双偏振雷达在冰雹天气中的应用分析

李新新 商建 于国强

摘 要：本研究利用双偏振雷达资料、常规观测资料和ERA5再分析资料对2019年7月6日和2021年4月30日江淮地区的两次强对流天气过程进行诊断分析。结果表明：①两次冰雹均发生在高空冷涡加深南下的环流形势下，上冷下暖的温度差动平流有利于不稳定能量在冰雹区积聚，形成了较大的对流有效位能;强对流由地面辐合线触发。②强的垂直风切变使对流加强和维持，合适的0 ℃和-20 ℃层高度提供了冰雹形成的必要条件。③超级单体降雹具有“三体散射”和“钩状回波”特征，反射率因子核心达65 dBZ以上，垂直方向可见低层弱回波区和中高层回波悬垂。④强反射率因子、低差分反射率因子和较低相关系数可指示冰雹，并与差分相移率出现缺值相互印证。

关键词：冰雹;双偏振;冷涡

中图分类号：P412.25     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）12-0116-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.024

Application Analysis of Dual Polarization Radar in Hail Weather

LI Xinxin    SHANG Jian    YU Guoqiang

（Yancheng Meteorological Office，Yancheng 224000，China）

Abstract： Based on the dual-polarized radar data， conventional observation data and ERA5 reanalysis data，two severe convective weather processes in Jianghuai area on July 6，2019 and April 30， 2021 were analyzed. The results show that： ①Both processes occurred under the circulation of cold vortex deepened to south. The temperature differential advection between the upper cold and the lower warm was conducive to the accumulation of unstable energy， which formed a large Convective available potential energy; and the surface convergence line triggered severe convection. ②Heavy vertical wind shear strengthened and maintained the convection. Appropriate 0 ℃ and -20 ℃ layer height provided the necessary conditions for the formation of hail. ③The supercell storm had the characteristics of "Three Body Scatter Signature" and "hook echo"， the reflectivity factor core of hail cloud was more than 65 dBZ， and the low-level weak echo area and high-level echo suspension could be seen in vertical direction. ④High reflectivity factor， low ZDR and low CC can indicate hail， which is mutually confirmed with missing value of KDP.

Keywords： hail; dual polarization; cold cortex

0 引言

冰雹是由強对流系统造成的一种剧烈天气现象，其出现的范围虽然较小，生命史较短，但来势猛、强度大，给社会经济尤其是农业生产带来严重影响，甚至威胁到人们的生命财产安全，是影响江苏地区的主要灾害性天气之一[1]。

天气雷达自诞生以来一直是研究冰雹等强对流天气的有力工具。从最初仅有的反射率因子产品，发展到可以提供径向速度的多普勒雷达，诸多学者开展了冰雹等强对流预报预警技术的研究[2-4]。大量研究表明，在降雹过程中，回波顶高在10 km以上，有明显的三体散射、气旋式辐合、高层回波悬垂和强风暴顶辐散等特征[5-6]。但多普勒天气雷达无法对降水粒子的形状、相态做进一步分析，对冰雹和强降雨区分不明显。因此，如何对冰雹和短时强降水进行有效的识别并进行预报一直深受研究者的青睐。双偏振雷达作为多普勒雷达的升级产品，不仅可以探测到降水粒子的反射率因子、径向速度、速度谱宽等信息，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，这些参数不仅能用来分析天气过程，还能识别粒子相态，从而为降雹、降水的预报提供信息[7-9]。

江淮地区降雹多发生于4—9月，往往局地性很强，且以小冰雹（2 cm以下）为主。2019年7月6日和2021年4月30日出现的冰雹范围大、生命史长且尺度大，在江淮地区并不多见。这两次强对流过程为分析大冰雹的双偏振特征提供了难得的样本。本研究将通过对这两次过程的对比分析，探索对冰雹预警有指示意义的双偏振特征，充分发挥出双偏振雷达的优势和效益，以提升对当地强对流天气的分类监测和预警能力。

1 资料与方法

本研究采用的资料主要包括3种类型。一是第五代大气再分析资料ERA5，该资料来自欧洲中期天气预报中心（https：//cds.climate.copernicus.eu），其时间分辨率达1 h，空间分辨率为0.25°×0.25°;二是常规观测资料，包括江苏地面自动站资料和徐州探空资料，所选资料均已经过质量指控;三是徐州、盐城双偏振雷达资料。与新一代天气雷达相比，双偏振雷达距离分辨率提高至250 m，能更好地用来分析回波的精细结构。

2 天气实况

2019年7月6日（以下简称0706）白天至夜里，江苏自北向南出现了区域性短时暴雨、8～10级雷暴大风以及冰雹天气。全省平均雨量30.3 mm，最大雨量116.9 mm（连云港），日极大风速37.2 m·s-1（13级，连云港高公岛），另外有6个市的14个区县先后出现冰雹，最大直径5 cm（淮安洪泽区）。2021年4月30日（以下简称0430）下午至夜里，江苏自北向南出现了区域性8～10级雷暴大风和冰雹天气，其中有17个自动站日极大风速达12级及以上，最大出现在南通通州湾（47.9 m·s-1，15级），另外有9个市23个乡镇出现冰雹，最大直径约5 cm（淮安）。

3 天气背景及环流条件

两次强对流过程均出现了雷暴大风和冰雹，其中0706过程还伴有短时强降水和暴雨，而0430过程虽降水较弱，但瞬时风力极大。两次过程具有相似的环流形势，均发生在典型的冷涡背景下，见图1。其共同特征主要表现：500 hPa冷涡东移南掉，高空西北气流引导干冷空气南下，江苏位于冷涡底部，受冷温槽控制，冷平流影响全省;低层850 hPa上为低涡槽前西南气流输送的暖平流影响，形成高层冷平流叠加在低层暖平流上的配置，造成上冷、下暖的温度差动平流，是典型冷涡底部的对流不稳定形势。地面图上黄淮地面低压向东南方向移动，穿过江苏从长江口附近东移出海，与雷暴的生成与发展时间基本对应，强对流由地面辐合线触发。

从0706过程徐州站08时探空曲线[见图2（a）]可以看出，大气层结不稳定，850 hPa和500 hPa温差达27 ℃，对流有效位能（CAPE）为2243 J·kg-1;0～6 km垂直风切变为15 m·s-1。K指数为39 ℃，850 hPa比湿为12 g·kg-1，暖湿的低层有利于短时强降水。850 hPa以下水汽含量近于饱和，其上为干层，上干下湿的水汽垂直分布有利于雷暴大风。0 ℃层高度4.5 km，-20 ℃层高度7.3 km，合适的0 ℃和-20 ℃层高度对冰雹的发生十分有利，徐州上午08时前后就出现了冰雹。

对比0430过程徐州站08时探空曲线[见图2（b）]，近地层有浅薄逆温层，有利于不稳定能量的积聚;垂直风切变极大，0～6 km达33.2 m·s-1，0～3 km达23.5 m·s-1;但水汽条件较差，850 hPa比湿为3 g·kg-1，温度露点差为22 ℃，因而不利于短时强降水。850 hPa和500 hPa温差达33 ℃，层结非常不稳定。尽管08时探空显示CAPE较小，但14时订正后CAPE高達2904 J·kg-1，因此强对流发生在午后。0 ℃层高度3.2 km，-20 ℃层高度5.9 km，上述条件有利于雷暴大风和冰雹。

4 风暴特征及结构分析

冰雹天气往往与超级单体有紧密联系，在某些强烈的多单体风暴中也能产生大冰雹。从0706过程反射率因子回波演变可以看出，08：00飑线主体位于山东，回波呈弓形，底部强回波逐渐影响徐州和连云港。进入丰县时（08：17—08：40），风暴发展为超级单体（中气旋旋转速度约10 m/s），中心强度为73 dBZ，上冲回波高度达14 km以上;并且3.3°仰角以下都有“三体散射”现象，大冰雹回波特征显著。沿雷达径向作反射率因子剖面，具有低层弱回波区和中高层回波悬垂结构;65 dBZ回波高度伸展至10 km（超出-20 ℃高度），发展极为旺盛。0430过程中，17：58—18：38自淮安向盐城移动的超级单体（中气旋旋转速度约17 m/s）入流缺口处有明显的钩状特征，反射率因子核心>65 dBZ;对应垂直方向也可看到有界弱回波区和穹窿结构，符合经典超级单体特征。

双偏振参数在识别降水粒子类型时，ZDR的识别作用最大。ZDR是水平反射率因子与垂直反射率因子之差，与粒子形状关系密切。一般认为，小雨滴接近球形，ZDR几乎为零;大雨滴为扁椭球，ZDR是较大的正值;大冰雹等同于球形，ZDR接近于零。分析发现，两次降雹时强反射率因子回波区对应的0.5°仰角ZDR数值较小，为接近于零的正值或负值，这种高Z值低ZDR值称作ZDR冰雹信号。垂直方向上中层出现小范围负值，说明雷暴单体内高层以固态粒子垂直分布为主，低层以冰水混合粒子水平分布为主。

CC反映了水平偏振和垂直偏振回波功率之间的相关系数，仅与目标形状和相态有关。通常非气象回波的CC值很低（0.7以下）;云和降水回波的CC值则很大，接近于1;冰雹由于下落过程中存在翻滚，散射性质发生较大变化使得CC较小（低于0.95）。分析来看，0.5°仰角CC主要为大片>0.97的区域，说明该区域水凝物类型单一，为液态降水的可能性很大;而强反射率因子回波区CC值在0.9左右，说明此处为混合水凝物，可能为湿雹。垂直方向上中层CC则显著低于0.8，表明有大尺寸的冰相粒子存在。

KDP为水平和垂直发射的电磁波穿过降水目标时传播相移的变化，液态降水是影响KDP的主要因素。干雹区KDP一般在零值附近，低层外包水膜的冰雹KDP非常大，可达5°·km-1以上。两次过程中0.5°仰角KDP大值区对应湿的固态聚合物或液态水含量丰富，但因强反射率因子回波区CC<0.9而没有计算KDP，形成了KDP空洞（4c）。以上分析表明，反射率因子高值对应ZDR负值或零值，CC<0.9预示该处大冰雹的存在，并与此处KDP出现缺值相互印证。

5 结论

本研究利用常规观测资料和ERA5再分析资料对2019年7月6日和2021年4月30日江淮地区两次大范围强对流过程的成因进行了诊断，并分析了强风暴的双偏振特征，探究了其在短时强降水和冰雹天气中的表现差异，主要得出以下结论。

①两次冰雹天气均发生在高空冷涡加深南下的环流形势下，高层冷平流叠加在低层暖平流上的配置使对流不稳定度加大，不稳定能量在冰雹区积聚，形成了较大的CAPE，在地面辐合线的触发下导致了冰雹的产生。较大的垂直风切变使对流加强和维持，合适的0 ℃和-20 ℃层高度有利于冰雹的形成。

②超级单体降雹时具有“三体散射”和“钩状回波”特征，最强反射率因子达65 dBZ以上;垂直高度上可见低层弱回波区和中高层回波悬垂结构。径向速度图上低层具有明显的气旋式辐合旋转（中气旋）。上述这些特征对于冷涡型降雹具有一定的预报指示意义。

③不同于液态强降水时强反射率因子对应强ZDR和高CC（>0.97），强反射率因子对应低ZDR（负值或零值附近）和较低CC（<0.9）可指示冰雹，并与KDP出现缺值相互印证，结合多种产品综合分析可更准确地探测和预警冰雹区域。

研究表明，双偏振雷达可以很好地反映出强天气过程的特征，并能根据各偏振量的值对降水类型（冰雹和短时强降水）进行判别。需要注意的是，本研究仅对两次冷涡背景下导致降雹的超级单体风暴结构和偏振特征进行了分析，对于非超级单体降雹以及其他如副热带高压、西风槽背景下的降雹特征还须进一步研究。

参考文献：

[1] 包云轩，覃文娜，高苹，等.江苏省近30年冰雹灾害的时空变化规律[J].自然灾害学报，2012，21（5）：197-206.

[2] 汤兴芝，黄兴友.冰雹云的多普勒天气雷达识别参量及其预警作用[J].暴雨灾害，2009，28（3）：261-265.

[3] 王麗荣，李姣，张素云，等.雷达对冰雹灾害落区的跟踪及鉴定[J].灾害学，2019，34（3）：66-70.

[4] 赵文慧，姚展予，贾烁，等.1961—2015年中国地区冰雹持续时间的时空分布特征及影响因子研究[J].大气科学，2019，43（3）：539-551.

[5] 严红梅，梁亮，黄艳，等.金华地区18次冰雹天气的大气环境与雷达回波特征分析[J].暴雨灾害，2019，34（1）：48-58.

[6] 叶东.一次强风雹天气的干侵入作用及雷达回波特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2020，14（5）：44-52.

[7] 张杰，提案密，朱克云，等.双偏振雷达基本产品和回波分析[J].高原山地气象研究，2010，30（2）：36-41.

[8] KUMJIAN M R，MISHRA S，GIANGRANDE S E，et al.Polarimetric radar and aircraft observations of saggy bright bands during MC3E[J].J Geophys Res Atmos，2016，121（7）：3584-3607.

[9] STARZEC M，HOMEYER C R，Mullendore G L.Storm labeling in three dimension （SL3D）：A volumetric radar echo and dual-polarization updraft classification algorithm[J].Mon Wea Rev，2017，145（3）：1127-1145.