吳舉秀，潘佳文，魏鳴，顧瑜

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東省大氣探測技術(shù)保障中心，山東 濟(jì)南 250031;2.廈門市海峽氣象開放重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廈門市氣象局，福建 廈門 361012;3.氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044;4.青島市氣象局，山東 青島 266003)

1 引 言

冰雹是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，冰雹及與之相伴隨的大風(fēng)、雷暴等劇烈天氣常給人類活動造成很大災(zāi)害，冰雹大小與造成災(zāi)害的程度也密切相關(guān)，因此識別出冰雹以及冰雹大小對災(zāi)害性天氣預(yù)警非常重要。地面降雹大小與雹云內(nèi)雹粒尺度、零度層高度、云體發(fā)展高度、高空冷平流強(qiáng)弱等諸多因素有關(guān)[1-2]。目前業(yè)務(wù)應(yīng)用的雙偏振雷達(dá)冰雹概率檢測以及大小估計還是來自單偏振雷達(dá)的冰雹算法HDA[3](Hail detection algorithm，HDA)。HDA算法估計任意尺寸的冰雹概率、強(qiáng)冰雹概率及探測到的風(fēng)暴單體產(chǎn)生的最大預(yù)期冰雹尺寸[4]，刁秀廣等[5]對HDA算法在山東的應(yīng)用效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)原冰雹適配參數(shù)預(yù)測的冰雹尺寸明顯偏大，并通過調(diào)整最大冰雹直徑算法因子改善了預(yù)測結(jié)果。雙偏振雷達(dá)具有的差分反射率因子Zdr、相關(guān)系數(shù)CC等偏振參量在冰雹識別方面表現(xiàn)出很大優(yōu)勢[6-10]，業(yè)務(wù)雷達(dá)使用水凝物分類算法(Hydrometeor Classification Algorithm,HCA)[11]可以識別出冰雹或冰雹和降水的混合相態(tài)。Heinselman等[9]利用美國風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室收集的冰雹樣本對HCA算法探測冰雹的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)置信度可達(dá)95%。Al-Sakka等[12]使用兩變量隸屬函數(shù)(Zh，Zdr)、(Zh，KDP)和(Zh，CC)建立了識別冰雹的模糊邏輯算法。Wu等[13]根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果優(yōu)化了國內(nèi)業(yè)務(wù)雷達(dá)的水凝物分類算法，并應(yīng)用到一次颮線過程中。

利用雙偏振雷達(dá)識別冰雹大小方面學(xué)者們也做了很多研究工作，Picca等[14]認(rèn)為在融化層上面-10～-20℃之間是冰雹主要的增長區(qū)，CC空洞揭示了超過5 cm大冰雹的存在。美國國家氣象局預(yù)報員也用三體散射特征以及上升氣流特征如有界弱回波區(qū)等來推斷風(fēng)暴中大冰雹的存在，Johns等[15]認(rèn)為大多數(shù)極端大冰雹是由超級單體風(fēng)暴直接產(chǎn)生。刁秀廣等[16-17]分析了山東兩次強(qiáng)冰雹風(fēng)暴雙極化特征，發(fā)現(xiàn)三體散射(TBSS)、旁瓣回波、衰減及波束非均勻填充等特征可作為冰雹識別判據(jù)，波束非均勻填充現(xiàn)象會造成CC偏小，風(fēng)暴低層強(qiáng)反射率核后側(cè)徑向上如果出現(xiàn)顯著差分反射率負(fù)值區(qū)，可作為特大冰雹(直徑≥50 mm)的識別依據(jù)。潘佳文等[18]研究發(fā)現(xiàn)TBSS中存在Zdr大值區(qū)的偏振特征有助于識別高空中的大冰雹。

近期的研究已經(jīng)將冰雹融化的特性應(yīng)用在冰雹大小識別方面[19]，因?yàn)楸⒒夭◤?qiáng)度以及Zdr很大程度依賴融化程度，而融化程度和融化層的高度以及冰雹大小都有關(guān)。Miller[20]解釋了冰雹融化層高度更接近于濕球溫度零度層(Wet Bulb Zero，WBZ)的物理機(jī)制，并在研究中指出WBZ距地面高度為2.134～3.353 km時最可能發(fā)生大冰雹。潘佳文等[21]統(tǒng)計了冰雹在各高度層的偏振參量特征、差分反射率因子柱、三體散射偏振特征，并分析了三種偏振特征在大、小冰雹之間的差異。美國強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了冰雹的識別算法，準(zhǔn)備用來替代天氣雷達(dá)網(wǎng)S波段雷達(dá)目前使用的粒子相態(tài)分類算法[19]，算法分六種不同的高度反映冰雹融化的程度，大冰雹較強(qiáng)的融化會對電磁波產(chǎn)生很大衰減，使得遠(yuǎn)處的Zdr變得很小(小于-5 dB)，但CC不受衰減影響，產(chǎn)生明顯衰減的強(qiáng)風(fēng)暴核高度基本在0℃以下[22]，因此遠(yuǎn)處Zdr變小，也是一種識別融化大冰雹的特征。Kaltenboeck等[23]分析了6種風(fēng)暴的主要冰雹核偏振參量的平均垂直廓線，發(fā)現(xiàn)2 cm、4 cm冰雹的Zdr差別不大，10 cm冰雹的Zdr總體小于2 cm、4 cm冰雹的。

可以看出國內(nèi)文獻(xiàn)對個例的分析較多，較少文獻(xiàn)對S波段業(yè)務(wù)雷達(dá)探測到的不同大小冰雹的雙偏振特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，而且冰雹的發(fā)生發(fā)展以及雷達(dá)偏振參量具有地域特征，全國正在進(jìn)行雙偏振雷達(dá)的升級改造，山東省最先完成雙偏振升級的濟(jì)南、青島雷達(dá)自2019年以來積累了較多冰雹探測資料，本文在考慮冰雹融化特性的情況下，統(tǒng)計了山東地區(qū)不同大小冰雹的雙偏振參量特征，獲得冰雹偏振參量本地化的閾值，為發(fā)展基于雙偏振參量識別冰雹大小算法提供基礎(chǔ)和參考。

2 資料來源及分析方法

冰雹探測資料來自濟(jì)南及青島S波段雙偏振雷達(dá)，收集整理了2019年、2020年兩部雷達(dá)觀測范圍內(nèi)的降雹時間、地點(diǎn)、冰雹大小。由于降雹具有局地性強(qiáng)、落區(qū)分散、以及時空尺度小、持續(xù)時間短的特點(diǎn)，因此很難確定實(shí)際降雹地點(diǎn)、開始時間和結(jié)束時間，參考曾智琳等[24]、潘佳文等[21]的統(tǒng)計方法，基于以下資料來源統(tǒng)計整理降雹信息：自己目擊及咨詢有關(guān)臺站人員的降雹信息；地市上報的冰雹災(zāi)情直報信息；從相關(guān)發(fā)表的文獻(xiàn)中提取的冰雹信息；媒體的災(zāi)情報道、微博等手段發(fā)布的目擊報告關(guān)于冰雹的信息。這樣會存在一些地區(qū)被漏報的情況，使得以上來源整理得到的降雹事件遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際降雹事件。為進(jìn)一步確定降雹實(shí)際地點(diǎn)，對收集到的冰雹事件使用雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證，根據(jù)整理的降雹記錄找對應(yīng)雷達(dá)的0.5°仰角回波，確定降雹地點(diǎn)附近最強(qiáng)回波核心，Waldvogel等[25]研究表明降雹時最大Zh均不低于45 dBZ，因此以最強(qiáng)回波核心為中心并以45 dBZ為閾值對周邊5 km范圍內(nèi)的Zh值進(jìn)行檢索，對不滿足的降雹個例進(jìn)行剔除，記錄雷達(dá)回波強(qiáng)中心位置，然后再取前后各1個體掃共3個體掃按數(shù)據(jù)所在的高度分層統(tǒng)計相關(guān)參數(shù)。

美國國家強(qiáng)風(fēng)暴預(yù)報中心早期把直徑≥1.9 cm的固態(tài)降水物定義為大冰雹，后來將直徑下限修改為2.5 cm，一般我國發(fā)生冰雹頻次與強(qiáng)度整體要弱于美國，鄭永光等[26]也認(rèn)為直徑≥2 cm的大冰雹在我國屬于重大強(qiáng)對流天氣，結(jié)合我國冰雹等級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(GB/T 27957-2011)，文中將冰雹大小分為3類進(jìn)行探討：小冰雹，0.5 cm≤直徑＜2.0 cm；大冰雹，2 cm≤直徑＜5 cm；特大冰雹，直徑≥5 cm[24]。根據(jù)以上冰雹收集方法共統(tǒng)計得到了33例降雹，其中小冰雹19例，大冰雹9例，特大冰雹5例，統(tǒng)計到的特大冰雹直徑最大為6 cm左右，統(tǒng)計時間段為2019年5月10日、6月8日、8月16日，2020年5月11日、5月16日、5月17日、6月1日等，包含超級單體降雹和普通單體降雹。

冰雹隨著高度降落通過融化層會有融化現(xiàn)象，偏振參量受到影響，高空中的干冰雹有的到了地面還可能逐漸融化成液態(tài)雨滴，因此為了細(xì)分不同高度上冰雹的偏振參量特征，選取冰雹事件在時間、空間尺度上最鄰近的探空站觀測數(shù)據(jù)，并以0℃、-10℃、-20℃層所在高度為基準(zhǔn)將垂直高度劃分為7個高度層[21]，具體高度層信息如表1所示，濕球0℃作為冰雹融化的起始高度[27]，根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)所處高度將其歸入對應(yīng)的高度層中。

表1 高度層信息H h、H0℃、H-10℃、H-20℃分別表示冰雹、0℃、-10℃及-20℃所在高度。

3 冰雹偏振參量特征統(tǒng)計

差分反射率Zdr反映水凝物的非球形程度，冰雹的偏振參量Zdr和冰雹形狀有關(guān)，而冰雹的形狀與大小有關(guān)，通常0.5～1.0 cm為球形或者圓錐形，1～2 cm為橢球形或圓錐形，2～5 cm為橢球形，4～10為帶有突起物的球形[28]。相關(guān)系數(shù)CC描述雷達(dá)取樣體積內(nèi)水平和垂直回波信號變化的相似程度，影響CC的因素有：離心率的分布、散射的差分相移、傾斜角的變化、水凝物的不規(guī)則外形以及兩種形式水凝物的混合[28]，因此回波相態(tài)的多樣性會導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)降低，對于冰雹來說CC大小主要和冰雹形狀及冰雹融化程度有關(guān)。偏振波在通過一個非各向同性介質(zhì)時，在兩個偏振波之間將會產(chǎn)生微差相移，每單位距離上的微差相移則用差分相位常數(shù)KDP表示，其值取決于粒子的形狀、類型及采樣體積內(nèi)粒子的數(shù)密度。

3.1 箱體圖分析

3類冰雹的偏振參量在7個高度層的箱體圖分布見圖1，統(tǒng)計月份為5—8月，其中5月冰雹樣本較多，許多樣本的濕球0℃等溫線小于3 km，特別是小冰雹以及大冰雹的樣本，使得H1層(0℃等溫線下3 km內(nèi))的小冰雹只有一個樣本、大冰雹無數(shù)據(jù)。圖1a中冰雹水平反射率因子Zh顯示，小冰雹Zh的中位數(shù)位于55～65 dBZ，在0℃等溫線下1～2 km內(nèi)達(dá)到最大；大冰雹Zh的中位數(shù)為62.0～69.5 dBZ，在0℃等溫線下2 km內(nèi)有2個高度層達(dá)到最大；特大冰雹Zh的中位數(shù)為67.5～73.0 dBZ，在0℃等溫線以上-10℃內(nèi)及以下2 km內(nèi)有3個高度層中位數(shù)達(dá)到最大，因此越大的冰雹Zh中位數(shù)達(dá)到最大值的高度越高，并且持續(xù)高度層數(shù)越多，這是大的冰雹融化較慢造成的。所有冰雹的Zh中位數(shù)在0℃層以上隨高度降低而增加，0℃層以下都是先增加后減小(不包括小、大冰雹H1層)，主要是冰雹在通過融化層后形成外包水膜，等效于體積大點(diǎn)的液態(tài)水滴，使得后向散射增加，隨著冰雹下降融化厚度增大相當(dāng)于等效水滴體積變小，從而后向散射減小。圖2為3類冰雹的雙偏振參量的中位數(shù)差值廓線(H1層除外)，圖2a顯示在同一高度層內(nèi)，冰雹越大其Zh的中位數(shù)越大；在0℃層以上，大冰雹比小冰雹的Zh中位數(shù)高5～6 dBZ，在0℃層以下則差別變小，到近地層差別僅為2.5 dBZ，特大冰雹與大冰雹反而是0℃層以上差別小，0℃層以下差別大，在近地面層特大冰雹可超過大冰雹6 dBZ。

根據(jù)圖1b，小冰雹的Zdr中位數(shù)位于0.3～2.8 dB，1/4及3/4位數(shù)分別為0～2 dB、0.5～4.2 dB的正值；大冰雹Zdr中位數(shù)位于-0.10～1.95 dB，1/4及3/4分別為-0.2～0.5 dB、0.5～3.0 dB，Zdr中位數(shù)最大在H2層(0℃層以下2～3 km)，主要是冰雹融化造成的，最小在H6層(-10～-20℃層)為負(fù)值，說明存在上升氣流使得其長軸在垂直方向取向，根據(jù)Doviak[28]冰雹大小與形狀的關(guān)系，此時已存在增長直徑超過1 cm的冰雹；特大冰雹的Zdr中位數(shù)為0.1～0.7 dB，但是與其他兩種尺寸的冰雹相比變化范圍較小，基本接近0 dB?？梢钥吹剑”⒌腪dr中位數(shù)在0℃層以上變化很小；所有冰雹在通過融化層后Zdr中位數(shù)值有所增加，特大冰雹的增加最小，小冰雹的增加最大，這是因?yàn)樾　⒋蟊⑷诨溟L軸在水平面內(nèi)取向，有的樣本有可能伴隨著降雨，而特大冰雹在通過融化層后融化水膜的厚度與冰雹直徑相比仍然較小，因此呈現(xiàn)固態(tài)水凝物的介電性質(zhì)，固態(tài)水凝物相比液態(tài)有更小的介電常數(shù)[29]，并且特大冰雹易在空間內(nèi)隨機(jī)取向所以造成Zdr趨于0 dB，小冰雹通過融化層后，水膜厚度與冰雹直徑相比大于30%，呈現(xiàn)出液態(tài)水凝物的介電性質(zhì)，使得Zdr增加較大。

圖1 小、大、特大冰雹的Z h(a)、Z dr(b)、CC(c)、K DP(d)在各個高度層的箱體圖 從下到上排列分別是H1～H7層。

由圖2b可以看出，在0℃層以上，不同大小冰雹的Zdr中位數(shù)差別較小，0℃層以下Zdr數(shù)值差別增大，大冰雹低于小冰雹0.5～0.8 dB，特大冰雹低于大冰雹0.1～1.3 dB；同一高度層，冰雹越大Zdr中位數(shù)越小，但在-10～-20℃層，特大冰雹Zdr中位數(shù)反而稍高于大冰雹表現(xiàn)出正值，說明特大冰雹已增長足夠大，在空氣動力作用下基本在水平面內(nèi)取向。

圖2 小、大、特大冰雹的中位數(shù)差值廓線

圖1c表明所有冰雹的CC中位數(shù)隨高度降低而減小，小、大、特大冰雹的CC中位數(shù)分別為：0.975～0.995、0.960～0.990、0.940～0.985，基本趨勢是隨著冰雹增大CC中位數(shù)減??；在融化層以上，CC中位數(shù)基本超過0.98，冰雹經(jīng)過融化層后，隨著冰雹融化，散射體積內(nèi)具有混合相態(tài)，導(dǎo)致CC較小，這與潘佳文等[21]、Balakrishnan等[30]的研究結(jié)果一致。圖2c顯示在融化層以上各種冰雹的CC中位數(shù)相差較小(在0.015之內(nèi))，在融化層以下差別較大可達(dá)0.038；通常在同一高度層上尺寸較大的冰雹要比小點(diǎn)的冰雹CC中位數(shù)小，但是在0℃到H0℃-1 km層之間的融化層，特大冰雹的CC中位數(shù)反而比大冰雹的大，這是因?yàn)楸绕鸫蟊?，特大冰雹在通過融化層下落距離較小時，融化厚度較少，從而造成CC中位數(shù)稍大一點(diǎn)，隨著高度降低到0℃層以下2 km，特大冰雹融化厚度增大達(dá)到一定程度，CC中位數(shù)開始低于大冰雹。

從圖1d看到，在融化層以上不同大小的冰雹KDP中位數(shù)基本在0°/km左右，大冰雹及特大冰雹在-10℃等溫線以上出現(xiàn)負(fù)值，3類冰雹的KDP中位數(shù)相差很小(圖2d)；在0℃層以下隨高度降低KDP中位數(shù)增加，基本是大冰雹的大于小冰雹0.5～2.0°/km，但是0℃層下2 km內(nèi)特大冰雹的反而小于大冰雹的，基本和小冰雹一樣，只有在0℃層下3 km，特大冰雹開始超過大冰雹在近地層達(dá)到了5.5°/km左右(圖2d)，這是不同大小冰雹融化水膜厚度變化引起的[29]，特大冰雹開始融化后的水膜厚度相比冰雹直徑更小，體現(xiàn)為固態(tài)介電性質(zhì)因此KDP小，隨著降落到近地層融化水膜增厚呈現(xiàn)為液態(tài)介電性質(zhì)，使得KDP增大。潘佳文等[19]研究也發(fā)現(xiàn)KDP對大冰雹并不敏感，其數(shù)值隨著大冰雹的融化過程而增大，是冰雹融化的較好指標(biāo)。敏視達(dá)的雙偏振業(yè)務(wù)雷達(dá)系統(tǒng)在質(zhì)控時把CC低于0.9作為非氣象回波的判斷閾值，對相應(yīng)的KDP值予以剔除，然而由圖1c可知，在許多冰雹事件中CC值是低于0.9的，這是由于混合相態(tài)粒子的存在使得CC降低，這在一定程度減小了KDP參數(shù)的樣本數(shù)。

3.2 散點(diǎn)圖分析

下面進(jìn)一步探討這4個參數(shù)隨冰雹大小變化情況，圖3給出了小、大、特大冰雹在各個高度層的散點(diǎn)圖。從圖3a看出，隨著冰雹增大Zh增大，但是小冰雹、大冰雹以及特大冰雹之間存在重合區(qū)；在0℃等溫線以上Zdr～Zh分布比較一致，在0℃等溫線以下小冰雹的Zdr變化范圍增大，在H3層(0℃層下2 km內(nèi))大、特大冰雹基本趨于0 dB，但在H2層(0℃層下3 km內(nèi))大冰雹出現(xiàn)-1.9 dB的負(fù)值，特大冰雹出現(xiàn)-3.1 dB的負(fù)值，Balakrishnan等[30]推測直徑大于2 cm的橢圓形冰雹長軸在垂直方向取向會產(chǎn)生-1 dB左右的Zdr，這說明H2、H3層中處于強(qiáng)上升氣流區(qū)的大冰雹、特大冰雹長軸在垂直方向取向造成了Zdr很大負(fù)值。圖3a顯示在H6、H7(-10～-20℃層、-20℃層以上)中的小冰雹存在許多小于-0.5 dB的Zdr值，Aydin等[31]觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)直徑大于1.2 cm的冰雹會產(chǎn)生小于-0.5 dB的Zdr，這說明在-10℃層以上冰雹已增長得較大，并指示了冰雹的垂直取向以及強(qiáng)上升氣流在-20℃以上高度的存在。所有小冰雹在0℃等溫線以下Zdr都大于0 dB，原因是小冰雹容易融化及(或者)在小冰雹事件中伴隨著短時強(qiáng)降水[21]。

圖3 小、大、特大冰雹在各個高度層的散點(diǎn)圖

圖3b顯示在0℃等溫線以上，小冰雹的CC較大，但是在H6層(-10～-20℃層)小冰雹的CC變化范圍較大，可低至0.9，在H5層(0～-10℃層)大冰雹的可低至0.7以下，Dennis等[32]研究表明-10～-20℃是有利于冰雹濕增長的關(guān)鍵區(qū)域，潘佳文等[21]研究發(fā)現(xiàn)在大冰雹事件中有83%的對流風(fēng)暴Zdr柱最大伸展高度可超過?20℃層，而在小冰雹事件中這一比例僅為46%，Zdr柱是在垂直方向上的發(fā)展高度超過零度層大于0 dB的Zdr，是對流風(fēng)暴中最顯著的偏振雷達(dá)特征之一，預(yù)示著大雨滴或者是被雨水包裹冰雹的存在[33]，這表明CC較低的樣本所處區(qū)域可能含有大量大滴過冷水并伴隨著各種不同大小的冰雹，大雨滴凍結(jié)成較大直徑的雹胚，可促成短時間內(nèi)形成冰雹[34]。0℃層以下，不同大小的冰雹CC差異增大，而且隨著Zh增加CC變化范圍變大，在0℃層以下1 km高度內(nèi)，特大冰雹可低至近0.8，在近地層大冰雹也出現(xiàn)了0.8的CC極小值，這是冰雹復(fù)雜的形狀以及不同的融化程度決定的。

圖3c顯示了CC大于0.9對應(yīng)的KDP，0℃層以上在0°/km附近，最低可達(dá)-1.6°/km，小冰雹、大冰雹的KDP可超過2.3°/km，這意味著存在大滴過冷水含量較豐富的區(qū)域。很明顯，在0℃層以下隨著冰雹融化KDP增加，在0℃層下2～3 km(H2層)特大冰雹高達(dá)近8°/km，指示了雨加冰雹的情況，但是大冰雹、特大冰雹出現(xiàn)負(fù)值，最低達(dá)-2.1°/km。

可以看出，在0℃層以上，Zh＞60 dBZ并且Zdr＜0 dB及CC＜0.9，或者Zh＞65 dBZ，基本是大冰雹或者特大冰雹；在0℃等溫線以下，Zh＞70 dBZ或者Zh＞65 dBZ且CC＜0.9，基本意味著地面大冰雹或者特大冰雹；在近地面層Zh＞70 dBZ且CC＜0.9指示特大冰雹大概率的存在。在所有高度上，Zh＞75 dBZ時，則可判定為特大冰雹?？傮w看，KDP對冰雹大小不很敏感，在各高度層Zh都有重疊區(qū)，Zh大、CC小、Zdr小意味著大冰雹或者特大冰雹。所有冰雹樣本中各偏振參量各自的最低閾值為：0℃等溫線以上，Zh=46 dBZ、Zdr=-1.1 dB、CC=0.66、KDP=-1.6°/km；0℃等溫線以下，Zh=47 dBZ、Zdr=-3.1 dB、CC=0.79，KDP=-2.1°/km。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，在-20℃以上高度較高的地方，不同大小冰雹CC及Zdr變化不大，Zh識別能力較強(qiáng)；-10～-20℃、0～-10℃層，CC和Zh對冰雹大小比較敏感，Zdr較弱，但在0～-10℃層Zdr對大小的敏感性有所增加；在融化層以下3個變量對冰雹大小都比較敏感，并且越靠近地面，Zdr的變化越明顯；KDP對冰雹融化及雨加冰雹具有一定的指示作用，但KDP參數(shù)在冰雹過程中會因?yàn)镃C較低被刪除，孫偉等[35]也認(rèn)為KDP產(chǎn)品在分析冰雹演變時有缺陷，Zrnicˊ等[7]研究表明，在5個測定偏振的變量(Zh、Zdr、CC、KDP、Ldr)(Ldr為線性退極化比)中Zh、Zdr是在水凝物分類中最重要的兩個變量，因此識別冰雹大小可優(yōu)先采用Zh、Zdr、CC這3個變量作為特征參數(shù)。

4 結(jié) 論

基于冰雹的融化程度劃分了7個高度層，利用山東省濟(jì)南、青島雷達(dá)觀測到的33例冰雹樣本，統(tǒng)計了3種不同尺寸冰雹的雙偏振參量特征，獲得了不同高度偏振量對冰雹大小的敏感情況。

(1)尺寸較大的冰雹由于融化厚度變化較慢，其Zh中位數(shù)達(dá)到最大值的高度層層數(shù)較多。小冰雹以及大冰雹Zh中位數(shù)都是在融化層達(dá)到最大值，而特大冰雹在融化層以上-10℃內(nèi)增長達(dá)到最大值。所有冰雹的Zh中位數(shù)在濕球0℃層以上隨著高度降低而增加，而在0℃層以下通常是先增加后減小。在同一高度，冰雹越大其Zh的中位數(shù)越大，大冰雹比小冰雹的在0℃層以上高5～6 dBZ，0℃層以下則差別變小，特大冰雹與大冰雹在0℃層以上差別小，但在0℃層以下差別增大。

(2)在同一高度層，冰雹越大Zdr中位數(shù)越小，并且基本為正值，但是在-10～-20℃層之間，由于橢球冰雹長軸垂直取向使得Zdr中位數(shù)呈現(xiàn)負(fù)值，反而小于特大冰雹的；特大冰雹的Zdr中位數(shù)接近0 dB。在0℃層以上，不同大小冰雹的Zdr中位數(shù)差別較小，0℃層以下則差別增大，大冰雹可低于小冰雹0.5～0.8 dB，特大冰雹低于大冰雹0.1～1.3 dB。

(3)CC的大小不但和冰雹大小有關(guān)還和冰雹所處的高度有關(guān)。冰雹的CC中位數(shù)隨高度降低而減小，并且同一高度層隨冰雹增大CC中位數(shù)減小，但是在0℃層與H0℃-1 km層之間，特大冰雹由于融化厚度較小，使得CC中位數(shù)反而比大冰雹的大。在融化層以上不同大小的冰雹KDP中位數(shù)相差很小，基本在0°/km左右，在0℃層以下隨高度降低冰雹融化KDP中位數(shù)增加，但是冰雹發(fā)生過程中CC低于0.9的KDP會被刪除。

(4)隨冰雹增大Zh增大，但是小冰雹、大冰雹以及特大冰雹之間存在重合區(qū)，處于強(qiáng)上升氣流區(qū)的特大冰雹在近地面層其Zdr低至-3.1 dB，-20℃層以上許多樣本Zdr負(fù)值的存在指示了降雹單體中強(qiáng)上升氣流的高度；0～-10℃層，在過冷大雨滴豐富、不同大小冰雹混合區(qū)CC可低至0.7以下；0℃層以下，CC隨冰雹大小變化顯著，由于大冰雹具有復(fù)雜的形狀以及融化程度不同，大冰雹CC可低至0.8。在0℃等溫線以上Zh＞60 dBZ并且Zdr＜0 dB及CC＜0.9、或者Zh＞65 dBZ，以及在0℃等溫線以下Zh＞70 dBZ或者Zh＞65 dBZ且CC＜0.9，意味著地面大冰雹或者特大冰雹；在近地面層Zh＞70 dBZ且CC＜0.9指示特大冰雹的存在。在所有高度上，Zh＞75 dBZ時，可判定為特大冰雹。大冰雹或者特大冰雹基本特征是Zh大、CC小、Zdr小。

(5)Zh、CC、Zdr這3個偏振參量在不同高度層對冰雹大小的敏感度不同，KDP對冰雹融化及雨加冰雹比較敏感。在-20℃層以上高度，Zh隨冰雹大小變化較大，CC及Zdr隨冰雹大小變化不大；-10～-20℃、0～-10℃層，比較敏感的是CC和Zh，Zdr則較弱；在0℃層以下Zh、CC、Zdr都對冰雹大小比較敏感。本次統(tǒng)計中獲得了冰雹各偏振參量的最低閾值：0℃層以上，Zh=46 dBZ、Zdr=-1.1 dB、CC=0.66、KDP=-1.6°/km；0℃等溫線以下，Zh=47 dBZ、Zdr=-3.1 dB、CC=0.79，KDP=-2.1°/km。這為水凝物分類算法中冰雹識別的本地化提供了參考數(shù)據(jù)。

需要指出的是，冰雹沒有區(qū)分是否混合降水，文中的冰雹樣本主要是來自濟(jì)南、青島兩部雷達(dá)，并且只收集整理了近兩年能統(tǒng)計到的事件，樣本數(shù)量有限，隨著雷達(dá)不斷探測，會繼續(xù)收集冰雹數(shù)據(jù)，關(guān)注其雙偏振參量的表現(xiàn)特征，從而為冰雹大小識別算法的發(fā)展完善提供參考。