刁秀廣 郭飛燕

1.山東省氣象臺，濟南，250031

2.青島市氣象局，青島，266003

1 引 言

對于超級單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)與演變及致災(zāi)性的相關(guān)研究已很多。早期的研究主要專注于導(dǎo)致強冰雹或龍卷風(fēng)的超級單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特征，并提出了超級單體風(fēng)暴概念模型（Browning，1964，1965；Marwitz，1972；Lemon，et al，1979；Brandes，et al，1988）。隨著數(shù)值模式的發(fā)展，超級單體的數(shù)值模擬也有助于人們更好地了解該類風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)和形態(tài)演變（Wicker，et al，1995；Adlerman，et al，1999）。隨著雙極化技術(shù)在天氣雷達上的應(yīng)用，對超級單體風(fēng)暴雙極化特征的個例觀測及研究也逐漸增多，這些分析與研究可以對風(fēng)暴內(nèi)部的微觀物理過程做出推斷（Conway，et al，1993；Hubbert，et al，1998；Loney，et al，2002；Kumjian，et al，2008；Van Den Broeke，et al，2008）。利用雙極化雷達探測發(fā)現(xiàn)，一些強風(fēng)暴特別是超級單體風(fēng)暴低層前側(cè)入流區(qū)反射率因子梯度大的部位往往會出現(xiàn)大的差分反射率（Zdr＞3 dB），類似弧狀，稱之為Zdr弧，而風(fēng)暴中層強上升氣流區(qū)周圍會出現(xiàn)環(huán)狀或半環(huán)狀增強的差分反射率分布(稱之為Zdr環(huán))、環(huán)狀或半環(huán)狀降級的相關(guān)系數(shù)（即 CC 環(huán)，Kumjian， et al，2008，2010；Kumjian，2013b）。環(huán)境 0℃ 層高度以上通常會出現(xiàn)大的差分反射率和差分相移率，差分反射率超過一定閾值（1.0或1.5 dB）即稱之為Zdr柱，差分相移率超過一定閾值（0.75或1.0°/km）稱之為Kdp柱（Illingworth，et al，1987；Hubbert，et al， 1998； Zrnic， et al，1999； Romine，et al， 2008；Kumjian，et al，2010）。對于超級單體風(fēng)暴，融化層之上Zdr柱由雨滴、濕的扁球結(jié)構(gòu)或球形結(jié)構(gòu)冰?；旌辖M成，Zdr柱與強上升氣流區(qū)相對應(yīng)，Zdr柱高度與上升氣流存在正相關(guān)，Zdr柱的高度可以作為判別風(fēng) 暴 強 度 的 指 標 之 一 （Conway， et al， 1993；Ryzhkov，et al，1994；Kumjian，et al，2014）。0℃層高度以上差分相移率大值區(qū)的出現(xiàn)表明有豐富的液態(tài)雨和（或）濕冰存在，因此，Kdp柱可作為深厚對流上升氣流特性的觀測量度（Bringi，et al，1996；Hubbert，et al，1998；Loney，et al，2002；Van Lier-Walqui，et al，2016）。多數(shù)情況下，Zdr柱和Kdp柱頂部在空間上是分離的，Kdp柱往往位于Zdr柱的西或 西 北 側(cè) （Hubbert， et al，1998； Kumjian，et al，2008，2010；Snyder，et al，2013）。

中國在雙偏振天氣雷達觀測技術(shù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及業(yè)務(wù)應(yīng)用方面已做了大量研究工作，取得了一些成果，但還未進入業(yè)務(wù)化應(yīng)用。目前正在進行新一代天氣雷達網(wǎng)的雙偏振改造升級工作，以進一步提高對強降水和強冰雹等災(zāi)害天氣的監(jiān)測、預(yù)警能力。對于強對流風(fēng)暴的雙偏振特征有較多個例分析（張鴻發(fā)等，2001；張廷龍等，2012；孫絲雨等，2013；王洪等，2016；張學(xué)泰等，2017；張羽等，2017；溫靜，2017；楊忠林等，2019；刁秀廣等，2020），主要包括冰雹識別、強雷暴云微物理過程、數(shù)值模擬、強降水監(jiān)測等。王洪等（2018）在分析華南一次超級單體風(fēng)暴時發(fā)現(xiàn)，在上升氣流區(qū)附近存在一條Zdr柱，寬約 5 km，垂直擴展到 6 km 高度（?8℃ 層高度），風(fēng)暴水平反射率因子中心附近出現(xiàn)的Zdr柱，與大雨滴被上升氣流（連續(xù)分布的正徑向風(fēng)）帶入高層凍結(jié)且失去取向穩(wěn)定而導(dǎo)致差分反射率值迅速減小有關(guān)。潘佳文等（2020）利用廈門雙偏振雷達探測數(shù)據(jù)對2018年5月7日發(fā)生在閩南地區(qū)的一次導(dǎo)致特大暴雨的強降水超級單體風(fēng)暴分析表明，Zdr柱位于有界弱回波區(qū)的上方、主上升氣流的東南側(cè)，Kdp柱位于主上升氣流的西北側(cè)，主要由大量混合相態(tài)水成物造成，其位置與地面雨強中心存在較好的對應(yīng)關(guān)系。上述研究利用多普勒雷達雙極化參量及相態(tài)識別等技術(shù)揭示了一些強風(fēng)暴特別是超級單體風(fēng)暴發(fā)生、發(fā)展的動力和微物理結(jié)構(gòu)特征，但對中國強冰雹超級單體風(fēng)暴雙偏振結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)研究還較少。

基于青島CINRAD/SA改造升級后雙偏振雷達探測資料，結(jié)合地面觀測資料，對2019年8月16日觀測到的產(chǎn)生嚴重冰雹災(zāi)害的長壽命超級單體風(fēng)暴雙偏振參量結(jié)構(gòu)特征進行了分析，目的是初步了解該類超級單體風(fēng)暴低層、中層、高層及垂直結(jié)構(gòu)上的雙偏振特征量，希望對超級單體風(fēng)暴微物理特征及相關(guān)預(yù)警業(yè)務(wù)有所啟示。

2 天氣實況及天氣背景

2.1 天氣實況

2019年8月16 日14—20時（北京時，下同），山東濰坊、臨沂、日照、青島等地先后遭受強冰雹、雷暴大風(fēng)等強對流天氣襲擊，造成嚴重經(jīng)濟損失。其中造成諸城特大冰雹的強風(fēng)暴屬于長壽命超級單體風(fēng)暴（簡稱諸城超級單體風(fēng)暴），該風(fēng)暴生成于14時前后，消散于17時前后，先后在濰坊市的臨朐縣、安丘縣、諸城市和日照市的五蓮縣及青島市的膠南等地出現(xiàn)強冰雹天氣，受災(zāi)最為嚴重的諸城市，冰雹先后持續(xù)了 35 min（15 時 10—45 分）左右，最大冰雹直徑超過50 mm，賈悅、舜王、黃華、南湖、枳溝、龍都6個鎮(zhèn)都不同程度的受到冰雹襲擊，作物受災(zāi)1.005萬hm2，絕收0.874萬hm2。同時，該風(fēng)暴影響期間6個區(qū)域氣象站觀測到17 m/s以上大風(fēng)（最大風(fēng)速 30.6 m/s），15時 59分出現(xiàn)在五蓮縣許孟區(qū)域氣象站。有4個區(qū)域氣象站觀測到短時強降水，最大小時雨量27.2 mm，15—16時出現(xiàn)在諸城市賈悅氣象站。風(fēng)暴路徑及雷達站分布見圖1a，風(fēng)暴影響諸城時距離青島雷達站90—100 km。

2.2 天氣背景與環(huán)境參數(shù)

2019年 8月 16日 08時，500 hPa為冷渦，中心在河北、內(nèi)蒙古和遼寧交界處上空，槽線壓在山東半島中部區(qū)域，低層700和850 hPa存在切變，850 hPa切變位于山東與河北交界處，地面輻合線位于黃河北側(cè)（圖1b）。可以看出，低層較暖，中層較為干冷，上干冷、下暖濕的配置造成熱力不穩(wěn)定及能量累積。地面β中尺度輻合線觸發(fā)上升運動，形成對流雷暴，隨著系統(tǒng)的南壓，雷暴系統(tǒng)也隨之南移，14時地面輻合線南壓至沂源—臨朐—萊州一帶，并在臨朐東南部觸發(fā)新的對流，演變?yōu)槌墕误w風(fēng)暴。環(huán)境物理量（表1）顯示，青島附近850與500 hPa溫差（ΔT）較大，抬升指數(shù)（LI）為負值，對流有效位能（CAPE）小于 1500 J/kg（*號數(shù)據(jù)是訂正到諸城14時的數(shù)據(jù)），雖然對流有效位能值偏小，K指數(shù)較小，但仍宜于雷暴的發(fā)生。風(fēng)暴觸發(fā)地位于章丘探空站和青島探空站之間，處在章丘探空站下游約75 km，距離青島探空站約180 km，由于天氣系統(tǒng)東移南壓，上游地區(qū)0—6 km高度31.7 m/s的強風(fēng)垂直切變（Wsr）基本可代表風(fēng)暴觸發(fā)地的情況。在對流有效位能偏小的情況下，強風(fēng)垂直切變有利于組織性強的對流風(fēng)暴產(chǎn)生。青島探空站濕球0℃層高度較低，利于地面出現(xiàn)冰雹。

圖1 風(fēng)暴路徑 （a 為冰雹，為風(fēng)矢） 與 16 日 08 時天氣形勢配置 （b，藍色實線為 500 hPa 槽線，棕色實線為 700 hPa槽線，紅色實線為850 hPa 槽線，藍色三角線為500 hPa 溫度槽，紅色點細線為850 hPa溫度脊，紅色三角線為850 hPa溫度槽，黑色虛線為地面輻合線）Fig.1 Storm path （a is hail symbol， is barbed arrow） and synoptic chart （b，blue solid line and blue line with triangle are the height trough and temperature trough respectively at 500 hPa，brown solid line is the height trough at 700 hPa，red solid line，red dotted line and red line with triangle are height trough，temperature ridge and temperature trough respectively at 850 hPa，black dashed line shows the surface convergence line） at 08: 00 BT 16 August 2019

表1 環(huán)境物理量Table 1 Environmental physical variables

3 風(fēng)暴參數(shù)演變特征

風(fēng)暴參數(shù)包括最大反射率因子（DBZM）及所在高度（HT）、基于單體的垂直累積液態(tài)含水量（CVIL）和單體頂部高度（TOP），這些參數(shù)可在風(fēng)暴結(jié)構(gòu)產(chǎn)品（62號）中直接讀出。

諸城超級單體風(fēng)暴在13時59分生成于濰坊市臨朐縣西南部，發(fā)展迅速，1個體掃后最大回波強度達到 64 dBz，之后一直維持在 60 dBz以上，16 時后開始逐漸減弱，17時10分后消散，持續(xù)時間約3 h。強風(fēng)暴強盛階段基本向東南方向移動（雷達來向305—310°，偏離 500 hPa風(fēng)向右側(cè) 25—30°），移動距離約 170 km，移動速度約 55 km/h。

旺盛階段（14時20分—16時20分，圖2）風(fēng)暴最大反射率因子、基于單體的垂直累積液態(tài)含水量、強中心高度和風(fēng)暴頂高平均值分別為74.1 dBz、67.9 kg/m2、6.3 km 和 11.3 km。風(fēng)暴強中心高度基本維持在環(huán)境0℃層高度（ZH）之上，風(fēng)暴頂高維持在10 km高度以上。15時10—45分諸城強冰雹持續(xù)期間，最大反射率因子均維持在75 dBz以上，最大為77 dBz，并一直伴有深厚的有界弱回波區(qū)（BWER）和明顯三體散射（TBSS）特征。

風(fēng)暴在14時39分—16時15分出現(xiàn)中氣旋，持續(xù)95 min，占風(fēng)暴生命期的1/2。中氣旋頂部在7 km 左右高度，底部在 1.5—2.0 km（雷達最低仰角所探測高度），中氣旋厚度較厚，強度強，最大風(fēng)垂直切變?yōu)?25—30 m/s。

圖2 風(fēng)暴參數(shù)演變 （紅色曲線為最大反射率因子，單位：dBz；黑色曲線為基于單體的垂直累積液態(tài)含水量，單位：kg/m2；棕色曲線為強中心高度，單位：km；藍色曲線為單體頂高度，單位：km；綠色虛線為0℃層高度，單位：km）Fig.2 Evolution of storm parameters in the Zhucheng supercell （red curve is the DBZM，unit：dBz；black curve is C- VIL，unit：kg/m2；brown curve is the HT，unit：km；blue curve is the TOP，unit：km；green dashed line is the height of 0℃ layer，unit：km）

4 諸城超級單體風(fēng)暴雙偏振參量特征

15時10—45 分是冰雹最嚴重階段，選取15時30分青島雷達觀測數(shù)據(jù)進行分析。此時風(fēng)暴最大反射率因子、基于單體的垂直累積液態(tài)含水量、強中心高度和風(fēng)暴頂高分別為 76 dBz、76 kg/m2、7.8 km 和 10.4 km，強中心較高，達到環(huán)境?20℃ 層高度以上，表明風(fēng)暴內(nèi)部上升氣流強度較強，強上升氣流高度較高。

4.1 風(fēng)暴低層特征

4.1.1 0.5°仰角 PPI

圖3a—e分別是15時30分青島雙偏振雷達0.5°仰角水平極化反射率因子（Zh）、平均徑向速度（V）、差分反射率（Zdr）、相關(guān)系數(shù)（CC）和差分相移率（Kdp）。圖中疊加了中氣旋（白色圓圈），其中心對應(yīng)的高度約 1.6 km，藍色實線為 50 dBz等值線，藍色點線為60 dBz等值線。

風(fēng)暴低層強回波（≥50 dBz，下同）區(qū)東西長度和南北寬度均約15 km，賈悅站附近水平極化反射率因子在66—70 dBz，風(fēng)暴南側(cè)有明顯的入流缺口（圖3a），對應(yīng)明顯的氣旋性流場結(jié)構(gòu)（圖3b），為低層輻合上升氣流區(qū)。強回波區(qū)對應(yīng)的差分反射率正負分明（圖3c），強回波中心（≥60 dBz，下同）對應(yīng)的差分反射率在賈悅站以西表現(xiàn)為負值區(qū)，最小為?4.0 dB左右，賈悅站以東差分反射率在?0.5—2.5 dB；強回波中心的北側(cè)和東側(cè)強回波區(qū)對應(yīng)大的差分反射率值（2.0—4.0 dB）。風(fēng)暴南側(cè)入流缺口附近也存在大的差分反射率。強回波區(qū)對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)差別明顯（圖3d），但強回波中心對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)明顯較小，基本小于0.94，最小在0.75左右。強回波區(qū)對應(yīng)大的差分相移率值，多在0.75°/km以上（圖3e），而強回波中心對應(yīng)的差分相移率更大，多在2.0°/km以上，賈悅站周圍出現(xiàn)異常大值，為 8—12°/km。

圖3 8 月 16 日 15 時 30 分青島雷達 0.5°仰角水平極化反射率因子 （a、f，單位：dBz）、平均徑向速度 （b，單位：m/s）、差分反射率 （c，單位：dB）、相關(guān)系數(shù) （d） 和差分相移率 （e，單位：°/km）（白色圓圈為中氣旋，藍色實線和點線分別為 50 dBz和60 dBz反射率因子等值線 （a—e），棕色實線為3 dB差分反射率等值線，黃色實線為2°/km差分相移率等值線 （f））Fig.3 Zh （a and f，unit：dBz），V （b，unit：m/s），Zdr （c，unit：dB），CC （d），Kdp （e，unit：°/km） at 0.5° elevation from the Qingdao radar at 15:30 BT 16 August 2019 （the white circle is mesocyclone，blue solid line and blue dotted line are 50 dBz and 60 dBz isoline of Zh respectively （a—e），brown solid line is the 3 dB isoline of Zdr，yellow solid line is 2°/km isoline of Kdp （f））

賈悅站以西的3個徑向差分反射率表現(xiàn)為顯著的負值區(qū)（最小值在?4—?5 dB），且延伸到178 km（大于 178 km 無降水回波），這種現(xiàn)象是強冰雹對電磁波的衰減所致（Ryzhkov，2007），由此可以斷定賈悅站周圍66—70 dBz的超強回波表明該區(qū)域為強冰雹，這種強回波核后徑向上較長距離的明顯差分反射率負值區(qū)也可作為強冰雹的判別依據(jù)，同時也表明賈悅站以西的回波強度小于實際值。賈悅站以西的徑向上相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為明顯的小值區(qū)（≤0.9），且延伸到178 km，這種現(xiàn)象是強回波核后徑向上波束非均勻填充所致（Ryzhkov，2007）。賈悅站以東60—70 dBz回波區(qū)對應(yīng)偏小的差分反射率和小的相關(guān)系數(shù)，差分反射率基本在?0.5—2.5 dB，相關(guān)系數(shù)在 0.7—0.95。冰雹直徑大、多種相態(tài)粒子同時存在均可導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)降級，冰雹直徑越大，相關(guān)系數(shù)越小（Ryzhkov，2007）。賈悅站 15時31—41分 降水量為17.9 mm，其中15時33、34和35分的分鐘降水量分別為2.4、2.2和2.5 mm，具有較大的雨強（小時雨量120 mm以上），雨滴濃度較高。因此，賈悅站周圍出現(xiàn)異常大的差分相移率，表明雨滴濃度較高的同時還存在包有水膜的大冰雹粒子。綜合判斷，賈悅站周圍65 dBz以上回波區(qū)為伴有較大雨強的強冰雹區(qū)，實際情況是冰雹重災(zāi)區(qū)出現(xiàn)在賈悅站東南方（圖3a青色虛線橢圓區(qū)域），冰雹密度較大并且有直徑超過50 mm的冰雹報告。

圖3f是15時30分水平極化反射率因子疊加了差分反射率高值區(qū)（Zdr≥3 dB，棕色實線）和差分相移率高值區(qū)（Kdp≥2°/km，黃色實線）。上升氣流一側(cè)（風(fēng)暴南側(cè)）反射率因子梯度大值區(qū)附近存在3 dB以上的差分反射率值，即Zdr?。↘umjian，et al，2008，2010；Kumjian，2013b），對應(yīng)偏小的相關(guān)系數(shù)和小的差分相移率，表明上升氣流周圍分布著少數(shù)大粒子。強回波中心對應(yīng)偏小的差分反射率（賈悅站以西由于衰減影響，所對應(yīng)的水平極化反射率因子和差分反射率小于實際值）和小的相關(guān)系數(shù)及大的差分相移率（差分相移率和相關(guān)系數(shù)不受衰減影響，Kumjian，2013a），該區(qū)域表現(xiàn)為一定數(shù)量的液態(tài)雨滴和大的冰雹粒子或（和）包有水膜的偏小的冰粒子。強回波中心北側(cè)和東側(cè)也存在3 dB以上的差分反射率，對應(yīng)的水平極化反射率因子為50—59 dBz，差分相移率和相關(guān)系數(shù)偏低，該區(qū)域以少量大的液態(tài)雨滴為主，可能伴有少量直徑偏小的融化冰雹粒子。

4.1.2 1.5°仰角 PPI

圖4a—e分別是15時30分青島雙偏振雷達1.5°仰角水平極化反射率因子、平均徑向速度、差分反射率、相關(guān)系數(shù)和差分相移率。圖中疊加了中氣旋（白色圓圈），其中心對應(yīng)的高度約3.3 km，在濕球 0℃ 層高度（3.6 km）以下，藍色實線為 50 dBz等值線，藍色點線為60 dBz等值線。

3.3 km高度有明顯的有界弱回波區(qū)（圖4a），與較強的氣旋性旋轉(zhuǎn)流場相對應(yīng)（圖4b），有界弱回波區(qū)內(nèi)部Zh＜20 dBz的距離庫對應(yīng)負的差分反射率（圖4c），外圍存在增強的差分反射率，再往外又減小，這種增強的差分反射率類似環(huán)狀或半環(huán)狀分布在上升氣流周圍，即Zdr環(huán)（Kumjian，et al，2008，2010；Kumjian，2013b），對應(yīng)的相對系數(shù)和差分相移率整體較?。▓D4d、e），表明有界弱回波區(qū)周圍存在少數(shù)大的粒子。

強反射率因子位于中氣旋北側(cè)，65 dBz以上反射率因子?xùn)|西長度約 12 km，最大 73 dBz（圖4a）。強回波中心基本對應(yīng)小的差分反射率（?1—1 dB，圖4c）、小的相關(guān)系數(shù)（圖4d，與圖3d類似，小的相關(guān)系數(shù)由波束非均勻填充所致），而差分相移率（圖4e）呈東西兩側(cè)大中間小的形態(tài)結(jié)構(gòu)，表明該高度以相對干的大冰雹粒子為主，而東西兩側(cè)含有濃度較高的直徑偏小的液態(tài)粒子。

與 0.5°仰角（1.6 km 高度）對比可知，3.3 km 高度上反射率因子更強，最大 73 dBz，65 dBz 以上回波面積明顯大于低層（主要原因是該高度未出現(xiàn)明顯衰減）。強回波中心中間區(qū)域?qū)?yīng)小的差分反射率（部分為負值）和小的差分相移率（部分為負值），表明該高度以冰雹粒子為主且未出現(xiàn)明顯融化，而低層對應(yīng)大的差分相移率，表明低層部分冰雹粒子已呈現(xiàn)明顯融化狀態(tài)同時含有一定濃度的小液態(tài)粒子。強回波中心北側(cè)和東側(cè)的強回波區(qū)對應(yīng)的差分反射率上下差別明顯，上層?。?—2 dB），下層大（2—4 dB），主要因素是液態(tài)粒子下降過程中隨著下落速度的增大而出現(xiàn)較為明顯的扁平狀態(tài)。

圖4 8 月 16 日 15 時 30 分青島雷達 1.5° 仰角水平極化反射率因子 （a，單位：dBz）、平均徑向速度 （b，單位：m/s）、差分反射率 （c，單位：dB）、相關(guān)系數(shù) （d） 和差分相移率 （e，單位：°/km） （藍色圓圈為賈悅區(qū)域站，白色圓圈為中氣旋，藍色實線和點線分別為50 dBz和60 dBz反射率因子等值線）Fig.4 Zh （a，unit：dBz），V （b，unit：m/s），Zdr （c，unit：dB），CC （d），Kdp （e，unit：°/km） at 1.5° elevation from the Qingdao radar at 15:30 BT 16 August 2019 （The blue circle is Jiayue regional automatic station，white circle is mesocyclone，blue solid line and blue dotted line are 50 dBz and 60 dBz isoline of Zh，respectively）

4.2 風(fēng)暴中層特征

圖5a—e分別是15時30分青島雙偏振雷達3.3°仰角水平極化反射率因子、平均徑向速度、差分反射率、相關(guān)系數(shù)和差分相移率。產(chǎn)品疊加中氣旋（白色圓圈），其中心對應(yīng)的高度約6.4 km（與環(huán)境?10℃層高度大致相當(dāng)），藍色實線為50 dBz等值線，藍色點線為60 dBz等值線，黑色實線為三體散射區(qū)。

超級單體風(fēng)暴中層50 dBz以上強回波區(qū)內(nèi)有明顯的有界弱回波區(qū)（圖5a），強回波區(qū)兩側(cè)伴有強的入流區(qū)，南側(cè)對應(yīng)氣旋性旋轉(zhuǎn)氣流，北側(cè)對應(yīng)反氣旋性旋轉(zhuǎn)氣流（圖5b）。強回波區(qū)對應(yīng)的差分反射率和差分相移率平均而言都較?。▓D5c、e），但局部存在大值區(qū)。差分反射率在中氣旋的東、南側(cè)存在＞1 dB的大值區(qū)，呈“半環(huán)狀”分布的Zdr環(huán)（2.4°仰角基本呈“環(huán)狀”分布的Zdr環(huán)，高度 5.0 km，略高于0℃層高度，圖略），最大4.6 dB。相關(guān)系數(shù)在中氣旋周圍分布有0.9以下的值，即CC環(huán)。有界弱回波區(qū)西側(cè)差分相移率存在＞1°/km的大值區(qū)，即Kdr柱，最大 3.9°/km。

圖5 8 月 16 日 15 時 30 分青島雷達 3.3°仰角水平極化反射率因子 （a、f，單位：dBz）、平均徑向速度 （b，單位：m/s）、差分反射率 （c，單位：dB）、相關(guān)系數(shù) （d） 和差分相移率 （e，單位：°/km）（藍色圓圈為賈悅區(qū)域站，白色圓圈為中氣旋，黑色實線為三體散射，藍色實線和點線分別為50 dBz和60 dBz反射率因子等值線 （a—e），棕色虛線為1 dB差分反射率等值線，黃色虛線為1°/km差分相移率等值線，藍色虛線為0.9相關(guān)系數(shù)等值線 （f））Fig.5 Zh （a and f，unit：dBz），V （b，unit：m/s），Zdr （c，unit：dB），CC （d），Kdp （e，unit：°/km） at 3.3° elevation from the Qingdao radar at 15:30 BT 16 August 2019 （The blue circle is Jiayue regional automatic station，white circle is mesocyclone，black solid line is three body scattering，blue solid line and blue dotted line are 50 dBz and 60 dBz isoline of Zh，respectively （a—e），brown dashed line is the 1 dB isoline of Zdr，yellow dashed line is 1°/km isoline of Kdp，blue dashed line is 0.9 isoline of CC （f））

圖5f是反射率因子疊加Zdr環(huán)（棕色虛線，Zdr＞1 dB）、Kdp柱（黃色虛線，Kdp＞1°/km）、CC 環(huán)（藍色虛線，CC≤0.9）?？梢钥闯?，該高度層Zdr環(huán)對應(yīng)的反射率因子差異明顯，范圍在30—60 dBz，對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)也大小不一（0.8—0.98），對應(yīng)的差分相移率較?。ǎ?.8°/km）；風(fēng)暴內(nèi)強上升氣流可將少量的呈扁平狀態(tài)的液態(tài)粒子或包有水膜的冰粒子帶到環(huán)境?10℃層高度附近，從而導(dǎo)致大的差分反射率和小的差分相移率，不同相態(tài)粒子（液態(tài)雨滴粒子，干的或濕的冰粒子）同時存在導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)明顯偏低，如果水平極化反射率因子較大，同時表明粒子直徑也大。Kdp柱對應(yīng)51—76 dBz強反射率因子，對應(yīng)偏低的相關(guān)系數(shù)（0.85—0.97）和小的差分反射率（?0.5—0.5 dB）；差分反射率小表明粒子形態(tài)相對雙極化波而言較為勻稱，相對系數(shù)偏低表明有混合相態(tài)粒子或大的冰雹粒子，水平極化反射率因子值大表明存在大的冰雹粒子，綜合而言，該高度Kdp柱內(nèi)含有大的雹粒子和一定數(shù)量的直徑偏小的液態(tài)粒子。CC環(huán)主要分布在中氣旋東西兩側(cè)，東側(cè)主要與有界弱回波區(qū)對應(yīng)，西側(cè)對應(yīng)的回波強度較大，上升氣流周圍粒子相態(tài)較為復(fù)雜。

從圖5d可以看出，風(fēng)暴強反射率因子后側(cè)徑向上相關(guān)系數(shù)明顯較小，基本在0.3—0.9，同時差分反射率（圖5c）上靠近風(fēng)暴的區(qū)域具有較大值，表明該 區(qū) 域 為 三 體 散 射 區(qū) （Hubbert， et al， 2000；Kumjian，et al，2010；陶嵐等，2019；楊吉等，2020），而在反射率因子中（圖5a）很難識別出三體散射區(qū)。

環(huán)境?10℃高度具有明顯的強回波懸垂、有界弱回波和三體散射等特征。強氣旋性旋轉(zhuǎn)氣流區(qū)存在降級的相關(guān)系數(shù)，差分反射率和差分相移率大值區(qū)分布在上升氣流區(qū)內(nèi)或附近，兩者基本呈分離狀態(tài)。差分反射率大值（Zdr環(huán)）區(qū)遠離低層Zdr高值（＞3.0 dB）區(qū)，中層差分相移率大值區(qū)也遠離低層差分相移率中心（＞7°/km）區(qū)。

4.3 風(fēng)暴高層特征

圖6是15時30分青島雙偏振雷達6.0°仰角水平極化反射率因子、平均徑向速度、差分反射率、相關(guān)系數(shù)和差分相移率。中氣旋中心對應(yīng)的高度約11.2 km（對應(yīng)環(huán)境?35℃層高度）。藍色實線為50 dBz等值線，藍色虛線為60 dBz等值線?？梢钥闯?，10.5 km高度上仍有50 dBz以上強反射率因子，最大66 dBz（圖6a）。強回波區(qū)對應(yīng)徑向速度表現(xiàn)為強輻散（圖6b），正、負速度差達 48 m/s。強回波區(qū)對應(yīng)的差分反射率和差分相移率多為負值（圖6c、e），相關(guān)系數(shù)為 0.95—0.99（圖6d）。風(fēng)暴高層回波強度較強，是冰雹粒子所致，冰雹粒子長軸呈垂直分布，可導(dǎo)致差分反射率和差分相移率多表現(xiàn)為負值。

中氣旋西側(cè)差分反射率大值區(qū)和相關(guān)系數(shù)小值區(qū)表明該區(qū)域為三體散射區(qū)。

4.4 垂直結(jié)構(gòu)特征

圖7a—d分別是15時30分青島雙偏振雷達水平極化反射率因子、平均徑向速度、差分反射率、相關(guān)系數(shù)和差分相移率的垂直剖面，剖面是從雷達站點沿269°徑向，恰好經(jīng)過中層差分反射率（圖5c）和差分相移率（圖5e）大值區(qū)，點線從外至內(nèi)依次是50、55、60和 65 dBz反射率因子等值線，藍色、白色和紅色水平直線分別是環(huán)境0℃、?10℃和?20℃層高度?？梢钥闯觯瓷渎室蜃悠拭?0 dBz回波頂部達到11 km（圖7a），≥60 dBz回波厚度達到6.6 km，風(fēng)暴非常強盛。有界弱回波區(qū)深厚寬廣，≤50 dBz的寬度達4.8 km（0℃層高度附近），頂部達到7 km左右高度。差分反射率垂直剖面上有2條清晰的Zdr＞1 dB 大值區(qū)，即Zdr柱（圖7b），分別位于有界弱回波區(qū)東、西兩側(cè)，頂部高度差別明顯。西側(cè)Zdr柱頂部達到?10℃層高度附近，東側(cè)Zdr柱頂部伸展到?20℃層高度附近（實際上?10℃層高度以下增強的差分反射率為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，即Zdr環(huán)）。相關(guān)系數(shù)垂直剖面上，有界弱回波區(qū)內(nèi)較?。▓D7c），小于0.9。差分相移率垂直剖面上在有界弱回波區(qū)西側(cè)存在Kdp＞1°/km的大值區(qū)，即Kdp柱，頂部伸展到?20℃層高度以上（圖7d）。

圖7e是水平極化反射率因子剖面疊加Zdr=1 dB（黑色虛線）和Kdp=1°/km（棕色虛線）及 CC=0.9（淺藍色虛線）等值線，圖7f是差分反射率剖面疊加Kdp=1°/km（棕色虛線）和CC=0.9（淺藍色虛線）等值線，藍色點線是濕球0℃層高度?？梢钥闯觯琄dp柱、東側(cè)Zdr柱及CC＜0.9的頂部區(qū)域都在環(huán)境?20℃層高度附近，說明風(fēng)暴內(nèi)部氣旋性旋轉(zhuǎn)上升氣流非常強勁，利于強風(fēng)暴發(fā)展與維持及大冰雹的形成。0℃層高度之上有界弱回波區(qū)內(nèi)相關(guān)系數(shù)小于0.9，表明粒子相態(tài)或形狀為多樣性。

Zdr柱的形成與風(fēng)暴內(nèi)強上升氣流區(qū)密切關(guān)聯(lián)，強上升氣流可以將包有水膜的冰粒子和（或）液態(tài)粒子帶到環(huán)境0℃層高度以上，從而導(dǎo)致0℃層高度以上出現(xiàn)大的差分反射率值。諸城強風(fēng)暴15時30分垂直剖面上有界弱回波區(qū)東、西兩側(cè)有Zdr柱，西側(cè)Zdr柱差分反射率值在1—2.8 dBz，對應(yīng)的水平極化反射率因子在45—59 dBz，相關(guān)系數(shù)在0.93—0.98，而東側(cè)Zdr柱差分反射率值在1—5.1 dBz，對應(yīng)的水平極化反射率因子在24—60 dBz，相關(guān)系數(shù)在0.51—0.98。東西兩側(cè)Zdr柱相距較遠，約 8 km，且東側(cè)Zdr柱高度較高，說明此時風(fēng)暴強上升氣流區(qū)非常寬廣且深厚，利于冰雹的形成與增長。濕球0℃層高度之下約2.8 km高度至?10℃層高度之間有明顯的Zdr環(huán)，Zdr環(huán)的高度達到?10℃層高度，間接表明氣旋性旋轉(zhuǎn)上升氣流非常強勁而且深厚。

圖6 8 月 16 日 15 時 30 分青島雷達 6.0°仰角水平極化反射率因子 （a，單位：dBz）、平均徑向速度 （b，單位：m/s）、差分反射率 （c，單位：dB）、相關(guān)系數(shù) （d）和差分相移率 （e，單位：°/km）（藍色圓圈為賈悅區(qū)域站，白色圓圈為中氣旋，藍色實線和虛線分別為50 dBz和60 dBz反射率因子等值線）Fig.6 Zh （a，unit：dBz），V （b，unit: m/s），Zdr （c，unit: dB），CC （d） ，Kdp （e，unit：°/km） at 6.0° elevation from the Qingdao radar at 15:30 BT 16 August 2019 （The blue circle is Jiayue regional automatic station，white circle is mesocyclone，blue solid line and blue dashed line are 50 dBz and 60 dBz isoline of Zh，respectively）

諸城超級單體風(fēng)暴Kdp柱位于有界弱回波區(qū)西側(cè)，其頂部在?20℃層高度以上，與Zdr柱頂部相距約3.5 km，也間接表明風(fēng)暴內(nèi)部上升氣流非常深厚強盛。?10℃層高度之上對應(yīng)的回波強度明顯大于?10℃層高度之下對應(yīng)的回波強度，而對應(yīng)的差分反射率相反；0—?10℃層高度之間對應(yīng)的水平極化反射率因子在45—64 dBz，差分反射率基本為正值，在 0.2—2.8 dB；?10℃ 層高度之上對應(yīng)的水平極化反射率因子在55—72 dBz，差分反射率基本在?0.5—0.2 dB。?10℃ 層高度基本可將Kdp柱分為上、下兩層，上層水平極化反射率因子大于下層，而上層差分反射率小于下層，表明上層含有大的冰粒子和濃度較高的直徑偏小的液態(tài)雨滴，下層含有濃度偏高的直徑大于上層的液態(tài)雨滴或（和）一定濃度的直徑小于上層的冰雹粒子。

5 雙偏振特征示意圖

圖8a1、a2分別是諸城強冰雹超級單體風(fēng)暴低層（1.6 km）和中層（6.4 km）雷達雙偏振參數(shù)典型特征示意，實線、虛線和點線分別是35、50和60 dBz反射率因子等值線。圖8b是非龍卷超級單體風(fēng)暴雙偏振特征示意（Kumjian，et al，2010，實線、虛線和點線分別是 0.0°、2.2°和 5.6°仰角 35 dBz等值線，對應(yīng)的風(fēng)暴質(zhì)心高度分別為0.9、5.0和11.5 km，ρhv與相關(guān)系數(shù)同義）。

④貨運車輛服務(wù)比較先進，使用ATMS、ATIS等技術(shù)實時和動態(tài)監(jiān)測車輛的位置，便可以對其進行定位，實現(xiàn)車輛運行的引導(dǎo)，對貨物信息進行識別；

圖7 8 月 16 日 15 時 30 分青島雷達水平極化反射率因子 （a、e，單位：dBz）、差分反射率 （b、f，單位：dB）、相關(guān)系數(shù) （c） 和差分相移率 （d，單位：°/km） 垂直剖面 （藍色、白色、紅色直線分別為0、?10、和?20℃層高度，藍色點線由外而內(nèi)為50—65 dBz反射率因子等值線，間隔5 dBz （a—d），黑色虛線為1 dB差分反射率等值線，棕色虛線為1°/km差分相移率等值線，淺藍色虛線為0.9相關(guān)系數(shù)等值線 （e—f））Fig.7 Zh （a and e，unit：dBz），Zdr （b and f，unit：dB），CC （c），Kdp （d，unit：°/km） from the Qingdao radar at 15:30 BT 16 August 2019 （The blue，white and red lines are the heights of 0，?10 and ?20℃ layers respectively，blue dotted lines are 50—65 dBz reflectivity factor contours from outside to inside with an interval of 5 dBz （a—d），black dashed line is the 1 dB isoline of Zdr，brown dashed line is 1°/km isoline of Kdp，light blue dashed line is 0.9 isoline of CC （e—f））

續(xù)圖7 Fig.7 Continued

圖8 諸城超級單體 （a1） 低層和 （a2） 中層及非龍卷超級單體風(fēng)暴 （b，Kumjian，et al，2010） 雙偏振特征示意Fig.8 Schematic diagram of polarimetric signatures in the Zhucheng supercell at low level （a1），middle level （a2）and in a nontornadic supercell （b，Kumjian，et al，2010）

諸城超級單體風(fēng)暴低層（圖8a1）具有明顯的入流缺口，風(fēng)暴南側(cè)上升氣流區(qū)存在反射率因子梯度高值區(qū)。有兩段Zdr?。╖dr＞3 dB）位于入流缺口的東、西兩側(cè)，東段與反射率因子梯度高值區(qū)相匹配，西段位于風(fēng)暴強出流區(qū)前沿。Zdr弧對應(yīng)的差分相移率和相關(guān)系數(shù)偏小，上升氣流區(qū)附近有大的粒子存在。上升氣流區(qū)北側(cè)60 dBz以上區(qū)域?qū)?yīng)偏小的差分反射率和小的相關(guān)系數(shù)，而對應(yīng)大的差分相移率，濕（或干）冰雹和液態(tài)雨滴共存。冰雹區(qū)外圍（北側(cè)和東側(cè)）存在差分反射率高值區(qū)，對應(yīng)的差分相移率偏小，以濃度較低而直徑較大的雨滴為主。

風(fēng)暴中層（?10℃層高度附近），具有明顯的強回波懸垂和有界弱回波區(qū)。Zdr環(huán)呈半包圍結(jié)構(gòu)，主要分布在中氣旋東側(cè)和南側(cè)周圍，對應(yīng)偏小的差分相移率（＜2°/km），表明氣旋性旋轉(zhuǎn)上升氣流區(qū)周圍分布著少量大滴粒子和/或冰雹粒子。Zdr柱和Kdp柱呈分離狀態(tài)，分別位于中氣旋東、西兩側(cè)。CC環(huán)分布在上升氣流區(qū)東、西兩側(cè)，有界弱回波區(qū)內(nèi)部基本對應(yīng)小的相關(guān)系數(shù)，表明粒子形狀和相態(tài)較為復(fù)雜。

與圖8b對比可知，風(fēng)暴低層都存在Zdr弧，中層強上升氣流周圍伴有Zdr環(huán)（柱）、CC環(huán)和Kdp柱。低層Zdr弧相同之處是，風(fēng)暴前側(cè)入流區(qū)反射率因子梯度大值區(qū)均有Zdr弧出現(xiàn)。由于風(fēng)暴形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異，Zdr弧也存在差異，諸城超級單體風(fēng)暴和圖8b均有兩段Zdr弧，諸城超級單體在入流缺口西側(cè)強下沉氣流區(qū)前側(cè)出現(xiàn)另一段Zdr弧，而圖8b中在較遠的東側(cè)出現(xiàn)另一段Zdr弧。風(fēng)暴中層，上升氣流周圍都存在Zdr環(huán)（柱）、CC環(huán)和Kdp柱，Kdp柱主要位于上升氣流西側(cè)而Zdr柱主要位于其東側(cè)。由于風(fēng)暴形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異或觀測高度的差異，Zdr環(huán)和CC環(huán)的形態(tài)不盡相同，可能是封閉的環(huán)狀，也可能是半封閉的環(huán)狀，Kdp柱的面積也存在差別。

6 結(jié) 論

利用青島S波段雙偏振雷達探測資料定性分析了2019年8月16日濰坊地區(qū)的一次強冰雹超級單體風(fēng)暴低層、中層、高層和垂直結(jié)構(gòu)雙偏振特征，討論了該強風(fēng)暴的微物理特征，并與Kumjian等（2010）提出的非龍卷超級單體風(fēng)暴雙偏振特征進行了對比，得出如下結(jié)論：

（1）諸城超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生的天氣背景是東北冷渦和地面β中尺度輻合線。上干冷、下暖濕的配置，造成強熱力不穩(wěn)定。對流有效位能小于1500 J/kg，風(fēng)垂直切變較強。在對流有效位能偏弱的情況下，強風(fēng)垂直切變也宜于組織性強的超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生。

（2）諸城超級單體風(fēng)暴持續(xù)時間長，強度強，以冰雹災(zāi)害為主。持續(xù)時間約3 h，60 dBz以上強回波維持2.5 h。旺盛階段具有非常明顯的三體散射、旁瓣回波和有界弱回波區(qū)，風(fēng)暴參數(shù)最大反射率因子、基于單體的垂直累積液態(tài)含水量、強中心高度和單體頂部高度平均值分別為 74.1 dBz、67.9 kg/m2、6.3 km和11.3 km。中氣旋厚度較厚，維持時間長，屬于長壽命超級單體風(fēng)暴。

（3）風(fēng)暴低層（1.6 km高度）南側(cè)有明顯的入流缺口，其東、西兩側(cè)有Zdr弧存在，上升氣流周圍存在少量大的粒子。60 dBz以上回波位于入流缺口后側(cè)（北側(cè)），對應(yīng)偏小的差分反射率、小的相關(guān)系數(shù)和大的差分相移率，大的濕（或干）冰雹和雨滴共存。60 dBz以上回波北側(cè)和東側(cè)存在差分反射率高值區(qū)，對應(yīng)的差分相移率偏小，以濃度相對較低而直徑較大的雨滴為主。

（4）風(fēng)暴中層（6.4 km高度）具有明顯的強回波懸垂、有界弱回波區(qū)及Zdr環(huán)、Kdp柱和CC環(huán)。Zdr環(huán)主要分布在中氣旋東側(cè)和南側(cè)周圍，對應(yīng)偏小的差分相移率（＜2°/km）和偏低的相關(guān)系數(shù)，表明氣旋性旋轉(zhuǎn)上升氣流區(qū)周圍分布著少量大的液態(tài)粒子和（或）冰雹粒子。Zdr環(huán)厚度較厚，2.8—6.4 km高度Zdr環(huán)較為明顯，間接表明氣旋性旋轉(zhuǎn)上升氣流非常強勁而且深厚。CC環(huán)主要分布在中氣旋東側(cè)和西側(cè)，東側(cè)基本與有界弱回波區(qū)對應(yīng)，西側(cè)對應(yīng)強的反射率因子，粒子相態(tài)和形狀較為復(fù)雜。

（5）環(huán)境0℃層高度以上風(fēng)暴內(nèi)部存在Zdr柱和Kdp柱，其頂部呈分離狀態(tài)，高度大致相當(dāng)。Kdp柱位于有界弱回波區(qū)西側(cè)，其頂部略高于?20℃層高度。Zdr柱位于有界弱回波區(qū)東側(cè)，頂部位于環(huán)境?20℃層高度。?10℃—?20℃層Zdr柱對應(yīng)大的水平極化反射率因子和小的差分相移率，表明含有少數(shù)大的液態(tài)或濕冰粒子；而Kdp柱對應(yīng)大的水平極化反射率因子和小的差分反射率，表明含有濃度較高的小的液態(tài)或（和）濕冰粒子及大的冰雹粒子。水平極化反射率因子、差分反射率、相關(guān)系數(shù)和差分相移率垂直結(jié)構(gòu)特征表明，風(fēng)暴內(nèi)部存在深厚強盛的上升氣流，利于風(fēng)暴發(fā)展或維持，利于冰雹的形成與增長。

（6）強回波中心（60 dBz以上）從高層至底層對應(yīng)小的差分反射率，?20℃層高度以下對應(yīng)偏小的相關(guān)系數(shù)，小的差分相移率（底層除外），大的冰雹粒子及少數(shù)小的雨滴共存。50—59 dBz強回波區(qū)差分反射率在0℃層高度附近較?。ǎ? dB），濕球0℃ 層高度附近中等（1—2 dB），底層較大（2 dB以上），同時差分相移率自上而下增大，表明粒子在濕球0℃層高度附近迅速融化，下降過程中隨著降落速度的增大液態(tài)粒子呈現(xiàn)更明顯的扁平形狀結(jié)構(gòu)。

（7）風(fēng)暴低層強反射率核（65 dBz以上）后側(cè)徑向上出現(xiàn)顯著差分反射率負值區(qū)，是由于強回波對電磁波的衰減所致，這種現(xiàn)象可作為特大冰雹（直徑≥50 mm）的識別依據(jù)。風(fēng)暴低層強反射率核（65 dBz以上）對應(yīng)異常大的差分相移率值，表明含有濃度較高的液態(tài)雨滴，可導(dǎo)致較強的短時雨強，同時還含有包有水膜的冰雹粒子。