双偏振雷达对贵州一次强对流过程的应用分析

李 力，周永水，顾天红，姚 浪

(1.贵州省气象台，贵州 贵阳 550002；2.贵州省毕节市气象台，贵州 毕节 551799)

0 引言

天气雷达是对强对流天气监测预警的重要工具之一。近年来国内很多地区完成了单偏振雷达向双偏振雷达的改造，并广泛应用于气象业务。双偏振雷达不仅可以探测降水粒子的回波强度(Zh)、径向速度(V)、速度谱宽(W)等单偏振信息，还可以探测到差分反射率因子(ZDR)、差分相移率(KDP)以及相关系数(CC)等偏振参数。这些偏振参数与降水粒子的相态、形状、空间取向和分布等密切相关，有助于判识对流天气的主要类型。近年来国内对双偏振雷达的研究工作取得了很多进展，高丽等[1]分析了一次长生命史超级单体降雹的双偏振雷达特征，指出通过偏振参数ZDR和CC特征有助于识别高空的大冰雹；林文等[2]对比分析了超级单体、普通降雹单体和非降雹单体在发展、成熟阶段出现的双偏振参数特征，发现了ZDR柱、KDP柱、CC谷等特征；潘佳文等[3]认为差分反射率因子柱高度的演变对于雹暴的发展具有预示性。目前国内大部分双偏振雷达的研究都基于S波段雷达。俞小鼎等[4]指出对于冰雹和雨滴不同波段双偏振雷达观测到的ZDR和KDP是有差别的；刘黎平[5]等认为相较于S波段而言，C波段双偏振雷达观测雨区时ZDR值较大，观测冰雹区时ZDR值较小。以上研究表明在业务应用中C波段双偏振雷达的参数阈值与S波段有一定差异，而国内西部地区大多都是C波段雷达，并陆续完成了双偏振升级，因此需要大量的个例研究来支持定量化C波段双偏振雷达的参数，为业务应用提供参考。

贵州地处云贵高原东南侧斜坡之上，山地和丘陵占92.5%[6]，冰雹、短时强降水等强对流天气频发，复杂的山地地形使得强对流天气有很强的局地性，近年来很多学者利用多普勒雷达对贵州冰雹进行了研究[7,8]，但却一直缺乏双偏振雷达对强对流活动的观测。习水雷达于2020年完成双偏振的改造和验收，投入业务运行时间较短，十分有必要加强其对分类强对流监测和预警性能的研究。习水雷达探测范围处于贵州强对流的初生源地，分类强对流天气的识别对下游地区监测预警和人工防雹作业有非常重要的作用，亟待充分发挥出双偏振雷达的优势和效益。本文利用其探测资料分析了2021年5月2日强对流天气过程中冰雹和短时强降水的双偏振雷达参量特征，以及冰雹相态变化，以期为贵州使用C波段双偏振雷达对分类强对流天气的监测和预警提供参考。

1 资料来源与天气实况

本文所使用的雷达数据来自遵义市习水CINRAD/CA-D型双偏振多普勒雷达，海拔高度1665 m，波长为5.35 cm，频率为5600 MHz，体积扫描共9层。此外，还用到高空观测资料进行天气形势和环境条件分析，用地面自动站观测资料作为实况数据。

此次强对流过程自2021年5月2日17时(北京时，下同)开始，持续至3日08时，冰雹主要发生在2日17—21时，短时强降水主要发生在3日02—08时。此次过程共造成七星关区、大方县、黔西县、金沙县、仁怀县、习水县、息烽县、镇宁县、西秀区出现降雹(图1a)，冰雹直径在10 mm左右，最大冰雹直径为仁怀县龙井乡15 mm，出现18个站次的雷暴大风，最大风速为务川站28 m·s-1；190站出现短时强降水，最大小时雨强为赤水市长期站57.3 mm·h-1(图1b)。

图1 2021年5月2日17时—3日08时冰雹(a)和短时强降水(b)站点分布

2 环境特征和雷达回波演变情况

此次过程贵州西北部处于500 hPa高空槽前上升气流区，700 hPa在云南东部有切变线存在，贵州受12 m·s-1的西南急流控制，有利于输送能量和水汽，850 hPa切变线自四川东部南压，20时南压至贵州北部边缘，切变线配合地面辐合线逐渐东移南压影响贵州北部地区，贵州大部受偏南气流影响，处于切变线南侧的暖区，西北部露点温度梯度较大，是对流触发的有利条件。

用14时的地面温度订正探空(图略)，贵阳、威宁的对流有效位能(CAPE)均在1500 J·kg-1以上、宜宾的CAPE值达到2000 J·kg-1以上，大的不稳定能量有利于触发强对流天气。威宁中层有较明显的干层，干空气夹卷有利于风雹天气的发展。3个站点-20 ℃层高度为7500～7800 m，较适宜冰雹的生成，但湿球温度0 ℃层高度(WBZ)较高为3900～4200 m，对大冰雹的形成不利。

根据雷达回波形态和影响系统，此次强对流过程可分为2个阶段(图2)，第1阶段为单体回波阶段，发生在偏南风控制的暖区。2日14时12分在云南昭通和贵州毕节交界处有块状回波生成，东北移动过程中逐渐合并为回波A且强度增强，15时54分进入贵州毕节市北部。同时14时30分在毕节市中部生成的块状回波B也逐渐增强，回波A和B东移过程中发展造成冰雹天气，回波A造成金沙、仁怀降雹，19时30分左右减弱消散。回波B造成七星关区、大方、黔西、金沙、息烽降雹，21时左右减弱消散。第2阶段是由850 hPa切变线和地面辐合线配合引起的线状多单体回波，3日00时开始进入赤水，逐渐东移影响贵州北部地区，伴随短时强降水天气。

图2 雷达组合反射率因子图：第1阶段(a～c)、第2阶段(d～f)(五角星为习水雷达站)

由于地形阻挡或雷达回波衰减等因素，第1阶段的回波B不在习水雷达的有效探测范围内，故不作分析，主要以回波A为分析对象。第2阶段主要分析线状多单体回波进入习水后带来短时强降水的双偏振特征。对比冰雹回波和强降水回波的双偏振特征参量，为C波段双偏振雷达在业务中判识分类强对流提供参考。

3 双偏振雷达应用

图3为17时46分雷达2.5°仰角的水平反射率因子(Zh)和径向速度图，可以看到回波A有明显的冰雹结构特征，最大反射率因子达到70 dBz，存在明显的V型入流缺口，大于50 dBz的回波伸展高度达9400 m，超过-20 ℃层高度，VIL达到127 kg·m-2。2.5°仰角约4140 m高度上出现三体散射回波，径向速度上有明显的三体散射和气旋式辐合，回波沿AB线段的剖面可看出明显的有界弱回波和回波墙结构。

3.1 降水粒子相态分析

图3的回波特征提示该对流单体有可能出现大冰雹(直径>2 cm)，但仅凭反射率因子无法对冰雹直径做出准确判断，考虑到当天WBZ较高，冰雹在下落过程中可能融化，因此，利用双偏振雷达差分反射率因子ZDR、相关系数CC、差分相移率KDP3个参数来分析冰雹下落过程中的相态变化。

图3 2021年5月2日17时46分2.5°仰角基本反射率(a)、径向速度(b)

ZDR表示水平极化和垂直极化回波的反射率因子之比的对数，反映水凝物粒子的非球形程度。一般认为冰雹在下落过程中不断翻转，可近似于各项同性的球形粒子，ZDR值趋近于0，尺寸较大的冰雹在下落过程中保持自由降落状态，ZDR值小于0。而雨滴在下落过程中近似椭球型，雨滴越大形状越趋于扁平，对应的ZDR值越大。若冰雹在下落过程中融化或外包水膜，则会获得更扁平的形状和更稳定的取向，因此其观测特征与大雨滴相似，具有较高的Zdr[9]。相关系数(CC)是水平偏振和垂直偏振回波功率之间的相关关系，反映的是相态的均一性。曹俊武等[10]指出，若为单一的液态水，CC一般大于0.95，小冰雹的CC一般在0.9～0.95之间，大冰雹和冰水混合区的CC<0.9。差分相移率KDP是指在特定距离内水平偏振回波和垂直偏振回波相位之间的差值，表征不同偏振回波因传播路径不同而引起的变化[11]。KDP值的大小与液态水粒子形状及密度有关，对固态粒子不敏感，冰雹的KDP趋近于0[12]。从高层6.0°仰角(图4e～h)的回波特征可以看出，金沙县清池镇境内(黑色方框区域)Zh为55～65 dBz，对应的ZDR和KDP在0附近，CC较小为0.9～0.95，表明对流云上部有冰雹存在。对比低层0.5°仰角(图4a～d)可以看出，Zh为50～55 dBz，ZDR增大为4 dB，CC为0.95，KDP为3～4 °·km-1。从高Zh、增大的ZDR和较低的CC，可以判断地面应为下落过程中表面融化成为水膜的小冰雹，从高KDP值可以判断小冰雹中混合有降水。对比沿图4j中AB线段做剖面的ZDR垂直分布可以看到(图5b)，WBZ以下ZDR由接近0的负值转为正值并随高度降低逐渐增大(黑色方框内)，表明在WBZ以上有冰雹存在，下落过程中融化成包裹有水膜的冰雹，且ZDR在近地层的增幅很大。研究表明，小冰雹ZDR值增大的幅度要高于大冰雹，说明小冰雹比大冰雹融化得更快，其偏振特征值更接近扁平的大雨滴[3]。当天金沙站14时的地面温度为30.5 ℃，仁怀站为31.5 ℃，地面高温和较高的融化层导致冰雹表面融化，对应地面观测到直径10 mm左右的小冰雹，最大为直径15 mm的降雹，降雹的同时出现了降水，18时清池镇小时雨强为2.5 mm，19时龙井站出现了28.6 mm·h-1的短时强降水。

3.2 对流云双偏振参数特征

在对流云低层观测到明显的CC谷(图4c、4k)，表现为CC值较周围显著减小的区域(CC<0.85)。CC谷的形成主要与上升气流有关，研究认为上升气流会将近地层的昆虫、树叶等碎片带入，这些碎片具有不规则的形状和随机的方向，导致CC值降低[13]。CC谷形成的另一个原因是上升气流将降水粒子带到高层，中低层形成有界弱回波区导致返回信噪较低[2]。CC谷可伸展到中高层，如图4g所示，6.0°仰角Zh有界弱回波区，CC值明显较周围减小。因此通过识别CC谷可以判断出对流云上升气流区的位置，这也是人工防雹作业关注的重要区域。

如图4i、4j，在云体移动前方(右侧)，0.5°仰角Zh大值区前侧有ZDR值为4～5 dB的带状或弧状区域，可以判断为ZDR弧。在ZDR弧后侧椭圆区域内Zh>60 dBz，ZDR为-1～1 dB，CC在0.9左右，表明该区域为降雹区，而椭圆前侧黑色方框区域，Zh值为40～50 dBz，对应4～5 dB的ZDR弧，且有较高的CC和KDP，表明该区域为大雨滴或表面融化的小冰雹。ZDR弧的存在表明环境风垂直切变增强，导致冰雹，大、小雨滴下落轨迹和落区分离的现象。沿图4i、4j的AB线段做剖面图可以更清楚地看到这样的分离现象，如图5a、5b所示，黑色椭圆区域内对流云的中高层到近地层均有>60 dBz的Zh，对应ZDR值从WBZ以上到近地层都在0 dB左右，表明地面有降雹。在降雹区的前侧(黑色方框区域)，地面为ZDR大值区，表明地面为湿冰雹和大雨滴的混合降水，再往前Zh值和ZDR值减小，地面为小雨滴。

图4 2021年5月2日17时46分0.5°仰角Zh(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)；6.0°仰角Zh(e)、ZDR(f)、CC(g)、KDP(h)；18时03分0.5°仰角Zh(i)、ZDR(j)、CC(k)、KDP(l)

ZDR柱和KDP柱是强对流云体内普遍存在的动力特征，主要出现在中层[2]。潘佳文等[14]利用双多普勒雷达风场反演结果证明了ZDR柱可用于指示上升气流的存在，较强的上升运动能将水成物输送到负温区，有助于形成冻滴，冻滴是主要雹胚之一，因此ZDR柱的存在为冰雹的形成提供了有利条件。从ZDR剖面(图5b)可以看到，ZDR在高于WBZ 2000～2500 m处存在2～4 dB的大值，可以判断为ZDR柱。ZDR柱高度略高出-10 ℃高度(6200 m)，而-10～-20 ℃是冰雹湿增长的关键区域，表明有利于冰雹的增长。需要指出，由于雷达显示软件的回波高度不包括雷达站海拔高度，所以此处的ZDR柱高度加上了雷达站的海拔高度。从Zh剖面图可以看出(图5a)，ZDR柱出现在上升气流(有界弱回波区)边缘，表明有强上升气流将暖区中的雨滴带入到过冷水层还未来得及冻结，因此利用ZDR柱可以判断上升气流区和过冷水含量高的位置。KDP柱出现在ZDR柱的西北侧(图略)，2～3 °·km-1的KDP大值区高于WBZ，KDP柱对应的降水粒子除雨滴外，还有大量融化的冰粒子。

图5 2021年5月2日18时03分Zh(a)、ZDR(b)、KDP(c)剖面图(WBZ为湿球温度0 ℃层高度)

综上所述，CC谷和ZDR柱均可显示上升气流的位置，不同的是，CC谷在低层就可以观测到，而ZDR柱在对流云中层才能观测到。ZDR柱的向上发展表明上升运动增强，研究指出，云体内上升气流增强10～15 min后地面降水速率或降雹强度出现增加[15]，从17时46分开始观测到ZDR柱到17时58分回波加强提早了2个体扫，表明ZDR柱的出现对于雹暴的发展具有预示性。

三体散射现象是C波段雷达在探测冰雹事件中常出现的虚假回波。本次强对流单体也观测到了明显的三体散射特征，17时46分2.5°仰角的雷达回波显示(图6)，在强回波(Zh=70 dBz)沿径向伸展方向，呈现出长钉状的弱回波，回波强度为13～25 dBz，强中心的远端(图6b黑色方框)ZDR出现数值骤增(4 dB)并随距离增加迅速减小、CC明显减小(<0.6)的现象，这与福建双偏振雷达观测到的三体散射双偏振特征一致[3,16]。

图6 2021年5月2日17时46分4.3°仰角Zh(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)

3.3 短时强降水双偏振参数特征

短时强降水是指雨量超过20 mm·h-1的降水事件，可能会引起山洪、地质灾害、城市内涝等次生灾害，一直以来是强对流天气预报中的关注重点。为研究发生短时强降水前雷达偏振量的变化特征，选取习水双偏振雷达探测范围内的习酒镇临江站和习酒站做分析(图7中黑色圆圈)，小时雨量分别为27.5 mm和20.5 mm。

大雨滴在降落过程中形变程度较大，因此雨滴越大ZDR也越大。ZDR和KDP随回波强度增大而增大，3日02时37分，0.5°仰角的回波表现出大雨滴特征：Zh=50 dBz、ZDR=5 dB、CC=0.97、KDP=9 °·km-1，该回波从上游逐渐移入习酒镇，表明习酒镇上空(黑色方框)对流云内有大雨滴增加(图7)。该特征比临江站和习酒站的降水峰值提前1～2个体扫，对短时强降水的预报有较好的指示意义。赖晨等[17]同样发现ZDR值的变化大都超前于地面雨量变化，这有助于提前判断地面雨强的演变趋势。抬高仰角(4.3°)也表现为高ZDR(5～7 dB)、较高CC(0.95)、高KDP(10 °·km-1)的特征(图8)，这一点明显区别于冰雹回波，指示出整层都是大雨滴。值得注意的是，由于观测站点分布不可能无限密集，所以观测到的强降水不一定出现在双偏振参数的最大值区域，但其大值区仍对强降水有指示意义。相比于Zh、ZDR、CC大面积的高值区，KDP呈现出从小值到大值的“突变”，并可以清晰地观测到KDP大值区的移动，更能准确定位短时强降水的位置。

图7 2021年5月3日02时37分0.5°仰角Zh(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)(黑色圆圈为观测到短时强降水的点)

图8 2021年5月3日02时37分4.3°仰角Zh(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)

4 结论与讨论

针对2021年5月2日发生在贵州西北部的1次强对流过程，使用习水双偏振雷达的观测数据，分析了冰雹和短时强降水的双偏振参量特征，结果表明：

①对流云的雷达回波反射率因子高、>50 dBz的反射率因子高度超过-20 ℃层，存在有界弱回波区、三体散射、高VIL值等特征，指示有大冰雹存在的可能。高层双偏振参数ZDR、KDP<0，CC为0.90～0.95，表明有冰雹粒子存在，随着高度降低ZDR和KDP从负值向正值转变，CC为0.95左右，表明冰雹在下落过程中融化为包裹着水膜的小冰雹，并伴随有降水，这与地面观测事实一致。

②在对流云低层观测到CC谷和ZDR弧，中层观测到ZDR柱和KDP柱。CC谷和ZDR柱均可指示上升气流的位置，ZDR柱的出现对雹暴的发展有可预视性。此外，还观测到三体散射的双偏振特征：三体散射长钉区域对应的ZDR出现数值骤增(4 dB)并随距离增加迅速减小、CC明显减小(<0.6)的现象。

③短时强降水的ZDR和KDP随回波强度增大而增大，CC维持在0.95以上，与冰雹不同的是短时强降水从高层到低层的ZDR和KDP都维持正的大值。KDP大值区能更准确地指示出强降水的位置。

需要提出的是，本文没有对ZDR柱的演变和对流云的发展消亡做更多分析，有待今后收集更多更显著的个例进行深入探讨。由于KDP的计算与CC相关，当CC<0.9时不计算KDP，因此在高层有大冰雹的地方KDP会出现一些“空洞”，这在分析冰雹时有一定缺陷，也导致本次观测到的KDP柱较小。本文仅为1次对流天气过程的分析，未来需要通过更多个例，研究不同类型对流云中的双偏振特征的演变，并将贵州地区双偏振参量对分类强对流天气识别定量化，才能更好地为双偏振雷达在短临业务中应用提供参考。