辽宁“21·11”特大暴雪的双偏振雷达参量特征分析

金 巍， 胡志群， 曲姝霖， 于 涵， 李 黎

（1. 鞍山市气象局，辽宁 鞍山 114004； 2. 中国气象科学院 灾害天气国家重点实验室，北京 100081； 3. 中国科学院空间天气学国家重点实验室，北京 100190； 4. 兰州大学 大气科学学院，甘肃 兰州 730000；5. 辽阳市气象局，辽宁 辽阳 111000； 6. 营口市气象局，辽宁 营口 115000）

0 引言

对降雪过程大多为宏观特征分析研究，随着国内新一代天气雷达的偏振升级改造，通过偏振量的分析和质量评估，让人们能够识别水凝物相态及谱分布，加深理解降水过程中微物理演变，提升降水的预报能力［1-4］。同过去多普勒雷达相比，双偏振雷达含有差分反射率（ZDR）、差分传播相移率（KDP）和相关系数（CC）产品，可以更加微观地监测粒子的微物理特征［5-7］。

因此，近年来我国基于双偏振雷达进行质量控制和对雨雪天气的分析也有了一些微观特征的研究成果。张哲等［8］在双偏振多普勒天气雷达的定量降水的应用中得出，水平极化反射率因子强度（ZH）、ZDR和KDP与降水粒子有关。江慧远［9］在强对流特征及风场分析中，发现冰雹发展时段，可以观测到偏振参量ZDR柱和KDP柱，ZDR柱与大滴粒子出现相一致，与粒子相态识别结果相符。雍佳［10］在暴雪垂直结构的云微物理特征研究中，发现在2 km 高度附近，暴雪过程具有暖性层云结构，存在一条ZDR强回波带。荀爱萍等［11］统计分析双偏振雷达的偏振参量资料得到，ZDR、KDP同粒子外形和相态有关。陶然亭［12］分析了中国东部地区不同速型降雪过程中的偏振参量特征。武静雅等［13］利用Ka 和X 波段双偏振雷达对北京一次降雪的分析得出，雪带的垂直结构仅包括三层，分别是凝结增长层、丛集层和淞附层。曹俊武等［14-15］研究发现了双偏振雷达ZDR识别降水粒子效果好于KDP和CC。在国内［12］和国外［16-17］研究中，均发现地面降雪量的增加与高空增大的KDP相一致。

郑佳锋等［18］、谷娟等［19］、林青云等［20］、徐舒扬等［21］先后对双偏振天气雷达对降雨或降雪水凝物识别进行了分析和研究。寇蕾蕾等［22］发展了多种基于双偏振观测量的定量降水估计方法，得出双偏振雷达对降水估计的准确度比单偏振关系R（Z）有所提升。陶然亭［12］、吴杨等［23］研究得出，在温度高空低、近地层高的降雪过程，ZH、ZDR、KDP阈值特征分别为30 dBZ、0～0.5 dB、0.1 （°）·km-1。

利用业务使用的双偏振天气雷达资料进行我国北方降雪研究相对较少，希望通过基于双偏振雷达对辽宁罕见特大暴雪的偏振参量特征分析，进一步了解北方暴雪发生特点，为预报员进行极端灾害性暴雪天气分析提供个例参考。

1 暴雪过程简介

1.1 资料说明

包括营口S 波段双偏振雷达资料、常规气象观测资料和再分析资料。由于11 月中国东北地区对流高度较低，所以使用资料的最大高度取为10 km。文中所使用的时间均为世界时。已完成对营口双偏振雷达反射率水平通道和垂直通道插值质控工作，营口双偏振雷达运行不到一年，系统内监测表明系统运行稳定，系统误差范围小，数据质量可靠。

1.2 暴雪概况

2021 年11 月7—9 日，辽宁地区发生了罕见的特大暴雪、雨雪冰冻、寒潮、大风天气，辽宁省近半数国家气象观测站降雪量、雪深均超过2007 年“3·4”暴雪过程，突破了1951 年有完整气象记录以来历史极值（图1）。其中，辽宁中部的鞍山市区为强降雪中心，7 日08：00 至9 日04：00 之间44 个小时鞍山市降雪量达到80.8 mm，雪深53 cm，辽阳县7 日08：00 至8 日21：00 之间37 个小时降雪量达到69.2 mm，雪深48 cm，海城市7日08：00至8日18：00之间34个小时降雪量达到64.0 mm，雪深41 cm，鞍山市区、海城市、辽阳县最大24 小时降雪量分别为68.5 mm、61.4 mm 和61.2 mm，降雪主要出现在7 日08：00 至8 日08：00，鞍山市区、海城市、辽阳县最大小时降雪量分别为10.6 mm、9.1 mm和9.4 mm，主要出现在7 日19：00—20：00，这次降雪过程的特点是雪强大，时段集中，而且这次降雪持续时间较长，主要降雪主要出现在7日09：00—21：00，降雪高峰在7 日18：00—20：00，连续3 小时降雪量在鞍山市区、海城市和辽阳县分别达到25.9 mm、23.6 mm和21.9 mm，观测到的最大雪强达到10.6 mm·h-1，最大雪深强度为13 cm·h-1，出现在鞍山市区，本次辽宁省特大暴风雪过程也给当地造成非常大的雪灾，辽宁中部的鞍山站降雪过程中，气温一直处于0 ℃以下（-5.8～-0.5 ℃），地面天气现象一直是降雪，7 日21：00 之后雪强开始减弱，气温有所回升，7日22：00至9日03：00鞍山站地表0 cm温度一直处于0 ℃，路面降雪有部分融化结冰，同时，辽宁东南部由于气温较辽宁其他地区偏高，存在雨雪转化。

图1 2021年11月7日08：00至9日04：00辽宁地区雨雪总量和雪深Fig. 1 Total amount of rain and snow and snow depth in Liaoning from 08：00 on November 7 to 04：00 on November 9， 2021：hourly snowfall at Anshan， Haicheng and Liaoyang County Stations （a）， hourly snow depth and snowfall at Anshan Station （b）， total amount of rain and snow in Liaoning （c）， and snow depth in Liaoning （d）

1.3 背景分析

在中高层天气图上（图略），2021 年11 月7—9日辽宁地区罕见特大暴风雪天气过程，受500 hPa高空槽及槽前西南暖湿气流影响，低空850 hPa 低涡东移加强，海上副热带高压北抬，副高后部东南急流从黄海向辽宁输送充沛的水汽，辽宁地区地面受江淮气旋北上影响，地面到超低空偏北急流加强过程中，冷空气不断由地面向高层扩展，为此次辽宁地区特大暴雪过程的暖湿空气沿冷垫向上爬升，提供了较好的动力条件。此时的高低空和地面有利的天气形势是辽宁地区出现罕见特大暴风雪过程产生的基础。

从大尺度的环流背景（图2）看，这次特大暴风雪，由高空槽东移引导地面冷高压东移南落，低空暖湿空气增强，存在上下层结不稳定，导致辽宁暴风雪天气过程。7日00：00，辽宁地区位于200 hPa北侧急流轴入口区的右侧，位于南侧急流出口区左侧，说明辽宁地区高层存在明显的辐散；500 hPa高空槽位于内蒙古与蒙古国东部边界，850 hPa切变线位于江淮流域至山东半岛一线，850 hPa辽宁地区受西南暖湿气流影响，以上是辽宁西部地区产生强降雪的水汽和动力条件。

图2 2021年11月7日00：00（a， c， e）和12：00（b， d， f）高低空天气图Fig. 2 High and low weather map at 00：00 （a， c， e） and 12：00 （b， d， f） on November 7， 2021

7 日12：00，在200 hPa 上，东北地区和江淮区域仍各有一条急流，辽宁地区位于东北地区急流的入口区右侧，江淮流域的急流出口区的左侧，说明辽宁地区高层存在更强的辐散；500 hPa 西风槽东移，南北呈阶梯槽，850 hPa南部暖湿切变线东伸北抬在辽宁中部到山东半岛东部一线，辽宁东部有12 m·s-1的西南急流配合，850 hPa 辽宁地区气温在5 ℃左右，一直维持较明显的暖平流；这样的低层水汽辐合、高层辐散抽吸作用，为辽宁中、东部地区产生强降雪提供了水汽和动力条件。

在6 日12：00 地面图上（图3），地面气旋在山东境内的西南部生成，此后，在山东境内沿着偏东方向移动；7日12：00，江淮气旋入海加强，气旋中心气压为1 012.5 hPa，位于山东半岛东部沿海，气旋中心气压为1 012.5 hPa，较6日12：00气压下降6.5 hPa，7日12：00辽宁地区处于江淮气旋西北侧，有地面冷空气南下；第一股冷空气在6 日12：00 其冷空气前锋已经到达辽宁西部，这股冷空气从7 日白天开始自西北向东南影响辽宁，辽宁处于江淮气旋的西北部，辽宁西半部有强盛的偏北风，与低空西南急流位置相对应，7 日白天开始辽宁西部产生明显降雪；在7日12：00地面图上，辽宁东南部气温为10 ℃，较西半部气温偏高15 ℃左右，东、西部温度露点差为7～10 ℃，辽宁处于暖锋西北侧，第二股冷空气在7日12：00 前后开始，辽宁境内不断有冷空气从北部补充南下，低空暖湿气流沿着冷空气前沿抬升，7 日18：00—21：00，辽宁东半部稳定处于暖锋前部，同样，说明此次辽宁高架对流发生时，地面冷垫对低空暖湿气流具有一定抬升作用。8 日06：00 江淮气旋北上，气旋中心移动到吉林境内，辽宁对流性强降雪基本结束。

图3 2021年11月6日12：00（a）、7日12：00（b）、7日18：00（c）和8日06：00（d）地面图Fig. 3 Ground map at 12：00 on November 6 （a）， 12：00 on November 7 （b）， 18：00 on November 7 （c）and 06：00 on November 8 （d）， 2021

2 降雪过程中双偏振雷达参量特征分析

2.1 径向速度（VH）分析

2.1.1 垂直风廓线的水平风场结构演变与降雪的关系

利用2021 年11 月7 日06：59 至8 日04：01 营口双偏振雷达的风廓线（VWP）的时间-高度剖面图（图4），可以发现：7 日06：59 之前，超低空（指1 km高度以下）大气没有明显的偏北气流，7 日06：59—11：58 在1.2 km 以上低空有一致的西南急流，并有20 m·s-1西南急流从2.4 km向下扩展到低空1.5 km高度，在0.3～0.9 km 高度上有4 m·s-1东北气流向上扩展加强为8 m·s-1，之后偏北气流携带着冷空气由地面向上层继续扩展，7 日20：03 之后地面至1.8 km 高度转为12 m·s-1偏北急流，在2.1～4.9 km高度有24 m·s-1偏南急流，带来了丰沛的水汽，随后偏南急流中心不断减弱，在7 日10：59—20：03，12 m·s-1偏北急流由低层向高层伸展加强，降雪强度也不断加强，当低空风向由东北转为西北，此次辽宁地区强降雪过程基本结束。

图4 2021年11月7日07：00至8日04：00营口雷达风廓线随时间演变Fig. 4 Evolution of Yingkou Radar wind profile from 07：00 on November 7 to 04：00 on November 8， 2021

说明此次辽宁特大暴雪过程低空偏南急流和高空西南急流相配合，形成比较深厚的水汽输送带，为此次大暴雪过程的发生提供充足的水汽条件；同时，地面到超低空偏北急流加强过程中，冷空气不断由地面向高层扩展，暖湿空气沿冷垫向上爬升，提供了较好的动力抬升条件。

2.1.2 雷达径向速度的PPI回波

分析2021 年11 月7 日18：00—20：00 营口雷达1.5°和2.4°仰角双偏振雷达径向速度（VH）的PPI 图（图5），可知：在强降雪时段，雷达低层呈反S 型，有冷平流，图5（a～f）均观测到偏北急流形成的牛眼结构，最大可达20 m·s-1，冷空气南下起到冷垫作用，中高层垂直方向上顺时针旋转有暖平流，偏南急流可达27 m·s-1，提供充沛的水汽输送，同时，中层存在强风向垂直切变使系统移动缓慢，促使强降雪得以维持较长时间，7 日20：00 辽宁中部鞍山站出现10.6 mm·h-1暴雪，小时雪深强度达到了13 cm。

图5 2021年11月7日18：00—20：00营口雷达径向速度VH的PPI回波Fig. 5 PPI echo of Yingkou Radar radial velocity VH at 18：00—20：00， November 7， 2021

2.2 降雪过程的双偏振雷达特征

通过对营口双偏振雷达参数进行分析，可以获取降雪粒子的形状、尺寸大小、相态分布、空间取向等双偏振雷达特征。

2.2.1 水平反射率因子ZH

水平反射率因子ZH与雷达探测粒子的大小和浓度有关［24］。

水平偏振的雷达反射率因子ZH定义（满足瑞利散射条件）如下。

式中：ZH在实际应用中常用dBZ 表示，取决于粒子自身滴谱分布情况；D为粒子（雨雪或冰晶）直径；i为某一个直径附近的粒子数；滴谱为粒子直径的函数，用N（D）（个·m-3·mm-1）表示。

由2021 年11 月7—8 日鞍山站（相对雷达方位36.57°，距离65.498 km）上空的ZH（0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°仰角）和逐小时降水量曲线图（图6）分析，可知：在7日07：00至8日17：00主要降雪时段，0.5°、1.5°、2.4°仰角的ZH分别在20～40 dBZ、30～45 dBZ、15～35 dBZ 之间，强降雪与弱降雪对比，在2.4°仰角ZH差距最大；在7 日17：00—20：30 强降雪时段，ZH最大在35～40 dBZ，在3.4°、4.3°和6.0°高仰角中，ZH分别达到30～35 dBZ、20～28 dBZ、5～15 dBZ，与弱降雪活动相比，高仰角ZH增幅较大。以上说明，在此次强暴雪阶段中，上升气流更强，使得高空有明显的冰晶增长且粒子浓度很大，高层反射率因子强度与小时降雪强度变化更为一致，体现出本次过程高架对流性质强降雪的特征。

由2021 年11 月7 日07：05—22：17 鞍山站上空ZH剖面图（图7）分析，可知：7 日07：00—21：00 上空对流活动最为旺盛，在强降雪回波区的ZH基本在30 dBZ 以上，并有40～45 dBZ 点缀中间，ZH质心高度基本处于1～3 km 高度；在最强降雪时段（7 日18：00—20：00），35 dBZ 的ZH伸展到5 km 高度以上，中间点缀着40～45 dBZ；说明ZH越强，粒子越大（ZH正比于D6），浓度越高［正比于N（D）］，强烈的上升气流，以及偏南急流带来的充沛水汽，使高低空中翻滚的雪或冰晶粒子直径增大，有利于产生强降雪。

图7 2021年11月7日07：05—22：17鞍山站ZH随时间演变Fig. 7 Evolution of ZH at Anshan Station from 07：05 to 22：17 on November 7， 2021

2.2.2 差分反射率ZDR

差分反射率ZDR定义为

式中：ZDR为水平和垂直偏振波的回波强度差，表示一个探测空间体（距离库）的平均粒子形状值，与粒子大小密切相关。

由文献［25-26］研究所得，ZDR的取值范围一般为-1.5～6.0 dB。降水粒子在下落过程中受重力作用呈扁椭球；当ZH＞ZV，通常ZDR＞0，粒子呈扁椭球；当ZH＜ZV，通常ZDR＜0，表示粒子呈竖椭球，ZH=ZV，通常ZDR=0，表示粒子呈圆球体。

通常ZDR＞0，当ZDR≥3～6 dB，粒子下落过程中，大雨滴呈扁椭球；当ZDR值较小或接近于0，冰晶或雪花近似小球形；非球形冰晶紧密的雪花ZDR值会较大一些［26］。所以，ZDR对于识别降雨、降雪以及雨雪相态有较好的判断。

分析2021 年11 月7—8 日鞍山站逐小时降水量和双偏振雷达ZDR剖面图（图8），可知：在7 日00：00至8 日22：00，在3 km 高度以下，ZDR有明显的正值，最大正值仅为0.1～0.3 dB，7 日08：00—21：00 强降雪区，ZDR取值在-0.3～0.3 dB 之间，ZDR最大正值伸展到8 km，ZDR数值集中在0.1～0.3 dB，处于ZH回波强度40 dBZ的范围内。18：00—20：00强降雪阶段，高层和低层ZDR值均接近于0，粒子接近圆球状，说明空中小球形冰晶和部分雪花结构松散；同时，7 日00：00高空图（图略）显示：辽宁中部距离地面4.5 km（约600 hPa）高空温度已经降至-10 ℃，在低于-10 ℃（4～8 km）高度层上，粒子密度较小，原始的冰晶的聚并作用较强，散射等效作用近似于球形化，粒子有着不同的下落速度，在重力和动力作用下，在下降过程中进行着凝结、碰撞、粘连、聚合等过程，不断生长形成组织疏松的聚并雪，以冰晶和雪花的形式降落，近地面温度小于0 ℃，粒子在下落过程中不足以融化，进而使得地面降雪率增加。Wang等［27］研究得出融化层上方的冰相微物理过程对降水的触发和增强起着重要作用，与本文研究结果较为一致。

图8 2021年11月7—8日鞍山站ZDR随时间演变Fig. 8 Evolution of ZDR at Anshan Station from November 7 to 8， 2021

Liu 等［28］研究表明双极化多普勒雷达水平和垂直两个接收器的失配会产生明显的ZDR偏差，2021年11 月7 日15：00—22：00 营口双偏振雷达机内系统标定和ZDR监测，显示ZDR的平均值为0.32 dB，波动范围在0.04 dB 范围内，系统内监测表明系统运行稳定，系统误差范围小，数据质量可靠。

雍佳等［10，29］、陶然亭［12］、吴杨等［23］研究结果与此次辽宁鞍山站特大暴雪过程研究结论比较一致，强降雪发生均存在反射率因子强度偏强（30～35 dBZ），ZDR正值偏小，均在（0～0.5 dB）；而强降雨发生阶段具有反射率因子强度偏强（一般为40～55 dBZ），ZDR正值偏大（一般为3～6 dB）特征。在本次鞍山站暴雪过程中，整层ZDR取值在-0.3～0.3 dB 之间，符合降雪发生的粒子特征。

2.2.3 差分传播相移率KDP

一般来说，KDP不受雷达系统标定误差的影响，KDP主要依赖于降水浓度及相态［30］。由图9 分析所得：2021 年11 月7—8 日鞍山站主降雪时段（7 日08：00—21：00），在1～8 km 高度，KDP为0～0.3 （°）·km-1，在低空2 km 高度有0.6 （°）·km-1点缀其中；在强降雪时段（7 日17：00—20：00），在1～8 km 高度，KDP为0～0.6 （°）·km-1，在7 km 高度，KDP为0.3 （°）·km-1，KDP出现悬垂；以上说明，在主降雪时段，KDP为0～0.6 （°）·km-1，在7 km 高度，KDP为0.3 （°）·km-1，说明高空冰晶和雪粒子有较高的数浓度，同时，强降雪阶段出现了KDP柱和KDP悬垂。

图9 2021年11月7日00：04至8日22：21鞍山站KDP随时间演变Fig. 9 Evolution of KDP at Anshan Station from 00：04 on November 7 to 22：21 on November 8， 2021

这次降雪的研究结果与王清川等［31］、贺晓露等［32］和杨祖祥等［33］所分析的结果较为一致，较高的粒子数浓度对应着较大的KDP值，KDP柱和KDP悬垂的出现预示着强降雪即将发生。Gou等［34］研究结果得出，基于KDP的雷达降水强度估计效果最好，说明KDP其位置与雪强中心均存在较好的对应关系。

2.2.4 相关系数CC

相关系数主要反映探测范围内水凝物是否有一致性相态。由2021 年11 月7 日07：05—22：17 鞍山站上空偏振雷达CC剖面图（图10）分析，可知：7 日08：00—21：00 鞍山站上空1～8 km 高度最大CC为0.95～1.0，中层CC有0.7～0.8 点缀其中，在最强降雪时段（7日17：00—20：00），鞍山整层上空CC接近于1.0，仅有少量CC为0.9点缀其中。CC主要与粒子的相态一致性有关，聚合度低的雪或干雪CC值较大，整个过程CC最大值都大于0.98，说明相态一致性较好，主要由干雪组成。

图10 2021年11月7日00：04至8日22：21鞍山站CC随时间演变Fig. 10 Evolution of CC at Anshan Station from 00：04 on November 7 to 22：21 on November 8， 2021

而7日12：00鞍山站低空1～3 km高度ZH较小（20～30 dBZ）为层状云，对应于ZDR较大值（0.1～0.3 dB），相关系数CC接近或略低于0.9，大连探空站（距离鞍山较近）850～925 hPa 高空温度分别在3.8～4.4 ℃，超低空950 hPa 附近温度低于-2 ℃，2 km 高度以下层状云与融化层（高度1.8 km，温度0 ℃附近）高度相近，雪花在空中下降过程中，在融化层高度降水粒子为雨雪混合相态，故部分区域相关系数CC较低。

2.2.5 不同小时降雪量级的双偏振雷达参数特征

选用辽宁中部强降雪中心的3 个代表站点［包括鞍山站（相对雷达方位36.57°，距离65.498 km）、海城站（相对雷达方位40.46°，距离29.948 km）、辽阳县站（相对雷达方位36.47°，距离78.383 km）国家气象观测站］的逐小时降雪量，小时降雪量级（小数点后保留1 位）分为≤0.1 mm、0.2～1.0 mm、1.1～2.0 mm、2.1～4.0 mm、4.1～6.0 mm、6.1～8.0 mm、8.1～10.0 mm 和10.1～12.0 mm，共8个量级，采用6分钟一次的双偏振雷达扫描一次获取的偏量（ZH、、ZDR、KDR和CC），分别对各站的小时降雪量进行分级统计，探讨分析此次辽宁中部降雪过程中不同站点小时降雪量与上空的双偏振雷达参量特征。选择辽宁中部降雪最大的三个站点（鞍山站、辽阳县站、海城站）；从营口双偏振雷达6 分钟1 次的0.5°～19.9°仰角的雷达体扫中提取雷达探测数据（ZH、ZDR、KDP、CC），统计每个体扫，每个站点各个时刻最大值为从0.5°～19.9°仰角中选取最大值，平均值为从0.5°～19.9°仰角中所有数据的平均值。设定的最大值为每个小时三个站点的最大值的平均，设定的平均值为每个小时三个站点平均值的平均。

由2021年11月7日00：00至8日23：00辽宁中部不同降雪量级的双偏振雷达参数特征（图11）可知：

图11 2021年11月7日00：00至8日23：00辽宁中部（鞍山、海城及辽阳县）不同降雪量级的双偏振雷达参数特征Fig. 11 Parametric characteristics of dual polarization radar with different snowfall levels in central Liaoning（Anshan， Haicheng and Liaoyang County） from 00：00 on November 7 to 23：00 on November 8， 2021

在≤0.1 mm 小时降雪量级时，ZH最大值和平均值分别为11.4 dBZ 和6.2 dBZ；在0.2～1.0 mm 小时降雪量级时，ZH最大值和平均值分别为17.4 dBZ和10.6 dBZ；在1.1～2.0 mm 小时降雪量级时，ZH最大值和平均值分别为22.7 dBZ和13.9 dBZ；在2.1～4.0 mm、4.1～6.0 mm、6.1～8.0 mm、8.1～10.0 mm和10.1～12.0 mm 小时降雪量级时，ZH最大值和平均值分别为31～35 dBZ 和21～26 dBZ。由此可知，在＞2 mm 的小时降雪量级，ZH最大值为35 dBZ，在＞8 mm 的小时降雪量级中，ZH平均值为25～26 dBZ，较2.1～8.0 mm 小时降雪量级的ZH平均值大4 dBZ左右，说明ZH越强，粒子越大和浓度越高，强烈的上升气流使高低空中翻滚的雪或冰晶粒子直径增大，有利于产生强降雪。

在≤0.1 mm、0.2～1.0 mm 小时降雪量级的ZDR最大值和平均值分别在0.9～1.1 dB和-0.3～-0.2 dB之间，在1.1～2.0 mm 小时降雪量级的ZDR最大值和平均值分别为0.4 dB 和-0.5 dB，在2.1～4.0 mm、4.1～6.0 mm、6.1～8.0 mm、8.1～10.0 mm 和10.1～12.0 mm 小时降雪量的ZDR最大值和平均值分别在0.3～0.8 dB 和-0.3～-0.1 dB 之间。由此可知，在＞2.0 mm 小时强降雪估测中，ZDR最大值和平均值分别为0.3～0.8 dB 和-0.3～-0.1 dB，在ZDR最大值对小时降雪估测中，≤2.0 mm 和＞2.0 mm 小时降雪量的ZDR最大值范围分别为0.7～1.1 dB和0.3～0.8 dB，强降雪的ZDR反而小于弱降雪，说明强降雪粒子下落过程中，呈竖椭球体或圆球体冰晶和雪花更多。

在≤2.0 mm 小时降雪量级中，KDP最大值和平均值分别接近0.1 （°）·km-1和0 （°）·km-1，在2.0～12.0 mm 小时降雪量级中，KDP最大值和平均值分别在0.2～0.4 （°）·km-1和0.1～0.2 （°）·km-1之间。由此可知，在≤2.0 mm 小时降雪量级中，KDP平均值接近于0，在＞2.0 mm 小时强降雪估测中，KDP最大值和平均值随着降雪强度增强而增大，说明强降雪发生时，空中雪花浓度增高，小时降雪强度更大。

整个降雪过程（＞2.0 mm 小时降雪级），CC最大值和平均值均大于0.98，说明基本上由相同相态的干雪粒子组成。

综上所述，辽宁此次罕见的强降雪过程中，降雪粒子双偏振雷达参数特征为：在＞2.0 mm 小时强降雪估测中，ZH最大值和平均值分别为33～35 dBZ和21～26 dBZ，ZDR最大值和平均值分别为0.3～0.8 dB和-0.3～-0.1 dB，KDP最大值和平均值分别为0.2～0.4 （°）·km-1和0.1～0.2 （°）·km-1，CC最大值和平均值均大于0.98。

2.2.6 典型剖面图分析

选用代表不同降雪量级的三个时刻（分别为8日04：42、7日09：32和7日19：10）雷达体扫资料，分析营口雷达中心到鞍山站（暴雪中心）两点连线剖面上的雷达偏参数（ZH、ZDR、KDP和CC）特征，由图12矩形黑框区分析可知：

图12 2021年11月8日04：42、7日09：32和7日19：10营口雷达中心到鞍山站两点连线上的雷达偏参数ZH（单位：dBZ）、ZDR（单位：dB）、KDP［单位：（°）·km-1］和CC的剖面图Fig. 12 Profile of radar bias parameters ZH （unit： dBZ）， ZDR （unit： dB）， KDP ［unit： （°）·km-1］ and CC on the two-point connecting line from Yingkou Radar Center to Anshan Station at 04：42 on November 8， 09：32 on November 7 and 19：10 on November 7， 2021

8日05：00鞍山站过去1小时降雪量为0.6 mm，图12（a～d）（8 日04：42）的偏参数特征：ZH为15～25 dBZ，ZDR为0.8～2 dB，KDP为-0.1～0.1 （°）·km-1，CC为0.7～0.9。

7日10：00鞍山站过去1小时降雪量为5.1 mm，图12（e～h）（7 日09：32）的偏参数特征：ZH为20～45 dBZ，ZDR为局部-0.5～0.8 dB，KDP为0.1～0.3（°）·km-1，CC为0.7～1.0。

7日20：00鞍山站过去1小时降雪量为10.6 mm，图12（i～l）（7 日19：10）的偏参数特征：ZH为30～40 dBZ，ZDR为-0.5～0 dB，KDP为0.2～0.5 （°）·km-1，CC为0.95～1.0。

从以上剖面图中可以看出，在降雪强阶段中，具有更大的ZH、KDP值和更小ZDR正值（甚至负值），说明强的上升气流与充沛水汽条件带来较大直径与较高浓度的雪粒子，降雪粒子主要以球状或竖椭圆状的冰晶或者雪粒子为主。而降雪弱的时段，ZH、KDP值较小，说明较小的雪花直径与较低的数浓度，但是8 日05：00ZDR表现为更大的正值，回波强度ZH越小，反而ZDR越大，CC小于0.9，说明雪花在下落过程中，降雪粒子以球状或扁椭圆球状为主，低层融化层存在雨雪粒子混合现象。

2.2.7 雨雪转换分析

张琳娜等［35］对北京冬季雨转雪温度统计得出，850 hPa、925 hPa 和1 000 hPa 温度分界点分别为-4 ℃、-2 ℃和0 ℃，地面温度＜1 ℃。此次过程降水相态分析，选取位于辽宁南部的庄河站、岫岩站和大连站作为代表站（辽宁南部地区降水相态存在雨雪转换），从3 个代表站各层温度变化分析得出：在“21·11”过程中，7日12：00代表站（辽宁南部大连探空站）高空850 hPa 和925 hPa 温度分别为3.8 ℃和4.4 ℃，超低空959 hPa温度较低，为-2.6 ℃，冷空气首先从超低空切入，庄河站地面温度较高（6.0 ℃），降水相态为雨，岫岩站地面温度为0.1 ℃，降水相态为雨夹雪，大连站地面温度为0.4 ℃，降水相态为雪，随着低层冷空气进一步南下，8 日00：00 大连站探空850 hPa 和925 hPa 温度分别降至-10 ℃和-5.9 ℃，庄河、岫岩和大连站地面温度分别为-3、-5和-0.4 ℃，这三个站点降水观测相态均为雪；“21·11”过程中降水相态转化时的温度基本与文献中标准比较一致。分析此次过程成因，7日12：00超低空950～1 000 hPa 温度低于-2 ℃时，超低空接近雨转雪的温度指标，地面温度在0～1 ℃之间，降水相态存在雨、雪或雨夹雪三种天气现象，因此仅依据特定层次温度指标难以判断是否会发生雨雪相态转换。

辽宁位于中国的东北部地区，冬季寒冷，常有暴雪天气发生，且夜间气温下降常出现雨雪转换，更是加大了监测难度。如果利用双偏振雷达产品识别出融化层高度和降水粒子相态，对预报员利用雷达定量估测降水相态有较大的帮助。为此，利用营口双偏振雷达观测产品和探空资料可以分析判断融化层高度。

图13（a）为营口雷达2.4°仰角基本反射率因子图，显示岫岩站（B点）回波强度≤25 dBZ，强度较弱，为弱降水回波，无法判断出融化层。沿图13（a）中ABC 线位置作垂直剖面图，图13（c）是ZH剖面图，1.4～2.7 km 高度（图上矩形黑色框格内）基本反射率因子较大，图中黄色区域为一条35～40 dBZ 的回波水平亮带，反映出融化层亮带特性，回波顶高度在5 km附近。图13（d）、（e）分别显示ZDR和CC的剖面图，1.4～2.7 km 高度附近ZDR图上有一条高值带（图中黑色线标出区域），CC图上有一条低值带（图中黑色线标出区域），为0.85～0.95。图13（b）显示了ZDR的PPI图，距离雷达中心有一个环状亮带（图中蓝色圆环围住区域），ZDR比周边区域大，内外环分别距离地面1.4～2.7 km高度。综合分析，1.4～2.7 km高度与之上下层相比，反射率因子偏高（35～40 dBZ），CC较小，ZDR较大，判断此处为融化层高度。

图13 2021年11月7日10：36营口双偏振雷达ZH和ZDR的PPI图（a， b）及ZH、ZDR、CC的剖面图（c～e）Fig. 13 PPI diagram of Yingkou Radar ZH and ZDR （a， b） and profile of ZH， ZDR and CC （c～e） at 10：36 on November 7， 202

分析双偏振雷达融化层（ML）产品、粒子分类（HCL）产品和探空实况资料发现（图14）：7日12：04融化层高度较高，位于高空1.8 km附近，实际0 ℃层高度位于ML 产品的两条实线之间（1.4～2.7 km），且与内层实线接近，HCL 显示判断岫岩和庄河低空降水粒子为干雪、湿雪、冰晶混合，营口站近地层降水粒子为小雨，营口站观测实况降水相态为雪，岫岩站为雨夹雪，庄河站为小雨；7日23：57，融化层高度较低，位于低空0.12 km 附近时，实际0 ℃层高度接近融化层内实线，内实线接近雷达中心，HCL 判断岫岩站和庄河站低空降水粒子为干雪，判断营口近地层降水粒子为小雨和湿雪混合，观测实况显示营口、岫岩和庄河降水相态均为纯雪。由于营口雷达附近存在杂波，造成融化层高度及降水粒子特征偏差，双偏振雷达HCL 产品对站点降水粒子估测表述的是某一高度的粒子相态，与地面降水相态存在一定差距。以上说明，双偏振雷达的ML 产品和HCL 产品对冬季降水粒子的探测和降水相态的判定有一定的参考价值，但是由于雷达站点附近存在一定杂波会带来一定偏差。

图14 2021年11月7日12：04（a）和23：57（b）营口雷达ML和HCL产品的PPI图Fig. 14 PPI diagram of Yingkou Radar ML and HCL products at 12：04 （a） and 23：57 （b） on November 7， 2021

以上说明，ZDR回波可提高降雪粒子的辨识度，ML产品和HCL产品对粒子相态判定有一定的参考价值。本文研究结果与一些文献研究结果较为一致，如魏玮等［36］在雷达偏振参量和零度层亮带的时空演变分析中，发现双偏振雷达数据应用在冬季降雪预报中具有较好的优势，杨祖祥等［37］采用双偏振雷达和探空资料判断降水粒子相态，效果较好。

3 结论

利用常规气象观测资料和双偏振雷达资料分析了2021 年11月7—9日辽宁地区罕见特大暴雪的双偏振雷达参量特征和天气过程成因。通过偏振参量的时空演变分析，揭示了降雪过程粒子谱分布变化，从而理解掌握降雪强度的演变规律，对降雪预报有较好的指示作用。得到的主要结论如下：

（1）分析垂直风廓线和水平风场结构演变与强降雪的关系，发现在辽宁中部强降雪时段，雷达低层呈反S型，有冷平流，观测到偏北急流形成的牛眼结构，最大风速可达20 m·s-1，冷空气南下起到冷垫作用，中高层垂直方向上顺时针旋转有暖平流，偏南急流可达27 m·s-1，提供了充沛的水汽输送，同时，中层存在强风向垂直切变使系统移动缓慢，强降雪得以维持较长时间，同时，西南急流最大伸展高度可达8 km，说明本次高架对流降雪过程对流旺盛，空气中水汽条件深厚。

（2）在强降雪时段（7 日17：00—20：00，世界时）15 dBZ 以上回波伸展到8 km 附近，35 dBZ 水平反射率因子ZH强度伸展到5 km 以上，而且低层3 km高度以下点缀着40 dBZ 以上的强反射率因子，说明本次高架对流降雪过程对流旺盛，空气中水汽条件深厚，容易形成较大直径与较高数浓度的雪花，产生强降雪。

（3）在强降雪时段，差分反射率ZDR正值仅为0.1～0.3 dB，说明边界层高架对流促使暖湿气流上升速度增强，雪花截面积大，在下落过程中，更容易受上升气流影响，没有明显的一致指向，甚至截面为垂直指向，降雪粒子呈竖椭球状，因此，强雪越强，反而ZDR越小，甚至变为负值。在相态特征识别上，ZDR增强了降雪粒子的辨识度。

（4）在最强降雪时段，7 km 高度的空中差分传播相移率（KDP）出现较大正值［≥0.3 （°）·km-1］，说明高空冰晶和雪粒子有较高的数浓度，可以用来预测降雪强度跃增。在垂直上升气流较强时，空中冰晶和雪粒子浓度增大，KDP越大，降雪强度越强，KDP柱特别是KDP悬垂的出现预示着强降雪即将发生。

（5）CC主要与粒子的相态一致性有关，聚合度低的雪或干雪CC值较大，整个过程CC均大于0.98，说明相态一致性好，都是由干雪组成。

（6）辽宁中部的强降雪粒子的双偏振雷达参数特征为：在＞2 mm 小时强降雪估测中，ZH最大值和平均值分别为33～35 dBZ 和21～26 dBZ，ZDR平均值和最大值分别为-0.3～-0.2 dB 和0.3～0.8 dB，进一步说明强降雪过程中，上升气流强，雪花以截面更垂直的方式下落（呈竖椭球体），导致ZDR表现为负值，当降雪弱的时段，ZDR表现为正值，回波越弱，反而ZDR越大，因为低层融化层存在雨雪混合，所以粒子以扁椭球体方式下落为主。KDP最大值和平均值分别在0.2～0.4 （°）·km-1和0.1～0.2 （°）·km-1之间，说明强降雪时段雪花浓度更高；CC均大于0.98，说明虽然整个降雪过程雪花粒子的一致性较好，基本上都为干雪。

（7）在降水粒子相态判定中，ML产品和HCL产品有较好的参考价值。

本文的研究局限性在于，辽宁营口双偏振雷达使用时间较短，典型个例较少，本文只是针对一次辽宁特大暴雪双偏振雷达的参数特征分析，研究的结论可能还有一定局限性，需要更多的个例加以验证。