一次秋季冰雹过程的环境场和双偏振雷达特征分析

吕 健，刘圣楠，王俊人，邵伟军，燕荣江

（金华市气象局，浙江 金华 321000）

冰雹是破坏力极大、局地性较强的一种灾害性天气，往往给经济和人民财产造成较大损失，但由于其时空尺度小、突发性强，冰雹的预报和预警一直是天气预报业务的难点。天气雷达具有高时空分辨率的特征，是对冰雹、大风、龙卷和暴洪等短时临近天气进行监测和预警的主要工具之一。

单偏振多普勒雷达可以探测到降水粒子的基本反射率因子（ZH）、径向速度（V）、速度谱宽（W）等产品。而双偏振多普勒雷达通过水平和垂直偏振波对大气中的粒子进行探测，并根据接收到的水平和垂直偏振波进行对比分析，除得到单偏振产品外，还可以探测到差分反射率因子（ZDR）、差分相移率（KDP）以及相关系数（CC）等双偏振产品，这些双偏振产品能够更加有效地判断出大气中粒子的形状和相态，有助于预报员在气象业务工作中判断冰雹、识别雨雪和计算降水强度[1-3]，从而有效提升强对流天气的监测和预报预警能力。

ZDR表示降水粒子对水平和垂直偏振波平行分量散射能量的差异。通过分析ZDR的大小不仅可以判断降水粒子的平均形状，还可以判断降水粒子的相态[4]。ZDR最大的作用之一就是用于冰雹的识别。KDP是水平极化波和垂直极化波传播常数的差，可以表征单位体积内含水量的多少，KDP值越大则含水量越大[5]。一般情况下干冰雹的KDP较小，接近0 或是负值，通常在-0.5～0.5 °/km[6]，因此可以利用该偏振参量有效地判别冰雹的干、湿特性。CC 用来描述水平和垂直极化的回波信号变化的相似度，可用于区分降水和非降水、数据质量改善以及雷达取样体内水凝物粒子的均匀性识别[7]。

近年来我国逐渐开展了双偏振雷达的升级改造工程，许多学者对双偏振雷达开展本地化应用研究，研究成果有助于在当地强对流天气的预报预警工作中发挥重要作用。俞小鼎等[7]研究给出了S 波段雷达双偏振参量识别冰雹的判据，有助于业务一线预报员利用双偏振参量定量地判别冰雹；苟阿宁等[8]使用双偏振雷达资料详细分析了各种参量对降雪过程中固态降水粒子的识别作用，提升了双偏振雷达资料在当地固态降水天气中的应用技术；杨磊等[9]为提高S 波段双偏振雷达对降水粒子的识别能力，将双偏振雷达数据结合探空温度数据展开研究。浙江省金华市新一代S 波段双偏振雷达于2020 年8月完成改造并投入应用，双偏振雷达产品在金华的业务应用时长较短，尚处于初步阶段，尤其是利用金华双偏振雷达资料研究的冰雹天气个例还不多、本地化应用还不足。

浙江省金华市的冰雹天气过程主要出现在春季和初夏，而2021 年秋季（9 月20 日）浙江省金华市出现了一次冰雹天气过程，此次过程局地性强、受灾严重，较为罕见。本文利用常规气象观测资料和NCEP GDAS/FNL 0.25°×0.25°逐6 h 再分析资料，分析了此次冰雹过程的环流背景和不稳定条件；通过分析金华双偏振雷达资料，对降水粒子进行相态识别，并对冰雹云的演变展开分析，进而探讨和验证双偏振雷达资料对冰雹的识别能力，提炼冰雹云在生消过程中双偏振参量的特征，为今后金华地区冰雹的短时临近预报预警以及双偏振雷达本地化业务应用提供参考。

1 实况回顾

2021 年9 月20 日15：00 前后在浙江省金华市永康市出现强对流天气，伴有短时强降雨、局地雷暴大风和冰雹（图1），永康市气象台发布了冰雹橙色预警信号。当天15：00—16：00（北京时），永康南部6个区域气象站（海拔高度在100～200 m）出现8～10级大风，最大为筻里站（27.2 m·s-1，10 级）；小时雨强最大为永康峰箬（35.2 mm）；15：00 左右永康境内自西向东出现冰雹，最大直径为2 cm 左右，气象协理员观测上报的降雹区与图1 所示的STI 轨迹基本相同。一般来讲，浙江省中部地区的降雹过程持续时间较短，一般仅为几分钟，少数情况下可持续十几分钟；但此次降雹过程持续时间较长，达30 min 左右。另外，由于冰雹尺寸大、持续时间长，对当地的农业、通信、建筑及交通等带来了严重影响。

图1 9 月20 日降雹风暴移动路径（黑色空心三角形和折线表示STI 轨迹）、15：00—16：00 降水量（填色，单位：mm）和8 级及以上极大风站点（空心圆）

2 环境条件分析

此次强对流天气过程发生在西太平洋副热带高压东退、高空槽和低层低涡东移的环流背景下。从9月20 日08：00 中尺度分析综合图（图2a）可以看到，500 hPa 浙江省位于高空槽前、副热带高压588线北缘的西南气流中，温度槽落后于高度槽有利于引导冷空气南下。700 hPa 冷涡东移过程中带来明显的干冷空气，14：00 温度平流场在120°E 附近可以分析出一个-15×10-5K·s-1的冷平流中心；850 hPa浙江省被20 ℃暖温度脊控制，14：00 温度平流场在120°E 附近可以分析出一个12×10-5K·s-1的暖平流中心。垂直方向上不同的温度平流造成高低空温差进一步加大，14：00 再分析资料显示对流发生点850～500 hPa 温度差达到26 ℃，对流不稳定性急剧增强。0 ℃和-20 ℃层高度分别下降到4.8 和7.8 km，符合金华地区出现冰雹的指标[10]。

图2 9 月20 日08：00 中尺度分析（a）和14 时1 000 hPa 风场（b，单位：m·s-1，黑色实线示意中-β 尺度辐合线，红色空心三角形表示永康站位置）

对流有效位能（CAPE）和垂直风切变是判断雷暴发展强度的2 个重要指标，一般将CAPE 达到1 000 J·kg-1定义为中等以上强度的对流有效位能、0～6 km 的风矢量差在12～20 m·s-1定义为中等强度垂直风切变[7]。通过分析当天CAPE 随时间的演变可以发现，08：00—14：00 为大气不稳定能量持续积累的过程，14：00 永康附近CAPE 值升至1 681 J·kg-1，为中等到强的CAPE，接近金华地区出现冰雹的CAPE 历史均值[10]。同时，低层和深层垂直风切变在永康附近均达到近12 m·s-1，为中等强度垂直风切变。较大的CAPE 和较强的垂直风切变有利于高组织程度的强风暴出现。

由图2b 可知，14：00 边界层风场在永康附近存在一条显著的中-β 尺度辐合线，为此次过程提供重要的触发条件；对流触发后不稳定能量得到释放，暖湿空气被剧烈抬升，对流风暴迅速发展并加强，最终造成金华地区出现冰雹等灾害性天气。

综上，这是一次副热带高压北部边缘的强对流天气过程，温度场和风场交角较小，可以判断为准正压类强对流天气[11]。大气呈现“上干冷、下暖湿”的对流性不稳定层结，近地面中尺度辐合线提供了辐合抬升条件。另外，中层干冷空气的卷入有利于降低融化层高度、减小融化层厚度，更有利于冰雹落地。

3 雷达单偏振参量分析

3.1 降雹风暴回波演变

分析0.5°仰角ZH演变可以发现，20 日14：00永康上游有一多单体线状风暴东移，移动过程中逐渐加强。15：00（图3a）多单体线状风暴北侧的多个小对流单体已合并为更旺盛的对流单体，回波形态呈现典型的钩状，强回波中心正好位于永康附近，最大基本反射率因子达62 dBZ。与钩状回波前侧的暖湿入流缺口相对应，径向速度图可以识别出旋转速度为13 m·s-1的弱中气旋（图3b）。15：06 金华雷达0.5°仰角ZH（图3c）存在前侧入流缺口（FIN）和后侧入流缺口（RIN），对应径向速度（图3d）可以识别旋转速度为18 m·s-1的中等强度中气旋。说明超级单体已处于成熟阶段。中气旋在垂直方向伸展至6.0°仰角，持续时间达半小时，深厚持久的中气旋是此次降雹过程中径向速度图的主要特征，表明存在强烈的辐合上升气流，为雹胚成长提供了有利的动力条件。15：30 回波强度明显减弱且结构变得松散，超级单体进入消亡阶段。

图3 9 月20 日15：00（a、b）和15：06（c、d）0.5°仰角ZH（a、c）和径向速度（b、d）

3.2 降雹风暴结构特征

14：48—15 ：06 连续4 个体扫均可以在6.0°仰角反射率因子图上看到三体散射长钉（TBSS）（图4a），说明对流层高层已出现冰雹；15：06—15：24 连续4 个体扫可以在0.5°仰角观察到TBSS。15：10 协理员上报出现直径2 cm 左右的冰雹。可见TBSS 在冰雹预报预警方面具有较好的指示意义，本次过程可以利用高层出现TBSS 现象提前发布冰雹预警信息。

图4 9 月20 日15：06 6.0°仰角ZH（a）、沿雷达径向通过最强反射率因子核心的ZH（b）和径向速度（c，单线箭头示意气流走向，双线箭头示意径向速度方向）垂直剖面

15：06（超级单体成熟阶段）沿雷达径向通过最强反射率因子核心做垂直剖面（图4b），对流云发展非常旺盛，对流云顶高达16～17 km，质心高度达6～7 km，55 dBZ 以上强回波达12 km，接近对流层顶，远高于-20 ℃层等温线高度（7.8 km）；剖面左侧的强回波区域对应冰雹的下降通道，回波强度＞60 dBZ，而右边是宽广的弱回波区和位于弱回波区之上的悬垂回波，还可以看到较明显的有界弱回波区（BWER）。分析径向速度剖面（图4c）发现，对流层中层（3～6 km）存在明显的径向辐合、高层（10 km 以上）存在风暴顶辐散。此外，可以看到一支前向入流从对流层低层进入云体，倾斜上升并在高层向后流出，这支上升气流为冰雹云输送水汽，同时托举小冰粒在过冷水区停留生长成为冰雹；同时，对流层中层存在一支后向入流，向前、向下倾斜，并在云体底部达到最强，这支下沉气流为干冷空气，有利于热力不稳定层结的建立，并最终形成地面冷池和冰雹落区。

异常大的垂直累积液态水含量（VIL）和VIL 密度也是出现冰雹较好的判别指标[12]。从15：06 垂直累积液态水含量和回波顶高水平分布可以看到，VIL 中心值达70 kg·m-2，对应回波顶高（ET）为19 km，可以计算出VIL 密度接近4 g·m-3。研究表明，当VIL 密度＞4 g·m-3时，风暴产生直径＞2 cm 的大冰雹的概率较大[7]。

综上所述，此次降雹由超级单体风暴造成，单偏振参量显示出钩状回波、低层弱回波区、深厚持久的中气旋、中高层回波悬垂和有界弱回波区等雷达特征。该风暴具有典型的冰雹云特征：云体前部存在一支很强的斜升气流并从高层流出，有利于托举小冰粒停留在云中生长成为足够大的冰雹，然后脱离云体落到地面；后部存在一支干冷的下沉气流从中层流入、从云底流出，形成冰雹落区。高悬的强回波、高反射率因子值和异常大的VIL 值、弱回波区和有界弱回波区、三体散射现象等均指示了冰雹的出现。

4 雷达双偏振参量分析

4.1 双偏振参量水平特征

15：00 的0.5°仰角出现大面积55 dBZ 以上的反射率因子区，对流风暴核心区ZH达到60 dBZ 以上，对应区域的ZDR为2.0～4.0 dB，KDP＞3 °/km，CC 值基本在0.96 以上，因此可以判断此时对流层低层（离地面1.8 km）降水粒子为大雨滴；当把探测仰角抬高至2.4°，发现ZDR减小且出现负值，KDP在0.75～3 °/km，CC 降到0.90～0.95，表明降水粒子均一性降低，对流层中层（离地面3 km）已经出现冰雹。15：06 的0.5°仰角对流风暴核心区ZDR出现负值，低层已经开始出现冰雹。

15：12（图5）超级单体风暴中心区反射率因子维持在60 dBZ 以上，相应的0.5°仰角ZDR已明显降低且出现负值，是出现冰雹的重要指标；再结合KDP与CC 偏振参量可以进一步分析冰雹的干、湿特征及其尺寸大小。先分析风暴核心区A 的降雹情况：ZDR极值为-2.12 dB；KDP出现“空洞”现象（图5c），这是由于干冰雹差分相移率往往波动很大以至于不能获得符合质量控制要求的KDP值，所以在图上出现缺值[7]，说明A 区出现了干冰雹；CC 明显降低，在0.81～0.92；上述双偏振参量ZDR、KDP、CC 特征指示A区出现了大的干冰雹，这与气象协理员在15：10 观测到直径2 cm 左右冰雹的实况基本相符。再分析风暴核心区B 的降雹情况：ZDR主要分布在0.8～2 dB，根据Lemon 提供的ZDR与冰雹直径的关系图[7]，这很可能是直径在1～3 cm 的湿雹（也可能是降雨）；再结合KDP和CC，可以看到KDP主要分布在1.5～3.1°/km，CC 在0.92～0.96，表明是湿冰雹。B 区冰雹在降落时融化，产生了外包液态水膜，因此双偏振参量出现了上述特征。

图5 15：12 0.5°仰角Z（Ha）、ZD（Rb）、KD（Pc）和CC（d）（A、B 表示不同冰雹类型的降雹区）

如图6 所示，15：18 的0.5°仰角60 dBZ 以上高反射率因子区进一步扩大，将反射率因子≥55 dBZ的区域划分为A、B、C 3 个子区域。A 区（风暴核心区）ZDR为-0.31～0.88 dB，KDP“空洞”消失，KDP较前一体扫明显增加，分布在3～6 °/km，CC 为0.85～0.97，说明A 区为降雹区，存在大的湿冰雹且伴有强降雨；15：15—15：20 在降雹区附近的区域站出现强降雨，其中峰箬降水量为8.5 mm、筻里为8.3 mm、杨溪为4.9 mm。B 区的ZDR为1.5～3.1 dB，KDP与A 区相差不多，也分布在3～6°/km，CC 增大且基本都在0.95～0.99，是典型的大雨滴特征。C 区ZDR存在一个明显异于周边的大值中心，为1.3～4.25 dB，CC 为0.91～0.97，是小湿雹特征；另外，KDP相对偏小，分布在0～2.1°/km，说明降雹区没有伴随强降雨；15：15—15：20 位于C 区内的区域站降雨量很小，其中长城降水量为0.7 mm、上黄为0.2 mm。

图6 15：18 0.5°仰角Z（Ha）、ZD（Rb）、KD（Pc）和CC（d）（A、B、C 表示不同相态降水粒子的高反射率因子区）

15：18 超级单体风暴造成的降水相态比较复杂，反射率因子≥60 dBZ 的风暴核心区内存在大的湿冰雹且伴有强降雨，而位于其周边的反射率因子≥55 dBZ 的区域存在小的湿冰雹和大雨滴。

15：30 超级单体进入消亡阶段，ZDR为1～2.5 dB，KDP为1.9～4.1 °/km，CC 为0.95 以上，是强降雨的双偏振参量特征。说明此时降雹已经结束，降水粒子相态由固液混合态转为均一液态；对应实况降水很强，15：25—15：30 强回波区附近的峰箬站出现12.3 mm的降雨。

降雹过程持续30 min 左右，大的干冰雹和湿冰雹均有出现，双偏振参量的加入能够有效识别冰雹的尺寸及其干、湿特性。

4.2 双偏振参量垂直结构

为了更详细地描述超级单体风暴的垂直结构特征，有学者对ZDR柱[13-14]、KDP足[15-18]进行研究，并提出ZDR柱往往与强上升气流区相对应，其伸展高度与上升气流存在正相关并且可作为判别风暴强度的指标之一；ZDR柱常位于风暴发展达到成熟阶段前的上升气流附近[19]，而KDP足往往与下沉气流对应关系较好。

强上升气流是冰雹产生的必要条件之一。从ZDR垂直剖面演变（图7）可以发现，降雹前14：42（对流风暴发展阶段），ZDR柱（＞1 dB 的区域）伸展至10 km以上，高于-20 ℃层高度（7.8 km）；15：06 地面出现降雹（超级单体成熟阶段），ZDR柱高度明显降低。其微物理含义是由于ZDR大值区对应着大雨滴区，出现ZDR柱的位置说明此处有强烈的上升气流将暖雨滴带入过冷区且没有马上冻结，形成尺度较大的过冷水滴，当过冷水滴不断增长、冻结且上升气流不足以托举粒子时，降水粒子降落导致ZDR柱高度显著降低。如图7b 所示ZDR柱高度降低后的ZDR数值是明显增大的。ZDR柱在风暴发展前期的演变特征（在冰雹生长阶段ZDR柱可以伸展到-20 ℃层以上，当地面出现降雹时ZDR柱高度显著降低）并非偶然，高丽等[19]所分析的三次降雹过程中ZDR柱也具有相似的演变规律。

图7 9 月20 日14：42（a）和15：06（b）沿雷达径向通过高反射率因子区的ZDR 垂直剖面

因此，ZDR柱不仅可以判断冰雹云强上升气流所在位置，其演变特征还可以有效地提前判别出冰雹，例如本次过程可以利用该指标提前约20 min 预判冰雹的出现。另外，ZDR垂直剖面上还存在一些虚假回波需要注意判别：在ZDR柱右侧不远处存在一个ZDR异常高值区，对应CC 值很低，这是TBSS 的双偏振特征；在15 km 以上的大气高层也存在一个ZDR高值区，这是旁瓣回波的双偏振特征。

沿雷达径向通过高反射率因子区分别作15：06（超级单体成熟阶段）ZH、ZDR、KDP、CC 的垂直剖面。可以识别出超级单体冰雹云的回波悬垂和BWER。BWER 右侧为处于云体中层的ZDR柱，与上升气流相联系，有利于冰雹在0 ℃层（4.8 km）以上增长；左侧为处于云体低层ZH强中心内的KDP足，与冰雹降落导致的下沉气流相联系，可以指示冰雹落区。CC垂直剖面图BWER 内存在低于0.9 的值，这是由于该区域存在相态较为复杂的降水粒子，既存在固态粒子又存在雨滴，还可能存在一些底层入流卷入的杂物[20]（如昆虫、杂草、树叶等），也会导致CC 出现低值。

5 结论

本文利用常规气象观测资料和NCEP GDAS/FNL 再分析资料，针对2021 年秋季浙江省中部地区发生的一次降雹天气过程，从环流背景、不稳定性和触发条件等方面展开分析，并结合金华新一代S 波段双偏振雷达分析了超级单体的形成和冰雹云的演变及其结构特征，得出以下结论：

（1）降雹过程发生在西太平洋副热带高压东退、高空槽和低层低涡东移的环流背景下，大气垂直结构呈现“上干冷、下暖湿”的对流性不稳定层结，边界层中尺度辐合线提供有利的触发条件，是一次准正压类强对流天气。

（2）降雹由超级单体风暴造成，该风暴具备典型的冰雹云特征。TBSS 在冰雹预报预警方面具有较好的指示意义，本次过程可以利用高层出现TBSS 现象提前发布冰雹预警信息。超级单体成熟阶段KDP“空洞”现象说明出现了大的干冰雹，而KDP“空洞”消失、ZDR和CC 增大指示湿冰雹的存在；随着超级单体减弱，冰雹尺寸减小并逐渐转为液态降水。双偏振参量能够有效地帮助研判冰雹的干、湿特性和尺寸变化。

（3）超级单体成熟阶段BWER 西侧的KDP足与冰雹下降导致的下沉气流相联系，在冰雹落区预报中具有较好的指示意义。

（4）在对流风暴发展前期，ZDR柱若能伸展到-20 ℃层以上则有利于冰雹生长，可作为判别降雹的指标之一，在短临预报以及冰雹识别方面具有较好的应用潜力。此次过程提前约20 min 观测到ZDR柱伸展至-20 ℃层以上，预报员可以借助该指标提前判断出冰雹。

（5）本文仅为一次冰雹过程的诊断分析，未来还需要对更多冰雹个例开展研究，以验证上述ZDR柱演变特征在对流风暴发展前期对冰雹的预报和指示作用，进而获得一些可以业务化使用的定量关系，有效提升冰雹天气的预报预警能力。