一次强降水风暴回波合并前后双偏振特征分析

黄秀韶 刁秀广 韩永清 李芳

(1 山东省气象防灾减灾重点实验室，济南 250031；2 山东省气象科学研究所，济南 250031；3 山东省气象台，济南 250031；4 济宁市气象局， 山东 济宁 272000)

引 言

中尺度对流系统往往是在对流单体不断生消或相互合并的演变过程中得以发展和维持，并常常会产生冰雹、短时强降水、雷暴大风甚至龙卷等强对流天气，因此，风暴或对流单体之间合并发展及合并前后微物理特征变化等相关问题的观测与研究，对强对流天气临近预警或风暴外推具有明显现实意义。双极化技术在多普勒天气雷达探测中的应用，为相关问题的研究提供了观测与研究基础。

大量观测事实[1-6]表明，对流单体合并后会引起对流风暴的增强、降水强度增大，甚至导致强冰雹和龙卷等破坏性天气。对于对流单体的合并与发展，最为直观、有效的观测工具就是天气雷达，特别是双偏振技术的应用，可探测风暴双偏振结构特征，定性解释对流风暴微物理特征和物理过程，同时结合数值模拟和其他数理方法[7-12]可有效验证观测事实。胡雯等[13]对夏季江淮流域对流云合并特征分析结果表明，对流云合并能明显影响云的发展，80%以上的对流云合并过程中，云团在合并后面积和强度都得到发展。Takahashi， et al[14]对合并过程中云/雨粒子相态可视化观测发现，合并后冻结层高度以上霰粒子出现了显著增加。付丹红等[15]对积云并合的数值模拟表明，合并过程导致云内上升—下沉气流增强，对流运动发展加强，有利于水汽转化，形成大量过冷云水和冰相粒子；大量冰晶和霰的形成有利于强降水的产生。黄勇等[16]利用C波段双偏振雷达对两次对流云合并观测研究表明，回波合并时在连接处出现一片雨水区，且只有在中下部开始的合并过程中才会出现冰相粒子增多的现象。翟菁等[17]对不同发展阶段对流云合并过程的数值模拟结果表明，对流云合并过程可引起回波增强、云顶抬高、云水与冰相物质含量增加、地面降水增加现象。

基于济南S波段双偏振雷达资料，结合地面实况资料，对8月6日发生在山东中南部地区小时雨量超过100 mm的强降水风暴合并前后双极化参数特征及微物理特征进行了分析。强降水特征是南北两条雨带局部合并而产生局地强降水，分析的目的是初步了解合并前后风暴的双偏振特征和微物理特征，希望对类似强降水风暴合并前后微物理特征、降水强度变化及相关预警业务有所帮助。

1 资料与方法

常规观测资料与非常规观测资料相结合，分析回波合并前后垂直剖面双偏振特征变化，并定性解释微物理特征的变化。

常规观测资料主要是08∶00和20∶00(北京时，下同)探空数据，依据章丘和徐州探空数据计算相关环境物理量参数。2020年8月6日强降水区位于章丘探空站(相距约130 km)和徐州探空站(相距约145 km)之间。

非常规观测资料主要是地面区域站分钟降水量、极大风速数据和济南S波段双偏振雷达高分辨率(250 m)探测资料。双偏振特征主要分析水平极化反射率因子ZH、差分反射率ZDR、差分相移率KDP和相关系数CC垂直剖面特征。ZDR大小主要取决于粒子的大小和形态，球形粒子ZDR为0 dB，长轴呈水平状态的椭球粒子ZDR为正，长轴呈垂直状态的椭球粒子ZDR为负，液态雨滴随着直径的增大ZDR也增大，ZDR大小与粒子浓度无关；KDP对雨滴浓度较为敏感，雨滴浓度越高KDP越大，同时随着雨滴直径的增大KDP也会增大，融化的冰粒子也会导致KDP增大，KDP与纯雨水的降水率几乎呈线性关系，因此，KDP可很好地反映雷达取样体积内的液态水含量，可用来反演强降雨的雨强；CC与雷达取样体积里粒子种类、形状或轴取向有关，粒子种类多或粒子形状多样性会导致CC降级，对于液态雨滴，CC>0.95，地物杂波、昆虫、鸟类等非气象目标物的CC基本<0.8[18-22]。

本文分析中大的ZDR指ZDR≥1 dB，大的KDP指KDP≥1 (°)·km-1，大的CC指CC≥0.95，KDP柱和ZDR柱[21]的阈值分别为KDP=0.75 (°)·km-1和ZDR=1 dB(0 ℃层高度以上)，单体顶高指ZH=30 dBZ高度。济南雷达站距离强降水区约125 km，最低探测高度约1.5 km，即1.5 km高度以下的信息无法获取。

垂直结构分析主要结合探空湿球0 ℃层(WBZ)、0 ℃层(ZH)、-10 ℃层(-10 H)和-20 ℃层(-20 H)高度进行定性分析。

2 天气实况与环境物理量

2.1 天气实况

受副热带高压(简称副高)边缘暖湿气流和低层切变线共同影响，2020年8月6日19∶00—20∶00，山东兖州、曲阜一带出现强降水天气。18∶00—19∶00有两站出现50 mm以上降水(其中一站为国家级气象观测站)，19∶00—20∶00有17站出现50 mm以上降水，其中国家级气象观测站2个(图1a)，即曲阜站和兖州站，分别为100.6 mm和56.6 mm，区域站最大小时降水量为104.0 mm(兖州区大安区域站)。19∶00—20∶00强降水区内(绿色椭圆区域)所测分钟最大降水量基本维持在2 mm以上，最大为5 mm(图1b)。19∶00—20∶00强降水区有3站出现10 m·s-1以上阵风，最大为14.1 m·s-1(兖州区新驿区域站)，曲阜站为13.6 m·s-1， 没有冰雹报告。从18∶00、19∶00和20∶00(图1c—e)红外云图演变可知，云团合并导致强降水天气。南侧云团1产生于15∶00前后，北移过程中逐渐发展，18∶00发展较为旺盛；北侧弱的云团2产生于16∶30前后，东移南压过程中逐渐发展，18∶00位于曲阜北部一带，同时西侧有云团3产生。19∶00前后3个云团基本合为一体，20∶00云团主体位于曲阜东侧。

图1 2020年8月6日19∶00—20∶00降水量(a，单位:mm)，18∶50—20∶00分钟最大降水量(b，单位:mm) 及(c)18∶00、(d)19∶00和(e)20∶00 FY-2G红外云图

2.2 环境物理量

8月6日08∶00北部的章丘站和南部的徐州站具有大的K指数和小的850 hPa与500 hPa温差ΔT，负的沙氏指数SI和抬升指数LI，整层比湿积分IQ较大，湿层深厚，深层(0～6 km)垂直风切变(SHR)较小，低层(0～3 km)SHR较大，湿球0 ℃层高度WBZ和0 ℃层高度ZH较高(表1)，强的对流有效位能CAPE(订正后)和小的对流抑制能量CIN。用兖州站17∶00露点与气温订正后的章丘探空CAPE*为2 700 J·kg-1。08∶00环境参数利于对流风暴和强降水天气的出现。

表1 2020年8月6日08∶00和20∶00章丘与徐州探空物理量参数

20∶00与08∶00环境参数对比可知，SI和LI明显增大，CAPE明显较小，同时南侧(徐州站)垂直风切变减小，风场减弱，不利于对流风暴的维持，实际是21∶00之后对流和降水强度明显减弱。

3 双偏振特征分析

3.1 风暴演变

济南雷达观测表明，8月6日17∶00前后有南北两条对流云带，北部云带在东平至肥城一带(产生于切变线)，南部云带在单县至成武一带(产生于副高边缘西南气流区)。北部对流云带缓慢发展并南压，南部对流云带缓慢发展并北抬。18∶36开始，两条云带西侧之间有对流触发、发展、合并，19∶00—20∶00在兖州—曲阜一带产生极端强降水。

图2是回波合并前后济南雷达1.5°仰角(高度4.8 km左右)ZH演变。18∶36—19∶05出现一次合并发展，18∶36南北回波带西侧之间新的对流生成，ZH最大为31 dBZ(图2a，单体A)；18∶42单体A迅速发展，最大ZH为56 dBZ，同时其北侧又有新的对流触发(图2b，单体B)；18∶48单体A与南侧主体回波合并发展，强回波面积明显增大，ZH最大为59 dBZ，单体B也迅速发展，ZH由32 dBZ增大到52 dBZ(图2c)；18∶53单体A与单体B基本合为一体，即南、北两条云带在其西侧基本合并为一体，ZH最大为58 dBZ(图2d，红色椭圆区)，之后强回波面积明显增大，强度有所发展，ZH最大为60～62 dBZ(图2e)。19∶11—19∶34出现两次明显合并发展，19∶11(图2f)在回波带中部前侧区域出现新的对流单体C(ZH最大为40 dBZ)和D(ZH最大为46 dBZ)，19∶16(图2g)单体D发展并与其西侧回波合并，单体C发展并与其北侧回波出现衔接，19∶22单体C与北侧主体回波合并(图2h，蓝色虚线椭圆)，之后维持较强强度(图2i)。经过多次回波合并、发展，强回波造成较大范围50 mm·h-1以上的强降水区(图2h绿色虚线区)。19∶45强度有所减弱，20∶30之后明显减弱。

依据回波合并特征，重点分析单体A、B与主体回波的合并演变特征(简称第一次合并)和单体C与主体回波的合并演变特征(简称第二次合并)，所做剖面方向见图2b—i白色直线。

3.2 第一次合并垂直剖面双偏振特征

图3a—d分别是8月6日18∶42、18∶48、18∶53和19∶05(自上而下)济南雷达水平极化反射率因子ZH、差分相移率KDP、差分反射率ZDR和CC(从左到右)垂直剖面(VCS)，分别沿径向192°、190°、189°和182°(图2b—e白色直线)，绿、红、白和蓝色直线分别是湿球0 ℃(5.0 km)、0 ℃(5.4 km)、-10 ℃(7.3 km)和-20 ℃层(9.1 km)高度，蓝色实线、虚线分别为45 dBZ 和55 dBZ等值线。

图2 2020年8月6日回波合并前后济南雷达1.5°仰角反射率因子ZH (单位:dBZ)：(a)18∶36;(b)18∶42;(c)18∶48;(d))18∶53;(e)19∶05;(f)19∶11;(g)19∶16;(h)19∶22;(i)19∶34

18∶36(图略)，新生单体A强中心32 dBZ，位于4.7 km高度，对应大的ZDR(没有ZDR柱)和CC，小的KDP，单体内上升气流减弱，含有少许偏大的液态粒子。

18∶42(图3a)，发展的对流单体A对应大的ZDR、KDP和CC，ZH最大为56.5 dBZ ，KDP最大为3.1(°)·km-1，ZDR最大为4.1 dB，CC大于0.96 。单体A顶高6.9 km左右，ZDR柱高度为6.7 km，KDP柱高度为6.4 km。单体A上升气流加强，一定浓度的、直径偏大的液态雨滴带至0 ℃层高度之上。其北侧新生单体B虽然较弱(≤32 dBZ)，但对应明显的KDP柱和ZDR柱，KDP柱高度约为6 km，ZDR柱高度略高于0 ℃层高度，新生单体内含有少量直径偏大的液态粒子。

18∶48(图3b)，单体A与南侧主体回波产生合并发展，回波强度增强，强回波区(≥45 dBZ)顶高和ZDR柱高度迅速增高，KDP柱高度变化不明显，但KDP值明显增大。55 dBZ以上回波区对应更大的KDP(3.5～4.5 (°)·km-1)和ZDR(3.2～4.5 dB)，而CC偏小(0.91左右)，含有融化的小的冰相粒子。合并后上升气流强度加强，回波强度和高度发展的同时，液态雨滴粒子浓度迅速增大。单体B迅速发展，ZH最大为47 dBZ，但ZDR柱和KDP柱与其北侧的对流单体融为一体，单体B对应大的ZDR，偏小的KDP，表明单体B含有浓度小而直径偏大的液态粒子。

18∶53(图3c)，北侧对流与南侧对流产生合并，与前一时次对比，南北对流单体30 dBZ顶高明显增高，ZDR柱和KDP柱高度略有降低，而水凝物融化层(湿球0 ℃层)以下特别是底层KDP更大，液态粒子浓度较高。

19∶05(图3d)，回波合并后得到发展，回波强度、风暴顶高和强回波顶高、ZDR柱和KDP柱高度明显增大。风暴顶高为12.4 km(-48 ℃层附近)，45 dBZ强回波区高度为8.2 km(-15 ℃层)，KDP柱高度为9.1 km，ZDR柱高度为8.3 km，ZH最大为62 dBZ(位于湿球0 ℃层高度以下500 m左右)，KDP最大为4.8 (°)·km-1(位于湿球0 ℃层高度以下400 m左右)，ZDR最大为4.6 dB (位于最低层)。合并后内部上升气流强度加强，风暴发展不仅体现在高度的增高和强度的增强，还体现在液态雨滴粒子浓度迅速增大。-10 ℃层高度之下ZDR和KDP较大，表明风暴主体内含有一定浓度的直径偏大的液态粒子。-10 ℃层高度之上ZDR较小(-0.5～0.5 dB)，KDP柱之内含有一定浓度小的液态粒子外，其他区域以冰晶或霰粒子为主。-10 ℃层高度(7.3 km)至风暴顶高度(12.4 km)之间厚度约为5 km，以冰晶或霰粒子为主，为风暴低层降水提供丰富的粒子“源”。

图3 2020年8月6日回波合并前后济南雷达ZH(单位：dBZ)、KDP(单位：(°)·km-1)、ZDR(单位：dB)和CC(左至右)垂直剖面偏振特征：(a)18∶42、沿192°径向、110～170 km;(b)18∶48、沿190°径向、100～160 km;(c)18∶53、沿189°径向、100～160 km;(d)19∶05、沿182°径向、100～160 km

19∶05，CC剖面上可以看到强回波区内有明显的CC小值区(<0.92)，是冰相粒子与液态粒子共存所导致。后侧较大范围CC小值区(<0.9)是波束非均匀填充[23-25](NBF，白色折线区)。

3.3 第二次合并垂直剖面双偏振特征

图4是8月6日19∶11、19∶16 、19∶22和19∶34ZH、KDP、ZDR和CC(从左到右)，剖面方向分别沿径向173°、171°、169°和167°(图2f—i白色直线)，绿、红、白和蓝色直线分别是WBZ、ZH、-10H和-20H高度，蓝色曲线为45 dBZ等值线。

图4 2020年8月6日ZH(单位:dBZ)、KDP(单位：(°)·km-1)、ZDR(单位:dB)和CC(左至右)垂直剖面： (a)19∶11、沿173°径向、90～145 km;(b)19∶16、沿171°径向、85～140 km;(c)19∶22、沿169°径向、90～145 km;(d)19∶34、 沿167°径向、90～145 km

19∶11，主体回波南侧有新生对流出现(图4a，单体C和D)，最大强度为40 dBZ左右。单体C和D对应有大的ZDR并出现ZDR柱，但KDP较小，新生单体含有稀少的稍大的液态粒子。

19∶16，主体回波南侧有新生对流发展(图4a，单体C和D)。单体C基本对应大的ZDR(最大为4.5 dB)、KDP(最大3.5 (°)·km-1)和CC，45 dBZ顶部高度约为6.6 km，KDP柱高度约为8.0 km ，ZDR柱高度约为7.8 km，发展中的单体含有丰富的大的液态粒子，而且高度超过-20 ℃层高度。单体D的强度、ZDR、KDP和CC均小于单体C， 45 dBZ顶部高度约为5.2 km，ZDR柱高度约为6.8 km，KDP在0.5～0.8 (°)·km-1之间，0 ℃层没有KDP柱，单体D仍以液态粒子为主，液态粒子大小和浓度明显小于单体C。主体回波强度较强，高度较高，但ZDR柱和KDP柱高度低于单体C，ZDR值和KDP值也小于单体C，主体回波内液态粒子大小和浓度也小于单体C。

19∶22(图4b)单体C与回波主体合并 (单体D与其西侧的回波合并，此处不予讨论)，合并后风暴顶部高度、45 dBZ顶部高度和KDP柱、ZDR柱高度均没有明显变化。KDP明显增大，特别是2.5 (°)·km-1以上的面积明显增大，最大为4.4 (°)·km-1；ZDR值与前一时次主体回波内的ZDR值稍有增大，CC略有减小。回波合并仍然维持较强的上升气流，-10 ℃层高度以下液态粒子直径稍有增大，但液态粒子浓度增加明显，高浓度直径不是太大的液态粒子在地面导致大的降水强度。

19∶34(图4c)回波合并后继续发展，风暴顶部(30 dBZ)高度、45 dBZ顶部高度和KDP柱明显增高，ZH和ZDR柱高度均没有明显变化。风暴顶达到14.5 km，45 dBZ顶部和KDP柱高度在-20 ℃层高度。低层KDP明显增大，出现5.1～6.4 (°)·km-1的高值，表明液态粒子浓度有明显增大。合并之后上升气流增强，风暴发展更加旺盛，主体回波低层液态粒子浓度进一步增加，更高浓度的液态粒子更容易在地面出现更强的降水强度。

3.4 两次合并双偏振与微物理特征

第一次合并发生在南北两条雨带西侧之间区域，新生对流单体触发后迅速发展并与近处的主体回波合并、发展。第二次合并是主体回波中部的前侧有对流触发、发展，并与主体回波合并、发展。

两次合并之前新生单体强度在30～40 dBZ之间，中心基本位于0 ℃层高度之下，新生单体具有大的ZDR、CC和小的KDP(<1.0 (°)·km-1)，ZDR大值区与单体顶部相当。新生单体内完全为上升气流，以少许液态粒子为主，几乎不存在冰相粒子。随着单体内上升气流增强，新生单体快速发展，高度增高、强度加强，顶高基本在-10 ℃层高度之下，最大ZH在45 dBZ左右，ZDR和KDP明显增大并出现ZDR柱和KDP柱(较高时在-10 ℃层高度左右)。发展中的对流单体仍以上升气流为主，上升气流明显加强，内部出现大的液态粒子(相对于新生单体内的液态粒子而言)，液态粒子可以存在于0 ℃层高度之上，同时粒子浓度明显增加。

合并之时，回波强度、顶高、ZDR柱和KDP柱高度变化不明显，但0 ℃层高度之下KDP明显增大，表明液态粒子浓度增大，预示着地面降水强度将会增大。

回波合并在一个体扫之后，上升气流继续加强，风暴明显发展。风暴顶高和强回波区(≥45 dBZ)顶高明显增高，KDP柱高度明显增高；两次合并后发展的特征也存在差异，第一次合并后强度加强，ZDR柱高度明显增高，而第二次合并后强度和ZDR柱高度变化不明显。

回波合并后发展的典型微物理特征之一是：-10 ℃层高度以下KDP明显增大，即液态粒子浓度明显增大，风暴主体液态含水量丰富。KDP明显增大，不仅表现在垂直结构上，在低层水平层次上也较为明显，如图5所示。图5a—d分别是18∶53、19∶05、19∶22和19∶34 0.5°仰角KDP产品，两次合并后低层KDP都明显增大，不仅3 (°)·km-1以上的面积增大，同时出现5～6 (°)·km-1的高值区，低层液态粒子浓度明显增大，降水强度明显增大，19∶34—19∶40曲阜站(图5d)6 min降水量为19.2 mm，平均为3.2 mm·min-1。另一特征是-10 ℃层高度之上冰相粒子的厚度明显增大。-10 ℃层高度之上ZH减弱，ZDR和KDP都较小而CC较大，以冰相粒子为主，第一次合并之后冰相粒子层(冰晶或霰粒子为主)的厚度5 km左右，第二次合并之后冰相粒子层的厚度7 km左右，冰相粒子含量的增加，利于地面降水增大，与文献[14—16]研究结果基本一致。

图5 2020年8月6日18∶53(a)、19∶05(b)、19∶22(c)和19∶34(d)0.5°仰角KDP(单位：(°)·km-1)

4 结论

(1)2020年8月6日强降水过程发生在副高外围西南气流和低空切变共同作用下，CAPE较强，湿度较大，850与500 hPa温差较小，0～6 km垂直风切变较弱，0 ℃层高度较高。切变线对应的对流系统南压，副高外围西南暖湿气流区产生的对流系统北抬，南北两条雨带相互靠近的过程中先后产生多次合并，合并后风暴加强，发展旺盛，产生较大的分钟降水量和累计降水。

(2)两条雨带之间新生单体最典型的双偏振特征是具有大的ZDR和CC，30～40 dBZ的强中心高度基本在0 ℃层高度以下，单体内含有少许液态粒子。新生单体迅速发展阶段KDP和ZDR明显增大并出现KDP柱和ZDR柱，ZDR出现3.0 dB以上的大值。快速发展的新生单体上升气流明显加强，液态粒子浓度明显增大，同时含有偏大的液态粒子。

(3)回波合并之后发展的主要特征是，风暴顶高、强回波区顶高、KDP柱明显增高。风暴顶高超过-48 ℃层高度，强回波区顶高、KDP柱和ZDR柱高度都达到或超过-15 ℃层高度。风暴内上升气流强度加强，强上升气流区内温度高于环境温度，粒子能够在较高的高度(-15 ℃层)以液态或湿冰方式存在。

(4)回波合并后发展最为典型的微物理特征是中层和低层液态雨滴粒子浓度迅速增大，高层为深厚的冰相粒子层。-10 ℃层高度(约7 km)之下KDP明显增大，风暴主体内液态粒子浓度增高，即液态水含量增加，导致地面出现高强度降水。-10 ℃层高度之上ZDR较小，KDP柱之内含有一定数量小的液态粒子外，其它区域以冰晶或霰粒子为主。-10 ℃层高度之上深厚(至少5 km厚度)的冰晶或霰粒子区，为风暴强降水提供充足的粒子“源”。