何清芳 林 文 張深壽 肖秀珠 張紅梅

1 福建省龍巖市氣象局，龍巖 364000 2 福建省氣象科學(xué)研究所，福州 350001 3 福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350001

提 要：基于福建龍巖S波段雙偏振雷達(dá)和地面降水現(xiàn)象儀資料對(duì)2020年3月27日龍巖永定的冰雹云以及同時(shí)發(fā)生在龍巖漳平的短時(shí)強(qiáng)降水云體進(jìn)行觀測(cè)對(duì)比分析。結(jié)果表明：降雹單體在降雹前出現(xiàn)回波高度躍增，存在有界弱回波區(qū)，在云體移動(dòng)方向前部出現(xiàn)了強(qiáng)度為2～4 dB的ZDR弧，內(nèi)部KDP柱發(fā)展較高，最高至7～8 km，強(qiáng)降水云體也出現(xiàn)KDP柱，但高度較低；兩個(gè)強(qiáng)對(duì)流云體前部雨滴譜增寬時(shí)大滴端先增加，呈現(xiàn)雙峰或多峰結(jié)構(gòu)，靠近云體強(qiáng)中心小滴端(直徑≤1 mm)數(shù)濃度呈量級(jí)增多，與云體前部強(qiáng)環(huán)境垂直風(fēng)切有關(guān)；在降雹或強(qiáng)降水階段，永定站冰雹為低密度冰雹，滴譜呈現(xiàn)弱雙峰結(jié)構(gòu)，漳平站則為單峰結(jié)構(gòu)，兩站的大滴(直徑>3 mm)多為小冰雹融化造成；降雹后滴譜雙峰結(jié)構(gòu)主要由雨滴的碰并造成，云體后部滴譜收窄伴隨著小粒子數(shù)濃度呈量級(jí)減少。

引 言

冰雹天氣是華南地區(qū)主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，具有生命史短、局地性強(qiáng)、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，常給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的影響，因此冰雹云的識(shí)別一直是氣象界的一大課題。研究冰雹的發(fā)生和發(fā)展，了解云內(nèi)部微物理特征及冰雹分布譜的演變，對(duì)冰雹天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警及人工防雹作業(yè)指揮和效果評(píng)估都具有重要意義。

近年來(lái)，新型遙感探測(cè)設(shè)備在災(zāi)害性天氣中得到較好的應(yīng)用。激光雨滴譜儀通過(guò)對(duì)地面降水粒子的自動(dòng)識(shí)別，能夠全天候自動(dòng)觀測(cè)降水粒子譜變化，譜特征能在一定程度上反映自然降水的物理結(jié)構(gòu)及演變特征(Hu and Srivastava,1995;Konwar et al,2014;Wu et al,2019;蔣年沖等，1986；宮福久等，1997；石愛(ài)麗等，2004；余東升等，2011；林文等，2016；王俊和劉暢，2019)。在降雹過(guò)程中的雨滴譜資料分析應(yīng)用也有一定成果，F(xiàn)ederer and Waldvogel(1975)基于雨滴譜觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了多細(xì)胞風(fēng)暴的冰雹和雨滴特征分布，李聰?shù)?2017)利用雨滴譜儀觀測(cè)資料分析了南京一次冰雹天氣降水粒子微結(jié)構(gòu)特征，岳治國(guó)和梁谷(2018)結(jié)合激光粒子譜儀及天氣雷達(dá)資料分析了降雹過(guò)程中粒子物理量隨時(shí)間的演變特征，陶濤等(2020)利用雨滴譜觀測(cè)資料對(duì)比分析了一次非典型強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中降雨和降雹的微物理特征。激光雨滴譜儀是基于地面降雹粒子譜特征來(lái)反映冰雹粒子在云內(nèi)物理的發(fā)展過(guò)程，雙偏振雷達(dá)則可通過(guò)探測(cè)空中粒子的雷達(dá)回波參數(shù)來(lái)認(rèn)識(shí)云的發(fā)展和演變規(guī)律，其相比常規(guī)天氣雷達(dá)，還能探測(cè)到差分反射率因子(ZDR)、差分相移率(KDP)及相關(guān)系數(shù)(CC)等偏振參數(shù)，通過(guò)對(duì)偏振參數(shù)分析可判斷云中粒子的尺寸大小、形狀、相態(tài)、降水類(lèi)型等信息，有利于識(shí)別冰雹云，在研究冰雹云的微觀物理特征及動(dòng)力結(jié)構(gòu)等方面具有較好的應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用雙偏振雷達(dá)在冰雹云識(shí)別方面開(kāi)展了許多研究，Aydin et al(1986)研究了基于ZDR技術(shù)識(shí)別冰雹區(qū)的方法；H?ller et al(1994)、Kumjian et al(2008)基于雙偏振雷達(dá)參數(shù)，分別對(duì)V型風(fēng)暴和超級(jí)單體風(fēng)暴帶來(lái)冰雹天氣的動(dòng)力結(jié)構(gòu)和微觀物理特征進(jìn)行了研究；劉黎平等(1993)、曹俊武和劉黎平(2006)研究了雙偏振雷達(dá)識(shí)別冰雹區(qū)的方法；馮晉勤等(2018)、潘佳文等(2020)利用廈門(mén)雙偏振雷達(dá)資料研究了冰雹相態(tài)演變特征；林文等(2020)研究了不同強(qiáng)度降雹天氣及非降雹天氣雙偏振參數(shù)特征。

利用雨滴譜儀資料聯(lián)合雙偏振雷達(dá)資料對(duì)災(zāi)害性天氣發(fā)生發(fā)展及演變特征的研究工作仍不多，因此，本文利用地面及高空探測(cè)資料、地面雨滴譜儀、雙偏振多普勒雷達(dá)等資料，對(duì)2020年3月27日龍巖永定區(qū)出現(xiàn)的一次冰雹天氣的云物理特征及動(dòng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并與同一天氣系統(tǒng)下龍巖漳平發(fā)生的強(qiáng)降水云體及2021年5月31日龍巖上杭縣發(fā)生的暖區(qū)暴雨云系進(jìn)行對(duì)比分析，研究冰雹云和非雹云的雙偏振參量及地面降水粒子譜特征，為短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警及有效實(shí)施人工防雹作業(yè)提供相關(guān)依據(jù)。

1 資料處理及天氣背景分析

1.1 資料和方法

本文所使用的資料主要包含冰雹發(fā)生當(dāng)日的高空和地面天氣資料，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的龍巖S波段雙偏振雷達(dá)資料及龍巖永定、漳平國(guó)家基準(zhǔn)氣象站降水現(xiàn)象儀資料。

DSG4降水現(xiàn)象儀是一種采用現(xiàn)代激光技術(shù)的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)(探頭同Pasivel第二代激光雨滴譜儀)，根據(jù)降水粒子對(duì)激光信號(hào)的衰減影響程度，測(cè)量和計(jì)算降水粒子的直徑D和下落末速度V，共有32個(gè)尺度等級(jí)和32個(gè)速度等級(jí)，其中粒子速度測(cè)量范圍為0.050～20.800 m·s-1，粒徑測(cè)量范圍為0.062～24.5 mm，采樣間隔為1 min，基于降水粒子的速度-尺度譜分布可對(duì)雨、陣雨、毛毛雨、雨夾雪、冰雹等降水現(xiàn)象類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別。

參考Yuter et al(2006)、Friedrich et al(2013)、Jia et al(2019)的方法先對(duì)所用觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制：(1)剔除儀器前兩檔(D<0.3 mm)的觀測(cè)數(shù)據(jù)；(2)選取原始粒子數(shù)大于10個(gè)；(3)剔除掉強(qiáng)風(fēng)造成慢落速大滴(V<1 m·s-1且D>5 mm)的觀測(cè)誤差；(4)剔除雨滴在儀器探頭濺散(V低于雨滴線(xiàn)向下60%下限且D<2 mm)造成的觀測(cè)誤差；(5)剔除儀器采樣區(qū)邊緣不完整觀測(cè)的降水粒子(V高于雨滴線(xiàn)向上60%上限且D<8 mm)造成的誤差。

冰雹過(guò)程中降水粒子的相態(tài)為固態(tài)和液態(tài)，冰雹的不同形狀導(dǎo)致了不同的的下落末速度-直徑關(guān)系，本文中雨滴、冰雹的下落末速度選用前人提出的理論公式來(lái)表示，具體見(jiàn)表1，其中為了區(qū)分大雨滴和小冰雹(直徑在5～8 mm)，使用雨的下落末速度-直徑關(guān)系和冰雹之間的平均值，即冰雹低密度式(2)(Knight and Heymsfield，1983)。根據(jù)Niu et al(2010)和Jia et al(2019)的方法對(duì)不同粒子的下落末速度進(jìn)行修正，采用訂正系數(shù)為(ρ0/ρ)0.5(ρ為實(shí)際空氣密度，ρ0為標(biāo)準(zhǔn)大氣空氣密度)，永定和漳平根據(jù)地面自動(dòng)站該次過(guò)程中的平均溫度、氣壓計(jì)算得出訂正系數(shù)為1.05。

表1 雨滴、冰雹下落末速度-尺度關(guān)系

1.2 天氣實(shí)況及環(huán)流背景

從2020年3月27日08時(shí)(北京時(shí)，下同)500 hPa高空?qǐng)D來(lái)看(圖略)，西風(fēng)槽和南支槽東移，龍巖市受南支槽前西南氣流影響，福建省東部T-Td>15℃，龍巖市東南部存在部分干區(qū)；925～700 hPa切變東移南壓，龍巖市受切變南側(cè)西南氣流影響，有較強(qiáng)的垂直上升速度，西南氣流帶來(lái)充沛的水汽，低層比濕為10～12 g·kg-1，濕度條件較好，龍巖市東南部存在部分上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)，為降雹提供有利條件；從地面來(lái)看，西路和東路冷空氣逐漸南下影響福建省，高層冷空氣疊加在低層暖濕氣流上，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，為降雹提供了熱力條件；從08時(shí)龍巖站探空曲線(xiàn)圖表明，0℃層高度為4 031 m，-20℃層高度為7 640 m，在春季兩層對(duì)應(yīng)高度較為適宜，有利于冰雹天氣的發(fā)生；CAPE值為1 929 J·kg-1，K指數(shù)為36℃，對(duì)流儲(chǔ)存能量較大，層結(jié)不穩(wěn)定明顯。從風(fēng)廓線(xiàn)資料分析可見(jiàn)(圖略)，垂直上升速度大值中心與風(fēng)速大值中心基本重合，17—18時(shí)垂直風(fēng)切變約為2 m·s-1，18—19時(shí)龍巖站上空高層風(fēng)速達(dá)22.8 m·s-1，而900 hPa到地面風(fēng)速在2 m·s-1左右，高低空風(fēng)速差超過(guò)20 m·s-1，達(dá)到中至強(qiáng)垂直風(fēng)切變的標(biāo)準(zhǔn)，激發(fā)高低層能量交換，促進(jìn)對(duì)流發(fā)展。

15:03—21:00龍巖市中東部出現(xiàn)劇烈的強(qiáng)對(duì)流天氣，部分地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水和局地小冰雹，其中永定氣象站于18：05—18：07人工觀測(cè)到冰雹，其直徑約為8 mm，持續(xù)時(shí)間約為2 min，小時(shí)雨強(qiáng)大于20 mm·h-1；漳平自動(dòng)站小時(shí)累計(jì)雨量超過(guò) 30 mm，為短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

2 雙偏振雷達(dá)特征分析

永定區(qū)18時(shí)左右的降雹過(guò)程是受強(qiáng)回波單體移入影響。根據(jù)雙偏振雷達(dá)組合反射率監(jiān)測(cè)顯示(圖1)，16:47(圖1a)強(qiáng)對(duì)流單體位于廣東梅州境內(nèi)，經(jīng)過(guò)回波分裂增強(qiáng)，回波強(qiáng)度達(dá)60 dBz，強(qiáng)中心高度約為5.1 km，云體大于60 dBz的回波強(qiáng)度持續(xù)10個(gè)體掃。17:37(圖1b)風(fēng)暴單體移至永定西南邊界，略有減弱，回波強(qiáng)中心為60.5 dBz，高度降至3.9 km，速度圖上開(kāi)始出現(xiàn)明顯輻合區(qū)。17:43(圖1c)強(qiáng)回波單體移入永定峰市鎮(zhèn)，受輻合影響，回波又出現(xiàn)顯著增強(qiáng)至62.5 dBz，強(qiáng)中心高度出現(xiàn)躍增再次發(fā)展至7.3 km。17:48(圖1d)強(qiáng)回波進(jìn)一步發(fā)展到成熟階段，強(qiáng)中心達(dá)65.0 dBz(高度達(dá)7.3 km)。從剖面(圖2a)來(lái)看，大于60 dBz的強(qiáng)回波已發(fā)展到-20℃高度，且存在旁瓣回波，在入流一側(cè)存在有界弱回波區(qū)；速度零線(xiàn)對(duì)應(yīng)強(qiáng)回波，在速度入流即強(qiáng)回波前部存在強(qiáng)度為2～4 dB 的ZDR弧，其從地面發(fā)展延伸至7～8 km，對(duì)應(yīng)著較強(qiáng)環(huán)境風(fēng)切變(Kumjian and Ryzhkov,2008)；-20～0℃強(qiáng)回波區(qū)對(duì)應(yīng)的CC值為0.8～0.96，說(shuō)明此處已有冰雹粒子存在；從KDP圖中可以看到強(qiáng)度達(dá)2～3°·km-1的KDP柱，最高至7～8 km，說(shuō)明云中已出現(xiàn)大粒子下泄拖曳造成的強(qiáng)下沉氣流。17:59(圖1e)云體風(fēng)速輻合減弱，強(qiáng)回波單體再次分裂為雙核，西側(cè)強(qiáng)回波前沿移至永定城區(qū)，強(qiáng)中心達(dá)62.5 dBz(圖2b)，其高度下降至4.3 km，對(duì)應(yīng)的ZDR高值區(qū)下降，對(duì)應(yīng)的CC的低值區(qū)以及KDP柱同樣下降至0℃層，說(shuō)明此時(shí)云內(nèi)冰雹粒子開(kāi)始大量下落。18:05(圖1f)雷達(dá)回波移至永定站上空(即測(cè)站觀測(cè)到的降雹期)，云體強(qiáng)度較上一時(shí)刻減弱，最強(qiáng)回波減至58 dBz(圖2c)，近地面ZDR增大至4 dB，CC值仍在0.9～0.92，說(shuō)明此時(shí)地面降水粒子為大雨滴和小冰雹混合，與地面觀測(cè)相符。隨著降水過(guò)程的持續(xù)，云體回波整體變松散，風(fēng)暴減弱消亡(圖1f)。

圖1 2020年3月27日16:47—18:05永定強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程組合反射率CR演變(紅色圓圈所示為此次觀測(cè)的雷達(dá)回波單體)

圖2 2020年3月27日(a)17:48，(b)17:59，(c)18:05永定站強(qiáng)對(duì)流單體中心沿徑向剖面的雙偏振雷達(dá)回波特征(ZH：水平反射率因子，Vr：徑向速度，ZDR：差分反射率因子，CC：相關(guān)系數(shù)，KDP：差分相移率；組合反射率CR圖中紅色虛線(xiàn)為相應(yīng)的剖面位置，五角星為永定站雨滴譜儀位置；下同)

相近時(shí)刻，18:27左右漳平本站出現(xiàn)較明顯短時(shí)強(qiáng)降水，其回波單體發(fā)展與永定站較為相似，同樣由外縣移入經(jīng)過(guò)單體分裂、發(fā)展加強(qiáng)，因此選取該片強(qiáng)回波塊與永定降雹單體進(jìn)行對(duì)比。該云系于15:46 在漳州奎洋鎮(zhèn)發(fā)展成多單體，向東北方向移動(dòng)并逐漸加強(qiáng)；17:26西側(cè)分裂出強(qiáng)對(duì)流單體，移至漳平南部邊界，此時(shí)回波強(qiáng)度達(dá)60 dBz，強(qiáng)中心高度在1.8 km。強(qiáng)對(duì)流云體在移動(dòng)過(guò)程中繼續(xù)發(fā)展增強(qiáng)，18:11(圖3a)強(qiáng)回波中心超65.0 dBz，最強(qiáng)在0℃層附近，對(duì)應(yīng)的CC值約為0.85，ZDR接近0，此處有冰雹出現(xiàn)。18:16(圖3b)云體繼續(xù)加強(qiáng)，回波頂高突破-20℃層，最大回波強(qiáng)度仍大于60 dBz，強(qiáng)中心高度達(dá)5.1 km，此時(shí)出現(xiàn)明顯的KDP柱，0℃層附近KDP空洞(Kumjian,2013b)對(duì)應(yīng)著50 dBz以上的反射率，且CC值約為0.9，說(shuō)明此處仍有冰雹存在，但低層KDP較強(qiáng)的區(qū)域?qū)?yīng)CC值在0.90～0.95且ZDR為2～4 dB，說(shuō)明地面為強(qiáng)降水，可能有融化小雹或霰粒子(Romine et al，2008；Kumjian,2013a)。18:27(圖3c)回波單體移入漳平本站上空，回波強(qiáng)度仍可達(dá)63 dBz，但其高度下降至2.4 km，KDP柱高度降低，近地層KDP增大至5°·km-1，ZDR減小為2～2.5 dB且CC為0.94以上，說(shuō)明此時(shí)地面以強(qiáng)降水為主。

圖3 2020年3月27日(a)18:11,(b)18:16,(c)18:27漳平站強(qiáng)對(duì)流單體中心沿徑向剖面的雙偏振雷達(dá)回波特征

為更好地分析冰雹等強(qiáng)對(duì)流降水云系的雙偏振參數(shù)特征，選取2021年5月31日龍巖上杭縣發(fā)生的暖切南側(cè)西南氣流影響產(chǎn)生的暖區(qū)暴雨云系進(jìn)行對(duì)比分析。此次過(guò)程中，上杭縣藍(lán)溪鎮(zhèn)11—12時(shí)的小時(shí)雨量達(dá)52.8 mm。從08時(shí)探空資料表明0℃層高度為5.3 km，-20℃層為9 km。從雷達(dá)回波來(lái)看，31日09:30前后龍巖西南部有多單體發(fā)展，11:02在上杭藍(lán)溪鎮(zhèn)西南方向有強(qiáng)回波合并加強(qiáng)發(fā)展，并沿東北方向向藍(lán)溪鎮(zhèn)靠近(圖4a)，云系最強(qiáng)回波強(qiáng)度為51.5 dBz，強(qiáng)中心最高為5.8 km，KDP柱高度也發(fā)展至5.8 km，除了在0℃層附近(CC接近0.95且ZDR為1～2.5 dB)有明顯的融化層亮帶特征外，其余高度CC>0.98，無(wú)冰雹特征；11:13—11:35 回波塊移入藍(lán)溪鎮(zhèn)上空維持(圖4b)，最強(qiáng)回波強(qiáng)度為54 dBz，其高度達(dá)5.4 km，KDP柱發(fā)展高度為5.5 km，此時(shí)高空仍無(wú)冰雹特征。與永定站冰雹云、漳平短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例對(duì)比可見(jiàn)，暖區(qū)降水云系強(qiáng)回波主體大部分位于0℃以下，強(qiáng)回波、ZDR大值區(qū)、KDP柱發(fā)展高度相較前兩個(gè)強(qiáng)對(duì)流云系低，偏向暖云降水機(jī)制主導(dǎo)；而永定站和漳平站的強(qiáng)對(duì)流降水則更多包含了冰相降水過(guò)程。

圖4 2021年5月31日(a)11:02,(b)11:13藍(lán)溪鎮(zhèn)暖區(qū)降水云中心沿徑向剖面的雙偏振雷達(dá)回波特征

3 強(qiáng)對(duì)流雨滴譜特征分析

3.1 微物理參數(shù)的演變

從降水粒子數(shù)濃度、最大直徑和降水雨強(qiáng)隨時(shí)間的變化可見(jiàn)(圖5a)，永定站雨滴譜儀記錄的最大冰雹直徑為7.5 mm，這與人工觀測(cè)的直徑8 mm基本一致。17:43—17:54受強(qiáng)回波單體前側(cè)弱回波影響，地面出現(xiàn)了零星弱降水，此時(shí)雨滴尺度小、數(shù)濃度低。17:54—18:02為強(qiáng)回波單體前部降水，雨滴直徑顯著增大，但數(shù)濃度增長(zhǎng)較緩慢(93～204 個(gè)·m-3)，說(shuō)明強(qiáng)回波前部降水以數(shù)量少的大滴為主。隨著云體主體回波進(jìn)入永定站上空，18:03個(gè)別降水粒子直徑達(dá)到7.5 mm，平均直徑為1.187 mm，含水量及雨強(qiáng)也達(dá)到第一個(gè)小峰值，數(shù)濃度開(kāi)始增大。18:04粒子最大直徑減小至5 mm，平均直徑減小至0.937 mm，含水量略有減小，數(shù)濃度才出現(xiàn)第一個(gè)峰值，此時(shí)降水以高濃度的雨滴組成。18:05—18:07 地面降水粒子最大直徑及平均直徑均再次達(dá)到峰值，分別為7.5 mm、1.375 mm，含水量也達(dá)到峰值56.64 g·m-3，同時(shí)數(shù)濃度又出現(xiàn)降低，此時(shí)人工觀測(cè)到冰雹。18:08以后粒子最大直徑及平均直徑均減小，同時(shí)數(shù)濃度再次增大到第二峰值。隨著強(qiáng)回波單體移出，降水粒子數(shù)濃度快速減小，粒子尺度逐步減小。同時(shí)段漳平站降水的雨滴譜參量演變與永定站類(lèi)似(圖5b)，18:05對(duì)流單體前側(cè)弱回波區(qū)，雨滴尺度小、數(shù)濃度低。18:20—18:25單體前部出現(xiàn)5.5 mm的大雨滴，含水量較小、數(shù)濃度較低。18:27—18:30回波強(qiáng)中心移入后，降水粒子最大直徑、含水量和雨強(qiáng)均達(dá)到最大，與永定降雹不同的是粒子平均直徑減小，而雨滴數(shù)濃度同時(shí)也達(dá)最大。18:32隨著強(qiáng)回波單體移出，降水粒子也是直徑逐漸減小，含水量降低，數(shù)濃度迅速下降。

圖5 2020年3月27日(a)永定站17:43—18:20和(b)漳平站18:24—18:44降水粒子參數(shù)(數(shù)濃度NT、雨強(qiáng)R、含水量LWC、最大直徑Dmax、平均直徑Dave)隨時(shí)間的變化

3.2 降水粒子譜的特征對(duì)比

由于永定站降水包含液相和冰相粒子，漳平站通過(guò)雙偏振雷達(dá)分析判斷為液相降水，因此分析了永定和漳平兩站降水期間的降水粒子速度-尺度譜分布來(lái)研究?jī)烧窘邓Ｗ拥南鄳B(tài)(圖6)，圖中雨滴線(xiàn)、低密度雹1線(xiàn)、低密度雹2線(xiàn)、高密度雹線(xiàn)為根據(jù)表1公式計(jì)算所得。永定站受云體前側(cè)影響時(shí)(圖6a)，雨滴下落末速度和尺度的離散度不大，均勻分布在理論雨滴線(xiàn)兩側(cè)，整體數(shù)濃度較小；受強(qiáng)回波主體影響時(shí)，雨滴下落末速度和尺度的離散度加大(圖6b)，有樣本出現(xiàn)在低密度雹1線(xiàn)上，根據(jù)Friedrich et al(2013)結(jié)論認(rèn)為低密度雹2線(xiàn)和高密度雹線(xiàn)在粒子直徑5～8 mm仍以大雨滴為主，因此此時(shí)地面觀測(cè)到的冰雹可判斷為低密度冰雹；降雹后(圖6c)，強(qiáng)回波主體后部降水粒子又均勻分布在理論雨滴線(xiàn)兩側(cè)，基本為液相，而數(shù)濃度則較之前顯著增加。漳平站的降水粒子下落末速度-尺度圖(圖6d)與永定冰雹云后部降水(圖6c)近乎類(lèi)似，判斷其為以雨滴為主的降水，與雙偏振雷達(dá)分析結(jié)論一致。

圖6 2020年3月27日(a,b,c)永定站(a)17:43—18:02，(b)18:03—18:08，(c)18:09—18:20，和(d)漳平站18:24—18:40的降水粒子速度-尺度圖(填色為單位尺度間隔下單位體積雨滴數(shù)，單位：個(gè)·m-3·mm-1)

從永定站地面降水粒子尺度譜的時(shí)間變化情況來(lái)看，17:55—18:00(圖7a，7b，7c)強(qiáng)回波前部雨滴譜迅速變寬，譜型從單峰向雙峰、多峰演變，此時(shí)62.5 dBz強(qiáng)中心高度為4.3 km，對(duì)應(yīng)的ZDR高值區(qū)以及KDP柱均下降至0℃層，可見(jiàn)此時(shí)云內(nèi)冰雹粒子開(kāi)始下落。18:02—18:03(圖7d，7e)小雨滴數(shù)目呈數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)，大雨滴數(shù)目有所增長(zhǎng)，最大直徑達(dá)7.5 mm，18:03(圖7e)的粒子速度-尺度譜中已有個(gè)別粒子分布在低密度雹1線(xiàn)上(圖略)，此刻已有小冰雹夾雜在大雨滴中，但由于數(shù)量較少，未被觀測(cè)到。18:04(圖7f)粒子尺度譜寬變窄，大滴數(shù)減少且未有冰雹出現(xiàn)，小雨滴數(shù)目進(jìn)一步增長(zhǎng)達(dá)到最大值1 469.8 m-3，此刻碰并破碎機(jī)制產(chǎn)生大量的小雨滴。18:05—18:07為明顯的雨夾雹階段，小雨滴數(shù)目有所下降(圖7g，7h，7i)，譜寬增大至7.5 mm，落在低密度雹1線(xiàn)附近的粒子數(shù)較18:03多(圖略)，最強(qiáng)回波為58 dBz、ZDR及KDP最大值區(qū)均下降至0℃層以下，說(shuō)明降雹發(fā)生，因此能被地面人工觀測(cè)到。18:08 后以降水為主，粒子尺度譜譜寬逐漸收窄，呈現(xiàn)由雙峰向單峰結(jié)構(gòu)演變，小粒子數(shù)濃度減少幅度較為顯著(圖7j)。

圖7 2020年3月27日17:55—18:13永定站雨滴譜演變

漳平站當(dāng)18:24—18:28強(qiáng)回波靠近時(shí)，ZH>55 dBz強(qiáng)中心高度為3.9 km，對(duì)應(yīng)KDP柱及ZDR柱在4.1 km左右，可見(jiàn)粒子下落、以降水為主，云體前部雨滴譜與永定站一樣也是呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，但小雨滴的數(shù)濃度明顯較永定少，第二峰與第一峰強(qiáng)度相當(dāng)(圖8a，8b)。隨著主體回波影響，18:29—18:31最強(qiáng)降水期，強(qiáng)回波高度降低至3.1 km，KDP柱及ZDR柱高度也降低，雨滴譜迅速增寬至5.5 mm，小滴端數(shù)濃度較之前呈量級(jí)增長(zhǎng)，但滴譜反而呈單峰分布(圖8c，8d)。隨著回波移出減弱，雨滴譜譜寬變窄，雨滴數(shù)濃度減小(圖8e，8f)，與永定類(lèi)似，小粒子數(shù)濃度減少幅度較為顯著。

圖8 2020年3月27日18:25—18:37漳平站雨滴譜演變

綜合永定和漳平兩站的滴譜瞬時(shí)變化來(lái)看，在強(qiáng)對(duì)流云體前部雨滴譜增寬都是大滴端先增加，出現(xiàn)明顯的雙峰或多峰結(jié)構(gòu)，隨著云體強(qiáng)中心的靠近才使小滴端數(shù)濃度呈量級(jí)增多，這與強(qiáng)對(duì)流云體前部垂直環(huán)境風(fēng)切變較強(qiáng)導(dǎo)致大、小雨滴下落軌跡及落區(qū)出現(xiàn)顯著分離，與ZDR弧結(jié)構(gòu)(Kumjian and Ryzhkov,2008;Jung et al,2010；Dawson Ⅱ et al,2014;2015)類(lèi)似，即云體前部為濃度不高大雨滴構(gòu)成，靠近強(qiáng)中心則出現(xiàn)高濃度的小雨滴。在降雹或強(qiáng)降水階段，雨滴譜呈現(xiàn)單峰或幅度較之前弱的雙峰結(jié)構(gòu)，根據(jù)0℃層至地面的雙偏振參量CC值在0.95左右可判斷此時(shí)的大滴多為小冰雹或霰融化造成(圖2c，圖3c)；在降雹后，降水粒子譜先呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，該部位對(duì)應(yīng)的CC值接近0.99，因此可判斷雙峰結(jié)構(gòu)主要由雨滴的碰并造成；隨著云體的移出滴譜逐漸譜寬收窄，呈現(xiàn)由雙峰減弱向單峰結(jié)構(gòu)演變，小粒子數(shù)濃度呈量級(jí)減少。

4 結(jié) 論

2020年3月27日在槽前西南氣流影響的背景下，龍巖東南部出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，本文基于雙偏振雷達(dá)和地面降水粒子譜對(duì)在永定站有觀測(cè)到冰雹的云體以及同時(shí)發(fā)生在漳平只觀測(cè)到短時(shí)強(qiáng)降水的云體進(jìn)行分析，主要有以下結(jié)論：

(1)永定的降雹單體在降雹前出現(xiàn)回波高度躍增，存在有界弱回波區(qū)，在云體移動(dòng)方向前部出現(xiàn)了強(qiáng)度為2～4 dB的ZDR弧，內(nèi)部出現(xiàn)了發(fā)展高度較高的KDP柱，最高至7～8 km；而漳平的強(qiáng)對(duì)流云體也可觀測(cè)到KDP柱，但發(fā)展高度較低，空中出現(xiàn)了冰雹但在下落過(guò)程中融化，地面以大雨滴強(qiáng)降水為主。

(2)在強(qiáng)對(duì)流云體前部雨滴譜增寬呈現(xiàn)雙峰或多峰結(jié)構(gòu)，此時(shí)大滴端先增加，隨著云體強(qiáng)中心的靠近才是小滴端(D≤1 mm)數(shù)濃度呈量級(jí)增多，這與云體前部強(qiáng)環(huán)境垂直風(fēng)切導(dǎo)致的大、小雨滴降落軌跡分離有關(guān)。

(3)在降雹或強(qiáng)降水階段，永定站觀測(cè)到的冰雹為低密度冰雹，滴譜呈現(xiàn)幅度較弱的雙峰結(jié)構(gòu)，漳平站則是呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)，此時(shí)兩站的大滴(D>3 mm)多為小冰雹融化造成。

(4)在降雹后降水粒子譜的雙峰結(jié)構(gòu)主要由雨滴的碰并造成，云體后部降水的滴譜譜寬收窄伴隨著小粒子數(shù)濃度呈量級(jí)減少。