闽南地区2020年“5·6”冰雹过程的双偏振产品特征分析*

2022-07-04卢芸芸焦志敏

海峡科学 2022年5期

卢芸芸焦志敏倪悦

(1.龙岩市新罗区气象局，福建龙岩 364030；2.中国气象局气象探测中心，北京 100081;3.龙岩市气象局，福建龙岩 364099)

0 引言

大范围降雹是影响福建的重要灾害性天气之一，尤其是直径超过20mm的大冰雹，空间尺度小、突发性强、破坏力大、发展演变迅速，是短临天气预报的难点。天气雷达具有较高的时空分辨率，是冰雹等强对流天气监测预警的重要手段。随着多普勒天气雷达和双偏振天气雷达的发展和应用，有关冰雹回波的研究陆续开展。Seliga等[1]首先提出双线偏振雷达的设想，通过同时探测水平和垂直偏振雷达波的反射率因子，可以分析雨滴谱的分布，提高降水测量的精度。Aydin等[2]利用雨滴与冰雹在大小和形状方面的差异，使用反射率因子Zh和差分反射率因子ZDR对冰雹进行识别。Kumjian 等[3]研究表明，ZDR柱与对流风暴中强烈的上升气流有关，在上升气流和后侧下沉气流(Rear-Flank-DownDRaft，RFD) 存在ZDR柱、差分相移率KDP柱和相关系数CC环。Snyder等[4]发现，ZDR柱的伸展高度与最强上升气流有关，上升气流的强弱又与冰雹的生长潜力相关，ZDR柱高度的变化要早于最大上升气流强度的变化。Zrnic[5]发现了大冰雹在雷达回波中的三体散射现象(Three Body Scatter Signature，TBSS)。陈秋萍等[6]研究表明，TBSS是大冰雹形成的充分非必要条件。

近年来，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。刘黎平等[7]发现ZDR是判断对流云和层状云降水粒子相态的重要指标之一。王洪等[8]研究表明，大雹粒子的翻滚使冰雹区水平反射率因子高、ZDR低，雨和冰晶粒子的混合导致CC下降，KDP观测对冰雹不敏感。潘佳文等[8]利用厦门 S 波段双偏振雷达分析了一次导致大冰雹的超级单体风暴，结果表明：相较于发展到成熟阶段才出现的反射率因子特征，ZDR柱等偏振特征可指示冰雹云的物理和动力结构，并对冰雹云的发展具有一定的预示性。但前期工作主要集中在X波段和C波段双偏振雷达。由于S波段雷达对于冰雹有着更好的观测效果，并在实际业务中被广泛使用，因此，开展基于S波段双偏振雷达对冰雹的观测研究十分必要。

2016年，厦门的新一代天气雷达升级为双线偏振天气雷达，升级后收集到了2020年5月6日冰雹过程完整的观测数据，且直径20～50mm的冰雹个例几乎都出现在该雷达站半径150km的观测范围内。因此，本文对出现在漳州地区直径20mm以上的冰雹强风暴个例及其演变过程，尤其是风暴发展前期的S波段双偏振参数(ZDR、KDP、CC等)进行分析，以探寻其对冰雹等强对流天气发生发展的指示意义。

1 天气实况和形势分析

受低层切变影响，2020年5月6日，我省中南部沿海和内陆局部出现集中降雹，冰雹直径普遍在5～20mm，最大30～50mm。此次冰雹过程具有如下特点：①5月大范围降雹前所未见。自1950年有气象记录以来，福建省出现较大范围的降雹过程几乎都出现在3～4月，而本次过程发生在5月，属历史罕见；②单日降雹范围最广。除宁德、平潭外，其余8个地市共35个县(市、区)出现冰雹；③少雹区出现集中降雹。福建降雹的空间分布特点为中北部多、南部少，山区多、平原少，内陆多、沿海少，而本次过程降雹集中在中南部沿海和内陆局部，少雹区出现集中降雹，极为罕见。

从500hPa和850hPa的中尺度分析(图1)可知，6日08时福建受500hPa高空槽前西南偏西气流影响，在闽南地区500hPa和850hPa高度上同时存在两支西风急流，850hPa有西南风的风速辐合，500hPa干舌和850hPa湿舌在闽西南地区重叠。500hPa在长江流域以南有一温度槽，850hPa在华南沿海一带有一温度脊。温度槽的南端与温度脊的北端在闽南地区重叠。6日20时高空槽东移靠近福建，500hPa西风急流维持，而850hPa急流强度有所减弱，850hPa湿度仍较大，但500hPa干区西退变小，500hPa温度槽和850hPa温度脊已减弱，850hPa风速辐合区北推至闽北。地面处倒槽南侧的暖区内，午后升温明显。

(a)6日08时 (b)6日20时

图2 2020年5月6日08时厦门站探空图

从6日08时厦门站探空资料(图2)可知，抬升凝结高度(LCL)950hPa，自由对流高度(LFC)992hPa均较低，容易触发对流。K指数34℃(阈值32℃)，SI指数-3.6(阈值-2.3)，订正后CAPE值2127.4J/kg(阈值1900J/kg)，0～6km垂直风切变19m/s，说明具有较好的对流发生条件[9]。从层结曲线看，850hPa至地面湿度较大，而850hPa以上均为干层，呈明显的上干下湿“喇叭口”结构，这为冰雹的形成提供了有利的环境条件。根据俞小鼎[10]的研究，若对流层中存在明显干层，则湿球0℃层高度低于干球0℃层高度。根据探空数据，干球0℃层高度4980m，湿球0℃层高度3160m，由于干层的存在，使得湿球0℃层高度明显低于干球0℃层高度，显著降低了冰雹的融化层高度，有利于冰雹的落地。

2 风暴演变的双偏振特征分析

本文根据王昂生等人[11]的研究，将冰雹风暴云的发展过程分为发生、跃增、酝酿、降雹和消亡等5个阶段，本文着重对前4个阶段展开分析研究。

2020年5月6日13∶55—15∶00，漳州龙海程溪镇、东泗乡相继出现直径达50mm冰雹实况。在漳州的冰雹风暴云单体发展复杂，根据回波的演变特征可分析出风暴云先后出现三次降雹(图6)：13∶29单体A第一次降雹，14∶15单体B第二次降雹(程溪镇)，14∶30单体C第三次降雹(东泗乡)。

2.1 单体A发展过程

12∶32—12∶55为发生阶段，12∶32单体A在3.3°仰角初生，12∶44在6.3km出现2～3dB的ZDR柱，12∶55反射率因子发展至50dBZ，垂直累积液态水含量VIL值最大为23.5kg/m2，在6km高度单体A的西侧出现4～5dB的ZDR柱和0.9～0.96的CC低值区(图3)。

13∶01—13∶06为跃增阶段，反射率因子强度增至60dBZ，VIL值增大至31.5kg/m2，单体西侧仍存在ZDR柱和CC低值区。

13∶12—13∶18为酝酿阶段，反射率因子强度增至68dBZ，强回波中心接近7km，VIL值增大至58kg/m2。在此期间ZDR柱和CC低值区一直伴随出现在单体A的西侧，13∶29移动至单体A的南侧，造成了单体C的发展和壮大。该阶段在6°仰角先后出现TBSS和旁瓣回波，预示着空中已经形成较大的冰雹。由图4可得，冰雹的双偏振特征为：强反射率因子核(≥60dBZ)对应接近0dB的ZDR和0.9-0.94的CC低值区；TBSS的双偏振特征为：极低的CC(<0.8)，ZDR在起始位置具有高值、随距离增加逐渐减小并转为负值；旁瓣回波的双偏振特征为：负值ZDR和CC低值(<0.9)。在同一时次的径向剖面图上TBSS也具有相同的双偏振特征(图略)。根据上述双偏振特征可识别出被降水回波掩盖的TBSS和旁瓣回波。

13∶24—13∶29为降雹阶段，单体A质心高度下降，VIL值下降至44.5kg/m2。图5表示，0.5°仰角(白色框线内)ZDR在0.8～4.0dB，KDP在1.7～6.4deg/km，CC值在0.85～0.96，说明冰雹在下落过程中融化成水滴及水包冰雹的混合物，在该时段并未在地面收集到冰雹实况，分析原因可能是：酝酿阶段只持续2个体扫，冰雹增长有限，尺寸较小，降落到地面时已融化成雨滴或较小的湿雹。

2.2 单体B发展过程

13∶18—13∶29,单体B初生;13∶35—13∶41为跃增阶段；13∶46—14∶15为酝酿阶段。在以上3个阶段，单体B的西侧均出现ZDR柱和相应CC低值区，尤其在13∶58强度为4dB的ZDR柱出现在6.6km左右。酝酿阶段在仰角3.3°～6.0°的水平反射率因子图上均能观察到单体B的TBSS，其TBSS的偏振参数特征与前述单体A的特征一致。由于单体B的酝酿阶段长于单体A、持续了30min，冰雹单体在垂直方向上进一步发展，使得冰雹尺寸更大。

图3 12∶55仰角4.3°的水平反射率因子(a)、ZDR(b)、CC(c)、KDP(d)和径向速度(e)

图4 13∶18仰角6.0°的ZDR(a)、CC(b)、水平反射率因子(c)和KDP(d)

图5 13∶29仰角0.5°的水平反射率因子(a)、ZDR (b)、CC(c)、KDP (d)和径向速度(e)

2.3 单体C发展过程

13∶24单体C初生，13∶29—13∶35为跃增阶段，反射率因子从45dBZ增至60dBZ，VIL增至49kg/m2，13∶29在其西侧出现了一个4dB的ZDR柱和相应CC低值区，速度场上出现一个由气旋、反气旋组成的涡旋对，二者共用负速度中心，而单体A不具备这种结构(图6)；13∶35单体A经历由强变弱、单体C经历由弱变强的过程(图7)。

13∶41—14∶15为酝酿阶段，期间单体C南侧存在4～5dB的ZDR柱和小于0.9的CC低值区，直到15∶00ZDR柱减弱消失，单体C也随之减弱，降雹结束。沿单体C涡旋中心径向方向做剖面(图8a、c)，可见在单体C中已出现成熟的穹窿结构，反射率因子核突破10km，在有界弱回波区BWER内存在一很强的上升气流，该区域对应着CC低值区(<0.9)，并把大量的水汽带到0℃层以上，使得5dB的ZDR柱高达7.5km。KDP柱也有一定体现，但由于CC<0.9，KDP图上出现了空洞。由此可见，ZDR柱在此提供了一个形成冻结雨滴的源泉，冻滴为冰雹形成的主要雹胚之一。