刁秀廣，張磊，孟憲貴，萬明波，呂游

(山東省氣象臺，山東 濟南 250031)

引言

雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)通過發(fā)射水平和垂直兩路電磁波信號，不僅可以探測到氣象目標(biāo)物水平極化基本反射率因子Z、平均徑向速度V及速度譜寬W等信息，還可以獲得差分反射率因子(ZDR)、相關(guān)系數(shù)(CC)、差分相移(ΦDP)及其導(dǎo)出量比差分相位(KDP)等雙偏振參數(shù)。國外大量研究表明，不同尺寸和不同相態(tài)的氣象目標(biāo)物對應(yīng)不同的雙偏振參數(shù)特征值，對這些參數(shù)特征值進(jìn)行細(xì)致分析與模糊邏輯運算，可以進(jìn)一步識別降水粒子的相態(tài)分布以及降水類型等[1-9]。對于滿足瑞利散射的氣象目標(biāo)物粒子，ZDR大小取決于粒子的大小和形態(tài)，球形粒子ZDR為0 dB；長軸呈水平狀態(tài)的橢球粒子ZDR為正，長軸呈垂直狀態(tài)的橢球粒子ZDR為負(fù)；液態(tài)雨滴隨著直徑的增大ZDR也增大，ZDR大小與粒子濃度無關(guān)。KDP隨著雨滴直徑的增大而增大，同時對雨滴濃度也較為敏感。長軸呈水平狀態(tài)的雨滴濃度越高KDP越大，KDP與純雨水的降水率幾乎呈線性關(guān)系。因此，KDP可很好地反映雷達(dá)取樣體積內(nèi)的液態(tài)含水量，可用來反演強降雨的雨強。CC與雷達(dá)取樣體積里粒子種類、形狀或軸取向有關(guān)，粒子種類多或粒子形狀多樣性會導(dǎo)致CC降級，對于純凈的雨滴，CC>0.98，地物、昆蟲、鳥類等非氣象目標(biāo)物一般CC<0.7。

國內(nèi)在雙偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、強風(fēng)暴結(jié)構(gòu)及業(yè)務(wù)應(yīng)用方面也做了大量研究工作[22-31]，取得了一些研究成果。張羽等[32]對一次短時強降水過程的雙偏振參量分析表明，1 h雨量大于50 mm降水對應(yīng)的ZDR平均值在1.25～1.66 dB之間，KDP的平均值在0.80～1.48°·km-1之間，CC平均值都在0.95以上。荀愛萍等[33]對不同雨強偏振參量分析表明，暴雨以上量級降水的反射率因子Z范圍為40～60 dBZ，ZDR范圍為1.0～4.0 dB，KDP范圍大部分在 1.0～4.0°·km-1，不同強度的降水CC差別不大。

本文基于濟南CINRAD/SA雙偏振天氣雷達(dá)資料，結(jié)合地面實況資料，對2019年7月27日和8月10日兩次對流性強降水風(fēng)暴雙偏振參量特征進(jìn)行了分析，目的是初步了解強降水風(fēng)暴低層、中層及垂直結(jié)構(gòu)上的雙偏振特征量，希望對強降水的微物理特征、降水量反演及相關(guān)預(yù)警業(yè)務(wù)有所啟示。

1 天氣實況與環(huán)境物理量

受西風(fēng)槽和副熱帶高壓邊緣影響，2019年7月27日午后至夜間，魯西北西部、魯中西部和魯南地區(qū)出現(xiàn)分散性強降水天氣，12:00—20:00(北京時，下同)累計降水量見圖1a。有1個國家級氣象觀測站(以下簡稱“國家站”)和21個區(qū)域氣象觀測站(以下簡稱“區(qū)域站”)累計降水量超過50 mm，最大降水量97.1 mm，出現(xiàn)在茌平菜屯區(qū)域站，小時最大雨量71.9 mm,也出現(xiàn)在菜屯區(qū)域站(14:00—15:00)。

受西風(fēng)槽和低層切變線影響，2019年8月10日凌晨至08時，魯西北地區(qū)出現(xiàn)強降水天氣，局部大暴雨，魯西南地區(qū)局部出現(xiàn)暴雨，10日00:00—08:00累計雨量見圖1b。11個國家站雨量達(dá)到50 mm以上，其中2個站達(dá)到100 mm以上，最大139.1 mm，出現(xiàn)在高唐國家站；115個區(qū)域站雨量達(dá)到50 mm以上，其中28個站達(dá)到100 mm以上，最大171.4 mm，出現(xiàn)在高唐縣姜店區(qū)域站；最大小時(整點)降水量64.2 mm，也出現(xiàn)在姜店區(qū)域站(04:00—05:00)。

圖1 2019年7月27日12:00—20:00(a)和8月10日00:00—08:00(b)累計雨量

章丘探空數(shù)據(jù)(圖2)表明，7月27日08:00，CAPE值為1 155 J·kg-1(降水區(qū)茌平站11:00露點與氣溫訂正后數(shù)據(jù)為3 900 J·kg-1)，K指數(shù)較小(21 ℃)，0～6 km垂直風(fēng)切變較弱(9.7 m·s-1)，低層相對濕度較小，972、925和850 hPa比濕分別為19.3、14.9和8.0 g·kg-1，0 ℃、-10 ℃和-20 ℃層高度分別是5.2、7.0和8.8 km。8月9日20:00，CAPE值較強(2 677 J·kg-1)，K指數(shù)較大(38 ℃)，0～6 km垂直風(fēng)切變較弱(8.6 m·s-1)，低層相對濕度較大，中層以上較干，973、925和850 hPa比濕分別為20.5、18.0和15.3 g·kg-1，0 ℃、-10 ℃和-20 ℃層高度分別是5.4、7.1和8.7 km。對比可知，兩次強降水發(fā)生在弱垂直風(fēng)切變環(huán)境下，具有較高的0 ℃高度，且0 ℃、-10 ℃和-20 ℃層高度差別不明顯；7月27日強降水天氣K指數(shù)明顯較低，濕層厚度和低層絕對濕度也偏低，但CAPE值明顯大于8月10日。

圖2 2019年7月27日08:00(a)和8月9日20:00(b)章丘探空

兩次強降水過程都在肖莊區(qū)域站產(chǎn)生強降水，而且最大小時降水量大致相當(dāng)。7月27日肖莊站累計雨量70.8 mm，14:00—15:00肖莊站出現(xiàn)67.6 mm的強降水，14:26—15:50，分鐘降水量基本在1.5 mm以上，最大為2.5 mm。8月10日肖莊站累計雨量為137.1 mm，02:30—03:30肖莊站出現(xiàn)67.1 mm的強降水，02:33—02:43分鐘降水量在1.5 mm以上，最大為3.0 mm。因此，選擇肖莊站作為參考站點對兩次強降水風(fēng)暴進(jìn)行分析(肖莊站與濟南雷達(dá)站和章丘探空站的位置關(guān)系見圖1)。

2 7月27日強降水風(fēng)暴雙偏振參量特征分析

7月27日表現(xiàn)為分散性強降水，對流單體也表現(xiàn)為空間上的相對孤立和時間上的不連續(xù)性。濟南雷達(dá)觀測表明，12:30前后茌平東北部至臨清東南部一帶有對流觸發(fā)，移動緩慢。13:20前后對流單體合并，發(fā)展成團狀對流風(fēng)暴，并緩慢向東南方向移動，主要影響臨清、茌平、東阿及平陰一帶。

2.1 平面位置顯示(PPI)產(chǎn)品特征

圖3是7月27日14:25濟南1.5°和6.0°仰角水平極化反射率因子(Z)、差分反射率(ZDR)、相關(guān)系數(shù)(CC)和比差分相位(KDP)產(chǎn)品，1.5°仰角肖莊站上空對應(yīng)的高度約1.9 km，6.0°仰角肖莊站上空對應(yīng)的高度約6.7 km，接近環(huán)境-10 ℃層(7.0 km)高度。

風(fēng)暴低層肖莊站周圍存在Z≥45 dBZ的強回波(圖3a1)，以肖莊站所在徑向為參考，南部回波強度大于北部，北部在45～51 dBZ之間，南部在45～57.5 dBZ之間。強回波區(qū)對應(yīng)的ZDR差別明顯(圖3a2)，肖莊站北部明顯小于南部，北部基本在0.5～2 dB之間，南部基本在2 dB以上。強回波區(qū)對應(yīng)的CC在0.94～0.99之間(圖3a3)，肖莊站南部CC略偏低。強回波區(qū)對應(yīng)KDP值較大，基本在0.5～2.5°·km-1之間(圖3a4)，最大為3.1°·km-1，KDP>1.0°·km-1的區(qū)域位于肖莊站以北(圖3a4中點狀曲線為1.1°·km-1等值線)，且與ZDR較小的區(qū)域相對應(yīng)(圖3a2)。

綜合相關(guān)研究[4-5,8-11]，對于純粹的降雨，Z和ZDR對雨滴大小較為敏感，大的雨滴導(dǎo)致大的Z和ZDR，而KDP對雨滴濃度較為敏感，強降雨具有大的KDP。因此，肖莊站南側(cè)雨滴直徑偏大，從而導(dǎo)致該區(qū)域Z偏強，ZDR明顯偏大。KDP大值區(qū)與ZDR偏小區(qū)域相對應(yīng)，同時該區(qū)域Z≥50 dBZ，說明該區(qū)域雨滴直徑相對偏小而濃度較高，從而導(dǎo)致大的降雨強度。肖莊站在14:26—15:50期間分鐘降水量基本在1.5 mm以上，肖莊站附近Z在50～52 dBZ之間(圖略)，ZDR在0.5～1.7 dB之間(圖略)，CC在0.975～0.990之間(圖略)，KDP在1.7～2.5°·km-1之間(圖3a4下方，分別是14:31、14:38、14:45肖莊附近KDP)。低層反射率因子50～52 dBZ，同時具有較大的KDP值(1.5°·km-1以上)，大的CC和適當(dāng)?shù)腪DR(0.5～2.0 dB)是肖莊站產(chǎn)生24 min左右的高強度降水(分鐘降水量超過1.5 mm)的主要特征。

風(fēng)暴中層(6.0°仰角產(chǎn)品)肖莊站上空存在45 dBZ以上的強回波區(qū)(圖3b1)，肖莊站東側(cè)更強，在55～61 dBZ之間。強回波區(qū)對應(yīng)的ZDR在肖莊站東側(cè)存在1～2 dB的大值區(qū)，其他區(qū)域ZDR較小(圖3b2)。強回波區(qū)對應(yīng)的CC在0.88～0.99之間(圖3b3)，肖莊站東側(cè)CC明顯偏低，最小為0.88。強回波區(qū)對應(yīng)的KDP值存在1.1～2.8°·km-1的大值區(qū)(圖3b4)。

圖3 7月27日14:25濟南雷達(dá)1.5°仰角Z(a1，黑色實線為45 dBZ等值線)、ZDR(a2，點狀曲線為KDP=1.1°·km-1等值線)、CC(a3)、KDP(a4，點狀曲線為1.1°·km-1等值線)和6.0°仰角Z(b1，藍(lán)色實線為45 dBZ等值線)、ZDR(b2)、CC(b3)、KDP(b4)產(chǎn)品

0 ℃層高度以上ZDR選取1 dB為閾值，肖莊站東側(cè)上空6.7 km高度(略低于-10 ℃層高度)出現(xiàn)的ZDR大值區(qū)即為ZDR柱。KDP選取1°·km-1為閾值，肖莊站上空KDP大值區(qū)即為KDP柱。根據(jù)相關(guān)研究[10-18]，ZDR柱的出現(xiàn)表明該區(qū)域為強上升氣流區(qū)，強上升氣流可以將一定數(shù)量直徑稍大的冰粒子、或包有水膜的冰粒子、或液態(tài)粒子帶到環(huán)境-10 ℃層高度附近，從而導(dǎo)致大的Z、ZDR和KDP值，不同相態(tài)粒子同時存在，導(dǎo)致CC明顯偏低。

2.2 垂直剖面圖(VCS)產(chǎn)品特征

圖4是7月27日濟南雷達(dá)14:31Z、KDP、ZDR和CC的垂直剖面圖(VCS)產(chǎn)品，剖面沿徑向263°(經(jīng)過肖莊站上空，肖莊距離雷達(dá)站約60 km)，藍(lán)色直線是0 ℃層高度，圖4c右上是ZDR柱放大后的局部圖片?？梢钥闯?，強回波區(qū)(Z≥45 dBZ)大部分位于0 ℃層高度以下，具有低質(zhì)心熱帶降水型特征，同時，距離雷達(dá)55～59 km處45 dBZ以上強回波伸展到較高的高度，頂部達(dá)到9.0 km，50 dBZ回波頂部達(dá)到7.8 km，超過-10 ℃層高度(7.0 km)。對應(yīng)的KDP和ZDR垂直分布與強回波(Z)垂直分布類似，45 dBZ回波區(qū)對應(yīng)的ZDR基本在0.5 dB以上，KDP在0.5°·km-1以上，CC基本在0.95～0.99之間(肖莊站近地面小于0.9的CC為地物雜波干擾，降水期間一直存在地物干擾)。ZDR剖面(圖4c)0 ℃層高度以上存在大值區(qū)(ZDR≥1.5 dB，VCS產(chǎn)品使用了數(shù)據(jù)內(nèi)插，ZDR大值區(qū)以1.5 dB為閾值，PPI上ZDR大值區(qū)以1.0 dB為閾值)即ZDR柱，1.5 dB高度伸展到6.4 km，略低于-10 ℃層高度。KDP剖面(圖4b)0 ℃層高度以上存在大值區(qū)(VCS上以1.5°·km-1為閾值)即KDP柱，1.5°·km-1的頂部伸展到7.4 km，略高于-10 ℃層高度，2.0°·km-1的頂部伸展到6.0 km，略高于0 ℃層高度。

圖4 2019年7月27日14:31濟南雷達(dá)Z(a)、KDP(b)、ZDR(c)和CC(d)產(chǎn)品垂直剖面圖

PPI產(chǎn)品和VCS產(chǎn)品都可以分析出強降水風(fēng)暴存在較高的ZDR柱，即較強的上升氣流和明顯的上沖云頂，強上升氣流的出現(xiàn)與維持對強降水風(fēng)暴的發(fā)展與維持至關(guān)重要，同時導(dǎo)致局部反射率因子質(zhì)心較高，由于重力拖曳作用，下沉氣流強度也較強，致使肖莊站在14:28出現(xiàn)極大風(fēng)速為21.8 m·s-1的大風(fēng)天氣。

3 8月10日強降水風(fēng)暴雙偏振參量特征分析

8月10日表現(xiàn)為區(qū)域性對流強降水，對流風(fēng)暴表現(xiàn)為線狀對流云帶，西南—東北向分布，在山東西北部造成西南—東北向強降雨區(qū)。濟南雷達(dá)觀測表明，8月10日00:00—00:30，聊城市區(qū)南部至菏澤東明一帶有對流不斷激發(fā)，01:00前后形成西南—東北向帶狀回波，02:00前后北端發(fā)展到德州平原一帶，南北長度約200 km，05:30之后減弱?；夭◣蠈α鲉误w向北偏東方向移動，對流單體移動方向與帶狀走向夾角較小，某一地點經(jīng)歷降水影響時間較長，具有明顯的“列車效應(yīng)”。

3.1 平面位置顯示(PPI)產(chǎn)品特征

圖5是8月10日02:31濟南雷達(dá)1.5°和4.3°仰角Z、ZDR、CC和KDP產(chǎn)品。1.5°仰角肖莊站上空對應(yīng)的高度約1.9 km，4.3°仰角肖莊站上空對應(yīng)的高度約4.9 km，低于0 ℃層高度(5.4 km)。

圖5 2019年8月10日02:31濟南雷達(dá)1.5°仰角Z(a1)、ZDR(a2)、CC(a3)、KDP(a4)和4.3°仰角Z(b1)、ZDR(b2)、CC(b3)、KDP(b4)產(chǎn)品

風(fēng)暴低層45 dBZ強回波區(qū)(圖5a1，黑色實線為45 dBZ等值線)呈西南—東北向帶狀分布，強回波區(qū)對應(yīng)的ZDR在0.5～3.8 dB之間(圖5a2)，反射率因子梯度大值區(qū)(回波帶東側(cè)邊緣)對應(yīng)的ZDR較大，50～54 dBZ回波區(qū)(黑色點狀線為50 dBZ等值線)ZDR基本在0.5～2.0 dB之間，55 dBZ左右的回波區(qū)ZDR在2 dB以上。強回波區(qū)對應(yīng)的CC在0.96～0.99之間(圖5a3)，回波帶東側(cè)邊緣偏小。KDP基本在0.5～2.9°·km-1之間(圖5a4)，回波帶東側(cè)明顯較大，50 dBZ以上回波區(qū)KDP在1.1°·km-1以上。風(fēng)暴低層回波帶東側(cè)區(qū)域表現(xiàn)為大的Z(50 dBZ以上)、大的ZDR(1.0 dB以上)和大的KDP(1.1°·km-1以上)，表明該區(qū)域雨滴不僅直徑偏大，而且濃度也高，利于強降雨的出現(xiàn)?；夭◣先齻€近乎連成一線的區(qū)域站(肖莊、洪屯和閻寺)都出現(xiàn)強降雨，02:33—02:43(10 min)累計雨量，肖莊、閻寺、洪屯站分別為22.9 mm、18.2 mm、11.5 mm，且都出現(xiàn)1.5 mm·min-1以上的雨強。肖莊站附近Z值在51～54 dBZ，ZDR在1.0～1.6 dB，KDP在1.7～2.4°·km-1，CC約為0.98；洪屯站附近Z值在50～51 dBZ，ZDR在1.0～1.4 dB，KDP在1.1～2.2°·km-1，CC在0.97～0.98；閻寺站附近Z值在50～52 dBZ，ZDR在0.6～1.0 dB，KDP在1.7～2.5°·km-1，CC約為0.99。低層反射率因子Z值在50～54 dBZ，同時具有較大的KDP值，適當(dāng)?shù)腪DR(0.6～1.5 dB)，較高的CC(0.97以上)，是雨帶產(chǎn)生高強度降雨(分鐘降水量超過1.5 mm)的主要特征。

4.3°仰角產(chǎn)品肖莊站上空(4.9 km)也存在強回波區(qū)(圖5b1，藍(lán)色實線為45 dBZ等值線)，對應(yīng)的ZDR在0.2～2.0 dB之間(圖5b2)，對應(yīng)的CC在0.96～0.99之間(圖5b3)，KDP基本在0.5～2.7°·km-1之間(圖5b4)。垂直剖面(圖略)顯示肖莊站周圍上空0 ℃層高度以上沒有出現(xiàn)ZDR柱和KDP柱。洪屯站上空5.5 km高度出現(xiàn)ZDR>1 dB的大值區(qū)(圖5b2)，但KDP<1°·km-1(圖5b4)，閻寺站上空東部5.8 km高度出現(xiàn)ZDR為1.1 dB的大值區(qū)(圖5b2)，對應(yīng)的KDP也大于1°·km-1(圖5b4)，而6.0°仰角產(chǎn)品沒有出現(xiàn)Z、ZDR和KDP大值區(qū)。因此，可大致判別，洪屯站上空僅出現(xiàn)略高于0 ℃層(5.4 km)高度的ZDR柱，閻寺站上空強降水風(fēng)暴出現(xiàn)略高于0 ℃層高度的ZDR柱和KDP柱。02:00—04:00期間，肖莊至閻寺一帶上空其他體掃也基本上是在略高于0 ℃層的高度出現(xiàn)ZDR柱或(和)KDP柱。

3.2 垂直剖面圖(VCS)產(chǎn)品特征

圖6是8月10日濟南雷達(dá)02:31Z、KDP、ZDR和CC的垂直剖面圖(VCS)產(chǎn)品，剖面位置見圖5白色直線，藍(lán)色直線為環(huán)境0 ℃層高度?？梢钥闯?，強回波區(qū)(Z≥45 dBZ)基本位于0 ℃層高度以下，質(zhì)心較低，屬于低質(zhì)心熱帶降水型。強回波區(qū)對應(yīng)的ZDR基本在0.5 dB以上，最大為3.2 dB；KDP也在0.5°·km-1以上，最大為2.7°·km-1；CC基本在0.95～0.99之間。50 dBZ以上回波區(qū)對應(yīng)的ZDR基本在1.0～2.5 dB，對應(yīng)的KDP基本在1.1～2.7°·km-1，對應(yīng)的CC基本在0.97～0.99之間(近地面小于0.9的CC為地物雜波干擾，降水期間一直存在地物干擾)。

圖6 2019年8月10日02:31濟南雷達(dá)Z(a)、KDP(b)、ZDR (c)和CC (d) 垂直剖面產(chǎn)品

線狀降水回波帶的典型特征是強回波基本位于環(huán)境0 ℃層高度以下，ZDR柱或KDP柱高度較低(略高于環(huán)境0 ℃層高度)。

ZDR柱低，質(zhì)心也較低，重力拖曳作用不太強，地面出現(xiàn)5～6級陣風(fēng)天氣。肖莊站在02:42—03:15期間出現(xiàn)11.0～13.4 m·s-1的極大風(fēng)速，閻寺站在02:34出現(xiàn)13.0 m·s-1的極大風(fēng)速，洪屯站在02:48—02:59期間出現(xiàn)10.0～12.7 m·s-1的極大風(fēng)速。

4 結(jié)論

1)兩次對流性強降水發(fā)生在弱垂直風(fēng)切變環(huán)境下，具有一定的不穩(wěn)定能量，低層濕度較大，0 ℃層高度較高，利于短時強降水的產(chǎn)生。8月10日環(huán)境能量、K指數(shù)、濕層厚度和低層絕對濕度明顯大于7月27日，8月10日表現(xiàn)為線狀對流風(fēng)暴，“列車效應(yīng)”明顯，產(chǎn)生較大范圍強降水和更大的累積量，而7月27日表現(xiàn)為分散性對流降水。

2)兩次強降水都具有低質(zhì)心熱帶降水型特征。垂直結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為反射率因子45 dBZ以上的強回波區(qū)主要位于環(huán)境0 ℃層高度之下，風(fēng)暴質(zhì)心低，降水效率高。強回波區(qū)對應(yīng)大的ZDR和KDP，ZDR基本大于0.5 dB，KDP基本大于0.5°·km-1。

3)強降水風(fēng)暴低層強回波區(qū)(Z≥45 dBZ)對應(yīng)大的ZDR、CC和KDP值，ZDR≥0.5 dB，KDP≥0.5°·km-1，CC基本在0.95～0.99之間。風(fēng)暴邊緣反射率因子梯度大的區(qū)域ZDR偏高，而KDP和CC偏低，表明該區(qū)域雨滴直徑大，但雨滴濃度低。對于低質(zhì)心熱帶降水型風(fēng)暴，Z值在50～54 dBZ之間，對應(yīng)的KDP大于1.0°·km-1，ZDR適中(基本在0.5～2 dB之間)，是兩次強降水風(fēng)暴導(dǎo)致大的雨強的主要特征。ZDR適中，表明雨滴直徑適中，不會太大也不會太小，同時大的KDP表明雨滴濃度高，對強降雨主要貢獻(xiàn)者是這些大小適中的高濃度雨滴粒子。

4)兩次強降水風(fēng)暴ZDR柱和KDP柱高度存在明顯差異。7月27日肖莊強降水風(fēng)暴ZDR柱和KDP柱高度在-10 ℃層高度上下，8月10日肖莊一帶強降水風(fēng)暴ZDR柱或KDP柱略高于0 ℃層高度。CAPE值大小與上升氣流強度相關(guān)，7月27日強降水CAPE值明顯大于8月10日強降水的CAPE值，致使7月27日強降水風(fēng)暴內(nèi)部上升氣流強度較強，從而導(dǎo)致7月27日肖莊強降水風(fēng)暴ZDR柱和KDP柱高度明顯高于8月10日強降水風(fēng)暴。

5)從所能獲得的實況看，7月27日強降水風(fēng)暴具有較高的ZDR柱，在肖莊站產(chǎn)生9級陣風(fēng)天氣，而8月10日強降水風(fēng)暴ZDR柱高度低，地面上僅產(chǎn)生6～7級陣風(fēng)天氣。因此，強降水風(fēng)暴較高的ZDR柱對雷暴大風(fēng)具有指示意義。