孫 躍 任 剛 孫鴻娉 董亞寧 劉福新 肖 輝

1）（中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴重點實驗室，北京 100029）

2）（山西省人工增雨防雷技術中心，太原 030032）

3）（山西省臨汾市隰縣氣象局，臨汾 041399）

引 言

冰雹是常見的強對流天氣之一，突發(fā)性強，常伴有短時強降雨、雷暴大風等天氣現(xiàn)象，造成嚴重災害。人工防雹是減輕冰雹災害的重要措施［1-2］。利用遙感探測手段開展冰雹云的識別、監(jiān)測及評估防雹效果，是有效開展人工防雹作業(yè)的必要支撐手段。在冰雹云的識別方面，與僅能獲得水平位置的閃電定位［3］和衛(wèi)星云圖［4］識別法相比，天氣雷達能夠獲取降水云系的三維空間結構，是冰雹強對流天氣的關鍵監(jiān)測手段。傳統(tǒng)單偏振天氣雷達主要基于反射率因子大小、宏觀形態(tài)和大氣層結條件構建冰雹云識別指標［5］，對云微物理特征的直接響應和反演能力存在局限。雙偏振天氣雷達發(fā)射／接收水平和垂直兩個偏振方向的電磁波，可額外觀測差分反射率、共極化相關系數(shù)和差分相移等偏振參量，為識別水凝物粒子類型［6-8］及分析降水演化過程［9-10］提供物理基礎，已成為監(jiān)測和研究冰雹云的重要手段［11-12］。由于冰雹強對流天氣往往具有發(fā)生和發(fā)展迅速、核心空間尺度小、結構復雜等特點，人工防雹作業(yè)仍存在未完全解決的問題。以我國業(yè)務布網(wǎng)的S波段天氣雷達為例，通常執(zhí)行6 min 1次9個仰角的體掃，不易捕捉冰雹云的快速變化和精細垂直結構，嚴重制約冰雹云早期識別、作業(yè)時機和位置選擇以及作業(yè)效果的物理檢驗。因此，具有更高時空分辨率探測能力的相控陣雷達成為解決上述問題的可能手段。

相控陣是對雷達天線和掃描體制的描述。區(qū)別于傳統(tǒng)拋物面天線通過機械轉(zhuǎn)動進行不同方向的掃描，相控陣雷達可以通過控制雷達收／發(fā)單元陣列的電磁波相位控制雷達波束的方向，實現(xiàn)更快速地探測［13］。美國最早開展相控陣雷達的氣象應用工作，自2002年起對退役的相控陣情報雷達進行氣象探測改裝［14］，并發(fā)展了一維相掃體制的X 波段相控陣天氣雷達（簡稱相控陣雷達）［15］。日本也建設了X波段相控陣雙偏振天氣雷達（以下簡稱相控陣雙偏振雷達），并構建強風暴快速監(jiān)測與臨近預報平臺［16］。自2007年，中國氣象科學研究院分別聯(lián)合中國電子科技集團公司第14研究所和安徽四創(chuàng)電子股份有限公司等單位，先后研制了S波段［17］和X 波段［18-20］相控陣雷達，為我國天氣監(jiān)測領域相控陣雷達的自主研發(fā)和應用研究奠定了基礎。湖南宜通華盛科技有限公司［21］和珠海納睿雷達科技有限公司［22］等民營企業(yè)也自主研制了X 波段相控陣雷達，應用于氣象和民航單位的天氣監(jiān)測保障業(yè)務。這些X 波段相控陣雷達能夠在30 s或1 min內(nèi)完成幾十個仰角的體掃，時空分辨率遠高于傳統(tǒng)布網(wǎng)業(yè)務雷達，可以實現(xiàn)幾十千米半徑區(qū)域的立體精細化監(jiān)測，成為傳統(tǒng)業(yè)務布網(wǎng)雷達大范圍監(jiān)測的補充。我國已實現(xiàn)自主研制和建設相控陣雙偏振雷達［23］，同時具備高時空分辨率探測能力和云降水微物理分析能力，并在多單體［24］、臺風外圍龍卷［25］、中氣旋［26］等多種強對流天氣的監(jiān)測與研究中得到初步應用。

隰縣位于山西省西南部、臨汾市西北緣，地處呂梁山脈南麓西側。2019年10月1日隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達正式進行業(yè)務試驗，該雷達不僅能夠彌補臨汾市C 波段業(yè)務天氣雷達在探測隰縣上空時低仰角存在部分遮擋的局限，而且可以實現(xiàn)精細到隰縣行政村的強致災天氣落區(qū)探測，預期在山洪預警、冰雹和暴雨災害評估以及人工增雨效果評估等多項業(yè)務工作中發(fā)揮重要參考作用。同時也應注意到，相控陣雙偏振雷達作為一種在業(yè)務上尚屬新型的高性能探測設備，在監(jiān)測業(yè)務和理論研究中均具有創(chuàng)新應用潛力，不應僅被視為傳統(tǒng)機械掃描式布網(wǎng)雷達的簡單補充。如果能將相控陣雙偏振雷達充分應用于防雹作業(yè)，有望進一步提升作業(yè)指揮水平和作業(yè)效果深入分析的能力。但目前基于相控陣雙偏振雷達數(shù)據(jù)開展防雹作業(yè)效果分析的研究尚不多見，相關工作亟待推進。

相控陣快速掃描的能力對于人工防雹機理的創(chuàng)新研究至關重要。目前，對高炮防雹作業(yè)的主要機理存在不同解釋。其中一大類主要著眼于人工引晶的微物理作用［27-30］，即向過冷水區(qū)打入人工冰核作為催化劑，與原有冰相粒子競爭增長，導致原有雹胚缺少足夠供其長大的過冷水，以達到防雹目的。另一類則關注防雹炮彈爆炸的動力作用。高炮彈爆炸能夠產(chǎn)生短時動力作用，這在增雨作業(yè)的炮響雨落現(xiàn)象［31-32］中已有初步歸納分析，在我國防雹作業(yè)中也有一定實踐［33］。我國學者持續(xù)開展爆炸防雹機理研究［33-36］，并歸納了爆炸次級效應改變云內(nèi)流態(tài)從而抑制主上升氣流的理論［33］。但與爆炸防雹相關的研究近年陸續(xù)減少，既未在防雹業(yè)務規(guī)范中被充分考慮，國際學術界也無充分認可或重視此類機制。這是因為炮彈爆炸涉及數(shù)十米乃至百米空間尺度的短時動力過程，以往缺乏高時空分辨率的探測和數(shù)值模擬手段，不易深入開展研究。相控陣雷達有潛力推進上述研究工作，特別是相控陣雷達的距離-高度顯示（range height indicator，RHI）在垂直方向（波束俯／仰方向）幾乎瞬時完成相掃，相比于掃描速度較慢的傳統(tǒng)機械雷達，能夠及時探測作業(yè)前／后云內(nèi)動力和微物理特征的短時垂直結構變化，為作業(yè)機理的深入研究提供關鍵證據(jù)。

為此，本文研究2021年6月28日山西省臨汾市隰縣的高炮防雹作業(yè)個例，基于作業(yè)信息和雷達數(shù)據(jù)，對比高炮防雹作業(yè)前后冰雹云的動力和微物理特征，討論高炮防雹作業(yè)效果和機理。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 雷達和高炮防雹作業(yè)數(shù)據(jù)

本文主要使用的雷達數(shù)據(jù)來自隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達，由珠海納睿雷達公司研制，基本性能見表1。隰縣位于呂梁山脈南麓、黃土高原殘塬溝壑地形區(qū)中地勢相對平坦的區(qū)域。雷達布設在隰縣西北緣地勢相對較高的位置（圖1），探測范圍可覆蓋全縣，并能彌補原有業(yè)務天氣雷達因地形遮擋導致的探測局限。本次個例雷達采用方位機械掃描、俯仰相掃的體制，每60.25 s 1 次體掃數(shù)據(jù)，共21個仰角（0.9°～36.9°，采樣分辨率為1.8°），每個仰角下含300個方位（采樣分辨率為1.2°），徑向距離庫分辨率為30 m，最大探測距離為43.17 km。觀測記錄包括8 個變量：原始反射率因子（單位：dBZ）、水平反射率因子（ZH，單位：dBZ）、多普勒徑向速度（VR，單位：m·s-1）、速度譜寬（SW，單位：m·s-1）、差分反射率（ZDR，單位：dB）、共極化相關系數(shù)（ρhv，量綱為1）、差分相移（ΦDP，單位：（°））和差分相移率（KDP，單位：（°）·km-1）。

表1 隰縣X波段相控陣雙偏振雷達基本性能參數(shù)Table 1 Basic performance parameters of X-band phased array dual polarization radar in Xi County

為評估隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達回波強度和位置的可靠性，還需利用附近的布網(wǎng)業(yè)務雷達數(shù)據(jù)進行簡要比對。本文選取與隰縣距離最近的臨汾C波段業(yè)務天氣雷達（距離庫長為0.3 km，探測半徑為150 km），該雷達為CINRAD-CC 型單偏振雷達，位于隰縣雷達東南側約102.69 km（圖1），每342 s 1次9層體掃觀測。

圖1 隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達位置和周邊地形（藍色圓圈為雷達探測覆蓋范圍，填色為海拔高度）Fig.1 Location of X-band phased-array dual polarization radar in Xi County and topography（the shaded）（blue circle denotes its detection area，the shaded denotes terrain）

本文高炮防雹作業(yè)所使用的炮站為陽頭升塬炮站（圖1所示），位于雷達南偏東方向，距離雷達站點約為22.6 km。高炮防雹作業(yè)時間為2021年6月28日19：04—19：05（北京時，下同）。高炮防雹作業(yè)使用三七高炮，高炮防雹作業(yè)仰角范圍為46°～73°，方位范圍為347°～357°，消耗炮彈10發(fā)。

此外，本文使用ERA5再分析數(shù)據(jù)［37］的溫度垂直廓線分析雷達回波垂直結構。

1.2 雷達數(shù)據(jù)處理

在雷達數(shù)據(jù)的時間匹配方面，考慮到本文個例的回波均出現(xiàn)在雷達南側，而雷達數(shù)據(jù)文件時間為從正北0°起開始記錄探測時間，故將每個雷達數(shù)據(jù)文件名顯示的時間增加30 s，四舍五入到分鐘作為標示數(shù)據(jù)的時間。

在雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面，主要對ZH，ZDR，ρhv共3個偏振參量進行徑向的10庫中值濾波，以減小原始數(shù)據(jù)中統(tǒng)計波動［38］對雷達變量統(tǒng)計和分析的影響。KDP采用原始數(shù)據(jù)中存儲的、已預先經(jīng)過平滑的數(shù)據(jù)。由于本個例的VR未見明顯速度折疊，因此無額外處理。

需要指出的是，本文分析的雷達數(shù)據(jù)未經(jīng)過衰減訂正，一方面，本文研究個例中強對流云的水平空間尺度較小，不存在雷達波束穿越水平數(shù)十千米大范圍降水云的典型情況，衰減并不明顯；另一方面，目前針對X 波段的衰減訂正方法主要是基于ΦDP的徑向廓線［39-40］，而該變量在云體邊緣起伏較大，在尺度較小的對流云中不能理想地反映衰減，反而容易引入偏差，破壞原始探測的回波垂直結構，影響分析結果，可能更難分辨衰減訂正過程引入的偏差與高炮防雹作業(yè)本身導致的變化。針對無衰減訂正情況，本文所用的X 波段相控陣雙偏振雷達數(shù)據(jù)中是否存在明顯衰減的問題，將在3.1節(jié)通過臨汾C 波段業(yè)務天氣雷達進行對比分析。

1.3 分析變量

本文對雷達數(shù)據(jù)的分析主要從兩方面入手。一是關注回波宏觀特征隨時間的變化，選取受高炮防雹作業(yè)影響單體移動的范圍作為分析區(qū)域，統(tǒng)計不同強度閾值回波頂高作為宏觀特征量，分析其時間序列是否存在與高炮防雹作業(yè)相聯(lián)系的特征。其他宏觀特征統(tǒng)計量，如不同閾值的回波面積，由于受本文個例回波單體合并影響，不易客觀反映受高炮防雹作業(yè)單體的變化，故不進行展示和討論。二是聚焦高炮防雹作業(yè)范圍內(nèi)云體的動力和微物理垂直結構的變化。具體為選取高炮防雹作業(yè)前／后各1 min、高炮防雹作業(yè)方位內(nèi)及鄰近的RHI，基于ZH，VR，ZDR，ρhv，KDP等直接觀測量和徑向速度散度、粒子相態(tài)識別等二次計算結果，分析是否存在與現(xiàn)有爆炸防雹理論一致或其他可解釋的短時變化特征。在此基礎上，討論本次高炮防雹作業(yè)的效果、影響機理和相控陣雷達的優(yōu)勢。

需要額外計算的變量說明如下：

①組合反射率因子（composite reflectivity factor），垂直方向上ZH最大值的水平分布，表征某時刻回波水平分布的概況。將體掃中每個仰角層的ZH雙線性插值到0.1 km×0.1 km 的水平網(wǎng)格，針對某一格點取所有仰角層中ZH最大值即可獲得。

②強回波頂高，ZH某一閾值（如20，30，45，55 d BZ 等）出現(xiàn)的最大高度，通過對原始數(shù)據(jù)直接進行統(tǒng)計獲得。由于雷達數(shù)據(jù)處理時已經(jīng)通過濾波抑制統(tǒng)計波動，且本文不討論弱于20 d BZ 的回波，故雷達波束末端可能影響云高判定的雜波對本文回波頂高的影響較小，因此對回波頂高判斷時的波束空間連續(xù)性不再作其他規(guī)定。

③徑向速度散度（radial velocity divergence，RVD），是本文提出的用于診斷垂直氣流結構的計算量。將VR沿徑向進行30庫（900 m）中值濾波以濾除對流系統(tǒng)中小尺度擾動和觀測波動，通過30庫滑動線性擬合求得VR沿徑向的變化率，即徑向速度的散度。由于雷達低仰角觀測時波束是準水平的，RVD 可以較為便捷地反映雷達探測水凝物的水平輻合／輻散情況，從而有助于診斷對流系統(tǒng)內(nèi)的垂直氣流結構。如高層輻散和中低層輻合可診斷得到上升氣流，而中低層的輻散可指示與降水區(qū)相聯(lián)系的下沉氣流。以往用于診斷主上升氣流的水平速度零線［33，41-42］理論上需要扣除云體水平移速，但該過程的計算可能因各層氣流不一致導致計算比較繁瑣。相比之下，本文提出的RVD 計算更便捷。

④水凝物粒子相態(tài)識別（hydrometeor classification）。使用馮亮等［43］基于X 波段雙偏振雷達數(shù)據(jù)的模糊邏輯算法方案，輸入為ZH，ZDR，ρhv，KDP和溫度垂直廓線，輸出包括雨、冰雹、雨加雹、霰、雪、冰晶和過冷水在內(nèi)共10種分類識別結果。這里應指出，目前基于雙偏振參量的水凝物粒子相態(tài)識別算法及參數(shù)尚存在主觀性和經(jīng)驗性等局限［44］，因而不能將其視作絕對準確的微物理分析結果，也不能完全替代對原始觀測的分析。但為多個觀測參量和經(jīng)驗參數(shù)的集成，水凝物粒子相態(tài)識別結果在一定概率上能合理反映粒子分類的可能結果，為降水云演化的綜合分析提供便利。本文將水凝物粒子相態(tài)識別結果視為輔助雷達偏振參量開展綜合分析的變量。

2 天氣背景概況

2021年6月28日08：00隰縣處于200 h Pa高空急流帶內(nèi)和500 hPa高壓脊前，850 hPa 30°N 附近存在西南低渦和從我國東部延伸到東海的切變區(qū)，隰縣東南側存在146 dagpm 等值線閉合的小范圍高壓區(qū)。在這種大氣中低層的配置下，雖然沒有向隰縣地區(qū)輸送水汽的直接通道，但水汽可分別沿西南低渦東側和東海切變區(qū)北側到達隰縣東南側小高壓中心西側，被輸送至隰縣附近。28日上午隰縣及鄰近區(qū)域的對流有效位能為0，尚未出現(xiàn)對流不穩(wěn)定條件，但是隰縣東北側到東南側存在1000～2000 J·kg-1的中等不穩(wěn)定區(qū)?？傮w而言，28日上午隰縣不具備高空槽、切變線、低空急流、高對流有效位能等典型的大范圍降水或中尺度強對流背景條件，但周邊存在低空輸送和不穩(wěn)定條件，仍可能受小范圍對流性天氣的影響。

3 雷達數(shù)據(jù)特征

3.1 過程概況

圖2展示2021年6月28日對流天氣過程的組合反射率因子演變情況。18：31雷達站南側出現(xiàn)活躍的對流單體活動，回波總體向東南方向移動。為了說明受高炮防雹作業(yè)影響的單體和其他相鄰單體在高炮防雹作業(yè)時和高炮防雹作業(yè)后的移動及合并情況，自18：56（高炮防雹作業(yè)前8 min）手動為強單體進行編號（編號A～E，其中A 為19：04被作業(yè)的單體）。18：56中心強度超過60 d BZ的回波處于陽頭升塬炮站北偏西方向約10 km（單體A），預計將進入炮站作業(yè)范圍。19：04 為高炮防雹作業(yè)時刻，圖2中炮站北側V 型黑線為高炮防雹作業(yè)的方位角范圍。由高炮防雹作業(yè)時回波位置可知，對流云回波已經(jīng)處于旺盛發(fā)展階段，高炮防雹作業(yè)時間偏晚。高炮射擊范圍僅覆蓋單體A 西側強回波邊緣，受高炮防雹作業(yè)時機選擇滯后的影響，未達到單體最強核心處，但高炮防雹作業(yè)位置仍然處于云內(nèi)，因此認為本次高炮防雹作業(yè)可影響單體A，故視其為作業(yè)云。高炮防雹作業(yè)后，受影響的單體A 繼續(xù)向東偏南方向移動并與單體B 合并，范圍和強度逐漸減小至消亡。同時，炮站北側未受高炮防雹作業(yè)影響的對流云單體向東移動，單體C、單體D、單體E等不斷合并，強回波范圍逐步增大并逐漸移出隰縣雷達 探測范圍。本次過程隰縣境內(nèi)無地面降雹報告。

圖2 2021年6月28日隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達的組合反射率因子（V 型黑實線為高炮防雹作業(yè)方位范圍，黑色點劃線為雷達162°方位角，A～E為單體編號，＆表示多個單體合并）Fig.2 Composite reflectivity factor change of X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（black V shaped solid lines denote the range of shooting azimuth，black dashed line denotes 162°azimuth of the radar，A-E denote cells，＆denotes the merging of cells）

圖3是2021年6月28日19：01臨汾C波段業(yè)務天氣雷達的組合反射率因子和低仰角ZH，其中黑線為隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達40 dBZ 等值線。由圖3的組合反射率因子可知，主要云體強回波位置基本一致，但臨汾C 波段業(yè)務天氣雷達的組合反射率因子略小于隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達，原因有兩個方面：一方面，受呂梁山脈南麓大地形影響，臨汾雷達前兩層仰角的觀測存在大范圍遮擋或部分遮擋（圖3低仰角ZH），導致無法獲取低層強回波信息計算組合反射率因子；另一方面，不同波段天氣雷達反射率因子存在差異。如對于等效球形直徑為3.5～5.5 mm 的單個橢球雨滴，散射模擬結果顯示X 波段ZH明顯大于C 波段和S波段［45-46］。此外，兩部雷達對同一云體的觀測仰角及橫切單體的垂直部位也存在差異，導致很難精確、定量對比兩部雷達的反射率因子。鑒于所研究的對流單體大致處于兩部雷達之間，隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達可能出現(xiàn)明顯衰減的波束遠端正位于臨汾C 波段業(yè)務天氣雷達幾乎無衰減的雷達波束近端，因此可以通過回波的形態(tài)對比分析隰縣X 波段雷達是否存在明顯衰減。由圖3可見，以偏強的40 dBZ回波為例，隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達和臨汾C 波段業(yè)務天氣雷達強回波分布形態(tài)基本一致，在隰縣X波段相控陣雙偏振雷達強回波（黑色等值線）的遠端（東南方向）未見明顯的V 型缺口等與衰減相對應的回波特征。由此表明，隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達在這次水平尺度較小的強對流過程中并未發(fā)生明顯衰減，不對其進行衰減訂正可行。另外，鑒于臨汾C波段業(yè)務天氣雷達低層存在較多遮擋，下文不再使用臨汾雷達的數(shù)據(jù)開展其他分析。

圖3 2021年6月28日19：01臨汾C波段業(yè)務天氣雷達的組合反射率因子和低仰角Z HFig.3 Composite reflectivity and Z H at low elevations for Linfen C-band operational weather radar at 1901 BT 28 Jun 2021

3.2 回波宏觀特征隨時間變化

由概況分析可見，本次過程中不同單體間的移動方向和生命期差異較大，且存在單體合并現(xiàn)象，這種情況下既不易對各個單體進行追蹤分析，也不宜劃定高炮防雹作業(yè)影響區(qū)和對比區(qū)進行統(tǒng)計。因此，為了將受高炮防雹作業(yè)影響的單體與其北側其他對流單體區(qū)分開，在統(tǒng)計區(qū)域回波并計算強回波頂高時，以單體A 移動方向東北側、雷達135°方位為界，依據(jù)雷達東南側指定范圍內(nèi)（135°～180°方位范圍，即正南到東南的1／8象限）的體掃數(shù)據(jù)統(tǒng)計不同強度回波頂高。

由強回波頂高隨時間的變化（圖4）可知，17：45強度為45 d BZ的回波區(qū)頂高出現(xiàn)在6～7 km 的高空，隨后高空出現(xiàn)55 dBZ強回波，各強度回波頂高呈起伏上升趨勢。19：04強度為20 d BZ 的回波頂高上升至12 km 高度以上。45 dBZ強回波頂高全程在6～10 km 起伏變化，并在高炮防雹作業(yè)前4 min 維持在約9 km 高度，同時55 dBZ強回波頂高維持在8 km 高度附近，表明對流云發(fā)展旺盛至成熟階段。19：04高炮防雹作業(yè)后，55 dBZ 回波頂高在1 min內(nèi)急劇下降約2 km，并在約4 min內(nèi)維持在0℃層及以下，最低至4 km 高度。而后可能由于單體A 與單體B 合并，各強度的回波頂高回升，但10 min后各強度回波頂高總體持續(xù)下降，19：30強度為55 dBZ的回波接地消失。

圖4 2021年6月28日隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達探測的單體A移動范圍內(nèi)不同Z H 閾值回波頂高的時間序列（統(tǒng)計范圍為雷達方位角135°～180°，黑色虛線為0℃層高度）Fig.4 Time series of reflectivity top height with different Z H thresholds within the moving range of cell A detected by X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（statistical area is the range of radar azimuth between 135°and 180°，black dashed line denotes 0℃height）

總體而言，研究范圍內(nèi)強對流在高炮防雹作業(yè)后的強回波頂高迅速且明顯降低，這與人工防雹作業(yè)人員常說的卸雹效應一致。但小范圍的高炮防雹作業(yè)不能在短時間內(nèi)影響整個對流系統(tǒng)的組織結構，因而在高炮防雹作業(yè)后對流云仍出現(xiàn)短暫的組織化增強現(xiàn)象，但最終未能進一步發(fā)展增強。此處應指出，強回波頂高在高炮防雹作業(yè)后迅速下降的現(xiàn)象并不足以說明高炮防雹作業(yè)效果，以下進一步分析高炮防雹作業(yè)范圍及鄰近RHI上對流單體垂直結構在高炮防雹作業(yè)前后的短時差異。

3.3 高炮防雹作業(yè)前后動力結構差異

首先選取位于高炮防雹作業(yè)方位范圍內(nèi)（雷達162°方位）的RHI數(shù)據(jù)，分析ZH的垂直結構。由圖5高炮防雹作業(yè)前1 min 162°方位角可見，單體A的ZH核心距雷達水平方向約為16 km，強度超過45 dBZ 的強回波向上延伸并穿過0℃層（約4.83 km高度）到達8 km 高度，強度超過50 d BZ 的強回波中心位于3～4 km 高度。6～7 km 高度呈弱有界回波區(qū)和懸掛回波特征，是強單體冰雹云的典型特征之一，基本符合高炮防雹作業(yè)的對象特征，且懸掛回波特征在單體西側邊緣方位仍存在（圖5高炮防雹作業(yè)前165.6°方位角）。由于高炮作業(yè)僅持續(xù)1 min，且作業(yè)方位的記錄未能精確到秒，因此無法確定19：04雷達數(shù)據(jù)中哪些方位的觀測正在受影響或已經(jīng)受到影響，故選擇分析高炮作業(yè)后1 min（19：05）的雷達數(shù)據(jù)。由于云體向偏東方向移動，高炮防雹作業(yè)后162°方位角的RHI更加接近云體邊緣，ZH受云體移走的影響明顯偏弱，故選擇向東即雷達方位逆時針方向順延1個方位角（160.8°方位）的RHI一并分析。由作業(yè)后ZH垂直結構（圖5作業(yè)后162°和160.8°方位角）可見，回波在0℃層附近、單體核心垂直3～5 km 高度出現(xiàn)斷裂，形成2個回波相對大值區(qū)分別位于低層2 km 高度和高空5～6 km 高度。由于高炮防雹作業(yè)前單體A 從作業(yè)位置到云體更邊緣位置的ZH垂直結構總體連續(xù)（圖5作業(yè)前162°和160.8°方位角），基本可以確定RHI的ZH垂直結構的斷裂特征在高炮防雹作業(yè)后出現(xiàn)。

圖5 2021年6月28日隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達探測的單體A 作業(yè)前后1 min RHI的Z H（黑色虛線為0℃層高度）Fig.5 Z H in RHI of cell A 1 min before and after the hail suppression detected by X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（black dashed line denotes 0℃height）

選取高炮防雹作業(yè)前1 min 162°方位角和高炮防雹作業(yè)后1 min 160.8°方位角的RHI為垂直結構分析對象（圖6）。由圖6可知，高炮防雹作業(yè)前最高層VR存在由負轉(zhuǎn)正的分布，對應高層輻散特征。單體前部中層存在VR小值，且負值帶延伸至單體核心高層并與ZH的懸掛回波位置基本吻合，對應對流單體典型的前側入流特征。高炮防雹作業(yè)后VR沿水平方向的變化范圍從高炮防雹作業(yè)前的-3～8 m·s-1減小到3～8 m·s-1，且與前側入流對應的小值／負值帶的形態(tài)也發(fā)生改變。由圖6的RVD 變化可知，高炮防雹作業(yè)前單體前側與入流對應的輻合帶延伸至單體核心高層的輻散帶顯示前部的主上升氣流區(qū)。入流輻合帶下方和單體后部底層為輻散帶，理論上與降水及底層出流對應。單體強中心后部（水平15 km 左側）也存在垂直分布的輻合帶，其中緊鄰水平15 km 左側的輻合帶從低層一直延伸到接近0℃層，這可能與單體核心降水出流導致的抬升有關，并且與對流系統(tǒng)中后部新單體的生成密切相關。由高炮防雹作業(yè)后的RVD（圖6）可知，前側入流輻合帶縮短且不再向單體內(nèi)延伸，對流核心輻散帶更明顯地延伸到底層，強回波后部從低層一直延伸到0℃的輻合帶消失，據(jù)此可推斷單體前部和后部的上升運動均減弱。綜合上述分析，有利于強對流單體維持和新單體生成的典型動力結構，高炮防雹作業(yè)后短時間內(nèi)發(fā)生改變乃至消失。

圖6 2021年6月28日隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達探測的單體A 作業(yè)前后1 min的RHI上的V R 和RVD（黑色虛線為0℃層高度）Fig.6 V R and RVD in RHI of cell A 1 min before and after the hail suppression detected by X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（black dashed line denotes 0℃height）

3.4 高炮防雹作業(yè)前后偏振參量和水凝物粒子相態(tài)識別差異

圖7是單體A 在高炮防雹作業(yè)前后1 min偏振參量和粒子相態(tài)對比。由圖7的ZDR可見，高炮防雹作業(yè)前1 min單體核心存在強度超過1 dB的ZDR柱特征。ZDR柱指的是ZDR正值區(qū)呈柱狀且從低層一直延伸到0℃層以上的現(xiàn)象［47］，通常認為與過冷層出現(xiàn)的大雨滴及強上升氣流輸送作用密切相關［48-49］。ZDR大值中心分散于2～4 km 高度單體前部和單體核心，數(shù)值約為2.5 d B。高炮防雹作業(yè)后1 minZDR柱消失，表明上升氣流減弱。同時，ZDR大值中心高度下降，主要分布于近地面，最大可達3.4 dB，表明低層的大雨滴或其他水平取向的扁平粒子增多。

由圖7 的KDP可知，高炮防雹作業(yè)1 min后大值更加集中在約3 km 高度且數(shù)值增大，可能對應液態(tài)含水量［50］的增加。

由圖7的ρhv可知，高炮防雹作業(yè)前1 min 0℃層以下的單體核心和前部存在多個小于0.9的分散低值點，而高炮防雹作業(yè)后1 min出現(xiàn)柱狀ρhv小值區(qū)，并從地面向上延伸至略微超過0℃層，可能對應大雨滴或其他水平與垂直尺寸不一致的粒子有組織地下落。ρhv的小值中心位于4 km 高度，為0.94，近地面ρhv約為0.96，且小于0.9的低值點減少。

由圖7的水凝物粒子相態(tài)識別可知，高炮防雹作業(yè)前1 min 單體A 核心0℃層以上以霰粒子為主，還有小范圍過冷水區(qū)（水平距離15 km，5～6 km高度），可能是與ZDR柱對應的被上升氣流輸送至此的過冷雨滴。這部分過冷雨滴，一方面可能形成凍滴并充當雹胚［51］，另一方面也能促進冰雹、霰等粒子的撞凍增長。單體A 核心0℃層以下至近地面，由多到少分別有雨夾雹、霰、濕雪、大雨、雨、毛毛雨等不同相態(tài)的粒子并呈柱狀分布，顯示正在發(fā)生冰相粒子下落及部分融化過程。在高炮防雹作業(yè)1 min 后單體A 核心0℃層以上的小范圍過冷水區(qū)消失，下部出現(xiàn)明顯的大雨粒子區(qū)，中低層兼有少量雨夾雹和濕雪，0℃層以下不再有鄰接的多相態(tài)粒子柱狀分布。結合前文上升氣流的減弱現(xiàn)象，可推斷此時單體A 核心在過冷層的霰、雹等粒子新生或增長并下落的過程減弱或消失，原先0℃層以下的冰相粒子則加速下落并融化。更多的雨滴下落也會增加雨滴的重力碰并增長，這些因素均可能導致近地面出現(xiàn)大雨滴增多。

圖7 2021年6月28日隰縣X 波段相控陣雙偏振雷達探測的單體A 作業(yè)前后1 min的RHI上的偏振參量和粒子相態(tài)（黑色虛線為0℃層高度）Fig.7 Polarimetric variables and hydrometeor classification in RHI of cell A 1 min before and after the hail suppression detected by X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（black dashed line denotes 0℃height）

3.5 可能的作用機理

高炮防雹作業(yè)存在微物理和爆炸動力作用兩大類機理學說，本文基于高時空分辨率相控陣雙偏振雷達觀測分析的結果支持爆炸作用這一大類學說。因為以往的數(shù)值模擬研究中，人工引晶引發(fā)的防雹微物理過程通常需要數(shù)分鐘到十幾分鐘才起明顯效果［27-29］，屬于相對慢的過程，而本文作業(yè)前后1 min的雷達數(shù)據(jù)分析顯示在高炮防雹作業(yè)后至多2 min便出現(xiàn)動力和微物理特征的明顯變化，屬于相對快的過程。一方面，高炮防雹作業(yè)后的強回波中心斷裂、動力垂直結構改變等觀測與分析結果與許煥斌［33］歸納的爆炸引發(fā)擾動導致流態(tài)改變并抑制上升氣流的理論大致吻合。另一方面，高炮防雹作業(yè)后短時間內(nèi)低層出現(xiàn)更多大雨滴的現(xiàn)象也與炮響雨落高炮防雹作業(yè)實踐基本吻合。因此，這些現(xiàn)象均有望成為高炮防雹短時動力作用的新證據(jù)。

對于人工引晶是否在本次過程中也起了作用，則不易被證明。高炮防雹作業(yè)時單體處于旺盛至成熟階段，探測及分析結果顯示單體核心的過冷水以ZDR柱向上輸送的過冷雨滴為主。高炮防雹作業(yè)后上升氣流減弱，過冷雨滴減少或消失，這難以支撐人工冰晶消耗大量過冷水的過程。由于水凝物粒子相態(tài)識別算法每個空間點僅能識別一類粒子的局限性，在單體核心高層幾乎均以霰粒子為主的定性結果下，盡管也有少許空間點顯示過冷水和冰晶、霰粒子交錯分布的識別結果，但無法證明是否有人工冰晶參與微物理過程。

同時需要指出的是，本文未能在雷達數(shù)據(jù)中找到防雹炮彈爆炸的直接信號，其可能原因是盡管雷達徑向距離庫分辨率為30 m，但1.8°的垂直采樣寬度在水平距離15 km 處相當于RHI垂直分辨率近500 m，導致不易明確探測到半徑僅有幾十米的高炮防雹彈爆炸的直接動力效應。因此，未來有必要在較近水平距離采用雷達高仰角開展針對性探測，進一步探明高炮防雹彈進云爆炸的相關信號，深入厘清爆炸過程的直接、間接動力作用和粒子融化及拖曳等間接作用，以及這些作用在短時間內(nèi)的演變特征和相互關系，如爆炸的激波是否能直接促成大雨滴碰并影響垂直氣流。

4 小 結

本文利用2021年6月28日隰縣一次高炮防雹過程的相控陣雙偏振雷達數(shù)據(jù)，分析高炮防雹作業(yè)前后云體的宏觀特征、動力和微物理特征變化，并對作業(yè)機理和相控陣快速掃描的優(yōu)勢進行討論。主要結論如下：

1）回波頂高的時間變化序列顯示，55 d BZ 頂高在高炮防雹作業(yè)前4 min維持在8 km 高度，在高炮防雹作業(yè)后1 min急劇下降約2 km 至0℃層以下。

2）對RHI的宏觀垂直結構和動力特征分析結果顯示，高炮防雹作業(yè)前1 min對流單體是具有懸掛回波的旺盛單體。本文提出的垂直氣流診斷量RVD 顯示，單體前側和后側均有輻合帶，利于強對流維持和后續(xù)新對流生成。高炮防雹作業(yè)1 min后，強單體垂直結構在0℃層附近斷裂，單體前部和后部的輻合帶減弱或消失，表明有利于對流維持和新生的動力垂直結構改變，上升氣流減弱。

3）RHI上的偏振參量和水凝物相態(tài)粒子識別結果顯示：高炮防雹作業(yè)1 min后ZDR柱消失，近地面ZDR增大、中低層KDP增大，ρhv從0℃層到近地面呈現(xiàn)數(shù)值為0.94～0.96的柱狀區(qū)。單體核心上部的過冷水小范圍中心消失，0℃層以下由雨夾雹、霰、濕雪及各種雨的混合柱狀分布轉(zhuǎn)為低層大雨。

4）通過對作用機理的討論，上述短時動力和微物理特征的明顯變化與爆炸導致氣流擾動改變流態(tài)、炮響雨落等人工影響機制或現(xiàn)象有對應之處，可支持爆炸防雹理論。

未來還有許多工作值得開展。首先，應開展更多針對性的觀測和探測，以便深入研究和歸納高炮防雹作業(yè)可能產(chǎn)生的動力與微物理效應，更加明確地分辨冰雹云的自然變化和受作業(yè)影響的變化。其次，本文結果顯示高炮防雹作業(yè)時機偏晚，未來應更充分地利用相控陣快速探測的特點，發(fā)展更有效的冰雹云早期識別技術，以便在對流發(fā)展早期開展作業(yè)。同時，應加強相控陣雷達與傳統(tǒng)機械掃描雷達的聯(lián)合應用，探索強對流回波垂直結構校正和防雹作業(yè)指揮預估提前量的改進方法。此外，本文未利用雷達數(shù)據(jù)反演雨滴譜、冰相粒子譜和三維風場等物理量，這是因為目前大多數(shù)云動力和微物理反演方法尚存在較多經(jīng)驗假定，應在多種手段聯(lián)合探測驗證的基礎上進一步開展應用與分析。