2023年滇东北一次强风暴过程双偏振雷达观测分析

袁兴洪 李宇航 马红

摘要 此次过程主要由500 hPa短波槽和700 hPa切变线共同影响造成，经订正后的CAPE值較大，伴随前期高温晴热天气，具备能量、动力、水汽条件，0 ℃层和 -20 ℃层高度适宜冰雹的发展。从风暴发展的强度ZH、速度V、双偏振参量ZDR、KDP、CC分析了强风暴发展过程的水平和垂直参数。

关键词 雷达；强风暴；冰雹；双偏振

中图分类号：P412.25 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）12–0-03

Observation and Analysis of A Strong Storm Process in Northeast Yunnan in 2023 by Dual Polarization Radar

Yuan Xing-hong et al（Zhaotong Mete-

orological Bureau， Zhaotong， Yunnan 657000）

Abstract This process is mainly caused by the combined influence of 500 hPa shortwave trough and 700 hPa shear line. After correction， the CAPE value is relatively high， accompanied by high temperature and sunny weather in the early stage， with energy， power， and water vapor conditions. The 0 ℃ and -20 ℃ layers are suitable for the development of hail. The horizontal and vertical parameters of the development process of strong storms were analyzed from the intensity ZH， velocity v， polarization parameters ZDR， KDP， and R2 of storm development.

Key words Radar; Strong storm; Hail; Bipolarization

冰雹灾害是一种季节性明显、局地性强、突发性强、持续时间短和具有明显阵性特征的气象灾害，是云南省重要的灾害性天气之一。昭通位于云南省东北部，是四川盆地向云贵高原过渡地带，境内多山地，地形地貌复杂，海拔差异大，每年都会发生冰雹灾害，不仅会给昭通苹果、烤烟、花椒等农业及高原特色产业都带来了重大损失，还会威胁粮食安全。

昭通新一代天气雷达具有双偏振功能的多普勒雷达，可以探测到水平偏振反射率因子ZH、差分反射率因子ZDR、差分相位常数KDP、相关系数R2等与降水粒子类型、形状和分布等要素密切相关的参数，得到降水粒子微物理结构的信息，可以用来识别混合区内降水粒子的相态，使得相关部门了解降水的本质。

1 实况和灾情

2023年4月17日18：00开始，受高空槽和低层强辐合天气系统影响，昭通市威信、镇雄、大关、彝良、永善局部区域出现短时强降水、冰雹、大风、雷暴等强对流天气，其中威信、镇雄出现大冰雹（冰雹直径5 cm以上），形成严重雹灾。从卫星云图、雷达回波图、地面自动站点和灾情信息收集情况，冰雹天气严重区域主要集中在威信县长安等6个乡镇，镇雄县雨河等10乡镇，冰雹直径以1～4 cm为主，最大直径5 cm以上。冰雹灾害造成的直接经济损失为1.74亿元，其中受灾最严重的镇雄县损失超过1.2亿元。

2 天气形势和物理条件分析

2.1 天气形势

通过分析常规观测资料，发现本次强对流风暴天气主要是由于500 hPa短波槽和700 hPa切变线共同影响造成。2023年4月17日08：00，500 hPa上（图略）青藏高原东部有一短波槽快速东移到四川盆地南部到滇东北一带；700 hPa上川滇切变线加强南移，切变南侧西南急流风速达到22 m/s，有利于孟湾水汽向北输送，且形成较强的低层辐合抬升条件。槽前系统性上升运动配合较好的水汽条件，为强对流天气的发生提供了有利的动力条件和水汽条件。昭通前期持续维持高温晴热天气，地面为热低压控制，为对流发生提供了有力的能量条件，对流发展区基本位于低压中心附近。

2.2 物理条件分析

分析与强对流发展区临近的四川宜宾和贵州威宁探空资料，发现4月17日08：00宜宾探空站CAPE=50.2 J，用14：00气温订正后为1 670 J；威宁探空站CAPE=0 J，用14：00气温订正后为2 248 J。说明过程发生前，该地区积累了充足的不稳定能量。0 ℃层和-20 ℃层高度分别是云中冷、暖云分界线高度和大水滴的自然冰化区，是表示雹云特征的2个参数[1]。

当日宜宾探空站08：00，0 ℃高度为4 894.0 m，融化层（WBZ）高度为4 155.4 m，-20 ℃高度为7 781.0 m；威宁探空站08：00，0 ℃高度为4 997.0 m，融化层（WBZ）高度为4 436.9 m，-20 ℃高度为7 582.0 m。0 ℃层、-20 ℃层高度基本都在600 hPa和400 hPa附近，融化层高度较低，比较适宜冰雹的形成。2个探空站都有低层风随高度顺转的暖平流特征，有利于上冷下暖不稳定层结生成和强对流天气的发生发展。

3 风暴特征演变及其结构分析

3.1 水平反射率特征分析

本次降雹地区处于山区地带，海拔相对较低，平均海拔为1 300 m左右，且降雹回波离昭通雷达大多100 km以外。昭通雷达海拔较高，雷达馈源海拔为3 162 m，只能观测到云层高度4.5 km以上的雷达回波参数，该高度在0 ℃层以下融化层之上，对低层观测存在一定盲区。

此次强对流风暴由多单体风暴组成（图略），时间维持较长，系统基本以51 km/h速度自西北向东偏南方向移动，移动过程中不断生消变化。20：09，风暴单体回波发展成熟（图1a），处于降雹阶段，雷达回波（CR）达到64 dBz，回波顶高度超过了15 km，60 dB回波强度达到11.5 km，同时雷达回波垂直剖面表现出回波墙、强回波悬、低层弱回波区等特征。20：37，强风暴单体发生分裂，分裂成南、北2个相对独立的单体风暴，南边单体风暴继续向镇雄境内移动，北边单体风暴向东北威信方向移动；21：00，北边风暴单体再次发生分裂，分裂成东、西2个相对独立的强单体风暴，分裂后的强单体风暴移动过程中触发强度和大小不一的对流单体；22：14，雷达回波强度和高度减弱，强风暴处于消亡阶段。

3.2 强风暴径向速度特征分析

强风暴雷达回波处于初生、跃增、酝酿阶段，中低层速度图上均出现正负速度对辐合特征（图略）。20：09，强风暴单体A雷达回波处于成熟降雹阶段，0.5°仰角速度图上出现强的辐合特征（图1b），最大正速度为19.5 m/s，最大负速度为-10 m/s，辐合速度为29.5 m/s；1.5°仰角速度图上在风暴运动的前方出现气旋性辐合（图1c），最大正速度为40 m/s，最大负速度为-12 m/s，旋转速度为26 m/s，达到了强中气旋标准[2]，此时速度剖面图上中低层出现辐合；6.0°仰角速度图上高层出现辐散特征（图1d），中气旋的出现表明强雷暴达到成熟且有进一步发展的趋势。

3.3 强风暴双偏振特征分析

3.3.1 水平方向双偏振特征分析 ZDR值与粒子形状密切相关，CC值与降水粒子相态均一性相关，KDP和液态水含量关系密切[3-4]。

20：09，强风暴成熟降雹阶段，0.5°仰角ZH＞45 dBz强回波区域ZDR值在-0.06～6 dB之间，此仰角ZH≥60 dBz强回波中心区域ZDR值大部分＜1 dB，在强回波后方及移动方向ZDR值较大，大部分＞2 dB，存在大雨滴及融化的小冰雹，同时在强回波中心雷达径向远端存在ZDR低值区，ZDR值存在衰减，表明强回波内存在大直径的冰雹或强的降水区。

在强单体中心CC值为0.80～0.97，低层ZH≥50 dBz强回波区域大部分CC＜0.97，也存在＜0.9的区域，表明可能存在直径＞2 cm的大冰雹，同时也含有直径＜2 cm的小冰雹或融化的冰雹等粒子。强风暴中心反射率因子ZH大值区与KDP大值区基本吻合，KDP大部分为0～8.3°km-1，KDP大值区主要位于低层强回波中心雷达径向远端。结合ZH和ZDR分析，低层雷达反射率因子ZH≥60 dBz，大值区KDP值存在部分为0值区域，ZDR值较小，可能存在干冰雹，但低层反射率因子大值区径向后侧含水量较丰富，存在冰雹融化及大雨滴，此时地面有发生降干冰雹、雨夹雹或短时强降水的可能，其余地方KDP值为零，液态含水量較低。

3.3.2 强风暴垂直方向双偏振特征分析 强风暴垂直方向特征，在风暴发展的各个阶段均能发现ZDR柱和KDP柱，为风暴中最为常见的偏振特征之一。ZDR柱内存在非常大的雨滴，并常位于主上升气流附近[5]。KDP柱通常位于ZDR柱的西侧或西北侧，常位于上升气流左侧[6]，与强回波中心反射率因子ZH大值区对应较好。

分析20：09强风暴单体成熟降雹阶段垂直方向特征，发现该阶段回波顶高度超过15 km，出现高悬的强回波，55 dBz强回波高度超过12 km，远高于当天探空上-20 ℃等温线高度，垂直剖面上最强回波顶偏左一点有旁瓣产生称为假尖顶的虚假回波（图2a、图2b、2d），表明回波中有大的降水粒子存在，此时强风暴发展旺盛。

反射率因子垂直剖面上出现强回波悬垂、回波墙、低层弱回波区等特征（图2a），速度图上出现了中低层辐合，高层辐散特征（图2b），ZDR垂直剖面上出现高于融化层的ZDR柱（图2c），＞1 dB值的ZDR柱高度超过7 km，ZDR柱与反射率因子ZH低层弱回波区对应（图4），这表明ZDR柱所在地区为上升气流区域；KDP垂直剖面上出现高于融化层的KDP柱（图2d），KDP柱出现在ZDR柱左边，与反射率因子ZH低层大值区对应较好，为下沉气流区域；CC值垂直剖面上出现了高于融化层＜0.9的区域（图略），强风暴中含有各种降水粒子，此区域为未冻结的过冷水滴、湿雪、冰雹等粒子相态。

粒子相态识别（HCL）上，低层为冰雹、大雨滴等降水粒子，低层以上为冰雹、霰、干雪等粒子相态，地面降水可能存在干冰雹和＞2 cm的大冰雹，以融化的小冰雹和大雨滴为主，相态识别与地面降水相态一致。

4 强风暴回波强度、高度及垂直液态水含量分析

该强单体回波发展过程中经历了2次分解和1次合并，从19：58发展增强到22：14，降雹基本结束持续时间约2 h 20 min。从强风暴回波顶高、组合反射率（CR）及垂直液态水含量（VIL）随时间变化分析，回波顶高度从20：03开始到21：00处于上升阶段。以上参数反映出该强风暴具有发展旺盛、持续时间长、影响范围广等特征。

5 结论

（1）本次强风暴天气过程由500 hPa短波槽和700 hPa切变线共同影响造成，具备有利的动力条件和水汽条件。经14：00气温订正后CAPE值较大，低层风随高度顺转暖平流特征，有利于形成上冷下暖不稳定层结，0 ℃层和-20 ℃层高度适中，有利于冰雹的形成。

（2）本次强风暴天气过程由多单体风暴组成，强风暴回波顶高度超过了15 km，55 dBz强回波高悬的强回波顶高度超过12 km，ZH垂直剖面上出现了回波墙、强回波悬垂、低层弱回波区、旁瓣假尖顶回波等特征，速度图上达到中等强度中气旋的标准，伴有低层辐合、高层辐散特征，风暴发展旺盛，达到了强风暴发展标准。

（3）双偏振水平方向上，强风暴强回波后端出现了明显的ZDR衰减，同时该阶段低层KDP值达到了2o～8o km-1，为大雨滴和融化的冰雹。低层反射率因子ZH≥60 dBz，大值区部分地方出现ZDR＜1 dB、KDP=0，CC＜0.97，此区域对应较大的干冰雹区域。

（4）强风暴跃增到降雹阶段出现了ZDR柱和KDP柱，ZDR柱对应风暴的强上升气流区，与风暴反射率因子ZH低层弱回波区与速度辐合区对应较好，KDP柱在ZDR柱的左侧，与低层反射率因子ZH大值区相对应，一般为短时降水区域。降水粒子识别（HCL）上与风暴降雹阶段分析结论基本一致。

（5）从强风暴雷达回波发展高度（TOP），组合反射率强度（CR），垂直液态水含量（VIL）分析，从降雹开始到结束3个值均维持在高位，回波发展旺盛，高度高、强度强。

参考文献

[1] 段鹤，严华生，马学文，等.滇南冰雹的预报预警方法研究[J].气象，2014，40（2）： 174-185.

[2] 郭桐，柳东慧.C波段双偏振多普勒天气雷达原理及主要偏振参量应用分析[J].河南科技，2021，40（19）：140-142.

[3] 张红梅，张深寿，连晨方，等.福建西南部一次特大暴雨的双偏振雷达特征分析[J].气象与环境科学，2021，44（2）：16-24.

[4] 刘红亚，杨引明，张晶，等.一次冰雹天气的WSR-88D双偏振雷达特征分析[J].气象与环境科学，2020，43（2）：1-10.

[5] 潘佳文，高丽，魏鸣，等.基于S波段双偏振雷达观测的雹暴偏振特征分析[J].气象学报，2021，79（1）：168-180.

[6] 潘佳文，蒋璐璐，魏鸣，等.一次强降水超级单体的双偏振雷达观测分析[J].气象学报，2020，78（1）：86-100.