姚 浪，周永水，李 剛，李 力，吳 姍

(1.貴州省畢節(jié)市氣象局，貴州 畢節(jié) 551700；2.貴州省氣象臺(tái)，貴州 貴陽(yáng) 550002；3.貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)氣象局，貴州 畢節(jié) 551700)

0 引言

畢節(jié)位于貴州西北部，平均海拔達(dá)1600 m，境內(nèi)山地起伏、地形復(fù)雜，春季強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，風(fēng)雹災(zāi)害成為畢節(jié)受災(zāi)程度較大的災(zāi)害性天氣之一。由于地處四川盆地至烏蒙山脈海拔驟升山區(qū)，春季地面輻合線影響頻繁，常成為貴州強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展的源地，對(duì)流發(fā)展具有回波生成快、發(fā)展強(qiáng)度強(qiáng)、降雹頻次高、影響范圍廣、致災(zāi)嚴(yán)重等特點(diǎn)。因此準(zhǔn)確識(shí)別冰雹云，判斷可能發(fā)生的災(zāi)害性天氣，及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，開(kāi)展人工防雹作業(yè)對(duì)氣象防災(zāi)減災(zāi)有著十分重要的意義。隨著雷達(dá)升級(jí)改造，雙偏振雷達(dá)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，其雙偏振參量能更好地識(shí)別降水粒子類型[1]。張鴻發(fā)等[2]在偏振雷達(dá)觀測(cè)冰雹云方面做了大量研究，李春娥等[3]、李瑋等[4]在偏振參量識(shí)別冰雹方面給出參量特征。劉亞男等[5]在雙極化雷達(dá)對(duì)云中水凝物粒子相態(tài)識(shí)別作出分析。本文選取2021年5月9日畢節(jié)市一次大范圍冰雹、大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，結(jié)合觀測(cè)資料對(duì)典型單體進(jìn)行雙偏振雷達(dá)特征分析，總結(jié)習(xí)水雷達(dá)在畢節(jié)中東部應(yīng)用效果。

1 資料和天氣實(shí)況

本文使用遵義習(xí)水C波段雙偏振雷達(dá)和貴陽(yáng)C波段多普勒雷達(dá)對(duì)畢節(jié)一次冰雹、大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水天氣進(jìn)行雷達(dá)產(chǎn)品特征分析。冰雹數(shù)據(jù)來(lái)源于畢節(jié)市縣氣象局觀測(cè)資料，天氣背景分析數(shù)據(jù)來(lái)自MICAPS高空、地面觀測(cè)資料，降水量使用畢節(jié)地面觀測(cè)自動(dòng)站數(shù)據(jù)。

2021年5月9日14時(shí)開(kāi)始，畢節(jié)市境內(nèi)西部地區(qū)分散對(duì)流天氣發(fā)展，17時(shí)分散對(duì)流單體緩慢東移合并加強(qiáng)為線狀強(qiáng)回波影響七星關(guān)、赫章和大方，18—23時(shí)組合反射率產(chǎn)品呈多單體對(duì)流風(fēng)暴緩慢東移南壓影響畢節(jié)中東部地區(qū)。過(guò)程收集到畢節(jié)境內(nèi)七星關(guān)、納雍、赫章、織金、黔西、大方和金沙共計(jì)7縣域45鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹天氣，冰雹直徑20 mm以上7鄉(xiāng)鎮(zhèn)，最大冰雹直徑金沙安洛宋家坪35 mm；小時(shí)雨強(qiáng)25 mm以上短時(shí)強(qiáng)降水72站，最大小時(shí)雨強(qiáng)為黔西中建20時(shí)100.5 mm。過(guò)程共計(jì)發(fā)生100 mm以上大暴雨12站，50 mm以上暴雨58站，其中畢節(jié)中心城區(qū)降水量達(dá)120.8 mm，站點(diǎn)最大降水量142.3 mm。出現(xiàn)20 m·s-1以上大風(fēng)7站，黔西城區(qū)測(cè)站最大風(fēng)速達(dá)33.4 m·s-1(19時(shí)09分)。本次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程在畢節(jié)中東部出現(xiàn)大范圍冰雹、大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水和強(qiáng)雷暴天氣，具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍大、對(duì)流強(qiáng)度強(qiáng)和受災(zāi)損失重等特點(diǎn)。

圖1 2021年5月9日畢節(jié)市冰雹、大風(fēng)天氣實(shí)況Fig.1 Hail and gale weather in Bijie on May 9, 2021

2 天氣背景與環(huán)境場(chǎng)特征

強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前高空500 hPa貴州受584線北側(cè)西南氣流影響，青藏高原東南側(cè)至云南西北地區(qū)為溫度冷槽區(qū)，低層受暖區(qū)偏南氣流控制，威寧早晨探空有弱逆溫層，午后增溫有利于不穩(wěn)定能量集聚。20時(shí)500 hPa西風(fēng)迅速增大至18～20 m·s-1，高空冷平流自西向東影響貴州西北部地區(qū)；850 hPa南風(fēng)急流建立，地面熱低壓發(fā)展，隨著午后升溫貴州區(qū)域低層高溫高濕特征明顯。貴陽(yáng)站850 hPa與500 hPa溫差從24 ℃增大到31 ℃，威寧探空呈喇叭口分布，中高層干區(qū)明顯。20時(shí)貴陽(yáng)CAPE值達(dá)1560 J·kg-1。威寧、貴陽(yáng)SI指數(shù)分別為-3.3 ℃、-5.8 ℃，貴州西北部地區(qū)上干冷下暖濕層結(jié)加劇大氣不穩(wěn)定度，14時(shí)畢節(jié)自西向東露點(diǎn)分布為6～18 ℃，露點(diǎn)梯度大。隨著14—17時(shí)邊界層輻合線擾動(dòng)和能量鋒區(qū)抬升，畢節(jié)對(duì)流天氣發(fā)展，0～3 km貴州西北部16～17 m·s-1中等強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變和中高層干侵入利于組織對(duì)流的形成，適宜的融化層高度(WBZ：4300m)和-20 ℃層高度(7300m)為冰雹的形成和增大提供了適宜的環(huán)境溫場(chǎng)條件。

3 冰雹、大風(fēng)過(guò)程的雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品分析

3.1 大冰雹識(shí)別

3.1.1 強(qiáng)風(fēng)暴特征 習(xí)水雷達(dá)0.5°仰角在17時(shí)04分探測(cè)到大方東部有強(qiáng)度超過(guò)50 dBz回波發(fā)展，17—20時(shí)該強(qiáng)回波緩慢東南移動(dòng)，期間對(duì)流單體多次發(fā)展—成熟—減弱，風(fēng)暴路徑上多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水。圖3給出18時(shí)03分發(fā)生在畢節(jié)市東北部一個(gè)強(qiáng)風(fēng)暴單體的不同仰角反射率因子(Zh)和0.5°仰角徑向速度(V)。由圖3a可見(jiàn)低層沿入流一側(cè)(南側(cè))反射率因子具有很大梯度，強(qiáng)回波呈勾狀形態(tài)，最大回波強(qiáng)度達(dá)64 dBz(高度約1800 m)，在紅點(diǎn)標(biāo)注區(qū)域存在弱回波區(qū)，2.5°～4.3°仰角上紅點(diǎn)區(qū)回波強(qiáng)度遞增，3.5°仰角上50 dBz以上強(qiáng)回波區(qū)呈準(zhǔn)圓形，反射率因子梯度較低層分布更均勻，弱回波區(qū)上空存在反射率因子>60 dBz強(qiáng)回波中心，風(fēng)暴單體自西北向東南出現(xiàn)回波懸垂。1.5°、2.5°、3.5°、4.3°、6.1°仰角上最大反射率因子分別達(dá)66.5 dBz(高度約3600 m)、69.5 dBz(高度約5600 m)、69 dBz(高度約7500 m)、68.5 dBz(高度約9200 m)和54.5 dBz(高度約12 800 m)，強(qiáng)回波伸展高度高，且在1.5°仰角4500 m高度上沿雷達(dá)徑向60 dBz強(qiáng)回波區(qū)域后側(cè)出現(xiàn)三體散射長(zhǎng)釘和旁瓣回波特征。在低層徑向速度圖上可見(jiàn)風(fēng)暴單體南側(cè)入流區(qū)存在明顯負(fù)速度大值區(qū)，入流氣流顯著，疊加低層弱回波區(qū)上空有高強(qiáng)回波懸垂，該區(qū)域存在強(qiáng)上升氣流。對(duì)比貴陽(yáng)多普勒雷達(dá)18時(shí)06分(圖略)觀測(cè)到金沙南部冰雹云回波低層呈勾狀形態(tài)，向南一側(cè)探測(cè)到V型缺口，垂直方向上向東南方出現(xiàn)懸垂回波，60 dBz以上強(qiáng)回波伸展到10 km以上。強(qiáng)風(fēng)暴特征與習(xí)水雷達(dá)觀測(cè)一致，主要區(qū)別在于金沙南部冰雹云單體所處方位和單體移動(dòng)方向的差異導(dǎo)致習(xí)水雷達(dá)在1.5°仰角探測(cè)到強(qiáng)回波區(qū)后側(cè)的三體散射長(zhǎng)釘現(xiàn)象，而貴陽(yáng)雷達(dá)同仰角未探測(cè)到三體散射長(zhǎng)釘現(xiàn)象。對(duì)應(yīng)觀測(cè)實(shí)況，金沙南部安洛鄉(xiāng)宋家坪于17時(shí)50分—18時(shí)30分出現(xiàn)最大直徑為35 mm的大冰雹，該風(fēng)暴單體組織性好，屬于具有強(qiáng)風(fēng)暴特征的成熟階段冰雹云。

圖2 5月9日天氣綜合分析(a)和20時(shí)威寧T-lnp圖(b)Fig.2 Comprehensive analysis of weather on May 9 (a) and 20∶00 Weining diagram (b)

圖3 5月9日18時(shí)03分不同仰角反射率因子和0.5°徑向速度圖(a.0.5°Zh,b.1.5°Zh,c.3.5°Zh,d.0.5°V)Fig.3 The reflectivity factor of different elevation angles and the radial velocity of 0.5° at 18∶03 on May 9 (a.0.5°Zh, b.1.5°Zh, c.3.5°Zh, d.0.5°V)

沿單體低層反射率因子梯度大值區(qū)的金沙縣安洛鄉(xiāng)西部—黔西縣鼎新鄉(xiāng)做反射率因子剖面分析(圖4)，發(fā)現(xiàn)18時(shí)03分50 dBz以上反射率因子已接近近地層，60 dBz以上強(qiáng)回波自近地層到10 km以上出現(xiàn)小區(qū)域垂直伸展形態(tài)，-20 ℃層以上強(qiáng)回波區(qū)域大，對(duì)流發(fā)展極其深厚，利于大冰雹在融化層以上的翻滾和體積增大。垂直形態(tài)上可見(jiàn)低層弱回波區(qū)上空對(duì)應(yīng)中高層強(qiáng)回波區(qū)，風(fēng)暴頂位于低層反射率因子大值區(qū)上空，在接近5 km高度附近出現(xiàn)短時(shí)有界弱回波區(qū)，表明該區(qū)域存在一支強(qiáng)盛上升氣流。19時(shí)09分，60 dBz以上強(qiáng)回波區(qū)質(zhì)心逐漸下降，面積迅速減小，50 dBz以上反射率因子呈準(zhǔn)垂直分布，對(duì)流單體進(jìn)入減弱消亡階段，對(duì)應(yīng)地面觀測(cè)以降水天氣為主。

圖4 5月9日反射率因子剖面(a.18時(shí)03分,b.19時(shí)09分)Fig.4 Reflectance factor profile on May 9 (a.18∶03,b.19∶09)

3.1.2 雙偏振雷達(dá)參量特征 雙偏振雷達(dá)的雙線偏振功能可以有效提高探測(cè)冰雹的準(zhǔn)確率和改進(jìn)降水估測(cè)，同時(shí)對(duì)冰雹在垂直方向上的翻滾狀態(tài)和下落融化過(guò)程進(jìn)行判斷?？紤]到該單體造成實(shí)際強(qiáng)對(duì)流天氣有短時(shí)強(qiáng)降水和大冰雹混合，結(jié)合觀測(cè)天氣現(xiàn)象和雙偏振雷達(dá)差分反射率因子ZDR、相關(guān)系數(shù)CC和比微差相移KDP可以更準(zhǔn)確地識(shí)別冰雹云特征。0.5°仰角上反射率因子Zh≥55 dBz區(qū)域ZDR值在-1～1 dB，CC上該區(qū)域ρHV<0.9，其中在金沙安洛南側(cè)至百里杜鵑沙廠東側(cè)探測(cè)到中心值為0.67的低值區(qū)，KDP顯示金沙安洛南側(cè)出現(xiàn)1～3.5 °·km-1大值區(qū)，其南側(cè)為KDP空白區(qū)，在Zh南側(cè)梯度大值區(qū)對(duì)應(yīng)ZDR>2 dB，中心峰值達(dá)5.2 dB，表明安洛南側(cè)可能為分界線，其北部為干冰雹區(qū)，南側(cè)出現(xiàn)融化的冰雹和大雨滴混合。從0.5°仰角CC(圖5c)可見(jiàn)在標(biāo)記處冰雹區(qū)南側(cè)出現(xiàn)了較大范圍的ρHV低值區(qū)，對(duì)應(yīng)低層反射率因子該區(qū)域強(qiáng)度低于50 dBz，表明CC產(chǎn)品在低層徑向方向上前側(cè)的大冰雹區(qū)可能造成后側(cè)ρHV出現(xiàn)異常低值區(qū)。2.5°仰角上反射率因子Zh≥50 dBz區(qū)域?qū)?yīng)ZDR接近0 dB(圖5b)，該高度強(qiáng)回波區(qū)粒子為干冰雹，在南側(cè)入流區(qū)百里杜鵑仁和鄉(xiāng)東部出現(xiàn)ZDR>1 dB大值區(qū)，觀測(cè)高度為6200 m，處于融化層之上，可以判斷為一個(gè)ZDR柱，指示該區(qū)域有強(qiáng)上升氣流存在。

圖5 5月9日18時(shí)03分雙偏振參量(a.0.5°ZDR,b.2.5°ZDR,c.0.5°CC,d.0.5°KDP)Fig.5 Dual polarization parameters at 18∶03 on May 9 (a.0.5°ZDR, b.2.5°ZDR, c.0.5°CC, d.0.5°KDP)

由圖6的ZDR剖面可見(jiàn)低層反射率因子南側(cè)梯度大值區(qū)對(duì)應(yīng)ZDR>1 dB高度接近5 km，寬約10 km，中心峰值接近5dB(高度3800 m)，該區(qū)域降水粒子主要為融化的小冰雹和較大的降水粒子。結(jié)合相關(guān)系數(shù)CC剖面可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)反射率因子Zh>60 dBz區(qū)域ρHV約在0.85以下，在8 km高度附近出現(xiàn)1個(gè)ρHV<0.7的低值區(qū)，中心最低值達(dá)0.42，表明8 km附近有帶尖刺的大冰雹或超大冰雹發(fā)展，對(duì)應(yīng)近地層可以找到間斷ρHV<0.7的低值塊，可見(jiàn)高空大冰雹在穿越融化層下落到近地層仍能達(dá)大冰雹尺寸，對(duì)應(yīng)地面在該區(qū)域內(nèi)收集到35 mm大冰雹實(shí)況信息。

圖6 5月9日18時(shí)03分差分反射率因子ZDR剖面(a)、相關(guān)系數(shù)CC剖面(b)Fig.6 Differential reflectance factor ZDR section (a), correlation coefficient CC section (b) at 18∶03 on May 9

3.2 黔西大風(fēng)回波特征

5月9日19時(shí)09分黔西城區(qū)觀測(cè)到33.4 m·s-1的12級(jí)西北大風(fēng)，大風(fēng)發(fā)生時(shí)對(duì)流風(fēng)暴呈多強(qiáng)單體線性排列，黔西位于線狀強(qiáng)回波前側(cè)弱反射率因子影響區(qū)域，風(fēng)暴整體向東偏南方向移動(dòng)。分析大風(fēng)發(fā)生前雷達(dá)回波特征發(fā)現(xiàn)，18時(shí)56分低仰角反射率因子在黔西東北區(qū)域有前側(cè)V型入流缺口，西北部有強(qiáng)單體緩慢東移，結(jié)合地面氣壓觀測(cè)百里杜鵑近1 h正變壓達(dá)3 hPa，風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北，風(fēng)暴冷池下沉出流氣流與南風(fēng)的輻合在黔西南側(cè)激發(fā)出強(qiáng)度為15～25 dBz的陣風(fēng)鋒和弱對(duì)流單體發(fā)展，抬高仰角到2.5°箭頭標(biāo)記處Zh弱，跟蹤2個(gè)體掃后南側(cè)弱單體逐漸消散。0.5°仰角徑向速度上仁和鄉(xiāng)以西—中坪鄉(xiāng)為風(fēng)暴前側(cè)入流區(qū)，雨沖南側(cè)—仁和鄉(xiāng)西部為風(fēng)暴出流正速度區(qū)，在黔西縣西北側(cè)的仁和鄉(xiāng)南部標(biāo)記處探測(cè)到旋轉(zhuǎn)速度為26.7 m·s-1的氣旋式輻合速度對(duì)，抬高仰角到1.5°該區(qū)域?yàn)?0～16 m·s-1負(fù)速度區(qū)，速度對(duì)伸展高度約為2200～3500 m，持續(xù)時(shí)間1個(gè)體掃。這表明強(qiáng)風(fēng)暴單體前側(cè)與陣風(fēng)鋒之間風(fēng)暴底層出流氣流配合近地層強(qiáng)氣旋式輻合會(huì)造成極端破壞性大風(fēng)天氣。

圖7 5月9日18時(shí)54分不同仰角反射率因子Zh和徑向速度V(a.0.5°Zh,b.2.5°Zh,c.0.5°V,d.1.5°V)Fig.7 The reflectivity factor Zh and radial velocity V at different elevation angles at 18∶54 on May 9 (a.0.5°Zh, b.2.5°Zh, c.0.5°V, d.1.5°V)

4 小結(jié)

本文分析了2021年5月9日畢節(jié)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)的主要環(huán)流背景和多普勒雷達(dá)與雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品在畢節(jié)東部典型強(qiáng)對(duì)流單體中的特征，揭示了金沙南部大冰雹和黔西大風(fēng)的雷達(dá)產(chǎn)品特征，認(rèn)為多普勒雷達(dá)和雙偏振雷達(dá)均能探測(cè)出對(duì)流單體的強(qiáng)風(fēng)暴形態(tài)，雙偏振參量的優(yōu)勢(shì)在于能有效識(shí)別降水粒子類型以及對(duì)大冰雹特征的顯示，主要結(jié)論如下：

①此次過(guò)程500 hPa冷平流加強(qiáng)、低層南風(fēng)急流建立，上干冷下暖濕層結(jié)使得畢節(jié)大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，垂直方向上存在中等強(qiáng)度的風(fēng)切變，隨著午后地面輻合線疊加露點(diǎn)鋒抬升觸發(fā)對(duì)流天氣，形成有組織性的多單體強(qiáng)風(fēng)暴。

②習(xí)水、貴陽(yáng)雷達(dá)均探測(cè)到金沙南部低層反射率因子強(qiáng)回波區(qū)呈勾狀形態(tài)，伴有弱回波區(qū)，抬高仰角顯示中高層回波懸垂、有短時(shí)有界弱回波區(qū)，60 dBz以上強(qiáng)回波區(qū)伸展到10 km以上，強(qiáng)風(fēng)暴單體特征明顯，有利于大冰雹、大風(fēng)的發(fā)生。

③習(xí)水雷達(dá)雙偏振參量顯示金沙南部低仰角反射率因子Zh大值區(qū)與ZDR零值附近對(duì)應(yīng)干冰雹特征顯著，反射率因子強(qiáng)中心南側(cè)梯度大值區(qū)ZDR>1 dB區(qū)域與KDP>1°·km-1的大值區(qū)重疊能反映出水凝物粒子類型特征，近地層ρHV<0.7的低值區(qū)存在能有效識(shí)別大冰雹的降落。

④ 陣風(fēng)鋒的出現(xiàn)以及風(fēng)暴單體底層冷池出流是百里杜鵑—黔西一線大風(fēng)出現(xiàn)的主要原因，配合徑向速度圖上低層強(qiáng)氣旋式輻合使得地面大風(fēng)得以加強(qiáng)，造成黔西縣出現(xiàn)極端破壞性大風(fēng)天氣。