两次强冰雹超级单体风暴双偏振特征对比

刁秀广 李 芳 万夫敬

1)(山东省气象防灾减灾重点实验室， 济南 250031) 2)(山东省气象台， 济南 250031) 3)(山东省济宁市气象局， 济宁 272000) 4)(山东省青岛市气象局， 青岛 266003)

引 言

双偏振天气雷达可用于观测气象目标物形状、大小、轴取向等平均散射特性，并由此推断强对流风暴特别是超级单体风暴的微物理结构。不同环境物理量，如湿度廓线、风场廓线随高度的变化等，可导致不同的风暴强度结构及不同的微物理结构[1-5]。用于推断和评估强风暴微物理特征的双偏振变量主要包括水平极化反射率因子(ZH)、差分反射率(ZDR)、比差分相移(KDP)、相关系数等[6-8]，差分反射率柱、比差分相移柱和低层差分反射率弧是超级单体风暴的典型偏振特征。差分反射率柱是环境0℃层高度以上、风暴上升气流区内差分反射率相对较大(一般大于1 dB)的区域，大的液态粒子或湿冰粒子(扁平形态)可导致差分反射率增强，差分反射率柱的高度与上升气流强度密切相关，差分反射率柱的面积范围是上升气流宽度的度量[9-14]。超级单体风暴低层前侧入流区常出现较大的差分反射率区(一般大于3 dB)，即差分反射率弧，表现为大的液态粒子和(或)融化的冰粒子[8,15-17]。比差分相移柱是环境0℃层高度以上比差分相移相对较大(一般大于0.75°·km-1或1°·km-1)区域，以较高浓度小的和中等大小雨滴或融化的冰粒子(1～4 mm)为主，常与下沉气流区相关[18-22]。

国内强冰雹超级单体风暴偏振特征与国外研究结果基本一致：低层存在明显入流缺口，入流区一侧存在明显差分反射率弧，环境0℃层高度以上存在明显差分反射率柱和比差分相移柱，且二者顶部呈分离状态，风暴中层强上升气流区存在明显的差分反射率环[23-29]。风暴低层强冰雹区双偏振特征不尽相同。相对较干的冰雹在下落时杂乱无章地翻滚，统计意义上类似于球形，差分反射率接近于0，比差分相移非常小，相关系数较大；对于融化时的冰雹粒子，由于水膜作用，其差分反射率可以达到或超过大雨滴，比差分相移明显增大，相关系数降级；对于特大冰雹(直径5 cm以上)，由于共振散射和附加的后向散射位相差会导致双极化参数出现一些奇异现象，如差分反射率为负值，相关系数降级[8,12,26-30]。依据冰雹、液态雨滴等不同气象目标物典型双偏振特征，运用模糊逻辑算法可识别粒子相态，识别风暴内冰雹和大冰雹区,改进定量降水估测[31-36]。

2020年6月25日河北省保定市多地遭受强冰雹天气，蠡县受灾最为严重并出现直径50 mm以上特大冰雹。2021年7月9日山东省济南市章丘区出现强冰雹天气，最大冰雹直径为68 mm。两次强冰雹天气均由超级单体风暴产生，天气形势相似，环境物理量有所差别，该情况下超级单体风暴偏振特征及微物理特征是否存在异同，目前国内报道较少。利用石家庄和济南双偏振雷达探测资料，结合天气实况资料，对比两次强对流天气环境物理量及强冰雹超级单体风暴偏振特征的异同，以期提高对强冰雹超级单体风暴偏振参量所反映的动力机制和微物理结构的认识，为更好地利用双偏振雷达资料提升强冰雹预警能力提供技术支撑。

1 天气实况及天气背景

1.1 资 料

探空资料包括2020年6月25日08:00(北京时，下同)邢台探空资料和2021年7月9日08:00章丘探空资料。邢台探空站位于蠡县强冰雹区西南方，距离约185 km。章丘探空站处于章丘强冰雹区内。

S波段双偏振雷达资料包括石家庄和济南雷达资料，分辨率为250 m，利用雷达资料分析强冰雹超级单体风暴双偏振结构特征，定性解释微物理特性。石家庄雷达站距离蠡县强冰雹区约85 km，济南雷达距离章丘强冰雹区约75 km。

1.2 天气实况

2020年6月25日17:00—19:00河北省保定市的满城、清苑、蠡县及沧州市的萧宁等地先后遭受强冰雹袭击。17:09满城气象站冰雹直径为9 mm，17:32保定气象站冰雹直径为9 mm，18:46萧宁气象站冰雹直径为35 mm，同时多站出现7～9级阵风和短时强降水天气(图1a)，17:44保定站极大风速为22.6 m·s-1。冰雹灾害最为严重的是蠡县，多个乡镇遭受强冰雹灾害，持续时间长达30 min，辛兴镇和留史镇较重，辛兴镇出现密集强冰雹，大冰雹尺寸如鸡蛋(直径为50 mm以上)。全县农作物受灾面积为4.27×103hm2，成灾面积为2.4×103hm2，约1.33×102hm2绝收。

2021年7月9日14:30—15:30山东省济南市章丘区出现强冰雹天气，冰雹持续时间约1 h，同时伴有7～9级阵风和短时强降水天气(图1b)，15:16章丘站的极大风速为23.1 m·s-1。14:30章丘区双山街道开始降雹，最大冰雹直径约为68 mm，达到特大冰雹等级；14:45章丘文祖镇中心小学附近降雹，冰雹直径为30 mm，双山街道距文祖镇中心小学直线距离为9.5 km；15:15章丘站周围降雹，冰雹最大直径约为50 mm(本站观测为30 mm)。虽然出现特大冰雹，但强冰雹密度小，未造成明显冰雹灾害。

图1 降水量(数值，单位：mm)与大风(风羽)实况(a)2020年6月25日17:00—19:00，(b)2021年7月9日14:00—16:00Fig.1 Observed precipitation(the value,unit:mm) and strong wind(the barb) (a)from 1700 BT to 1900 BT on 25 Jun 2020,(b) from 1400 BT to 1600 BT on 9 Jul 2021

1.3 天气形势与环境参数

由2020年6月25日08:00 500 hPa位势高度和温度场(图2)可知，河北中、南部地区处于高空槽后的西北气流区，850 hPa处在槽前西南气流区并伴有暖脊，地面以南风为主。由2021年7月9日08:00 500 hPa和850 hPa位势高度和温度场(图2)可知，山东基本位于槽后西北气流区，850 hPa山东西部为明显暖区，地面位于低压前部，以东南风为主。两次强对流天气形势类似，高空均为西北气流，且为上干冷、下暖湿的垂直配置，易造成热力不稳定和能量累积。

邢台和章丘的探空图(图略)显示，低层较湿，风随高度顺转，800 hPa以上均为西北气流且随高度增大。由邢台和章丘探空环境物理量(表1)可以看到，850 hPa与500 hPa温差较大，抬升指数较小。0～6 km高度垂直风切变为中等强度，0～3 km高度垂直风切变较强，订正后的对流有效位能较强。中等强度或以上的对流有效位能和深层垂直风切变利于超级单体的形成和维持[37-39]。

图2 2020年6月25日08:00和2021年7月9日08:00位势高度(黑色实线，单位：dagpm)、温度场(红色虚线，单位：℃)和风场(风羽)Fig.2 Geopotential height(the black solid line,unit:dagpm),temperature(the red dashed line,unit:℃) and wind(the barb) at 0800 BT 25 Jun 2020 and 0800 BT 9 Jul 2021

物理量邢台2020-06-25T08:00章丘2021-07-09T08:00K指数/℃1130850 hPa和500 hPa的温差/℃29.629.3抬升指数/℃-1.7-6.3对流有效位能/(J·kg-1)430(2400*)2330(4550*)对流抑制能量/(J·kg-1)4700整层比湿积分/(g·kg-1)211532060～6 km风切变/(m·s-1)16.419.50～3 km风切变/(m·s-1)10.616.6500 hPa风速/(m·s-1)1511500 hPa气温/℃-11-9

两次强对流天气环境物理量的主要差异是2021年7月9日08:00章丘的对流有效位能更强 (对流抑制能量较小)，K指数、低层(925 hPa)比湿和整层比湿积分更大，湿球0℃层高度较高(章丘探空湿球0℃层高度为3.7 km，邢台探空湿球0℃层高度为3.1 km)，但500 hPa风速较小，气温偏高。2021年7月9日14:00章丘站地面温度和露点分别为33℃和23℃，订正后的对流有效位能为4550 J·kg-1；2020年6月25日15:00蠡县站地面温度和露点分别为31℃和19℃，订正后的对流有效位能为2400 J·kg-1。

2 蠡县超级单体风暴双偏振结构特征

2020年6月25日下午蠡县东北约10 km的辛兴镇出现特大冰雹，选取18:12石家庄双偏振雷达观测资料进行分析，此时风暴经过辛兴镇一带。

2.1 不同高度偏振特征

图3是18:12石家庄雷达0.5°仰角、2.4° 仰角和4.3°仰角的水平极化反射率因子、平均径向速度、差分反射率、比差分相移、相关系数产品，图中叠加了中气旋，其中心高度分别为1.3 km(低层)、4.1 km(0℃层高度，08:00探空，下同)和6.9 km(-20℃层高度)。

2.1.1 低层特征

由图3中0.5°仰角偏振特征可见，风暴向东南方向移动，低层右前侧为气旋性旋转上升气流，无明显的入流缺口，风暴西侧反射率因子梯度较大。中气旋西部有明显窄带回波，即阵风锋，蠡县站出现11 m·s-1的阵风天气。中气旋后侧为回波强中心，水平极化反射率因子最大值为74 dBZ。

风暴前侧辐合上升区有较大的差分反射率(大于3 dB)，即差分反射率弧，相关系数和比差分相移分布不均，前侧上升气流区存在大的液态粒子或(和)小的湿冰粒子。65 dBZ以上回波区对应小的差分反射率(-0.8～1.6 dB)，小的相关系数(0.71～0.96)，比差分相移基本为空洞区(相关系数值低于0.85时，不计算比差分相移)，以干的强冰雹粒子为主；同时70 dBZ以上强回波后侧存在明显的径向差分反射率负值区，为强冰雹衰减所致，且对应明显的径向相关系数低值区，由于衰减对相关系数无影响，同时速度谱宽较小(图略)，风暴后侧径向相关系数低值区为波束非均匀填充所致[8,40-41]。55～64 dBZ 回波区对应的差分反射率分布不均(-0.3～4.5 dB)，比差分相移为0.9°·km-1～1.6°·km-1， 相关系数为0.66～0.98，干冰雹粒子和融化的冰雹粒子及液态粒子均存在。45～54 dBZ回波区对应大差分反射率(1.0～4.2 dB)和大相关系数(0.94～0.99)，比差分相移分布不均(-0.5°·km-1～1.9°·km-1)，有大的液态粒子，但液态粒子浓度差别明显。

2.1.2 0℃层高度特征

由图3中2.4°仰角偏振特征可见，中气旋内存在明显有界弱回波区，水平极化反射率因子最小值为24 dBZ，径向速度上有较强的气旋性旋转，旋转速度约为19 m·s-1，强回波区主要位于其后侧，最大值为78.5 dBZ。强回波区两翼存在明显的旁瓣回波，强回波区后侧径向相关系数低值区对应的差分反射率随距离增加变小，对应存在大的速度谱宽(图略)，为三体散射特征[40-41]，北半侧强回波核及其后侧相关系数也较小，为波束非均匀填充影响区(远处与三体散射共存)，因此，风暴后侧径向相关系数低值区为三体散射和波束非均匀填充共同影响。

中气旋北侧的差分反射率为1.0～3.3 dB，对应水平极化反射率因子为24～78 dBZ，比差分相移为0.1°·km-1～3.4°·km-1，相关系数差别明显(最小值为0.5，最大值为0.92)，气旋性旋转上升气流周围既有大的液态粒子，也存在湿冰相粒子和干冰相粒子。其他强回波区域的差分反射率和比差分相移较小，为相对干的冰相粒子。

2.1.3 -20℃层特征

图3 2020年6月25日18:12石家庄雷达不同仰角的水平极化反射率因子、平均径向速度、差分反射率、比差分相移和相关系数(白色圆圈为中气旋)Fig.3 Horizontal polarization reflectivity,base velocity,differential reflectivity,specific differential phase and correlation coefficient with different elevation from Shijiazhuang radar at 1812 BT 25 Jun 2020(the white cycle denotes mesocyclone)

2.1.4 风暴高层特征

6.0°仰角径向速度图(-38℃层高度，图略)上仍然存在明显的气旋性涡旋，旋转速度约为17 m·s-1， 旋转中心高度约为9.5 km，最大反射率因子为71.5 dBZ，具有非常强的回波悬垂。整层差分反射率和比差分相移较小而相关系数较大，没有差分反射率柱和比差分相移柱，整层以干冰雹粒子(多尺寸冰雹)和霰粒子为主， 同时存在明显的旁瓣回波和三体散射。

2.2 垂直结构特征

图4是2020年6月25日18:12石家庄雷达探测的水平极化反射率因子、差分反射率、比差分相移和相关系数沿74°径向垂直剖面，经过有界弱回波区中心(图3中2.4°仰角的水平极化反射率因子图的黑色直线)，粉色、红色、白色和蓝色水平实线分别为湿球0℃层(3.1 km)高度、0℃层(4.1 km)高度、-10℃层(5.6 km)高度和-20℃层(6.9 km)高度。

图4 2020年6月25日18:12石家庄雷达的水平极化反射率因子、差分反射率、比差分相移和相关系数沿74°径向垂直剖面(粉色、红色、白色和蓝色水平实线分别为湿球0℃层、0℃层、-10℃层和-20℃层高度)Fig.4 Cross-sections of horizontal polarization reflectivity,differential reflectivity,specific differential phase and correlation coefficient along 74° radial direction from Shijiazhuang radar at 1812 BT 25 Jun 2020(pink,red,white and blue horizontal solid lines denote heights of the wet bulb 0℃ layer,0℃ layer,-10℃ layer and -20℃ layer,respectively)

由图4水平极化反射率因子垂直剖面可以看到，风暴顶高约为13 km，西侧0℃层之下为弱回波区，-20～0℃层存在有界弱回波区(85 km以西)，弱回波区上方有深厚宽阔的强回波悬垂，有界弱回波区后侧(东侧)为强回波墙(85 km以东)，70 dBZ 以上回波厚度约为7 km。由图4差分反射率垂直剖面可以看到，有界弱回波区东侧(85.6 km)上方存在一条差分反射率大于1 dB的大值区，即差分反射率柱，顶部为8.2 km高度(-30℃ 层高度)，有界弱回波区周围-10℃层附近有差分反射率环。由图4比差分相移的垂直剖面可以看到，有界弱回波区东侧(84.5～85.9 km)上方存在比差分相移大于1°·km-1的大值区，即比差分相移柱，顶部达到7.6 km 高度(接近-25℃层高度)。由图4差分反射率垂直剖面可以看到，差分反射率柱位于比差分相移柱之内，均对应65 dBZ以上的强回波和小的相关系数；比差分相移柱内差分反射率小的区域以大的干冰雹粒子为主，包含一定数量的液态粒子或小的湿冰粒子；比差分相移柱内差分反射率大的区域以湿的冰雹粒子为主，同时含有一定数量液态粒子。

由图4可见，湿球0℃层高度以上，有界弱回波区东侧(86～89 km)水平极化反射率因子大于65 dBZ回波区内比差分相移、差分反射率和相关系数均较小，为强冰雹区，特别是-10℃层附近相关系数在0.40～0.60的区域对应70 dBZ的水平极化反射率因子，为形状不规则的大冰雹甚至特大冰雹粒子区[8]。89～92 km处水平极化反射率因子为45～64 dBZ的回波区内，比差分相移和差分反射率均较小，但相关系数较大(0.92～0.98)，以相对偏小的干冰雹粒子为主，形状相对较为规则。有界弱回波区西侧的强回波悬垂内差分反射率较小而相关系数较大(0.96～0.99)，冰雹粒子形状较为均匀(-10℃层高度比差分相移较大，存在一定浓度的小液态粒子)。湿球0℃层高度以下，弱回波区为强上升气流区，对应相关系数较小(最小值为0.35)，差分反射率分布不均，粒子相态较为复杂，既有少许偏大的液态粒子，也含有非气象目标物。弱回波区东侧，差分反射率、比差分相移和相关系数随高度降低而增大，冰相粒子下降至湿球0℃层高度以下出现明显融化，因此液态粒子、冰雹粒子(包括融化的)共存，在最低仰角，小的固态粒子融化程度更加彻底，融化后扁平程度更明显，液态雨滴含量增大。湿球0℃层高度以上，风暴后侧水平极化反射率因子小于45 dBZ 的弱回波区相关系数非常小，差分反射率较大，主要为三体散射特征。

18:18水平极化反射率因子剖面(图略)显示，有界弱回波区上方悬垂强度明显发展(与18:12体扫相对比)，水平极化反射率因子最大值为79 dBZ(高度为7.2 km，略高于-20℃层高度) ，70 dBZ以上回波高度达到10 km(-43℃层高度)，70 dBZ以上强回波悬垂厚度达5 km，以大的冰雹粒子为主。较高高度悬垂的大冰雹粒子，在下降过程中通过碰并进一步增长，在适宜的湿球0℃层高度条件下，地面更易出现密度较高的大冰雹甚至特大冰雹天气。

3 章丘超级单体风暴双偏振结构特征

2021年7月9日14:30章丘出现强冰雹，选取14:36济南雷达观测资料进行分析。此时风暴最大反射率因子、强中心高度和风暴顶高度分别为71 dBZ，3.8 km和13.3 km，风暴发展旺盛，是强中心下降阶段。

系统硬件设计的核心是无线传输节点设计。无线传输节点以微控制器为核心，扩展了无线通信模块、电源模块、传感器接口模块以及扩展接口部分。

3.1 不同高度偏振特征

图5是2021年7月9日14:36济南双偏振雷达0.5°仰角、2.4°仰角和4.3°仰角水平极化反射率因子、平均径向速度、差分反射率、比差分相移、相关系数，图中叠加了中气旋，其中心对应的高度分别约为1.0 km(低层)、3.5 km(接近湿球0℃层高度的3.7 km)和 6.0 km(-10℃层高度)。

图5 2021年7月9日14:36济南雷达不同仰角的水平极化反射率因子、平均径向速度、差分反射率、比差分相移和相关系数(白色圆圈为中气旋,黑色箭头为风暴移动方向)Fig.5 Horizontal polarization reflectivity,base velocity,differential reflectivity,specific differential phase and correlation coefficient with different elevation from Jinan radar at 1436 BT 9 Jul 2021(the white cycle denotes mesocyclone,the black arrow denotes the moving direction of supercell)

3.1.1 低层特征

由图5中0.5°仰角偏振特征可见，风暴向偏南方向移动，低层右后侧存在明显入流缺口，对应径向速度呈气旋式结构，表明有明显的气旋性旋转上升气流，入流区一侧的反射率因子梯度较大。入流区西侧有窄带回波，即阵风锋，径向速度上表现为朝向雷达负速度区(最小值约为-11 m·s-1)。入流缺口及前侧区域对应较大差分反射率，为4～6 dB，即为差分反射率弧，同时对应分布不均的相关系数和比差分相移，前侧上升气流区存在大的液态粒子和(或)小的湿冰粒子甚至非气象目标物粒子。水平极化反射率因子超过60 dBZ回波区对应的差分反射率为0.5～4.6 dB，相关系数为0.66～0.96，比差分相移多为空洞区(相关系数低于0.85 时，不计算比差分相移)并同时存在3.1°·km-1～4.4°·km-1高值区，存在相对干的和融化的偏大冰雹粒子。其他区域(水平极化反射率因子为50～59 dBZ)的差分反射率和比差分相移较大(空洞区除外)，相关系数较小， 差分反射率多为2.0～5.0 dB，相关系数为0.70～0.97，比差分相移为0.75°·km-1～3.2°·km-1，以大粒子为主，既有大的液态粒子，也有小的湿冰粒子，局部存在强降水。

3.1.2 湿球0℃层特征

由图5中2.4°仰角偏振特征可见，中气旋区域对应呈半包围结构的有界弱回波区，径向速度图上有较强的气旋性旋转，旋转速度约为15.5 m·s-1，强回波区主要位于其东侧，最大值为71 dBZ。有界弱回波区内水平极化反射率因子为5～28 dBZ ，差分反射率较大(最大值为6.6 dB)，相关系数较小，比差分相移为空洞区，为大的液态粒子和非气象目标物共存；有界弱回波区南侧与北侧差分反射率和相关系数较大，比差分相移分布不均，存在大的液态粒子，粒子浓度差别明显。中气旋东侧相关系数较小区域(0.76～0.92)，对应水平极化反射率因子为48～63 dBZ，差分反射率为-0.1～4 dB，比差分相移多为空洞区，个别约为1°·km-1，为混合相态区域。中气旋东侧其他强回波区的差分反射率较小，相关系数较大，以冰相粒子为主。

3.1.3 -10℃层特征

由图5中4.3°仰角偏振特征可见，-10℃层高度中气旋内有明显的有界弱回波区(最小值为20 dBZ)，径向速度图上有较强气旋性旋转，旋转速度约为18 m·s-1。中气旋周围存在半包围结构的差分反射率大值区即差分反射率环(内侧较小，外侧较大)，3个距离库比差分相移为1.1°·km-1～1.5°·km-1，即比差分相移柱；有界弱回波区内(水平极化反射率因子为20～40 dBZ)，相关系数较小(最小值为0.5)，差分反射率为-0.7～6.5 dB，粒子相态复杂。中气旋周围既有液态粒子，也存在湿冰粒子，液态粒子浓度较小。

中气旋东侧强回波区的差分反射率和比差分相移较小，相关系数较大，以冰雹粒子或霰粒子为主。

3.1.4 -30℃层特征

6.0°仰角的偏振特征图(图略)上，径向速度仍存在明显的气旋性涡旋，旋转速度约为19 m·s-1， 旋转中心高度约为8.4 km(接近-30℃层高度)，最大水平极化反射率因子达到65.5 dBZ，具有非常强的回波悬垂，整层比差分相移较小。差分反射率有20个相邻距离库在1～3 dB，对应反射率因子为36～63.5 dBZ，相关系数为0.83～0.93，以湿冰粒子为主。其他区域差分反射率较小, 相关系数较大，以干冰雹粒子(多尺寸冰雹)和霰粒子为主。

3.2 垂直结构特征

图6是2021年7月9日14:36济南雷达探测的水平极化反射率因子、差分反射率、比差分相移和相关系数沿90°径向垂直剖面，经过有界弱回波区中心，粉色、红色、白色和蓝色水平实线分别为湿球0℃层(3.7 km)高度、0℃层(4.3 km)高度、-10℃层(6.0 km)高度和-20℃层(7.4 km)高度。

由图6中水平极化反射率因子可以看到，72～75 km处 -10～0℃层间存在有界弱回波区，其上方为深厚强回波悬垂(最大值为58 dBZ)，后侧(75～80 km)存在深厚强回波墙，最大值为71 dBZ，60 dBZ 回波顶高度为8.8 km(-31℃层)，65 dBZ回波顶高度为7.0 km(接近-17℃层)。

由图6中差分反射率可以看到，风暴西侧强上升气流区内差分反射率较大，-10℃层以下存在超过5 dB的高值区，-10～0℃层间有界弱回波区存在差分反射率环，上方存在较高差分反射率柱，顶部高度为11.3 km(-48℃层高度)，上升气流深厚强盛。

由图6中比差分相移和相关系数可以看到，上升气流区-20℃层高度以下，比差分相移和相关系数较小，差分反射率较大，以少许大的液态粒子和湿冰粒子为主；-20℃层高度以上相关系数较大，比差分相移较小，差分反射率柱内以少许液态粒子或湿冰粒子为主，差分反射率柱外以干的冰粒子和霰粒子为主。

上升气流区后侧深厚的强回波区内湿球0℃层高度以上，差分反射率和比差分相移均较小，相关系数多较大，以相对干的冰雹粒子为主，而且冰雹形态相对均匀；强回波区内0℃层高度上下有3个距离库相关系数较小(0.76～0.90)，对应的水平极化反射率因子为62～65 dBZ，差分反射率为-0.8～0.8 dB,较小范围内存在混合相态粒子。湿球0℃层高度以下，比差分相移和差分反射率均增大，水平极化反射率因子和相关系数呈减小趋势，冰相粒子下降到湿球0℃层高度以下开始融化，出现一定浓度的液态粒子、融化的小冰雹粒子；底层55 dBZ以上回波区相关系数较小，大的冰雹粒子与大的液态雨滴和融化的小冰雹粒子共存，45～55 dBZ区域以大的液态雨滴为主。

图6 2021年7月9日14:36济南雷达水平极化反射率因子、差分反射率、比差分相移和相关系数沿90°径向垂直剖面(粉色、红色、白色和蓝色水平实线分别为湿球0℃层高度、0℃层高度、-10℃层高度和-20℃层高度)Fig.6 Cross-sections of horizontal polarization reflectivity,differential reflectivity,specific differential phase and correlation coefficient along 90° radial direction from Jinan radar at 1436 BT 9 Jul 2021(pink,red,white and blue horizontal solid lines denote heights of the wet bulb 0℃ layer,0℃ layer,-10℃ layer and -20℃ layer,respectively)

2021年7月9日14:31水平极化反射率因子剖面(图略)显示，有界弱回波区上方的悬垂高度为10.5 km(45 dBZ顶部高度)，后侧回波墙8.6 km高度(-30℃层)存在65～70 dBZ强回波悬垂,但范围较小(5个距离库)，厚度约为1 km。14:36风暴快速发展，有界弱回波区上方的悬垂高度快速增加，同时回波墙内强中心快速下降并发展，71 dBZ强回波中心高度为3.8 km，超过65 dBZ的强回波区厚度明显增加。-30℃层高度强回波区含有大的冰雹粒子，在下降过程中冰雹粒子快速增长，地面更容易出现大冰雹甚至特大冰雹天气。

有界弱回波区上方的强回波悬垂厚度明显增大，冰雹粒子更多，进入下降通道后冰雹粒子进一步增长，有利于大冰雹的产生及降雹的持续性。

4 两次强风暴对比分析

4.1 风暴参数

风暴参数主要包括最大反射率因子及所在高度、风暴顶高、基于单体的垂直积分液态水含量、差分反射率柱高度和比差分相移柱高度，同时对中气旋最大旋转速度及所在高度、风暴顶辐散强度(用风暴顶最大径向速度差表示)也进行统计，结果见表2。蠡县超级单体风暴影响时段是17:54—18:30，章丘超级单体风暴特大冰雹阶段是14:31—15:22。蠡县和章丘超级单体旺盛阶段具有强的风暴顶辐散强度，明显大于文献[42]的结果(平均值约为38 m·s-1，大多数约为45 m·s-1)。风暴顶辐散越强，越有利于出现大冰雹。

由表2可见，蠡县超级单体风暴的最大反射率因子明显大于章丘超级单体风暴，而差分反射率柱和比差分相移柱高度明显低于章丘超级单体风暴。强中心高度、中气旋最大旋转速度及所在高度、风暴顶幅散强度等差异不明显。偏大的最大反射率因子导致蠡县强冰雹密度较高，灾情较重，章丘强冰雹密度较低，灾情较轻。

蠡县超级单体风暴垂直积分液态水含量明显小于章丘强风暴，主要是由于距离原因，雷达探测无法探测到风暴高层及风暴顶。沧州雷达观测资料统计表明，蠡县超级单体风暴顶高度基本在12.4 km(表2)，与章丘强风暴基本相当。

表2 蠡县和章丘超级单体风暴参数平均值Table 2 Averaged values of storm parameters of supercells at Lixian and Zhangqiu

4.2 偏振参量与微物理结构

两次强冰雹风暴的相似性：一是风暴入流区一侧的差分反射率明显大于其他区域，即差分反射率弧，前侧入流区一侧以大粒子为主，包括大的液态粒子或(和)融化的小冰粒子；二是风暴低层强冰雹区的反射率因子强、差分反射率小和相关系数小。冰雹在下降过程中呈翻滚状态，近似于各向同性的球形粒子的特性，差分反射率接近0，大的不规则的冰雹及混合相态可导致相关系数降级；三是有界弱回波区分布差分反射率环，有界弱回波区上方有较高的差分反射率柱，有大的液态粒子和(或)湿冰粒子，在强上升气流作用下，强上升气流区内温度明显大于环境温度，在较高的高度内粒子以液态或(和)湿的冰相粒子形态存在，但粒子大小随高度逐渐减小；雷达探测的液态水高度可达-30℃层高度甚至更高，与文献[43]数值模拟结果基本一致(大冰雹形成的微物理过程中，冰雹云在-35℃～-10℃存在过冷雨水累积区，冰雹胚胎主要依靠冰晶撞冻该累积区的过冷雨滴过程产生)；四是有界弱回波区右侧(东侧)强回波区内，湿球0℃层高度以上为深厚的相对干的冰相粒子区，湿球0℃层高度以下冰相粒子开始融化，低层既有大的冰雹粒子，也有小的融化的冰粒子和液态雨滴。超级单体风暴典型特征是伴有深厚持久的中气旋，内部上升气流结构相似， 对超级单体风暴偏振特征的相似性起到关键作用。

两次强冰雹风暴主要差异：①蠡县超级单体风暴强度和悬垂强度明显大于章丘超级单体风暴。蠡县超级单体风暴最大反射率因子平均值为77.1 dBZ，上升气流区一侧弱回波区上方有深厚的反射率因子超过65 dBZ的强悬垂。弱回波区上方回波悬垂的差分反射率和比差分相移小、相关系数大，这是冰雹形成、循环增长的主要区域。弱回波区上方回波悬垂较强，冰粒子直径较大，进入下降通道的大冰雹粒子在下降通道中进一步增长，产生特大冰雹的概率相对较高或强冰雹密度较高。回波悬垂强度弱，表明冰粒子直径小，进入下降通道的冰雹粒子也较小，在下降通道中产生特大冰雹的概率相对较低或强冰雹密度较低。因此，蠡县超级单体风暴致灾较重，而章丘超级单体风暴致灾较轻。②蠡县超级单体风暴内冰雹区层次分明。蠡县超级单体风暴上升气流区一侧弱回波区上方回波悬垂较强，冰粒子均一性较好(相关系数较大)；有界弱回波区东侧的强回波墙(反射率因子超过65 dBZ)表现为冰雹粒子不规则区域(相关系数非常小)，冰雹直径越大规则性越差，强回波墙内含有较大的不规则冰雹粒子；强回波墙东侧表现为相对规则的冰雹粒子区(相关系数较大但小于西侧强悬垂区)，冰雹粒子直径小于强回波墙的冰雹粒子，大小形态相对较为规则。章丘超级单体风暴弱回波区上方回波悬垂较弱，冰粒子较小，均一性较好；有界弱回波区东侧回波墙强度较弱，冰雹粒子大小形态相对较为规则。③章丘超级单体风暴差分反射率柱和比差分相移柱均明显高于蠡县超级单体风暴。章丘超级单体风暴差分反射率柱高度达到-48℃层高度附近，比差分相移柱高度达到-32℃层高度附近，蠡县超级单体风暴差分反射率柱高度在-24℃层高度附近，比差分相移柱高度在-22℃层高度附近。④蠡县超级单体风暴具有显著的三体散射和旁瓣回波特征及明显的衰减特征。蠡县超级单体风暴具有更强的反射率因子，影响蠡县期间一直存在三体散射和旁瓣回波，18:06和18:12出现100 km 左右的长钉特征，两翼的旁瓣回波长度也达到20 km左右。17:30—18:30低层(1.2～1.5 km高度，最低观测仰角)，强回波核后侧径向上一直出现类似V型缺口的差分反射率负值区，为强冰雹衰减偏振特征。

7月环境湿度明显增大。水汽含量增大会影响K指数和对流有效位能，使得两者明显增大，2021年7月9日章丘强风暴产生在环境湿度相对较大的条件下，830 hPa高度以上水汽垂直分布相对均匀，温度露点差为10～15℃，既无明显干层，也无明显湿层。2020年6月25日邢台环境条件非常干，730 hPa 至400 hPa的温度露点差为25～35℃。同时，邢台上空500 hPa温度较章丘偏低2℃。章丘上空较大的湿度和中层相对暖的环境条件是导致章丘风暴强度偏弱的关键环境因素。邢台上空较低的湿度和中层相对冷的环境条件是导致风暴强度明显较强的关键环境因子。

虽然章丘探空与邢台探空均具有较强的深层垂直风切变(0～6 km高度)，但500 hPa邢台上游具有更大的风速，17:00地面东南风略有增大，深层垂直风切变明显增大(20:00邢台0～6 km高度垂直风切变为25 m·s-1)；7月9日章丘上游风速大于章丘本站，但差值较小，深层垂直风切变增大，但幅度较小(20:00章丘探空无高层资料)，因此两次强风暴均具有较强垂直风切变，量值相当。

章丘强风暴的差分反射率柱和比差分相移柱较邢台强风暴更高，可能与其风暴顶辐散强度和中气旋旋转强度更强有关，有关环境因子尚需要深入研究。

5 结 论

利用S波段双偏振多普勒天气雷达探测资料分析2020年6月25日河北省蠡县和2021年7月9日山东省章丘强冰雹超级单体风暴在低层、中层、高层和垂直结构双偏振特征，对比两次超级单体风暴偏振特征及云微物理特征，得到如下结论：

1) 两次强冰雹超级单体风暴发生在类似的天气形势背景之下，800 hPa以上为西北气流，925 hPa以下为偏南气流，上干冷，下暖湿。二者均具有中等强度或以上对流有效位能，较大垂直风切变，有利于高组织性风暴的产生与维持。

2) 风暴双偏振特征的相似性。风暴低层前侧入流区存在差分反射率弧，以大粒子为主，包括大的液态粒子和(或)融化的小冰雹粒子。风暴低层强冰雹区具有反射率因子强、差分反射率小和相关系数小的特征。有界弱回波区周围存在差分反射率环，上升气流区内0℃层高度以上有较高的差分反射率柱，以液态粒子或(和)湿的冰相粒子为主。有界弱回波区右侧(东侧)强回波区内，湿球0℃层高度以上为深厚的相对干的冰相粒子区。超级单体风暴具有深厚持久的中气旋，内部上升气流结构的相似性是超级单体风暴偏振特征相似的关键原因。

3) 风暴双偏振特征的差异主要表现在水平极化反射率因子、差分反射率柱和比差分相移柱高度的差异。蠡县超级单体风暴的强度明显大于章丘超级单体风暴，差分反射率柱和比差分相移柱高度低于章丘超级单体风暴。较强的反射率因子导致蠡县超级单体风暴具有显著的三体散射和旁瓣回波特征，低层具有明显的衰减特征。同时蠡县超级单体风暴弱回波区上方悬垂的回波较强而且厚度较厚，表明悬垂区有较多大的冰雹粒子存在，大的冰雹粒子进入下降通道后，再次产生明显增长，导致地面出现大冰雹甚至特大冰雹。

4) 湿度垂直分布是风暴发展强度的关键环境因素。蠡县超级单体风暴产生于非常干的环境条件下，且中层温度较低，730 hPa至400 hPa的温度露点差为25～35℃。章丘超级单体风暴产生在相对较湿的垂直环境条件下，830 hPa以上温度露点差为10～15℃。