双偏振雷达在毕节一次强风暴中的特征分析

姚 浪，周永水，李 刚，李 力，吴 姗

(1.贵州省毕节市气象局，贵州 毕节 551700；2.贵州省气象台，贵州 贵阳 550002；3.贵州省毕节市七星关区气象局，贵州 毕节 551700)

0 引言

毕节位于贵州西北部，平均海拔达1600 m，境内山地起伏、地形复杂，春季强对流天气频发，风雹灾害成为毕节受灾程度较大的灾害性天气之一。由于地处四川盆地至乌蒙山脉海拔骤升山区，春季地面辐合线影响频繁，常成为贵州强对流风暴发展的源地，对流发展具有回波生成快、发展强度强、降雹频次高、影响范围广、致灾严重等特点。因此准确识别冰雹云，判断可能发生的灾害性天气，及时发布预警信息，开展人工防雹作业对气象防灾减灾有着十分重要的意义。随着雷达升级改造，双偏振雷达投入业务运行，其双偏振参量能更好地识别降水粒子类型[1]。张鸿发等[2]在偏振雷达观测冰雹云方面做了大量研究，李春娥等[3]、李玮等[4]在偏振参量识别冰雹方面给出参量特征。刘亚男等[5]在双极化雷达对云中水凝物粒子相态识别作出分析。本文选取2021年5月9日毕节市一次大范围冰雹、大风、短时强降水强对流天气过程，结合观测资料对典型单体进行双偏振雷达特征分析，总结习水雷达在毕节中东部应用效果。

1 资料和天气实况

本文使用遵义习水C波段双偏振雷达和贵阳C波段多普勒雷达对毕节一次冰雹、大风、短时强降水天气进行雷达产品特征分析。冰雹数据来源于毕节市县气象局观测资料，天气背景分析数据来自MICAPS高空、地面观测资料，降水量使用毕节地面观测自动站数据。

2021年5月9日14时开始，毕节市境内西部地区分散对流天气发展，17时分散对流单体缓慢东移合并加强为线状强回波影响七星关、赫章和大方，18—23时组合反射率产品呈多单体对流风暴缓慢东移南压影响毕节中东部地区。过程收集到毕节境内七星关、纳雍、赫章、织金、黔西、大方和金沙共计7县域45乡镇出现冰雹天气，冰雹直径20 mm以上7乡镇，最大冰雹直径金沙安洛宋家坪35 mm；小时雨强25 mm以上短时强降水72站，最大小时雨强为黔西中建20时100.5 mm。过程共计发生100 mm以上大暴雨12站，50 mm以上暴雨58站，其中毕节中心城区降水量达120.8 mm，站点最大降水量142.3 mm。出现20 m·s-1以上大风7站，黔西城区测站最大风速达33.4 m·s-1(19时09分)。本次强对流天气过程在毕节中东部出现大范围冰雹、大风、短时强降水和强雷暴天气，具有持续时间长、影响范围大、对流强度强和受灾损失重等特点。

图1 2021年5月9日毕节市冰雹、大风天气实况Fig.1 Hail and gale weather in Bijie on May 9, 2021

2 天气背景与环境场特征

强对流天气发生前高空500 hPa贵州受584线北侧西南气流影响，青藏高原东南侧至云南西北地区为温度冷槽区，低层受暖区偏南气流控制，威宁早晨探空有弱逆温层，午后增温有利于不稳定能量集聚。20时500 hPa西风迅速增大至18～20 m·s-1，高空冷平流自西向东影响贵州西北部地区；850 hPa南风急流建立，地面热低压发展，随着午后升温贵州区域低层高温高湿特征明显。贵阳站850 hPa与500 hPa温差从24 ℃增大到31 ℃，威宁探空呈喇叭口分布，中高层干区明显。20时贵阳CAPE值达1560 J·kg-1。威宁、贵阳SI指数分别为-3.3 ℃、-5.8 ℃，贵州西北部地区上干冷下暖湿层结加剧大气不稳定度，14时毕节自西向东露点分布为6～18 ℃，露点梯度大。随着14—17时边界层辐合线扰动和能量锋区抬升，毕节对流天气发展，0～3 km贵州西北部16～17 m·s-1中等强度的垂直风切变和中高层干侵入利于组织对流的形成，适宜的融化层高度(WBZ：4300m)和-20 ℃层高度(7300m)为冰雹的形成和增大提供了适宜的环境温场条件。

3 冰雹、大风过程的双偏振雷达产品分析

3.1 大冰雹识别

3.1.1 强风暴特征 习水雷达0.5°仰角在17时04分探测到大方东部有强度超过50 dBz回波发展，17—20时该强回波缓慢东南移动，期间对流单体多次发展—成熟—减弱，风暴路径上多个乡镇出现冰雹、短时强降水。图3给出18时03分发生在毕节市东北部一个强风暴单体的不同仰角反射率因子(Zh)和0.5°仰角径向速度(V)。由图3a可见低层沿入流一侧(南侧)反射率因子具有很大梯度，强回波呈勾状形态，最大回波强度达64 dBz(高度约1800 m)，在红点标注区域存在弱回波区，2.5°～4.3°仰角上红点区回波强度递增，3.5°仰角上50 dBz以上强回波区呈准圆形，反射率因子梯度较低层分布更均匀，弱回波区上空存在反射率因子>60 dBz强回波中心，风暴单体自西北向东南出现回波悬垂。1.5°、2.5°、3.5°、4.3°、6.1°仰角上最大反射率因子分别达66.5 dBz(高度约3600 m)、69.5 dBz(高度约5600 m)、69 dBz(高度约7500 m)、68.5 dBz(高度约9200 m)和54.5 dBz(高度约12 800 m)，强回波伸展高度高，且在1.5°仰角4500 m高度上沿雷达径向60 dBz强回波区域后侧出现三体散射长钉和旁瓣回波特征。在低层径向速度图上可见风暴单体南侧入流区存在明显负速度大值区，入流气流显著，叠加低层弱回波区上空有高强回波悬垂，该区域存在强上升气流。对比贵阳多普勒雷达18时06分(图略)观测到金沙南部冰雹云回波低层呈勾状形态，向南一侧探测到V型缺口，垂直方向上向东南方出现悬垂回波，60 dBz以上强回波伸展到10 km以上。强风暴特征与习水雷达观测一致，主要区别在于金沙南部冰雹云单体所处方位和单体移动方向的差异导致习水雷达在1.5°仰角探测到强回波区后侧的三体散射长钉现象，而贵阳雷达同仰角未探测到三体散射长钉现象。对应观测实况，金沙南部安洛乡宋家坪于17时50分—18时30分出现最大直径为35 mm的大冰雹，该风暴单体组织性好，属于具有强风暴特征的成熟阶段冰雹云。

图2 5月9日天气综合分析(a)和20时威宁T-lnp图(b)Fig.2 Comprehensive analysis of weather on May 9 (a) and 20∶00 Weining diagram (b)

图3 5月9日18时03分不同仰角反射率因子和0.5°径向速度图(a.0.5°Zh,b.1.5°Zh,c.3.5°Zh,d.0.5°V)Fig.3 The reflectivity factor of different elevation angles and the radial velocity of 0.5° at 18∶03 on May 9 (a.0.5°Zh, b.1.5°Zh, c.3.5°Zh, d.0.5°V)

沿单体低层反射率因子梯度大值区的金沙县安洛乡西部—黔西县鼎新乡做反射率因子剖面分析(图4)，发现18时03分50 dBz以上反射率因子已接近近地层，60 dBz以上强回波自近地层到10 km以上出现小区域垂直伸展形态，-20 ℃层以上强回波区域大，对流发展极其深厚，利于大冰雹在融化层以上的翻滚和体积增大。垂直形态上可见低层弱回波区上空对应中高层强回波区，风暴顶位于低层反射率因子大值区上空，在接近5 km高度附近出现短时有界弱回波区，表明该区域存在一支强盛上升气流。19时09分，60 dBz以上强回波区质心逐渐下降，面积迅速减小，50 dBz以上反射率因子呈准垂直分布，对流单体进入减弱消亡阶段，对应地面观测以降水天气为主。

图4 5月9日反射率因子剖面(a.18时03分,b.19时09分)Fig.4 Reflectance factor profile on May 9 (a.18∶03,b.19∶09)

3.1.2 双偏振雷达参量特征 双偏振雷达的双线偏振功能可以有效提高探测冰雹的准确率和改进降水估测，同时对冰雹在垂直方向上的翻滚状态和下落融化过程进行判断。考虑到该单体造成实际强对流天气有短时强降水和大冰雹混合，结合观测天气现象和双偏振雷达差分反射率因子ZDR、相关系数CC和比微差相移KDP可以更准确地识别冰雹云特征。0.5°仰角上反射率因子Zh≥55 dBz区域ZDR值在-1～1 dB，CC上该区域ρHV<0.9，其中在金沙安洛南侧至百里杜鹃沙厂东侧探测到中心值为0.67的低值区，KDP显示金沙安洛南侧出现1～3.5 °·km-1大值区，其南侧为KDP空白区，在Zh南侧梯度大值区对应ZDR>2 dB，中心峰值达5.2 dB，表明安洛南侧可能为分界线，其北部为干冰雹区，南侧出现融化的冰雹和大雨滴混合。从0.5°仰角CC(图5c)可见在标记处冰雹区南侧出现了较大范围的ρHV低值区，对应低层反射率因子该区域强度低于50 dBz，表明CC产品在低层径向方向上前侧的大冰雹区可能造成后侧ρHV出现异常低值区。2.5°仰角上反射率因子Zh≥50 dBz区域对应ZDR接近0 dB(图5b)，该高度强回波区粒子为干冰雹，在南侧入流区百里杜鹃仁和乡东部出现ZDR>1 dB大值区，观测高度为6200 m，处于融化层之上，可以判断为一个ZDR柱，指示该区域有强上升气流存在。

图5 5月9日18时03分双偏振参量(a.0.5°ZDR,b.2.5°ZDR,c.0.5°CC,d.0.5°KDP)Fig.5 Dual polarization parameters at 18∶03 on May 9 (a.0.5°ZDR, b.2.5°ZDR, c.0.5°CC, d.0.5°KDP)

由图6的ZDR剖面可见低层反射率因子南侧梯度大值区对应ZDR>1 dB高度接近5 km，宽约10 km，中心峰值接近5dB(高度3800 m)，该区域降水粒子主要为融化的小冰雹和较大的降水粒子。结合相关系数CC剖面可见，对应反射率因子Zh>60 dBz区域ρHV约在0.85以下，在8 km高度附近出现1个ρHV<0.7的低值区，中心最低值达0.42，表明8 km附近有带尖刺的大冰雹或超大冰雹发展，对应近地层可以找到间断ρHV<0.7的低值块，可见高空大冰雹在穿越融化层下落到近地层仍能达大冰雹尺寸，对应地面在该区域内收集到35 mm大冰雹实况信息。

图6 5月9日18时03分差分反射率因子ZDR剖面(a)、相关系数CC剖面(b)Fig.6 Differential reflectance factor ZDR section (a), correlation coefficient CC section (b) at 18∶03 on May 9

3.2 黔西大风回波特征

5月9日19时09分黔西城区观测到33.4 m·s-1的12级西北大风，大风发生时对流风暴呈多强单体线性排列，黔西位于线状强回波前侧弱反射率因子影响区域，风暴整体向东偏南方向移动。分析大风发生前雷达回波特征发现，18时56分低仰角反射率因子在黔西东北区域有前侧V型入流缺口，西北部有强单体缓慢东移，结合地面气压观测百里杜鹃近1 h正变压达3 hPa，风向转为西北，风暴冷池下沉出流气流与南风的辐合在黔西南侧激发出强度为15～25 dBz的阵风锋和弱对流单体发展，抬高仰角到2.5°箭头标记处Zh弱，跟踪2个体扫后南侧弱单体逐渐消散。0.5°仰角径向速度上仁和乡以西—中坪乡为风暴前侧入流区，雨冲南侧—仁和乡西部为风暴出流正速度区，在黔西县西北侧的仁和乡南部标记处探测到旋转速度为26.7 m·s-1的气旋式辐合速度对，抬高仰角到1.5°该区域为10～16 m·s-1负速度区，速度对伸展高度约为2200～3500 m，持续时间1个体扫。这表明强风暴单体前侧与阵风锋之间风暴底层出流气流配合近地层强气旋式辐合会造成极端破坏性大风天气。

图7 5月9日18时54分不同仰角反射率因子Zh和径向速度V(a.0.5°Zh,b.2.5°Zh,c.0.5°V,d.1.5°V)Fig.7 The reflectivity factor Zh and radial velocity V at different elevation angles at 18∶54 on May 9 (a.0.5°Zh, b.2.5°Zh, c.0.5°V, d.1.5°V)

4 小结

本文分析了2021年5月9日毕节强对流天气发生时的主要环流背景和多普勒雷达与双偏振雷达产品在毕节东部典型强对流单体中的特征，揭示了金沙南部大冰雹和黔西大风的雷达产品特征，认为多普勒雷达和双偏振雷达均能探测出对流单体的强风暴形态，双偏振参量的优势在于能有效识别降水粒子类型以及对大冰雹特征的显示，主要结论如下：

①此次过程500 hPa冷平流加强、低层南风急流建立，上干冷下暖湿层结使得毕节大气层结极不稳定，垂直方向上存在中等强度的风切变，随着午后地面辐合线叠加露点锋抬升触发对流天气，形成有组织性的多单体强风暴。

②习水、贵阳雷达均探测到金沙南部低层反射率因子强回波区呈勾状形态，伴有弱回波区，抬高仰角显示中高层回波悬垂、有短时有界弱回波区，60 dBz以上强回波区伸展到10 km以上，强风暴单体特征明显，有利于大冰雹、大风的发生。

③习水雷达双偏振参量显示金沙南部低仰角反射率因子Zh大值区与ZDR零值附近对应干冰雹特征显著，反射率因子强中心南侧梯度大值区ZDR>1 dB区域与KDP>1°·km-1的大值区重叠能反映出水凝物粒子类型特征，近地层ρHV<0.7的低值区存在能有效识别大冰雹的降落。

④ 阵风锋的出现以及风暴单体底层冷池出流是百里杜鹃—黔西一线大风出现的主要原因，配合径向速度图上低层强气旋式辐合使得地面大风得以加强，造成黔西县出现极端破坏性大风天气。