双偏振雷达在江苏“7.6”降雹过程中的应用分析

曹舒娅 孙伟 韦芬芬 沈沛丰 何琰

摘要 针对2019年7月6日发生在江苏徐州、宿迁、淮安、南京以及常州一线的一次大范围冰雹天气过程，利用再分析资料分析天气背景、不稳定机制和抬升条件。通过徐州和南京S波段双偏振雷达偏振参量及宿迁和淮安的双多普勒天气雷达风场反演技术对冰雹云的热动力结构和微物理特征开展了详细的分析。结果表明：此次大范围冰雹天气发生在高空冷涡南落、横槽南摆，低层暖湿气流北抬，上下层强烈不稳定的环流背景下，地面低压缓慢东移南压，提供了辐合抬升条件。此次降雹天气过程中，雷达回波图上显示有典型的冰雹云特征——三体散射长钉、回波穹隆结构、强度超过50 dBZ，中层径向辐合，风暴顶辐散等特征。双偏振雷达各偏振参量也表现出冰雹云的特点，出现冰雹的地区展现水平反射率因子ZH大、差分反射率因子ZDR小、相关系数CC小的特征，ZDR值为-1.0～0.5 dB，CC值小于0.85;超级单体在近地层还出现表征入流区的CC谷、ZDR柱、差分相移率KDP柱等特征。ZDR柱、KDP柱和CC谷等双偏振参量特征在强对流短时临近预报和冰雹识别方面具有很强的应用潜力。双雷达风场反演表明此次过程降雹集中时段，冰雹云的穹隆空间结构，降雹时刻存在的明显下沉气流。

关键词 双偏振雷达; 冰雹; 风场反演; 粒子相态; 雷达参量

冰雹是影响江苏的重要灾害性天气之一，局地性强，危害性大，往往给经济和人民生命财产造成较大损失。目前，国内已通过单偏振雷达开展冰雹预报预警业务相关研究工作。研究发现，强冰雹发生的有利环境条件包括大对流有效位能、强深层垂直风切变和适当的0 ℃层高度，其雷达回波特征包括出现回波穹隆，较大的垂直积分液态水含量VIL、三体散射长钉等（俞小鼎等，2012），同时冰雹发生时冷涡槽后类对流不稳定表现在中低层温度直减率大，风垂直切变强，风随高度强烈顺转，触发机制是中尺度低压和辐合线、干线（郑媛媛等，2011;徐璐璐等，2019）。冰雹融化层的高度应该采用湿球温度0 ℃层（Wet Blub Zero，WBZ）高度而不是干球温度0 ℃层（Dry Blub Zero，DBZ）（俞小鼎等，2014）。还有些研究得出判断冰雹出现的雷达产品阈值特征和两级阶梯冰雹天气所需的物理量特征，并建立了部分地区雹天气概念模型和预报指标（冯晋勤等，2010;路亚奇，2016;曹艳察等，2018;刘晓莉等，2019;王易等，2019）。

近几年随着我国双偏振雷达的逐步升级，双偏振雷达的应用研究也取得了诸多进展（王振会和王雪婧，2019）。研究发现，差分反射率因子（ZDR）是判断对流云和层状云降水粒子相态的重要指标之一（刘黎平等，1996）。建立了基于模糊逻辑法识别冰雹的方法研究并创建了C波段双偏振雷达探测冰雹云的一种有效方法（刘黎平，2002;曹俊武等，2006），对移动X波段双线偏振多普勒气象雷达及其关键技术进行了分析并提出了一种基于常规产品和双偏振参量估测降水的方法（吴志根等，2006;胡志群等，2008;宋文婷等，2021）。针对2019年7月6日发生在江苏的一次伴有冰雹的大范围强对流天气过程，通过徐州和南京双偏振雷达参量进行分析，并结合双雷达风场反演技术分析冰雹云的热、动力结构及微物理特征。

1 天气形势和物理量分析

1.1 天气形势

2019年7月6日上午8时（北京时，下同）起，江苏出现一次罕见的大范围伴有冰雹、短时强降水等的强对流天气。全省自北向南先后在徐州、连云港、宿迁、淮安、盐城、扬州、常州等地出现冰雹（图1a）。其中最大冰雹直径达5 cm，于午后出现在淮安。

此次大范围强对流天气发生在高空冷涡南掉，低层暖湿气流北抬，造成上下层强烈不稳定的大尺度环流背景下。5日20时西风槽东移入海，江苏大部处于沿海槽后，中高纬度高空横槽东移过程中不断南压，槽后偏北气流强盛，在冷平流的强烈作用下，横槽南压过程中逐渐转竖并不断加深发展，6日在华北东部高空形成闭合性冷涡（图1b）。冷涡的形成加强了天气系统的旋转性，使得横槽加速南甩，配合冷涡的南掉，槽线在6日上半夜前自北向南扫过江苏大部分地区。5日起中低层有暖温度脊向东向北伸展，与西南暖湿气流配合，给江苏大部提供了强对流发生前低层暖湿的热力条件，这样的垂直结构为此次大范围冰雹过程的发生发展提供了不稳定层结条件。地面上6日低压东移影响江苏（图略），东移过程中强度始终维持，为6日大范围强对流天气的发生提供了有利的辐合抬升条件。

1.2 物理量分析

6日08时徐州探空（图2a）显示，强对流发生前上述地区700 hPa以下大气近饱和，风随高度呈明显的顺转，表明为暖湿层，700 hPa以上为干冷空气，垂直不稳定度大。徐州探空站距离冰雹发生地90～110 km，有一定的代表意义。徐州站CAPE达到了2 243.3 J，K指数达39 ℃，SI指数-3.02 ℃，表明大气中有较高的不稳定能量。6日08时徐州的0 ℃层高度在4 474 m，-20 ℃层高度7 310 m，这两个高度在江苏夏季很有可能产生冰雹天气。风向垂直切变不大，0～6 km存在明显的风速垂直切变。强风速垂直风切一方面为强对流的发生提供动力不稳定，另一方面维持强的上升运动。

假相当位温反映了大气的温湿状况，6日08时，江苏上空32°N以北上空900 hPa以下为暖湿气流控制，800～500 hPa为较干冷空气，江苏沿江以北大部600 hPa以下为θse随高度减小的位势不稳定区，此时徐州强对流已经开始，到了12时，高空干冷空气继续南下，江苏上空对流不稳定范围进一步扩大，29～34°N上空600～500 hPa附近存在干冷中心，500 hPa以下为不稳定区，此时淮河以南强对流天气开始，到了16时，对流不稳定区继续南扩（图2b），28～33°N上空存在较强的对流不穩定，强对流落区继续南移，到了20时，江苏上空对流不稳定明显减弱，表明此时不稳定能量已有所释放。

6日06时徐州上空600 hPa附近开始出现弱的上升运动中心，到了11时，地面以上出现整层上升运动区，上升速度较08时显著增强，中心值超过3 Pa·s-1，但强烈的上升运动持续时间不长，14时以后徐州附近过程结束，而淮安上空上升运动在14时附近开始，16时左右结束，上升运动更强烈，中心速度数值超过3.5 Pa·s-1（图略）。

此次过程中低层自孟加拉湾一直到江苏建立了一条水汽通道。08时水汽通量的辐合区主要位于江苏西北部附近，16时苏南开始出现水汽辐合中心，中心值均超80×10-5 kg-1·hPa-1·m-2·s-1，水汽在江苏强烈汇合上升，为此次大范围强对流天气提供水汽条件（图略）。

2 雷达参量分析

2019年7月6日早晨至傍晚前后（08—20时）江苏自北向南出现大范围伴有冰雹的强对流天气，部分地区伴有短时强降水和雷暴大风。此次过程徐州和南京双偏振雷达，宿迁、淮安、常州单偏振雷达全程监测，获取了完整的观测资料，本文重点分析双偏振雷达产品在监测冰雹及雷达反演风场等强对流天气中的应用。

08时位于山东菏泽附近的对流单体加强发展并向东移近江苏徐州丰县，单体中心强度超过60 dBZ，9时11分该单体开始影响丰县，并持续了11个体扫，其中有8个体扫出现三体散射，回波中心强度最强超过65 dBZ，10时30分该单体逐渐减弱与其他对流单体合并影响徐州城区（图略）。11—13时由安徽淮北东移进入江苏宿迁境内的回波以带状对流为主，强回波中心与上午影响徐州地区的对流单体相比强度略有减弱，但仍维持在55～60 dBZ，强中心发展高度在12 km以上。13时后随着地面辐合线东移南压，在淮安洪泽境内回波再次加强，最强回波中心超过65 dBZ，先后在宿迁和淮安境内出现5 cm以上的冰雹（图略）。之后回波一路东移过长江，19时在常州附近略有加强，单体的回波中心强度超过60 dBZ。21时强回波带东移移出苏州，开始影响上海，后半夜继续东移入海，过程结束（图略）。

2.1 雷达强度、径向速度分析

雷达反射率因子强度图上可以明显地看出对流云团的水平和垂直特征。6日08时开始山东境内有超级单体以60 km·h-1的速度向东南方向移动（图略），开始影响徐州丰县，东移过程中回波强度迅速加强至65 dBZ，此时丰县开始出现雷暴和短时强降水。回波范围明显扩大，发展高度向上延伸，强反射率因子核达70 dBZ，顶高超10 km。此时在3.3°以上仰角反射率因子图上都可见明显的三体散射（图略），4.3°仰角的长钉长度达30 km，三体散射长钉是探测到冰雹的显著特征之一;反射率因子高值区向上扩展，50 dBZ回波伸展到-20 ℃等温线以上高度。反射率因子图上，沿着如图3a所示方向做垂直剖面，当天-20 ℃高度为7.3 km，通过垂直剖面图可见50 dBZ已在10 km以上，远超过了-20 ℃层高度。速度图上，中层（3～6 km）存在明显的径向辐合、高层（10 km以上）存在风暴顶的辐散（图3c1—c4）。

8时28分超级单体回波继续向东南方向移动，影响沛县，回波有加强的趋势，最强反射率因子强度超过70 dBZ，0.5°～6.0°仰角都出现三体散射长钉，长钉最长达40 km，反射率因子垂直剖面上，强反射率因子中心抬高至10 km，50 dBZ回波扩展到12 km，径向速度剖面图上可见，底层明显的辐合、中层气旋式辐合和高层辐散（图3c3）。

8时42分开始，三体散射长钉消失，中层径向辐合明显减弱，但此时最大反射率因子强度仍超过60 dBZ。强反射率因子一直维持到9时12分，之后逐渐减弱（图3b1—b4）。

除了反射率因子的三维空间结构外，垂直累积液态水含量VIL值的大小也对判断风暴强度以及冰雹出现具有一定的参考价值（图略）。08时—08时42分，基于超级单体的垂直累积液态水含量都维持在60 kg·m-2。但是VIL随时间的变化与最强反射率因子强度变化趋势呈反比。

表1列出了出现三体散射的时刻和仰角高度。由表可见，三体散射多出现在风暴中层，也就是在2.4～6.0（°）仰角的雷达扫描更易探测到三体散射长钉。这是由于风暴距雷达只有60～80 km，高度在0.9～2.5 km之间，由于雷达盲区导致三体散射长钉无法探测。而对于更高仰角，反射率因子迅速降低，在对流单体的后边缘，反射率因子远小于显示阈值，从而三体散射长钉无法显示。同时，三体散射在08时—08时42分每个体扫都能见到，在08时30分—09時18分过程地面观测到降雹，但是每个体扫都无法观测到三体散射长钉，说明三体散射长钉的出现比地面降雹提前6～30 min。

2.2 双偏振参量分析

参照陈超等（2018）方法，对徐州和南京的双线偏振雷达资料进行质量控制。质控后根据地面降雹实况，结合单偏振多普勒雷达产品，同时开展双偏振雷达参量的研究来分析冰雹云特征。

6日（8时30分—20时）徐州、连云港、宿迁、淮安、扬州及常州多地出现冰雹，从地面获取的实况来看，冰雹尺寸较大（2～5 cm）。徐州、南京双偏振雷达全程监测此次过程，与单偏振雷达相比，双偏振雷达在粒子相态的识别上更有优势，通过分析ZH、ZDR、KDP、CC等产品可判断降水粒子的形状、相态分布和尺寸等特征。

Heinselman and Ryzhkov（2006）、Picca and Ryzhkov（2010）开展了双偏振雷达对冰雹的空间相态识别研究，因此，通过分析双偏雷达ZDR、KDP、CC产品可对此次过程冰雹相态的变化做出判断。08时之前0.5°仰角雷达反射率回波强度小于55 dBZ，对应ZDR小于2 dB，08时后随着回波强度增强到55～60 dBZ，ZDR也增强到3～4 dB，8时11分ZDR增强到3～5 dB，并持续到8时42分，后减弱到2～3 dB，09：12再次增强到3～5 dB，之后ZDR减弱到2 dB。从低仰角ZDR的变化可以看出，过程期间低层强回波中心的ZDR均为正值，随着回波强度的增强，ZDR也加强，对应相态可能是冰雹融化形成的大雨区或是冰雹外覆有外包水膜（刘黎平等，1996）。抬高仰角，08时17分在3.3°和4.3°仰角（约3.8～4.7 km高度）55～60 dBZ的强回波区ZDR为0～0.2 dB，对应为冰雹区，8时28分在6.0°仰角（约5.9 km高度）强回波中心（65 dBZ）对应ZDR为0～-1 dB（图4），8时34分ZDR在0～-1 dB负值区降低到3.3°仰角（约3.4 km高度），在此高度以下ZDR为正值，说明冰雹在下落并逐渐融化（刘黎平等，1996），地面实况在08时30分左右出现冰雹，对应冰雹融化成外包水膜的小冰雹或大雨滴，在回波悬垂6～8 km的高度上ZDR为1～2 dB正值区，对应存在是大的过冷雨滴和湿雹。08时30分左右在丰县获取的实况显示冰雹直径小于2 cm。结合高低仰角ZDR的变化和探空资料分析，ZDR接近0 dB、回波强度大于55 dBZ的区域首先出现在0 ℃层（约4 470 m）附近，后向上向下扩展，最低高度降至2.4 km，该高度以下ZDR转为正值，此现象说明由于湿球0 ℃高度比较高，融化层厚度厚，加上午后地面温度超过25 ℃（图4b—k），因此冰雹在下降过程中融化的可能性较大。

在冰雹云单体的发展阶段，通过双偏振参量特征，能发现ZDR柱、KDP柱和CC谷，这些特征的出现是由于强对流单体上升或下沉气流及微物理结构相互作用导致。

在雷达低仰角出现CC值较小的区域（小于<0.85）被称为CC谷，有时会也会发展到中层。图4k中CC谷（0.7～0.85）位于超级单体前侧钩状回波的钩状处。这是由于CC与不同相态物质的介电常数有关，因而这里的CC低值形成原因主要有两种：近地层昆虫、树叶、杂物等碎片被卷入上升气流中，这些碎片具有不规则形状，会导致CC低值。另外也有学者认为，CC的减少还与强的上升气流将雨滴带入高层造成低层水成物的缺乏导致返回雷达的信噪比较低有关，即通常说的有界弱回波区，图4e中的CC谷就是这种情况。可以作为衡量上升气流强度的间接指标。在图4g中的50 km处，能看到反射率因子强度超过55 dBZ的回波墙存在，同时对应着图4h的切向速度剖面图上能看到明显的涡旋特征，由于环境风是由西北向东南朝向雷达方向，在40～50 km处有逆时针的气旋存在，而在50～60 km处有顺时针旋转的反气旋存在，在气旋和反气旋的相交处，正好是冰雹云区对应的强回波区。

ZDR柱、KDP柱特征主要出现在云体中层，表现为超过0度层高度的大值区（ZDR>3 dB或KDP>2 （°）·km-1）柱状区。ZDR柱和KDP柱表征的微物理含义明显不同。（图4i）中的ZDR柱可向上延伸到6 km。由于ZDR大值区对应着大雨滴区，出现该现象表明此处有强的上升气流将暖雨滴带入过冷区且没有立即冻结形成。因此，利用ZDR柱可以判断冰雹云强上升气流所在位置。但图4j看，KDP柱的出现，表征了冰雹云中含有大量液态的水滴存在，说明该区域有大量融化的水包膜存在。

近地面的KDP印与ZH高值区重合（图4i、j），ZH高值区可包含雨滴、融化的小冰雹和冰雹的区域。低层的KDP由于质控原因易出现缺值。因此可以综合ZH大值区、ZDR小值或者负值区及KDP缺值来判断云中大冰雹所在的区域位置。而KDP对应着是雨滴和融化的小冰雹;同时，又由于大冰雹不符合瑞利散射，KDP在大冰雹的分析上会产生“空洞”。

2.3 双多普勒雷达风场反演

为了进一步分析冰雹云的动力与微物理演变过程，利用徐州双偏振雷达和宿迁单偏振雷达进行双多普勒天气雷达风场反演，本文根据周海光和张沛源（2005）方法采用了笛卡尔坐标系下双多普勒雷达三维风场技术，反演区域为宿迁雷达1.5度仰角反射率因子强度（图5）中黑色方框区域（左下角118.109°E，34.628°N;右上角：118.490°E，34.991°N），反演区域水平分辨率为500 m，垂直分辨率为250 m。

为了更加清晰地展示对流发展的动力、微物理变化，将13时31分西南-东北方向的ZH与三维风场垂直剖面进行叠加（图6a、b），ZDR、KDP和CC与三维风场进行叠加（图略）。在横坐标（-35 km，-40 km）之间，能发现冰雹云的明显的回波墙存在，在冰雹云移动前侧（由左向右移动）有反射率因子大值区存在，强度超过50 dBZ的强回波伸展高度超过6 km，回波墙高度约4 km，左侧有明显的反射率因子梯度大值区。同时风场在冰雹的下落通道上对应着下沉气流，而左侧有明显的入流上升气流，强上升气流位于有界弱回波区侧下方，最大上升速度可达25 m·s-1，ZDR柱则位于强上升气流附近。在上升速度大值区的右侧，上升气流显著减小，这是由于空中含有大量大雨滴、霰、湿雪等冰相粒子，上升气流无法托住它们，使得这些粒子开始下落并拖曳空气形成下沉气流，有一些固态粒子在下落过程中融化并释放潜热，一部分固态降水粒子通过入流气流再次进入到上升氣流中，让对流发展更旺盛。另外，KDP代表液态水的浓度，也与直径有关，KDP大，说明液态水含量多，粒子直径大。KDP对固态不敏感，对雨夹雹有反应，但是，这里KDP达3.1（°）·km-1，表明该单体液态水含量多，另外由于水的介电常数大于冰，所以KDP较大。同时KDP大值区高度快速下降，预示着冰雹的下落和地面大风的出现。在2～6 km的冰雹增长区内，有明显的CC小于0.95的小值区存在（图略），这是由于在倾斜的上升气流中，有碎屑等非降水粒子卷入气流中导致。

3 结论和讨论

针对2019年7月6日江苏自北向南发生的一次大范围伴有冰雹的强对流天气过程，详细分析了天气背景、物理量场、单和双偏振参量并结合双雷达风场反演技术分析冰雹云的热、动力结构特征及微物理机制，得出以下结论：

1）此次大范围冰雹过程发生在高空横槽南摆，配合冷涡南掉，使得槽线在6日上半夜前自北向南扫过江苏，低层暖湿气流北抬，上下层强烈不稳定的大尺度环流背景下，地面上低压缓慢东移南压，为6日大范围冰雹过程提供了辐合抬升条件。江苏大部地面至600 hPa为θse随高度减小的位势不稳定区和0～6 km深层垂直风切分别为大范围强对流天气的发生提供强热、动力不稳定条件。此次过程江苏大部上空整层存在明显的上升运动。

2）此次冰雹过程在单偏振的雷达强度和速度上及垂直剖面图上有经典的冰雹云特征，双线偏振雷达各偏振参量反映出冰雹云的特征：在基本反射率大、ZDR小、CC小的区域出现冰雹，ZDR值通常为-1.5～0.3 dB，CC值普遍为小于0.85;冰雹超级单体在近地层还出现表征入流区的CC谷特征;此外，KDP代表液态水的浓度，也与冰雹直径有关，KDP大，说明液态水含量多，粒子直径大。KDP对固态不敏感，对雨夹雹有反应。本研究中KDP达3.1（°）·km-1，表明该单体液态水含量多，另外由于水的介电常数大于冰，所以KDP较大。同时KDP大值区高度快速下降，预示着冰雹的下落和地面大风的出现。在垂直方向上2～6 km处的冰雹增长区内，有明显的CC小于0.95的小值区存在，这是由于在倾斜的上升气流中，有碎屑等非降水粒子卷入气流中导致。因此，双偏振参量特征识别冰雹云的大小和具体位置具有很强的应用潜力。

3）另外，利用双雷达风场反演技术对降雹时段研究发现，冰雹发展阶段有明显的上升气流存在，在降雹时刻出现明显的下沉气流。通过双多普勒雷达风场反演能更好的刻画冰雹云的微物理空间结构，也有助于加深对风雹云三维结构的认识。

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Study of “7.6” hail event in Jiangsu based on Dual-Polarization weather radar observations

CAO Shuya，SUN Wei，WEI Fenfen，SHEN Peifeng，HE Yan

Suzhou Meteorology Bureau，Suzhou 215131，China

Based on the S-band dual polarization Doppler weather radar of Xuzhou and Nanjing，the single polarization radar of Suqian and Huaian，and the reanalysis data，the paper analyzes the circulation background，instability mechanismdynamic，uplift conditions，radar echo and the evolution characteristics of dual polarization radar parameters and the wind inversion technology of dual radar of a wide range hailstorm process accompanied by a thunderstorm and short-term excessive rainfall occurred in Jiangsu Xuzhou，Suqian，Huaian，Nanjing and Changzhou on July 6，2019.The results show that a wide range of strong convective weather occurredwhen the cold vortex falling on high level and horizontal trough swing south，the trough line swept across Jiangsu from north to south before midnight on the 6th，the lower layer warm and humid air flow moved northward，under the background of strong unstable circulation on upper and lower layers，and the low pressure slowly moved eastward and the South pressure provided the convergence and uplift conditions.Generally，the intensity of radar echo is over 50 dBZ and the echo top is always above 10 km in this procedure.Additionally，it appears that there are significant Three Body Scattering Spikes，cyclonic convergence and storm top divergence.A hail storm can be identified by its polarization parameters （such as the ZDR，CC，KDP）.Hail storm usually exist in the area with strong reflectivity、low value of ZDR，and CC.The typical value of ZDR is usually between -1.0 and 0.2 and the value of CC is less than 0.85.Additionally，ZDR and KDP columns help identify hail，thunderstorms，and short-term heavy rainfall.The characteristics of the two polarization parameters above can be used for the prediction of strong convection and hail recognition.As a result of study of the hail period using double radar wind inversion technology，a noticeable downdraft is found.In the three-dimensional flow field structure of the hailstorm supercell，the cyclonic air flow forms at the front of the storm，and then gradually inclines to the top of the storm to form the anticyclonic air flow，which forms the downdraft;in the weakening stage of the system，there is a strong downdraft，strong echo bottom and ground.Due to dual radars ability to retrieve fine structure of three-dimensional wind，it is possible to deepen the understanding of hailstorm cloud structure and improve the prediction and early warning capability of severe convective weather，such as hailstorms.

dual Doppler radar;hail;wind field retrieval;hydrometeor classification;radar parameters

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201116001

（責任编辑：袁东敏）