龔佃利,朱君鑒,王俊,陳滔,于成龍

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 濟南 250031；2.山東省人民政府人工影響天氣辦公室，山東 濟南 250031；3.山東省氣象臺，山東 濟南 250031；4.蒙陰縣氣象局，山東 蒙陰 276200)

引言

偏振雷達(dá)用于大氣遙感和降水探測的理論研究開始于20世紀(jì)50年代[1-2]，經(jīng)過幾十年的研究和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)試驗[3-5]，目前雙偏振天氣雷達(dá)已經(jīng)發(fā)展到大規(guī)模業(yè)務(wù)應(yīng)用階段。2013年美國WSR-88D雷達(dá)網(wǎng)全部升級成雙偏振雷達(dá)，經(jīng)過系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用評估，表明雙偏振雷達(dá)在冰雹探測方面比單偏振雷達(dá)具有更大的優(yōu)勢[6]，總結(jié)給出的小冰雹、大冰雹、巨大冰雹的雙偏振參量大致參考值范圍,為冰雹判別和預(yù)警提供了良好的參考。

雙偏振多普勒雷達(dá)同時發(fā)射和接收水平偏振和垂直偏振電磁波，雷達(dá)系統(tǒng)通過對水平通道和垂直通道信息的綜合分析，可區(qū)分不同形狀、不同性質(zhì)的氣象目標(biāo)物和非氣象目標(biāo)物。冰雹的大小相差非常大，直徑小的只有約0.6 cm，大的達(dá)到約20 cm，通常將直徑大于等于2 cm、小于5 cm的冰雹視為大冰雹,直徑大于等于5 cm的冰雹為特大冰雹[7]。冰雹不同于雨滴，雨滴尺寸越大下落時變得越扁平，而冰雹的形狀不規(guī)則，常常有突起，有時呈橢球形，不同方向的尺寸相差很大。冰雹下落時會不斷翻滾，呈現(xiàn)出各向同性的效應(yīng)。因此，風(fēng)暴單體內(nèi)冰雹生成區(qū)的典型特征表現(xiàn)為高反射率因子(ZH)、低差分反射率(ZDR)和低相關(guān)系數(shù)(correlation coefficient, CC)[8]。研究[9]表明，冰雹的ZH通常很高(>55 dBZ)，但是巨大的干冰雹ZH反而可低到40 dBZ。冰雹的ZDR通常很小，在-0.5～1.5 dB之間，當(dāng)出現(xiàn)融化的冰雹或雨夾冰雹時，ZDR值會變得很大，有時會達(dá)到5～6 dB；CC是探測冰雹最穩(wěn)定的特征參量，即使在雹雨混雜，沒有明確的ZDR特征時，CC也會在0.70～0.96之間。純冰雹區(qū)的差分傳播相移率(KDP)很低(<0.5 (°)·km-1)，但在冰雹融化或雨夾冰雹時KDP會變得很高。

有界弱回波區(qū)(bounded weak echo region, BWER)、三體散射特征(three-body scatter spike, TBSS)、旁瓣回波是強雹暴的典型雷達(dá)特征[10-11]，國外學(xué)者利用雙偏振雷達(dá)監(jiān)測強雹暴及開展冰雹預(yù)警做了大量研究[12-16]，并總結(jié)了業(yè)務(wù)應(yīng)用方法。MAHALE et al.[14]研究建立了基于S波段偏振雷達(dá)判別TBSS的模糊邏輯算法，并將識別的TBSS范圍與水凝物分類產(chǎn)品并列給出。KUMJIAN et al.[15]研究表明ZDR柱高度與上升氣流強度大致成正比，相比其它風(fēng)暴特征指標(biāo)(如回波頂高)可為冰雹預(yù)警提供更多提前時間。KUSTER et al.[16]研究建立了ZDR柱與風(fēng)暴強度、高層反射率因子核等的配置模型，供預(yù)報員在風(fēng)暴預(yù)警決策中使用。自20世紀(jì)70年代起，國內(nèi)在雙偏振雷達(dá)探測冰雹的理論研究與應(yīng)用等方面也取得了不少研究成果[17-20]。近年來，我國雙偏振雷達(dá)進入快速建設(shè)階段，但業(yè)務(wù)應(yīng)用積累的個例和經(jīng)驗并不多，利用雙偏振雷達(dá)對冰雹、龍卷等強對流天氣的研究還較少。

受高空槽影響，2020年6月1日下午到夜間，山東省中西部出現(xiàn)一次強雹暴天氣，聊城、德州南部、濟南、泰安、臨沂等地出現(xiàn)了嚴(yán)重風(fēng)雹災(zāi)害，最大冰雹直徑超過5 cm。濟南CINRAD/SA-D雙偏振多普勒雷達(dá)(以下簡稱“濟南雷達(dá)”)對這次雹暴過程進行了完整探測。刁秀廣[21]利用濟南雷達(dá)探測資料重點分析了該雹暴影響濟南長清區(qū)時的偏振雷達(dá)特征。本文利用ZH、ZDR、CC等雙偏振雷達(dá)參量及水凝物相態(tài)分類產(chǎn)品(hydrometeor phase classification products，以下簡稱HCL)，結(jié)合地面自動氣象站觀測和降雹調(diào)查資料，分析了這次雹暴的演變過程、典型雹云結(jié)構(gòu)和主要偏振雷達(dá)特征，可為業(yè)務(wù)應(yīng)用雙偏振雷達(dá)探測預(yù)警冰雹積累經(jīng)驗。

1 雹暴過程概況

1.1 資料與方法

本文使用的雙偏振雷達(dá)資料為濟南雷達(dá)探測的體掃數(shù)據(jù)，同時使用濱州、臨沂新一代天氣雷達(dá)部分時段的探測資料進行比對。濟南雷達(dá)位于齊河縣境內(nèi)(坐標(biāo)為116°42′50″E，36°42′50″N，雷達(dá)天線饋源海拔高度為106.9 m)，工作頻率為2 830 MHz，脈沖峰值功率為650 kW，工作方式為雙發(fā)雙收[22]。除具有新一代天氣雷達(dá)的反射率因子、平均徑向速度(VR)、速度譜寬(SW)及導(dǎo)出產(chǎn)品外，增加了ZDR、CC、KDP、差分傳播相移ΦDP等雙偏振基本產(chǎn)品和融化層高度、水凝物相態(tài)分類(HCL)等產(chǎn)品。該雷達(dá)24 h連續(xù)運行，但2020年6月1日14:59—15:34之間缺5個體掃資料，該時段的風(fēng)暴處于躍增、醞釀到降雹階段，對文中分析風(fēng)暴后續(xù)的演變及偏振雷達(dá)特征沒有影響。降雹信息主要由臺站觀測和實地調(diào)查確定，并參考網(wǎng)上消息、新聞媒體的降雹視頻、圖片等報道信息。

1.2 影響系統(tǒng)和環(huán)境條件

2020年6月1日08時，華北中南部地區(qū)中高空為偏西氣流，低層為西南到東南風(fēng)，蒙古到我國河套地區(qū)為高空槽(圖略)。該高空槽向東南方向移動，引導(dǎo)冷空氣南下，于6月1日中午前后在河北邢臺市境內(nèi)觸發(fā)對流發(fā)展，是造成此次強雹暴的主要天氣系統(tǒng)。分析6月1日08時章丘探空資料(圖略)可見，0 ℃層、-10 ℃層、-20 ℃層高度分別為3.6 km、5.1 km和6.5 km。大氣濕層僅在700 hPa附近，底層和中高層為干層。計算850 hPa與500 hPa溫差(ΔT850-500)為31.6 ℃,0～6 km風(fēng)切變?yōu)?2.5 m·s-1,下沉對流有效位能(downdraft convective available potential energy，DCAPE)為1 093.3 J·kg-1，濕球0 ℃層(wet blub zero，WBZ)高度為3.3 km，上述指標(biāo)均達(dá)到魯中發(fā)生冰雹雷暴大風(fēng)的閾值[23]。根據(jù)6月1日15時長清區(qū)氣象站地面氣象觀測值對08時章丘探空資料進行訂正，繪制t-lnp圖(圖1)，計算的對流有效位能(convective available potential energy，CAPE)由08時的0 J·kg-1增大到1 143.3 J·kg-1，訂正后的CAPE雖然有較大增加，但仍屬于中等量值。

圖1 2020年6月1日15時章丘探空(溫度對數(shù)壓力圖)

1.3 雹暴路徑與災(zāi)情

利用濟南雷達(dá)的反射率因子產(chǎn)品對雹暴的發(fā)生及移動路徑進行追蹤分析，圖2a給出的是7個時次反射率因子及雹暴單體的移動路經(jīng)，每個時次選擇反射率因子最強的仰角平面，并在圖上方標(biāo)注了雷達(dá)探測時間，為敘述方便，將該雹暴命名為雹暴A。雹暴A最早于6月1日13:20(北京時，下同)在河北省邢臺市隆堯縣境內(nèi)初生，14:18移動到邢臺南宮市，由于雹暴增強，移向開始右轉(zhuǎn)偏向東南方向，15:34移到山東省德州市夏津縣，出現(xiàn)雨夾冰雹，夏津渡口驛鄉(xiāng)自動氣象站觀測降水量為40.1 mm，最大風(fēng)速為25.1 m·s-1，夏津縣城西出現(xiàn)直徑約3.0 cm的大雹。此后，雹暴維持一定強度，先后在聊城市高唐縣、德州市齊河縣出現(xiàn)短時強降水和冰雹，但降雹范圍和冰雹尺寸都不大。17:00前后，雹暴在濟南市長清區(qū)境內(nèi)出現(xiàn)明顯降雹，造成果樹受災(zāi)。17:47雹暴影響到泰安市，泰山氣象站觀測最大冰雹直徑為3.1 cm。19:00后新泰市出現(xiàn)降雹，新泰氣象站觀測最大冰雹直徑為3.0 cm。受雹暴A的影響，19:26前后臨沂市蒙陰縣城出現(xiàn)降雹，降雹持續(xù)數(shù)分鐘，冰雹直徑多為1.0～2.0 cm。由圖可見，雹暴A除初生階段(14:18前)，此后都具有明顯的雹暴特征，15:34—18:22各時次都有明顯TBSS，17:47有旁瓣回波特征。

圖2b給出的是18:28濟南雷達(dá)2.4°仰角ZH，圖中白線是疊加的風(fēng)暴追蹤產(chǎn)品(STI)，線上的白點顯示了每個體掃風(fēng)暴質(zhì)心的位置。此時雹暴A開始影響新泰市，而在其移動前方的蒙陰境內(nèi)有另一個強風(fēng)暴單體(命名為“雹暴B”)。雹暴B的回波形態(tài)、范圍與雹暴A相似，也具有明顯的TBSS和旁瓣回波。追蹤雹暴B移動路徑可見，該雹暴于16:38在濟寧泗水縣初生，16:49雷達(dá)系統(tǒng)識別為風(fēng)暴。該風(fēng)暴先向東北方向移動，17:59后轉(zhuǎn)向東偏南移動，并給新泰、蒙陰造成第一輪降雹。19:00后，雹暴A造成新泰、蒙陰第二輪降雹。雹暴A、雹暴B在蒙陰境內(nèi)的移動路徑和降雹范圍相似，但雹暴B在蒙陰的降雹強度大于雹暴A。據(jù)民政部門災(zāi)情統(tǒng)計，此次雹暴災(zāi)害造成經(jīng)濟損失6.2億元，其中以泰安、臨沂受災(zāi)最重。

圖2 濟南雷達(dá)觀測雹暴A的移動路徑(a；標(biāo)注信息為調(diào)查的降雹點和最大冰雹直徑)和濟南雷達(dá)18:28探測2.4°仰角ZH產(chǎn)品(b；白點為風(fēng)暴追蹤信息)

1.4 地面觀測雹暴中心氣象要素變化

風(fēng)暴導(dǎo)致的短時強降水、大風(fēng)和冰雹是主要致災(zāi)因素。此次雹暴過程中雹暴A、B的質(zhì)心(雷達(dá)STI產(chǎn)品識別)恰經(jīng)過蒙陰氣象站新站(以下簡稱“蒙陰站“)，該站的自動氣象站精細(xì)記錄了地面風(fēng)、氣壓、氣溫和雨雹等實況(圖3)，從而有機會觀測到雹暴中心影響前后地面氣象要素的演變。分析可見，雹暴B影響前，地面為東南風(fēng)，風(fēng)速逐漸增大，18:24開始雨雹同下，4 min后(對應(yīng)圖2b時次，STI指示的雹暴中心位于蒙陰站附近)雨強加大，并伴隨風(fēng)速快速增大，風(fēng)向轉(zhuǎn)東北到偏北風(fēng)。其間，地面氣溫陡降(18:23—18:51降幅達(dá)8.2 ℃)，水汽壓快速增大(18:33達(dá)到最大值20.4 hPa)。風(fēng)暴影響蒙陰站前10 min開始，海平面氣壓波動增大，18:35增大到976.2 hPa。風(fēng)轉(zhuǎn)向時(18:41)風(fēng)速驟降到2.0 m·s-1后又快速增大，同時連續(xù)降雹2 min。雹暴B在蒙陰站的降水持續(xù)31 min，冰雹直徑多為1.0～2.0 cm，最大直徑為4.0 cm。19:28，雹暴A開始影響蒙陰站，風(fēng)壓變化與雹暴B影響時類似，觀測冰雹尺寸較小，但數(shù)密度較大。雹暴A、B影響蒙陰時處于成熟階段，其地面短時轉(zhuǎn)北風(fēng)后仍以偏東風(fēng)為主，轉(zhuǎn)風(fēng)前雨強較大伴有冰雹，轉(zhuǎn)風(fēng)后降雹停止，降水減弱但仍持續(xù)十余分鐘。

圖3 蒙陰氣象站觀測逐分鐘地面氣象要素和降雨量(▲表示該時刻記錄有降雹)

2 典型時次雹暴的雷達(dá)特征

2.1 15:34夏津雹暴特征

圖4是濟南雷達(dá)15:34探測1.5°仰角ZH、SW、ZDR和CC產(chǎn)品，圖中圓圈標(biāo)出的是雹暴強回波區(qū)，4幅圖的圓圈位置一致(下同)。此時，強雹暴的ZH(圖4a)最大值超過65 dBZ；SW圖(圖4b)上，圓圈的徑向下游方向譜寬達(dá)到8 m·s-1以上，對應(yīng)為強冰雹區(qū)產(chǎn)生的TBSS，表明空中已有大雹存在[11]。ZDR圖(圖4c)中，圓圈中ZDR值大多低于1.5 dB。CC圖(圖4d)上，圓圈位置的CC值大多低于0.96，最小值為0.80。此時的雹暴中心距離雷達(dá)72 km，1.5°仰角雹暴位置的高度約為2.3 km，該位置在濕球0 ℃層高度以下約1 km，實況顯示德州市夏津縣15:30出現(xiàn)雨夾雹，網(wǎng)上報告夏津西高速服務(wù)區(qū)冰雹大得如核桃(約3.0 cm)。夏津縣北部的強回波區(qū)在SW、ZDR和CC產(chǎn)品上表現(xiàn)出更加明顯的TBSS特征，地面也出現(xiàn)降雹，但沒有冰雹尺寸的報告。

圖4 15:34濟南雷達(dá)1.5°仰角ZH(a)、SW(b)、ZDR(c)和CC(d)產(chǎn)品(圖中虛線圈標(biāo)出的是降雹云體范圍)

2.2 17:07長清雹暴特征

圖5是濟南雷達(dá)17:07探測2.4°仰角ZH、SW、ZDR和CC產(chǎn)品。此時，ZH(圖5a)最大值超過72 dBZ，雹暴回波強度和范圍明顯增大，圖中虛線圈所示的雹云造成長清區(qū)歸德鎮(zhèn)、萬德鎮(zhèn)強降雹。SW圖(圖5b)中虛線圈的徑向下游方向譜寬達(dá)到8 m·s-1以上，最大為18 m·s-1以上。ZDR圖(圖5c)中虛線圈中ZDR數(shù)值在0 dB附近，最低達(dá)到-2.6 dB，其徑向下游的ZDR值由近及遠(yuǎn)從0 dB逐漸降低到-4.0 dB。CC圖(圖5d)上，虛線圈范圍的CC值在0.96以下，最小值小于0.92，其下游徑向的CC值大多低于0.50。此時雹暴中心距離雷達(dá)32 km，2.4°仰角雹暴位置的高度約為1.5 km，SW、ZDR和CC都顯示明顯的TBSS。刁秀廣[21]分析該時次高仰角的三體散射，呈現(xiàn)出弱反射率因子，小的CC(最小為0.20)，ZDR隨著距離增加而減小的特征，但TBSS寬度較低層窄。

圖5 17:07濟南雷達(dá)2.4°仰角ZH(a)、SW(b)、ZDR(c)和CC(d)產(chǎn)品(虛線圈示意同圖4)

2.3 17:47泰安雹暴特征

據(jù)國家級氣象觀測站觀測記錄，17:40—18:20泰安市區(qū)及新泰市出現(xiàn)降雹，其中泰安、泰山、新泰3個氣象站觀測的冰雹最大直徑分別為0.3 cm、3.0 cm、3.1 cm，有目擊者報告泰安市泰山區(qū)省莊鎮(zhèn)、新泰市天寶鎮(zhèn)最大冰雹直徑超過5.0 cm，為特大冰雹等級。

圖6是濟南雷達(dá)17:47探測4.3°仰角ZH、SW、ZDR和CC產(chǎn)品，同樣4幅產(chǎn)品圖中虛線圈標(biāo)出的是雹云強反射率核區(qū)，其中心距離雷達(dá)約65 km，4.3°仰角雷達(dá)波束中心高度約為5.5 km，位于0 ℃層以上1.9 km?？梢姡瑘D6a圓圈內(nèi)的ZH最大值超過73 dBZ，而0.5°、1.5°、2.4°仰角ZH大于60 dBZ的強回波區(qū)大多位于低層前側(cè)入流的前側(cè)和左側(cè)(圖略)，地面大冰雹也集中于此區(qū)域，這與KUMJIAN and RYZHKOV[13]總結(jié)的超級單體冰雹落區(qū)位置基本一致。SW圖(圖6b)中圓圈徑向下游方向的譜寬大于8 m·s-1，最大為19 m·s-1以上。ZDR圖(圖6c)中圓圈中的數(shù)值大多小于0.5 dB，最低達(dá)到-1.0 dB，其徑向下游出現(xiàn)典型的TBSS[14]。緊靠反射率強核的下游邊緣，ZDR出現(xiàn)大于7.0 dB的半環(huán)狀高值區(qū)，其后沿徑向的ZDR逐漸減小，最小值變?yōu)樨?fù)值，對應(yīng)CC值小于0.96，最小至0.90(圖6d)。此時，在強反射率核區(qū)的西南方向，與強回波區(qū)距濟南雷達(dá)相同距離的區(qū)域，出現(xiàn)十分清楚的旁瓣回波，直至蒙陰境內(nèi)降雹結(jié)束，雹暴A均識別有旁瓣回波。

圖6 17:47濟南雷達(dá)4.3°ZH(a)、SW(b)、ZDR(c)和CC(d)產(chǎn)品(虛線圈示意同圖4)

3 超級單體階段的雙偏振參量特征

17:07雹暴單體移動到濟南市長清區(qū)，已連續(xù)4個體掃探測到中氣旋，風(fēng)暴發(fā)展成超級單體。圖7a是濟南雷達(dá)17:07探測的14.6°仰角ZH產(chǎn)品,圖中疊加的線段AB、CD分別為徑向、切向剖面位置。此時，14.6°仰角的雹暴中心對應(yīng)高度約為8.6 km，雹暴中心區(qū)域ZH只有20～30 dBZ，周圍被大于55 dBZ的強回波包圍形成BWER。圖7b給出的ZH徑向剖面顯示出典型的懸垂回波-BWER-回波墻結(jié)構(gòu)。圖7c給出是ZDR徑向剖面，圖7b所示回波墻及BWER頂部強回波區(qū)對應(yīng)的ZDR值介于0～1.5 dB，而在BWER中心與回波墻之間ZH水平梯度最大區(qū)域?qū)?yīng)的是ZDR大值區(qū)，大于3.5 dB的高值區(qū)向上伸展到6.5 km以上(超過-20 ℃高度)，形成ZDR柱[13,15]。KUMJIAN and RYZHKOV[13]分析了ZDR柱的成因，認(rèn)為風(fēng)暴主上升氣流將大的液滴或被水膜覆蓋的冰雹帶到高層，在主上升氣流區(qū)的邊緣，因垂直速度減小，大滴或雹轉(zhuǎn)為下降而使ZDR增強。KUMJIAN et al.[15]通過對42個風(fēng)暴的統(tǒng)計分析，認(rèn)為強雹暴發(fā)展過程中，ZDR柱峰值高度要比反射率因子核超過-20 ℃高度這一指標(biāo)具有更大提前量，可提前10～20 min對冰雹進行預(yù)警。此次過程在17時前后，雹暴具有明顯的ZDR柱特征，對應(yīng)此后雹暴快速增強，造成濟南長清區(qū)、泰安市強降雹。對于ZDR柱反映冰雹，特別是大雹形成過程的基本特征和內(nèi)在關(guān)系,有待于分析更多實例進行研究。圖7d是CC垂直剖面，對應(yīng)BWER中心的CC值很低，中上部降到0.9以下，而低層的CC值下降到0.6以下，有學(xué)者[13]認(rèn)為低層的CC低值是由強烈的入流將地面雜物帶進BWER區(qū)域造成的。

圖7e給出的是沿CD切向的ZDR剖面，對應(yīng)BWER(ZH剖面圖略)的區(qū)域同樣存在ZDR柱。對照沿CD切向的徑向速度剖面(圖7f)分析可見，ZDR柱對應(yīng)的位置具有明顯的中氣旋特征，表明在雹暴的有界弱回波區(qū)存在強的旋轉(zhuǎn)上升氣流，可為大冰雹的循環(huán)增長提供有利的動力條件，這與已有的實例雹暴結(jié)構(gòu)分析[24]一致。

圖7 17:07濟南雷達(dá)14.6°仰角ZH(a；直線AB、CD分別為徑向、切向剖面位置)、ZH(b)、ZDR(c)、CC(d)徑向剖面(b—d中虛折線所圍區(qū)域的ZH>60 dBZ)和ZDR(e)、CC(f)切向剖面

4 冰雹融化過程的雷達(dá)特征

模擬研究[25]表明，冰雹自4 km高度的凍結(jié)層下落，初始直徑小于14 mm的高密度雹和初始直徑小于15 mm的密度不均勻雹，在到達(dá)地面之前可完全融化?？罩斜⒌娜诨潭扰c融化層高度、冰雹尺度及形狀和云中溫濕度等條件有關(guān)[19]，利用不同高度的雷達(dá)產(chǎn)品分析冰雹融化狀況，可為判別雨雹落區(qū)，提高人工防雹作業(yè)的針對性提供參考。16:32，雹暴主體主要影響德州市禹城、齊河，風(fēng)暴回波結(jié)構(gòu)松散，處于相對平穩(wěn)階段，16:32—16:44未識別出中氣旋。圖8是濟南雷達(dá)16:32探測的ZH(圖8a1—a4)、ZDR(圖8b1—b4)產(chǎn)品，自上至下的仰角分別是14.6°、9.9°、6.0°、1.5°，圖中標(biāo)注的實線圈、虛線圈在各圖中位置相同，其中心分別距離雷達(dá)約30 km、13 km。分析可見，9.9°(圖8a2)、6.0°(圖8a3)仰角的實線圈內(nèi)ZH最大值超過70 dBZ，而同仰角的ZDR值介于-0.5～0 dB之間(圖8b2、b3)，說明雹暴在3.7～6.1 km高度已有大冰雹生成，ZDR顯示出典型的三體散射特征。從3.3°(圖略)向下，溫度已高于0 ℃，強反射率核的強度逐漸減弱，1.5°(圖8a4)的ZH已大多低于60 dBZ，其中心高度為1.0 km。而對應(yīng)的ZDR產(chǎn)品上，隨著高度降低，ZDR的低值范圍逐漸縮小，可以推測冰雹下降到1.0 km高度時，已很大程度上被融化。降雹實況表明，德州齊河縣的劉橋、潘店、胡官屯3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)降雹，但冰雹直徑不足1.0 cm，持續(xù)時間約2 min，冰雹災(zāi)害較輕。

圖8 濟南雷達(dá)16:32探測ZH(a1—a4)、ZDR(b1—b4)產(chǎn)品(圖中左下角給出了掃描仰角和實線圈、虛線圈中心對應(yīng)高度)

圖8中白虛線圈位于以上分析高空強反射率核的下風(fēng)方，16:32雷達(dá)垂直風(fēng)廓線(vertical wind profile, VWP)產(chǎn)品顯示5 km以上偏西風(fēng)達(dá)到20.0 m·s-1。分析不同仰角白虛線圈內(nèi)ZH、ZDR數(shù)值可見，14.6°仰角(圖8a1)的ZH最強，向下逐漸減弱，1.5°仰角的ZH大多低于45 dBZ。對應(yīng)右側(cè)的ZDR產(chǎn)品，14.6°仰角的ZDR值介于0.5～0.8 dB，向下到9.9°仰角，部分區(qū)域ZDR增大到2.0 dB，6.0°以下的ZDR則大多大于5.0 dB，這表明在高空偏西風(fēng)和風(fēng)暴高層?xùn)|北向出流的作用下，部分高空的冰雹被帶離風(fēng)暴中心區(qū)域，在風(fēng)暴下風(fēng)方下落過程中融化成為大雨滴或半融化狀的小雹，對應(yīng)低層出現(xiàn)ZDR大值，該區(qū)域的地面實況以降雨為主，幾乎未見雹。

5 HCL產(chǎn)品分析及對冰雹的指示

雙偏振雷達(dá)系統(tǒng)依據(jù)目標(biāo)物在水平和垂直2個通道不同的散射特征，綜合ZH、ZDR、KDP和CC等雷達(dá)參量建立了水凝物相態(tài)分類模糊邏輯算法[26]，研發(fā)了HCL產(chǎn)品，輸出小雨、大雨、冰雹、大雨滴、生物、地物、干雪、濕雪、冰晶、霰和未知等11類分類產(chǎn)品。國內(nèi)氣象業(yè)務(wù)上對這類產(chǎn)品尚處于應(yīng)用初期，有必要對其產(chǎn)品特征進行分析，積累其在冰雹監(jiān)測預(yù)警方面的應(yīng)用經(jīng)驗。對于VCP21模式，1個體掃可生成9個仰角的HCL產(chǎn)品，同一仰角由近及遠(yuǎn)，HCL產(chǎn)品代表更高高度的水凝物分類。

圖9a是大約5 km高度的HCL冰雹色標(biāo)，由風(fēng)暴最接近5 km高度仰角的HCL組合而成，該高度的環(huán)境溫度接近-10 ℃，在濕球0 ℃層高度之上約1.7 km。圖9b是雷達(dá)0.5°仰角的HCL。為便于分析，圖中只保留了冰雹的色標(biāo)。結(jié)合前述對雹暴發(fā)展過程的分析可見，16:32前，雹暴處于發(fā)生發(fā)展階段，5 km高度層的HCL冰雹色標(biāo)分布趨于緊湊，面積逐漸增大，但0.5°低仰角顯示的HCL冰雹色標(biāo)松散或幾乎沒有，地面出現(xiàn)零散降雹，也觀測到直徑大于2.0 cm的大雹，但數(shù)量較少，冰雹尺寸總體較小，未出現(xiàn)明顯雹災(zāi)。16:32之后的2～3 h，雹暴維持強勢，中高層的HCL冰雹色標(biāo)緊湊密實，低仰角的HCL冰雹色標(biāo)分布連續(xù)性較好，地面出現(xiàn)大范圍密集降雹，且在泰安、新泰等地出現(xiàn)直徑大于5.0 cm的大雹，造成嚴(yán)重冰雹災(zāi)害?？梢奌CL產(chǎn)品對于判斷空中冰雹分布和地面降雹范圍及強度有很好的指示作用。值得注意的是，圖9b中7個時次的冰雹色標(biāo)距離雷達(dá)不同，對應(yīng)高度介于0.35～3.0 km，其中16:32、17:07的雹暴中心距濟南雷達(dá)約25 km，對應(yīng)0.5°仰角高度約0.35 km，這兩個時次的HCL冰雹色標(biāo)對地面的指示性更強，且具有可比性。

圖9 濟南雷達(dá)HCL產(chǎn)品(a. 約5 km高度，b. 0.5°仰角)

6 結(jié)論與討論

1)此次雹暴過程是在高空槽影響之下，于2020年6月1日中午在河北東南部觸發(fā)并向偏東方向移動，自魯西進入山東后轉(zhuǎn)向東南移動，在魯西、魯中山區(qū)產(chǎn)生大范圍風(fēng)雹災(zāi)害，持續(xù)影響近5 h。雹暴于15:34在德州市夏津縣出現(xiàn)降雹，之后約90 min相對平穩(wěn)，主要以大風(fēng)、短時強降水為主，冰雹尺度較小，雹災(zāi)較輕。17:07后雹暴明顯加強，給濟南、泰安、臨沂部分地區(qū)造成嚴(yán)重的冰雹災(zāi)害。

2)雹暴影響夏津、長清、泰安等典型時次的雙偏振雷達(dá)特征表明，不同仰角(1.5°～4.3°，代表高度1.5～5.5 km)探測到的冰雹區(qū)對應(yīng)ZH均大于65 dBZ，ZDR介于-2.6～1.5 dB，CC介于0.80～0.96。上述雷達(dá)產(chǎn)品均呈現(xiàn)雹暴具有典型的三體散射特征。

3)此次雹暴發(fā)展強盛階段具有明顯的BWER結(jié)構(gòu)和典型的中氣旋特征，為大冰雹的生長提供了有利的動力結(jié)構(gòu)，ZDR柱可指示雹暴主上升氣流區(qū)的位置。根據(jù)冰雹下落融化過程中不同仰角ZH、ZDR的變化，結(jié)合融化層高度及冰雹所處風(fēng)暴的位置，可以分析冰雹下落過程中的融化程度，判斷地面雨雹分布情況。

4)HCL產(chǎn)品綜合了ZH、ZDR、KDP和CC等產(chǎn)品信息，對空中冰雹分布和冰雹落區(qū)有較好的指示作用。伴隨著雹暴的發(fā)展加強，高空5 km附近冰雹區(qū)對應(yīng)的冰雹色標(biāo)分布趨于緊湊，面積增大,而低層(0.35～3.0 km)的冰雹色標(biāo)范圍明顯小于高空，與地面冰雹落區(qū)有更好的對應(yīng)關(guān)系。

雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)可以提供有關(guān)雹暴結(jié)構(gòu)和強度變化的重要信息，通過監(jiān)測識別BWER、TBSS、中氣旋、旁瓣回波等典型特征，可準(zhǔn)確研判雹暴發(fā)展?fàn)顟B(tài)，為提前預(yù)判降雹范圍、強度和風(fēng)雹災(zāi)害程度提供重要依據(jù)。鑒于雹暴發(fā)展迅速、結(jié)構(gòu)多變，要準(zhǔn)確把握雨雹演變規(guī)律，特別是大冰雹的形成過程，做好冰雹預(yù)警和人工防雹作業(yè)服務(wù)，尚需進一步加強對地面雨雹等實況的精細(xì)化觀測，對照雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)開展更細(xì)致的、定量化的分析，總結(jié)出可業(yè)務(wù)應(yīng)用的冰雹判別指標(biāo)，以更好地提升雙偏振雷達(dá)在冰雹短臨預(yù)警和人工防雹作業(yè)指揮中的應(yīng)用水平。

致謝：泰安市氣象局袁超、高唐縣氣象局李靜、德州市氣象局李斌、濟南市氣象局黎明提供了地面氣象觀測和降雹信息，特此感謝。