內強上升氣流高度較高,環境0℃層高度之上較厚的厚度內含有液態粒子,利于冰雹粒子的濕增長。

(3)旺盛階段垂直結構上,強上升氣流區內存在較高的ZDR柱,深厚強盛的上升氣流區內含有少量偏大的液態粒子或小的濕冰粒子。BWER東側為深厚的強回波墻,濕球0℃層高度以上基本為相對干的冰相粒子,包括大、小冰雹粒子及霰粒子,厚度約9.5 km。濕球0℃層高度以下開始出現融化,ZDR和KDP開始增大,下降到1 km高度時融化現象更加明顯,大的液態雨滴、小的融化冰粒子及冰雹粒子共存。

(4)風暴底層(1.0 km高度附近)右后側有明顯的入流缺口,入流缺口前側區域存在4 dB以上ZDR弧,CC差別較大,KDP較小,底層上升氣流區周圍分布有少數大的液態粒子或小的融化冰粒子或非氣象目標物粒子。強回波中心(≥60 dBz)對應小的CC,ZDR偏小,為冰雹區。風暴中層(-10℃層附近)上升氣流區內存在ZDR柱和KDP柱(強冰雹超級單體風暴共性),同時CC較小,ZH較大,一定濃度的液態粒子與濕冰雹粒子共存;其他區域ZDR和KDP較小,CC較大,主要表現為干冰雹粒子和霰粒子。