双偏振雷达在江苏“7.6”降雹过程中的应用分析

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摘要：摘要 针对2019年7月6日发生在江苏徐州、宿迁、淮安、南京以及常州一线的一次大范围冰雹天气过程，利用再分析资料分析天气背景、不稳定机制和抬升条件。通过徐州和南京S波段双偏振雷达偏振参量及宿迁和淮安的双多普勒天气雷达风场反演技术对冰雹云的热动力结

　　摘要 针对2019年7月6日发生在江苏徐州、宿迁、淮安、南京以及常州一线的一次大范围冰雹天气过程，利用再分析资料分析天气背景、不稳定机制和抬升条件。通过徐州和南京S波段双偏振雷达偏振参量及宿迁和淮安的双多普勒天气雷达风场反演技术对冰雹云的热动力结构和微物理特征开展了详细的分析。结果表明：此次大范围冰雹天气发生在高空冷涡南落、横槽南摆，低层暖湿气流北抬，上下层强烈不稳定的环流背景下，地面低压缓慢东移南压，提供了辐合抬升条件。此次降雹天气过程中，雷达回波图上显示有典型的冰雹云特征——三体散射长钉、回波穹隆结构、强度超过50 dBZ，中层径向辐合，风暴顶辐散等特征。双偏振雷达各偏振参量也表现出冰雹云的特点，出现冰雹的地区展现水平反射率因子ZH大、差分反射率因子ZDR小、相关系数CC小的特征，ZDR值为-1.0～0.5 dB，CC值小于0.85;超级单体在近地层还出现表征入流区的CC谷、ZDR柱、差分相移率KDP柱等特征。ZDR柱、KDP柱和CC谷等双偏振参量特征在强对流短时临近预报和冰雹识别方面具有很强的应用潜力。双雷达风场反演表明此次过程降雹集中时段，冰雹云的穹隆空间结构，降雹时刻存在的明显下沉气流。

　　关键词 双偏振雷达; 冰雹; 风场反演; 粒子相态; 雷达参量

　　冰雹是影响江苏的重要灾害性天气之一，局地性强，危害性大，往往给经济和人民生命财产造成较大损失。目前，国内已通过单偏振雷达开展冰雹预报预警业务相关研究工作。研究发现，强冰雹发生的有利环境条件包括大对流有效位能、强深层垂直风切变和适当的0 ℃层高度，其雷达回波特征包括出现回波穹隆，较大的垂直积分液态水含量VIL、三体散射长钉等(俞小鼎等，2012)，同时冰雹发生时冷涡槽后类对流不稳定表现在中低层温度直减率大，风垂直切变强，风随高度强烈顺转，触发机制是中尺度低压和辐合线、干线(郑媛媛等，2011;徐璐璐等，2019)。冰雹融化层的高度应该采用湿球温度0 ℃层(Wet Blub Zero，WBZ)高度而不是干球温度0 ℃层(Dry Blub Zero，DBZ)(俞小鼎等，2014)。还有些研究得出判断冰雹出现的雷达产品阈值特征和两级阶梯冰雹天气所需的物理量特征，并建立了部分地区雹天气概念模型和预报指标(冯晋勤等，2010;路亚奇，2016;曹艳察等，2018;刘晓莉等，2019;王易等，2019)。

　　近几年随着我国双偏振雷达的逐步升级，双偏振雷达的应用研究也取得了诸多进展(王振会和王雪婧，2019)。研究发现，差分反射率因子(ZDR)是判断对流云和层状云降水粒子相态的重要指标之一(刘黎平等，1996)。建立了基于模糊逻辑法识别冰雹的方法研究并创建了C波段双偏振雷达探测冰雹云的一种有效方法(刘黎平，2002;曹俊武等，2006)，对移动X波段双线偏振多普勒气象雷达及其关键技术进行了分析并提出了一种基于常规产品和双偏振参量估测降水的方法(吴志根等，2006;胡志群等，2008;宋文婷等，2021)。针对2019年7月6日发生在江苏的一次伴有冰雹的大范围强对流天气过程，通过徐州和南京双偏振雷达参量进行分析，并结合双雷达风场反演技术分析冰雹云的热、动力结构及微物理特征。

　　1 天气形势和物理量分析

　　1.1 天气形势

　　2019年7月6日上午8时(北京时，下同)起，江苏出现一次罕见的大范围伴有冰雹、短时强降水等的强对流天气。全省自北向南先后在徐州、连云港、宿迁、淮安、盐城、扬州、常州等地出现冰雹(图1a)。其中最大冰雹直径达5 cm，于午后出现在淮安。

　　此次大范围强对流天气发生在高空冷涡南掉，低层暖湿气流北抬，造成上下层强烈不稳定的大尺度环流背景下。5日20时西风槽东移入海，江苏大部处于沿海槽后，中高纬度高空横槽东移过程中不断南压，槽后偏北气流强盛，在冷平流的强烈作用下，横槽南压过程中逐渐转竖并不断加深发展，6日在华北东部高空形成闭合性冷涡(图1b)。冷涡的形成加强了天气系统的旋转性，使得横槽加速南甩，配合冷涡的南掉，槽线在6日上半夜前自北向南扫过江苏大部分地区。5日起中低层有暖温度脊向东向北伸展，与西南暖湿气流配合，给江苏大部提供了强对流发生前低层暖湿的热力条件，这样的垂直结构为此次大范围冰雹过程的发生发展提供了不稳定层结条件。地面上6日低压东移影响江苏(图略)，东移过程中强度始终维持，为6日大范围强对流天气的发生提供了有利的辐合抬升条件。

　　1.2 物理量分析

　　6日08时徐州探空(图2a)显示，强对流发生前上述地区700 hPa以下大气近饱和，风随高度呈明显的顺转，表明为暖湿层，700 hPa以上为干冷空气，垂直不稳定度大。徐州探空站距离冰雹发生地90～110 km，有一定的代表意义。徐州站CAPE达到了2 243.3 J，K指数达39 ℃，SI指数-3.02 ℃，表明大气中有较高的不稳定能量。6日08时徐州的0 ℃层高度在4 474 m，-20 ℃层高度7 310 m，这两个高度在江苏夏季很有可能产生冰雹天气。风向垂直切变不大，0～6 km存在明显的风速垂直切变。强风速垂直风切一方面为强对流的发生提供动力不稳定，另一方面维持强的上升运动。

　　假相当位温反映了大气的温湿状况，6日08时，江苏上空32°N以北上空900 hPa以下为暖湿气流控制，800～500 hPa为较干冷空气，江苏沿江以北大部600 hPa以下为θse随高度减小的位势不稳定区，此时徐州强对流已经开始，到了12时，高空干冷空气继续南下，江苏上空对流不稳定范围进一步扩大，29～34°N上空600～500 hPa附近存在干冷中心，500 hPa以下为不稳定区，此时淮河以南强对流天气开始，到了16时，对流不稳定区继续南扩(图2b)，28～33°N上空存在较强的对流不穩定，强对流落区继续南移，到了20时，江苏上空对流不稳定明显减弱，表明此时不稳定能量已有所释放。

　　6日06时徐州上空600 hPa附近开始出现弱的上升运动中心，到了11时，地面以上出现整层上升运动区，上升速度较08时显著增强，中心值超过3 Pa·s-1，但强烈的上升运动持续时间不长，14时以后徐州附近过程结束，而淮安上空上升运动在14时附近开始，16时左右结束，上升运动更强烈，中心速度数值超过3.5 Pa·s-1(图略)。

　　此次过程中低层自孟加拉湾一直到江苏建立了一条水汽通道。08时水汽通量的辐合区主要位于江苏西北部附近，16时苏南开始出现水汽辐合中心，中心值均超80×10-5 kg-1·hPa-1·m-2·s-1，水汽在江苏强烈汇合上升，为此次大范围强对流天气提供水汽条件(图略)。

　　2 雷达参量分析

　　2019年7月6日早晨至傍晚前后(08—20时)江苏自北向南出现大范围伴有冰雹的强对流天气，部分地区伴有短时强降水和雷暴大风。此次过程徐州和南京双偏振雷达，宿迁、淮安、常州单偏振雷达全程监测，获取了完整的观测资料，本文重点分析双偏振雷达产品在监测冰雹及雷达反演风场等强对流天气中的应用。

　　08时位于山东菏泽附近的对流单体加强发展并向东移近江苏徐州丰县，单体中心强度超过60 dBZ，9时11分该单体开始影响丰县，并持续了11个体扫，其中有8个体扫出现三体散射，回波中心强度最强超过65 dBZ，10时30分该单体逐渐减弱与其他对流单体合并影响徐州城区(图略)。11—13时由安徽淮北东移进入江苏宿迁境内的回波以带状对流为主，强回波中心与上午影响徐州地区的对流单体相比强度略有减弱，但仍维持在55～60 dBZ，强中心发展高度在12 km以上。13时后随着地面辐合线东移南压，在淮安洪泽境内回波再次加强，最强回波中心超过65 dBZ，先后在宿迁和淮安境内出现5 cm以上的冰雹(图略)。之后回波一路东移过长江，19时在常州附近略有加强，单体的回波中心强度超过60 dBZ。21时强回波带东移移出苏州，开始影响上海，后半夜继续东移入海，过程结束(图略)。

　　2.1 雷达强度、径向速度分析

　　雷达反射率因子强度图上可以明显地看出对流云团的水平和垂直特征。6日08时开始山东境内有超级单体以60 km·h-1的速度向东南方向移动(图略)，开始影响徐州丰县，东移过程中回波强度迅速加强至65 dBZ，此时丰县开始出现雷暴和短时强降水。回波范围明显扩大，发展高度向上延伸，强反射率因子核达70 dBZ，顶高超10 km。此时在3.3°以上仰角反射率因子图上都可见明显的三体散射(图略)，4.3°仰角的长钉长度达30 km，三体散射长钉是探测到冰雹的显著特征之一;反射率因子高值区向上扩展，50 dBZ回波伸展到-20 ℃等温线以上高度。反射率因子图上，沿着如图3a所示方向做垂直剖面，当天-20 ℃高度为7.3 km，通过垂直剖面图可见50 dBZ已在10 km以上，远超过了-20 ℃层高度。速度图上，中层(3～6 km)存在明显的径向辐合、高层(10 km以上)存在风暴顶的辐散(图3c1—c4)。

　　8时28分超级单体回波继续向东南方向移动，影响沛县，回波有加强的趋势，最强反射率因子强度超过70 dBZ，0.5°～6.0°仰角都出现三体散射长钉，长钉最长达40 km，反射率因子垂直剖面上，强反射率因子中心抬高至10 km，50 dBZ回波扩展到12 km，径向速度剖面图上可见，底层明显的辐合、中层气旋式辐合和高层辐散(图3c3)。

　　8时42分开始，三体散射长钉消失，中层径向辐合明显减弱，但此时最大反射率因子强度仍超过60 dBZ。强反射率因子一直维持到9时12分，之后逐渐减弱(图3b1—b4)。

　　除了反射率因子的三维空间结构外，垂直累积液态水含量VIL值的大小也对判断风暴强度以及冰雹出现具有一定的参考价值(图略)。08时—08时42分，基于超级单体的垂直累积液态水含量都维持在60 kg·m-2。但是VIL随时间的变化与最强反射率因子强度变化趋势呈反比。

　　表1列出了出现三体散射的时刻和仰角高度。由表可见，三体散射多出现在风暴中层，也就是在2.4～6.0(°)仰角的雷达扫描更易探测到三体散射长钉。这是由于风暴距雷达只有60～80 km，高度在0.9～2.5 km之间，由于雷达盲区导致三体散射长钉无法探测。而对于更高仰角，反射率因子迅速降低，在对流单体的后边缘，反射率因子远小于显示阈值，从而三体散射长钉无法显示。同时，三体散射在08时—08时42分每个体扫都能见到，在08时30分—09時18分过程地面观测到降雹，但是每个体扫都无法观测到三体散射长钉，说明三体散射长钉的出现比地面降雹提前6～30 min。

　　2.2 双偏振参量分析

　　参照陈超等(2018)方法，对徐州和南京的双线偏振雷达资料进行质量控制。质控后根据地面降雹实况，结合单偏振多普勒雷达产品，同时开展双偏振雷达参量的研究来分析冰雹云特征。

　　6日(8时30分—20时)徐州、连云港、宿迁、淮安、扬州及常州多地出现冰雹，从地面获取的实况来看，冰雹尺寸较大(2～5 cm)。徐州、南京双偏振雷达全程监测此次过程，与单偏振雷达相比，双偏振雷达在粒子相态的识别上更有优势，通过分析ZH、ZDR、KDP、CC等产品可判断降水粒子的形状、相态分布和尺寸等特征。

　　Heinselman and Ryzhkov(2006)、Picca and Ryzhkov(2010)开展了双偏振雷达对冰雹的空间相态识别研究，因此，通过分析双偏雷达ZDR、KDP、CC产品可对此次过程冰雹相态的变化做出判断。08时之前0.5°仰角雷达反射率回波强度小于55 dBZ，对应ZDR小于2 dB，08时后随着回波强度增强到55～60 dBZ，ZDR也增强到3～4 dB，8时11分ZDR增强到3～5 dB，并持续到8时42分，后减弱到2～3 dB，09：12再次增强到3～5 dB，之后ZDR减弱到2 dB。从低仰角ZDR的变化可以看出，过程期间低层强回波中心的ZDR均为正值，随着回波强度的增强，ZDR也加强，对应相态可能是冰雹融化形成的大雨区或是冰雹外覆有外包水膜(刘黎平等，1996)。抬高仰角，08时17分在3.3°和4.3°仰角(约3.8～4.7 km高度)55～60 dBZ的强回波区ZDR为0～0.2 dB，对应为冰雹区，8时28分在6.0°仰角(约5.9 km高度)强回波中心(65 dBZ)对应ZDR为0～-1 dB(图4)，8时34分ZDR在0～-1 dB负值区降低到3.3°仰角(约3.4 km高度)，在此高度以下ZDR为正值，说明冰雹在下落并逐渐融化(刘黎平等，1996)，地面实况在08时30分左右出现冰雹，对应冰雹融化成外包水膜的小冰雹或大雨滴，在回波悬垂6～8 km的高度上ZDR为1～2 dB正值区，对应存在是大的过冷雨滴和湿雹。08时30分左右在丰县获取的实况显示冰雹直径小于2 cm。结合高低仰角ZDR的变化和探空资料分析，ZDR接近0 dB、回波强度大于55 dBZ的区域首先出现在0 ℃层(约4 470 m)附近，后向上向下扩展，最低高度降至2.4 km，该高度以下ZDR转为正值，此现象说明由于湿球0 ℃高度比较高，融化层厚度厚，加上午后地面温度超过25 ℃(图4b—k)，因此冰雹在下降过程中融化的可能性较大。

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