摘要：利用S波段雙偏振雷達資料和多種觀測資料，對2021年5月10日湖南長沙的大冰雹超級單體風暴過程進行分析，結果表明：（1）此次過程發(fā)生在低層暖平流主導下，高能量、有利的對流不穩(wěn)定條件以及濕球0℃（WBZ）高度明顯低于0℃層高度為大冰雹超級單體風暴的形成和維持提供了有利條件。（2）強中心（水平反射率因子Zh≥60 dBz）面積和最大水平反射率因子明顯增大、垂直累積液態(tài)水含量躍增和質心高度發(fā)展到冰雹有效增長層，可作為大冰雹形成發(fā)展的依據(jù)。（3）差分反射率因子（Zdr）柱、相關系數(shù)（CC）、差分相移率（Kdp）演變可為冰雹的云物理特征變化提供重要參考。Zdr柱（≥1 dB）的出現(xiàn)對應上升氣流區(qū)，擴展至WBZ 以上，Zdr柱的發(fā)展和維持表明其攜帶的過冷雨滴為冰雹發(fā)展和維持提供了雹胚；Zdr洞（＜0 dB）對應下沉氣流區(qū)擴展至近地面，結合小CC 和Kdp“空洞”對應干的大冰雹。（4）構建的超級單體風暴降雹階段不同仰角的雙偏振監(jiān)測識別模型顯示，強雹暴回波離開雷達一側存在降水回波，導致Zh的三體散射特征不明顯，Zdr和CC表現(xiàn)的偏振三體散射特征和非均勻波束充塞延伸距離可作為識別冰雹及其尺度的重要判據(jù)。

關鍵詞：大冰雹；超級單體風暴；雙偏振雷達；偏振參數(shù)

中圖分類號：P412.25"" 文獻標志號：A""" DOI：10.12406/byzh.2021-235

Dual-polarization radar echo characteristics of a hailsupercell event in northeastern Hunan

CHEN Long1， 2， TANG Minghui1， 2， TANG Jia1， 2， HU Mei1， 2， WANG Qingxia1， 2

（1. Hunan Meteorological Observatory， Changsha 410118;2. Meteorological Disaster Prevention andReduction Key Laboratory of Hunan Province， Changsha 410118）

Abstract： Using S-band dual-polarization radar data and other observation data， a supercell storm that caused a large hail in Changsha， Hu- nan Province on 10 May， 2021 was analyzed. The results show as below.（1） This process takes place under the synoptic condition of low-lev- el warm advection， high energy， and convective instability. Besides， wet bulb 0℃（WBZ） is obviously lower than the height of 0℃， which pro- vided favorable conditions for the formation and maintenance of large hail supercell storms.（2） The area of strong center （horizontal reflectiv- ity （Zh）≥60 dBz） and the maximum horizontal reflectivity increase significantly. The vertical integrated liquid water content increases signifi- cantly， and the height of mass center develops to reach the effective growth layer of hail， which can be used as a criterion of major hail forma- tion and development.（3） The evolution of differential reflectivity （Zdr） column， correlation coefficient （CC）， and specific differential phase （Kdp） provides the important basis for distinguishing the changes in the cloud physical process of hail. In the early stage of storm develop- ment， the appearance of Zdr" column corresponds to the updraft zone， which extends above WBZ. The supercooled raindrops in the Zdr" column provide hail embryos for the development of hail. The Zdr-hole （＜0 dB） corresponds to the downdraft area and expands to near the ground. Small CC and Kdp-hole indicate the appearance of dry large hail.（4） The dual-polarization monitoring and identification model of hail su- percell is constructed and which shows that due to the occlusion of precipitation echo， Zh" does not show the characteristics of three body scat- ter spike （TBSS）. The polarization TBSS characteristics of significantly negative Zdr" and small CC and non-uniform beam filling can be used as an important criteria for identifying hail and hail scales.

Key words： heavy hail; supercell; dual-polarization radar; polarization parameter

引言

降雹作為對流風暴成熟階段的產(chǎn)物，具有突發(fā)性強、破壞力大等特點，常導致嚴重災害，一直是災害性天氣研究領域的重要課題。在形成冰雹的對流風暴中，超級單體作為組織程度最高的風暴，造成的雹災更為嚴重，也更值得研究（高麗等，2021）。天氣雷達具有高時空分辨率特點，是冰雹監(jiān)測的最佳手段，許多學者通過雷達資料從冰雹的形成機制、時空分布、風暴演變和短臨技術等方面開展了大量的研究（韓頌雨等，2017；吳海英等，2017；張玉潔等，2019；于懷征等，2020；朱義青和胡順起，2021）。這些研究加深了對降雹型超級單體結構的認識，但由于單偏振天氣雷達不易探測粒子相態(tài)、形狀、空間取向等云物理特征，因此，上述研究多集中于風暴結構，對于云物理結構方面的研究相對較少。

隨著天氣雷達技術不斷發(fā)展，我國天氣雷達逐步完成雙偏振升級改造，雙偏振雷達與單偏振雷達相比，不僅能獲取到目標物的回波強度，還能測得包括差分反射率因子（Diffrential Reflectivity， Zdr）、差分相移率（Specific Differential Phase， Kdp）和相關系數(shù)（Correla- tion Coefficient， CC）等新的偏振參數(shù)，提供更加全面的冰雹狀態(tài)信息（劉黎平，2002；劉黎平等，2016；楊通曉和岳彩軍，2019；楊祖祥等，2019）。雙偏振雷達在冰雹研究應用也取得一些進展（馮晉勤等，2018；劉紅亞等，2020；曹舒婭等，2021；高麗等，2021）。如潘佳文等（2020）指出大冰雹區(qū)表現(xiàn)出低Zdr，三體散射（Three Body Scatter Spike， TBSS）相關系數(shù)低；刁秀廣和郭飛燕（2021）發(fā)現(xiàn)風暴低層強反射率核后側徑向上出現(xiàn)顯著Zdr負值區(qū)，可作為大冰雹（直徑≥50 mm）的識別依據(jù)；潘佳文等（2021）也明確指出Zdr柱相比降雹，尤其大冰雹具有一定提前量。但由于風暴結構、地區(qū)差異和儀器誤差等因素，以上得出的研究結論是否適用其他地區(qū)還需進一步研究。

2021年5月10日，湖南東北部2個縣市出現(xiàn)了15站次冰雹，長沙寧鄉(xiāng)出現(xiàn)直徑8 cm大冰雹，非常罕見，預報預警難度較大。本文將基于2020年6月改造升級后的長沙S 波段雙偏振雷達資料，結合常規(guī)觀測資料、地面加密觀測資料和災害報告，對造成此次大冰雹的超級單體環(huán)境條件、全生命周期演變及雙偏振特征進行研究，尤其是雹暴發(fā)展的前期，相關云物理結構在偏振參數(shù)上的體現(xiàn)，以提高大冰雹的監(jiān)測預警能力，并為今后中國大范圍使用雙偏振雷達進行強對流天氣監(jiān)測、預警提供參考。

1資料及實況介紹

1.1資料說明

本文所使用的雙偏振雷達數(shù)據(jù)來自長沙S波段雙偏振雷達（海拔高度622 m），雷達掃描模式為 VCP21。環(huán)境分析采用常規(guī)觀測資料，降水、大風資料來自地面氣象觀測站的分鐘級數(shù)據(jù)，冰雹資料來自地面氣象觀測站數(shù)據(jù)和災害報告。

1.2強對流實況

受500 hPa短波槽東移、中低層切變、西南急流和地面輻合線共同影響，5月10日（圖1），懷化、邵陽、永州、長沙、岳陽等地出現(xiàn)42站8級（≥17.2 m·s-1）以上大風，最大出現(xiàn)在18∶17（北京時，下同）岳陽平江秋湖水庫，達到28.1 m·s-1（10級）；長沙、益陽出現(xiàn)15站次冰雹，最大出現(xiàn)在20∶50長沙寧鄉(xiāng)巷子口，直徑達到8cm；懷化、邵陽等地出現(xiàn)23站50 mm以上短時強降水，最大小時雨強出現(xiàn)在懷化靖州艮山口，達到79.3 mm （11日01∶00—02∶00）。

本文主要分析長沙雷達覆蓋范圍內的大冰雹事件。5月10日19∶00—22∶00（圖2），受多個對流單體影響，冰雹主要發(fā)生在益陽南部和長沙西部，最大直徑8 cm的冰雹出現(xiàn)在長沙寧鄉(xiāng)巷子口（20∶50）。19∶17前出現(xiàn)大冰雹的單體在婁底北部與益陽南部的山區(qū)初生，東北向移動過程中經(jīng)歷三個階段，包括發(fā)展躍增階段（19∶17—20∶37）（此階段包括發(fā)展（19∶17—19∶29）、減弱（19∶34—19∶40）、再發(fā)展（19∶46—19∶57）、合并加強（20∶03—20∶37）四個時段）、成熟降雹階段（20∶43—21∶24）和減弱消亡階段（21∶29—21∶40），共4站次記錄降雹。

2環(huán)境分析

5月10日20：00（圖3），湖南東部處于200 hPa高空急流分流區(qū)，高空輻散抽吸作用加強了低層上升運動；500 hPa溫度槽超前高度槽，受短波槽影響，溫度槽東移使得高空干冷空氣侵入；中低層切變在湖南北部高度重合，且低空急流強盛，700 hPa、850 hPa風速分別達20 m·s-1、16 m·s-1，強盛的暖濕氣流輸送了充沛水汽，有利于不穩(wěn)定能量增長。湖南東部處于850 hPa顯著濕度大值區(qū)，干線（露點鋒）從湖南北部入侵，水平濕度梯度增大，且850 hPa與500 hPa溫度差超過25℃，熱力不穩(wěn)定層結為對流天氣提供了有利的環(huán)境條件。地面暖低壓顯著發(fā)展，地面輻合線觸發(fā)強對流天氣的發(fā)生。此次強對流天氣類型是較為典型的低層暖平流強迫型（許愛華等，2014）。

分析5月10日20：00長沙探空曲線（圖略）和環(huán)境物理量（表1），長沙上空具有“上干冷下暖濕”的不穩(wěn)定層結，呈典型的倒喇叭型，對流抑制能量（CIN）較小，20∶00對流有效位能（CAPE）明顯增大，達到1726.9 J·kg-1，下沉對流有效位能（DCAPE）也增大到1132.3 J kg-1（""" ·）。K 指數(shù)、850 hPa與500 hPa溫度差（T850-500）分別達41.5℃、27.1℃，上下層大的熱力差異加劇熱力不穩(wěn)定，沙氏指數(shù)（SI）、抬升指數(shù)（LI）分別達-5.6℃、-5.2℃，強不穩(wěn)定加劇對流發(fā)展。850 hPa、925 hPa比濕（Q）分別達15.6 g·kg-1、17.7 g·kg-1，850 hPa以上高度比濕較小，呈上干下濕狀態(tài)，有利于加強對流不穩(wěn)定。0—3 km、0—6 km垂直風矢差（Vertical Wind Shear， VWS）分別達20.8 m·s-1、19.7 m·s-1，強的垂直風矢差有利于對流組織化，濕球0℃（Wet Bulb Zero， WBZ）、-10℃和-20℃層高度分別為4.0 km、6.3 km 和7.9 km，WBZ 明顯低于0℃層高度（4.8 km），高空的干層向下延伸到較低高度有利于大冰雹不被或少被融化，合適的凍結高度有利于冰雹的形成、發(fā)展和落地（俞小鼎，2014；曾智琳等，2019）。

3雷達回波特征分析

3.1風暴演變特征

分析由長沙雷達計算得到的最大水平反射率因子（Maximum Horizontal Reflectivity， DBZM）（圖4a）、垂直累積液態(tài)水含量（Vertical Integrated Liquid Water， VIL）（圖4b）、單體強回波面積（水平反射率因子Zh≥55 dBz記 S55，Zh≥60 dBz記 S60，Zh≥65 dBz記 S65）（圖4c）、質心高度（HT）和回波頂高（TOP）（圖4d）等主要風暴參數(shù)演變，反映風暴的發(fā)展過程。發(fā)展躍增階段（19∶17—20∶37）：19∶40前，S55在25 km2以內，未發(fā)展到 WBZ 高度，TOP、HT均較低，VIL維持在30 kg·m-2；19∶40—20∶20，S55增大，TOP 增高，HT 維持，對流單體逐步發(fā)展；20∶20后，上升氣流加強，回波迅速發(fā)展，DBZM開始增大，S55增長幅度加大，S60、S65在20∶26后迅速增大，VIL 最大達到90.5 kg·m-2，出現(xiàn)明顯躍增，2個體掃躍增幅度達33.5 kg·m-2，TOP達14.1 km， HT迅速增高，最大達到7.4 km，達-10℃高度（6.3 km），已達冰雹的有效增長層（Witt and Nelson，1991；胡勝等，2015；曾智琳等，2019），為冰雹的翻滾增長提供了有利條件。成熟降雹階段（20∶43—21∶24）：20∶49 S55、S60和 S65達到單體發(fā)展最大面積，分別為182 km2、96 km2和48 km2，DBZM達74 dBz，上升氣流無法承托大冰雹，HT出現(xiàn)劇烈下降，降至3.5 km，降幅達3.8 km，風暴成熟降雹；此后，HT再次升高，TOP、VIL和DBZM持續(xù)下降，S55、S60和S65持續(xù)縮小，風暴仍維持一定強度。21∶29后，風暴持續(xù)減弱，DBZM降至60 dBz，強回波面積和強度均持續(xù)下降，風暴逐漸消亡。

3.2雷達雙偏振特征分析

3.2.1發(fā)展躍增階段（19∶17—20∶37）

本文定義Zh≥50 dBz為強回波區(qū)，Zh≥60 dBz為強中心。對流單體在婁底北部與益陽南部的山區(qū)新生，在東移過程中不斷發(fā)展減弱，但長沙存在有利于對流發(fā)展的動力、熱力和水汽條件，因此，回波移至長沙西部時再次發(fā)展，至19：46（圖5、6a），Zh最大達55 dBz，伸展至0℃層以上，說明對流云中的冰相粒子具有撞凍增長的條件。在1.5°仰角，經(jīng)過速度退模糊處理，Zh≥45 dBz區(qū)域南側存在氣旋式輻合（圖略），輻合的上升氣流將雨滴向上輸送，雨滴在上升過程中不斷碰并增長，使得Zdr不斷增大。沿AB作垂直剖面（圖6b），Zdr≥1 dB垂直擴展到WBZ甚至-20℃層以上，形成表征上升氣流的典型雙偏振特征Zdr柱（刁秀廣等，2021），對應位置的Kdp （圖6c）在1.1～2.4（°）·km-1，CC（圖6d）明顯下降，在0.90～0.96，說明上升的水凝物已出現(xiàn)混合相態(tài)，Zdr柱內的過冷雨滴為冰雹發(fā)展提供了雹胚。此刻該單體位置的降水相態(tài)以夾雜著大雨滴的水凝物為主。

冰雹形成過程迅速，20∶37隨著水凝物粒子尺度的增長，Zh明顯增強（圖7a），2.4°仰角最大達65 dBz，粒子累積區(qū)沿上升氣流向上向下延伸。沿圖7a徑向AB 和入流方向 CD 作垂直剖面，強中心位于0℃層以上（圖8a），從4 km垂直伸展至10 km，出現(xiàn)懸垂結構，下方出現(xiàn)弱回波區(qū)（Weak Echo Region， WER），對應位置退過模糊的徑向速度上中氣旋特征明顯，旋轉速度為26 m·s-1，達到強中氣旋強度，擴展至8 km （圖8c），強的旋轉上升運動有利于冰雹垂直翻滾增長（潘佳文等，2020；王建恒等，2020），有明顯的中層徑向輻合（Mid Altitude Radial Convergence， MARC）（圖8b）。VIL 最大達到90.5 kg·m-2，2個體掃躍增幅度達35.5 kg·m-2（圖7d）。強中心對應Zdr＜0 dB，CC在0.85～0.9（圖7b、c），出現(xiàn)大冰雹特征，強中心西南側CC由0.94～0.97銳減至0.7以下，在Zh的TBSS特征不明顯時，CC偏振量出現(xiàn)TBSS 特征，具有較好的冰雹識別參考。中氣旋對應區(qū)域仍存在Zdr （≥1 dB）柱，剖面顯示（圖8d）強回波下方Zdr柱仍能擴展至-20℃層高度，有較強上升氣流維持對流發(fā)展，Zdr柱擴展高度有所下降。強回波區(qū)和 WBZ 以下出現(xiàn)Zdr＜0 dB 小值區(qū)，即Zdr洞（Wakimoto and Bringi，1988；潘佳文等，2020），降至3 km且水平尺度增大（圖8d），CC在0.9～0.96（圖8e），Zdr洞兩側和低層的Zdr、Kdp隨高度的降低而增大，說明存在冰雹下落融化和大雨滴降落。中層Zdr小值區(qū)對應的 CC 在0.85～0.92，擴展至-20°層高度以上，Zdr、CC西側中高層均有明顯TBSS特征（Zdr＞3.5 dB、CC ＜0.5），CC ＜0.9處對應Kdp不顯示，出現(xiàn)“空洞”（圖8f），這種現(xiàn)象是距離庫內粒子的非均一性造成CC＜0.9，大冰雹的Mie散射造成Kdp受到污染出現(xiàn)異常，則不顯示（劉黎平，2002），結合Zdr可知，此時，未進入長沙的回波已出現(xiàn)大雨滴與冰雹的混合態(tài)。

隨著冰雹云中的冰雹尺寸迅速增大和冰雹粒子不斷累積，上升氣流承托作用降低，預示降雹將出現(xiàn)。3.2.2成熟降雹階段（20∶43—21∶24）

強的垂直風矢差、上下層結不穩(wěn)定和中低層急流的維持，有利于超級單體風暴的繼續(xù)維持。從1.2節(jié)分析可知，20∶43—21∶24為成熟降雹階段，選取20∶49長沙雷達數(shù)據(jù)分析降雹階段雙偏振特征。

低層0.5°仰角（圖9a），超級單體風暴強中心最大達70.5 dBz，其南側有明顯的入流缺口，高度在2.2 km，附近存在較大的Zdr （2～4 dB），即Zdr弧，強中心Zdr接近0 dB，大冰雹在下降過程中具有翻滾現(xiàn)象，近似于球形粒子。由于大冰雹對電磁波的衰減作用，強中心西側表現(xiàn)為Zdr負值區(qū)，最小達-4 dB（圖9b），延伸至距離強中心50 km。強回波區(qū)對應的 CC 差異明顯，范圍在0.6～0.92，強中心 CC 較小，在0.6～0.85，西偏南方向 CC（＜0.5）小值區(qū)呈波束狀（圖9d），與兩側CC值具有明顯差異，這是大冰雹核后徑向上的非均勻波束充塞導致的。強中心出現(xiàn)Kdp“空洞”，周邊Kdp存在異常大值，超過2.4°·km-1，即Kdp足，表明雨滴濃度較高且存在包水膜的冰雹粒子（圖9c）。強中心北側和東側Zh在50～60 dBz之間，存在3 dB以上的Zdr，CC偏低、Kdp較大（＞3.1°·km-1），該區(qū)域以大量的大雨滴為主，可能伴有融化的小冰雹。粒子分類產(chǎn)品（Hydro Classification， HCL）（圖略）也在強中心識別出冰雹粒子，而周邊以大雨粒子為主。

強雹暴回波離開雷達一側存在降水回波，導致Zh沒有出現(xiàn)TBSS特征，可通過Zdr、CC和Kdp的TBSS特征判別冰雹（王洪等，2018；林文等，2020；龔佃利等，2021），Zdr柱維持時間長、Zdr、CC的非均勻波束充塞延展距離遠可作為此次冰雹維持時間和強度大小的重要判別依據(jù)。

中層2.4°仰角，超級單體風暴強中心（圖10a）范圍增大，高度在6 km，即-10℃層附近，最大達73.5 dBz，出現(xiàn)明顯的鉤狀回波，其南側出現(xiàn)有界弱回波區(qū)（BWER）。徑向速度出現(xiàn)速度模糊，氣旋性中氣旋旋轉速度為19 m·s-1，強度下降，上升氣流減弱（圖略）。強中心位于中氣旋北側，Zdr、CC 和Kdp（圖10b、c、d）均較小，表明有相對干的大冰雹。中氣旋東南側存在Zdr （≥1 dB）大值區(qū)，呈半環(huán)狀，與低層Zdr環(huán)呈分離狀態(tài)，對應 CC為0.85～0.94，Kdp異?；蚱?，上升氣流區(qū)以少量液態(tài)雨滴和包有水膜冰粒子混合為主。中氣旋周邊出現(xiàn)0.9以下的CC環(huán)，Zdr和Kdp較小，對應大Zh，以大冰雹粒子為主，對應區(qū)域 HCL 也識別為冰雹粒子（圖略），冰雹周邊識別的霰粒子作為雹胚之一，為冰雹的維持提供條件。2.4°仰角Zh更強，強中心面積更大，由于大冰雹的 Mie散射特性和衰減作用，強中心西側徑向上 CC明顯減?。ǎ?.5），Zdr和Kdp出現(xiàn)先躍增后迅速減小的偏振TBSS 特征，表明該區(qū)域為大冰雹造成的非均勻波束充塞區(qū)，影響西側單體。

高層6.0°仰角（圖略），強中心高度在12 km，Zh仍有64 dBz，徑向速度有強輻散，Zdr和Kdp多為負值，CC為0.95～0.98，存在TBSS特征。

沿20：49長沙雷達站2.4°仰角Zh的實線AB作剖面（圖11a），分析Zh、V、Zdr、CC和Kdp的垂直結構特征。結果顯示，強中心垂直擴展到11 km，擴展至-20℃層高度以上，水平尺度達10 km，風暴發(fā)展強盛（圖11b），出現(xiàn)典型的超級單體風暴Zh剖面結構，移動方向前沿Zh≥60 dBz已明顯接地，對應下沉氣流區(qū)，出現(xiàn)明顯Zdr洞（＜0 dB）向低層擴展（圖11d），結合較小的 CC 和Kdp （明顯的Kdp洞）（圖11e、11f），降水相態(tài)以相對干的大冰雹為主，降雹區(qū)前沿有Kdp柱，最大達3.1°·km-1，以混合大量雨滴的融化冰雹為主。Zh剖面出現(xiàn)回波墻與穹窿，穹窿下方在0℃層高度附近有寬廣的BWER，回波墻前沿對應MARC、高層輻散，強上升氣流的承托作用繼續(xù)維持風暴強度（圖11c），上升氣流區(qū)對應的Zdr柱，相對于風暴的前期高度和強度明顯降低，上升氣流的承托作用明顯減弱，該區(qū)域對應小CC（＜0.9），-10℃層高度以下有Kdp柱、以上有Kdp負值區(qū)，說明上升氣流區(qū)中低層以濃度較高的雨滴和混合相態(tài)為主，上升氣流將過冷雨滴向上輸送，仍有冰雹不斷增長，有利于降雹維持。強中心西側中層出現(xiàn)明顯的TBSS，對應的偏小 CC＜0.3、偏大Kdp＞7°·km-1，受大冰雹衰減影響小，與Zh的TBSS 區(qū)位置吻合，而Zdr（＞4 dB） TBSS位置相對向上移。

3.2.3減弱消亡階段（21∶29—21∶40）

超級單體風暴朝東略偏北方向移動，21∶37寧鄉(xiāng)橫市記錄到冰雹后，風暴持續(xù)減弱，強中心下降至2 km，面積明顯減小，強回波區(qū)下降至-10℃層高度，低層正速度區(qū)高度明顯下降，輻合上升運動明顯減弱。單體0℃以下強中心區(qū)Zdr在1～2.5 dB，Kdp＞2.4°·km-1，最大達3.1°·km-1以上，CC值在0.9～0.98，表明有大雨滴、濃度較高的雨滴混合。

3.2.4風暴演變過程偏振量變化

通過追蹤超級單體風暴演變過程的偏振量變化判斷其云物理特征變化（圖12）。發(fā)展躍增階段：19∶40前，0.5°仰角Zh在50～60 dBz，Zdr＞2.0 dB，CC ＞0.95，Kdp在1°·km-1左右，2.4°仰角Zh偏低，風暴未發(fā)展到一定高度，降水相態(tài)以雨滴、大雨滴為主；19∶40—20：20，2.4°仰角Zh增大到60 dBz左右，各層Zdr、Kdp先增大后降低，CC低層先降后升、中層略升，表明液態(tài)粒子含量增多，向上輸送過程中碰并增長并發(fā)生相態(tài)變化；20∶37，2.4°仰角Zh進一步增大到68 dBz，中層Zdr先降低至0 dB以下，CC降至0.9以內，Kdp降至0°·km-1，以干的大冰雹為主，低層仍以雨滴為主。20∶43—21∶12為主要降雹時段（圖12黑色實線），Zh在60～70 dBz，Zdr在-2.5～1dB，CC在0.8～0.9，Kdp在-1～2°·km-1，20∶49近地面觀測到8cm 大冰雹的時次，低層Zh≥60 dBz、Zdr＜1 dB、CC ＜0.9和Kdp＜0°·km-1可判斷降雹。21∶29后，Zh開始下降，Zdr、CC和Kdp增大，以降雨為主。

4超級單體風暴降雹階段雙偏振監(jiān)測識別模型

基于此次大冰雹超級單體風暴0.5°、2.4°仰角雙偏振特征分析，給出了監(jiān)測識別模型（圖13），體現(xiàn)了諸多偏振量在超級單體風暴低層、中層的分布情況，有助于系統(tǒng)地了解偏振量特征分布。藍色、黑色、綠色虛線分別代表35 dBz、50 dBz、60 dBz水平反射率因子區(qū)域。

低層0.5°仰角（圖13a）南側存在Zh梯度高值區(qū)，具有明顯的入流缺口，入流區(qū)對應Zdr、CC 小值和Kdp異常，附近存在干的大冰雹；Zdr?。ǎ? dB）結合Kdp足（＞3°·km-1）、CC小值，以小冰雹和大雨滴或融合的冰雹為主。中層2.4°仰角（圖13b）南側具有明顯的強回波懸垂和BWER。BWER內對應CC小值，中氣旋周圍對應CC環(huán)和Zdr環(huán)，結合Kdp，中氣旋附近粒子形狀和相態(tài)較為復雜。強回波中心西段對應小的Zdr、CC和Kdp，以干的大冰雹為主，西側出現(xiàn)Zdr （＞3 dB）、Kdp （＞7° km-1（·）躍增和 CC異常小值（＜0.5），出現(xiàn)TBSS和非均勻波束充塞。

風暴低層存在Zdr弧和Kdp足，分別對應上升氣流和下沉氣流區(qū)，中層強上升氣流周圍伴有Zdr環(huán)/柱、CC 環(huán)和Kdp柱，Zdr環(huán)/柱與Kdp柱出現(xiàn)明顯分離。由于風暴形態(tài)結構的差異，偏振量的水平和垂直分布特征與Kumji- ant和Ryzhkov （2008）、潘佳文等（2020）、刁秀廣和郭飛燕（2021）提出的概念模型有所差異，最明顯的差異在偏振量的非均勻波束充塞延伸距離，可作為識別冰雹尺寸的重要參考依據(jù)。

5結論與討論

利用長沙 S波段雙偏振雷達、常規(guī)觀測數(shù)據(jù)和分鐘級地面觀測數(shù)據(jù)，對2021年5月10日一次導致大冰雹的超級單體風暴演變過程進行分析，得出雙偏振監(jiān)測識別模型，主要結論如下：

（1）本次過程是短波槽東移、低空西南急流、地面輻合線觸發(fā)形成的低層暖平流強迫型強對流天氣。“上干冷下暖濕”不穩(wěn)定層結、強熱力不穩(wěn)定和強垂直風矢差，合適的WBZ、-10℃和-20℃層高度，WBZ明顯低于0℃層高度，為大冰雹超級單體風暴的發(fā)生發(fā)展提供了有利條件。

（2）強回波面積和 DBZM的明顯增大，VIL的明顯躍增，TOP的增高和HT發(fā)展到冰雹有效增長層，可作為判別大冰雹是否會形成和翻滾增長的依據(jù)。

（3）表征上升氣流的Zdr柱發(fā)展高度、維持時間和數(shù)值變化，結合 CC、Kdp的變化，可為強風暴結構和云物理特征變化提供重要參考。發(fā)展階段，Zdr柱內的過冷雨滴為冰雹發(fā)展提供了雹胚；降雹階段，下沉氣流區(qū)的Zdr洞結合小 CC 和Kdp“空洞”，可判別干的大冰雹；回波穹窿處Zdr柱維持，表明過冷水滴持續(xù)向上輸送，利于降雹維持。

（4）構建的超級單體風暴降雹階段不同仰角的雙偏振監(jiān)測識別模型顯示，強雹暴回波離開雷達一側存在降水回波，導致Zh的TBSS特征不明顯，偏振量受遮擋影響小，Zdr、CC的TBSS特征和非均勻波束充塞延伸距離可作為識別冰雹及其尺度的重要判據(jù)。

需要指出的是，本文僅對一次大冰雹超級單體風暴過程進行分析，偏振量Zdr、CC和Kdp的演變以定性分析為主。Zdr柱的發(fā)展高度和維持時間、偏振TBSS特征和非勻波束充塞延伸距離等結論，仍需通過更多的個例分析異同點，獲得定量關系，為雙偏振雷達產(chǎn)品的推廣應用提供參考。

參考文獻（References）：

曹舒婭，孫偉，韋芬芬，等.2021.雙偏振雷達在江蘇“7.6”降雹過程中的應用分析[J].大氣科學學報，44（4）：549-557. Cao S Y， Sun W， Wei F F， et al.2021. Study of“7.6”hail event in Jiangsu based on Dual-Polarization weather radar observations [J]. Transactions of Atmospheric Sciences， 44（4）：549-557（in Chinese）. doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201116001

刁秀廣，郭飛燕.2021.2019年8月16日諸城超級單體風暴雙偏振參量結構特征分析[J].氣象學報，79（2）：181-195. Diao X G，Guo F Y.2021. Analysis of polarimetric signatures in the supercell thunderstorm oc- curred in Zhucheng on 16 August 2019[J]. Acta MeteorologicaSinica， 79（2）：181-195（in Chinese）. doi：10.11676/qxxb2021.010

刁秀廣，楊傳鳳，張騫，等.2021.二次長壽命超級單體風暴參數(shù)與ZDR柱演變特征分析[J].高原氣象，40（3）：580-589. Diao X G，Yang C F， Zhang Q， et al.2021. Analysis on the Evolution Characteristics of Storm Parameters and ZDR Column for Two Long Life Supercells [J]. Plateau Meteorology， 40（3）：580-589（in Chinese）. doi：10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00034

馮晉勤，張深壽，吳陳鋒，等.2018.雙偏振雷達產(chǎn)品在福建強對流天氣過程中的應用分析[J].氣象，44（12）：1565-1574. Feng J Q， Zhang S S， Wu C F， et al.2018. Application of dual polarization weather radar products to severe convective weather in Fujian [J]. Meteorological Monthly，44（12）：1565-1574（in Chinese）. doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2018.12.006

龔佃利，王洪，許煥斌，等.2021.2019年8月16日山東諸城一次罕見強雹暴結構和大雹形成的觀測分析[J].氣象學報，79（4）：674-688. Gong D L，Wang H， Xu H B， et al.2021. Observational analysis of a rare and severe hailstorm cloud structure and large hailstones formation on 16 August 2019 in Zhucheng，Shandong province [J]. Acta Meteorologica Sinica，79（4）：674-688（in Chinese）. doi：10.11676/qxxb2021.032

高麗，潘佳文，蔣璐璐，等.2021.一次長生命史超級單體降雹演化機制及雙偏振雷達回波分析[J].氣象，47（2）：170-182.Gao L， Pan J W， Jiang L L， et al.2021. Analysis of evolution mechanism and characteristics of dual polarization radar echo of a hail caused by long-life supercell [J]. Meteorological Monthly，47（2）：170-182（in Chinese）. doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2021.02.004

韓頌雨，羅昌榮，魏鳴，等.2017.三雷達、雙雷達反演降雹超級單體風暴三維風場結構特征研究[J].氣象學報，75（5）：757-770.Han S Y，Luo C R， Wei M， et al.2017. Research on three-dimensional wind field struc- ture characteristic of hail supercell storm by dual- and triple-Dop- pler radar retrieval [J]. Acta Meteorologica Sinica，75（5）：757-770（in Chinese）. doi：10.11676/qxxb2017.058

胡勝，羅聰，張羽，等.2015.廣東大冰雹風暴單體的多普勒天氣雷達特征[J].應用氣象學報，26（1）：57-65. Hu S， Luo C，Zhang Y， et al.2015.Doppler radar features of severe hailstorms in Guangdong province [J]. Journal Apply Meteorology Sciences，26（1）：57-65（in Chinese）. doi：10.11898/1001-7313.20150106

李聰，姜有山，姜迪，等.2017.一次冰雹天氣過程的多源資料觀測分析[J].氣象，43（9）：1084-1094. Li C， Jiang Y S， Jiang D， et al.2017. Observationand analysis of a hailstorm event based on multi-source data [J]. Me- teorological Monthly，43（9）：1084-1094（in Chinese）. doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2017.09.006

林文，張深壽，羅昌榮，等.2020.不同強度強對流云系S波段雙偏振雷達觀測分析[J].氣象，46（1）：63-72. Lin W， Zhang S S， Luo C R， et al.2020. Observational analysis of different intensity sever convective clouds by S-band dual-polarization radar [J]. Meteorological Monthly，46（1）：63-72（in Chinese）. doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2020.01.006

劉紅亞，楊引明，張晶，等.2020.一次冰雹天氣的WSR-88D雙偏振雷達特征分析[J].氣象與環(huán)境科學，43（2）：1-10. Liu H Y， Yang Y M， Zhang J， et al.2020. Analysis of the WSR-88D dual-polarization radar charac- teristics in a hail case [J]. Meteorrology and Environmental Sciences， 43（2）：1-10（in Chinese）. doi：10.16765/j.cnki.1673-7148.2020.02.001

劉黎平.2002.雙線偏振多普勒天氣雷達估測混合區(qū)降雨和降雹方法的理論研究[J].大氣科學，26（6）：761-772. Liu L P.2002. A theoretical study of estimations ofrain and hail rates in mixed-phase areas with du- al linear polarization radar [J]. Chinese Journal ofAtmospheric Sciences， 26（6）：761-772（in Chinese）. doi：10.3878/j.issn.1006-9895.2002.06.05

劉黎平，胡志群，吳翀.2016.雙線偏振雷達和相控陣天氣雷達技術的發(fā)展和應用[J].氣象科技進展，6（3）：28-33.Liu L P， Hu Z Q， Wu C.2016. Development and application of dual linear polarization radar and phased-array radar [J]. Advances Meteorology Scienceand Technology， 6（3）：28-33（in Chinese）. doi：10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.003

潘佳文，魏鳴，郭麗君，等.2020.閩南地區(qū)大冰雹超級單體演變的雙偏振特征分析[J].氣象，46（12）：1608-1620. Pan J W， Wei M， Guo L J， et al.2020. Dual-polarization radar characteristic analysis of the evolution of heavy hail supercell in Southern Fujian [J]. Meteorological Monthly，46（12）：1608-1620（inChinese）.doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2020.12.008

潘佳文，高麗，魏鳴，等.2021.基于S波段雙偏振雷達觀測的雹暴偏振特征分析[J].氣象學報，79（1）：168-180.Pan J W， Gao L， Wei M， et al.2021. Analysis of the polarimetric characteristics of hail storm from S band dual polarization radar observations [J]. Acta Meteorologica Sinica，79（1）：168-180（in Chinese）. doi：10.11676/qxxb2021.001

王洪，吳乃庚，萬齊林，等.2018.一次華南超級單體風暴的S波段偏振雷達觀測分析[J].氣象學報，76（1）：92-103. Wang H， Wu N G， Wang Q L， et al.2018.Analysis of S-band polarimetric radar observations of a hail-producing supercell [J]. Acta Meteorologica Sinica，76（1）：92-103（in Chinese）. doi：10.11676/qxxb2017.083

王建恒，陳瑞敏，胡志群，等.2020.一次強雹云結構的雙多普勒雷達觀測分析[J].氣象學報，78（5）：796-804.Wang J H， Chen R M， Hu Z Q， et al.2020. Dual Doppler radar observations and analysis of the structure of a severe hailstorm [J]. Acta Meteorologica Sinica，78（5）：796-804（in Chinese）. doi：10.11676/qxxb2020.061

王彥，劉一瑋，孫曉磊.2017.利用風廓線雷達資料分析一次強降水過程的風垂直切變特征[J].暴雨災害，36（2）：171-176.Wang Y， Lliu Y W， Sun X L.2017. Analyzing the vertical wind shear characteristic of a severe rainfall using wind-profile radar data [J]. Torrential Rain and Disasters， 36（2）：171-176（in Chinese）. doi：10.3969/j.issn.1004-9045.2017.02.010

吳海英，陳海山，劉梅，等.2017.長生命史超級單體結構特征與形成維持機制[J].氣象， 43（2）：141-150. Wu H Y， Chen H S， Liu M， et al.2017. Structure characteristics， formation and maintenance mechanism of su- percell with long life cycle [J]. Meteorological Monthly，43（2）：141-150（in Chinese）. doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2017.02.002

許愛華，孫繼松，許東蓓，等.2014.中國中東部強對流天氣的天氣形勢分類和基本要素配置特征[J].氣象，40（4）：400-411.Xu A H，Sun J S，Xu D P， et al.2014. Basic synoptic situation classification and element character of severe convection in China [J]. Meteorological Monthly，40（4）：400-411（in Chinese）. doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2014.04.002

楊通曉，岳彩軍.2019.基于支持向量機的雙偏振雷達對流降水類型識別方法研究[J].暴雨災害，38（4）：297-302. Yang T X， Yue C J.2019. Re- search on hydrometeor classification of convective weather based on SVM by dual linear polarization radar [J]. Torrential Rain and Disasters， 38（4）：297-302（in Chinese）. doi：10.3969/j.issn.1004-9045.2019.04.001

楊祖祥，謝亦峰，項陽，等.2019.2018年1月初安徽大暴雪的雙偏振雷達觀測分析[J].暴雨災害，38（1）：31-40.YangZX，XieYF，XiangD，etal.2019.Anal- ysis on dual polarization radar observations ofa heavy snowstorm event in Anhui inthe beginning ofJanuary 2018[J].Torrential Rain and Disasters， 38（1）：31-40（inChinese）.doi：10.3969/j.issn.1004-9045.2019.01.004

俞小鼎.2014.關于冰雹的融化層高度[J].氣象，40（6）：649-654.Yu X D.2014. A note on the melting level of hail [J]. Meteorological Monthly， 40（6）：649-654（in Chinese）. doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2014.06.001

俞小鼎，王秀明，李萬莉，等.2020.雷暴與強對流臨近預報[M].北京：氣象出版社：57-63.Yu X D， Wang X M， Li W L， et al.2020. The nowcasting on thunderstorms and severe convection [M]. Beijing：ChinaMeteoro- logical Press：57-63（in Chinese）

于懷征，刁秀廣，孟憲貴，等.2020.山東省一次罕見強對流天氣的環(huán)境場及雷達特征分析[J].暴雨災害，39（5）：477-486. Yu H Z， Diao X G， Meng X G， et al.2020. Analysis of radar echo features and environ- mental backgrounds of a rare severe convective weather in Shandong province [J]. Torrential Rain and Disasters，39（5）：477-486（in Chinese）. doi：10.3969/j.issn.1004-9045.2020.05.006

曾智琳，諶蕓，朱克云，等.2019.廣東省大冰雹事件的層結特征與融化效應[J].大氣科學，43（3）：598-617. Zeng Z L， Chen Y， Zhu K Y， et al.2019. Characteristics of atmospheric stratification and melting effect of heavy hail events in Guangdong Province [J]. Chinese Journal of Atmo- spheric Sciences，43（3）：598-617（in Chinese）. doi：10.3878/j.issn.1006-9895.1808.18152

張玉潔，苑文華，張武.2019.兩次長壽命孤立超級單體風暴結構差異性分析[J].高原氣象，38（5）：1058-1068. Zhang Y J， Yuan W H， Zhang W.2019. The difference analysis of structure between two long-lived iso- lated supercell storms [J].Plateau Meteorology，38（5）：1058-1068（in Chi- nese）. doi：10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00055

朱義青，胡順起.2021.山東中西部一次長生命史超級單體雷達回波特征和觸發(fā)機制分析[J].沙漠與綠洲氣象，15（1）：54-61. Zhu Y Q， Hu S Q.2021. Analysis of radar echo characteristics and triggering mechanism of a long life supercell in the midwestern Shandong province [J]. Desert and Oasis Meteorolohy，15（1）：54-61（in Chinese）. doi：10.12057/j.issn.1002-0799.2021.01.007

Kumjian M R， Ryzhkov A V.2008. Polarimetric signatures in supercell thunderstorms [J]. J Appl Meteor Climatol，47：1940-1961. doi：10.1175/2007JAMC1874.1

Wakimoto R M， Bringi V N.1988. Dual-polarization observations of micro- bursts associated with intense convection： the 20 July storm during the MIST project [J]. Mon Wea Rev，116（8）：1521-1539. doi：10.1175/1520-0493（1988）116lt;1521：DPOOMAgt;2.0.CO;2

Witt A， Nelson S P.1991. The use of single-doppler radar for estimating maximum hailstone size [J]. J Appl Meteor，30（4）：425-431. doi：10.1175/1520-0450（1991）030lt;0425：tuosdrgt;2.0.co;2

（責任編輯鄧雯）