盧蕓蕓 焦志敏 倪 悅

(1.龍巖市新羅區(qū)氣象局，福建 龍巖 364030；2.中國氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081;3.龍巖市氣象局，福建 龍巖 364099)

0 引言

大范圍降雹是影響福建的重要災(zāi)害性天氣之一，尤其是直徑超過20mm的大冰雹，空間尺度小、突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大、發(fā)展演變迅速，是短臨天氣預(yù)報(bào)的難點(diǎn)。天氣雷達(dá)具有較高的時(shí)空分辨率，是冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要手段。隨著多普勒天氣雷達(dá)和雙偏振天氣雷達(dá)的發(fā)展和應(yīng)用，有關(guān)冰雹回波的研究陸續(xù)開展。Seliga等[1]首先提出雙線偏振雷達(dá)的設(shè)想，通過同時(shí)探測(cè)水平和垂直偏振雷達(dá)波的反射率因子，可以分析雨滴譜的分布，提高降水測(cè)量的精度。Aydin等[2]利用雨滴與冰雹在大小和形狀方面的差異，使用反射率因子Zh和差分反射率因子ZDR對(duì)冰雹進(jìn)行識(shí)別。Kumjian 等[3]研究表明，ZDR柱與對(duì)流風(fēng)暴中強(qiáng)烈的上升氣流有關(guān)，在上升氣流和后側(cè)下沉氣流(Rear-Flank-DownDRaft，RFD) 存在ZDR柱、差分相移率KDP柱和相關(guān)系數(shù)CC環(huán)。Snyder等[4]發(fā)現(xiàn)，ZDR柱的伸展高度與最強(qiáng)上升氣流有關(guān)，上升氣流的強(qiáng)弱又與冰雹的生長(zhǎng)潛力相關(guān)，ZDR柱高度的變化要早于最大上升氣流強(qiáng)度的變化。Zrnic[5]發(fā)現(xiàn)了大冰雹在雷達(dá)回波中的三體散射現(xiàn)象(Three Body Scatter Signature，TBSS)。陳秋萍等[6]研究表明，TBSS是大冰雹形成的充分非必要條件。

近年來，隨著我國雙偏振雷達(dá)的逐步升級(jí)，雙偏振雷達(dá)的應(yīng)用研究也取得了諸多進(jìn)展。劉黎平等[7]發(fā)現(xiàn)ZDR是判斷對(duì)流云和層狀云降水粒子相態(tài)的重要指標(biāo)之一。王洪等[8]研究表明，大雹粒子的翻滾使冰雹區(qū)水平反射率因子高、ZDR低，雨和冰晶粒子的混合導(dǎo)致CC下降，KDP觀測(cè)對(duì)冰雹不敏感。潘佳文等[8]利用廈門 S 波段雙偏振雷達(dá)分析了一次導(dǎo)致大冰雹的超級(jí)單體風(fēng)暴，結(jié)果表明：相較于發(fā)展到成熟階段才出現(xiàn)的反射率因子特征，ZDR柱等偏振特征可指示冰雹云的物理和動(dòng)力結(jié)構(gòu)，并對(duì)冰雹云的發(fā)展具有一定的預(yù)示性。但前期工作主要集中在X波段和C波段雙偏振雷達(dá)。由于S波段雷達(dá)對(duì)于冰雹有著更好的觀測(cè)效果，并在實(shí)際業(yè)務(wù)中被廣泛使用，因此，開展基于S波段雙偏振雷達(dá)對(duì)冰雹的觀測(cè)研究十分必要。

2016年，廈門的新一代天氣雷達(dá)升級(jí)為雙線偏振天氣雷達(dá)，升級(jí)后收集到了2020年5月6日冰雹過程完整的觀測(cè)數(shù)據(jù)，且直徑20～50mm的冰雹個(gè)例幾乎都出現(xiàn)在該雷達(dá)站半徑150km的觀測(cè)范圍內(nèi)。因此，本文對(duì)出現(xiàn)在漳州地區(qū)直徑20mm以上的冰雹強(qiáng)風(fēng)暴個(gè)例及其演變過程，尤其是風(fēng)暴發(fā)展前期的S波段雙偏振參數(shù)(ZDR、KDP、CC等)進(jìn)行分析，以探尋其對(duì)冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展的指示意義。

1 天氣實(shí)況和形勢(shì)分析

受低層切變影響，2020年5月6日，我省中南部沿海和內(nèi)陸局部出現(xiàn)集中降雹，冰雹直徑普遍在5～20mm，最大30～50mm。此次冰雹過程具有如下特點(diǎn)：①5月大范圍降雹前所未見。自1950年有氣象記錄以來，福建省出現(xiàn)較大范圍的降雹過程幾乎都出現(xiàn)在3～4月，而本次過程發(fā)生在5月，屬歷史罕見；②單日降雹范圍最廣。除寧德、平潭外，其余8個(gè)地市共35個(gè)縣(市、區(qū))出現(xiàn)冰雹；③少雹區(qū)出現(xiàn)集中降雹。福建降雹的空間分布特點(diǎn)為中北部多、南部少，山區(qū)多、平原少，內(nèi)陸多、沿海少，而本次過程降雹集中在中南部沿海和內(nèi)陸局部，少雹區(qū)出現(xiàn)集中降雹，極為罕見。

從500hPa和850hPa的中尺度分析(圖1)可知，6日08時(shí)福建受500hPa高空槽前西南偏西氣流影響，在閩南地區(qū)500hPa和850hPa高度上同時(shí)存在兩支西風(fēng)急流，850hPa有西南風(fēng)的風(fēng)速輻合，500hPa干舌和850hPa濕舌在閩西南地區(qū)重疊。500hPa在長(zhǎng)江流域以南有一溫度槽，850hPa在華南沿海一帶有一溫度脊。溫度槽的南端與溫度脊的北端在閩南地區(qū)重疊。6日20時(shí)高空槽東移靠近福建，500hPa西風(fēng)急流維持，而850hPa急流強(qiáng)度有所減弱，850hPa濕度仍較大，但500hPa干區(qū)西退變小，500hPa溫度槽和850hPa溫度脊已減弱，850hPa風(fēng)速輻合區(qū)北推至閩北。地面處倒槽南側(cè)的暖區(qū)內(nèi)，午后升溫明顯。

(a)6日08時(shí) (b)6日20時(shí)

圖2 2020年5月6日08時(shí)廈門站探空?qǐng)D

從6日08時(shí)廈門站探空資料(圖2)可知，抬升凝結(jié)高度(LCL)950hPa，自由對(duì)流高度(LFC)992hPa均較低，容易觸發(fā)對(duì)流。K指數(shù)34℃(閾值32℃)，SI指數(shù)-3.6(閾值-2.3)，訂正后CAPE值2127.4J/kg(閾值1900J/kg)，0～6km垂直風(fēng)切變19m/s，說明具有較好的對(duì)流發(fā)生條件[9]。從層結(jié)曲線看，850hPa至地面濕度較大，而850hPa以上均為干層，呈明顯的上干下濕“喇叭口”結(jié)構(gòu)，這為冰雹的形成提供了有利的環(huán)境條件。根據(jù)俞小鼎[10]的研究，若對(duì)流層中存在明顯干層，則濕球0℃層高度低于干球0℃層高度。根據(jù)探空數(shù)據(jù)，干球0℃層高度4980m，濕球0℃層高度3160m，由于干層的存在，使得濕球0℃層高度明顯低于干球0℃層高度，顯著降低了冰雹的融化層高度，有利于冰雹的落地。

2 風(fēng)暴演變的雙偏振特征分析

本文根據(jù)王昂生等人[11]的研究，將冰雹風(fēng)暴云的發(fā)展過程分為發(fā)生、躍增、醞釀、降雹和消亡等5個(gè)階段，本文著重對(duì)前4個(gè)階段展開分析研究。

2020年5月6日13∶55—15∶00，漳州龍海程溪鎮(zhèn)、東泗鄉(xiāng)相繼出現(xiàn)直徑達(dá)50mm冰雹實(shí)況。在漳州的冰雹風(fēng)暴云單體發(fā)展復(fù)雜，根據(jù)回波的演變特征可分析出風(fēng)暴云先后出現(xiàn)三次降雹(圖6)：13∶29單體A第一次降雹，14∶15單體B第二次降雹(程溪鎮(zhèn))，14∶30單體C第三次降雹(東泗鄉(xiāng))。

2.1 單體A發(fā)展過程

12∶32—12∶55為發(fā)生階段，12∶32單體A在3.3°仰角初生，12∶44在6.3km出現(xiàn)2～3dB的ZDR柱，12∶55反射率因子發(fā)展至50dBZ，垂直累積液態(tài)水含量VIL值最大為23.5kg/m2，在6km高度單體A的西側(cè)出現(xiàn)4～5dB的ZDR柱和0.9～0.96的CC低值區(qū)(圖3)。

13∶01—13∶06為躍增階段，反射率因子強(qiáng)度增至60dBZ，VIL值增大至31.5kg/m2，單體西側(cè)仍存在ZDR柱和CC低值區(qū)。

13∶12—13∶18為醞釀階段，反射率因子強(qiáng)度增至68dBZ，強(qiáng)回波中心接近7km，VIL值增大至58kg/m2。在此期間ZDR柱和CC低值區(qū)一直伴隨出現(xiàn)在單體A的西側(cè)，13∶29移動(dòng)至單體A的南側(cè)，造成了單體C的發(fā)展和壯大。該階段在6°仰角先后出現(xiàn)TBSS和旁瓣回波，預(yù)示著空中已經(jīng)形成較大的冰雹。由圖4可得，冰雹的雙偏振特征為：強(qiáng)反射率因子核(≥60dBZ)對(duì)應(yīng)接近0dB的ZDR和0.9-0.94的CC低值區(qū)；TBSS的雙偏振特征為：極低的CC(<0.8)，ZDR在起始位置具有高值、隨距離增加逐漸減小并轉(zhuǎn)為負(fù)值；旁瓣回波的雙偏振特征為：負(fù)值ZDR和CC低值(<0.9)。在同一時(shí)次的徑向剖面圖上TBSS也具有相同的雙偏振特征(圖略)。根據(jù)上述雙偏振特征可識(shí)別出被降水回波掩蓋的TBSS和旁瓣回波。

13∶24—13∶29為降雹階段，單體A質(zhì)心高度下降，VIL值下降至44.5kg/m2。圖5表示，0.5°仰角(白色框線內(nèi))ZDR在0.8～4.0dB，KDP在1.7～6.4deg/km，CC值在0.85～0.96，說明冰雹在下落過程中融化成水滴及水包冰雹的混合物，在該時(shí)段并未在地面收集到冰雹實(shí)況，分析原因可能是：醞釀階段只持續(xù)2個(gè)體掃，冰雹增長(zhǎng)有限，尺寸較小，降落到地面時(shí)已融化成雨滴或較小的濕雹。

2.2 單體B發(fā)展過程

13∶18—13∶29,單體B初生;13∶35—13∶41為躍增階段；13∶46—14∶15為醞釀階段。在以上3個(gè)階段，單體B的西側(cè)均出現(xiàn)ZDR柱和相應(yīng)CC低值區(qū)，尤其在13∶58強(qiáng)度為4dB的ZDR柱出現(xiàn)在6.6km左右。醞釀階段在仰角3.3°～6.0°的水平反射率因子圖上均能觀察到單體B的TBSS，其TBSS的偏振參數(shù)特征與前述單體A的特征一致。由于單體B的醞釀階段長(zhǎng)于單體A、持續(xù)了30min，冰雹單體在垂直方向上進(jìn)一步發(fā)展，使得冰雹尺寸更大。

圖3 12∶55仰角4.3°的水平反射率因子(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)和徑向速度(e)

圖4 13∶18仰角6.0°的ZDR(a)、CC(b)、水平反射率因子(c)和KDP(d)

圖5 13∶29仰角0.5°的水平反射率因子(a)、ZDR (b)、CC(c)、KDP (d)和徑向速度(e)

2.3 單體C發(fā)展過程

13∶24單體C初生，13∶29—13∶35為躍增階段，反射率因子從45dBZ增至60dBZ，VIL增至49kg/m2，13∶29在其西側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)4dB的ZDR柱和相應(yīng)CC低值區(qū)，速度場(chǎng)上出現(xiàn)一個(gè)由氣旋、反氣旋組成的渦旋對(duì)，二者共用負(fù)速度中心，而單體A不具備這種結(jié)構(gòu)(圖6)；13∶35單體A經(jīng)歷由強(qiáng)變?nèi)?、單體C經(jīng)歷由弱變強(qiáng)的過程(圖7)。

13∶41—14∶15為醞釀階段，期間單體C南側(cè)存在4～5dB的ZDR柱和小于0.9的CC低值區(qū)，直到15∶00ZDR柱減弱消失，單體C也隨之減弱，降雹結(jié)束。沿單體C渦旋中心徑向方向做剖面(圖8a、c)，可見在單體C中已出現(xiàn)成熟的穹窿結(jié)構(gòu)，反射率因子核突破10km，在有界弱回波區(qū)BWER內(nèi)存在一很強(qiáng)的上升氣流，該區(qū)域?qū)?yīng)著CC低值區(qū)(<0.9)，并把大量的水汽帶到0℃層以上，使得5dB的ZDR柱高達(dá)7.5km。KDP柱也有一定體現(xiàn)，但由于CC<0.9，KDP圖上出現(xiàn)了空洞。由此可見，ZDR柱在此提供了一個(gè)形成凍結(jié)雨滴的源泉，凍滴為冰雹形成的主要雹胚之一。

圖6 13∶29仰角6.0°的水平反射率因子(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)和徑向速度(e)

圖7 13∶35仰角6.0°的水平反射率因子(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)和徑向速度(e)

圖8 14∶09單體C沿徑向的剖面

通過分析該個(gè)例單體A、B、C4個(gè)階段的雙偏振參數(shù)特征，可發(fā)現(xiàn)ZDR柱的出現(xiàn)與上升氣流有關(guān)，ZDR柱的伸展高度與上升氣流的強(qiáng)度成正比；相較于發(fā)展到成熟階段才出現(xiàn)的反射率因子特征，較強(qiáng)的ZDR柱(>3dB)和CC低值區(qū)(<0.9)往往提前出現(xiàn)。

3 結(jié)論與討論

針對(duì)2020年5月6日導(dǎo)致閩南地區(qū)大冰雹的超級(jí)單體風(fēng)暴，本文利用廈門S波段雙偏振雷達(dá)分析冰雹風(fēng)暴云演變過程中的偏振參數(shù)特征及三體散射偏振特征，探討這些偏振特征在業(yè)務(wù)應(yīng)用中的可行性。主要結(jié)論如下：

①較強(qiáng)的熱力條件、較大的垂直風(fēng)切變、上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)、適宜的濕球0℃層高度為此次冰雹過程提供了有利的環(huán)境條件。

②大冰雹具有高反射率因子、低ZDR的偏振特征，利用該特征可迅速從降水回波中識(shí)別出冰雹。

③對(duì)于S波段雷達(dá)而言，三體散射現(xiàn)象是高空存在大冰雹的重要指標(biāo)，根據(jù)冰雹TBSS現(xiàn)象和旁瓣回波的雙偏振特征，可識(shí)別出被降水回波掩蓋的TBSS和旁瓣回波，三體散射的偏振特征有助于提升對(duì)高空冰雹的識(shí)別能力。

④較強(qiáng)的ZDR柱(>3dB)和CC低值區(qū)(<0.9)先于反射率因子特征出現(xiàn)，這對(duì)于預(yù)測(cè)冰雹風(fēng)暴單體的發(fā)展、分裂和維持有一定的指示意義。

需要指出的是，本文僅對(duì)一次暖區(qū)內(nèi)閩南地區(qū)冰雹單體個(gè)例的分析，仍以定性分析為主，各偏振量之間的定量關(guān)系有待進(jìn)一步研究。