郑州“7·20”极端暴雨的双偏振雷达回波与风场特征分析

李建阳, 平凡

(1.南京信息工程大学遥感与测绘学院, 南京 210044; 2.中国科学院大气物理研究所云降水与强风暴重点实验室, 北京 100029)

暴雨可为长期连续降水积累,亦可由短时强降水引起,通常伴随着极端性短时强降水天气出现,2021年7月, 河南省发生了一次极端强降水过程,持续降水时间长,在7月20日,郑州市的小时降水量突破历史极值,造成严重洪涝灾害,给人民生命和财产造成极大损失。文献[1-2]针对这次暴雨过程进行了降水研究、环流及物理量特征的分析, 近年来,随着多普勒雷达向双线偏振雷达的更新换代,不仅提供反射率因子Z、径向速度V和速度谱宽SW,还提供差分反射率Zdr、差分传播相移Φdp、差分相位常数Kdp和相关系数ρhv。这些变量可应用于雷暴中水凝物粒子相态,浓度、尺寸及形状等参数分析研究,以及对潜在微物理过程的进一步分析。

应用双偏振参量,国外Kumjian等[3]、Snyder等[4]针对超级单体研究了Zdr弧、Zdr柱、Kdp柱等特征与其内部的动力结构。国内同样对双偏振天气雷达展开了广泛的应用与研究,例如雷暴单体的生长过程、强对流降水粒子分布、龙卷的动热力特征、双偏振雷达数值模式的应用、强降水定量评估等[5-11]。潘佳文等[12]利用双偏振雷达数据对一次超级单体分析表明,Zdr柱位于主上升气流附近。林文等[13]对不同强对流系统的双偏振雷达观测分析认为,低ρhv、低Zdr、高Z区域表征大冰雹的存在。

对流风暴中的动力结构如中小尺度风切变、气旋式辐合,常常导致强降水回波在某地维持和发展。已有研究表明,产生强降水的雷达径向速度场50%以上是辐合型流场[14],低切变、具有组织性的中气旋,使得风暴的持续时间显著延长[15],连续3个体扫上出现中气旋,相应出现强对流天气[16]。通过Z与V进行雷达风场反演技术,获取高分辨率的风场数据,从而更加直观地了解对流系统内部的精细化气流结构及其生消演变过程。

现使用郑州双偏振雷达,分析此次强降水过程的双偏振参量特征,并结合雷达风场反演技术分析强降水对流系统的粒子相态分布与动力结构,特别是对其与偏振参量特征的对应关系,以期为利用双偏振雷达进行灾害性暴雨的监测与预警提供一定的参考依据。

1 个例简介与天气形势分析

1.1 个例简介

2021年7月17—21日(协调世界时,下同),河南省发生了历史罕见的极端强降水过程。其中,在7月17—19日期间,强降水主要发生在焦作、新乡、鹤壁、安阳等豫北沿山一带,随后强降水中心逐渐南移,向河南中部附近集中。7月19—20日强降水主要位于郑州市市区西南部,最大降水量为379.2 mm,20日强降水位于郑州市中部并不断增强且长时间滞留[17],在7月20—21日,累计降水量分布如图1(a)所示,郑州市全市累计降水量达到624.1 mm,超过了2019年全年降水量509.5 mm。在7月20日08:00—09:00,郑州国家气象站单站小时降水量达到201.9 mm,如图1(b)所示,突破了中国大陆地区历史极值,7月21日之后降水中心再次北移并在22日逐渐消散。此次降水过程的极端性体现在其持续时间长、范围大、累计雨量与小时雨强大,对河南多地造成极为严重的洪涝灾害,使得全省150个县(市、区)1 664个乡镇约1 478.6万人受灾,农作物受灾面积1 021.4 khm2,直接经济损失约1 200.6亿元,给河南省尤其是郑州市造成了重大的人员伤亡以及财产损失。

图1 7月20—21日观测的24 h累计降水量与1 h累计降水量Fig.1 24 h cumulative precipitation and 1 h cumulative precipitation observed from July 20 to 21

1.2 天气形势分析

从200 hPa等压面图[图2(a)]上来看,中国呈现出“两槽一脊”的环流形势,东侧槽位于中国东部沿海一带,槽中低涡中心处在33°N附近,西侧槽处于中国西部地区,槽线呈东北—西南走向,高压脊顶由河南延伸至渤海,郑州地区位于高空急流区的南侧,气流辐散非常显著。500 hPa的等压面图[图2(b)]上,西太平洋副热带高压588脊线异常偏北,达到约40°N的位置,维持在日本海上空,这可能是与南部台风“烟花”的相互作用导致[18],在此背景下,气流汇聚于河南地区,风速达到最大,其中郑州站附近东南风速达到14 m/s,有利于郑州地区气流的辐合抬升。在850 hPa图[图2(c)]上,副高和台风“烟花”之间建立了稳定的水汽输送带,将充沛的水汽输送至河南地区,与来自台风“查帕卡”的暖湿气流汇聚在河南地区,在郑州站附近,水汽相较周边达到最大,周边8 m/s的西南气流与东南气流在郑州站转为14 m/s的东风,为此次强降水过程提供充足的水汽条件。一方面河南地区处于东南气流与西南气流的辐合区,又得益于河南地区处于复杂的地形条件下,西侧的伏牛山以及北侧的太行山使汇聚的气流受地形抬升影响,均提供了良好的对流触发条件。

(a)200 hPa位势高度(蓝色等值线,单位:10 gpm),温度(红色等值线,单位: ℃),风场(风羽:长划线代表4 m/s),高空急流(填色,m/s);(b)500 hPa位势高度(蓝色等值线,单位:10 gpm),温度(红色等值线,单位: ℃),风场(风羽:长划线代表4 m/s);(c) 850 hPa位势高度(蓝色等值线,单位:10 gpm),温度(红色等值线,单位: ℃),风场(风羽:长划线代表4 m/s),(填色,相对湿度);(d) 郑州站2021年7月19日0800UTC上Skew T-lgP图,黑色为温度曲线,蓝色为露点曲线,廓线(风羽:长划线代表4 m/s);gpm为位势高度的单位,换算公式为H=Gh(g/9.8),其中H为位势高度,g为所在纬度的重力加速度,Gh为几何高度

此外,由SkewT-lgP图[图2(d)]看出,19日,大气处于上干下湿的状态,对流不稳定能量(CAPE)为804 J/kg。抬升凝结气压(Plcl)为973 hPa,非常接近地面,也即云底较低,蒸发较小,气块几乎不需要环境动力抬升就能凝结降水,整层上来看垂直风切变较大,850 hPa上为10 m/s的东风,500 hPa上风向转为8 m/s的南风,在200 hPa上转为10 m/s的西风。20日8:00垂直风切变继续增大,在上述三层分别达到16、14、14 m/s,较大的垂直风切变为此时极强短时强降水提供了维持的作用,Plcl更接近地面,达到985 hPa,温度与露点温度在约450 hPa下接近重合,大气基本饱和,CAPE值进一步释放降为347 J/kg。可见在强降水发生前期,19日8:00时,位于郑州上空的水汽充足,CAPE值也较高,不断加强的垂直风切变也为此次强降水的发展与形成提供了触发和维持条件,十分利于对流的发生。

2 资料方法

使用的雷达资料为郑州站S波段双偏振多普勒天气雷达,雷达的径向分辨率为250 m,体积扫描模式为VCP21,即包含9个仰角的观测,分别为0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°和19.5°,完成一次体扫时间为6 min,其中低层仰角下(6.0°及以下)最大不模糊速度为27.83 m/s,高层仰角(9.9°及以上)最大不模糊速度为32.41 m/s。除雷达资料外,还使用了欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析资料(ERA5),时间间隔为1 h,水平分辨率为0.25°× 0.25°。

使用的雷达特征参量主要有水平反射率因子Z、径向速度V、差分反射率Zdr、相关系数ρhv以及差分传播相位常数Kdp。对双偏振多普勒雷达数据先进行数据预处理,首先是对多普勒速度进行速度退模糊的处理,利用国外开源代码库PyART[19]的基于区域的径向速度退模糊算法[20]。其次是在径向上对Z、Zdr、ρhv以及差分传播相移Φdp进行五点平滑去噪处理,剔除数据中的异常突变值,再利用Ryzhkov等[21]的衰减订正算法计算修正的Z与Zdr值。最后根据Schneebeli等[22]利用卡尔曼滤波的算法计算出差分传播相位常数Kdp。

三维风场的反演方法使用了Shapiro等[23]提出的三维变分反演方法,利用Cressman插值法将极坐标下雷达数据插值为笛卡尔坐标系下的网格数据,网格为以雷达为中心,水平分辨率500 m,范围为75 km×75 km,垂直分辨率为250 m,雷达以上12 km高度范围,将径向速度值分解为u、v、w3个方向,通过构建代价函数J(u,v,w)如式(1)所示。

“指导教师是查处学位论文买卖、代写行为的第一责任人，要加强对学生学术道德、学术规范的教育，加强对学位论文研究及撰写过程的指导，并对学位是否由其独立完成进行审查，确保原创性”〔6〕。

J(u,v,w)=JO+JM+JS+JV+JB

(1)

式(1)中:JO为观测值约束项;JM为质量守恒约束项;JS为平滑约束项;JV为垂直涡度方程约束项;JB为背景场约束项,背景场数据主要利用ERA5数据通过最邻近插值法与反演网格匹配。

3 雷达数据特征分析

3.1 反射率因子与径向速度特征分析

在此次极端强降水发生过程中,其中以7月20日08:00—09:00最为强盛,强降水中心发生在郑州市区,距离雷达较近,通过图3组合反射率来看,在07:00—08:00[图3(a)],郑州市大部分地区回波强度超过40 dBZ,中西部区域强度超过50 dBZ,其中在距离雷达西侧10～15 km处,长约70 km,呈现贯穿郑州中部南北走向的类似带状强回波中心达到55～60 dBZ,局部甚至达到60～65 dBZ。在郑州市南部山区,不断有超过50 dBZ的强回波区自南向北汇入郑州市中部的对流系统,随着对流系统的发展,受低层来自副高、“烟花”以及“查帕卡”的东北方向气流、东南气流以及西南气流的影响,强回波区逐渐由横跨郑州南北走向的类似带状回波发展为汇集在郑州市区中心附近团状回波,类似带状南北两端的强回波区向西侧强回波主体收拢。除此之外,在郑州西南方向上,平顶山附近存在大片絮状对流单体,随着环境流场向东北方向移动,并不断合并发展,其回波强度达到50～55 dBZ。在08:00—09:00,此时回波(>40 dBZ)单体整体稳定维持在郑州上空。在超过55 dBZ,局部区域超过60 dBZ的强回波中心在此时段范围最大,在雷达中心十公里范围内呈现团状,由于雷达静锥区的影响,只能判断在高度1.7 km以下存在的强降水质心接近地面,在此时段强质心缓慢向东侧移动,直至09:00以后才开始逐渐消散为较小絮状。

黑色实线AB为剖面所示位置

07:00在0.5°仰角的径向速度图上[图4(a)],呈现明显的低层辐合特征,大致由东北方向上来自副高控制下的东北气流、来自台风“烟花”的东南气流以及台风“查帕卡”西南气流汇集在郑州地区,其中在雷达中心东侧附近的低层负速度(朝向雷达气流)极值达到了-16～-22 m/s。在雷达中心可见一块与西侧正速度区分隔开的正速度区,该块区域与西侧负速度区呈现气旋式辐合特征,正负速度差达到12 m/s,整体长度约18 km,高度维持在2 km高度以下,结合反射率因子图,此处略前于强回波(> 60 dBZ)位置,类似带状南北两端强回波区同样也存在该特征,但范围较小。逆风区特征反映了局部整层抬升或强对流内的上升气流引起的水平动量交换过程[24],对水平辐散辐合的分布产生影响,造成了中尺度垂直环流的形成,该区域具有明显的风向切边与辐合特征,近地层附近的气流辐合上升,使对流系统发展更加强盛[25]。抬高仰角后[图4(b)],径向速度图上明显呈现“S”形,风向随高度顺转,存在暖平流,该形式场表示着存在水汽输送,低层的辐合有利于抬升,以及降水的持续。风暴的发展维持、形态演变与垂直风切变密切相关,强而深厚的垂直风切有助于对流风暴的有组织化以及发展加强[26]。在9.9°度仰角上(图略),8.5 km距离圈范围内,大约处于1.7 km高度以下,分布着风向为东南偏东的气流,正速度(离开雷达气流)达到16～22 m/s,负速度在该高度内出现极值,达到-28～-22 m/s。在17 km距离圈附近,在该距离圈上高度大约为3.4 km,主要以风向为东南偏南的气流为主,分布着正负速度的极大值区,处于22～28 m/s的速度区间,与回波上的类似带状强回波区位置对应。在07:00—08:00内,整体来看,随着高度增加,风向随高度顺转由东风转为西南风,低层风速急流区风速维持在16～22 m/s,随着郑州上空的风暴由南北向的类似带状发展为团状,在强回波东西两侧弱回波缺口也逐渐由类似带状回波南部逐渐上移至团状中心两侧,该弱回波缺口对应着径向速度低层东侧的大值区,该缺口是风暴前强入流所致,由于入流导致的上升气流太强,使小水滴不能在其中增长为大水滴,因此表现为弱回波区。

图4 7月20日0.5°、1.45°和2.4°仰角在不同时刻的径向速度Fig.4 Radial velocity at different moments at elevations of 0.5°, 1.45° and 2.4° in July 20th

在风暴的早期和成熟阶段,进入风暴的低层上升气流主要在弱回波区或无回波区中,是强风暴最值得注意的特征[27]。在07:00—07:48雷达中心西侧的逆风区逐渐消失,在08:00—09:00,由于强回波质心的缓慢东移,雷达中心附近大片-22～-16 m/s的负速度区中出现面积逐渐扩大增长的正速度区(12～16 m/s),如图4(c)在09:00时前后呈现明显逆风区特征,从该特征上可以看出入流的东风气流、北部的东南气流与风暴中部下沉气流汇集,在风暴前侧的入流区呈现辐合上升以及气旋式与反气旋式涡旋特征。该区域略前于在反射率因子图上与超过60 dBZ区域。在从整体过程上看,低层雷达中心附近主要以正速度区为主,随着距离增加依然维持着“S”形,风向依然由近地层的东风气流为主,为对流系统提供充足的水汽,随着高度升高,在高空风向顺转切变为西风气流。

3.2 偏振参量与风场特征分析

通过水平与垂直方向上偏振参量特征,可以推断降水粒子的相态及物理特征,同时也利用反演的风场特征进一步分析对流系统的动力特征以及发展演变过程。差分反射率Zdr是与粒子形状、大小、取向及浓度有关的特征量,反映着粒子水平与垂直方向上的差异。通常当粒子接近球形时,Zdr的值约为0 dB,例如下落时的小雨滴,翻滚下落的冰雹等。而较大的雨滴在下落过程中呈现为扁椭球形状,即水平方向上大于垂直方向的粒子,Zdr的取值则通常大于0 dB,而冰晶如霰粒子多为-0.5～1 dB。

相关系数ρhv定义为目标的水平偏振和垂直偏振回波信号的相关程度。是体现数据质量和目标分类的重要参数,其值的大小与粒子的相态和形状有关,易受到杂波的影响。对于稳定的单一相态的降水,ρhv的取值常大于0.95,对于雨和干雪,ρhv的取值接近于1,而当存在扁旋转椭球状或锥球状大冰雹,融化的包裹着水膜的较小冰雹,雨水与小冰雹共存的取样空间内ρhv的取值会稍微变小,但对气象目标通常ρhv的取值为大于0.8,而非气象类目标ρhv的取值较小,常小于0.8甚至更小。因此ρhv常作为地物杂波等非气象回波的订正,敏视达的双偏振业务雷达系统在质控时把ρhv低于0.9作为非气象回波的判断阈值[28]。

在07:00,郑州市上空Zdr回波主要在3 dB以下,在0.5°仰角上,在雷达西侧10～15 km处,Zdr呈现同反射率因子图上类似带状强回波(>55 dBZ)区,主要在2.5～3 dB区间,降水粒子较大。在该仰角上,强降水区前侧,也即该时刻雷达中心东侧,Zdr主要在0.2 dB以下,与Z较小回波的入流缺口对应,过强的上升气流使小水滴不能在其中增长为大水滴,在西南风气流主导的中高层区域,将低层卷起的小液滴带向南北富集,因此表现为南北强东西弱回波区。相关系数ρhv在0.5°仰角上,如图5(e)所示,由于近地面受气流辐合等影响,地面碎屑容易被卷上空中,使得ρhv受地面杂波干扰较大,在雷达中心40 km半径范围内普遍低于0.9,而当抬高仰角至9.9°,在距离雷达26 km左右的位置,可见明显的Zdr环与ρhv环,如图5(f)所示,该距离环上高度大约为4.7 km,对应融化层的高度。雷达西侧的Zdr的大值区表征着该区域降水粒子直径大且浓度较大,ρhv的值均匀且大于0.97,表明该区域降水粒子相态一致,而在低层入流缺口较低,ρhv主要分布在0.8～0.9。由于0.5°与1.45°仰角的ρhv较低,Kdp会出现较大偏差,略微抬升仰角至2.4°,如图5(c)所示,Kdp超过0.5(°)/km与强回波区有较好的对应。在雷达西侧的强回波主体区域Kdp值超过3(°)/km,局部超过4(°)/km,表明在该区域粒子含水量非常高,结合ρhv与Zdr,该区域为极端强降水回波区。在07:00—08:00期间,在2.4°仰角上Kdp团状回波区范围逐渐增大,中心大值区由原先3(°)/km为主体的回波块增大转为超过4(°)/km的区域为主体,逐渐移动至郑州市中心城区,相应仰角上[图5(a)]Zdr逐渐由南北向类似带状强回波区转为向东侧弯曲的弧状区域,回波强度大于3 dB,ρhv在降雨区变化不明显,维持在0.97以上。Zdr弧状区域高度大约在2 km,厚度约1.5 km,相较于Kdp强回波的位置更偏东,大约为包围Kdp回波块0.5(°)/km区的外边缘。

08:00—09:00回波达到最强,Kdp在零度层以上的正值表现着过冷水,Zdr则体现着形成霰的过程,低质心回波最强超过60 dBZ,回波主体顶高8 km(>30 dBZ),说明冰相过程活跃。零度层以下Zdr的增加体现这粒子尺寸的增加,Kdp的不断增加体现着冰粒的融化,雨水的碰并,这样一个垂直发展的对流过程,有抬升形成的凝结降水,也有强上升形成的冰相粒子,冰粒子下降又不断碰并融化,暖雨环境使得地面不易蒸发,使得降雨量增加。在降雨最强的过程中不同来向的对流单体向辐合中心汇集,使得多单体对流系统合并,发展的更为强烈与持久。前8个体扫内,在半径15 km距离圈上为强Zdr区[图5(b)],呈现为细长的Zdr弧,在该距离上以3～4 dB大小的Zdr为主,说明在2 km高度左右的降水粒子直径大且浓度特别大,这一时段也是自动站观测到小时雨强突破历史极值的时段,弧内的低Zdr值与高Z值区,表征此处多为高浓度、较小直径的降水粒子,体现着粒子的分选机制。Zdr弧的形成是粒子的分选机制造成,过强的垂直风切变致使不同直径大小的粒子沿不同的轨迹下落,较小的粒子下落末速度较小,受水平环境风影响,相比大粒子将被带离至更远落区,呈现出大小粒子分离的结果[29,12]。Kdp在同距离圈内以主体超过3(°)/km的回波区为主[图5(d)],在稍低的高度上则以超过4(°)/km强回波为主,主要分布在2 km以下,极高雨水含量对应雷达回波质心的下降,并在郑州市中心上空为维持超过5个体扫,地面在该时段雨强达到极值。在08:54的体扫上,Kdp高强值区此时以雷达东侧为主,西侧则降低为1.5(°)/km,范围与强度也逐渐减小。观察ρhv的分布,在极端强降水的前8个体扫内,入流缺口处的低ρhv一直伸至雷达中心,表明低层依然存在着强上升运动,在最后一个体扫时,原本在东侧入流缺口的低值区,转为0.97以上相态均一的降水粒子区域,表明此时低层的上升运动有所减弱。

通过风场反演算法可以得到更加直观的风场结构。从图6来看,在07:00—08:00近地面风场结构[图6(a)]整体以东侧强劲的东风气流为主,在郑州西南侧以东南偏南的气流为主,强对流系统移动方向前侧的入流缺口逐渐明显,几乎达到最强回波附近,风速超过16 m/s。而在最强回波的前侧入流附近,存在着明显的辐合结构,水平风速迅速减小,纬向风的减弱最为明显,在08:00—09:00后半段[图6(b)],与在逆风区[图4(c)]附近最强回波后侧处的气流与周围外侧气流方向相反,风速相对较弱,地面至2 km高度左右,北侧区域的小风速区呈倾斜气旋式旋转,而在其南部的区域刚好相反,呈倾斜反气旋式旋转。结合径向速度特征[图4(c)],该区域为强回波后侧的下沉气流在地面辐散又与前侧入流气流汇聚辐合上升,促进了降水的加强。

从近地面到高层,垂直风切变较大,风向低层主要为南风、东南风与东北风在强降水区的辐合为主[图6(a)～图6(d)],1 km高度整体风向转变为东南风,3 km时由大范围的南风气流主导[图6(e)、图6(f)],5 km高度上以西南气流为主,8 km高度上,对流系统移动方向的后侧区域以西风为主,左前侧则为西南气流,大致与对流系统的移动方向一致。在沿着类带状回波的垂直剖面上[图3(a)中黑线],如图7(b)所示,ρhv的分布基本在4 km以下0.98以上,在雷达附近低层可见降低至0.9附近的入流区,4.5 km左右可见平面图上的零度层亮带,ρhv环表现融化层的低值区,在此高度上冰相粒子在下落过程中逐渐融化,表现为较低的ρhv,为0.92～0.97。Zdr的分布呈现在雷达中心附近[图7(c)],超过2 dB的大粒子强降水区基本在2 km以下,1.5 dB的区域延伸至高空6 km。在大Zdr的柱状区域北侧,可以看到一块4 km以下的3～4(°)/km的Kdp大值区[图7(d)],2(°)/km的区域伸展至高度6 km的柱状区域,该柱状区域虽未明显呈现高于零度层且有超过3(°)/km强回波的特征,但在对流系统向东的缓慢移动过程中,该Kdp柱在空间分布上呈现在上升气流的左侧,与Zdr柱状特征出现分离现象[30]。有研究表明,Kdp柱通常位于Zdr柱的北侧或西北侧,并位于上升气流的左侧[7],且与反射率因子Z的高强值相对应。Kdp柱主要由不同相态的降水粒子组成,在垂直剖面风场上,该区域存在着多个垂直涡旋结构,与地面的强降水中心位置对应较好,Z达到60 dBZ。

图7 7月20日07:00垂直剖面处的反射率因子叠加风场,相关系数,差分反射率和差分相位常数Fig.7 The reflectivity factor at the vertical profile is superimposed on the wind field, correlation coefficient, differential reflectivity and differential phase constant on July 20th at 07:00

Zdr柱是强对流系统显著的偏振特征,表现着云体内的动力特征[13],Zdr柱表现为超过融化层以上的大Zdr值区,与上升气流有着较好的对应关系,存在着相关的正温度扰动。观察图8,在34.5°纬度附近,地面至10 km附近存在Zdr为0.5～2.5 dB的柱状区域,在柱状区域上,结合风场剖面图来看,相应区域上存在着较强的上升气流,相应反射率因子在6 km以下较大,而在之上的区域强度则相对较低,ρhv在4～6 km高度上值为大于0.98,大于同高度北部0.92体现的融化层区域。在4 km下与6 km以上,ρhv降低,且上部区域降至0.7左右,体现融化层在该区域的抬升以及小的冰晶在该高度上碰并过冷水的过程。ρhv在8～10 km又有所上升,在0.85～0.9。Zdr在4～6 km高度附近为0.2～1 dB,结合ρhv,在该高度上存在着直径较小的水滴,而其上下两块区域Zdr值增强,下部体现着下落的水滴与被上升气流卷起的低层暖湿水滴碰并增长的过程,在低层融化形成较大且浓度较高的降水粒子。Kdp在相应区域上,4～5 km的高度附近为较大值区,而在5～7 km上则呈现负值的低值区,结合之前ρhv在该高度附近的特征与风场特征,该高度的上升速度减小,在强上升气流的作用下粒子在垂直方向上循环浮动,增大体积直到一定大小时无法被上升气流拖住,印证该处的成冰过程。同样与Zdr的分布较为相似,在8 km至更高的区域,推测为水汽凝华放热使得高处区域升温,被上升气流带入此处的冰晶粒子融化,或使一些大粒子外包水膜,Kdp有所增加,Zdr增加。8 km以上的小Z、ρhv与大Zdr、Kdp可能与暖顶有关,在此处分布着浓度较小,融化的冰晶或外包水膜的不规则枝状盘状冰晶粒子等。综合来看,Kdp柱与Zdr柱作为表征对流系统的动力特征,较好地印证来自东南方向的暖湿气流为极端强降水的发展与增强提供了强有力的支持。

图8 7月20日09:00垂直剖面处的反射率因子叠加风场,相关系数,差分反射率和差分相位常数Fig.8 The reflectivity factor at the vertical profile is superimposed on the wind field, correlation coefficient, differential reflectivity and differential phase constant on July 20th at 09:00

4 结论

结合地面自动站、探空数据以及ERA5再分析资料,利用双偏振雷达数据提取多种偏振参量,并反演三维风场,分析了对流发展和成熟时期的回波、径向速度特征和风场结构,在平面与剖面上使用多种偏振参量对粒子相态特征、对流系统动力特征和对流结构进行分析总结,得到以下结论。

(1)反射率因子回波上的特征表明,对流降水最强的区域由南北走向的带状区域逐渐聚拢汇集为团状,东侧的回波缺口对应着风暴的前侧强入流区,偏东风气流带来的暖湿气流向风暴持续提供充沛的水汽,此外期间不断有新生的对流单体向郑州市中心方向移动,形成“列车效应”,有利于降水持续性发展。径向速度图特征表明,低层呈现明显的辐合特征,风向随高度顺转,该形式场表示着存在着暖湿水汽输送,低层的辐合有利于抬升以及降水的持续发展,在风暴前侧,略前于强回波区的位置呈现出逆风区特征,体现了该区域内的强上升运动,使对流系统发展强盛,有利于极端雨强的发生。

(2)风场结构表明,从近地面到高层,由东南风顺转至偏西风,对流系统垂直风切变较大。 强对流发展期,特征为风暴移动方向前侧的入流缺口。对流风暴成熟期特征为风暴前侧倾斜式环流并出现新生逆风区。

(3)偏振参量平面特征表明,ρhv、Zdr、Kdp能更精细地反映降水的微物理过程。对流发展期,通过高仰角PPI上Zdr环与ρhv环判断融化层高度,其下Kdp与Zdr增加表征冰相粒子融化过程与雨水碰并增长过程。低高度上Zdr弧与大Kdp说明该区域降水粒子直径大且浓度较大,体现降雨极端性。对流风暴成熟期,Zdr弧强度增加,表明该区域存在强烈上升运动,为暴雨持续性发展提供有利动力条件。

(4)偏振参量剖面特征表明,Zdr柱与Kdp柱能较好地反映对流系统的动力特征及结构分布,Zdr的分布体现相应区域上存在着较强的上升气流,小粒子在粒子分选作用下被环境风带至北侧分布的Kdp柱附近,出现Zdr柱与Kdp柱分离现象。ρhv在Zdr柱所在区域的中层高度上反映了该区域融化层的抬升,也反映了该高度上存在着直径较小的水滴,而融化层下的ρhv和Zdr特征则体现了下落的水滴及其与被上升气流卷起的低层暖湿水滴碰并导致增长的过程,在中高层Kdp的低值区则表现该处粒子成冰的过程。高层可能是由于水汽凝华放热使得此处区域升温,形成浓度较小、融化的冰晶或外包水膜的不规则枝状盘状冰晶粒子等。