闽西南地区一次春季降雹过程的双偏振参量及降水粒子谱特征*

何清芳 林 文 张深寿 肖秀珠 张红梅

1 福建省龙岩市气象局，龙岩 364000 2 福建省气象科学研究所，福州 350001 3 福建省灾害天气重点实验室，福州 350001

提 要：基于福建龙岩S波段双偏振雷达和地面降水现象仪资料对2020年3月27日龙岩永定的冰雹云以及同时发生在龙岩漳平的短时强降水云体进行观测对比分析。结果表明：降雹单体在降雹前出现回波高度跃增，存在有界弱回波区，在云体移动方向前部出现了强度为2～4 dB的ZDR弧，内部KDP柱发展较高，最高至7～8 km，强降水云体也出现KDP柱，但高度较低；两个强对流云体前部雨滴谱增宽时大滴端先增加，呈现双峰或多峰结构，靠近云体强中心小滴端(直径≤1 mm)数浓度呈量级增多，与云体前部强环境垂直风切有关；在降雹或强降水阶段，永定站冰雹为低密度冰雹，滴谱呈现弱双峰结构，漳平站则为单峰结构，两站的大滴(直径>3 mm)多为小冰雹融化造成；降雹后滴谱双峰结构主要由雨滴的碰并造成，云体后部滴谱收窄伴随着小粒子数浓度呈量级减少。

引 言

冰雹天气是华南地区主要气象灾害之一，具有生命史短、局地性强、突发性强等特点，常给农业生产带来严重的影响，因此冰雹云的识别一直是气象界的一大课题。研究冰雹的发生和发展，了解云内部微物理特征及冰雹分布谱的演变，对冰雹天气监测预警及人工防雹作业指挥和效果评估都具有重要意义。

近年来，新型遥感探测设备在灾害性天气中得到较好的应用。激光雨滴谱仪通过对地面降水粒子的自动识别，能够全天候自动观测降水粒子谱变化，谱特征能在一定程度上反映自然降水的物理结构及演变特征(Hu and Srivastava,1995;Konwar et al,2014;Wu et al,2019;蒋年冲等，1986；宫福久等，1997；石爱丽等，2004；余东升等，2011；林文等，2016；王俊和刘畅，2019)。在降雹过程中的雨滴谱资料分析应用也有一定成果，Federer and Waldvogel(1975)基于雨滴谱观测数据分析了多细胞风暴的冰雹和雨滴特征分布，李聪等(2017)利用雨滴谱仪观测资料分析了南京一次冰雹天气降水粒子微结构特征，岳治国和梁谷(2018)结合激光粒子谱仪及天气雷达资料分析了降雹过程中粒子物理量随时间的演变特征，陶涛等(2020)利用雨滴谱观测资料对比分析了一次非典型强对流天气过程中降雨和降雹的微物理特征。激光雨滴谱仪是基于地面降雹粒子谱特征来反映冰雹粒子在云内物理的发展过程，双偏振雷达则可通过探测空中粒子的雷达回波参数来认识云的发展和演变规律，其相比常规天气雷达，还能探测到差分反射率因子(ZDR)、差分相移率(KDP)及相关系数(CC)等偏振参数，通过对偏振参数分析可判断云中粒子的尺寸大小、形状、相态、降水类型等信息，有利于识别冰雹云，在研究冰雹云的微观物理特征及动力结构等方面具有较好的应用价值。国内外学者应用双偏振雷达在冰雹云识别方面开展了许多研究，Aydin et al(1986)研究了基于ZDR技术识别冰雹区的方法；Höller et al(1994)、Kumjian et al(2008)基于双偏振雷达参数，分别对V型风暴和超级单体风暴带来冰雹天气的动力结构和微观物理特征进行了研究；刘黎平等(1993)、曹俊武和刘黎平(2006)研究了双偏振雷达识别冰雹区的方法；冯晋勤等(2018)、潘佳文等(2020)利用厦门双偏振雷达资料研究了冰雹相态演变特征；林文等(2020)研究了不同强度降雹天气及非降雹天气双偏振参数特征。

利用雨滴谱仪资料联合双偏振雷达资料对灾害性天气发生发展及演变特征的研究工作仍不多，因此，本文利用地面及高空探测资料、地面雨滴谱仪、双偏振多普勒雷达等资料，对2020年3月27日龙岩永定区出现的一次冰雹天气的云物理特征及动力结构进行分析，并与同一天气系统下龙岩漳平发生的强降水云体及2021年5月31日龙岩上杭县发生的暖区暴雨云系进行对比分析，研究冰雹云和非雹云的双偏振参量及地面降水粒子谱特征，为短时临近预报预警及有效实施人工防雹作业提供相关依据。

1 资料处理及天气背景分析

1.1 资料和方法

本文所使用的资料主要包含冰雹发生当日的高空和地面天气资料，经过数据质量控制的龙岩S波段双偏振雷达资料及龙岩永定、漳平国家基准气象站降水现象仪资料。

DSG4降水现象仪是一种采用现代激光技术的光学测量系统(探头同Pasivel第二代激光雨滴谱仪)，根据降水粒子对激光信号的衰减影响程度，测量和计算降水粒子的直径D和下落末速度V，共有32个尺度等级和32个速度等级，其中粒子速度测量范围为0.050～20.800 m·s-1，粒径测量范围为0.062～24.5 mm，采样间隔为1 min，基于降水粒子的速度-尺度谱分布可对雨、阵雨、毛毛雨、雨夹雪、冰雹等降水现象类型进行分类识别。

参考Yuter et al(2006)、Friedrich et al(2013)、Jia et al(2019)的方法先对所用观测数据进行质量控制：(1)剔除仪器前两档(D<0.3 mm)的观测数据；(2)选取原始粒子数大于10个；(3)剔除掉强风造成慢落速大滴(V<1 m·s-1且D>5 mm)的观测误差；(4)剔除雨滴在仪器探头溅散(V低于雨滴线向下60%下限且D<2 mm)造成的观测误差；(5)剔除仪器采样区边缘不完整观测的降水粒子(V高于雨滴线向上60%上限且D<8 mm)造成的误差。

冰雹过程中降水粒子的相态为固态和液态，冰雹的不同形状导致了不同的的下落末速度-直径关系，本文中雨滴、冰雹的下落末速度选用前人提出的理论公式来表示，具体见表1，其中为了区分大雨滴和小冰雹(直径在5～8 mm)，使用雨的下落末速度-直径关系和冰雹之间的平均值，即冰雹低密度式(2)(Knight and Heymsfield，1983)。根据Niu et al(2010)和Jia et al(2019)的方法对不同粒子的下落末速度进行修正，采用订正系数为(ρ0/ρ)0.5(ρ为实际空气密度，ρ0为标准大气空气密度)，永定和漳平根据地面自动站该次过程中的平均温度、气压计算得出订正系数为1.05。

表1 雨滴、冰雹下落末速度-尺度关系

1.2 天气实况及环流背景

从2020年3月27日08时(北京时，下同)500 hPa高空图来看(图略)，西风槽和南支槽东移，龙岩市受南支槽前西南气流影响，福建省东部T-Td>15℃，龙岩市东南部存在部分干区；925～700 hPa切变东移南压，龙岩市受切变南侧西南气流影响，有较强的垂直上升速度，西南气流带来充沛的水汽，低层比湿为10～12 g·kg-1，湿度条件较好，龙岩市东南部存在部分上干下湿的不稳定层结，为降雹提供有利条件；从地面来看，西路和东路冷空气逐渐南下影响福建省，高层冷空气叠加在低层暖湿气流上，大气层结处于不稳定状态，为降雹提供了热力条件；从08时龙岩站探空曲线图表明，0℃层高度为4 031 m，-20℃层高度为7 640 m，在春季两层对应高度较为适宜，有利于冰雹天气的发生；CAPE值为1 929 J·kg-1，K指数为36℃，对流储存能量较大，层结不稳定明显。从风廓线资料分析可见(图略)，垂直上升速度大值中心与风速大值中心基本重合，17—18时垂直风切变约为2 m·s-1，18—19时龙岩站上空高层风速达22.8 m·s-1，而900 hPa到地面风速在2 m·s-1左右，高低空风速差超过20 m·s-1，达到中至强垂直风切变的标准，激发高低层能量交换，促进对流发展。

15:03—21:00龙岩市中东部出现剧烈的强对流天气，部分地区出现短时强降水和局地小冰雹，其中永定气象站于18：05—18：07人工观测到冰雹，其直径约为8 mm，持续时间约为2 min，小时雨强大于20 mm·h-1；漳平自动站小时累计雨量超过 30 mm，为短时强降水天气。

2 双偏振雷达特征分析

永定区18时左右的降雹过程是受强回波单体移入影响。根据双偏振雷达组合反射率监测显示(图1)，16:47(图1a)强对流单体位于广东梅州境内，经过回波分裂增强，回波强度达60 dBz，强中心高度约为5.1 km，云体大于60 dBz的回波强度持续10个体扫。17:37(图1b)风暴单体移至永定西南边界，略有减弱，回波强中心为60.5 dBz，高度降至3.9 km，速度图上开始出现明显辐合区。17:43(图1c)强回波单体移入永定峰市镇，受辐合影响，回波又出现显著增强至62.5 dBz，强中心高度出现跃增再次发展至7.3 km。17:48(图1d)强回波进一步发展到成熟阶段，强中心达65.0 dBz(高度达7.3 km)。从剖面(图2a)来看，大于60 dBz的强回波已发展到-20℃高度，且存在旁瓣回波，在入流一侧存在有界弱回波区；速度零线对应强回波，在速度入流即强回波前部存在强度为2～4 dB 的ZDR弧，其从地面发展延伸至7～8 km，对应着较强环境风切变(Kumjian and Ryzhkov,2008)；-20～0℃强回波区对应的CC值为0.8～0.96，说明此处已有冰雹粒子存在；从KDP图中可以看到强度达2～3°·km-1的KDP柱，最高至7～8 km，说明云中已出现大粒子下泄拖曳造成的强下沉气流。17:59(图1e)云体风速辐合减弱，强回波单体再次分裂为双核，西侧强回波前沿移至永定城区，强中心达62.5 dBz(图2b)，其高度下降至4.3 km，对应的ZDR高值区下降，对应的CC的低值区以及KDP柱同样下降至0℃层，说明此时云内冰雹粒子开始大量下落。18:05(图1f)雷达回波移至永定站上空(即测站观测到的降雹期)，云体强度较上一时刻减弱，最强回波减至58 dBz(图2c)，近地面ZDR增大至4 dB，CC值仍在0.9～0.92，说明此时地面降水粒子为大雨滴和小冰雹混合，与地面观测相符。随着降水过程的持续，云体回波整体变松散，风暴减弱消亡(图1f)。

图1 2020年3月27日16:47—18:05永定强对流天气过程组合反射率CR演变(红色圆圈所示为此次观测的雷达回波单体)

图2 2020年3月27日(a)17:48，(b)17:59，(c)18:05永定站强对流单体中心沿径向剖面的双偏振雷达回波特征(ZH：水平反射率因子，Vr：径向速度，ZDR：差分反射率因子，CC：相关系数，KDP：差分相移率；组合反射率CR图中红色虚线为相应的剖面位置，五角星为永定站雨滴谱仪位置；下同)

相近时刻，18:27左右漳平本站出现较明显短时强降水，其回波单体发展与永定站较为相似，同样由外县移入经过单体分裂、发展加强，因此选取该片强回波块与永定降雹单体进行对比。该云系于15:46 在漳州奎洋镇发展成多单体，向东北方向移动并逐渐加强；17:26西侧分裂出强对流单体，移至漳平南部边界，此时回波强度达60 dBz，强中心高度在1.8 km。强对流云体在移动过程中继续发展增强，18:11(图3a)强回波中心超65.0 dBz，最强在0℃层附近，对应的CC值约为0.85，ZDR接近0，此处有冰雹出现。18:16(图3b)云体继续加强，回波顶高突破-20℃层，最大回波强度仍大于60 dBz，强中心高度达5.1 km，此时出现明显的KDP柱，0℃层附近KDP空洞(Kumjian,2013b)对应着50 dBz以上的反射率，且CC值约为0.9，说明此处仍有冰雹存在，但低层KDP较强的区域对应CC值在0.90～0.95且ZDR为2～4 dB，说明地面为强降水，可能有融化小雹或霰粒子(Romine et al，2008；Kumjian,2013a)。18:27(图3c)回波单体移入漳平本站上空，回波强度仍可达63 dBz，但其高度下降至2.4 km，KDP柱高度降低，近地层KDP增大至5°·km-1，ZDR减小为2～2.5 dB且CC为0.94以上，说明此时地面以强降水为主。

图3 2020年3月27日(a)18:11,(b)18:16,(c)18:27漳平站强对流单体中心沿径向剖面的双偏振雷达回波特征

为更好地分析冰雹等强对流降水云系的双偏振参数特征，选取2021年5月31日龙岩上杭县发生的暖切南侧西南气流影响产生的暖区暴雨云系进行对比分析。此次过程中，上杭县蓝溪镇11—12时的小时雨量达52.8 mm。从08时探空资料表明0℃层高度为5.3 km，-20℃层为9 km。从雷达回波来看，31日09:30前后龙岩西南部有多单体发展，11:02在上杭蓝溪镇西南方向有强回波合并加强发展，并沿东北方向向蓝溪镇靠近(图4a)，云系最强回波强度为51.5 dBz，强中心最高为5.8 km，KDP柱高度也发展至5.8 km，除了在0℃层附近(CC接近0.95且ZDR为1～2.5 dB)有明显的融化层亮带特征外，其余高度CC>0.98，无冰雹特征；11:13—11:35 回波块移入蓝溪镇上空维持(图4b)，最强回波强度为54 dBz，其高度达5.4 km，KDP柱发展高度为5.5 km，此时高空仍无冰雹特征。与永定站冰雹云、漳平短时强降水个例对比可见，暖区降水云系强回波主体大部分位于0℃以下，强回波、ZDR大值区、KDP柱发展高度相较前两个强对流云系低，偏向暖云降水机制主导；而永定站和漳平站的强对流降水则更多包含了冰相降水过程。

图4 2021年5月31日(a)11:02,(b)11:13蓝溪镇暖区降水云中心沿径向剖面的双偏振雷达回波特征

3 强对流雨滴谱特征分析

3.1 微物理参数的演变

从降水粒子数浓度、最大直径和降水雨强随时间的变化可见(图5a)，永定站雨滴谱仪记录的最大冰雹直径为7.5 mm，这与人工观测的直径8 mm基本一致。17:43—17:54受强回波单体前侧弱回波影响，地面出现了零星弱降水，此时雨滴尺度小、数浓度低。17:54—18:02为强回波单体前部降水，雨滴直径显著增大，但数浓度增长较缓慢(93～204 个·m-3)，说明强回波前部降水以数量少的大滴为主。随着云体主体回波进入永定站上空，18:03个别降水粒子直径达到7.5 mm，平均直径为1.187 mm，含水量及雨强也达到第一个小峰值，数浓度开始增大。18:04粒子最大直径减小至5 mm，平均直径减小至0.937 mm，含水量略有减小，数浓度才出现第一个峰值，此时降水以高浓度的雨滴组成。18:05—18:07 地面降水粒子最大直径及平均直径均再次达到峰值，分别为7.5 mm、1.375 mm，含水量也达到峰值56.64 g·m-3，同时数浓度又出现降低，此时人工观测到冰雹。18:08以后粒子最大直径及平均直径均减小，同时数浓度再次增大到第二峰值。随着强回波单体移出，降水粒子数浓度快速减小，粒子尺度逐步减小。同时段漳平站降水的雨滴谱参量演变与永定站类似(图5b)，18:05对流单体前侧弱回波区，雨滴尺度小、数浓度低。18:20—18:25单体前部出现5.5 mm的大雨滴，含水量较小、数浓度较低。18:27—18:30回波强中心移入后，降水粒子最大直径、含水量和雨强均达到最大，与永定降雹不同的是粒子平均直径减小，而雨滴数浓度同时也达最大。18:32随着强回波单体移出，降水粒子也是直径逐渐减小，含水量降低，数浓度迅速下降。

图5 2020年3月27日(a)永定站17:43—18:20和(b)漳平站18:24—18:44降水粒子参数(数浓度NT、雨强R、含水量LWC、最大直径Dmax、平均直径Dave)随时间的变化

3.2 降水粒子谱的特征对比

由于永定站降水包含液相和冰相粒子，漳平站通过双偏振雷达分析判断为液相降水，因此分析了永定和漳平两站降水期间的降水粒子速度-尺度谱分布来研究两站降水粒子的相态(图6)，图中雨滴线、低密度雹1线、低密度雹2线、高密度雹线为根据表1公式计算所得。永定站受云体前侧影响时(图6a)，雨滴下落末速度和尺度的离散度不大，均匀分布在理论雨滴线两侧，整体数浓度较小；受强回波主体影响时，雨滴下落末速度和尺度的离散度加大(图6b)，有样本出现在低密度雹1线上，根据Friedrich et al(2013)结论认为低密度雹2线和高密度雹线在粒子直径5～8 mm仍以大雨滴为主，因此此时地面观测到的冰雹可判断为低密度冰雹；降雹后(图6c)，强回波主体后部降水粒子又均匀分布在理论雨滴线两侧，基本为液相，而数浓度则较之前显著增加。漳平站的降水粒子下落末速度-尺度图(图6d)与永定冰雹云后部降水(图6c)近乎类似，判断其为以雨滴为主的降水，与双偏振雷达分析结论一致。

图6 2020年3月27日(a,b,c)永定站(a)17:43—18:02，(b)18:03—18:08，(c)18:09—18:20，和(d)漳平站18:24—18:40的降水粒子速度-尺度图(填色为单位尺度间隔下单位体积雨滴数，单位：个·m-3·mm-1)

从永定站地面降水粒子尺度谱的时间变化情况来看，17:55—18:00(图7a，7b，7c)强回波前部雨滴谱迅速变宽，谱型从单峰向双峰、多峰演变，此时62.5 dBz强中心高度为4.3 km，对应的ZDR高值区以及KDP柱均下降至0℃层，可见此时云内冰雹粒子开始下落。18:02—18:03(图7d，7e)小雨滴数目呈数量级增长，大雨滴数目有所增长，最大直径达7.5 mm，18:03(图7e)的粒子速度-尺度谱中已有个别粒子分布在低密度雹1线上(图略)，此刻已有小冰雹夹杂在大雨滴中，但由于数量较少，未被观测到。18:04(图7f)粒子尺度谱宽变窄，大滴数减少且未有冰雹出现，小雨滴数目进一步增长达到最大值1 469.8 m-3，此刻碰并破碎机制产生大量的小雨滴。18:05—18:07为明显的雨夹雹阶段，小雨滴数目有所下降(图7g，7h，7i)，谱宽增大至7.5 mm，落在低密度雹1线附近的粒子数较18:03多(图略)，最强回波为58 dBz、ZDR及KDP最大值区均下降至0℃层以下，说明降雹发生，因此能被地面人工观测到。18:08 后以降水为主，粒子尺度谱谱宽逐渐收窄，呈现由双峰向单峰结构演变，小粒子数浓度减少幅度较为显著(图7j)。

图7 2020年3月27日17:55—18:13永定站雨滴谱演变

漳平站当18:24—18:28强回波靠近时，ZH>55 dBz强中心高度为3.9 km，对应KDP柱及ZDR柱在4.1 km左右，可见粒子下落、以降水为主，云体前部雨滴谱与永定站一样也是呈现双峰结构，但小雨滴的数浓度明显较永定少，第二峰与第一峰强度相当(图8a，8b)。随着主体回波影响，18:29—18:31最强降水期，强回波高度降低至3.1 km，KDP柱及ZDR柱高度也降低，雨滴谱迅速增宽至5.5 mm，小滴端数浓度较之前呈量级增长，但滴谱反而呈单峰分布(图8c，8d)。随着回波移出减弱，雨滴谱谱宽变窄，雨滴数浓度减小(图8e，8f)，与永定类似，小粒子数浓度减少幅度较为显著。

图8 2020年3月27日18:25—18:37漳平站雨滴谱演变

综合永定和漳平两站的滴谱瞬时变化来看，在强对流云体前部雨滴谱增宽都是大滴端先增加，出现明显的双峰或多峰结构，随着云体强中心的靠近才使小滴端数浓度呈量级增多，这与强对流云体前部垂直环境风切变较强导致大、小雨滴下落轨迹及落区出现显著分离，与ZDR弧结构(Kumjian and Ryzhkov,2008;Jung et al,2010；Dawson Ⅱ et al,2014;2015)类似，即云体前部为浓度不高大雨滴构成，靠近强中心则出现高浓度的小雨滴。在降雹或强降水阶段，雨滴谱呈现单峰或幅度较之前弱的双峰结构，根据0℃层至地面的双偏振参量CC值在0.95左右可判断此时的大滴多为小冰雹或霰融化造成(图2c，图3c)；在降雹后，降水粒子谱先呈现双峰结构，该部位对应的CC值接近0.99，因此可判断双峰结构主要由雨滴的碰并造成；随着云体的移出滴谱逐渐谱宽收窄，呈现由双峰减弱向单峰结构演变，小粒子数浓度呈量级减少。

4 结 论

2020年3月27日在槽前西南气流影响的背景下，龙岩东南部出现强对流天气过程，本文基于双偏振雷达和地面降水粒子谱对在永定站有观测到冰雹的云体以及同时发生在漳平只观测到短时强降水的云体进行分析，主要有以下结论：

(1)永定的降雹单体在降雹前出现回波高度跃增，存在有界弱回波区，在云体移动方向前部出现了强度为2～4 dB的ZDR弧，内部出现了发展高度较高的KDP柱，最高至7～8 km；而漳平的强对流云体也可观测到KDP柱，但发展高度较低，空中出现了冰雹但在下落过程中融化，地面以大雨滴强降水为主。

(2)在强对流云体前部雨滴谱增宽呈现双峰或多峰结构，此时大滴端先增加，随着云体强中心的靠近才是小滴端(D≤1 mm)数浓度呈量级增多，这与云体前部强环境垂直风切导致的大、小雨滴降落轨迹分离有关。

(3)在降雹或强降水阶段，永定站观测到的冰雹为低密度冰雹，滴谱呈现幅度较弱的双峰结构，漳平站则是呈现单峰结构，此时两站的大滴(D>3 mm)多为小冰雹融化造成。

(4)在降雹后降水粒子谱的双峰结构主要由雨滴的碰并造成，云体后部降水的滴谱谱宽收窄伴随着小粒子数浓度呈量级减少。