劉 帆，高 萌，王瑾婷

(1.咸陽市氣象局，陜西咸陽 712000；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016)

陜西關(guān)中北部處于關(guān)中平原向黃土高原的過渡地帶，地形復(fù)雜，強(qiáng)對流天氣尤其是冰雹等災(zāi)害性天氣發(fā)生頻繁。西安新一代多普勒天氣雷達(dá)對冰雹的識別有很好的效果，但在判別冰雹上存在一定的缺陷，很難直接辨別降水回波和冰雹回波[1]。而雙偏振雷達(dá)可以通過探測到的基本反射率等原始數(shù)據(jù)反演出一些新的物理量，如差分反射率因子ZDR、差分傳播相移KDP、零滯后相關(guān)系數(shù)RHV等參量，了解降水粒子的形態(tài)與形狀，從而提高雷達(dá)定量估測降水和識別冰雹的準(zhǔn)確率[2-3]。

國內(nèi)外氣象工作者從環(huán)境條件和雷達(dá)的回波特征進(jìn)行了研究。發(fā)生對流的有利條件為中層干冷空氣疊加在低層暖濕氣流之上[4]，而強(qiáng)冰雹發(fā)生前對流層存在暖干層結(jié)[5]。上升氣流極大值高度高于0 ℃層高度，有利于形成冰雹，陜西的0 ℃層高度在4 km左右[6]。降雹前地面至高空風(fēng)存在順滾流特征[7]，深層的垂直風(fēng)切變構(gòu)成了冰雹產(chǎn)生的有利環(huán)境條件[8]；降雹前地面氣溫較高時，冰雹在下降過程中融化較快，觀測到的冰雹強(qiáng)度就較弱[9]。隨著探測技術(shù)的發(fā)展，利用雙偏振天氣雷達(dá)產(chǎn)品對冰雹的監(jiān)測和分析取得了大量成果。Seigla等[10]最先提出了利用分集偏振雷達(dá)測量差分反射率ZDR。Bring等[11]研究發(fā)現(xiàn)冰雹形狀和下落習(xí)性與雨滴存在較明顯差異，在雷達(dá)探測過程中發(fā)現(xiàn)冰雹區(qū)的反射率較高，而ZDR值卻明顯偏低或者接近于零。張鴻發(fā)等[12]分析了4例強(qiáng)對流冰雹演變過程中的偏振參量變化，結(jié)果表明ZH和ZDR等參量對判別冰雹有明顯優(yōu)勢。鐘晨等[13]利用C波段雙偏振天氣雷達(dá)對降雹過程進(jìn)行回波演變和雷達(dá)產(chǎn)品分析，發(fā)現(xiàn)差分反射率因子、傳播常數(shù)、自相關(guān)系數(shù)等雙偏振參量可以直接有效地在降雹前判斷冰雹區(qū)。孫絲雨等[14]通過對一次降雹過程中雙偏振雷達(dá)的偏振參數(shù)進(jìn)行分析，當(dāng)雷達(dá)回波強(qiáng)度較強(qiáng)且高度較高，ZDR接近于0，KDP和RHV等忽然較小時可判定為冰雹云。前人的研究拓展了雙線偏振雷達(dá)在強(qiáng)對流天氣中的應(yīng)用，尤其是在冰雹識別上的思路。陜西省咸陽市2016年開始投入使用旬邑X波段雙偏振天氣雷達(dá)，并開展業(yè)務(wù)應(yīng)用。本研究利用常規(guī)探空資料和NCEP/NCAR 1°×1°網(wǎng)格點(diǎn)逐6 h再分析資料研究咸陽北部地區(qū)的一次降雹過程，并對西安C波段新一代天氣雷達(dá)和旬邑X波段雙偏振天氣雷達(dá)的冰雹回波特征進(jìn)行了對比，凝練本地降雹天氣的雷達(dá)回波特征指標(biāo)，為冰雹監(jiān)測預(yù)警和人影作業(yè)提供更多的技術(shù)支撐。

1 天氣過程概況

2018年6月13日下午，陜西省咸陽市東部的淳化縣和涇陽縣出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水、冰雹和大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣(圖1)，降雨和降雹主要集中在15—17時，其中淳化縣卜家、鐵王和固賢鎮(zhèn)先后出現(xiàn)冰雹，冰雹最大的地區(qū)為固賢鎮(zhèn)(直徑為8 mm)出現(xiàn)時間為15:20—15:30。據(jù)觀測，伴隨冰雹還出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水和大風(fēng)。此次強(qiáng)對流天氣過程冰雹較弱，但對流云團(tuán)發(fā)展速度快、局地性較強(qiáng)、局地短時降雨強(qiáng)造成咸陽北部蘋果的品質(zhì)受損，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

圖1 2018-06-13T12—20咸陽地區(qū)降雹落區(qū)及降水量(單位：mm)

從地面自動氣象站的觀測數(shù)據(jù)(圖2)來看，15:00—16:00淳化縣固賢站氣溫驟降，氣溫降幅達(dá)到15 ℃左右，地面極大風(fēng)速由7.4 m/s增加至14.9 m/s，風(fēng)向從偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為北風(fēng)。

圖2 2018-06-13淳化縣固賢站氣象要素演變

14時造成此次冰雹的對流單體在咸陽市東北部生成并向西南移動、發(fā)展，之后該對流單體北部一直有新的對流單體生成、發(fā)展、合并，形成了尺度為40 km左右的更大對流云團(tuán)，且逐漸向南發(fā)展；16時淳化北部的對流單體范圍不斷擴(kuò)大，與前面的對流云團(tuán)連成一片；17時對流云團(tuán)減弱繼續(xù)向南移動；19時該對流云團(tuán)移出咸陽市。

2 天氣背景分析

2.1 主要形勢及影響系統(tǒng)

6月13日08時500 hPa高空圖(圖略)上，亞洲中高緯呈“西高東低”的天氣形勢，貝加爾湖以東至東北地區(qū)有冷渦東移南壓，其底部形成東北—西南向的冷槽，影響整個東北、華北地區(qū)，陜西處于東北冷渦底部的西北氣流控制。從該時刻中尺度天氣分析圖(圖3a)可以看出，500 hPa上溫度槽落后于高度槽，高空冷空氣較強(qiáng)。700 hPa切變線位于甘肅東部。850 hPa上在陜北北部至山西南部一線存在切變線，其南側(cè)陜南和關(guān)中南部為“上干下濕”配置，有利于垂直上升運(yùn)動的發(fā)展。地面上關(guān)中東部也存在輻合線，亦有明顯的中尺度輻合，導(dǎo)致該次強(qiáng)對流的發(fā)生和發(fā)展。從環(huán)流形勢綜合配置可以看出，此次降雹過程的環(huán)流形勢屬于高空冷渦型，即發(fā)生在典型的西高東低環(huán)流形勢背景下，高層冷空氣下滑，中低層有輻合上升運(yùn)動，冰雹出現(xiàn)在冷渦底后部。

垂直速度可以反映出氣塊在垂直方向的運(yùn)動情況。從冰雹云移動方向(108°E、35°N)的垂直速度高度—時間剖面(圖3b)可以看出，從6月12日20時開始，咸陽北部上空900～600 hPa存在上升運(yùn)動，13日08時開始上升速度迅速增大，大值中心位于850～600 hPa。13日14時咸陽中低層維持負(fù)值區(qū)，咸陽北部出現(xiàn)了-0.8×10-2hPa/s的上升速度大值區(qū)，大值中心上升至700～600 hPa；500 hPa以上咸陽上空均為正速度，表明在高層為下沉氣流，中低層為上升氣流，且上升氣流更為深厚。西安探空站的0 ℃層高度4 690 m，咸陽北部地形高度約為1 100 m，說明北部0 ℃高度距地面高度為3 500 m左右，較強(qiáng)的上升氣流將近地面層不穩(wěn)定能量抬升至0 ℃高度，同時強(qiáng)上升區(qū)位于0 ℃附近，有利于冰雹的生成和發(fā)展。

圖3 2018-06-13T08高低空形勢配置(a)和2018-06-12T20—14T02降雹區(qū)垂直速度時間剖面(b，單位為10-2 hPa/s)

2.2 探空分析

為了分析此次冰雹出現(xiàn)時的不穩(wěn)定能量和層結(jié)條件，計(jì)算西安探空站08時對流條件參數(shù)(表1)?？梢钥闯觯蛯哟嬖谀鏈兀鏈貙禹斣?12 hPa，逆溫層頂溫度為25 ℃。由于逆溫的存在，08:00的對流抑制能量CIN值達(dá)到839.9 J/kg，且對流有效位能CAPE值接近于0 J/kg。用14:00氣溫、露點(diǎn)溫度進(jìn)行訂正后，CAPE值增加到694.3 J/kg，說明整層大氣具有很大的不穩(wěn)定能量，利于對流的發(fā)展。500 hPa和850 hPa的溫差(ΔT(500-850))為-30.3 ℃，上冷下暖的強(qiáng)溫差形成強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定層結(jié)，有利于深對流發(fā)生[15]。垂直風(fēng)場配置上表現(xiàn)為地面東北風(fēng)，低層西南風(fēng)，高層西北風(fēng)的順時針滾流，強(qiáng)的垂直風(fēng)切變(13 m/s)有利于對流運(yùn)動的發(fā)展；但降雹當(dāng)日0 ℃層高度和-20 ℃層高度相對偏高，兩層厚度偏小，對大冰雹發(fā)展不是很有利[16]。

表1 2018-06-13T08西安站對流條件參數(shù)

3 雷達(dá)特征分析

3.1 雷達(dá)回波特征

從西安C波段雷達(dá)1.5°仰角的基本反射率因子圖上可以看到，15:10開始對流回波從銅川向南移至淳化境內(nèi)，最大反射率因子為53 dBz；之后反射率因子逐漸增加，15:20反射率因子增加至63 dBz，且強(qiáng)反射率因子向上延伸至4 km以上。從15:20 0.5°、1.5°、3.4°仰角的反射率因子圖和1.5°仰角的徑向速度圖來看(圖4，見第13頁)，0.5°仰角上雙箭頭指向低層弱回波區(qū)和低層入流區(qū)，且在低層入流方向一側(cè)有明顯的反射率因子梯度大值區(qū)，而在3.4°仰角上，箭頭前方是超過60 dBz的強(qiáng)回波中心，強(qiáng)回波后側(cè)出現(xiàn)了“三體散射”特征，回波在垂直方向傾斜，即在低層存在弱回波區(qū)。

圖4 2018-06-13T15:20西安C波段雷達(dá)反射率因子(a為0.5°仰角，b為1.5°仰角，c為3.4°仰角)和1.5°仰角徑向速度圖(d)(雙箭頭指示同樣的地理位置)(文見第12頁)

X波段雷達(dá)波長更短、分辨率更高，能展現(xiàn)出與C波段雷達(dá)不同的回波特征，亦能反映對流單體更細(xì)微的回波特征。從旬邑X波段雙偏振雷達(dá)的基本反射率因子圖(圖5，見第13頁)可以看出，15:18對流單體移動至淳化縣，回波中心強(qiáng)度達(dá)到60 dBz，0.5～5.25°仰角上均出現(xiàn)了三體散射長釘，在1.45°仰角(圖5a)上，長釘?shù)拈L度為14 km，對流單體后部出現(xiàn)V型槽口(箭頭所指方向)，箭頭前方是低層弱回波區(qū)，而在5.25°仰角(圖5b)箭頭前面是超過50 dBz的強(qiáng)回波中心，即在低層的弱回波區(qū)之上有強(qiáng)回波懸垂。為了更清楚地顯示該單體的垂直結(jié)構(gòu)，沿圖中紅線位置做垂直剖面(圖5e)，可以看出-20 ℃層高度約為7 km，而此時50 dBz已經(jīng)擴(kuò)展到8 km左右，強(qiáng)回波在剖面圖上也出現(xiàn)了高層懸垂，存在與強(qiáng)入流和強(qiáng)上升運(yùn)動對應(yīng)的弱回波區(qū)，具有明顯的回波墻。速度圖上，1.45°仰角(圖5f)上單體出現(xiàn)了氣旋式輻合，而6.20°仰角上可見風(fēng)暴頂輻散，輻散中心位置對應(yīng)高度約為9 km。

圖5 2018-06-13的反射率因子(a為15:18，1.45°仰角；b為15:18，5.25°仰角；c為15:25，1.45°仰角；d為15:34，1.45°仰角)、反射率因子垂直剖面(e)和徑向速度圖(f為15:18，1.45°仰角；g為15:25，0.5°仰角；h為15:34，0.5°仰角)(文見第12頁)

15:25回波(圖5c)在向南移動過程中強(qiáng)回波范圍減弱，反射率因子中心強(qiáng)度維持在60 dBz以上，0.5～3.35°仰角上還可見三體散射長釘，但回波頂高降低為9 km，50 dBz擴(kuò)展高度下降到7 km，VIL值降低至28 kg/m2左右，氣旋式輻合僅出現(xiàn)在0.5°仰角(圖5g)上。15:32對流單體繼續(xù)向南移動，反射率因子略有減弱(圖5d)，強(qiáng)回波中心降低，回波范圍也逐漸減弱，未見明顯三體散射現(xiàn)象，低層0.5°仰角(圖5h)速度圖上可見輻散特征，回波有減弱消散的趨勢。15:54對流單體的中心回波強(qiáng)度已經(jīng)降至35 dBz以下，移出淳化縣。

對比分析旬邑X波段雷達(dá)和西安C波段雷達(dá)0.5°仰角上的反射率因子數(shù)據(jù)(圖6，見第13頁)，發(fā)現(xiàn)此次降雹過程中兩部雷達(dá)反射率因子變化規(guī)律相似，但X波段雷達(dá)相對于C波段雷達(dá)反射率因子偏小；同時，兩部雷達(dá)均出現(xiàn)了高強(qiáng)反射率因子和弱回波區(qū)等冰雹特征，發(fā)展旺盛時冰雹云回波強(qiáng)度在旬邑雷達(dá)上達(dá)到55 dBz，而在西安雷達(dá)可達(dá)到60 dBz以上，這可能是由于大粒子對X波段雷達(dá)的衰減作用造成的。

圖6 旬邑X波段雷達(dá)和西安C波段雷達(dá)0.5°仰角最大反射率因子隨時間變化(文見第12頁)

3.2 垂直液態(tài)水含量

垂直液態(tài)水含量(VIL)能確定大多數(shù)強(qiáng)風(fēng)暴位置，它的大小反映了風(fēng)暴發(fā)展的強(qiáng)弱，VIL的大小與最大反射率和垂直高度有關(guān)[17]。冰雹云區(qū)別于雷雨云的一個重要特征就是VIL存在“爆發(fā)式增長及突然降低”[18]。盛夏時節(jié)對流單體往往發(fā)展很高但不會產(chǎn)生冰雹，因此Amburn et al[19]定義了VIL密度，即垂直液態(tài)水含量VIL與風(fēng)暴回波頂高度ET之比。

從6月13日冰雹過程中對流單體的最大反射率因子Rmax、VIL最大值和VIL密度隨時間變化(圖7，見第13頁)可以看出，VIL、VIL密度和Rmax的演變趨勢一致。在對流發(fā)展初期(14:41)，VIL值只有11 kg/m2，對應(yīng)的最大反射率因子為40 dBz。隨著對流發(fā)展反射率因子和VIL值均逐漸增大，15:03時VIL最大值增加到了30 kg/m2。之后的一個體掃(15:11)VIL出現(xiàn)了明顯的躍增，VIL最大值增大至40 kg/m2，躍增量達(dá)到16 kg/m2。說明VIL的躍增對降雹有明顯的指示意義，躍增較降雹時間提前時間了19 min。此時對應(yīng)的VIL密度為3.5 g/m3，之后3個體掃VIL密度均大于3 g/m3，說明風(fēng)暴內(nèi)部有大的或者高濃度粒子對反射率有貢獻(xiàn)[20]。

圖7 2018-06-13旬邑X波段雷達(dá)VIL值和VIL密度隨時間變化(文見第12頁)

4 X波段雷達(dá)偏振參量分析

旬邑X波段雙偏振雷達(dá)相比西安多普勒雷達(dá)除了能探測云和降水的反射率因子外，還可以測定差分反射率因子(ZDR)、差分傳播相移因子(KDP)、零延遲相關(guān)系數(shù)(RHV)等偏振參量。通過反演這些參數(shù)，還可以判斷粒子的形狀與相態(tài)分布，確定雨滴譜參數(shù)等，從而提高雷達(dá)定量估測降水和識別冰雹的準(zhǔn)確率[21-22]。

4.1 偏振參量的表現(xiàn)特征

差分反射率因子ZDR是表征粒子水平和垂直方向比例大小的物理量[22]。一般而言，純液態(tài)水的ZDR值通常大于0，變化范圍在0～4 dBz之間，與水平反射率因子Z成正相關(guān)，而與周圍雨區(qū)較大的ZDR相比，冰雹的ZDR值一般在0 dBz左右，同時Z為一個高值區(qū)。零延遲相關(guān)系數(shù)RHV則表征偏振波信號水平和垂直方向的相關(guān)性。形狀一致、相態(tài)越單一的粒子群RHV數(shù)值越大。

圖8是0.5°仰角最大反射率因子對應(yīng)的ZDR和RHV時間演變圖。15:10對流單體發(fā)展，反射率因子達(dá)到55 dBz，而ZDR值最大在3 dBz左右，RHV值在0.97以上，說明該時刻降水粒子為液態(tài)降水的可能性很大。15:18反射率因子強(qiáng)度增加至62 dBz，該處ZDR值大幅下降至1～-1 dBz之間，RHV值下降至0.94左右，說明此時為固液混合態(tài)水凝物。15:25反射率因子強(qiáng)度維持在60 dBz以上，但ZDR值降低，出現(xiàn)大片負(fù)值區(qū)，RHV值迅速下降至0.88～0.94，表明有冰雹或者冰晶存在。這與降雹區(qū)域和降雹時間對應(yīng)較好，說明ZDR和RHV的變化可以反映出冰雹特征。

圖8 2018-06-13的0.5°仰角ZDR(a 15:03；b 15:10；c 15:18；d 15:25)和RHV(e 15:03；f 15:10；g 15:18；h 15:25)的時間變化(圓圈內(nèi)為冰雹天氣發(fā)生地，下同)

差分傳播相移因子KDP是表征偏振波在水平和垂直方向上傳播單位距離后發(fā)生的相位變化差值的物理量。一般來說，它只依賴于粒子的數(shù)密度，降雨強(qiáng)度越大，KDP越大，而純冰雹的KDP值近似為0[19]。在0.5°仰角上(圖9a)最大反射率因子對應(yīng)的KDP值達(dá)到4.9(°)/km，反映出降水強(qiáng)度較大，1.5°仰角上(圖9b)該區(qū)域的KDP值為0～1.3(°)/km，說明液態(tài)水含量降低，可能有冰雹存在。而在2.4°以上仰角(圖9c和圖9d)存在大范圍的KDP接近于0的小值區(qū)，表明有干冰雹存在。這可能是由于越接近地面，溫度越高(15時地表溫度19.2 ℃)，冰雹粒子在下降過程中融化，降水為軟雹或雨滴和冰雹粒子的混合物造成的緣故[23]。

圖9 2018-06-13T15:25 0.5°(a)、1.45°(b)、2.4°(c)和3.35°(d)仰角的KDP

4.2 冰雹粒子的識別特征

X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)采用模糊邏輯算法對強(qiáng)對流降水粒子相態(tài)進(jìn)行識別，紅色識別為冰雹。從0.5°仰角雷達(dá)粒子識別圖(圖10)上可以看到，15:10雷達(dá)識別出水凝物以大雨滴為主，同時有小范圍的小冰雹存在，但此時的ZDR>3 dBz，RHV>0.97，KDP>3(°)/km，均屬于大雨滴閾值范圍，可判斷此處為強(qiáng)降水。15:18和15:25基本反射率因子增加至62 dBz，對應(yīng)識別出2塊明顯的大冰雹區(qū)域，此時的雙偏振參量也符合冰雹發(fā)生的明顯特征。

圖10 2018-06-13T 15:10(a)、15:18(b)和15:25(c)的0.5°仰角基本粒子識別結(jié)果

5 結(jié)論與討論

(1)此次冰雹發(fā)生在中高層冷空氣下滑，低層輻合上升運(yùn)動的天氣背景下，降雹出現(xiàn)在冷渦底后部。較高的對流不穩(wěn)定能量、較好的熱力不穩(wěn)定條件、對流層高層的下沉氣流和中低層深厚的上升氣流，均有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生。

(2)西安C波段雷達(dá)和旬邑X波段雙偏振雷達(dá)的反射率因子以及徑向速度均表現(xiàn)出冰雹的強(qiáng)回波懸垂和弱回波區(qū)等特征，但兩部雷達(dá)的回波特征有所差別。在同一高度上旬邑X波段雷達(dá)的回波強(qiáng)度比西安C波段雷達(dá)的弱；在旬邑X波段雷達(dá)上三體散射和“V”型槽口等冰雹特征也非常明顯。

(3)旬邑X波段雙偏振雷達(dá)上VIL的驟增也是判別冰雹的輔助指標(biāo)，VIL最大值躍增至40 kg/m2、VIL密度大于3 g/m3對本地降雹有較好的指示意義。差分反射率因子ZDR、差分傳播相移因子KDP、零延遲相關(guān)系數(shù)RHV等偏振參量對冰雹的指示性也較好。出現(xiàn)冰雹的區(qū)域，ZDR和RHV明顯減小，同時ZDR的值接近于0或負(fù)值，RHV值迅速下降至0.8～0.9。KDP值在0.5°仰角特征不明顯，但在1.5°仰角以上出現(xiàn)0 (°)/km左右的小值區(qū)。

(4)通過分析發(fā)現(xiàn)X波段雙偏振雷達(dá)能夠較好的識別對流單體的回波特征。雙偏振參量可以有效地識別冰雹的回波特征，但粒子衰減對X波段雷達(dá)的回波強(qiáng)度和雙偏振參量影響較大。業(yè)務(wù)工作中還需要對多個個例進(jìn)行分析研究，進(jìn)一步改進(jìn)判別方法和預(yù)報(bào)技術(shù)指標(biāo)，提高雙偏振雷達(dá)在強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)的應(yīng)用能力，為冰雹的監(jiān)測、預(yù)警、防雹指揮作業(yè)提供技術(shù)支撐，提升防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)能力。