彭 力,趙 強,陳小婷，張 雄，徐浩天

(1.銅川市氣象局，陜西銅川 727000；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016；3.陜西省氣象臺，西安 710014)

冰雹作為陜西主要災害性天氣之一，其產(chǎn)生有明顯的季節(jié)變化和空間分布差異。5、6月對流性天氣多發(fā)，關中平原及其以北地區(qū)往往有區(qū)域性冰雹發(fā)生，雹災對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常造成不同程度影響[1-2]。多普勒天氣雷達具有較高的時空分辨率，是監(jiān)測和預警強對流天氣的主要工具。國內(nèi)學者[3-14]應用多普勒天氣雷達監(jiān)測產(chǎn)品進行了冰雹預警研究，總結了各地利用多普勒雷達產(chǎn)品進行冰雹預警的指標，主要包括對流云回波頂高、組合反射率因子強度、強回波伸展高度、弱回波和懸垂回波、鉤狀回波、三體散射特征、垂直累積液態(tài)水含量，以及徑向速度圖上的中氣旋、風暴頂輻散等，這些指標對冰雹預警有很好的指示意義。陳關清等[15]指出雷達產(chǎn)品特征配合冰雹指數(shù)對冰雹預警有重要參考意義，張芳等[16]統(tǒng)計了雷達產(chǎn)品與冰雹直徑的線性相關性，陜西的氣象學者[17-18]認為垂直累積液態(tài)水含量密度的躍增對大冰雹有較好指示意義。相比常規(guī)天氣雷達，雙偏振天氣雷達可以發(fā)射垂直和水平兩個方向偏振電磁波，除獲取水平反射率因子外，還能對云內(nèi)部粒子相態(tài)信息進行識別，提供降水粒子特征產(chǎn)品等偏振參數(shù)[19]。劉紅亞等[20-21]等分別對冰雹天氣的雙偏振雷達特征進行分析，總結了冰雹出現(xiàn)時的偏振參數(shù)特點。關中北部地形復雜，冰雹、雷暴等對流性天氣頻發(fā)，強對流天氣監(jiān)測主要使用西安C波段多普勒天氣雷達(簡稱C波段雷達)。近年來銅川、咸陽X波段全固態(tài)雙偏振多普勒天氣雷達(簡稱X波段雷達)先后建成，在人影指揮、天氣預警方面發(fā)揮了重要作用。目前尚未建立X波段雷達對關中北部冰雹預警的指標，缺乏C、X波段雷達回波產(chǎn)品的對比研究。本文對關中北部一次冰雹產(chǎn)生的天氣背景進行分析，主要對比C、X波段雷達回波產(chǎn)品特征，分析X波段雷達偏振參數(shù)特點，總結冰雹出現(xiàn)前的預警指標。

1 強對流天氣過程概述

2020年5月21日午后，陜西省中北部地區(qū)出現(xiàn)了一次大范圍的強對流天氣過程。21日13：20左右延安市北部有對流回波生成，隨后對流回波發(fā)展加強向南移動，16：18強回波移入銅川市，銅川自北向南出現(xiàn)了大范圍的強對流天氣，對流過程伴隨明顯的雷電活動和短時大風，銅川大部分地方出現(xiàn)了冰雹(圖1)。根據(jù)自動氣象站監(jiān)測顯示，隨著對流云團迅速南移，銅川自北向南出現(xiàn)了8～9級的大風，最大瞬時風速達到23.6 m/s(走馬梁站)。自動站記錄、災情收集到的冰雹直徑在5～30 mm，有多種經(jīng)濟作物不同程度受災，18：05強回波移出銅川，并逐漸減弱，對流天氣結束。

圓圈分別為西安C波段雷達、咸陽X波段雷達位置。圖1 2020-05-21T16—18地面自動站17 m/s以上大風(風羽，單位為m/s)和降雹(三角)實況

2 資料說明

使用2020年5月21日地面常規(guī)氣象觀測資料、高空觀測資料，ERA-5逐小時0.25°×0.25°再分析資料，西安C波段多普勒天氣雷達產(chǎn)品和咸陽YLD1-D型全固態(tài)X波段雙偏振多普勒天氣雷達產(chǎn)品，F(xiàn)Y-2F云頂亮溫TBB資料，利用天氣學診斷法對冰雹產(chǎn)生的天氣學背景條件和環(huán)境條件進行分析，對冰雹天氣中西安C波段雷達基本產(chǎn)品和咸陽X波段雷達產(chǎn)品進行對比，總結冰雹發(fā)生的預報著眼點和兩種不同類型天氣雷達降雹前后的產(chǎn)品特征。

3 天氣形勢及環(huán)境條件分析

5月21日08時(圖2a)，500 hPa內(nèi)蒙古中部有冷槽發(fā)展東移，冷槽后河套以北有小于-16 ℃的冷空氣中心，貝加爾湖南部至陜北北部有西北急流發(fā)展南壓，陜西上空干冷平流明顯；700 hPa陜北以偏北氣流為主，延安探空站溫度露點差為17 ℃，為明顯干區(qū)；850 hPa新疆高壓脊前強偏北氣流與南部偏南氣流在陜北形成東北—西南向切變線。從溫濕條件來看，陜北—關中850 hPa為16 ℃暖中心，延安站溫度露點差≤5 ℃，為濕區(qū)。500 hPa干冷平流疊加低層暖中心，延安站850 hPa與500 hPa溫度差達到27 ℃，大氣上冷下暖形成明顯位勢不穩(wěn)定層結。200 hPa高空急流穿過陜西中部上空。地面圖(圖略)上，內(nèi)蒙中部—陜北有熱低壓發(fā)展。天氣系統(tǒng)高低層配置利于強對流天氣發(fā)生。21日13時(圖2b)，500 hPa陜北上空干冷平流維持，陜北北部西北急流進一步向南發(fā)展，850 hPa切變線東移南壓，延安站850 hPa與500 hPa溫度差增大到35 ℃，大氣不穩(wěn)定度進一步加大，地面低壓內(nèi)部存在中尺度輻合抬升，200 hPa高空急流通風作用維持，天氣尺度輻合抬升和強不穩(wěn)定層結為對流天氣發(fā)生發(fā)展提供了有利背景場。

圖2 2020-05-21T08(a)和2020-05-21T13(b)500 hPa位勢高度場(等值線，單位為dagpm)、850 hPa風場(風羽，單位為m/s)及200 hPa急流(陰影，單位為m/s)

對流云團于13：20左右在延安北部被觸發(fā)，延安探空站資料能代表對流天氣發(fā)生前的環(huán)境條件。21日08時延安站探空圖(圖略)顯示，大氣層結曲線中干下濕，近地面至850 hPa存在逆溫，利于低層不穩(wěn)定能量累積，600～400 hPa存在明顯干層，中層干冷空氣夾卷，利于產(chǎn)生強的下沉氣流，從而造成地面大風；600 hPa以下風隨高度順轉為暖平流輸送，600～400 hPa風隨高度逆轉為干冷平流侵入，大氣上干冷下暖濕，大氣層結具有強的不穩(wěn)定性。表征大氣層結穩(wěn)定度的SI指數(shù)為-0.4 ℃，總指數(shù)TT為48 ℃， K指數(shù)為21 ℃，由于近地層逆溫存在，CAPE值為0 J/kg。利用13時地面觀測資料，對延安站探空曲線抬升點的溫度、露點進行訂正，訂正后的CAPE值達到了1 827 J/kg，表明了午后大氣呈現(xiàn)強的熱力不穩(wěn)定。大氣0～6 km的垂直風切變?yōu)?.5 m/s，隨著500 hPa西北急流和低層切變線南壓，0～6 km的垂直風切變不斷加大，利用ERA-5再分析資料計算午后延安探空站0～6 km垂直風切變增加到14 m/s，垂直風切變的增強利于對流有組織化發(fā)展。08時大氣0 ℃層高為4 km，-20 ℃層高7 km，適宜的0 ℃、-20 ℃層高度為冰雹產(chǎn)生提供了有利環(huán)境條件。地面加密自動站顯示，陜西中北部位于熱低壓底部，午后地面輻射增溫，延安南部、關中北部地面溫度不斷增加；13時地面風場上，對流被觸發(fā)前，延安中北部存在明顯的中尺度輻合線(圖3)，中尺度輻合線在延安北部觸發(fā)對流，對流云團在強的不穩(wěn)定大氣層結下迅速發(fā)展，沿500 hPa西北氣流引導，迅速向南移動并不斷有組織化發(fā)展增強。

實線為地面中尺度輻合線。圖3 2020-05-21T13地面風場(風羽，單位為m/s)

4 FY-2F衛(wèi)星云圖云頂亮溫特征

云頂亮溫TBB可以反映對流云團的生成、發(fā)展、消亡。21日13時左右，受地面中尺度系統(tǒng)觸發(fā)，延安北部有多個中γ尺度的對流云團生成，對流云團呈近東西向線狀排列，在強不穩(wěn)定層結及中等強度垂直風切變作用下，中γ尺度對流云團迅速增強且快速向東南方向移動。14時，γ尺度對流云團發(fā)展合并形成中β尺度對流云團，其tBB≤-35 ℃；15時，中β尺度對流云團進一步發(fā)展，tBB≤-40 ℃；16時(圖4a)，中β尺度對流云團移至銅川市北部，其水平尺度在200 km左右，云團中tBB≤-40 ℃的范圍進一步擴大，云團中有tBB≤-45 ℃冷中心發(fā)展；16時后，對流云團南移發(fā)展，經(jīng)過銅川市上空，造成銅川自北向南大范圍強對流天氣；17時(圖4b)，對流云團發(fā)展旺盛，云團中有大面積tBB≤-45 ℃的冷中心存在，銅川位于中β尺度對流云團后側TBB等溫線密集處；18時后，對流云繼續(xù)向東南移出銅川，其中最強TBB減弱至-35 ℃左右，關中北部對流天氣結束。

圖4 2020-05-21 FY-2F云頂亮溫 (陰影，單位為℃；a 16時，b 17時)

5 雷達回波特征對比分析

5.1 C波段雷達

西安C波段雷達資料顯示，21日13：20左右，延安北部有大于35 dBz的積云對流回波生成，之后對流單體迅速發(fā)展增強成線狀對流回波帶，并且向南移動。16：12，線狀對流回波移至銅川北部，線狀回波帶中有中心強度大于60 dBz的對流單體發(fā)展，之后，線狀回波繼續(xù)南移，線狀回波內(nèi)多個對流單體不斷生消發(fā)展；16：24，銅川北部線狀回波發(fā)展呈類似弓形結構；16：30(圖5a)，類似弓形結構更加明顯，線狀回波內(nèi)多個對流單體中心強度達到63 dBz以上。沿著回波移動方向，對其內(nèi)部最強對流單體反射率因子垂直剖面進行分析(圖5b)。對流單體3 km以下出現(xiàn)了明顯弱回波區(qū)，5 km附近出現(xiàn)回波懸垂，對流單體中大于50 dBz的強回波伸展到了9 km附近，表明單體內(nèi)上升氣流比較強盛，地面附近出現(xiàn)回波墻，反射率因子達到了60 dBz，表明冰雹已經(jīng)接近地面，宜君國家觀測站16：36觀測到了5 mm的降雹天氣。0.5°平均徑向速度圖(圖略)上，線狀回波的類似弓形結構移動方向后側的負速度區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了大范圍的正速度區(qū)，退速度模糊后最大徑向速度達到-25 m/s。16：54之后，線狀回波的類似弓形結構逐漸模糊，線狀回波南部有新生對流形成，新生單體并入線狀回波后部，迅速發(fā)展增強南移，在銅川南部造成大范圍大風和冰雹天氣；17：54，線狀回波移出銅川，對流云團線型結構逐漸變松散，隨后南移逐漸減弱。

白色直線為基本反射率因子剖面方向。圖5 2020-05-21T16：30西安C波段雷達組合反射率因子(a)和基本反射率因子(單位均為dBz)垂直剖面(b)

根據(jù)西安C波段雷達識別的風暴單體，選取16：54—17：36銅川南部線狀回波后部對流單體U2(圖6)，對其從發(fā)展到成熟階段的對流參數(shù)特征(表1)和雷達產(chǎn)品進行分析。16：54，對流單體U2最強反射率因子達到58 dBz，基于單體和基于格點的垂直累積液態(tài)水含量差異不大，基本反射率因子的垂直分布顯示單體傾斜結構不明顯；16：54—17：00，單體U2逐漸發(fā)展至成熟，強的上升氣流將單體內(nèi)冰水粒子帶到高層，單體內(nèi)雹胚不斷增長，U2內(nèi)最大反射率因子增長到61 dBz，伸展高度達到了8 km，基本反射率因子垂直分布顯示，單體U2開始出現(xiàn)傾斜結構和懸垂回波；17：06—17：12單體U2發(fā)展成熟，在強上升氣流托舉下，單體U2內(nèi)部小冰雹不斷上下翻滾增長，最大反射率因子達到66 dBz，基于單體和基于網(wǎng)格點的垂直累積液態(tài)水含量差值迅速增加，單體頂高伸展到11 km。17：06單體U2沿雷達徑向6.0°仰角的基本反射率因子圖上(圖6a)出現(xiàn)了三體散射回波，17：12沿雷達徑向的三體散射回波開始出現(xiàn)在4.3°仰角，與單體U2對應的地面人影作業(yè)點(馬吉站)在17：12開始觀測到降雹。16：54單體U2質(zhì)心高度為7.2 km，經(jīng)2個體掃后，17：06單體質(zhì)心高度迅速下降至4.0 km，地面出現(xiàn)大風天氣。17：12—17：36單體U2最大反射率因子迅速降落至距離地面2 km左右的高度，三體散射回波特征依次先后在3.4°、2.4°、1.5°仰角(圖6b)基本反射率因子圖上出現(xiàn)，銅川南部出現(xiàn)大范圍冰雹天氣，最大冰雹直徑達30 mm左右，單體U2的質(zhì)心高度和單體頂高也逐漸下降；17：36之后，單體U2逐漸減弱消散。

紅色圓圈為對流單體U2。圖6 2020-05-21西安C波段雷達基本反射率因子三體散射特征(a 17：06，6.0°仰角；b 17：30，1.5°仰角；單位為dBz)

5.2 X波段雷達

利用咸陽X波段雷達分析線狀對流回波的特征。16：11線狀對流回波移至銅川北部，線狀回波中對流單體組合反射率因子達到52 dBz， 較C波段雷達偏弱，之后線狀回波向南移動；16：30線狀回波呈現(xiàn)出類似弓形結構，回波中最強對流單體的組合反射率因子增加到57 dBz。最強對流單體反射率因子剖面顯示，大于50 dBz強回波擴展到8.5 km，呈現(xiàn)出和C波段雷達一致的中高層回波懸垂結構。16：24—16：54，X波段雷達0.5°平均徑向速度圖上，在線狀回波后部，出現(xiàn)了速度模糊區(qū)，速度模糊區(qū)范圍和強度較C波段雷達偏弱。17：00—18：00，選取同時刻與C波段雷達線狀回波后部單體U2對應的單體(下簡稱單體A)進行分析，單體A成熟時最強組合反射率因子達62 dBz，懸垂結構明顯，17：17—17：39，X波段雷達0.5°～5.3°仰角基本反射率因子圖上(圖略)，發(fā)現(xiàn)了三體散射回波。

表1 2020-05-21對流單體U2不同時刻風暴參數(shù)特征

此次強對流天氣發(fā)展迅速，移動較快，利用X波段雷達分析單體A在16：55—17：33偏振特征參量，主要研究0 ℃層和-20 ℃層間差分反射率因子(ZDR)、差分相移因子(KDP)、零延遲相關系數(shù)(RHV)的偏振參量變化。利用ERA-5再分析資料計算得到16：00—17：00銅川上空0 ℃層高約4 km，-20 ℃層高約7 km。

16：55單體A處于發(fā)展階段，組合反射率因子為47 dBz；3.4°仰角以下單體A內(nèi)ZDR在1～2 dB，對應粒子為小雨滴，3.4°仰角(高度約為4.1 km)，單體內(nèi)存在ZDR為0.5～1 dB的正值區(qū)(圖7a)，0 ℃層之上ZDR正值區(qū)正是ZDR柱所在，ZDR柱具有預測云體發(fā)展趨勢的能力[22]，0 ℃層之上強上升氣流對雨滴進行篩選，高度越高雨滴直徑越小，ZDR正值區(qū)迅速減小，在強上升氣流作用下單體A迅速發(fā)展。KDP與液態(tài)水密切相關，3.4°仰角，單體A內(nèi)存在KDP為1～2(°)/km的正值(圖7b)，3.4°仰角之上單體內(nèi)KDP不斷減小，6.2°仰角(高度約6.1 km)KDP為0(°)/km 。通過分析ZDR、KDP表明，單體A內(nèi)部在0 ℃層和-20 ℃層之間存在液態(tài)水粒子，液態(tài)水粒子與單體內(nèi)部冰晶凝結核碰并不斷增長。17：17單體A發(fā)展成熟，單體內(nèi)組合反射率因子達到58 dBz以上，大于50 dBz強回波從地面延伸至8.5 km，地面出現(xiàn)降雹。分析單體A中RHV顯示，7.5°仰角(高度約8.2 km)，單體內(nèi)部RHV在0.88～0.94(圖7c)，有冰雹粒子存在，對應的ZDR、KDP為零，表明為干的冰雹粒子；3.4°仰角(高度約4.5 km)，ZDR為0.5～1.0 dB(圖7e)，KDP在1.0～2.5(°)/km(圖7f)，此時單體內(nèi)部上升氣流依然強盛，0 ℃層之上有ZDR柱存在，單體內(nèi)RHV達到0.82～0.93(圖7d)，粒子的一致性變差，此時，單體內(nèi)部冰雹與液態(tài)水相混合；3.4°仰角以下冰雹降落融化，RHV維持在0.8～0.9；1.5°仰角(高度約2.7 km)，ZDR達到2～3 dB，KDP在2～4(°)/km，ZDR、KDP在0 ℃以下隨高度降低增大，表明了冰雹逐漸融化成外包水膜的冰雹[23]。根據(jù)單體內(nèi)部不同高度偏振參量的變化，能夠對不同高度粒子特征做出判斷，融化層以下，RHV在0.8～0.9，ZDR、KDP隨高度降低不斷增大的區(qū)域，為融化冰雹區(qū)。

紅色圓圈為對流單體A。圖7 咸陽X波段雷達不同仰角ZDR(a, e ；單位為dB)、KDP(b, f ；單位為(°)/km)、RHV(c, d)

6 結論

本文對2020年5月21日午后關中北部的一次強對流天氣過程的天氣形勢、大氣環(huán)境條件和衛(wèi)星云圖、雷達產(chǎn)品特征進行分析，得出以下結論。

(1)高層干冷氣流疊加低層暖濕空氣，陜西中北部形成的強不穩(wěn)定層結，切變線附近的輻合抬升為對流發(fā)展維持提供了有利動力條件，地面中尺度系統(tǒng)在陜北觸發(fā)對流，在較強的垂直風切變作用下對流有組織性發(fā)展加強，沿引導氣流方向迅速向南移動，適宜的0 ℃、-20 ℃層高度為冰雹產(chǎn)生提供了有利環(huán)境條件。

(2)對流云向南迅速移動發(fā)展增強，對流云團內(nèi)tBB≤-45 ℃，強天氣區(qū)位于對流云團后部TBB等溫線密集處。

(3)C波段雷達產(chǎn)品在風暴演變過程中識別出了線狀回波、三體散射特征。雷暴單體具有明顯的懸垂結構，低仰角近距離徑向速度圖上出現(xiàn)速度模糊，對流單體質(zhì)心高度短時間內(nèi)迅速下降預示地面出現(xiàn)大風，三體散射回波在高低仰角依次出現(xiàn)，對地面降雹有指示意義。

(4)X波段雷達風暴反射率因子較C波段雷達偏弱，單體反射率因子特征與C波段雷達一致。風暴單體發(fā)展與成熟階段雷達偏振參量有明顯差異，發(fā)展階段，融化層以上有ZDR柱存在，利用ZDR柱可以對單體發(fā)展趨勢做出預判；單體成熟階段，ZDR柱依然存在，融化層高度之下RHV在0.8～0.9且ZDR和KDP隨著高度降低增加的區(qū)域，為融化冰雹降落區(qū)，可以作為地面降雹的預判。