一次春季冰雹天气过程中X波段双偏振雷达的特征分析

李春娥 武麦风 胡伟 张亚婷 赵翔

摘要利用探空资料和咸阳旬邑X波段双偏振多普勒天气雷达对2017年4月26日的冰雹天气过程进行了天气形势分析与双偏振雷达产品的特征分析，结果表明，该次冰雹天气发生在 200 hPa 西風急流、500 hPa槽后冷平流、高温高湿的中低空条件及地面干冷空气的天气背景下，大气层结具有强不稳定度，垂直方向上存在较强的垂直风切变，均有利于对流运动的发展;西安探空的0 ℃层高度以及-20 ℃层高度均十分有利于冰雹在雷暴单体中的维持和增长;边界层附近有逆温层，有利于不稳定能量储存;近地层有强的干冷空气，抬升了中低层的暖湿空气;X波段雷达的反射率因子以及径向速度均表现出典型的雷暴单体回波特征，出现了明显的三体散射回波;存在与强入流和强上升运动对应的弱回波区和悬垂结构，具有明显的回波墙;0 ℃层高度（3 km）以上有≥50 dBz的强回波;径向速度剖面图上中低层辐合、高层辐散，满足冰雹发生的回波速度特征;X波段双偏振雷达的差分反射率因子（ZDR）、差分传播相移（KDP）、零滞后相关系数（RHV）等参量能有效地提高对冰雹的识别能力。冰雹回波的ZDR、KDP、RHV的取值范围与强降水回波有明显区别，能够有效地区分冰雹回波与强降水回波。在降雹时，2.4°仰角ZDR 出现大面积0值、KDP 为-1.2～0.45 °/km，RHV为0.74～0.95，HCL可以直观地对降水粒子的种类进行判断。X 波段双偏振多普勒天气雷达能够较好地反映对流单体的回波特征，双偏振参量能提供更多的冰雹识别特征。

关键词X波段双偏振多普勒天气雷达;影响系统;回波特征;偏振特征产品

中图分类号P412.25文献标识码A 文章编号0517-6611（2020）15-0230-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.065

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis of the Characteristics of Xband Dualpolarization Radar during a Hail Weather in Spring

LI Chune1，WU Maifeng2，HU Wei1 et al

（1.Meteorological Bureau of Xianyang City， Xianyang，Shaanxi 712000;2.Meteorological Bureau of Weinan City， Weinan，Shaanxi 714000）

AbstractUsing sounding data and Xianyang Xunyi Xband double polarization doppler weather radar， the weather situation of a hail process on 26 April 2017 and the characteristics of the dual polarization radar product were analyzed， the results showed that the hail weather occurred in 200 hPa westerly jet， after the 500 hPa trough cold advection， low in the condition of high temperature and high humidity and ground dry cold weather background， atmosphere and had strong stability， vertically exist strong vertical wind shear， is conducive to the development of convective motion;The height of 0 ℃ layer and -20 ℃ layer in Xian sounding were favorable for the maintenance and growth of hail in thunderstorm monomer. There was an inversion layer near the boundary layer， which was conducive to the storage of unstable energy. There was strong dry cold air in the near stratum， which lifts the warm moist air in the middle and lower strata. The reflectivity factor and radial velocity of xband radar showed typical characteristics of thunderstorm monomer echo， and there was obvious threebody scattering echo. There were weak echo regions and overhang structures corresponding to strong inflow and strong rising motion， and there were obvious echo walls. Strong echoes ≥50 dBz were observed above the height of 0 ℃ layer （3 km）. The radial velocity profile showed convergence in the upper middle and lower layer and divergence in the upper layer， satisfying the echo velocity characteristics of hail. ZDR， KDP， RHV and other parameters of Xband dualpolarization radar could effectively improve the recognition ability of hail. The value range of ZDR， KDP and RHV of hail echo was obviously different from that of heavy precipitation echo， which could effectively distinguish hail echo from heavy precipitation echo. When hail fell， a large area of 0 value and KDP value of 2.4 elevation Angle ZDR appeared from -1.2-0.45 °/km， RHV from 0.74 - 0.95， and HCL could directly judge the types of precipitation particles. The xband dualpolarization doppler weather radar could better reflect the echo characteristics of convective monomers， and the dualpolarization parameters could provide more hail recognition features.

Key wordsXband dualpolarization doppler weather radar;Impact system;Echo characteristics;Polarization characteristic product

基金項目陕西省气象局科学技术研究项目面上科研项目“X波段双偏振雷达测量参数在冰雹识别中的应用”（2017M-19）。

作者简介李春娥（1969—），女，陕西白水人，高级工程师，从事短期天气预报研究。*通信作者，正研级高级工程师，从事短期天气预报研究。

收稿日期2020-02-05

陕西关中北部处于关中平原向黄土高原的过渡地带，地形复杂，冰雹、雷雨大风、短时强降水等强对流天气发生频繁，对工农业生产造成较大影响。特别是冰雹，其突发性强、持续时间短、局地性特征明显，利用常规天气资料分析，仅能做出潜势预报，临近预报业务主要利用雷达资料，国内在利用新一代天气雷达产品对冰雹等强对流天气监测和分析方面的研究已经有了不少成果[1-5]。近年来国内也开始对X 波段双偏振雷达展开研究，马建立等[6]研究了X波段双偏振雷达电磁波衰减对冰雹识别的影响，指出X波段电磁波在雨区的衰减会导致识别冰雹不准确，经过衰减订正后的差分反射率因子能更有效识别冰雹。张雄等[7]研究了X波段双偏振天气雷达在冰雹识别中的应用，指出X波段双偏振雷达的偏振参量ZDR和粒子识别 HCL 等对冰雹具有较好的指示性。

2017年4月26日17：00，咸阳市彬州境内有对流云发展，并自东北向西南移动，进入长武县后发展加强，在相公镇、彭公乡及冉店乡造成冰雹天气。最大冰雹直径10 mm，其中相公镇冰雹密度较大，持续时间10 min左右，地面上覆盖了薄薄一层雹粒。这是典型的陕西局地性冰雹[8]，预报难度较大，市气象台漏报了这次冰雹过程。笔者从层结不稳定条件、水汽条件、抬升触发条件等方面探讨有利于此次冰雹过程发生的环境背景条件，并利用咸阳旬邑X波段双偏振雷达资料对冰雹的雷达回波特征进行识别和分析，以期能给预报员提供更多的冰雹预报着眼点，减少这类冰雹天气的漏报，提高咸阳强对流天气短时临近预报预警水平。

1天气形势及主要影响系统

2017年4月26日08：00，200 hPa在陕西省北部有西风急流轴，咸阳位于高空急流轴南侧强辐散区，有利于对流云顶质量辐散的加强和上升运动的维持[9];500 hPa欧亚大陆为两槽一脊型，巴尔喀什湖到贝加尔湖为宽阔的高压脊，乌拉尔山附近和我国东北部为冷涡。咸阳位于平凉到榆中的下滑槽前的平直气流中，槽后有明显的干冷平流，有利于强对流天气的发生;700～850 hPa陕西位于高压环流之中，关中北部较暖，南部受偏东气流影响，湿度较大。高温高湿的中低空条件有利于强对流天气的发展;边界层附近出现从华北倒灌下来的东北路干冷空气，925 hPa西安出现12 m/s的NE风，强冷空气的大量堆积又促使了中低层暖湿空气的抬升;地面图上陕西处于西伯利亚到华南的带状高压之中，冷空气势力较强，冷垫作用明显。长武附近有一条干线（图1），水平干湿分布不均匀易引起大气层结不稳定，加强了对流云的发展，为局地冰雹天气的发生提供了触发条件;以T850 hPa-T500 hPa>22 ℃来表示大气不稳定区域，可以发现，26日08：00西安位于不稳定区域内，说明关中地区的不稳定能量充足，受到系统触发容易发生强对流。

2探空资料分析

26日08：00西安站探空TlogP图（图2）显示，0 ℃层在3 km以下，位置较低，有利于冰雹天气发生;边界层附近有逆温层，有利于不稳定能量储存，当能量积累到一定程度时冲破逆温层，产生了强烈的上升运动[10]。600 hPa 以上为干层，925～750 hPa湿度条件较好，大气处于上干下湿状态。925 hPa以下的干冷大气表征了近地层有强的干冷空气，抬升了低层的暖湿空气，大气层结呈不稳定状态，有利于强对流天气的发生。SI指数大于3，不符合强对流天气特征，是由于在850～500 hPa存在逆温层，SI指数判据不能用[11]。

3冰雹过程的X波段双偏振雷达产品分析

双偏振雷达可以交替发射或同时发射水平和垂直偏振波，并接收2 个偏振方向的回波信号，除获取反射率强度（Z）、径向速度（V）、速度谱宽（W）外，还可探测差分反射率因子（ZDR）、差分传播相移（KDP）、零滞后相关系数（RHV）等参量，具有识别粒子相态功能，能够很好地区分强回波是冰雹回波还是强降水回波[12]。

3.1多普勒天气雷达常规产品

旬邑雷达0.5°仰角基本反射率图上，4月26日15：58在距离长武18 km的彬州市东北部有一块强度55 dBz的强回波自东北向西南方向缓慢移动，16：57回波移近长武边界，17：12强回波进入长武县相公镇，其后部出现14 km长的三体散射，2个体扫后于17：27强回波前部穿过相公镇到达彭公乡，三体散射特征减弱，在此期间长武相公镇出现冰雹，强回波位置与冰雹区相对应，冰雹出现时段和三体散射出现时段相对应。

回波向远离雷达方向移动，对26日17：20反射率（图3a）进行径向切割（图3b），垂直剖面图上出现回波悬垂和有界弱回波（BWER），在回波移动方向的前方低层有干冷入流气流，加强了对流云的抬升。0 ℃层高度（3 km）以上有≥50 dBz的强回波，符合冰雹发生的条件。强回波顶高在5 km左右，高度较低，与大冰雹相比，春季小冰雹的回波高度较低，回波强度弱，这可能是因为在春季低层能量较低，地面的辐合抬升作用促使暖湿气流上升，但上升高度有限。

3.35°仰角的径向速度图上（图4a），在长武县相公镇境内中层有小的气旋性辐合存在，径向速度剖面图上（图4b），2 km以上中低层辐合、高层辐散，满足冰雹发生的回波速度特征。

此次冰雹天气过程中垂直累积液态含水量（VIL）为15～20 kg/m2，与夏季冰雹发生过程中VIL值相比偏低。

3.2X波段双偏振雷达参量特征及产品分析X波段雙偏振雷达冰雹回波的ZDR、KDP、 RHV取值范围与强降水回波有明显区别，能有效提高冰雹的判识能力。

3.2.1差分反射率因子（ZDR）。

双偏振参数在识别降水粒子类型时，差分反射率的识别作用最大，为最重要的偏振参量[13]，在降水粒子相态识别方面有着广泛的应用。差分反射率因子（ZDR）是水平反射率因子与垂直反射率因子之差，与粒子形状关系密切，主要表征降水粒子的空间取向和长短轴之比。试验和观测结果均表明，水滴形状一般呈扁平状，水平轴大于垂直轴，雨区ZDR在0～5.0 dBz，水平反射率因子值通常不大;而冰雹在下落过程中翻滚和形状不规则，认为其是各向同性的，导致冰雹云具有较大的水平反射率因子值和较小的 ZDR 值[14] 。

ZDR 能反映降水粒子的尺寸和横纵轴之比，其主要依赖于粒子总数在不同尺寸上的分布。从图5可以看出，在降雹时，对应强回波处的重点关注区（图5中红色椭圆）内0.5°仰角ZDR以正值为主，2.4°仰角ZDR出现大面积0值和小范围负值，最小值为-1.1 dBz，说明雷暴单体在高层以固态粒子垂直分布为主，在低层以冰水混合粒子水平分布为主，24°仰角的0值区对冰雹预报具有较好的指示意义。

3.2.2差分传播相移（KDP）。

KDP为水平极化发射电磁波和垂直极化发射的电磁波在穿过降水目标时，传播常数发生变化而引起的传播相移的变化，反映了相移变化在距离上的对应关系。KDP 的差异主要归因于各向异性粒子组成的差异，因此液态降水是影响 KDP 的主要因素，KDP值越大表明液态含水量越丰富。在图6a中重点关注区内2.4°仰角KDP为-1.2～0.45°/km，说明雷暴单体中存在湿雹的可能性。

3.2.3零滞后相关系数（RHV）。RHV反映了水平偏振和垂直偏振回波功率之间的相关系数，仅与目标形状和相态有关。从RHV 的特性来看，粒子的形状和空间取向以及降水粒子的数量是影响其值的主要因素。RHV对应降雨时，因水平和垂直信号相关性较好，所以值较大，接近于 1。冰雹由于下落过程中存在翻滚，散射性质发生较大变化使得相关系数较小[15] 。图6b中在距离雷达33 km处的 RHV 值 >0.97，说明该处水凝物类型单一，为液态降水的可能性很大，越往后方RHV值越减小，0.5°仰角重点关注区处的 RHV 值为 0.74～095，说明此处为混合水凝物，可能为湿雹或湿雪。

3.2.4基本粒子HCL。

双偏振雷达通过模糊逻辑识别法提供了水凝物分类产品（HCL），将水凝物分成 9 类，可以直观对降水粒子的种类进行判断。从图6c可以看到，0.5°仰角重点关注区内有较大范围的干雪、小冰雹和大雨，冰雹在雷暴单体前部，后部为强降水。

4结论

该研究利用探空资料和咸阳旬邑X波段双偏振天气雷达对2017年4月26日咸阳北部的一次对流单体冰雹天气过程进行分析，得到以下主要结论：

（1）此次冰雹天气发生在 200 hPa 西风急流、500 hPa槽后冷平流、高温高湿的中低空条件及地面干冷空气的天气背景下，大气层结具有强不稳定度，垂直方向上存在较强的垂直风切变，均有利于对流运动的发展。

（2）26日08：00 西安探空的 0 ℃层高度以及-20 ℃层高度均十分有利于冰雹在雷暴单体中的维持和增长;边界层附近有逆温层，有利于不稳定能量储存;近地层有强的干冷空气，抬升了中低层的暖湿空气。

（3）X波段雷达的反射率因子以及径向速度均表现出典型的雷暴单体回波特征，出现了明显的三体散射回波;存在与强入流和强上升运动对应的弱回波区和悬垂结构，具有明显的回波墙;0 ℃层高度（3 km）以上有≥50 dBz的强回波;径向速度剖面图上中低层辐合、高层辐散，满足冰雹发生的回波速度特征。

（4）X波段双偏振雷达的ZDR、KDP、RHV 等参量能有效地提高对冰雹的识别能力。冰雹回波的ZDR、KDP、RHV 的取值范围与强降水回波有明显区别，能够有效地区分冰雹回波与强降水回波。在降雹时，2.4°仰角ZDR 出现大面积0值、KDP 为-1.2～0.45 °/km，RHV在 0.74～0.95，HCL 可以直观地对降水粒子的种类进行判断。通过分析可知，X 波段双偏振多普勒天气雷达能够较好地反映对流单体的回波特征，双偏振参量能提供更多的冰雹识别特征。

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