海南岛一次强飑线系统演变的双偏振特征分析

邢峰华，黄彦彬，李光伟，敖杰，李思腾

(1.海南省气象科学研究所，海南 海口 570203；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203；3.北京市城市气象研究院，北京 100089)

1 引 言

海南岛地处低纬地区，各种强对流运动是造成该地区气象灾害的主要原因之一[1-4]。其中，飑线系统是致灾性较强的一种中尺度对流系统，造成局地暴雨、冰雹、短时大风等灾害性强对流天气可能性极高。在气象业务中，飑线系统以其典型的突发性强、局地变化大等原因导致其在气象预报预警中难度较大[5-7]。

国内外学者针对飑线系统的相关特点、原理展开了一系列研究。总体来说，影响飑线系统发展加强的一个重要原因是低层存在环境垂直风切变，低层切变分量可以阻止阵风锋的快速向前移动，从而在某种程度上使飑线较长时间维持与进一步演变，配合近地面冷池可以触发较强的上升运动[8-9]。而通过理想数值模拟，发现一种描述飑线发展传播的“RKW 机制”，对理解飑线内部动力以及热力等机制有较好帮助[10]。国内的飑线研究主要集中在对新一代天气雷达数据的分析方面，如王林等[11]通过研究华南区域一次典型飑线个例提出该飑线形成前高空存在急流，近地面有低压系统控制，均有利于飑线的形成与发展。李宏江等[12]通过对风场的研究发现近地面存在的强冷池可以驱动飑线偏离平均引导气流的方向，配合适合的环境场可以迅速生成高度组织化的弓形飑线。许可等[13]通过研究贵州一次暖区飑线个例发现雷达低仰角的速度大值区和中层径向辐合对于飑线大风天气有重要预警意义。董琪如等[14]通过循环同化雷达资料的敏感性试验发现雷达资料对数值模式更准确描绘飑线系统有重要价值。

双偏振雷达作为新一代天气雷达，不仅可以用来分析宏观天气过程，监测云系径向速度，还可以有效识别粒子相态，提高冰雹、降水、上升气流等预报预警能力。Hubbert 等[15]通过研究指出三体散射的现象会使双偏振雷达监测到高空存在差分反射率因子大值区且伴随雷达反射率因子低值区的出现。Jeffrey 等[16]研发出一套差分反射率因子ZDR柱的快速识别算法，可以迅速找出云系差分反射率因子异常增大的位置，从而预警出上升气流的存在。在灾害天气预警方面，双偏振雷达也有较好的应用前景，如赖晨等[17]通过研究江南地区一次强对流过程发现双偏振雷达的预警效果较明显，并指出由反射率因子ZH得到的冰相粒子降水含量与降水时间的关系可以在某种程度上预示冰雹的存在。林文等[18]通过对不同强度对流云系的双偏振特征分析发现它们各自存在自己的特点，但ZDR柱和KDP柱似乎是强对流云系的共同特征，从而证明双偏振参量在短临预警预报、人工影响天气方面存在巨大应用潜力。黄勇等[19]通过两次对流云合并的双偏振特征分析表明对流云合并时在其中下部会出现冰相粒子增多的现象，且差分反射率因子会增大。申高航等[20]通过对比研究发现双偏振参量增大转折时刻与雨滴谱的变化紧密相关，可以加强对台风强降水的滴谱特征及微物理结构的理解。

2020年4月22 日海南岛出现一次较为特殊的飑线天气，在其五个小时左右的生命史过程中相继出现了雷雨大风、短时强降水等灾害性现象，且由于其突发性与局地性特点导致当地气象部门的预报预警出现一定程度的漏报，具有较好学术研究价值。本文拟针对该次典型个例，结合双偏振雷达、地面自动站等多源探测手段对其展开细致分析诊断，以期加深对飑线系统的理解以及对双偏振雷达在飑线预报预警中的应用效果进行分析与验证。

2 资料和方法

本文所用资料包括：海口站S 波段双偏振雷达（110.15 °E，20.00 °N）探测数据（6 分钟/次），常规高空探测、逐小时加密地面自动站、海口站风廓线雷达水平风场数据等观测资料。以上探测资料均为海南岛气象业务稳定运行的雷达和地面自动资料，探测数据完整且质量可靠。此外，为进一步保证双偏振雷达数据可靠性，本文借鉴吴翀[21]研究出的质量控制算法，对非气象回波数据进行适当筛除。

3 天气过程概述与分析

3.1 天气过程概况

2020 年4 月22 日15:00—20:00，受华南切变线影响，海南岛出现一次较强飑线系统过程。该次飑线过程以短时灾害性大风及局地强降水影响为主，生命史5小时左右，具有典型的突发性、局地性等特征。根据地面自动站数据（图略）显示，当天飑线系统影响时间段海南岛北部多个地区出现雷暴大风（8 到10 级为主），其中最大阵风出现在海口新海港测站，为29.2 m/s（11 级），风向以西北风为主。该次飑线过程局地性特征明显，最大雨量出现在海南省白沙县境内的南开乡（过程雨量达到118 mm 左右），短时雨强较大。此次飑线过程具有时间长、影响范围广、造成灾害较大等特点，深入分析其双偏振参量等变化特征可以帮助提高类似气象灾害事件的预报预警效率。

3.2 天气形势分析

随着22 日冷空气持续南下，带状副高588 线（北界）较前日有所南落（图1），位于21 °N 附近，海南岛在副高边缘控制范围内，大气不稳定性较强。叠加FY-4 卫星监测显示22 日08:00 在低层切变线的西段（广西及北部湾部分区域）已有深对流形成，侧面验证海南岛上游区域的充足大气不稳定能量有向下游传递趋势。

图1 2020年4月22日08:00 500 hPa形势叠加FY-4卫星水汽通道图像

当天14:00 地面准静止锋继续保持南压态势（在广东、广西沿海一带），北部湾北部海面到海南岛西北部陆地间热力差异显著（图2），温度梯度较大，对于海南岛西北部海风及辐合线的发展有明显利好条件。当天另外两条对流回波从北部湾北部海面逐步移向广东省雷州半岛，触发较强的弓形回波在广西沿岸造成8～9级大风。

图2 2020年4月22日14:00海平面气压场和地面观测填图

在适宜的天气形势配置下，飑线系统的发展演变与环境条件密切相关。当天海口08:00 探空资料显示（图略）：对流区上空存在明显的热力不稳定特征，水汽条件较好；对流有效位能（以下简称CAPE）形态呈细长状且达到2 000 J/kg 以上，K值超过30，0 ℃层高度仅4 789 m；0～6 km 深层垂直风切变最大值可达15 m/s，且存在明显的风向顺转特征，即850 hPa 以下为东南风，在其上空则顺转为偏西风且风速随高度增大，显示高空存在暖平流现象。而在海南岛的上游，位于北部湾的白龙尾站当天也呈现类似的探空形态特征（图略）。总体来说，大气中存在中等偏强的垂直风切变和CAPE 值，有利于下午海南岛的强飑线系统在持续东移过程中呈现高度组织化发展趋势。

通过上述大气分析可知，当天海南岛整层大气存在极高的大气不稳定能量储备，已构成下午飑线系统产生的关键因素。在14:00 左右海南岛西部区域出现一条偏南、北风交汇的地面辐合线（图3），在14:00—15:30 之间，该辐合线近乎原地静止，未见明显的空间移动，但北侧偏北风分量可看出逐渐加大，从16:00 开始地面辐合线明显东移，伴随辐合线空间尺度开始逐渐压缩变窄，在其北段开始形成飑线系统（16:30 左右）。辐合线在持续东移过程中其后部区域持续催生新的对流单体（伴随大风现象出现）。综上可知地面辐合线的出现为海南岛飑线系统的发展提供有利触发机制，加速大气不稳定能量的爆发，进一步助推强对流天气的发展演变。

图3 2020年4月22日14:00—17:00海南岛内加密自动站风场资料

4 双偏振参量特征分析

4.1 雷达回波演变

2020年4月22 日海南岛飑线大风过程主要受副高西北侧边缘的西南气流影响，北部湾和雷州半岛的两条飑线在前期东移的过程中都有北收迹象，在移近琼州海峡前（15:00 前后）异常偏离引导气流明显南压并迅速发展加强。在下午15:40 前后（图4），雷州半岛和广西境内有前后两条近似平行移动的飑线已经成形，在东移过程中移动较快的雷州半岛内部的飑线维持其形态继续前进，而后面的广西境内飑线结构较为松散，强度有所降低。位于雷州半岛（即海南岛北部边缘）的飑线南端风暴单体存在阵风锋出流现象，此时海南岛西北部地区由于午后热对流逐渐形成地面辐合线（图3），存在多个中γ尺度对流单体生成（图4黑圈内部）；此外，海南岛西北部的辐合线南侧也有对流单体触发。16:03，飑线南端出流的阵风锋与海南岛西北部沿海的对流回波相遇，诱发该区域的风暴迅速爆发加强，有成组织化发展的趋势；同时，海南岛中部的对流单体也迅速发展、合并，呈现线状多单体风暴。

图4 2020年4月22日海南岛雷达组合反射率时序图

伴随风暴合并，雷州半岛飑线南端的块状多单体迅速发展成线状，最终发展成为典型飑线弓形回波形态（16:43）。飑线弓形回波成形后，其空间尺度纵贯雷州半岛及海南岛（长度约为200 km），移动方向为向东部持续移动，成形初期其移速较慢（约36 km/h），17:00 后移速显著加快（达到52 km/h 左右）并成型拉伸展宽趋势。飑线在海南岛中部山区（五指山脉）北部出现断裂（17:29），其南部“滞留”单体在五指山脉西侧快速新生发展，飑线出现继续向南发展延伸趋势（17:46）。该飑线在传播过程中受近地层地形因素影响不能忽视，且其在海南岛陆地传播过程中显示出明显的生命史较长、强度爆发快的特点，在其传播路径上触发灾害性大风天气。

4.2 雷达双偏振特征分析

2020 年4 月22 日16:20，沿图4 中对应时刻的黑色虚线进行垂直剖面（下同），剖面结构（图5）显示此时飑线云系雷达反射率因子（简称ZH）出现强对流强回波区（最大值达到55 dBZ），云内对流运动发展较为旺盛；而此时雷达显示几个对流云系还未完成合并，属于小块对流云系分散发展期。差分反射率因子（简称ZDR）数据显示此时云内ZDR大值区（大于2 dB）主要集中在6 km 以下，部分区域向上延展至8 km 左右，相态以中小水滴为主，局部区域高空ZDR数值较大（超过5 dB）。而差分传播相移率（简称KDP）数值普遍维持在1～4 °/km之间，主要集中在8 km 以下，显示云内粒子密度较大。径向速度（简称V）数据显示其数值以负值为主，在ZDR大值区对应位置同时出现最大可达18 m/s的径向速度负值区。

图5 2020年4月22日16:20海南岛雷达偏振量分布 a.ZH；b. ZDR, c. KDP, d. V。

16:43 雷达（图6）显示此时ZH极其强盛（部分区域达到60 dBZ），云内对流在垂直方向发展较为剧烈；而ZDR数据显示此时飑线内部出现明显的“ZDR柱”现象（该现象在对流风暴中对于上升气流的存在具有重要指标意义），即超过2 dB 的ZDR数值纵向伸展至8 km 左右，相比16:20 时刻ZDR数值在中低层有明显增大，说明此时云内粒子直径相比之前有所增加。此外，此时KDP数值较图5 增大，云体内部中低层出现KDP数值超过4 °/km，并向上伸展到9 km 左右（即“KDP柱”现象），而ZDR柱和KDP柱的存在说明此时飑线内部较强的对流运动，较大粒径的水凝物粒子随着对流运动的发展而不断形成；径向速度（V）方面，在云内“ZDR柱”区域出现较明显正负速度对，正负速度差值最大可达20 m/s左右，印证云内对流运动较为强烈。

图6 2020年4月22日16:43海南岛雷达偏振量分布 a.ZH；b. ZDR, c. KDP, d. V。

在17:29，雷达探测（图7）显示此时ZH仍然强盛（峰值可达57 dBZ），但ZDR却显著减小，基本在低于5 km 的中低层维持1.3 dB 左右数值，且此时云内的ZDR柱基本消失不见，0 ℃层以上的ZDR数值基本维持在0左右，显示此时云内粒子在中低层以小雨滴形态为主；KDP的情况与ZDR类似，其数值明显减小的同时，中高层（即5 km 以上的区域）大值区基本消失，显示云内粒子数浓度相对减小；而V数值在20.00～19.35 °N 的中低层存在不同程度的正负速度对现象，其差值最大可达15 m/s左右，显示云内仍存在一定程度的对流活动。

4.3 双偏振参量与地面降水及地闪频数的演变

为验证该次飑线系统过程的雷达偏振参量与地面降水量的演变特征是否存在密切联系，以飑线云系过境影响的地面自动站（海口站和文昌站）对应时间段降水量数据同该站上空的双偏振参量（雷达0.5 °仰角）进行时序演变特征分析（图8），需要注意的是自动站的降水数据是分钟级降水量，将其累加计算出6 min 降水量以便与雷达数据展开对比。

图8 2020年4月22日海口站（a）和文昌站（b）地面降水量、地闪个数和雷达0.5 °仰角双偏振参量时序对比

根据海口站数据显示其降水量较大的时间段主要为16:18—17:06 期间，地面降水量可达5～11 mm/(6 min)，从17:12起该站测得地面降水显著减弱，其降水量总体呈现单峰形态。而文昌站显示其降水量呈现双峰形态，经历17:06—17:30 和17:54—18:12 两个降水时段。海口站上空的ZH在16:24前数值基本超过60 dBZ，随着降水逐渐增大而呈现微弱降低趋势；文昌站ZH数据在40～50 dBZ 区间波动，仅在17:48 随着降水量的增加有小幅增加。海口站上空的ZDR参量于16:12 时刻达到最大值5.24 dB，随后ZDR随着地面降水强度的上升而逐渐减小；文昌站上空的ZDR参量在两个降水时间段内均在降水前期达到最大值，随后同样伴随降水进入减弱阶段，与降水呈现负相关趋势。由于KDP通常表征云内的粒子数浓度，海口站和文昌站的KDP变化趋势基本与降水强度呈现较明显的正相关关系，海口站的KDP于16:48 达到最大值4.2 °/km，文昌站的KDP于18:00 达到最大值1.76 °/km。综上可知在该次降水过程中ZDR通常在降水前期达到最大值，随后伴随降水的逐渐增大而进入减弱阶段，而KDP由于与粒子浓度关系紧密，基本与降水强度的变化呈现同升同降趋势。

在强对流天气的研究中，闪电资料同样是一种重要的指示性数据，本文采用海南省三维地闪数据与双偏振雷达参量进行对比，进一步验证雷达双偏振参量在强对流天气中的应用效果。同样以海口站和文昌站为例，统计其附近15 km 内的地闪频数同双偏振参量（ZH、ZDR、KDP）进行对比分析（图8）。结果表明海口站在16:00—16:18 时间段的闪电活动较为活跃（其最大频数为4 fl/(6 min)，随着云系开始降水，其闪电频数逐渐降低至0 个，同时其雷达ZH也在该时间段有小幅上升，从58 dBZ 增大至68 dBZ。ZDR在16:12 时刻达到极大值5.24 dB，落后于地闪频数最大值时刻（16:00）12 min 左右；KDP于16:48 达到最大值4.2 °/km，落后于地闪频数最大值时刻（16:00）48 min。文昌站数据显示该站附近15 km范围内的地闪频数在17:24—17:48 最为活跃，最大可达2 fl/(6 min) ，同样伴随降水的增加其数值显著下滑。此外，ZDR在17:42 时刻达到阶段性极值，落后于地闪频数最大值时刻（17:36）6 min 左右；KDP于18:00 达到最大值1.76 °/km，落后于地闪频数最大值时刻（17:36）24 min左右。

通过以上分析可知，地闪频数在降水前期有明显跃升趋势，并且较ZDR提前6～12 min左右达到最大值，比KDP提前24～48 min左右达到最大值；同时ZH在降水前期有小幅增加趋势，故可结合闪电数据与双偏振雷达参量综合预警强对流系统的演变趋势。

5 结论与讨论

本文针对2020年4月22日发生在海南省的一次长生命史飑线系统过程，结合常规气象资料以及S 波段双线偏振雷达等探测数据，对该次飑线系统的演变过程进行分析，并对其偏振参量特征进行深入研究。

（1）该次飑线天气过程发生在副热带高压带西北边缘地区，地面受准静止锋控制，冷空气强度偏弱，主要受西南暖湿气流影响，配合地面辐合线及合适的热力条件提供了较好的环境触发因素。

（2）在飑线初始成型时刻（16:20—16:43），云系内部大片区域的ZDR值超过5 dB（垂直方向伸展至8～9 km）；云系中低层出现KDP数值超过4 °/km，其范围向上伸展到9 km 左右；此外，云系垂直方向上存在ZDR柱、KDP柱和径向速度正负速度对等特征，说明其对流运动较为剧烈。

（3）在飑线成形50 分钟左右（17:29），虽然云系雷达组合反射率仍然维持在55 dBZ 以上，但是其ZDR和KDP数值均有显著减小，反映云体内部粒子直径及数浓度均有降低，飑线云系发展阶段已经度过巅峰期。

（4）在该次飑线影响过程中，海口站和文昌站上空的ZDR均在降水前期达到最大值，随后伴随降水的逐渐增大而进入减弱阶段，而KDP由于与云内粒子数浓度关系紧密，基本与降水强度的变化呈现同升同降趋势。此外，地闪频数在降水前期有明显跃升趋势，并且较ZDR提前6～12 min左右达到最大值，比KDP提前24～48 min左右达到最大值。