一次人工防雹作业的双偏振雷达特征分析

郑 皎，韩迁立，徐 艳，侯 伟

（1.红河州气象局，云南 蒙自 661199；2.建水县气象局，云南 建水 654300）

天气雷达一直是人工防雹指挥作业的主要工具。常规多普勒天气雷达对冰雹的监测存在一定缺陷，它无法通过回波强度和径向速度特征来区别不同相态的降水粒子，而双线偏振雷达通过发射水平、垂直正交线极化波束，得到丰富的雷达偏振参量[1]（如差分反射率、相关系数等），研究和利用这些偏振参量，对于提高雷达定量估测降水的准确度，以及了解降水粒子的相态、空间分布等均有更好的指示意义[2]。王致群等[3]探讨了偏振雷达在人工影响天气方面的应用问题，介绍了不同偏振雷达在识别云内水成物粒子相态、密度、观测云内水成物粒子微物理变化过程，以及被用于云的作业效果评估等方面的方法。陈羿辰等[4]利用双偏振雷达跟踪分析了在不同高度上防雹作业前后云体宏观结构特征各粒子相态等微物理变化过程。刘红亚等[5]结合天气个例，对冰雹天气过程的双偏振雷达特征进行了分析。

红河天气雷达是云南省第一部C波段双偏振雷达，怎样利用双偏振参量实现对冰雹生消的有效监测并建立判别指标，实现人工防雹高效科学指挥显得尤为重要。本文以一次人工防雹指挥作业为例，对作业前后双偏振参数特征进行分析，探讨红河州人工防雹判别作业指标。

1 资料及数据来源

雷达资料取自红河C波段双偏振新一代天气雷达，主要选取出现冰雹或防雹作业前后30 min的雷达资料来。雷达基本参数：天线馈源海拔高度2 491 m，雷达波长5.5 cm，采用水平、垂直双极化方式，强度监测≥400 km，双偏振测量≥150 km，采用VCP21观测模式，数据平均间隔为6 min。天气形势场资料来自MICAPS，冰雹资料取自云南省灾情直报系统，人影作业情况取自云南省人工影响天气作业信息管理系统。

2 天气形式分析

2.1 天气实况和天气背景

3月17日16：40，元阳县5个乡镇出现降雹，持续时间20 min，冰雹最大直径4 cm。18：40左右个旧、蔓耗、屏边、滴水层附近降雹，冰雹直径2 cm。19：00河口4个乡镇先后出现大风冰雹及短时强降水。

3月17日08时，地面冷锋位于丽江华坪、昆明至文山一带，红河州东部地区受冷锋控制，700 hPa四川南部到云南东部存在弱切变线。本次冰雹天气过程主要影响天气系统是冷锋切变。

2.2 对流潜势分析

冰雹发生地距蒙自约50 km，蒙自站的探空曲线变化可基本反映这次强对流天气发生区上空的天气变化情况（图1）。

2.2.1 T-ln P图

从3月17日08时蒙自站T-ln P图（图1a）可知，蒙自站“下湿上干”、有逆温，为典型的喇叭口型结构，且有明显的不稳定能量，有利于对流发展。热力对流参数中湿对流有效位能CAPE=604.1 J/kg＞400 J/kg，K指数=38℃＞30℃，沙氏指数SI=-3.14℃＜-1℃，总指数TT=51℃＞50℃，抬升指数LI=-2.75℃＞-3℃，除抬升指数外均满足强对流的参考指标[6]。综合指数强天气威胁指数SWEAT=274.1，接近300的强对流参考指标，0℃层高度为4 345 m，位于600 hPa附近，-20℃层高度为7 520 m，位于400 hPa附近，有利于冰雹的产生。由图1可知，当天环境条件非常有利于出现强对流天气[6]。

2.2.2 V-3θ图

V-3θ图是运用图像结构来预测天气的方法，其中“滚流”引自水利学的概念，用于描述大气垂直涡旋变化情况，按风矢量及风速的不均匀性分为“顺滚流”和“逆滚流”，“顺滚流”可作为判别对流性天气出现与否的重要指标[7-8]。V-3θ图作为对流潜势分析的有效方法得到了广泛应用[9-11]。

从3月17日08时蒙自站V-3θ图（图1b）可知，冰雹发生前有较为清晰的结构特征[7-8]，主要表现在：（1）强烈的非均匀结构。θ曲线在850～700、500～400、300～250 hPa等多处明显折拐（左倾）甚至垂直于T轴，呈现“罗锅”态，中低层θse和θ*线出现多处明显左倾，甚至与T轴成钝角，说明大气层结结构极不稳定。（2）水汽分布不均匀。θse和θ*线在地面处，700～600 hPa靠得较近，而在500 hPa处θse和θ*线则距离较大，呈现出“蜂腰”结构，表现为中层湿、低层和高层干，且有多个干湿层的状况，这是水汽条件较差且分布极度不均的一种表现，强对流天气主要表现为冰雹、大风。（3）存在“超低温”。θ曲线在300～270 hPa出现明显的“超低温”层（θ曲线与P坐标平行），导致对流层大气的温度或热结构的极度不均匀，从而引发对流出现。（4）有顺滚流。近地层为东南风，500 hPa以上层为一致的西偏南风，且高层风速远大于低层，形成深厚的顺滚流，存在强的垂直风切变，高层强偏西风的抽吸作用有利于对流运动的发展。

图1 08时蒙自站T-ln P（a）和V-3θ（b）

根据V-3θ图对冰雹的潜势分析，各项指标均满足，且存在更有利冰雹发生的辅助条件“蜂腰”，可预报未来12～24 h内将出现冰雹大风天气。

3 雷达常规参量分析

3.1 水平反射率因子Z h

18：22在蛮耗、水田交界处2.4°水平反射率因子图上（图2a），Zh超过65 dBZ，顶高达10.0 km，具有清晰的勾状回波结构。在其径向后侧出现明显的“TBSS”和“V型缺口”特征，“雹钉”长度超过32 km，有明显的“旁瓣回波”。在剖面图上（图2c），出现入流一侧倾斜结构，有明显的悬垂回波和“BWER”，出现“假尖顶”，55 dBZ以上的反射率因子一直扩展到9 km，超过了8.6 km的-20℃等温线，具有典型的冰雹回波特征。18：40系统东移至滴水层一带，特征依然明显（图2b），强度增至68 dBZ。但弱回波区收窄，0℃层以上超过55 dBZ的区域变宽（图2d）。垂直液态水含量从33.9 kg/m2，跃增到39.8 kg/m2，具有产生大冰雹的极大潜势。研究表明[12-16]，大冰雹常常形成并降落在钩状回波附近（或弱回波区附近）的强回波区中。在“TBSS”出现后的10～30 min，往往会产生降雹和大风[17]。

图2 18：22和18：40差分反射率和反射率因子剖面

3.2 径向速度特征分析

18：22在0.5°径向速度图上（图3a），负速度在向正速度过渡过程中由-24.9 m/s跳到24.9 m/s，逐渐过渡到8.9 m/s，出现速度模糊，退模糊计算后可知，真实的最大负速度值为-33.8 m/s。在其剖面图上（图3c），3～10 km为中低层辐合区，10～17 km为高层辐散区，辐合区较辐散区宽，零速度线呈直立倾斜状，中低层辐合上升高层辐散的抽吸作用有利于上升运动的发展和维持。18：40在径向速度图（图3b）和剖面图上（图3d），低层辐合区宽度收窄，辐散区变宽，说明此时入流气流减弱，出流气流加强。

图3 18：22和18：40径向速度及其剖面图

4 双偏振特征量分析

4.1 差分反射率因子Z DR

ZDR与粒子大小和形状的扁圆程度紧密相关，通常大冰雹呈椭圆形，在下落过程中会出现翻滚现象，近似于各向同性的“球形”，ZDR也接近0 dB。在大冰雹周围存在大量较小的湿雹和大雨滴，其ZDR相对较高。这就形成了以大冰雹为中心的ZDR低值区，这一特性可用于区分和判别云内水成物粒子的相态[18-19]。

18：22在蛮耗附近，0.5°差分反射率图（图4a圆圈所示位置），Zh超过55 dBZ区域对应存在ZDR为-0.58～-0.03 dB的情况，符合高Zh低ZDR的特征，在其径向后侧，ZDR出现了明显的负值区。1.5°差分反射率图（图4c圆圈所示位置）上形成了ZDR环，其ZDR在-0.39～0.10 dB，趋近于0，说明该区域存在明显的冰雹粒子[20]。18：40在0.5°差分反射率图（图4b）和剖面图（图4e）中表现更明显，BWER附近有ZDR异常大值区，达5 dB，强烈的上升气流将低层液滴和表面融化的冰雹带到高层，粒子含水量和扁平程度增大，降落到0℃层以下后形成外包水膜的大冰雹或大雨滴，造成ZDR值异常增大。另外，BWER附近存在明显的ZDR空洞（图4d），这是由于未融化或初步融化的冰雹形成冰雹柱所致。经过3个体扫后，“TBSS”和“V型缺口”特征显著，表明云层中一直含有冰雹粒子。

图4 18：22和18：40差分反射率和差分反射率剖面

4.2 差分相位常数K DP

KDP是指水平极化脉冲与垂直极化脉冲传播常数差，KDP的大小能反映出液态含水量的多少，能反映出较大水滴聚集区，且不受强度标定和部分阻挡的影响，实际工作中常用来判别强降水和上升气流，冰雹表面越湿则KDP值越大[17-20]。它的局限性在于当CC＜0.8时不进行计算，因此会出现KDP空洞。

18：22在2.4°差分相位常数图上（图5a），蒙自冷泉、水田、个旧和蛮耗附近的KDP为-0.03～1.02°/km，表明这一地区云中含有较多的液态水，对比这一时段自动站降水情况（图5c），降水也出现在这一时段，说明了KDP对降水有指示意义，也反映出冰雹粒子还未完全形成。18：40“TBSS”和“V型缺口”特征明显（图5b），说明对流发展趋于成熟，滴水层附近KDP为-0.10～-0.01°/km，说明云层中已存在表面较干的冰雹粒子，因此差分相移率较小。

图5 差分相位常数（a，b）和18：00—19：00附近自动站分钟降水量（c）

4.3 幅相相关系数

相关系数CC主要用于描述水平和垂直偏振回波信号变化的幅相一致性，CC的大小与粒子的轴化、倾斜角、形状不规则性以及相态有关。降水粒子均匀性和相关性较好，CC值接近1.0，混合水凝物因粒子形态呈现多样性，相关性明显偏弱，小冰雹CC值为0.9～0.95，大冰雹和冰水混合区CC值低于0.9，但都在0.85以上[20-22]。

18：22 Zh超过55 dBZ，CC为0.87～0.93（图6a、6c圆圈所示位置），说明存在上升气流带上去尚未冻结的大雨滴及一部分已冻结的雹粒，粒子均一性较差，相关系数较低。在这区域的径向后侧，受大冰雹衰减影响，Zh和CC值显著降低，呈现显著的“TBSS”和“V型缺口”。18：40对流加强，Zh集中为55～60 dBZ，CC为0.93～0.98（图6b、6d圆圈所示位置），表明粒子的均一性较18：22好，冰雹粒子正在持续增长，粒子相态趋于一致，“融化层”也较18：22范围更广，更清晰。

图6 不同时列2.4°、4.3°相关系数

5 防雹作业情况和作业效果分析

18：54在播咪和卡口可作业区内，最大回波强度达50 dBZ，顶高为6.3 km，云体处在从雷雨云向冰雹云发展的跃增阶段，达到防雹作业条件，两作业点分别在18：54和19：00进行防雹作业1 min，用弹量16枚，炮弹最大射高为3 800±200 m，作业仰角为55°～75°。防雹作业后，19：06作业影响区内，回波强度明显减弱，云层中已不含冰水混合物或冰雹粒子，降水类型为小雨。非作业区冰雹特征依然显著，最大Zh为62 dBZ，回波顶高为6.4 km，超过了5.2 km的0℃层，50 dBZ以上回波ZDR为-0.38～1.04 dB，KDP为0.00～0.10°/km，CC为0.92～0.99，说明非作业区依然含有冰水混合物或小冰雹粒子。对比实况分析，作业影响区没有降雹，非作业区出现了2～4 cm的降雹，造成9个村委会36个村民小组的农业、民房不同程度受灾，防雹效果明显。

6 结论

通过对2020年3月17日红河州出现冰雹过程的双偏振特征和防雹作业前后回波变化情况分析，得到以下结论：

（1）本次冰雹天气过程是在冷锋切变影响下产生的。最近的蒙自探空站T-ln P图上存在明显不稳定能量及“下湿上干”特征，且各项热力对流参数基本都超过强对流的特征值，非常有利于对流发展。V-3θ图具有清晰的冰雹结构特征，存在“超低温”和“顺滚流”及更有利于冰雹发生的辅助条件“蜂腰”。

（2）雷达常规参量表现出清晰的冰雹结构特征。表现出高悬的强回波，反射率因子超过65 dBZ，55 dBZ垂直扩展到-20℃等温线以上；出现显著的“BWER”、“TBSS”、“勾状回波”、“旁瓣回波”和“V型缺口”；VIL出现异常跃增；径向速度图上有明显的辐合特征。

（3）双偏振特征量也表现出明显的冰雹特征。Zh超过55 dBZ的区域，呈现出高Zh低ZDR的特征，ZDR为-0.58～0.03 dB，CC值为0.87～0.93，KDP为-0.10～-0.01°/km，表明云层中一直有冰雹粒子。

（4）防雹作业效果明显。防区作业后回波强度显著降低，云层中已不含冰水混合物或冰雹粒子。但非作业区雷达常规和双偏振参量的冰雹特征依然显著，出现2～4 cm的降雹。