闽南一次超级单体风暴双偏振特征分析*

崔梦雪 张晗昀 张 伟 郑 辉 陈德花

(1.海峡气象开放实验室，福建 厦门 361012；2.厦门市气象台,福建 厦门 361012)

冰雹、雷暴大风、短时强降水等强对流天气大多是由强风暴产生，超级单体风暴作为其中发展最为旺盛的对流风暴系统，一直是气象学重要的研究对象之一。20世纪60年代，Browning等[1]对超级单体风暴做了很多开创性的研究。随着多普勒天气雷达在研究中的应用，超级单体风暴的旋转特性被充分揭示。Browning[2]建议重新定义超级单体风暴为具有中气旋的对流单体；Doswell等[3]指出，具有深厚持久的中气旋的对流风暴才是超级单体，得到了广泛认可。随后，大量研究验证了超级单体的形态特征，如钩状回波、弱回波区或有界弱回波区和悬垂回波等特征。

过去大量研究多集中于超级单体风暴的结构描述，而对其云物理过程缺乏有效观测手段。自Seliga等[4]1976年提出双偏振探测理论之后，双偏振雷达探测技术日益完善，在研究云内粒子相态、识别冰雹云等方面有较好的应用价值。超级单体风暴中包含多种降水粒子，云物理过程更加复杂，在偏振观测中有许多独特的现象。Hall等[5]观测到对流风暴中存在差分反射率因子(ZDR)柱。Loney等[6]在超级单体风暴中观测到了差分传播相移(KDP)柱。Balakrishnan等[7]研究表明，随着冰雹尺寸增大，相关系数会变小。刘黎平等[8]指出，负ZDR对应大冰雹区。Kumjian等[9]总结了超级单体风暴的偏振观测特征：ZDR弧、 ZDR柱、KDP柱和CC环，得到大量证实[10]。上述研究和结论对开展强对流天气成因分析和监测预警发挥了重要作用。

2019年5月16日下午闽南地区出现了短时强降水、雷暴大风等强对流天气，漳州龙海最大小时降水量达76.4mm，厦门同安出现19.1m/s(8级)阵风。

雷达监测表明，这次过程主要是由3个强风暴引起，其中最强的单体是非常典型的超级单体风暴，并于17∶02显示冰雹强回波及地，但此次过程实况未监测到冰雹，分析可能是降雹点位于漳州华安县碧溪村山区，人口稀少缺乏观测。因此，本文利用双偏振多普勒天气雷达和常规观测资料，从天气背景、回波演变和偏振特征等方面，对该超级单体进行分析。

图1 2019年5月16日闽南地区超级单体风暴路径

1 资料来源及说明

厦门海沧S波段双偏振多普勒天气雷达位于厦门市海沧区蔡尖尾山(24.5°N，118°E)，于2016年6月开始试运行，是我国首部双发双收的双偏振雷达(即同步发射和接收水平偏振波和垂直偏振波)，相较于新一代多普勒天气雷达，其径向分辨率由 1000m 提升到 250m，可提供更为精细的回波结构，雷达参数详见表1。

表1 海沧双偏振雷达主要参数

2 天气形势

15日20时500hPa高空图上，副热带高压控制整个华南地区，闽南位于588线边缘，华北黄淮有冷切南下，16日08时福建上空有温度槽生成，700hPa江淮切变线从川东延伸到安徽中部。850hPa江苏南部有低涡形成，华南地区西南气流加大，850hPa到925hPa增温明显。200hPa南亚高压位于中南半岛，闽南处于南亚高压东侧分流辐散区。这种高低层配置为强对流提供了有利的动力抬升条件，同时上冷下暖层结进一步加剧了对流不稳定形势。地面上14时福建处于低压倒槽暖区内，午后闽南地区地面气温上升至32℃，广东东部为西南风，福建沿海为东南风，两支气流在闽南交汇，形成的辐合线有利于闽南午后对流的发展。

图2 2019年5月16日08时中尺度天气分析

3 强对流发生发展条件分析

16日08时汕头站与厦门站探空呈上干下湿结构(图3)，汕头站对流有效位能达2614J/kg，用最不稳定层订正之后达3120J/kg，厦门站08时对流有效位能为849J/kg，订正后达到2095J/kg，为强对流的发生提供了有利的不稳定条件。厦门站近地面存在逆温层结，配合地面加热，利于不稳定能量的累积。汕头站与厦门站0℃层高度为5.0km，-20℃层高度分别为8.4km、8.3km，高度较高，与5月中旬温度较高有关，冰雹发展需要的上升运动更强，同时在下落过程中出现融化难以产生强冰雹的可能性较大，但在云体发展过程中也可能出现局地0℃层高度的降低。从垂直风切变看，汕头站与厦门站0～6km垂直风切变在14m/s，切变值在2.3×10-3s-1，为中等强度垂直风切变，较利于对流组织化发展。配合低层风随高度顺转，有暖平流，高层风随高度逆转，有冷平流，这种高低空配置有利于强对流天气过程的发生发展。

(a)汕头站 (b)厦门站图3 2019年5月16日08时探空

4 雷达回波演变特征

2019年5月16日14∶32该风暴在广东大埔生成，之后向东偏北方向移动进入福建。15∶58回波中心强度达到65dBz，强中心出现在3～4km高度，在速度图上,1.5°、2.4°仰角上出现旋转特征，旋转速度为10 m/s，达不到中气旋标准，此后强回波及中气旋缓慢向上扩展。

16∶50回波前侧反射率因子梯度加大，低层左前侧出现勾状回波特征，并伴有左前侧入流与右前侧出流V型缺口(图4b、4d)，强中心向上伸展到5～12km高度(-30℃～0℃)，剖面图上可以看到反射率因子从低到高向低层入流方向倾斜的特征，有明显有界弱回波区和悬垂回波(图5e)。VIL达58.5 kg·m-2，9.9°仰角上三体散射长达36km。速度图上有明显的中气旋特征(图4h)，伸展高度达6km，6°仰角上转动速度为14m/s，中气旋半径8km，距离雷达50km，根据中气旋判定标准为弱中气旋标准，综合判断16∶50前后强对流风暴发展成为超级单体。16∶56超级单体强度达到顶峰，最大反射率因子达76.5 dBz，强中心高度在2～9km，较前时次有所下降，三体散射最长达40km(图8a)。

17∶02强回波质心下降明显，中气旋特征消失，0.5°仰角上(0.8km高度)回波强中心反射率因子达68.5dBz(图4c)，表明冰雹已经降至相当低的高度。17∶07 回波呈团状，低层入流缺口消失，强回波高度下降，三体散射长度大大减小，垂直积分液态水含量迅速下降。随后该回波与前侧强回波合并，低层入流切断强度减弱，逐渐形成多单体风暴向东北方向移动，经厦门同安，19时之后消失在泉州南安，共维持4个多小时。

此次超级单体风暴回波强度强，但观测中没有出现冰雹，这里有两种可能性，一种是的确没有下大冰雹，第二种可能性是下了大冰雹但没有被观测到。Witt等[11]认为，判断大冰雹的主要判据是检验-20℃高度上有无超过45 dBz的反射率因子核。此次过程8km(-20℃高度)以上反射率因子核强度超过65 dBz，最强反射率因子超过75 dBz，这么强的回波只有大冰雹才能产生。Lemon[12]指出，三体散射的出现是大冰雹存在的充分条件和非必要条件，三体散射出现后10～30分钟往往会产生最大的地面降雹和大风。此次过程三体散射长钉最长达40km，均支持大冰雹存在的可能。且17∶02大于60 dBz的回波区域一直延伸到距地面1km以内，0.5°仰角上(0.8km高度)回波反射率因子达到68.5dBz，在距地面1km距离内完全融化的可能性较小，但实况未监测到冰雹，综合考虑可能是降雹点位于漳州华安县碧溪村山区，人口稀少缺乏观测。

图4 2019年5月16日16∶27(a,e)、16∶50(b,f)、17∶02(c,g)0.5°(a～c)、 6.0°(e～g)仰角水平反射率因子；16∶50 1.5°(d)、 6.0°(h)仰角径向速度

5 双偏振特征分析

双偏振雷达在粒子相态识别上有显著优势，对冰雹落地之前是否完全融化还是部分融化的可能性进行判断，下面将通过分析风暴的双偏振特征，进一步判断降水粒子的形状、相态等特征。

5.1 差分反射率因子ZDR特征演变

差分反射率因子ZDR是水平极化雷达反射率因子ZH与垂直极化雷达反射率因子ZV之比的对数，反映粒子的形状、空间取向及相态信息。对于冰雹而言，其尺寸较大，形状不规则，在下落过程中会出现上下翻滚，ZDR趋于甚至小于0，负ZDR是冰雹区的特征，同时ZH一般很大[16]。

在风暴初生发展阶段，雷达反射率因子ZH<60dBz，ZDR在1～4dB(图5a)，表明单体内以水滴为主，从垂直剖面可以看到，单体发展高度较低，内部大部以小雨滴为主，但是在垂直发展最为旺盛的区域，ZDR可达4～5dB(图5g)，可能是暖云降水的碰撞与合并过程产生的大雨滴。风暴成熟阶段，单体中高层(距地面6～11km)ZH>60dBz，ZDR值在-1～1dB(图5h)，说明单体内部已经有冰雹的存在，而在回波穹隆，存在ZDR>4dB的大值区，可能是极少量融化的冰相粒子下落过程中重新卷入上升运动区，在回波墙附近ZH与ZDR同时较大，可能是一部分冰雹在下落—上升的往复过程中逐渐远离强上升气流区时，融化成大雨滴或外包水膜的冰雹并在回波墙附近下落。降雹阶段，0.5°仰角上(距地面0.8km)回波中心ZH>60dBz，ZDR在零值附近(图5c)，表明冰雹可能已经降落到地面但范围较小。在剖面图上ZDR<0区域高度大大降低(图5i)，17∶10长泰陈巷镇10min降水10.6mm，气温下降1.6℃。

5.2 ZDR弧与ZDR柱

图5 2019年5月16日16∶27(a,d,g)、16∶50(b,e,h)、17∶02(c,f,i)的0.5°仰角差分反射率因子(a～c，黑色等值线：30、40、50、60dBz水平反射率因子)、水平反射率因子剖面(d～f)及差分反射率因子剖面(g～i)

差分反射率弧(ZDR弧)是超级单体最明显的低层偏振特征，往往出现在前侧下沉气流(Forward Flank Downdraft，简称FFD)的南侧，为一条细长而浅薄的带状回波[9]。数值模式认为，ZDR弧与超级单体的粒子分选机制有关，小粒子相较于大粒子拥有较小的下落末速度，被平流输送的距离要比大粒子更远，导致大粒子主要出现在FFD南侧。此次过程中，在超级单体成熟及降雹阶段，在低层FFD东侧边界存在3～4dB的弧状ZDR大值带(图5b)，同时也是水平反射率因子梯度较大的区域。该弧状ZDR大值带较为浅薄，仅出现在0.5°～2.4°仰角，即距地面2km以下，这与潘佳文等[13]的研究一致。从粒子相态识别看，ZDR弧上主要由大雨滴构成，应证了超级单体的粒子分选机制。不同的是，Kumjian等[9]研究认为，北美地区的ZDR弧主要位于FFD南边界，而此次超级单体ZDR弧则位于FFD东侧边界，这主要与环境风场差异有关[14]。从时间上来看，16∶45在1.5°仰角上已出现ZDR弧特征，而此时回波仍为多中心结构，未形成钩状回波的特征，下一时刻16∶50钩状回波形成，单体发展成为超级单体风暴，表明ZDR弧的出现对超级单体的形成有较好的预示性。

ZDR柱与上升气流有关，位于雹暴的入流侧或者上升气流边缘，即有界弱回波区或入流缺口，是雨滴被上升气流带入云中较冷的区域后冻结且失去取向稳定导致的ZDR值迅速降低[14]。在单体发展旺盛及成熟阶段，可以观测到ZDR>1dB的柱状回波，伸展高度可到6～7km左右(图5h)，超过湿球温度0℃层高度(5km)，表明有强上升气流存在。而在单体降雹阶段，ZDR柱消失，在湿球温度0℃层高度，ZDR降低到0dB以下，预示着冰雹粒子的降落。分析表明ZDR柱与强上升气流有很好的对应关系。研究ZDR柱与ZDR弧的位置发现，两者并不重合，ZDR柱出现在前侧入流缺口(Front Inflow Notch，简称FIN)，而ZDR弧出现FFD东侧边界。

5.3 相关系数特征演变

相关系数(CC)是反映一次脉冲累积时间段内水平和垂直极化脉冲相似程度的测量值，大小与粒子的轴比、倾斜角、形状不规则性以及相态有关，一般大部分气象回波CC值高于0.95，小冰雹CC值一般在0.9～0.95，大冰雹和冰水混合区CC值低于0.9[9]。

在单体发展初期，低层CC>0.98(图6a)，中上层(距地面4～7km)CC值降到0.9～0.95(图6d)，粒子分类显示以霰和干雪为主。单体成熟阶段，0.5°仰角上开始出现0.92～0.95的CC低值区(图6b)，表征着强烈的入流区，中层未见明显的CC环结构。Kumjian等[9]认为，超级单体低层强入流常造成地面树叶、杂草、昆虫等被吸入上升气流，与降水粒子混合在一起造成超级单体低层入流区附近CC值降低。在垂直剖面图上(图6e)，回波穹隆CC值为0.6～0.85，表征强上升气流带来的非气象回波混合，穹隆上方(距地面6～9km)CC值在0.85～0.9之间，ZDR在-1～4dB之间，表明大冰雹和冰雹外包水膜混合，而在回波顶(距地面9～14km)CC>0.9，ZDR在-1～1dB之间，粒子分类表明以霰和冰晶为主。单体降雹阶段，0.5°仰角上(距地面0.8km)反射率因子核区域CC低至0.85(图6c)，出现0.85～0.9的CC低值区，同时ZH>60dBz，ZDR在0dB附近，表明大冰雹降至相当低的高度。CC降低主要是冰雹粒子的外包水膜、冰粒和水滴的不同尺寸、不同轴比混合在一起以及冰雹在下落过程中的翻滚，水平和垂直偏振信号相关性较差[15]。从垂直剖面图上同样可以看到，1km高度处有0.85～0.9的CC低值区(图6f)，预示着冰雹降至地面，在距地面2～5km高度CC值在0.85～0.95之间，向下迅速增加到0.95以上，应为大冰雹在下落过程中部分融化为大雨滴或外包水膜的冰雹，但仍有小部分冰雹到达地面。

图6 16∶27(a,d)、16∶50(b,e)、17∶02(c,f)0.5°仰角相关系数(a～c,黑色等值线：30、40、50、60dBz水平反射率因子)、相关系数剖面(d～f)

5.4 差分传播相移KDP

差分传播相移KDP是指水平极化脉冲与垂直极化脉冲传播常数差，表征不同偏振的传播路径上，因传播系数不同引起的相位变化，冰雹的KDP值在0附近[16]。由于KDP产品与CC相关，当CC<0.9时，不计算KDP产品，KDP产品会出现一些“空洞”，因此KDP产品在分析冰雹演变时存在缺陷[10]。在单体发展阶段，KDP值在0.5～3.6°/km(图7a)。成熟阶段单体低层KDP值增大(图7b)，表明了雨滴的增长，而中上层(距地面6～11km)KDP<0°/km，判断该区域有冰雹。降雹阶段，0.5°仰角上出现KDP“空洞”(图7c)，“空洞”周围为KDP大值区，外围KDP较小，表明近降雹区周围为大雨滴区，而回波外围为小雨滴。

图7 2019年5月16日16∶27(a)、16∶50(b)、17∶02 (c)0.5°仰角差分传播相移(黑色等值线：30、40、50、60dBz水平反射率因子)

5.5 三体散射长钉双偏振特征

三体散射是雷达发射的电磁波一部分被冰雹向四周散射，其中散射到地面的电磁波经地面反射后，部分能量再次被冰雹散射回雷达天线形成。16∶45～17∶02单体出现明显三体散射，其中16∶56回波强度达到最强，9.9°仰角上三体散射长度达到40km(图8a)，回波强度最强达到25dBz。在ZDR图上表现为靠近强回波一侧ZDR>5dB的大值区与远离强回波一侧ZDR在-4～0dB的低值区(图8b)，在CC图上表现为低于0.8的非气象回波(图8c)。

图8 2019年5月16日16∶56的9.9°仰角水平反射率因子(a)、差分反射率因子(b)及相关系数分布(c)

6 结论与讨论

(1)此次超级单体风暴发生在高空冷槽入侵副高外围，地面暖倒槽内午后增温明显，东南、西南两支气流在闽南地区辐合的形势下，配合高的对流有效位能，上干下湿层结，中等垂直风切变，有利于强对流天气的发生发展。

(2)超级单体成熟阶段，低层出现钩状回波结构，单体左前侧和右前侧出现V型缺口，分别表征左前侧入流与右后侧出流，这与经典超级单体低层入流常位于右后侧有所不同。回波最大反射率因子达到76.5dBz，三体散射明显，伴有弱中气旋生成，垂直剖面上呈现出明显的有界弱回波区和回波悬垂。

(3)偏振观测表明，在单体成熟阶段，低层出现表征强入流的CC低值区(0.92～0.95)；回波墙附近ZH与ZDR同时较大，可能是大雨滴或外包水膜的冰雹；回波穹隆ZDR>4dB，CC值在0.6～0.85之间，应为少量大雨滴或外包水膜的冰雹与强上升气流带来的非气象回波混合；回波顶(距地面9～14km)CC>0.9，ZDR在-1～1dB之间，粒子分类表明以霰和冰晶为主。冰雹的水平反射率因子大、差分反射率因子与差分传播相移在零值附近，相关系数低(0.85～0.9)。

(4)在超级单体低层FFD东侧边界附近(也是水平反射率因子梯度较大的区域)观测到细长而浅薄的ZDR弧，主要由大雨滴构成，其形成早于钩状回波的出现，对超级单体的形成有较好的预示性。ZDR柱出现在FIN，表征强上升气流的存在，对单体发展有较好的指示性。ZDR柱与ZDR弧位置并不重合。

(5)三体散射双偏特征表现为靠近强回波一侧ZDR>5dB的大值区与远离强回波一侧ZDR在-4～0dB的低值区，在CC图上表现为低于0.8的非气象回波。

需要指出的是，本文仅是对一次超级单体过程的个例分析，上述偏振特征以定性分析为主，粒子分类方式也是雷达业务应用上的HCL粒子分类算法，未进行本地化的粒子分类研究。未来仍需更多的个例分析与统计分析，以获得强对流天气中偏振特征的定量关系，并开展本地化粒子分类方法研究，为双偏振雷达的业务运用提供更好的参考。