双线偏振雷达在一次冰雹过程中的监测分析

□ 民航温州空管站 侯思远/ 文

超级单体风暴是局地对流系统发展的最强烈的形式， 具有突发性强、历时短、范围小、局地性强的特点，常伴随雷雨大风、冰雹、龙卷等气象灾害。冰雹对航空运输往往会造成不可估量的严重损失，飞行中的航空器遭受雹击的新闻屡见不鲜，轻则机体受损，重则直接影响飞行安全，同时机坪服务人员和设施设备也面临着重大的安全威胁。

冰雹云在雷达回波图上具有一些共同的特征：回波强度大于等于55dbz，回波顶高度高，同时还有十分强的上升气流。PPI 平面位置显示上还具有如 “V” 形缺口、指状回波、钩状回波、弓形回波、人字形回波、三体散射TBSS、入流缺口、有界（无界）弱回波区BWER（WER）等形态特征；RHI 距离高度显示上具有如穹隆状、回波墙、悬垂体、尖顶状假回波，旁瓣回波等形态特征。

在超级单体风暴发生发展机制的研究中，关注湿度、不稳定条件和中尺度抬升机制等关键因素的同时，垂直风切变常被用作分析、诊断强对流风暴特别是超级单体的工具。环境风垂直切变的作用在于引导降水及其下沉气流远离低层的入流上升气流，保证上升气流的持续性，在风暴一侧的辐合加强、维持，从而也延长了风暴的生命史。

目前，国内常用的多普勒天气雷达只能发射一种极化的电磁波，在分析降水粒子的形状、相态上无法做到进一步深入。双线偏振多普勒天气雷达可以发射水平和垂直两种方向上的电磁波，在改进定量降水估测，提升冰雹探测准确率，气象目标和非气象目标的区分和识别，各类降水粒子相态识别等方面有明显的改善。

双线偏振雷达具有差分反射率因子ZDR、差传播相移KDP、相关系数CC 等偏振量产品，可判断降水粒子的形状、相态分布和降水类型等信息。有的专家在C 波段双线偏振雷达的基础上建立了识别冰雹区以及混合区降雨和降雹的方法，有的团队利用美国S 波段双线偏振雷达KOUN 进行了识别冰雹区方法的研究，S 波段双线偏振雷达在探测强对流方面较C 波段有许多优势，国外的双线偏振雷达通常工作在S 波段，温州市气象局也在2018年升级成为了S 波段双线偏振雷达。

2019 年4 月24 日下午15 ∶20 ～15 ∶30 温州机场出现了一次冰雹天气，并伴有短时强降水，此次过程共造成十余架航空器受损，需要评估受损情况后才能放行，滞留了大量旅客，气象自动观测设备也受到损坏。经观测员测量，冰雹直径为50 毫米，重量29 克。温州机场自开通以来，仅出现过三次冰雹天气，随着温州机场航班量的不断增长，此类灾害性天气过程可能造成的损失也在放大，所以提前预警此类天气就显得尤为重要。借助温州双线偏振雷达产品和高空地面资料对此次过程进行分析，着重分析双线偏振雷达在监测冰雹和短时强降水等强对流天气中的应用，为预报员在今后监测预警强对流天气过程中提供参考。

天气形势分析

（一）天气图分析

当日地面图如图1 所示。在图1 所示的24 日08 时东亚地面图上，北方冷空气主体位于贝加尔湖以东地区，前沿已扩散到我国渤海至华北一线，西南倒槽从广西南部一直向北延伸到华北南部，中东部地区为倒槽前部的弱气压场控制着，此片区域大部分都出现了大雾天气，说明地面水汽十分充足。

高空 图上，850hPa 冷高压位置与地面图上相似，高压前部的冷平流也扩散至渤海湾至华北一线，低压槽区控制着华北南部至华南地区，本场处于弱切变的南侧西南气流之中，华南急流已发展到福建中部。700hPa上贝加尔湖以东地区为高压脊，我国中部地区为一致的西北气流，胶东半岛以南至两湖地区有一条切变线，切变北侧有弱冷平流随之南下。本场上空为切变南侧的西南偏西气流控制。500hPa 天气形势与700hPa 形势相类似，高空浅槽位于长江中下游地区，槽前的西南气流控制着东部沿海至广东西部。图1中的下午14 时地面清楚地显示，西南倒槽明显地向东部延伸，切变线也随之发展，本场处于地面的切变线附近。

（二）环境条件分析

中尺度分析概念最早是由藤田哲野提出，20 世纪70年代美国人米勒通过对环境场条件的中尺度分析总结出“天气型识别法”（流型识别法）。在我国，中尺度分析在暴雨、强对流预报中越来越受到重视，分析个例也日渐增长，本文基于国家气象中心制定的《中尺度天气分析业务技术规范》进行分析。

根据08 时的天气形势做出的中尺度分析如图2 所示， 温州机场所处的区域在925hPa 和850hPa 上均为湿区控制， 露点温度均＞10 ℃， 其 中925hPa露点温度＞14 ℃。T850-T500hPa ≥26℃也处于本场上空，风雹条件较好，同时也说明中低层温度直减率非常大，700hPa 上的冷槽位于苏皖境内，伴随着高度槽的东移也相应东移，500hPa上本场为露点温度差＞15℃的干区，即本场处于典型的“下湿上干” 不稳定层结之中，且在中层即将有干冷空气侵入。200hPa 高空急流也位于本场上空，为高层辐散提供了有利条件，如图2、图3 所示。

由于温州地区没有探空资料，本文使用了欧洲中心数值预报模式以24 日08 时作为初始场的数值预报产品。从图3 上可以看出本站08时表现为上干下湿的状态，K指数达35℃，LI指数为-2℃，表现为不稳定状态。垂直风切变是强雷暴发展和维持的重要因素，在超级单体和中尺度对流系统加强、组织化和维持上起到关键作用。从图3 上可以看出近地面1000hPa为2m/s 的东北风，700hPa 为18m/s 的偏西风，两个等压面之间的风矢量差数值为19m/s，厚度约为3km，对应的垂直风切变值为6.3×10-3s-1，在低层呈现出较大的垂直风切变。有利于超级单体风暴的生成和发展。

强对流天气系统演变特征

图4 为4 月24 日冰雹过程温州双线偏雷达组合反射率演变图。

雷达反射率图演变图（ 图4） 显示，24 日上午11 ∶00 浙江西部山区有对流云团发展向偏东方向移动，下午14 时地面图（图1）显示倒槽锋面明显向东部发展，锋面云系也逐渐东移。13 ∶42 在温州西南山区文成县附近有一个孤立的对流云团生成，配合此时的锋面发展，孤立云团得以迅速加强，在生成后约15 分钟的13 ∶58，对流云团中心反射率就达到了69dbz，且移动速度迅猛，14 ∶43 移动到了距离出生地文成县以东50km 处的瑞安市。运用四分屏显示（即屏幕上同时显示四副不同仰角的反射率因子）来确定雷暴的结构和强弱，可以看出对流单体在14 ∶04 已具有超级单体风暴悬垂结构和有界弱回波区的特征。

14 ∶32，该超级单体风暴出现了分裂，通过分析图5 的径向速度图可以看出，分裂后的两个单体风暴呈现出完全不同的旋转方向，右移的风暴呈气旋式旋转，左移的风暴呈反气旋式旋转。根据前人对超级单体风暴分裂以及选择性加强动力学机制的研究成果，环境风垂直切变方向随高度变化是造成风暴选择性加强的主要原因。当风切变矢量随高度基本不变时，气旋式右移风暴和反气旋式左移风暴会有几乎相当的发展；当风切变矢量随高度顺时针旋转时，分裂后气旋式旋转的右移风暴得到加强，而反气旋式旋转的左移风暴受到抑制；同理，当风切变矢量随高度逆时针旋转时，风暴分裂后反气旋式旋转的左移风暴得到加强发展，而气旋式旋转的右移风暴受到抑制。

而此次过程中分裂后形成的右移风暴中心反射率强度一直维持在70dbz 以上，最强时达到了81dbz，且有着很高的反射率梯度，具有冰雹云的特征。左移风暴在分裂时中心强度仍有68.5dbz，在经过3 个体扫之后，中心强度减弱到60dbz，虽然其后在移动至永嘉山区后又再次加强，但对温州机场已无影响，所以本文着重探讨右移风暴。但分裂后的右移风暴和左移风暴的不同发展趋势，也能证明温州地区风切变矢量随高度顺时针旋转。即在0 ～3km 的层结中，实际风向也随高度顺时针旋转，有暖平流。这与低层倒槽加强的天气形势相吻合。

15 ∶00 温州机场天气实况为雷暴伴有强降水，15 ∶20 开始降雹，15 ∶30 冰雹天气结束。通过利用四分屏判断方式，同时结合径向速度图（图略）可以看出，15 ∶23 该风暴仍为超级单体风暴，如图6 所示。由于机场离雷达所在位置仅有10km 左右，且雷达所在海拔为700 余米，所以在低仰角上钩状回波不十分明显，但也能看到低层反射率因子的高梯度区，且从低到高反射率因子向入流一侧（南边）倾斜，表明了该超级单体风暴具有了低层弱回波区和中高层悬垂结构。超级单体风暴与其他强风暴的本质区别在于超级单体风暴含有一个持久深厚的中气旋，在图7 径向速度图上可以看出风暴所在的区域有一个气旋式切变速度对，该速度对自14 ∶32开始的分裂结束后就一直存在，已经具有了明显的中气旋特征，据此也可以判定右移的气旋式旋转单体为超级单体。

双线偏振雷达产品应用

此次冰雹天气过程中，先由雷暴伴随降水开始，自动观测设备记录从14 ∶49分开始降水， 分钟雨量达到 了0.3mm， 在 随 后 的3 分钟里分钟雨量维持在0.2 ～0.3mm，此后分钟雨量一直维持在0.0 ～0.1mm，直至15 ∶23，分钟雨量达到了1.3mm，其后最强时达到了2.8mm，并一直持续到15 ∶29，之后由于设备故障缺失记录。

分析反射率因子演变之后可以发现，14 ∶49 ～14 ∶52 的降水是由另一对流云团引起，并非超级单体风暴中的降水，演变同时显示了超级单体风暴在15 ∶11 前后移动至机场上空， 与此相对应的是，自动观测记录上14 ∶53 ～15 ∶09 累积降水仅为0.2mm，而15 ∶09 后分钟雨量开始增大，此后的分钟雨量基本在0.1mm 以上为主，观测员的观测记录大雨由15 ∶08 开始也能表明，此时开始的降水才是由超级单体风暴产生。前人研究结果表明，双线偏振多普勒雷达可以对冰雹在落地之前是否有融化进行判断，因此，通过分双线偏振雷达的三个偏振参数可以对此次过程的冰雹相态变化进行分析。

差分反射率ZDR 表示水平极化和垂直极化回波的反射率因子之比的对数，与产生后向散射的水凝物粒子的形状、密度和成分构成有关。一般来说，冰雹由于在下落过程中不断翻转、摆动，其ZDR值趋于0 甚至小于0，负ZDR更是冰雹区的特征，冰雹的外覆水膜可极大地改变其ZDR值的大小。

水平偏振和垂直偏振波在通过一个非各向同性介质时，在两个偏振波之间将会产生微差相移φDP；φDP对距离导数的一半定义为 “比微差相移” KDP，相当于每单位距离（km）上的微差相移。KDP依赖于降水粒子浓度和大小，还有降水粒子成分构成，相对于ZH，KDP对粒子尺寸的依赖度要小一些；密度均匀的球形粒子或密度均匀的随机翻滚的降水粒子KDP值在0 附近。由于KDP产品计算与相关系数CC 相关，当CC ＜0.9 时，不计算KDP，KDP产品会出现空白的区域，即KDP没有数据。

相关系数CC 反映水平偏振和垂直偏振回波功率之间的相关系数，其大小与粒子的轴比、倾斜角、形状不规则性以及相态有关，对雷达信噪比较敏感，也易受到地物杂波和旁瓣回波的影响。在纯雨、纯雪和纯霰时其值接近于1.0；在雨和雪混合，雨和冰雹混合以及在Mie散射效应很大的波段（例如大冰雹）CC 会降低。

此次过程中，由于超级单体风暴与雷达之间的距离太近，所以无法分析高层的粒子分布和相态。如图8 所示，在15 ∶23 分0.5°仰角上，强回波区基本覆盖了机场上空，回波强度在65 ～71dbz，对应的ZDR 值为-0.7 ～3.5dbz，KDP 值为-0.2 ～1.8° /km，CC 值为0.91 ～0.97，符合大冰雹伴随大雨的特征。在图9 中，仰角抬高到2.4°，回波强度中心向南倾斜，强回波区强度 为66 ～69dbz， 对应的ZDR为-1.1 ～2.3dbz，KDP出现了部分区域空白，CC 为0.82 ～0.96dbz，说明在此高度上冰雹数量比低层更加密集，而雨滴的数量更少。以上的偏振参数的变化及分布说明了，冰雹在下落的过程中部分逐渐融化成了大雨滴，增强了冰雹过程中末尾的降水强度，与末尾阶段出现的分钟降水量达到2.8mm的罕见强降水结果相一致。

结论：

（1）24 日08 时温州机场处于弱辐合之中，低层西南急流位于福建境内，且低层湿度很大，而较高的中低层温度直减率和500hPa 的干区也表明，中层有弱冷空气侵入，高层的急流位置也有利于对流的发展，午后西南倒槽加强，为对流的触发带来了抬升条件。中低层较大的垂直风切变为超级单体风暴的发生和长时间的维持提供了有利条件。

（2）通过分析多普勒雷达的反射率因子可以发现，雷暴云团具有悬垂结构和弱回波区，径向速度上有持续的中气旋存在，因此可以将雷暴云团定性为超级单体风暴。

（3）此次过程中，双线偏振雷达的偏振参数证明了，末尾出现的强降水的雨量部分是由冰雹融化带来的，但由于距离原因，无法测得高层的粒子分布和相态。