高 麗 潘佳文 蔣璐璐 翁之梅

1 福建省臺(tái)州市氣象局，臺(tái)州 318000 2 廈門市氣象局，海峽氣象開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，廈門 361012 3 寧波市氣象局，寧波 315000

提 要： 2019年3月21日一次長(zhǎng)生命史超級(jí)單體導(dǎo)致浙江省中部多個(gè)縣(市)降雹，為了研究超級(jí)單體得以長(zhǎng)時(shí)間維持的環(huán)境背景及其云物理特征，利用常規(guī)資料以及寧波S波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)，結(jié)合粒子相態(tài)識(shí)別算法，對(duì)此次過(guò)程的演變進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：高空槽前、850 hPa切變線附近和地面冷鋒為超級(jí)單體提供了合適的環(huán)流背景；風(fēng)暴傳播區(qū)域?qū)α饔行荒艿脑黾?、風(fēng)暴承載層的平均風(fēng)向與風(fēng)暴移動(dòng)方向相近、風(fēng)速大、對(duì)流風(fēng)暴沿地面假相當(dāng)位溫梯度大值區(qū)向東傳播及沿海強(qiáng)垂直風(fēng)切變，導(dǎo)致中氣旋旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)厚度的增加，這些都是對(duì)流風(fēng)暴長(zhǎng)時(shí)間維持的原因。通過(guò)此次降雹單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)：整個(gè)生命史對(duì)流發(fā)展非常旺盛，最大反射率維持在60 dBz以上，風(fēng)暴頂維持在8 km以上，風(fēng)暴質(zhì)心高度出現(xiàn)的三次明顯波動(dòng)，對(duì)應(yīng)三次降雹過(guò)程。垂直累積液態(tài)含水量(VIL)躍增量雖不及傳統(tǒng)指標(biāo)，但結(jié)合垂直累積液態(tài)含水量密度(VILD)、VIL最大值及最大反射率因子大值區(qū)，對(duì)冰雹業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)有指示作用。通過(guò)降雹單體雙偏振特征分析發(fā)現(xiàn)：冰雹下落過(guò)程中的翻滾現(xiàn)象，導(dǎo)致差分反射率(Zdr)值接近0 dB，水平和垂直偏振波差異導(dǎo)致三體散射特征(TBSS)根部Zdr大值區(qū)的出現(xiàn)；冰雹降落融化產(chǎn)生的外包水膜現(xiàn)象，使其Zdr值增大，相關(guān)系數(shù)(CC)值減??；通過(guò)偏振參數(shù)Zdr和CC特征，有助于識(shí)別高空大冰雹；超級(jí)單體的有界弱回波區(qū)(BWER)附近的Zdr柱不僅可指示上升運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)降雹單體不同的成長(zhǎng)階段具有指示作用。

引 言

冰雹作為對(duì)流風(fēng)暴成熟階段的產(chǎn)物，其突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大，常導(dǎo)致嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣，一直是災(zāi)害性天氣研究領(lǐng)域的重要課題。在導(dǎo)致冰雹的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴中，超級(jí)單體風(fēng)暴作為組織程度最高的風(fēng)暴，往往造成的雹災(zāi)更為嚴(yán)重，也更值得研究。

這些研究加深了對(duì)降雹型超級(jí)單體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，但由于單偏振多普勒天氣雷達(dá)不易探測(cè)粒子相態(tài)、形狀、空間取向等云物理特征，因此上述研究多集中于風(fēng)暴結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)于云物理結(jié)構(gòu)方面的研究相對(duì)較少。

隨著我國(guó)雙偏振天氣雷達(dá)升級(jí)改造計(jì)劃的推進(jìn)，將進(jìn)一步提高冰雹等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。2019年3月21日06—11時(shí)(北京時(shí)，下同)浙江省中部出現(xiàn)的超級(jí)單體造成金華、紹興、臺(tái)州、寧波等多個(gè)縣市降雹，維持近6 h，但預(yù)報(bào)難度高，極具研究?jī)r(jià)值。本文利用常規(guī)觀測(cè)資料、NECP再分析資料和雙偏振雷達(dá)資料，對(duì)此過(guò)程中造成多次降雹的長(zhǎng)生命史超級(jí)單體的維持機(jī)制以及冰雹偏振特征進(jìn)行研究，以提升超級(jí)單體降雹機(jī)理的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而探討如何運(yùn)用雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)提高長(zhǎng)歷時(shí)超級(jí)單體降雹的預(yù)警能力。

1 資料與方法

所用資料包括：寧波S波段雙偏振多普勒雷達(dá)(海拔高度458 m)每6 min一次的探測(cè)產(chǎn)品、常規(guī)高空探測(cè)和地面觀測(cè)產(chǎn)品、浙江省中尺度站觀測(cè)數(shù)據(jù)以及NECP 1°× 1°再分析資料。

為確保雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)的可靠性，本文參考吳翀(2018)所提出的質(zhì)量控制算法，使用相關(guān)系數(shù)及信噪比數(shù)據(jù)對(duì)非氣象回波進(jìn)行了剔除。此外，使用Park et al(2009)基于模糊邏輯算法的HCA粒子相態(tài)分類算法，即將雷達(dá)回波識(shí)別為“小雨、大雨、冰雹、大雨滴、生物、地物、干雪、濕雪、冰晶、霰”共10類水凝物相態(tài)。相關(guān)研究表明HCA算法可增進(jìn)對(duì)強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴內(nèi)部微物理結(jié)構(gòu)的了解(潘佳文等，2020a)，同時(shí)該算法已在WSR-88D雙偏振雷達(dá)上進(jìn)行廣泛的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2 天氣過(guò)程概述及分析

2.1 天氣過(guò)程概述

2019年3月20日16—20時(shí)，受西南暖濕氣流影響，安徽南部、江西北部有多條緯向多單體回波生成并發(fā)展，并于21日06時(shí)進(jìn)入浙江省境內(nèi)。在浙江省有利的環(huán)流背景下發(fā)展成為超級(jí)單體風(fēng)暴，生命史近6 h(21日06—12時(shí))，造成浙江省多縣(市)冰雹天氣。截至21日12時(shí)，浙江金華、紹興、臺(tái)州、寧波4個(gè)市9個(gè)縣(區(qū))受災(zāi)(如圖1)，根據(jù)災(zāi)情收集上報(bào)情況，本次過(guò)程以直徑小于2 cm的小冰雹為主，最大冰雹直徑為2 cm，達(dá)到大冰雹標(biāo)準(zhǔn)。此次過(guò)程具有降雹時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣、造成災(zāi)害重等特點(diǎn)。那么導(dǎo)致多次降雹的超級(jí)單體長(zhǎng)時(shí)間維持的原因是什么？此次超級(jí)單體降雹過(guò)程又有哪些雙偏振特征？

2.2 天氣形勢(shì)分析

21日08時(shí)，降雹區(qū)位于500 hPa冷溫槽前，高層200 hPa及中低層500、700、850 hPa皆有強(qiáng)盛西南氣流輸送，浙江西部位于高空急流右側(cè)及低空急流出口左前方鋒生區(qū)，高低空急流耦合有利于對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展。同時(shí)低層850 hPa東北—西南走向切變線橫跨浙江中部，地面冷鋒南壓至浙江西北部，浙江中部(降雹區(qū))位于在高空槽前、850 hPa切變線附近和地面冷鋒南側(cè)正渦度輻合上升區(qū)(圖2a)。

從浙江西部代表站衢州站探空曲線上看500 hPa存在明顯干冷空氣入侵，T-Td由12℃(20日20時(shí))增加至35℃(21日08時(shí)，圖略)，干冷空氣疊置于低層強(qiáng)盛的西南急流形成的暖能量舌之上，使得溫度垂直遞減率增大并形成上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)；同時(shí)中低層環(huán)境風(fēng)垂直切變顯著增強(qiáng)，20日08時(shí)0～3 km垂直風(fēng)切變達(dá)22 m·s-1，0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?8 m·s-1，強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有利于對(duì)流風(fēng)暴的高度組織化發(fā)展和傳播。隨著地面冷鋒南下伴隨低層(850 hPa)切變線東移導(dǎo)致浙江中部對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展。對(duì)比21日08時(shí)浙江中南部代表站洪家站探空曲線(圖2b)可以發(fā)現(xiàn)，低層較高的濕度下，云底低，溫度與露點(diǎn)曲線自下而上呈喇叭口形狀，上干下濕的垂直結(jié)構(gòu),250 hPa及以上的西南風(fēng)高達(dá)60 m·s-1，高空風(fēng)的抽吸作用促進(jìn)對(duì)流的發(fā)展，有利于冰雹的發(fā)生。同時(shí)0℃層和-20℃層高度分別為4.2和7.1 km。需要注意的是，探空數(shù)據(jù)的0℃層高度為干球溫度0℃(DBZ)層，并不能準(zhǔn)確反映冰雹融化層高度。為更準(zhǔn)確地指示冰雹融化層高度，根據(jù)俞小鼎(2014)的研究，當(dāng)對(duì)流層中層存在明顯干層時(shí)，濕球溫度0℃(WBZ)層的高度將明顯低于DBZ，WBZ可更準(zhǔn)確地指示冰雹融化層高度。通過(guò)計(jì)算WBZ高度為3.8 km，明顯低于DBZ高度，這一現(xiàn)象說(shuō)明蒸發(fā)冷卻引起的水膜再凍結(jié)會(huì)有利于大冰雹落地。

圖1 浙江探測(cè)站點(diǎn)分布、冰雹落區(qū)(縣)以及冰雹開(kāi)始時(shí)間Fig.1 Distribution of observation stations in Zhejiang, hail falling area (county) and onset time of hail

圖2 2019年3月21日08時(shí)中尺度分析(a)和洪家站T-logp圖(b)Fig.2 Mesoscale analysis (a) and T-logp diagram at Hongjia Station (b) at 08:00 BT 21 March 2019

3 長(zhǎng)生命史超級(jí)單體維持機(jī)制

3.1 不穩(wěn)定層結(jié)

對(duì)流風(fēng)暴為何能維持如此長(zhǎng)的生命史且在移動(dòng)過(guò)程中接連產(chǎn)生冰雹？

下面通過(guò)討論對(duì)流傳播區(qū)域(29.0°～29.5°N、119.5°～122°E)對(duì)流穩(wěn)定度(?θse/?z)隨時(shí)間的變化(圖3a)，進(jìn)而分析對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展和維持的原因。冰雹發(fā)生前20日20時(shí)至21日02時(shí)，邊界層(1 000～850 hPa)以及對(duì)流層中層(600～500 hPa)表現(xiàn)為弱不穩(wěn)定層結(jié)，而對(duì)流層中下部(850～700 hPa)雖然為穩(wěn)定層結(jié)，但不穩(wěn)定度呈增加趨勢(shì)，尤其是21日08時(shí)，對(duì)流層中下部(850～700 hPa)由條件不穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定層結(jié)，不穩(wěn)定度快速累積，一定程度上破壞了對(duì)流層中層(700～600 hPa及600～500 hPa)不穩(wěn)定度層結(jié)趨于穩(wěn)定的狀態(tài)(21日02—08時(shí))。21日08時(shí)之后，對(duì)流層整體不穩(wěn)定度增加，不穩(wěn)定層結(jié)增厚。超級(jí)單體風(fēng)暴移動(dòng)到不穩(wěn)定的環(huán)境中，不斷地獲取能量，從而得以較長(zhǎng)時(shí)間的維持和發(fā)展。

圖3 2019年3月20日20時(shí)至21日20時(shí)對(duì)流不穩(wěn)定度隨時(shí)間變化(a)和20日08時(shí)至21日20時(shí)29.2°N 700 hPa溫度平流(單位：K·s-1)隨時(shí)間變化(b)Fig.3 Variation of convective instability during 20:00 BT 20 to 20:00 BT 21 (a) and 29.2°N temperature advection (unit: K·s-1) during 08:00 BT 20 to 20:00 BT 21 (b) in March 2019

與其他層明顯不同，在超級(jí)單體移入影響前及影響后，對(duì)流層中下部(850～700 hPa)穩(wěn)定度呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)原因何在？西南氣流東移使得浙江中部對(duì)流層中下層受暖平流影響，從各層的平流變化看(圖略)，在風(fēng)暴移近時(shí)段21日02—08時(shí)700 hPa暖平流有明顯增強(qiáng)，同時(shí)大于其他層次。從29.2°N溫度平流沿經(jīng)向分布時(shí)序(圖3b，700 hPa)可以看出，21日02—20時(shí)浙江中部處于暖平流的控制下，而降雹區(qū)域120°～121°E在21日08—20時(shí)出現(xiàn)暖平流中心，這可能與對(duì)流發(fā)生過(guò)程中潛熱釋放有關(guān)。持續(xù)的暖平流輸送使得此區(qū)域不穩(wěn)定度持續(xù)增長(zhǎng)，120.5°～121°E的700 hPa暖平流中心的出現(xiàn)也說(shuō)明了超級(jí)單體在第二次降雹之后仍會(huì)繼續(xù)發(fā)展的原因。

3.2 風(fēng)暴承載層平均風(fēng)

高曉梅等(2018)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)暴承載層平均風(fēng)向與風(fēng)暴移動(dòng)方向越相近，越有利于風(fēng)暴的維持，通常用850、700、500、300 hPa四個(gè)層的平均矢量風(fēng)來(lái)代表風(fēng)暴承載層的平均移向。通過(guò)計(jì)算：21日08時(shí)浙江中南部代表站臺(tái)州洪家站風(fēng)暴承載層風(fēng)速為26.4 m·s-1，平均風(fēng)向?yàn)?52°；而降雹風(fēng)暴平均移動(dòng)速度為20.2 m·s-1，相當(dāng)于風(fēng)暴承載層平均風(fēng)的76.5%，方向?yàn)?61°，偏向風(fēng)暴承載層右側(cè)9°。風(fēng)暴承載層風(fēng)速大同時(shí)與降雹風(fēng)暴移向相近，對(duì)風(fēng)暴移動(dòng)起到正反饋?zhàn)饔?，?dǎo)致風(fēng)暴長(zhǎng)時(shí)間維持，從而出現(xiàn)長(zhǎng)生命史的降雹風(fēng)暴。同時(shí)較大風(fēng)速增強(qiáng)了下沉氣流的動(dòng)量下傳作用，有利于風(fēng)暴組織化的增強(qiáng)。

3.3 地面假相當(dāng)位溫演變

圖4為風(fēng)暴路徑與地面假相當(dāng)位溫的演變，由圖可知，21日09—11時(shí)浙江省中部一直存在假相當(dāng)溫度的梯度大值區(qū)。在此期間，超級(jí)單體風(fēng)暴位于高位溫舌的頂端，其移動(dòng)路徑與假相當(dāng)位溫等值線密集帶相平行并偏向于冷區(qū)一側(cè)。鋒面作為不同性質(zhì)氣團(tuán)的交界面，其兩側(cè)通常存在明顯的溫度、濕度、壓力對(duì)比，假相當(dāng)位溫作為一種綜合反映溫度、氣壓、濕度的物理量，在此次過(guò)程中，其梯度大值區(qū)與地面冷鋒在空間上存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此時(shí)的假相當(dāng)位溫梯度大值區(qū)同樣具備地面鋒面所具有的較強(qiáng)斜壓性。在本次過(guò)程中，超級(jí)單體沿著假相當(dāng)位溫梯度大值區(qū)移動(dòng)，該區(qū)域附近的強(qiáng)斜壓性有利于水平渦度的形成和維持，從而使得超級(jí)單體得以長(zhǎng)時(shí)間維持和發(fā)展。

3.4 深厚的垂直風(fēng)切變和內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的維持

風(fēng)暴的發(fā)展維持、形態(tài)演變與垂直風(fēng)切變密切相關(guān)，強(qiáng)而深厚的垂直風(fēng)切有助于對(duì)流風(fēng)暴的有組織化以及發(fā)展加強(qiáng)(張建軍等，2016)。王秀明等(2015)發(fā)現(xiàn)：低層較高濕度下，云底低，強(qiáng)風(fēng)垂直切變與強(qiáng)的垂直運(yùn)動(dòng)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而使風(fēng)暴高度組織化，進(jìn)而成為長(zhǎng)生命史風(fēng)暴。同時(shí)垂直風(fēng)切變通過(guò)水平渦度向垂直渦度的轉(zhuǎn)換和積累，使風(fēng)暴內(nèi)部渦度結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而使風(fēng)暴內(nèi)部環(huán)流維持時(shí)間更長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)更加緊密(俞小鼎等，2006)。

通過(guò)風(fēng)暴加強(qiáng)前浙江省0～6 km風(fēng)切變(圖略)可以看到，21日02時(shí)之前浙江中部一帶存在34～38 m·s-1的垂直風(fēng)切變，風(fēng)暴進(jìn)入浙江后21日08時(shí)，36～48 m·s-1的強(qiáng)垂直風(fēng)切變中心東移到浙江東部，尤其是寧波、臺(tái)州沿海，這也說(shuō)明了超級(jí)單體進(jìn)入寧波之后仍出現(xiàn)發(fā)展加強(qiáng)的原因。強(qiáng)風(fēng)垂直切變環(huán)境下，風(fēng)暴出現(xiàn)明顯的旋轉(zhuǎn)特征，水平旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)生加速了風(fēng)暴內(nèi)上升氣流和下沉氣流的共存，通過(guò)寧波雷達(dá)探測(cè)到風(fēng)暴旋轉(zhuǎn)速度(圖5)可以看出：在強(qiáng)的風(fēng)垂直切變條件下，自08:42金華出現(xiàn)中氣旋現(xiàn)象，至11:15寧波象山回波出海，中氣旋維持近3 h。鄭媛媛等(2004)研究發(fā)現(xiàn)：持續(xù)3個(gè)體掃以上的中氣旋與冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣具有很大的相關(guān)性。在三次降雹過(guò)程中，與常規(guī)的降雹過(guò)程類似，皆出現(xiàn)有界弱回波區(qū)(BWER)坍塌的現(xiàn)象(圖略)，但中氣旋的最大旋轉(zhuǎn)速度卻仍然維持甚至有所增強(qiáng)，直至降雹結(jié)束中氣旋的旋轉(zhuǎn)速度才緩慢減弱，并在中層(2～6 km)維持,這一現(xiàn)象與潘玉潔等(2008)的研究結(jié)果相近。

圖4 2019年3月21日09時(shí)(a)，10時(shí)(b)，11時(shí)(c)地面假相當(dāng)位溫分析(單位：K)Fig.4 Analysis of the potential pseudo-equivalent temperature (unit: K)at 09:00 BT (a), 10:00 BT (b), 11:00 BT (c) March 21 2019

俞小鼎等(2006)發(fā)現(xiàn)，0℃層以上1.5～2 km是冰雹增長(zhǎng)的關(guān)鍵區(qū)域，因此0℃以上的持續(xù)中氣旋旋轉(zhuǎn)更有利于冰雹的產(chǎn)生。在后兩次冰雹過(guò)程中，中氣旋的最大旋轉(zhuǎn)高度超過(guò)0℃層(3.8 km)并呈上升趨勢(shì)。同時(shí)中氣旋旋轉(zhuǎn)速度增大，旋轉(zhuǎn)高度升高，氣旋式旋轉(zhuǎn)柱加厚，分別呈現(xiàn)出2或3 km的增長(zhǎng)。由于中氣旋的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)造成明顯有界弱回

圖5 2019年3月21日08：42—11：06中氣旋高度及不同仰角旋轉(zhuǎn)速度(橫軸上紅色線段為降雹時(shí)長(zhǎng),與圖8一樣)Fig.5 Height of mesocyclone and rotation speed at different elevations during 08:42 BT to 11:06 BT 21 March 2019 (Red lines on horizontal axis： duration of hailfall, same as Fig.8)

波、回波傾斜及懸垂結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，使得超級(jí)單體組織化程度更高，也是此降雹風(fēng)暴長(zhǎng)時(shí)間維持的原因。

4 雷達(dá)回波特征演變分析

4.1 回波演變

導(dǎo)致此次浙江中部連續(xù)降雹過(guò)程的對(duì)流風(fēng)暴，于3月21日02:30在江西省北部生成，其在東移過(guò)程中與多個(gè)對(duì)流單體合并(圖略)，05時(shí)該對(duì)流單體進(jìn)入浙江省境內(nèi)，并在衢州市開(kāi)化縣導(dǎo)致了地面短時(shí)大風(fēng)(11級(jí))。

08:42對(duì)流單體位于寧波雷達(dá)西南方235°/182 km處，單體的南側(cè)呈現(xiàn)出鉤狀回波特征(圖6a)，鉤狀回波東側(cè)具有寬廣的倒“V”字型前側(cè)入流缺口(FIN),與之對(duì)應(yīng)，單體的西側(cè)存在后側(cè)入流缺口(RIN)，這些都是經(jīng)典超級(jí)常見(jiàn)的特征。而風(fēng)暴相對(duì)徑向速度場(chǎng)上表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)對(duì)稱的中氣旋(圖6b)，最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度為21 m·s-1，達(dá)到強(qiáng)中氣旋的標(biāo)準(zhǔn)(Andra,1997)。代表較強(qiáng)的前側(cè)入流和后側(cè)下沉氣流的FIN和RIN以及強(qiáng)中氣旋的同時(shí)存在，預(yù)示著該超級(jí)單體已發(fā)展至成熟階段，并于08:53發(fā)生第一次降雹。

09:32在超級(jí)單體的后側(cè)，有對(duì)流單體B通過(guò)云橋與超級(jí)單體A建立連接(圖6c)，單體B在速度場(chǎng)上具有中尺度對(duì)流渦旋(MCV)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度為7 m·s-1(圖6d)。在后續(xù)時(shí)次，對(duì)流單體B逐漸并入超級(jí)單體A，對(duì)流單體的合并使得超級(jí)單體A得以維持并增強(qiáng)，其最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度也有明顯提升(圖5)。

09:54超級(jí)單體A再次發(fā)生降雹，在其西南側(cè)不斷有對(duì)流單體生成，Zh強(qiáng)中心迅速增大至50 dBz后并入超級(jí)單體A。10:17超級(jí)單體A的形態(tài)已初步呈現(xiàn)出弓狀回波的特征(圖7)。當(dāng)超級(jí)單體嵌入中尺度對(duì)流系統(tǒng)中(如颮線、弓狀回波等),往往具有更長(zhǎng)的生命史，并常造成更嚴(yán)重的災(zāi)害(Atkins et al,2005)。在本次過(guò)程中則表現(xiàn)為超級(jí)單體A的旋轉(zhuǎn)速度一直維持在中氣旋的強(qiáng)度，并于10:40第三次降下冰雹。

截至11：14回波主體東移入海，超級(jí)單體A在近3 h的時(shí)間內(nèi)共發(fā)生三次降雹過(guò)程。因此，有必要對(duì)超級(jí)單體A的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)和偏振特征繼續(xù)進(jìn)行分析。

圖6 2019年3月21日08:42(a，b)和09:32(c，d)時(shí)0.5°仰角水平反射率因子(a，c)和徑向速度(b，d)Fig.6 Zh (a, c), Vr (b, d) observed at 0.5° elevation at 08:42 BT (a, b) and (c, d) 09:32 BT 21 March 2019

圖7 2019年3月21日10:17時(shí)0.5°仰角水平反射率因子Fig.7 Zh observed at 0.5° elevation at 10:17 BT 21 March 2019

4.2 風(fēng)暴結(jié)構(gòu)演變

圖8為寧波雷達(dá)所觀測(cè)的超級(jí)單體A的時(shí)間演變，白色柱體為風(fēng)暴高度，橫坐標(biāo)紅色實(shí)線為三次冰雹發(fā)生時(shí)間。在風(fēng)暴發(fā)展過(guò)程中，三次降雹過(guò)程最大反射率因子(DBZM)都在59 dBz以上，第三次降雹時(shí)DBZM已增至76 dBz。通過(guò)風(fēng)暴最大反射率因子高度(MHT)、頂高、底高(柱體)的演變趨勢(shì)(左側(cè)坐標(biāo))可以看出三次降雹過(guò)程的變化：起始對(duì)流風(fēng)暴位于對(duì)流層中層、質(zhì)心高度偏高，并逐漸向下伸展，整個(gè)生命史中對(duì)流發(fā)展非常旺盛，最大反射率維持在60 dBz以上，風(fēng)暴頂維持在8 km以上，風(fēng)暴質(zhì)心的高度出現(xiàn)了三次明顯的波動(dòng)，并對(duì)應(yīng)三次降雹過(guò)程。由于第二次和第三次降雹過(guò)程對(duì)流單體與超級(jí)單體發(fā)生合并作用，09:32和10:34，MHT、VIL、VILD表現(xiàn)為同步快速增長(zhǎng)，降雹前1個(gè)體掃VIL分別達(dá)到最大值55和60 kg·m-2。

圖8 2019年3月21日08：08—11：14超級(jí)單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的演變Fig.8 Evolution of supercell storm structure with time during 08:08 BT to 11:14 BT 21 March 2019

吳芳芳等(2013)通過(guò)一系列超級(jí)單體特征研究發(fā)現(xiàn)垂直累積液態(tài)含水量(VIL)和冰雹尺度存在正相關(guān)。刁秀廣等(2008)發(fā)現(xiàn)降雹風(fēng)暴在成熟階段有明顯的VIL躍增現(xiàn)象，通常在16～20 kg·m-2較為有利。同時(shí)其附加指標(biāo)垂直累積含水量密度VILD≥4 g·m-3出現(xiàn)冰雹概率極大，因此業(yè)務(wù)中經(jīng)常關(guān)注VIL的躍增、VILD≥4 g·m-3及VIL持續(xù)高值區(qū)(60～70 kg·m-2)，也經(jīng)常作為是直徑大于2 cm大冰雹預(yù)報(bào)指標(biāo)，但是對(duì)于直徑小于2 cm的冰雹，由于VIL極大值只有40～50 kg·m-2，所以在臨近預(yù)報(bào)中經(jīng)常被忽視。通過(guò)三次冰雹過(guò)程的參數(shù)變化(表1)，在降雹前VIL有11～14 kg·m-2的躍增，由于冰雹尺度小，其增量不及傳統(tǒng)指標(biāo)，但是VILD達(dá)6 g·m-3左右、VIL最大值在50 kg·m-2及DBZM達(dá)70 dBz上下，在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中匹配應(yīng)用應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注。

表1 三次降雹(金華、臺(tái)州、寧波)過(guò)程參數(shù)變化Table 1 Parameters of three hailstorms in Jinhua, Taizhou and Ningbo

4.3 雙偏振特征分析

4.3.1 冰雹特征

眾所周知，由于冰雹介電常數(shù)低、空間取向隨機(jī)、偏振特征與雨滴明顯不同的特點(diǎn)，可以將水凝物的相態(tài)區(qū)分開(kāi)來(lái)。以往的研究表明：相較于只使用Zh進(jìn)行冰雹的識(shí)別，綜合運(yùn)用Zdr和CC，可更為準(zhǔn)確地識(shí)別出冰雹在對(duì)流單體中的位置及其相態(tài)特征(Aydin et al，1986)。

圖9顯示了第三次降雹10:40時(shí)0.5°仰角的Zh、Zdr、CC和粒子相態(tài)識(shí)別結(jié)果。此時(shí)，Zh強(qiáng)中心超過(guò)65 dBz，最大值達(dá)67.5 dBz(圖9a)。Zdr低值區(qū)位于該區(qū)域的南側(cè)，最小數(shù)值為負(fù)值(圖9b)。由粒子相態(tài)識(shí)別結(jié)果可知，在冰雹所在區(qū)域呈現(xiàn)出低Zdr值區(qū)域被高Zdr值區(qū)域包圍的現(xiàn)象(圖9d)。究其原因：大冰雹在下落過(guò)程中由于翻滾現(xiàn)象，使得Zdr值接近0 dB。但其周圍的冰雹在下落時(shí)融化，產(chǎn)生外包水膜現(xiàn)象使得Zdr值上升。結(jié)合CC可以發(fā)現(xiàn)(圖9c)，冰雹所在區(qū)域CC值明顯下降，說(shuō)明此處的冰雹已發(fā)生融化，存在混合相態(tài)的水凝物。

4.3.2 三體散射特征(TBSS)

雷達(dá)探測(cè)大冰雹時(shí)，常觀測(cè)到三體散射特征(TBSS)。TBSS是一種虛假回波，表現(xiàn)為在大冰雹區(qū)的徑向遠(yuǎn)側(cè)無(wú)回波區(qū)出現(xiàn)弱的Zh回波束，可作為判別大冰雹的充分但非必要條件(Lemon,1998)。

10:51寧波雷達(dá)1.5°仰角出現(xiàn)TBSS現(xiàn)象，Zh強(qiáng)中心達(dá)72.5 dBz，在其徑向遠(yuǎn)端的弱回波(<20 dBz)伸展長(zhǎng)度達(dá)15 km。由圖10b和10c可以發(fā)現(xiàn)，冰雹區(qū)的Zdr幾乎為0，而TBSS的根部Zdr有大值區(qū)(5.9 dB)，這是由于冰雹的散射波被地面反射，水平偏振和垂直偏振波的反射差異所致；CC值在冰雹區(qū)數(shù)值小，在TBSS的根部CC值更小(0.22)：并隨距離增大逐漸減小到負(fù)值，這與Kumjian et al(2010)歸納的TBSS的偏振特征相符(見(jiàn)圖10中圓圈)。

然而，由于強(qiáng)回波后側(cè)常有較強(qiáng)降雨回波存在，TBSS的Zh弱回波常被遮掩無(wú)法辨別(廖玉芳等,2007)，09:04寧波雷達(dá)1.5°仰角Zh強(qiáng)中心達(dá)63 dBz，由HCA識(shí)別結(jié)果可知，此時(shí)Zh強(qiáng)中心附近有冰雹存在，然而在Zh強(qiáng)中心的徑向遠(yuǎn)端還存在降水回波，因此無(wú)法辨別是否存在TBSS(圖略)。但通過(guò)結(jié)合Zdr和CC等偏振參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)存在Zdr激增、CC降低的TBSS偏振特征，從而提高了對(duì)TBSS的辨識(shí)能力。

4.3.3Zdr柱特征

先前的研究表明，強(qiáng)上升氣流有利于冰雹的產(chǎn)生，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間停留在具有過(guò)冷云(雨)滴的凍云中是其尺寸增長(zhǎng)的主要方式(許煥斌，2012)。Zdr柱是對(duì)流風(fēng)暴中最為常見(jiàn)的偏振特征之一，常位于上升氣流附近，可用于指示上升氣流的存在(潘佳文等，2020a；2020b)。由圖11可知，在超級(jí)單體的BWER 附近存在Zdr大值區(qū)(圖11b,11d中黑色圓圈處)，其伸展高度可達(dá)1.5°仰角(大約6.8 km)。

圖9 2019年3月21日10:40時(shí)0.5°仰角水平反射率因子(a)，差分反射率因子(b)，相關(guān)系數(shù)(c)和粒子相態(tài)識(shí)別結(jié)果(d)(圖中黑色圓圈是降雹區(qū))Fig.9 Zh (a), Zdr (b), CC (c) and HCA (d) observed at 0.5° elevation at 10:40 BT 21 March 2019(black circle: hail area)

圖10 2019年3月21日10:51時(shí)1.5°仰角水平反射率因子(a)，差分反射率因子(b)，相關(guān)系數(shù)(c)Fig.10 Zh (a), Zdr (b) and CC (c) observed at 1.5° elevation at 10:51 BT 21 March 2019

圖11 2019年3月21日08:47時(shí)0.5°(a，b)和1.5°(c，d)仰角水平反射率因子(a，c)、差分反射率因子(b，d)Fig.11 Zh (a, c), Zdr (b, d) observed at 0.5° (a, b) and 1.5° (c, d) elevations at 08:47 BT 21 March 2019

沿寧波雷達(dá)233°徑向做垂直剖面，可以發(fā)現(xiàn)Zdr柱主要位于BWER內(nèi)側(cè)及回波墻處(圖12a)，Zdr>1 dB區(qū)域的最大伸展高度可達(dá)-20℃層(圖12b)。同時(shí)伴有CC數(shù)值下降的現(xiàn)象(圖12c)，說(shuō)明此處存在混合相態(tài)粒子，冰雹正經(jīng)歷濕增長(zhǎng)。

隨后時(shí)次，Zdr柱的伸展高度不斷下降，并于09:04 降至最低(圖12e)，其垂直伸展高度低于-10℃，此時(shí)地面正發(fā)生降雹。需要注意的是，在Zdr柱后側(cè)，距離雷達(dá)176 km處，存在Zdr值驟增(圖12e)、CC值驟減(圖12f)區(qū)域，此為TBSS在垂直結(jié)構(gòu)上的偏振特征。

在此后兩次降雹過(guò)程中，Zdr柱的伸展高度均呈現(xiàn)出相同的發(fā)展趨勢(shì)，其伸展高度不斷增長(zhǎng)，分別于09:21和10:12達(dá)到最大，Zdr>1 dB區(qū)域均觸及-20℃層，隨后逐漸下降，于降雹時(shí)降至最低。

在此后兩次降雹過(guò)程中，Zdr柱的伸展高度均呈現(xiàn)出相同的發(fā)展趨勢(shì)，其伸展高度不斷增長(zhǎng)，分別于09:21和10:12達(dá)到最大，Zdr>1 dB區(qū)域均觸及-20℃層，隨后逐漸下降，于降雹時(shí)降至最低。

5 結(jié)論與討論

本文針對(duì)2019年3月21日發(fā)生在浙江省一次長(zhǎng)生命史的超級(jí)單體多次降雹過(guò)程，利用常規(guī)觀測(cè)資料以及寧波S波段雙偏振雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)超級(jí)單體得以長(zhǎng)時(shí)間維持的環(huán)境參數(shù)做出分析，并對(duì)導(dǎo)致多次降雹的超級(jí)單體的雙偏振雷達(dá)特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：

圖12 2019年3月21日08:47沿233°徑向(a,b,c)和09:04沿232°徑向(d,e,f)水平反射率因子(a,d)、差分反射率因子(b,e)、相關(guān)系數(shù)(c,f)垂直剖面Fig.12 Vertical cross-section of Zh (a, d), Zdr (b, e), CC (c, f) along the 233° azimuth at 08:47 BT (a, b, c) and along the 232° azimuth at 09:04 BT (d, e, f) 21 March 2019

(1)降雹區(qū)位于在500 hPa高空槽前、850 hPa切變線附近和地面冷鋒南側(cè)正渦度輻合上升區(qū)中，干冷空氣的侵入導(dǎo)致溫度直減率增加，合適的0℃和-20℃層為降雹提供了合適的環(huán)境條件。

(2)持續(xù)的暖平流輸送導(dǎo)致風(fēng)暴傳播區(qū)域不穩(wěn)定度增長(zhǎng)，風(fēng)暴承載層的平均風(fēng)向與系統(tǒng)移動(dòng)方向接近，風(fēng)速大，風(fēng)暴沿地面假相當(dāng)位溫梯度大值區(qū)向東傳播，強(qiáng)垂直風(fēng)切變導(dǎo)致的風(fēng)暴中氣旋旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)厚度增加，使得風(fēng)暴得以長(zhǎng)時(shí)間維持。

(3)分析長(zhǎng)生命史降雹風(fēng)暴結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)三次降雹過(guò)程的變化：起始對(duì)流風(fēng)暴位于對(duì)流層中層、質(zhì)心高度偏高，并逐漸向下伸展，整個(gè)生命史中對(duì)流發(fā)展非常旺盛，最大反射率維持在60 dBz以上，風(fēng)暴頂維持在8 km以上，風(fēng)暴質(zhì)心高度三次明顯的波動(dòng)對(duì)應(yīng)三次降雹過(guò)程。雖然VIL增量(11～14 kg·m-2)不及傳統(tǒng)指標(biāo)，但結(jié)合VILD(>6 g·m-3)、VIL大值區(qū)及DBZM(70 dBz左右)大值區(qū)仍可對(duì)冰雹業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)有指示作用。

(4)大冰雹在下落過(guò)程中由于翻滾現(xiàn)象，其Zdr值接近0 dB，而冰雹散射波被地面反射，水平偏振和垂直偏振波的反射差異，導(dǎo)致TBSS根部Zdr有大值區(qū)(5.9 dB)的出現(xiàn)。隨著冰雹降落融化，其表面存在外包水膜現(xiàn)象使得Zdr值增大，CC值減小。通過(guò)偏振參數(shù)Zdr和CC特征有助于識(shí)別高空的大冰雹。

(5)超級(jí)單體的BWER附近Zdr柱的存在標(biāo)志著強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。在三次降雹過(guò)程中，Zdr柱的伸展高度呈現(xiàn)相似的發(fā)展趨勢(shì)：即冰雹高空增長(zhǎng)階段，Zdr伸展高度不斷增長(zhǎng)，Zdr>1 dB區(qū)域可達(dá)-20℃層；降雹階段，Zdr柱的高度顯著下降，于地面降雹時(shí)降至最低。

本文僅為一次長(zhǎng)生命史超級(jí)單體降雹過(guò)程的觀測(cè)分析結(jié)果，仍以定性分析為主。未來(lái)仍需通過(guò)更多的個(gè)例研究，例如針對(duì)不同冰雹尺寸的偏振特征進(jìn)行定量分析，為雙偏振雷達(dá)的大規(guī)模業(yè)務(wù)應(yīng)用提供參考。