孫偉，曹舒婭，沈建

(蘇州市氣象局，江蘇 蘇州215131)

1 引 言

蘇州地處中國(guó)華東地區(qū)、江蘇南部、長(zhǎng)三角中部，在119°55′～121°20′E，30°47′～32°02′N之間，東臨上海、南接嘉興、西抱太湖、北依長(zhǎng)江。蘇州處于春夏季強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)地之一的東亞季風(fēng)區(qū)之中。鄭媛媛等[1-2]認(rèn)為強(qiáng)對(duì)流是在大尺度環(huán)流背景下，由中小尺度天氣系統(tǒng)觸發(fā)形成。其特點(diǎn)是局地性強(qiáng)、時(shí)間短，往往伴有短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。近兩年隨著國(guó)內(nèi)天氣雷達(dá)逐步升級(jí)改造、風(fēng)廓線雷達(dá)布點(diǎn)加密和多元觀測(cè)資料融合的業(yè)務(wù)化開展，結(jié)合國(guó)內(nèi)外強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)的發(fā)展，諸多氣象專家深入開展短時(shí)臨近預(yù)報(bào)方面的研究，并取得很多有意義的研究成果。俞小鼎等[3]指出45或50 dBZ的回波垂直擴(kuò)展到-20°C等溫線對(duì)應(yīng)的高度之上，回波懸垂與有界弱回波區(qū)BWER，垂直累積液態(tài)水VIL，三體散射以及強(qiáng)烈風(fēng)暴頂輻散是預(yù)警強(qiáng)冰雹的主要指標(biāo)。廖玉芳等[4]對(duì)中國(guó)各地11次強(qiáng)對(duì)流事件中23個(gè)產(chǎn)生S波段新一代天氣雷達(dá)三體散射的對(duì)流風(fēng)暴進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：(1)出現(xiàn)三體散射現(xiàn)象的單體反射率因子核心強(qiáng)度都在60 dBZ以上；(2)三體散射長(zhǎng)釘長(zhǎng)度與強(qiáng)反射率因子核心區(qū)域的體積和最大強(qiáng)度成正相關(guān)；(3)在出現(xiàn)三體散射長(zhǎng)釘TBSS情況下，地面都觀測(cè)到2 cm直徑以上的冰雹。刁秀廣等[5]指出垂直累積液態(tài)水VIL和對(duì)于冰雹特別是強(qiáng)冰雹的識(shí)別具有很好的指示作用。胡勝等[6]選取廣東省12個(gè)直徑2 cm以上大冰雹風(fēng)暴單體為樣本，分析了大冰雹的雷達(dá)回波特征，結(jié)果顯示：(1)大冰雹單體最大反射率因子都超過(guò)65 dBZ，該強(qiáng)反射率因子擴(kuò)展高度均超過(guò)5 km(地面以上高度)；(2)都觀測(cè)到了三體散射回波，且識(shí)別特征具有一定的預(yù)警提前量；(3)-20℃等溫線對(duì)應(yīng)高度上的反射率因子均超過(guò)54 dBZ。俞小鼎等[7]總結(jié)了大量中國(guó)發(fā)生的強(qiáng)冰雹例子的環(huán)境背景和雷達(dá)回波特征，認(rèn)為強(qiáng)冰雹的環(huán)境要素是對(duì)流有效位能CAPE、代表對(duì)流層深層垂直風(fēng)切變的0～6 km風(fēng)矢量差、以及冰雹融化層高度；強(qiáng)冰雹的多普勒天氣雷達(dá)回波特征包括高懸的強(qiáng)回波(55 dBZ的強(qiáng)回波垂直擴(kuò)展到-20℃等溫線對(duì)應(yīng)的高度以上)，任何位置出現(xiàn)65 dBZ以上的強(qiáng)回波，垂直累計(jì)液態(tài)水VIL的大值區(qū)，高大的回波懸垂和弱回波區(qū)，超級(jí)單體有界弱回波區(qū)、三體散射及強(qiáng)烈風(fēng)暴頂輻散等。

國(guó)內(nèi)氣象工作者在雙偏振雷達(dá)資料的應(yīng)用方面也開展了諸多研究，劉黎平等[8]研究了大量的不同類型云降水粒子的相態(tài)和大小，發(fā)現(xiàn)ZDR是判斷對(duì)流云和層狀云降水粒子相態(tài)的重要特征之一，ZDR小于0對(duì)應(yīng)大冰雹，ZDR值大于0與小冰雹融化而成的大雨滴區(qū)相關(guān)。劉黎平[9]通過(guò)研究大量C波段雙偏振雷達(dá)的冰雹特征，建立了一套識(shí)別強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)冰雹區(qū)的方法。吳志根等[10]對(duì)車載X波段雙偏振雷達(dá)進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。胡志群等[11]通過(guò)對(duì)X波段雙偏振雷達(dá)不同降水類型的衰減訂正研究，并研制了一套ZH-KDP-R的降水估測(cè)方法。王興等[12]提出一種雷達(dá)回波圖像中颮線特征自動(dòng)識(shí)別的方法。以多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)資料為主要數(shù)據(jù)源，對(duì)雷達(dá)探測(cè)到的基本反射率的空間分布和強(qiáng)度進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)值預(yù)處理、高通濾波、二值化降噪、圖像特征提取、目標(biāo)物的中軸線提取，以及颮線形態(tài)分析等一系列步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)颮線特征的智能識(shí)別。王丹妮等[13]對(duì)2018年5月5日發(fā)生在我國(guó)華中地區(qū)的一次多弓狀雨帶降水過(guò)程的形成機(jī)理及其與水平渦度的關(guān)系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：雨帶發(fā)生在切變線南側(cè)的西南氣流中，多弓狀雨帶出現(xiàn)前，大尺度高低層氣旋式曲率的水平渦度和對(duì)流有效位能為降水提供了有利于上升運(yùn)動(dòng)的背景場(chǎng)。甘明駿等[14]模擬了廣東在2017年5月8日發(fā)生的一次颮線過(guò)程，并對(duì)這次颮線過(guò)程中一個(gè)雷暴單體成熟期的電荷結(jié)構(gòu)演變特征進(jìn)行分析，通過(guò)分析動(dòng)力、云水含量、各水成物粒子混合比及攜帶電荷情況，討論了電荷結(jié)構(gòu)的形成及演變機(jī)制。

目前大部分雙偏振雷達(dá)研究基于C波段或者X波段，S波段雙偏振雷達(dá)開展的研究相對(duì)比較少，但在降水衰減方面，S波段雷達(dá)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前江蘇省氣象局2018年起逐步把全省的SA單偏振雷達(dá)升級(jí)為雙偏振雷達(dá)，以進(jìn)一步提高對(duì)冰雹和暴雨等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、預(yù)警能力。常州雙偏振雷達(dá)為敏視達(dá)公司生產(chǎn)的S波段雙偏振雷達(dá)，于2020年率先在江蘇全省投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。

本文針對(duì)2020年4月12日發(fā)生在蘇州的一次局地伴有冰雹和雷暴大風(fēng)的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，使用常州雙偏振雷達(dá)著重分析了此次過(guò)程的雙偏振參量，并結(jié)合湖州和青浦兩部雷達(dá)開展風(fēng)場(chǎng)反演分析超級(jí)單體的動(dòng)力結(jié)構(gòu)及微物理機(jī)制，以期為今后國(guó)內(nèi)東部沿海地區(qū)開展使用S波段雙偏振雷達(dá)提供強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警依據(jù)。

2 天氣實(shí)況及形勢(shì)背景

2020年4月12日下午，受東北冷渦南掉影響，江蘇淮河以南東部自北向南出現(xiàn)雷陣雨天氣，17:00—19:00(除標(biāo)明外為北京時(shí)間，下同)受強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)影響，蘇州大部分地區(qū)出現(xiàn)了雷電活動(dòng)，局地伴有冰雹和陸上陣風(fēng)7～9級(jí)、水面陣風(fēng)10級(jí)以上的雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。其中蘇州7個(gè)國(guó)家站均出現(xiàn)7級(jí)以上陣風(fēng)。17:25蘇州站出現(xiàn)9級(jí)大風(fēng)(21.7 m/s)、18:13陸面極大風(fēng)速24.6 m/s(10級(jí)、昆山花橋農(nóng)業(yè)站)，18:50水面極大風(fēng)速33.7 m/s(12級(jí)、太湖地區(qū))(圖略)，其中局部冰雹和颮線天氣造成部分農(nóng)作物和樹木倒塌次生災(zāi)害。

12日08時(shí)200 hPa高空急流軸位于30°N以南(圖1)，江蘇大部上空處于急流軸出口區(qū)左側(cè)，利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的高空輻散區(qū)中，500～925 hPa為一致強(qiáng)勁的冷渦后部西北氣流，700 hPa在浙北有一條東西向切變線，850 hPa在江淮之間東部存在偏北風(fēng)和西北風(fēng)的弱輻合。溫度場(chǎng)上，500 hPa上風(fēng)向與等溫線交角接近90°，表明渦后冷平流明顯，蘇州上空500 hPa和700 hPa上24小時(shí)負(fù)變溫分別為-8℃和-12℃，而925 hPa上江蘇到山東西部存在暖脊，850 hPa和925 hPa上24小時(shí)正變溫分別為2℃和4℃，地面有明顯的露點(diǎn)鋒在蘇南地區(qū)，T850-500溫差南京站達(dá)到28℃，冷平流疊加在暖平流之上，形成了上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)。當(dāng)天蘇州上空0℃層高度在1.6 km附近，-20℃層高度為4.6 km，0℃層高度和20℃層高度3 km的高度差非常有利于降雹的發(fā)生條件。另外，低空強(qiáng)勁的西北氣流，疊加雷暴強(qiáng)下沉氣流，造成當(dāng)天江蘇淮河以南東部地區(qū)自北向南的系統(tǒng)性大風(fēng)。

圖1 2020年4月12日08時(shí)中尺度分析

3 物理量診斷分析

4月12日08時(shí)寶山站的探空?qǐng)D顯示(圖2a)，600 hPa以下溫度和露點(diǎn)接近，且925 hPa以下風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，表明超低空有暖平流，600 hPa以上整層為干冷空氣，呈現(xiàn)明顯的“喇叭口”結(jié)構(gòu)，在高空強(qiáng)冷平流和底層增溫的共同作用下，上下層溫差將進(jìn)一步加大，這種上干冷下暖濕的垂直層結(jié)分布，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展，另外950 hPa附近存在的淺薄逆溫層，也有利于對(duì)流不穩(wěn)定能量的積累。0～6 km存在強(qiáng)的風(fēng)速垂直切變，有利于對(duì)流的有組織化和維持，由于寶山站距離冰雹發(fā)生地55 km左右，有一定的代表意義。從表征不穩(wěn)定度的各項(xiàng)物理量指數(shù)看，有弱的CAPE，但K指數(shù)、SI指數(shù)對(duì)冰雹的指示意義不佳。而0℃層高度1.6 km和-20℃層高度4.6 km，3 km的高度差是非常利于形成降雹的。

從江蘇發(fā)生冰雹的時(shí)間分布上看，4—7月為江蘇發(fā)生冰雹的高頻月份，而降雹的峰值往往在6月(圖略)?？臻g分布看，發(fā)生最多的地區(qū)是淮北，其次是江淮之間，最少在蘇南，所以此次發(fā)生在蘇州的冰雹過(guò)程，物理量指標(biāo)又相對(duì)較弱，極易被預(yù)報(bào)員忽視。與歷史同期相似的冰雹過(guò)程為2015年4月28日，當(dāng)日江蘇自西北向東南出現(xiàn)大范圍的冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)、強(qiáng)雷電等強(qiáng)對(duì)流天氣，我們對(duì)比分析了同樣發(fā)生在4月的兩次冰雹過(guò)程的各項(xiàng)物理量指標(biāo)(表1)。

表1 江蘇地區(qū)強(qiáng)對(duì)流參數(shù)特征值

從12日08時(shí)的假相當(dāng)位溫場(chǎng)上看(圖略)，江蘇東部上空800 hPa附近存在θse隨高度減小的弱對(duì)流不穩(wěn)定層，到了16時(shí)，江淮之間東部出現(xiàn)850 hPa和1 000 hPa的假相當(dāng)位溫差負(fù)值中心，對(duì)流不穩(wěn)定度有所加大，為此次強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了一定的熱力不穩(wěn)定條件(圖2b)。12日午后，淮河以南東部大的垂直風(fēng)切變區(qū)南壓，提供了動(dòng)力不穩(wěn)定條件。12日午后江淮之間東部低層存在弱的水汽輻合，比濕大值中心，為強(qiáng)對(duì)流發(fā)生提供水汽條件。200 hPa江蘇大部處于輻散區(qū)中，16時(shí)沿蘇南地區(qū)800 hPa以下存在較強(qiáng)的輻合，高低層形成明顯的抽吸作用，有利于觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放(圖略)。

圖2 12日08時(shí)寶山站探空(a)、12日16時(shí)850 hPa與1 000 hPa假相當(dāng)位溫差(單位：K)(b)箭頭為水汽通量，陰影部分表示水汽通量散度，單位：g/(cm2?hPa?s)。

4 單偏振雷達(dá)分析

4.1 常規(guī)雷達(dá)參量分析

本次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程分兩個(gè)階段先后影響蘇州。第一階段對(duì)流系統(tǒng)移入蘇州前，17:00左右在對(duì)流回波前部激發(fā)出兩塊對(duì)流單體，反射率因子強(qiáng)度迅速加強(qiáng)，其中一塊對(duì)流單體發(fā)展成為回波強(qiáng)度超過(guò)55 dBZ的超級(jí)單體，并于17:18迅速發(fā)展成冰雹云團(tuán)并造成蘇州基本站9級(jí)雷暴大風(fēng)和局部降雹天氣。第二階段在對(duì)流系統(tǒng)自西北向東南橫掃蘇州過(guò)程中，回波移速達(dá)70 km/h，造成蘇州陸上陣風(fēng)7～9級(jí)、水面陣風(fēng)10級(jí)以上的雷暴大風(fēng)，其中水面最大風(fēng)速達(dá)12級(jí)(33.7 m/s)。

此次過(guò)程冰雹云在雷達(dá)圖上可見明顯的冰雹結(jié)構(gòu)，17:00冰雹云團(tuán)在蘇州相城區(qū)激發(fā)并快速發(fā)展加強(qiáng)，17:18湖州單偏振雷達(dá)0.5°反射率因子圖上可見強(qiáng)回波質(zhì)心強(qiáng)度達(dá)65 dBZ(圖3)，PPI圖上有三體散射長(zhǎng)釘現(xiàn)象同時(shí)伴有旁瓣回波，在RHI剖面圖上存在回波穹隆結(jié)構(gòu)和有界弱回波區(qū)。徑向速度圖上同時(shí)可見中層徑向輻合和三體散射長(zhǎng)釘(圖略)。沿反射率因子梯度大值區(qū)作剖面分析發(fā)現(xiàn)大于50 dBZ強(qiáng)回波擴(kuò)展到-20℃等溫線以上(-20℃層高度4.6 km)，同時(shí)存在弱回波區(qū)和回波懸垂。當(dāng)天蘇州上空0℃層高度大約在1.6 km。另外，由于季節(jié)和天氣背景特殊，0℃層和-20℃度層高度都很低，VIL和ET都呈現(xiàn)非典型冰雹特征。

圖3 17:18湖州雷達(dá)反射率強(qiáng)度0.5°仰角PPI、任意強(qiáng)度剖面圖(a)和速度剖面圖(b)

對(duì)比17:12、17:18和17:24三個(gè)時(shí)次的雷達(dá)反射率因子強(qiáng)度剖面圖可見(圖4)，17:12大于50 dBZ的反射率因子強(qiáng)度核心最高發(fā)展至7 km左右，17:18大于50 dBZ的反射率因子強(qiáng)度核心略有加強(qiáng)，發(fā)展高度有所下降，至17:18大于50 dBZ反射率因子強(qiáng)度降至4 km以下，預(yù)示著降雹和地面大風(fēng)的出現(xiàn)。

圖4 17:12、17:18和17:24反射率因子強(qiáng)度任意剖面(a、b、c)和徑向速度沿徑向剖面(d、e、f)圖橫坐標(biāo)單位為km，縱坐標(biāo)單位為0.1 km。

對(duì)比三個(gè)時(shí)次的徑向速度沿徑向的剖面發(fā)現(xiàn)：在4 km高度有明顯的中層徑向輻合，同時(shí)8 km高層存在輻散現(xiàn)象，由于回波底高距離地面已達(dá)1.4 km以上高度，因此通過(guò)0.5°仰角雷達(dá)掃描無(wú)法探測(cè)到底層風(fēng)場(chǎng)信息。

我們進(jìn)一步分析超級(jí)單體經(jīng)過(guò)時(shí)，蘇州本站氣溫、氣壓和風(fēng)向風(fēng)速三要素所發(fā)生的劇烈變化。由圖5可見，冰雹超級(jí)單體過(guò)境時(shí)(17:00左右)，風(fēng)速急增，氣壓陡升，濕度增大，溫度驟降。風(fēng)速在短短的10 min內(nèi)由8 m/s迅速增加到21.3 m/s，風(fēng)向也由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)。各氣象要素的變化時(shí)間先后不同：溫度和濕度的變化是相對(duì)應(yīng)的，地面出現(xiàn)降雹(約17:18左右)的15 min內(nèi)，風(fēng)速急增、溫度驟降。氣壓在降雹時(shí)有所升高，但降水開始后，氣壓又大幅上升(見圖中的18:30—19:30之間)，氣壓先后出現(xiàn)兩個(gè)峰值。這可能是降水發(fā)生時(shí)，高空動(dòng)量下傳，導(dǎo)致氣壓升高。對(duì)比風(fēng)速增大和降雹發(fā)生的時(shí)間發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速增大滯后于地面降雹時(shí)間(約提前7 min)，圖中地面降雹發(fā)生在17:18，風(fēng)速為8.9 m/s，7 min后地面風(fēng)速陡升至21.3 m/s，而后風(fēng)力又所有減小，17:30降至7.8 m/s，18:30之后風(fēng)力突然增大并一直維持在8級(jí)以上，這也說(shuō)明了對(duì)流系統(tǒng)主體影響與降雹超級(jí)單體間有一定的時(shí)間間隔，這與上述對(duì)雷達(dá)回波經(jīng)過(guò)蘇州的演變前后兩個(gè)階段分析一致。

圖5 2020年4月12日蘇州站要素變化圖

沿著圖6的0.5°仰角PPI強(qiáng)度做法向垂直剖面中發(fā)現(xiàn)(圖7)，環(huán)境風(fēng)場(chǎng)為西北風(fēng)，中層(3～5 km)高度可見明顯的速度模糊，同時(shí)存在顯著的傾斜上升的渦旋，表明有強(qiáng)的風(fēng)垂直切變存在，有利于左側(cè)對(duì)流的發(fā)展。正是左側(cè)的對(duì)流單體發(fā)展旺盛，從而產(chǎn)生降雹和大風(fēng)天氣，而右側(cè)的對(duì)流單體則逐漸減弱。

圖6 17:18湖州雷達(dá)反射率強(qiáng)度0.5°仰角PPI圖

圖7 17:12(a)、17:18(b)和17:24(c)徑向速度沿法向剖面圖 橫坐標(biāo)單位為km，縱坐標(biāo)單位為0.1 km。

17:00冰雹云對(duì)流單體回波強(qiáng)度快速加強(qiáng)并超過(guò)40 dBZ(圖略)；17:06其反射率因子核心強(qiáng)度超過(guò)50 dBZ(圖略)。反射率因子的垂直廓線可見(圖8a)，17:06反射率因子核心位于7 km左右高度，隨后反射率因子核心不斷下降，17:18高度在3.5 km左右，強(qiáng)度超過(guò)60 dBZ。該冰雹云單體在0.5°和1.5°仰角上的反射率因子強(qiáng)度圖上均存在三體散射長(zhǎng)釘和旁瓣回波。另外在0.5°仰角上呈“彗星”狀，頭部位于西北方向，尾部位于東南方向(圖6)。該形狀是由于高空冷渦后部的西北氣流造成的，低層的入流來(lái)自西南方向。反射率因子大值區(qū)位于對(duì)流主體的西北方向，靠近入流一側(cè)。VPR廓線的變化表明冰雹云中反射率核有一個(gè)快速下降并增強(qiáng)的過(guò)程，到17:30反射率因子強(qiáng)度又快速減小，強(qiáng)反射率因子的快速下降，說(shuō)明地面已經(jīng)產(chǎn)生降雹天氣。

水平風(fēng)切變的廓線可見(圖8b)，17:06對(duì)流發(fā)展階段6 km高度上有強(qiáng)度超過(guò)20×10-2s-1的水平風(fēng)切變存在，17:18和17:30的水平風(fēng)切變強(qiáng)度基本維持，但是高度降至4 km左右，表明中層存在強(qiáng)的水平徑向輻合，而且是從底層到中層遞增的趨勢(shì)，而在4 km以上高度水平風(fēng)切變隨高度又開始下降。

圖8 17:06、17:18和17:30的反射率因子強(qiáng)度廓線圖(a)和水平風(fēng)切變圖(b)

4.2 雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演

周海光等[15]開展了笛卡爾坐標(biāo)下雙多普勒天氣雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)的反演試驗(yàn)，并取得良好的反演結(jié)果。劉黎平等[16-18]利用外場(chǎng)試驗(yàn)資料，采用雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)，分析了長(zhǎng)江流域暴雨過(guò)程的中尺度結(jié)構(gòu)及其演變過(guò)程，并研制基于三維變分法的雙、多基多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演系統(tǒng)。周海光等[19]對(duì)2001年7月13日安徽省合肥、馬鞍山雙多普勒雷達(dá)觀測(cè)研究，并反演了暴雨系統(tǒng)的三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。王俊等[20]利用雙多普勒雷達(dá)研究了強(qiáng)颮線過(guò)程的三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，分析獲得了成熟階段和減弱階段的不同結(jié)構(gòu)特征。

本文采用了笛卡爾坐標(biāo)系下雙多普勒雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)技術(shù)，其中反演區(qū)域?yàn)閳D中黑色方框區(qū)域(左下角：121.109°E，30.828°N：右上角：120.190°E，31.791°N)，反演區(qū)域水平分辨率為500 m，垂直分辨率為250 m。該區(qū)域內(nèi)左側(cè)對(duì)流單體發(fā)展成為冰雹云，而右側(cè)對(duì)流單體逐漸減弱。為了進(jìn)一步分析冰雹云的動(dòng)力與微物理特征，湖州和青浦雷達(dá)相距80 km左右，利用這兩部雷達(dá)進(jìn)行了雙多普勒雷達(dá)的風(fēng)場(chǎng)反演。

在1 km高度風(fēng)場(chǎng)反演中(圖9)，(50，70)格點(diǎn)單體反射率因子核心強(qiáng)度有超過(guò)55 dBZ的中心回波區(qū)，并可見明顯的偏東風(fēng)風(fēng)速輻合。(20，50)格點(diǎn)單體存在西北風(fēng)和東北風(fēng)的風(fēng)向輻合。

圖9 雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演區(qū)域(a)，1 km(b)、2 km(c)、3 km(d)和5 km(e)高度的雙雷達(dá)水平風(fēng)場(chǎng)反演圖

在2 km高度風(fēng)場(chǎng)反演中，(50，70)格點(diǎn)單體有反射率因子強(qiáng)度超過(guò)55 dBZ的中心回波區(qū)向南傾斜，存在明顯的氣旋式輻合。同時(shí)，風(fēng)向從1 km的偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，形成風(fēng)的垂直切變。在(60，60)格點(diǎn)處出現(xiàn)渦旋。同時(shí)，(20，50)格點(diǎn)單體風(fēng)場(chǎng)上存在輻散。

在3 km高度風(fēng)場(chǎng)反演中，(50，70)格點(diǎn)單體有反射率因子強(qiáng)度超過(guò)55 dBZ的中心回波區(qū)向南傾斜，表明有明顯氣旋式輻合存在。(20，50)格點(diǎn)單體存在著輻散，回波強(qiáng)度超過(guò)50 dBZ的強(qiáng)中心消失。

在5 km高度風(fēng)場(chǎng)反演中，(50，70)格點(diǎn)單體在反射率因子強(qiáng)度有超過(guò)50 dBZ的中心回波區(qū)并存在著明顯的風(fēng)場(chǎng)輻合。(20，50)格點(diǎn)單體存在明顯的輻散。這一結(jié)論與之前的徑向速度沿法向剖面得出的結(jié)論一致。通過(guò)1～5 km風(fēng)場(chǎng)反演發(fā)現(xiàn)，各高度中如果有風(fēng)垂直切變、輻合的存在，則有利于超級(jí)單體的發(fā)生發(fā)展。

18:50太湖水面出現(xiàn)33.7 m/s的瞬時(shí)極大風(fēng)(12級(jí)，太湖柱石島北站)。雷達(dá)速度圖可見大風(fēng)特征：常州雷達(dá)距離太湖地區(qū)的回波底高約1.4 km，相當(dāng)于850 hPa高度。湖州和青浦雷達(dá)距離蘇州更近，回波底高為500 m左右，更具有代表意義。所以選擇湖州和青浦雷達(dá)來(lái)做雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演。

通過(guò)分析18:43雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)的垂直剖面可發(fā)現(xiàn)(圖10)，在水平坐標(biāo)的20～30 km處，反射率因子強(qiáng)度超過(guò)40 dBZ的高度達(dá)6 km，在5 km垂直高度以下，存在明顯的上升運(yùn)動(dòng)，最大上升速度在20 m/s。而18:49，在同樣的位置(20～30 km)處，對(duì)流發(fā)展高度快速降至5 km以下，且在2 km以下存在明顯的下沉氣流，下沉氣流速度超過(guò)20 m/s。18:50太湖水面自動(dòng)站出現(xiàn)33.7 m/s的大風(fēng)。造成12級(jí)大風(fēng)的可能原因是高空動(dòng)量下傳和降水粒子拖曳的共同作用。但沒有更多的自動(dòng)站可以佐證是否存在明顯的下?lián)舯┝鳌?/p>

圖10 18:43(a)和18:49(b)反射率因子剖面與風(fēng)場(chǎng)疊加圖

5 雙偏振雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品應(yīng)用

5.1 雙偏振參量分析

江蘇省氣象局2018年起逐步把全省的SA單偏振雷達(dá)升級(jí)為雙偏振雷達(dá)，常州雙偏振雷達(dá)作為整機(jī)國(guó)產(chǎn)的S波段雙偏振雷達(dá)(表略)，于2020年率先在江蘇全省投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。本次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程被常州雙偏振雷達(dá)完全捕捉到。

差分相移率KDP是指在特定距離內(nèi)水平偏振回波和垂直偏振回波相位之間的差值，表征不同偏振在傳播路徑上，因傳播系數(shù)不同引起的相位變化，冰雹的KDP在零值附近[21]。需要指出的是，由于KDP產(chǎn)品計(jì)算與相關(guān)系數(shù)CC相關(guān)，當(dāng)CC＜0.9時(shí)，不計(jì)算KDP和KDP產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)一些“空洞”的區(qū)域，即在對(duì)應(yīng)有雷達(dá)回波的地方，KDP上沒有數(shù)據(jù)。由于大冰雹的CC通常小于0.85，因此，KDP產(chǎn)品在分析冰雹演變時(shí)有缺陷，但可以對(duì)小冰雹或濕雹來(lái)分析KDP的變化。KDP代表液態(tài)水濃度，同時(shí)也與粒子直徑有關(guān)，KDP大說(shuō)明液態(tài)水含量多、粒子直徑大。KDP對(duì)固態(tài)不敏感，此次過(guò)程KDP如此之大，表明此次降雹是由大量集聚的濕的小冰雹組成，由于水的介電常數(shù)大于冰，所以KDP較大。

17:12KDP的垂直剖面圖上可見(圖11)，4 km高度處有強(qiáng)度為1°km-1的大值區(qū)，其同高度的ZH超過(guò)50 dBZ，17:18KDP的發(fā)展高度明顯下降，17:24KDP發(fā)展高度已經(jīng)降至4 km以下，且KDP值也快速減小，預(yù)示著地面已經(jīng)產(chǎn)生降雹或者出現(xiàn)大風(fēng)。

圖11 17:12(a)、17:18(b)和17:24(c)沿垂直雷達(dá)徑向a的K DP垂直剖面圖 橫坐標(biāo)單位為km，縱坐標(biāo)單位為0.1 km

差分反射率ZDR柱代表著強(qiáng)的上升氣流，過(guò)冷卻雨滴、融合的冰雹、霰粒子可被帶到濕球溫度0℃層高度之上，ZDR仍可維持1 dB以上的正值；由于粒子尺寸篩選作用，越往高空，粒子直徑越小，ZDR值越低。ZDR柱通?？蓴U(kuò)展到0℃層高度之上的2～3 km處。冰雹的發(fā)展一般是經(jīng)過(guò)過(guò)冷水滴凍結(jié)、淞附為霰粒子，霰粒子外表融化，再進(jìn)一步淞附，最后形成冰雹。本文中同樣能看到ZDR快速增大的現(xiàn)象(圖12)。17:12只是在2 km高度出現(xiàn)0.2 dB左右的ZDR。17:18ZDR快速發(fā)展到6 km高度左右，中心強(qiáng)度達(dá)1.2 dB。說(shuō)明冰雹云在發(fā)展過(guò)程中存在強(qiáng)的上升氣流。17:24ZDR快速下降，表明由于冰雹的拖曳作用，導(dǎo)致冰雹云中上升氣流減弱。

圖12 17:12(a)、17:18(b)和17:24(c)沿垂直雷達(dá)徑向a的Z DR垂直剖面圖 坐標(biāo)的說(shuō)明同圖11。

5.2 雙偏振參量分析

馮濤等[21]認(rèn)為風(fēng)廓線雷達(dá)能夠分析大氣水平運(yùn)動(dòng)在垂直方向上的微物理特征，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中尺度降水期間風(fēng)的垂直切變和對(duì)流發(fā)展，可為短臨預(yù)報(bào)提供參考。國(guó)內(nèi)專家研究[22-24]表明風(fēng)場(chǎng)隨高度的垂直分布和變化與天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展有著密切的聯(lián)系。楊引明等[25]研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)在對(duì)垂直速度隨高度的波動(dòng)程度中能夠?yàn)槎膛R預(yù)報(bào)預(yù)警提供指示作用。

蘇州市氣象局購(gòu)買的南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的邊界層風(fēng)廓線儀(CLC-11-D)，安放在張家港、常熟、太倉(cāng)等氣象局觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，該風(fēng)廓線雷達(dá)可探測(cè)地面至2 km左右高度的水平風(fēng)、垂直風(fēng)的風(fēng)廓線特征。本文所用資料的垂直分辨率為60 m，時(shí)間分辨率為6 min。圖14是風(fēng)廓線雷達(dá)于12日17:00—19:00觀測(cè)到的水平風(fēng)垂直廓線資料(圖13a)。從雷達(dá)回波的移動(dòng)情況可知(圖4)，強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)經(jīng)過(guò)張家港風(fēng)廓線雷達(dá)的時(shí)間大致在12日17:30，系統(tǒng)來(lái)臨前(12日17:30之前)，17時(shí)在1 500 m高度附近風(fēng)向由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，17:30颮線影響本站后，首先是西北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，同時(shí)高空風(fēng)力明顯增大。低層風(fēng)向也由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，在系統(tǒng)影響時(shí)刻，風(fēng)力從9.3 m/s突然增大至14 m/s。17:40開始，1 000 m以下垂直風(fēng)速有明顯增大的趨勢(shì)，最大垂直風(fēng)速達(dá)8 m/s，說(shuō)明颮線影響時(shí)刻，存在明顯的下沉運(yùn)動(dòng)。常熟風(fēng)廓線儀也發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。由于常熟風(fēng)廓線儀距離張家港風(fēng)廓線儀35 km左右，常熟風(fēng)廓線儀底層風(fēng)力在18:10左右明顯增大，與地面自動(dòng)站出現(xiàn)14.9 m/s實(shí)況大風(fēng)時(shí)刻基本一致。

對(duì)比風(fēng)廓線儀和對(duì)流系統(tǒng)的雷達(dá)回波移動(dòng)路徑及時(shí)間發(fā)現(xiàn)，對(duì)流系統(tǒng)的主體尚未影響太倉(cāng)時(shí)，地面大風(fēng)已經(jīng)出現(xiàn)，且太倉(cāng)風(fēng)廓線儀的垂直風(fēng)速在18:00—18:15有一個(gè)突然增大的過(guò)程，并達(dá)到13.9 m/s，風(fēng)向由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，18:20地面偏北風(fēng)速達(dá)17 m/s。但是雷達(dá)回波上對(duì)流系統(tǒng)在18:32才經(jīng)過(guò)太倉(cāng)風(fēng)廓線儀所在地區(qū)。可能原因是在對(duì)流系統(tǒng)主體影響太倉(cāng)前，地面先出現(xiàn)陣風(fēng)鋒，所以會(huì)提前18 min觀測(cè)到大風(fēng)。

由圖13可發(fā)現(xiàn)，對(duì)流系統(tǒng)經(jīng)過(guò)后的輻散氣流主要在600 m以下，這一高度附近使用常州多普勒雷達(dá)0.5°仰角也很難觀測(cè)到。另外，風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的對(duì)流系統(tǒng)前部的垂直上升氣流中，基本沒有大于4 m/s的上升速度，而對(duì)流系統(tǒng)后部可觀測(cè)到大范圍的下沉氣流。導(dǎo)致這一現(xiàn)象可能有以下兩個(gè)原因：第一，颮線系統(tǒng)的上升區(qū)很窄且系統(tǒng)的移速又快(約70 km/h)，所以無(wú)法觀測(cè)到明顯的上升氣流；第二，根據(jù)國(guó)外研究表明，強(qiáng)風(fēng)暴最大上升區(qū)變化很大，有時(shí)在云底，有時(shí)在云中或云頂，因而強(qiáng)的上升氣流在低層的風(fēng)廓線雷達(dá)不一定能觀測(cè)到。

圖13 張家港(a)、常熟(b)和太倉(cāng)(c)風(fēng)廓線雷達(dá)圖

6 結(jié)論和討論

本文針對(duì)2020年4月12日傍晚前后發(fā)生在江蘇蘇州的局部風(fēng)雹過(guò)程，詳細(xì)分析了該過(guò)程的天氣背景、強(qiáng)對(duì)流三要素、雙偏振雷達(dá)參量演變特征并結(jié)合雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演，分析了超級(jí)單體的動(dòng)力結(jié)構(gòu)及云物理機(jī)制，還利用風(fēng)廓線雷達(dá)等資料得出以下結(jié)論。

(1)本次蘇州局地風(fēng)雹天氣過(guò)程發(fā)生在高空有冷渦南掉，底層有暖濕氣流，造成上下層強(qiáng)烈不穩(wěn)定的環(huán)流背景下，地面有輻合線快速東移南壓，蘇南地區(qū)850 hPa和1 000 hPa的假相當(dāng)位溫差為負(fù)值中心，對(duì)流不穩(wěn)定度加大，為此次強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了一定的熱力不穩(wěn)定條件。造成大風(fēng)的主要原因是冷空氣大風(fēng)疊加強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)作用。0℃層高度1.6 km和-20℃層高度4.6 km，3 km的高度差是非常有利于形成降雹的。

(2)此次冰雹過(guò)程在單偏振的雷達(dá)強(qiáng)度和速度上及垂直剖面圖上有經(jīng)典的冰雹云特征：回波強(qiáng)度超過(guò)50 dBZ，有明顯的三體散射、氣旋式輻合、高層回波懸垂和強(qiáng)風(fēng)暴頂輻散等特征。雙線偏振雷達(dá)各偏振參量(差分反射率ZDR、差分相移率KDP)反映出冰雹云的典型特征：水平反射率因子大、ZDR小、KDP小的區(qū)域出現(xiàn)冰雹，ZDR值通常為-1.0～0.2 dB。

(3)通過(guò)雙多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演發(fā)現(xiàn)，1～5 km高度中如果有風(fēng)垂直切變、輻合的存在，則有利于對(duì)流單體的發(fā)生發(fā)展，反之則減弱。通過(guò)垂直剖面分析發(fā)現(xiàn)的高空動(dòng)量下傳和降水粒子拖曳是導(dǎo)致太湖水面出現(xiàn)下?lián)舯┝鞯闹匾?。另外通過(guò)對(duì)比雷達(dá)回波和風(fēng)廓線雷達(dá)能很好地刻畫對(duì)流系統(tǒng)具體的影響時(shí)間和強(qiáng)度變化情況。