鄂北一次超级对流单体的双偏振雷达特征分析

贺晓露 杨涛 李格 郝元甲 姜伟男 秦幼文

(湖北省随州市气象局，随州 441300)

引言

湖北地处长江中游，春季因冷暖空气交汇而对流风暴多发，其伴随的雷暴大风、短时强降水和冰雹等灾害性天气，往往给当地人民生命财产造成不同程度的损失。而超级单体作为多种对流风暴中发展最猛烈、组织化程度最高的风暴，引起了国内外众多气象学者的关注与研究。Browning等[1-3]利用雷达反射率因子特征对超级单体的结构进行开创性研究，并指出超级单体具有弱回波区(WER)或有界弱回波区(BWER)等特征；Doswell等[4]指出，超级单体区别于其他风暴的最本质特征是具有深厚持久的中气旋。随着天气雷达观测技术的更新和超级单体雷达观测个例的增加，超级单体的更多雷达典型特征被发现，如低层的钩状回波和入流缺口、悬垂回波、风暴主体向着低层入流方向伸出等特征[5-10]。

受限于多普勒雷达观测资料，过去国内多数研究集中于超级单体的风暴结构和机理分析，而对超级单体的云微物理特征很难开展深入研究。相较于单偏振雷达，双偏振雷达可提供差分反射率因子Zdr、相关系数R、差分相位常数Kdp等偏振分量，这些偏振分量可用于分析强风暴中水凝物粒子的相态、形状、大小等信息。超级单体的对流非常强盛，上升气流可达40 m·s-1，单体内包含多种降水粒子，云微物理过程复杂，常在偏振分量观测中出现一些独特现象[11]，能进一步分析超级单体的云微物理过程，更好地发现超级单体一些特征的本质。国外早有研究表明，对流风暴的强上升气流附近存在正Zdr呈垂直柱状分布[12-13];低层前侧下沉气流(FFD)南边界附近存在一条呈弧状分布的Zdr大值区[14-15];在上升气流左侧常常存在正的Kdp柱，主要由大量混合相粒子组成[16]。近年来，国内较多S波段双偏振雷达投入业务应用，其偏振分量及其相关产品也开始用于研究分析[17-21]。

2020年5月4日下午到夜间，鄂北随州出现了一次较长时间的强对流天气，造成随州市严重经济损失。本文利用华中首部S波段双偏振雷达资料，结合常规气象观测资料，对此次强对流天气个例进行分析，重点分析此次过程中超级单体的演变特征及其偏振量特征，为今后使用S波段双偏振雷达资料进行强风暴分析研究提供一些有意义的参考。

1 实况和灾情

2020年5月4日下午到夜间湖北省随州市随县和曾都区出现雷暴大风、短时强降水和冰雹，其中17:00—18:00和19:00—20:00为两段对流最强时段。过程共9个区域站出现8级以上雷暴大风，最大为20:02厉山站27.1 m·s-1；5个区域站出现短时强降水，最大为20:00历山站33.4 mm，3个区域站3 h累计雨量达50 mm以上。

此次过程造成随州市随县、曾都区共13005人受灾，因灾死亡1人，因灾直接经济损失10240.4万元。

2 大尺度环流背景及对流潜势分析

2.1 天气系统配置

由图1可知，500 hPa欧亚为两槽一脊型，我国呈西低东高分布，北支槽位于东北至华北地区并逐渐东移，带动冷空气南下。副高强度偏强，120°E脊线位于17°N附近，南支槽位于重庆至贵州一带并逐渐东移，4日20:00随州市处于南支槽前的西南气流中。700和850 hPa暖切位于湖北南部，随州处于中低层偏南气流控制中。925 hPa暖切位置偏北，位于随州上空，同时北侧有一支急流核达16 m·s-1的东北急流，在随州一带形成明显的风速辐合。从中尺度分析来看，500 hPa冷槽位于850 hPa暖脊之上，使得鄂北850 hPa与500 hPa温差达28 ℃以上，温度直减率大。同时湖北中南部T-Td(温度露点差)达8～10 ℃，河南南部T-Td仅1 ℃，随州处于T-Td大梯度区。这种上冷下暖形势配合中低层T-Td大梯度形成明显的层结不稳定，有利于强对流的发生发展。在地面图上，白天湖北受暖倒槽控制，随州气温回升至34 ℃，不稳定能量集聚，傍晚中路冷空气逐渐南压侵入暖倒槽形成锋生。4日17:00冷锋位于河南南界，冷锋前沿偏北气流侵入暖倒槽在随州中部形成地面辐合线，触发不稳定能量释放，在地面辐合线附近出现强对流天气。

图1 2020年5月4日20:00湖北省随州市中尺度综合分析(红五星表示随州国家观测站，红三角表示武汉国家观测站)

2.2 对流潜势分析

选取距离随州最近的武汉站2020年5月4日08:00、20:00探空资料来分析对流潜势变化(图2)。可知：地面至500 hPa有明显的风向随高度顺时针旋转，风速随高度增大，说明中层以下有暖平流发展，08:00 0～6 km垂直风切变较弱，随着中层西南风增强，20:00 0～6 km垂直风切变增强至18 m·s-1，达中等强度，大的垂直风切变有利于强对流加强和维持。从温湿结构看，08:00“喇叭口”层结明显，近地层有非常浅薄的湿层，700 hPa以上存在明显的干层，20:00随着中高层西南暖湿气流发展，500 hPa以上为深厚的湿层，同时中低层720 hPa附近也有浅薄湿层，但700～600 hPa处仍有干层存在，中层的干空气夹卷有利于加强下沉气流，形成地面大风。从不稳定条件分析(表1)，08:00和20:00中低层均有不稳定层存在，但08:00除了有较高的对流有效位能CAPE外，其他各项不稳定指数条件较差，不稳定性较弱；20:00各项不稳定指数明显变化，不稳定性增强。湿球温度0 ℃层(WBZ)在3～3.8 km，-20 ℃层高度在7.6～7.8 km，适宜冰雹生长。综合来看，此次过程在下午到晚上有强不稳定层结、中等强度垂直风切变、中层干空气夹卷以及较适宜的0 ℃层和-20 ℃层高度，有利于冰雹和雷暴大风的发生。

图2 2020年5月4日武汉站08:00(a)和20:00(b)探空T-lnp图

表1 2020年5月4日武汉站08:00和20:00强对流参数对比

3 超级单体风暴演变概况

2020年5月4日下午到晚上，随州雷达观测到有对流单体不断在测站西南方生消。雷达监测表明，此次过程主要是由4个多单体风暴和1个超级单体风暴引起的。由于超级单体风暴回波结构更加典型，因此下面将重点分析超级单体风暴的雷达回波特征。

16:45在随州雷达西北侧存在多个对流单体向东北移动(图3a)，其中单体A、B、C于16:50开始相互合并，17:02 3个单体完全合并成1个单体，其水平反射率因子Zh中心值增大到60 dBz并在垂直方向上继续伸展，此时单体右前侧出现“V”形入流缺口(Front Inflow Notch,FIN),FIN的出现说明前侧入流明显(图3b)。17:07 FIN维持，60 dBz的Zh大值中心向下伸展至1.5°仰角(图3c)。从径向速度场上分析，16:45单体A、B、C在中层均存在径向辐合(图3d)，17:02中低层由径向辐合转为气旋性辐合(图3e)，而6°仰角则对应为反气旋速度对(图略)。17:07中低层气旋性辐合明显增强，1.5°仰角的最大旋转速度达14 m·s-1，达弱中气旋标准(图3f)，中气旋的出现标志着超级单体的形成。17:07—17:30超级单体进一步发展加强，水平反射率因子增强。从中气旋产品来看，17:24—17:41均识别出中气旋，且17:24—17:35中气旋厚度增加，切变强度增大，17:41中气旋高度明显下降，切变强度达到最强且下传，直径收缩。随着中气旋的下降，其旋转速度迅速减弱，中气旋消失，超级单体也逐渐减弱并于18:14消亡。

图3 2020年5月4日随州雷达16:45 3.3°仰角、17:02 3.3°仰角、17:07 1.5°仰角的水平反射率因子Zh(a、b、c)和径向速度V(d、e、f)(图中FIN表示入流缺口;距离横坐标东方为正,纵坐标北方为正,下同)

图4是以单体B为中心而形成的超级单体风暴的参数演变图，灰色柱体为风暴厚度以及云底、云顶高度。从风暴各项参数演变来看，其最大水平反射率因子(DBZM)始终维持在50 dBz以上，16:45—17:02风暴向上向下发展，厚度明显增加，但风暴顶高度不足10 km，风暴质心高度(CENT HT)变化不大、最大反射率因子高度(DBZM HT)迅速升高至6 km附近后基本维持，垂直累积液态含水量(VIL)逐步增大，这一时期为风暴的发展阶段。17:07起风暴发展为超级单体，CENT HT和DBZM HT先升后降，云顶发展至14 km以上，风暴垂直厚度超过13 km，VIL于17:18激增至最大88 kg·m-2，此时DBZM也增加到66 dBz。17:24 CENT HT、DBZM HT和VIL都开始下降，17:30 DBZM HT迅速下降至0.7 km，VIL也随之持续下降，此时可能是地面开始降雹的时间。而17:35风暴顶高度下降，预示着云顶的崩塌，有利于下沉气流加速在地面形成大风， 风暴东侧的区域站风速于17:35—17:40迅速增大，并于17:45出现17.5 m·s-1的雷暴大风。17:52风暴顶高度进一步下降至10 km以下，风暴进入消亡期。17:02—17:46强冰雹概率POSH维持在100%，冰雹尺寸持续预估在4 cm以上。

表2 2020年5月4日随州雷达17:24—17:41中气旋参数

图4 2020年5月4日随州超级单体风暴各阶段多项参数的时间演变(图中灰色柱体为风暴厚度(云底、云顶高度)，DBZM为最大反射率因子，DBZM HT为最大反射率因子高度，CENT HT为质心高度，VIL为垂直累积液态含水量)

4 超级单体的偏振量特征

相较于单偏振雷达，双偏振雷达可提供差分反射率因子Zdr、相关系数R、差分相位常数Kdp等偏振分量，在粒子相态识别上有显著优势[20]，因此，通过分析超级单体的偏振分量特征，可进一步分析风暴发展演变过程。

4.1 水平偏振特征

4.1.1 低层Zdr弧

以往众多研究表明[15-19]，Zdr弧是超级单体最显著的低层偏振特征，这一特征往往出现在FFD的附近，表现为一条细长而浅薄的弧状大值带，伸展高度在1～2 km左右。由图5a～c可知在17:30超级单体成熟阶段，低层0.5°仰角存在两处Zdr大值区，一处位于钩状回波附近呈块状分布；另一处位于FFD西侧呈近似弧状分布，即Zdr弧。

观测发现，位于FFD西侧的Zdr弧与Zh大值区并不重合，而是位于其南侧Zh大梯度区，Zdr弧的厚度也较为浅薄，其伸展高度约2.5 km。Bringi等[22]研究表明，大的Zdr值主要与椭球形的大雨滴有关。从水凝物分类(HCL)可知(图5d)，位于FFD西侧的Zdr弧主要由大雨滴构成的，这就应证了粒子分选机制[23]：低层的风垂直切变导致不同大小粒子的下降轨迹也不同，小粒子下落末速度小，受环境风作用时间更长，输送的距离更远，大粒子则反之。因此实现了粒子的大小排序，最终导致大粒子集中在离下沉气流更近的区域。而大粒子相对于下沉气流的位置则取决于环境风场[11]。结合随州雷达风廓线VWP(图略)和武汉站的探空图(图2)分析，此次过程低层环境风为偏东风，偏东风将从高空融化下落的大雨滴输送到FFD西侧，使Zdr弧位于FFD西侧。从Zdr弧的时间演变特征来看，17:13在0.5°仰角已经出现Zdr弧特征，一直持续到17:41，之后随着单体减弱，Zdr弧特征消失(图略)，这说明此次个例中，Zdr弧主要出现在超级单体的发展阶段和成熟阶段。

图5 2020年5月4日随州雷达17:30 0.5°仰角水平反射率因子Zh(a)、径向速度V(b)、差分反射率因子Zdr(c)、水凝物分类HCL(d)(图中FFD表示前侧下沉气流，下同)

4.1.2 中层Zdr环和R环

由图6可知，在4.3°仰角上，超级单体的钩状回波附近存在Zdr>1 dB、R<0.96的区域。通过武汉站探空数据(表1)可知，此次过程融化层高度在3～3.8 km之间，而Zdr>1 dB、R<0.96的区域高度约5.2 km，位于融化层之上。同时这一区域还位于中气旋东北侧，中气旋即代表强旋转上升气流所在之处。由于强上升气流存在正温度扰动，使冰相粒子在上升气流附近下落时融化，同时此处还存在由强上升气流托举的大雨滴，从而形成湿雪、霰、雨滴等混合相粒子。大雨滴的存在以及冰相粒子的融化导致此处液态含水量增多，其介电常数也相应增大，而Zdr对介电常数十分敏感，对于单个相同轴比的雪和雨，其Zdr值可相差10倍以上[24]，因此强上升气流附近出现Zdr大值区形成的Zdr环。这与Kumjian等[15]提出的Zdr环常出现在融化层附近，与气旋性涡度相关联的结论一致。由于存在不同相态粒子，其粒子形状、尺寸、介电常数各不相同，导致其对应的R值也有所下降，形成R环。

图6 2020年5月4日随州雷达17:30 4.3°仰角差分反射率因子Zdr(a)、相关系数R(b)、径向速度V(c)、水凝物分类HCL(d)

从时间变化来看，中层Zdr环和R环于16:56出现并维持到17:46，但17:41—17:46Zdr环和R环的面积明显减小。这说明在超级单体的初始阶段、发展阶段以及成熟阶段由于存在强上升气流，导致中层出现Zdr环和R环，而当超级单体处于减弱消亡阶段时，单体内部转为下沉气流，Zdr环和R环特征逐渐消失。

4.2 垂直偏振特征

4.2.1Zdr柱

前文提到17:30在钩状回波附近存在一块状Zdr大值区，这一Zdr大值区与Zh大值区也不重合(图5a、c)，其形成原因是Zdr柱。许多学者均在超级单体中观测到Zdr柱，概括其定义为：Zdr>0 dB的区域垂直伸展高度超过0 ℃，即为Zdr柱。Zdr柱常常与上升气流相联系，如Brandes等[25]指出Zdr柱常位于上升气流附近，Zdr柱内存在直径8 mm的大雨滴。Loney等[16]认为Zdr柱中的扁平大雨滴可能是悬垂回波处的大雨滴掉落低层被重新卷入上升气流中，王洪等[11]则认为大雨滴被上升气流带入云中较冷的区域后冻结并失去取向稳定导致Zdr值迅速减小。

图7为超级单体不同阶段的Zh、Zdr、Kdp垂直剖面。图中可见，初始阶段(16:56)Zh中有2个大值中心(图7a)，说明单体A和B还未完成合并，此时单体A、B中均存在Zdr>1 dB的柱状回波，其中单体B对应的Zdr柱伸展高度约9 km(图7d)。发展阶段(17:13)，单体A、B已完全合并且发展成超级单体B，Zh强中心高度向上发展至10 km以上，中层出现弱回波区(图7b)，此时大于1 dB的Zdr柱高度伸展至10 km左右，且Zdr柱中心值增大至3 dB以上(图7e)。观察发现，Zdr柱位于Zh弱回波区及其上侧的强回波中心区，这是因为强上升气流形成正温度扰动导致高空降落的各种冰相粒子在0 ℃层以上融化，形成各种外包水膜的冰相粒子，冰相粒子的融化导致液态含水量增多，介电常数增大，导致0 ℃层以上Zdr值增大，从而形成自上而下的Zdr柱；同时还有少部分冰相粒子在强上升气流附近下落融化的过程中被重新输送至强上升气流中，导致在弱回波区形成Zdr大值区。成熟阶段(17:30)，超级单体B的弱回波区以及高层悬垂回波等特征更加明显，强回波中心明显下降(图7c)，Zdr柱仍位于Zh弱回波区，但其伸展高度下降至5 km左右，中心值减小到2 dB(图7f)。17:46之后，超级单体进入消亡阶段，Zdr柱特征消失(图略)。

图7 2020年5月4日随州雷达16:56沿305°方位角、17:13沿314.5°方位角、17:30沿320.4°方位角的水平反射率因子Zh(a,b,c)、差分反射率因子Zdr(d,e,f)和差分相位常数Kdp(g,h,i)的垂直剖面(图中红实线为湿球0 ℃层高度)

综上所述，超级单体的初始阶段、发展阶段和成熟阶段均存在Zdr柱，与Zh弱回波区位置对应较好，说明这些时期均有上升气流，但Zdr柱在不同阶段的演变特征也反映出不同时期上升气流的变化。初始阶段和发展阶段Zdr柱伸展高度较高，说明上升气流发展高度高，发展阶段Zdr柱中心值明显增大，反映了这一阶段上升气流的强度明显增强，能托举尺度更大的粒子；而成熟阶段Zdr柱伸展高度下降，中心值减小，则反映了此时单体内部上升气流的强度减弱，高度下降。

4.2.2Kdp柱

王洪等[11]发现Kdp主要对雨水敏感，而Snyder等[26]通过模拟发现，Kdp柱可以非常好地跟踪雨水混合比，潘佳文等[18]发现Kdp柱所在的位置与地面雨强中心有较好的对应关系，这些都说明Kdp值能反映该区域的液态水滴含量，它不仅和粒子相态有关，还与粒子的数密度有关，其数值越大，则表示液态水滴含量越多[27]。Romine等[28]和潘佳文等[18]则在超级单体中观测到Kdp>0°/km的区域垂直伸展到0 ℃层以上，这一现象被称为Kdp柱。

图7g中可见，初始阶段单体A、B中均存在Kdp>0.5°/km的柱状回波，伸展高度约5 km左右，位置与Zdr柱基本一致，且Kdp柱大值中心与Zh强中心相对应，这表示Zh强中心含有大量液态水滴。发展阶段(图7h)，大于0.5°/km的Kdp柱伸展至10 km左右，伸展高度明显增高，且随高度向右侧倾斜，与Zdr柱位置并不重合，与Zh强中心也不重合，而是位于Zh悬垂回波处，这说明Zh强中心虽然冰相粒子有所融化，但液态水含量不高，仍以冰相粒子为主，而液态水滴主要集中在Zh悬垂回波处。成熟阶段(图7i)，Kdp柱伸展高度下降到7 km左右，仍位于Zh悬垂回波处，同时3 km以下出现Kdp>3°/km的大值中心，与Zh强中心相对应，这说明高层粒子下降到融化层以下融化形成大量液态水滴，地面可能会出现短时强降水。但由于地面区域站密度不够，此次个例无法验证Kdp柱和近地层Kdp大值中心与地面降水的关系。

5 结论与讨论

对鄂北随州2020年5月4日发生的强对流天气过程，通过华中首部S波段双偏振雷达资料，分析了超级单体的演变过程及其成熟阶段的偏振分量特征，得到以下结论：

(1)此次强对流天气是在低空切变线和地面辐合线共同作用下形成的。上干冷下暖湿的垂直层结提供不稳定能量，地面冷空气入暖槽提供触发条件，配合0～6 km中等强度垂直风切变及较适宜的0 ℃ 层和-20 ℃层高度，有利于强风暴的发生发展，从而导致出现冰雹、雷暴大风等强对流天气的出现。

(2)超级单体发展过程中，观测到前侧“V”形入流缺口、中气旋、弱回波穹隆、悬垂回波、钩状回波等特征，且风暴顶高度、风暴质心高度、最大反射率因子高度、垂直累积液态含水量等风暴参数均呈先升后降趋势。

(3)在0 ℃层以下的低层，偏东风将大雨滴输送到FFD西侧，导致在FFD西侧观测到浅薄的Zdr弧。Zdr弧与Zh大值区并不重合，而是位于其南侧Zh大梯度区，并且出现在超级单体的发展阶段和成熟阶段。

(4)在0 ℃层之上的中层，钩状回波附近的上升气流形成正温度扰动，使冰相粒子在上升气流附近融化，形成湿雪、霰、雨滴等混合相粒子，导致出现Zdr增大，R减小的现象，形成Zdr环和R环。Zdr环和R环在超级单体的初始阶段、发展阶段以及成熟阶段均存在，在消亡阶段消失。

(5)在垂直方向上，强上升气流使0 ℃层高度以上存在液态水滴，导致Zdr大值区伸展到0 ℃层高度之上，形成Zdr柱。Zdr柱存在于超级单体的初始、发展和成熟阶段，与Zh弱回波区位置对应较好。初始阶段和发展阶段Zdr柱伸展高度较高，说明上升气流发展高度高，发展阶段Zdr柱中心值明显增大，反映了这一阶段上升气流的强度明显增强，能托举尺度更大的粒子；而成熟阶段Zdr柱伸展高度下降，中心值减小，则反映了此时单体内部上升气流的强度减弱，高度下降。

(6)超级单体的初始、发展和成熟阶段均出现Kdp柱特征，Kdp柱可以反映出超级单体中含有大量液态水滴的区域。初始阶段，Kdp柱与Zdr柱位置基本一致，其大值区与Zh强中心相对应；发展阶段和成熟阶段，Kdp柱与Zdr柱位置并不重合，而是位于Zh悬垂回波处。

由于随州S波段双偏振雷达于2019年6月才投入业务应用，超级单体等强风暴的观测资料有限，文中仅对1次超级单体个例进行分析，结果是否具有普适性还需要更多的观测资料积累验证。同时上述雷达偏振特征基本以定性分析为主，各偏振量之间的定量关系还需进一步研究。