宁波双偏振雷达在浙北强对流天气的应用分析

2020-06-22肖王星董群吴福浪

农业与技术 2020年11期

肖王星　董群　吴福浪

摘要：本文选取了对农业经济影响严重的2020年3月21日浙北强对流为例，分析此次强对流过程的双偏振雷达回波演变。结果表明：回波特征上为明显的强回波前倾;低层为有界弱回波，中高层回波悬垂，强回波后侧有弱回波通道和V型缺口，相对风暴速度垂直剖面展现了回波前沿中低层辐合和高层辐散，大于60dbz的回波区延伸到-20℃高度;双偏振参量上出现明显的冰雹特征（ZDR为0～1，CC值<0.9，KDP为-0.1～0.1°/km），HCL和HI产品对冰雹落区有较好的参考价值。

关键词：双偏振;强对流;冰雹;HCL

中图分类号：S716.1

文献标识码：A

强对流天气是指出现短时强降水、雷雨大风、龙卷风、冰雹和飑线等现象的灾害性天气，发生在对流云系或单体对流云块中，在气象上属于中小尺度天气系统。强对流带来的短时暴雨、雷雨大风和冰雹等天气对农作物伤害很大，且一直是浙江主要的灾害性天气之一，其具有突发性、局地性和致灾严重等特点，常常给农业经济和人民财产造成巨大的损失[1]。目前，天气雷达是强对流天气短临预报和监测预警的重要手段。业务上常用的新一代多普勒天气雷达主要对降水粒子的回波强度、径向速度和速度谱宽等信息进行监测[2]，双偏振参数可以有效提高定量降水估测和抑制雷达杂波等[3-5]。目前，开展此项双偏振改造的台站还不多，由此双偏振雷达产品在业务应用中的研究成果相对缺乏。已有的研究发现，双偏振雷达在强对流天气过程、冬季降雪和冰雹识别上具有较好的应用效果。

2019年2月，新一代双线偏振多普勒雷达在宁波正式投入使用。冰雹是从雷雨云中降落的坚硬的球状、锥状或形状不规则的固体降水。常见的冰雹大小如豆粒，直径2cm左右，大的如鸡蛋大小（直径约5cm），特大的可达10cm以上。2020年3月21日的强对流天气过程中，浙北的绍兴、杭州、宁波等地区均出现了冰雹天气，使得较多农业大棚塑料薄膜受损。且此次冰雹过程正处于春季茶叶、油菜、枇杷等作物的采摘上市时段[6-8]，更是很多露天蔬菜、果树等的复苏、萌芽开花的重要时期，对农业生产活动造成了巨大的影响。因此，本研究将利用宁波达蓬山S波段双偏振雷达对2020年3月21日强对流天气过程的回波特征和双偏振产品特征及变化进行分析，为今后双偏振雷达产品在宁波强天气过程中的应用、提前预报强对流天气减少农业损失等提供参考，并为农业气象技术服务指导。

1 资料说明

本文所使用的雷达数据来自宁波达蓬山S波段双线偏振多普勒天气雷达。该雷达位于宁波市慈溪市达蓬山（N30.08°，E121.51°）。雷达数据时间为北京时间2020年3月21日。

2 强对流天气过程分析

2.1 强对流天气实况

2020年3月21日傍晚到夜里，浙江北部出现了一次短时暴雨、雷雨大风和区域性冰雹天气。此次强对流天气强度强，影响范围广。据气象信息员上报，杭州富阳、绍兴上虞和柯桥以及宁波余姚、鄞州、北仑、奉化等地先后出现冰雹，冰雹直径1～4cm。杭州、绍兴、宁波和舟山下属多个县市区出现8级以上（极大风速≥17.2m/s）雷雨大风和短时强降水（1h雨量≥20mm）。16∶00—20∶00，共有158个测站出现短时强降水，其中最大为杭州市余杭区双联村1h雨量47mm;共有221个测站极大风速大于8级，59个测站大于10级，10个测站大于12级，其中绍兴市嵊州董坞岗村风力达到39.9m/s（13级）。

2.2 雷达回波特征分析

宁波双偏振雷达组合反射率显示，由江西移入的多单体风暴在浙江北部开始发展加强。造成此次大范围短时暴雨、雷雨大风和冰雹天气的为2个强对流单体。单体A和单体B移动速度快，强回波区维持时间长，发展后在主体回波前沿形成弓形强回波区。3月21日16∶48单体A位于杭州富阳，强回波中心达到65.5dbz，且一直发展并向东南方向移动;17∶24单体A进入绍兴上虞，强回波区扩大，中心达到71dbz，单体B中发展出大于60dbz的强回波中心;17∶48单体A强度维持，进入宁波余姚，强回波中心69.5dbz，单体B移动到绍兴嵊州，强回波增强到64.5dbz;18∶30单体A减弱到达宁波北仑，强回波中心66.5dbz，单体B增强至最强，回波中心66.5dbz，影响宁波奉化。之后强回波带继续东移并减弱入海。

根据单体A和单体B的演变以及雷达探测距离的限制，以下将主要选取3月21日17∶24和17∶48的雷达探测资料，对强对流天气的回波特征進行分析，这2个时次余姚和绍兴出现冰雹、大风和短时强降水天气。从图1可以看出，17∶24的单体A、17∶48的单体A和单体B低层沿回波移动方向反射率因子具有很大梯度，最强回波顶位于低层反射率因子高梯度区之上，出现明显的强回波区前倾结构。低层为有界弱回波，中高层回波悬垂，强回波后侧有弱回波通道，相对风暴速度垂直剖面展现了回波前沿中低层辐合和高层辐散，表明了强烈对流天气结构;低层0.5°仰角的反射率因子上出现后侧弱回波区的V型缺口，表明强的下沉气流，可能引起破坏性大风。从时间演变上，17∶24单体A大于60dbz的强回波区发展至-20℃高度上，云层中存在大冰雹粒子，强回波质心处于高空3.3～4.5km，低层有冰雹粒子降落;单体B在-20℃高度上开始出现大于50dbz的回波区。17∶48单体A略减弱东移，其强回波质心下降至2.9～3.6km，处于0℃线以下;单体B东移发展，强回波继续向上延伸，-20℃线附近出现大于60dbz的回波区。

2.3 双偏振参量对冰雹的识别

通过分析双偏振雷达的偏振参量差分反射率因子ZDR、差分相移率KDP和相关系数CC，可以判断此次冰雹相态的变化。ZDR可以指示粒子总数在不同尺寸上的分布，雨滴粒子直径越大，ZDR越大;其中DBZ大ZDR小是冰雹的显著特征[7]。CC用来描述水平和垂直极化的回波信号变化的相似度。一般气象目标的CC值较高，大部分的气象回波CC值高于0.9，大冰雹的CC值低于0.85[9]。KDP是双通道相位的差值，即水平极化波和垂直极化波传播常数的差，冰雹的KDP在0值附近[10]。17∶24的单体A和17∶48的单体B反射率因子核心区对应0.5°仰角ZDR处于0～1，CC值小于0.9，KDP介于-0.1°～0.1°/km，说明低层出现冰雹粒子。

2.4 相态分类HCL和冰雹指数HI特征

HCL算法可以利用双偏振雷达的参量对粒子进行10种相态分类。分析发现（图略），冰雹指数HI的落区和HCL中冰雹相态分布吻合，均较好地指示了可能出现冰雹的区域。预报单体A和单体B在3月21日17∶24和17∶48分别于余姚和绍兴出现冰雹，16∶48单体A在杭州出现冰雹，18∶30单体A和单体B分别在北仑和奉化出现冰雹，与实况较为一致。单体B需要注意的是，在业务预报实践中发现，HCL和HI存在一定程度上的空报，误报16∶48单体B在杭州出现冰雹，当中高空出现冰雹粒子时，上述产品可能预报出有冰雹，但由于融化层较厚，不一定在地面能观测到冰雹，因此还需要结合双偏振参量进行分析检验，可以较好地判断出冰雹的发生和落区。

3 总结与讨论

本研究以2020年3月21日浙北强对流天气为例，利用常规观测资料和宁波S波段双偏振雷达分析此次过程的演变特征，得到如下结论。

回波特征上出现明显的强回波区前倾结构;低层为有界弱回波，中高层回波悬垂，强回波后侧有弱回波通道，相对风暴速度垂直剖面展现了回波前沿中低层辐合和高层辐散，为典型的强烈对流天气结构。

后侧弱回波区的V型缺口，表明雷雨大风的形成;大于60dbz的回波区延伸到-20℃高度，指示了冰雹出现的可能。

结合CR>60dbz的位置和冰雹实况，反射率因子高值区的ZDR处于0～1，CC值<0.9，KDP介于-0.1°～0.1°/km，表明了低层冰雹粒子的降落，HCL和HI产品可以指示冰雹的落区。

以上经验可以为冰雹天气的研究提供理论依据，并在以后的短临天气预报中应用，对强对流天气进行提前预报预警，以提前做好防护，减少强对流天气在农业生产中带来的损失。

参考文献

[1]刘学华，王立静，何丽萍，等.浙江省2月份连续降雹过程診断[J].气象科学，2011，31（1）：46-53.

[2]冯晋勤，张深寿，吴陈锋，等.双偏振雷达产品在福建强对流天气过程中的应用分析[J].气象，2018，44（12）：59-68.

[3]郑佳锋，张杰，朱克云，等.双偏振天气雷达测雨误差及水凝物识别分析[J].气象科技，2014，42（3）：364-372.

[4]魏庆，胡志群，刘黎平，等.C波段偏振雷达数据预处理及在降水估计中的应用[J].高原气象，2016（01）：231-243.

[5]程周杰，刘宪勋，朱亚平.双偏振雷达对一次水凝物相态演变过程的分析[J].应用气象学报，2009（5）：594-601.