2022 年春季滇东北2 次冰雹过程的双偏振雷达特征对比分析

余加贵，马 红，马勋豪

云南省昭通市气象局，云南昭通 657000

强对流天气是造成气象灾害的主要天气类型之一，冰雹是对流云中的一种固态降水物，它是一种严重的自然灾害，是我国分布最广的一种对流灾害天气。天气雷达是天气探测和预报的重要技术装备。

目前，双偏振多普勒天气雷达的探测技术属于国际前沿水平，除可获取降水系统水平偏振方向上的回波强度(ZH)、径向速度(v)、速度谱宽(SW)外，还可以探测差分反射率因子(ZDR)、差分相移常数(KDP)、相关系数(CC)等独立参量，提高了强对流天气的探测能力。

梁俊平等[1]的研究表明，强的垂直风切变位于对流层中下层，配合一定的动力抬升条件，有利于超级单体和飑线的发生发展。周围等[2]的研究表明，位势散度是引起位势稳定度局地变化的主要强迫项。盛杰等[3]的研究表明，低层明显偏暖偏湿、中层偏干，有利于极端对流天气发生。杨芳园等[4]对一次云南飑线的研究表明，高低空急流耦合和高空动量下传造成了雷暴大风天气。贺晓露[5]等的研究表明，在超级单体发展过程中，风暴顶高度、最大水平反射率因子高度和垂直累积液态含水量等风暴参数均呈先升后降趋势。张红梅[6]等的研究表明，差分相移常数(KDP)是指示强降水的最典型指标，KDP和强降水对应较好,大范围的KDP指示了强降水的影响时间和降雨强度。钟晨[7]等的研究表明，相比常规多普勒雷达、双偏振多普勒天气雷达的差分反射率因子、传播常数、自相关系数可以直接有效在降雹前对云中的雹区进行判断。

1 天气背景

通过MICAPS常规资料分析，发现2次持续性的强对流天气发生，主要是由于500 hPa青藏高原东部短波槽不断快速东移经过云南北部，700 hPa上，川滇切变线加强南移，切变南侧西南急流风速达到20 m/s，有利于孟湾水汽向北输送。槽前系统性上升运动配合较好的水汽条件，为强对流天气的发生提供了有利的动力条件和水汽条件。昭通前期持续维持高温晴热天气，地面为热低压控制，对流发展区基本上位于低压中心附近。15日14:00开始昭通中部形成明显的地面辐合线，对强对流天气具有触发作用。地面辐合线一直维持至20:00之后，为强对流天气的发生提供了有利的动力抬升条件，有利于对流单体的形成和长时间维持。

从3月14日08:00宜宾探空站的探空资料T-logP图可以看出(图略)，湿层位于850～700 hPa，中低层湿度较好，垂直风切变达12 m/s,CAPE=303 J(订正后为3 218 J)，K=38 ℃，SI=-3.4 ℃，0℃层高度位于4 404 m，-20 ℃层高度位于7 468 m。从3月15日20:00威宁探空站探空资料T-logP图可以看出，湿层位于600～500 hPa，中层湿度较好，CAPE=755 J，K=40 ℃，SI=-4.2 ℃，0 ℃层高度位于4 498 m，-20 ℃层高度位于7 539 m。探空曲线图呈锯齿状，中层干包逆温明显，说明中层有较强的干冷空气卷入。垂直风切变从08:00的12 m/s增加至20 m/s，强垂直风切变有利于强对流天气的发生发展。

对比分析发现，3月14日的水汽条件更好，造成的短时强降水面积更大。2次过程都有上干冷下暖湿的结构，但3月15日上层更干，干空气夹卷更严重，有利于0 ℃层和-20 ℃层降低，更有利于大冰雹的生成。从实况分析，3月15日冰雹直径更大，强度更强。

2 雷达回波特征分析

从3月14日基本反射率因子看(图1a和图1b)，造成强对流天气的为自北向南移动的飑线。13:00川西高原有对流回波东移进入昭通北部，回波处于发展期。14:00回波继续加强南移，15:00回波处于强盛期，回波呈带状，结构紧密，带状回波长约100 km，宽约20 km，带上分布着多个强度大于60 dBz的点状强回波，直接产生冰雹天气。回波单体强度最强达到65 dBz以上，回波顶高达到9.9 km，45 dBz以上反射率因子高度达到7.6 km。

径向速度图上(图1c和d)为大片负速度区，带状强回波后侧有20 m/s以上的后方入流速度中心，是造成大范围地面大风的主要原因。地面观测到14日15:00～18:00飑线经过的区域均出现大范围大风天气，最大风速达到24.3 m/s(昭阳乐居16:00)。飑线移动速度较快，约为35 km/h，生命史约为4 h。18:00之后回波在东南移过程中开始减弱。飑线源地为川西高原，回波自西北向东南方移动。

从3月15日雷达基本反射率因子分析，雷达探测发现先后出现2个超级单体风暴：第一个超级单体生成于16:30，发源地在镇雄南部，为本地生成，本地发展为超级单体，之后回波自西向东移动进入贵州毕节，最后减弱消失，移速约为25 km/h，生命史约3 h。第二个超级单体为生成于21:30，也是本地生成，本地发展为超级单体，位置与第一个超级单体接近，源地在镇雄以南威宁，回波自西南向东北方向移动，移速较慢，约为20 km/h，生命史约为2.5 h。第一个超级单体强于第二个超级单体，两者生成时间相差约5 h。

3月15日昭通雷达探测到的2个超级单体均呈现钩状回波特征，均产生了较强冰雹天气。钩状回波出现在4～8 km高度范围内，表现为孤立的单体，水平尺度约为60 km,45 dBz以上强回波尺度约为40 km。基本反射率因子垂直剖面图上2个超级单体均出现了回波墙、弱回波区(BWER)和前悬回波等超级单体风暴特征，随高度增加风暴向移动方向前方倾斜，回波顶移过低层反射率因子高梯度区而位于有界弱回波区之上。

径向速度场上2个超级单体均以偏西气流为主，偏西气流中出现了逆风区，第一个超级单体逆风区面积比第二个超级单体逆风区面积大。逆风区有利于单体的发展与维持。对应钩状回波出现的位置，相应的径向速度垂直剖面图场上2个超级单体均出现旋转速度约为20 m/s的中气旋。从中气旋的垂直结构分析，第一个超级单体中气旋垂直延伸厚度为3.6～11.6 km，表现为从中间向上下延伸，在6～8 km高度范围内旋转最强。第二个超级单体中气旋垂直延伸厚度为4～8 km，相比之下，第一个超级单体中气旋更加深厚。

3 双偏振雷达产品分析

3.1 差分反射率因子

差分反射率因子(ZDR)是水平偏振的反射率因子和垂直偏振反射率因子之比，其比值的大小与降水粒子大小和形状的扁平程度密切相关，能反映粒子的尺寸和横纵轴之比。从差分反射率因子和垂直剖面图(图略)可以看出，对应最强回波部分的ZDR值3月14日14:25 在0.8～2.5 dB 之 间，3 月15 日16:48在0.8～3.5 dB之间，21:33在1～3 dB之间。

冰雹在下落过程中翻滚和形状不规则，认为其是各向同性的，导致冰雹云具有较小的ZDR值，这3个时段ZDR值的跨度大，说明冰雹中夹杂着水滴。俞小鼎、王秀明等老师在雷达与强对流临近预报中，对双偏振C波段雷达ZDR的研究，C波段雷达ZDR值在0～8 dB之间的湿冰雹，直径小于1.0 cm，与实际情况符合。

3.2 差分相位常数

差分相位常数(KDP)是指水平偏振和垂直偏振脉冲沿着某一段传播路径的位相差与路径长度之比。这个产品对冰雹和波束阻挡不敏感，通常用于强降水估测、冰雹识别、降水类型识别等。KDP值的差异主要归因于各向异性粒子组成的差异，因此液态降水是影响KDP的主要因素，KDP值越大，表明液态含水量越丰富。

从差分相位常数KDP和垂直剖面图(图略)分析发现，对应最强回波部分的KDP值3月14日14:25在0.22～3.10°/km之间，3月15日16:48KDP值为-0.20～2.60°/km，21:33KDP值为-0.25～2.10°/km。说明这3个时段水汽含量高。

3.3 相关系数

相关系数(CC)与取样体积中降水粒子的均质性密切相关，均质性越好，相关系数越大。如果取样体积内只包含雪或雨，则相关系数接近1；如果取样体积内既包含雨滴又包含冰雹，则相关系数会明显降低，对S波段雷达来说常常不到0.95(对C波段雷达雨滴和冰雹混合后会导致更低的相关系数)。相关系数主要应用于区分非气象回波、相态识别、冰雹识别。一般来说，冰雹产生的CC信号小于液态水的CC值，但在冰水混合区，其CC值一般都比较小。

从相关系数和垂直剖面图分析，3月14日14:25冰雹云的CC值在0.85～0.98之间,3月15日16:48的CC值在0.88～0.98之间，21:33的CC值在0.86～0.97之间。这3个时段值CC的跨度较大，说明是混合水凝物，降雹同时带有降雨。

4 结束语

(1)各种探测资料综合来看，探空资料能最早发现强对流发生区大气不稳定情况，能更早反映冰雹发生的大尺度天气背景，天气雷达能较早追踪强对流发生的源地和路径，细致、准确地定位冰雹的发生、发展和落区。故探空资料和天气雷达等多资料的结合应用对冰雹灾害天气的预报预警具有重要作用。

(2)春季连续2 d发生强对流天气，两者处于相似的天气背景下。500 hPa短波槽和700 hPa西南急流为强对流天气的发生提供了有利的动力条件和水汽条件。强盛的暖平流有利于上冷下暖不稳定层结生成。

(3)2次冰雹过程一次属于飑线，带状强回波后侧入流急流是造成大范围地面大风的主要原因。另一次冰雹过程为2个超级单体风暴，均出现了钩状回波和中气旋、逆风区、回波墙、弱回波区、前悬回波等特征。超级单体回波强度和对流发展高度都高于飑线，因而超级单体冰雹灾害强度较大，飑线造成的大风灾害较重。

(4)飑线移速较快，约为35 km/h，生命史均为4 h。超级单体移速较慢，为20～25 km/h，生命史一般为2～3 h。飑线影响范围更大，造成的灾害性天气范围也更大。

(5)2次冰雹过程均出现了大面积ZDR值，接近0，冰雹在下落过程中ZDR在3 dB附近，KDP值跨度大，最大达3.1°/km，CC值均在0.88～0.98的范围内，满足湿冰雹形成的条件，降雹同时伴随着降雨，也与实际出现的降雹降水区域吻合。