雙偏振雷達在江蘇“7.6”降雹過程中的應用分析

曹舒婭 孫偉 韋芬芬 沈沛豐 何琰

摘要 針對2019年7月6日發生在江蘇徐州、宿遷、淮安、南京以及常州一線的一次大范圍冰雹天氣過程，利用再分析資料分析天氣背景、不穩定機制和抬升條件。通過徐州和南京S波段雙偏振雷達偏振參量及宿遷和淮安的雙多普勒天氣雷達風場反演技術對冰雹云的熱動力結構和微物理特征開展了詳細的分析。結果表明：此次大范圍冰雹天氣發生在高空冷渦南落、橫槽南擺，低層暖濕氣流北抬，上下層強烈不穩定的環流背景下，地面低壓緩慢東移南壓，提供了輻合抬升條件。此次降雹天氣過程中，雷達回波圖上顯示有典型的冰雹云特征——三體散射長釘、回波穹隆結構、強度超過50 dBZ，中層徑向輻合，風暴頂輻散等特征。雙偏振雷達各偏振參量也表現出冰雹云的特點，出現冰雹的地區展現水平反射率因子ZH大、差分反射率因子ZDR小、相關系數CC小的特征，ZDR值為-1.0～0.5 dB，CC值小于0.85;超級單體在近地層還出現表征入流區的CC谷、ZDR柱、差分相移率KDP柱等特征。ZDR柱、KDP柱和CC谷等雙偏振參量特征在強對流短時臨近預報和冰雹識別方面具有很強的應用潛力。雙雷達風場反演表明此次過程降雹集中時段，冰雹云的穹隆空間結構，降雹時刻存在的明顯下沉氣流。

關鍵詞 雙偏振雷達; 冰雹; 風場反演; 粒子相態; 雷達參量

冰雹是影響江蘇的重要災害性天氣之一，局地性強，危害性大，往往給經濟和人民生命財產造成較大損失。目前，國內已通過單偏振雷達開展冰雹預報預警業務相關研究工作。研究發現，強冰雹發生的有利環境條件包括大對流有效位能、強深層垂直風切變和適當的0 ℃層高度，其雷達回波特征包括出現回波穹隆，較大的垂直積分液態水含量VIL、三體散射長釘等（俞小鼎等，2012），同時冰雹發生時冷渦槽后類對流不穩定表現在中低層溫度直減率大，風垂直切變強，風隨高度強烈順轉，觸發機制是中尺度低壓和輻合線、干線（鄭媛媛等，2011;徐璐璐等，2019）。冰雹融化層的高度應該采用濕球溫度0 ℃層（Wet Blub Zero，WBZ）高度而不是干球溫度0 ℃層（Dry Blub Zero，DBZ）（俞小鼎等，2014）。還有些研究得出判斷冰雹出現的雷達產品閾值特征和兩級階梯冰雹天氣所需的物理量特征，并建立了部分地區雹天氣概念模型和預報指標（馮晉勤等，2010;路亞奇，2016;曹艷察等，2018;劉曉莉等，2019;王易等，2019）。

近幾年隨著我國雙偏振雷達的逐步升級，雙偏振雷達的應用研究也取得了諸多進展（王振會和王雪婧，2019）。研究發現，差分反射率因子（ZDR）是判斷對流云和層狀云降水粒子相態的重要指標之一（劉黎平等，1996）。建立了基于模糊邏輯法識別冰雹的方法研究并創建了C波段雙偏振雷達探測冰雹云的一種有效方法（劉黎平，2002;曹俊武等，2006），對移動X波段雙線偏振多普勒氣象雷達及其關鍵技術進行了分析并提出了一種基于常規產品和雙偏振參量估測降水的方法（吳志根等，2006;胡志群等，2008;宋文婷等，2021）。針對2019年7月6日發生在江蘇的一次伴有冰雹的大范圍強對流天氣過程，通過徐州和南京雙偏振雷達參量進行分析，并結合雙雷達風場反演技術分析冰雹云的熱、動力結構及微物理特征。

1 天氣形勢和物理量分析

1.1 天氣形勢

2019年7月6日上午8時（北京時，下同）起，江蘇出現一次罕見的大范圍伴有冰雹、短時強降水等的強對流天氣。全省自北向南先后在徐州、連云港、宿遷、淮安、鹽城、揚州、常州等地出現冰雹（圖1a）。其中最大冰雹直徑達5 cm，于午后出現在淮安。

此次大范圍強對流天氣發生在高空冷渦南掉，低層暖濕氣流北抬，造成上下層強烈不穩定的大尺度環流背景下。5日20時西風槽東移入海，江蘇大部處于沿海槽后，中高緯度高空橫槽東移過程中不斷南壓，槽后偏北氣流強盛，在冷平流的強烈作用下，橫槽南壓過程中逐漸轉豎并不斷加深發展，6日在華北東部高空形成閉合性冷渦（圖1b）。冷渦的形成加強了天氣系統的旋轉性，使得橫槽加速南甩，配合冷渦的南掉，槽線在6日上半夜前自北向南掃過江蘇大部分地區。5日起中低層有暖溫度脊向東向北伸展，與西南暖濕氣流配合，給江蘇大部提供了強對流發生前低層暖濕的熱力條件，這樣的垂直結構為此次大范圍冰雹過程的發生發展提供了不穩定層結條件。地面上6日低壓東移影響江蘇（圖略），東移過程中強度始終維持，為6日大范圍強對流天氣的發生提供了有利的輻合抬升條件。

1.2 物理量分析

6日08時徐州探空（圖2a）顯示，強對流發生前上述地區700 hPa以下大氣近飽和，風隨高度呈明顯的順轉，表明為暖濕層，700 hPa以上為干冷空氣，垂直不穩定度大。徐州探空站距離冰雹發生地90～110 km，有一定的代表意義。徐州站CAPE達到了2 243.3 J，K指數達39 ℃，SI指數-3.02 ℃，表明大氣中有較高的不穩定能量。6日08時徐州的0 ℃層高度在4 474 m，-20 ℃層高度7 310 m，這兩個高度在江蘇夏季很有可能產生冰雹天氣。風向垂直切變不大，0～6 km存在明顯的風速垂直切變。強風速垂直風切一方面為強對流的發生提供動力不穩定，另一方面維持強的上升運動。

假相當位溫反映了大氣的溫濕狀況，6日08時，江蘇上空32°N以北上空900 hPa以下為暖濕氣流控制，800～500 hPa為較干冷空氣，江蘇沿江以北大部600 hPa以下為θse隨高度減小的位勢不穩定區，此時徐州強對流已經開始，到了12時，高空干冷空氣繼續南下，江蘇上空對流不穩定范圍進一步擴大，29～34°N上空600～500 hPa附近存在干冷中心，500 hPa以下為不穩定區，此時淮河以南強對流天氣開始，到了16時，對流不穩定區繼續南擴（圖2b），28～33°N上空存在較強的對流不穩定，強對流落區繼續南移，到了20時，江蘇上空對流不穩定明顯減弱，表明此時不穩定能量已有所釋放。

6日06時徐州上空600 hPa附近開始出現弱的上升運動中心，到了11時，地面以上出現整層上升運動區，上升速度較08時顯著增強，中心值超過3 Pa·s-1，但強烈的上升運動持續時間不長，14時以后徐州附近過程結束，而淮安上空上升運動在14時附近開始，16時左右結束，上升運動更強烈，中心速度數值超過3.5 Pa·s-1（圖略）。

此次過程中低層自孟加拉灣一直到江蘇建立了一條水汽通道。08時水汽通量的輻合區主要位于江蘇西北部附近，16時蘇南開始出現水汽輻合中心，中心值均超80×10-5 kg-1·hPa-1·m-2·s-1，水汽在江蘇強烈匯合上升，為此次大范圍強對流天氣提供水汽條件（圖略）。

2 雷達參量分析

2019年7月6日早晨至傍晚前后（08—20時）江蘇自北向南出現大范圍伴有冰雹的強對流天氣，部分地區伴有短時強降水和雷暴大風。此次過程徐州和南京雙偏振雷達，宿遷、淮安、常州單偏振雷達全程監測，獲取了完整的觀測資料，本文重點分析雙偏振雷達產品在監測冰雹及雷達反演風場等強對流天氣中的應用。

08時位于山東菏澤附近的對流單體加強發展并向東移近江蘇徐州豐縣，單體中心強度超過60 dBZ，9時11分該單體開始影響豐縣，并持續了11個體掃，其中有8個體掃出現三體散射，回波中心強度最強超過65 dBZ，10時30分該單體逐漸減弱與其他對流單體合并影響徐州城區（圖略）。11—13時由安徽淮北東移進入江蘇宿遷境內的回波以帶狀對流為主，強回波中心與上午影響徐州地區的對流單體相比強度略有減弱，但仍維持在55～60 dBZ，強中心發展高度在12 km以上。13時后隨著地面輻合線東移南壓，在淮安洪澤境內回波再次加強，最強回波中心超過65 dBZ，先后在宿遷和淮安境內出現5 cm以上的冰雹（圖略）。之后回波一路東移過長江，19時在常州附近略有加強，單體的回波中心強度超過60 dBZ。21時強回波帶東移移出蘇州，開始影響上海，后半夜繼續東移入海，過程結束（圖略）。

2.1 雷達強度、徑向速度分析

雷達反射率因子強度圖上可以明顯地看出對流云團的水平和垂直特征。6日08時開始山東境內有超級單體以60 km·h-1的速度向東南方向移動（圖略），開始影響徐州豐縣，東移過程中回波強度迅速加強至65 dBZ，此時豐縣開始出現雷暴和短時強降水。回波范圍明顯擴大，發展高度向上延伸，強反射率因子核達70 dBZ，頂高超10 km。此時在3.3°以上仰角反射率因子圖上都可見明顯的三體散射（圖略），4.3°仰角的長釘長度達30 km，三體散射長釘是探測到冰雹的顯著特征之一;反射率因子高值區向上擴展，50 dBZ回波伸展到-20 ℃等溫線以上高度。反射率因子圖上，沿著如圖3a所示方向做垂直剖面，當天-20 ℃高度為7.3 km，通過垂直剖面圖可見50 dBZ已在10 km以上，遠超過了-20 ℃層高度。速度圖上，中層（3～6 km）存在明顯的徑向輻合、高層（10 km以上）存在風暴頂的輻散（圖3c1—c4）。

8時28分超級單體回波繼續向東南方向移動，影響沛縣，回波有加強的趨勢，最強反射率因子強度超過70 dBZ，0.5°～6.0°仰角都出現三體散射長釘，長釘最長達40 km，反射率因子垂直剖面上，強反射率因子中心抬高至10 km，50 dBZ回波擴展到12 km，徑向速度剖面圖上可見，底層明顯的輻合、中層氣旋式輻合和高層輻散（圖3c3）。

8時42分開始，三體散射長釘消失，中層徑向輻合明顯減弱，但此時最大反射率因子強度仍超過60 dBZ。強反射率因子一直維持到9時12分，之后逐漸減弱（圖3b1—b4）。

除了反射率因子的三維空間結構外，垂直累積液態水含量VIL值的大小也對判斷風暴強度以及冰雹出現具有一定的參考價值（圖略）。08時—08時42分，基于超級單體的垂直累積液態水含量都維持在60 kg·m-2。但是VIL隨時間的變化與最強反射率因子強度變化趨勢呈反比。

表1列出了出現三體散射的時刻和仰角高度。由表可見，三體散射多出現在風暴中層，也就是在2.4～6.0（°）仰角的雷達掃描更易探測到三體散射長釘。這是由于風暴距雷達只有60～80 km，高度在0.9～2.5 km之間，由于雷達盲區導致三體散射長釘無法探測。而對于更高仰角，反射率因子迅速降低，在對流單體的后邊緣，反射率因子遠小于顯示閾值，從而三體散射長釘無法顯示。同時，三體散射在08時—08時42分每個體掃都能見到，在08時30分—09時18分過程地面觀測到降雹，但是每個體掃都無法觀測到三體散射長釘，說明三體散射長釘的出現比地面降雹提前6～30 min。

2.2 雙偏振參量分析

參照陳超等（2018）方法，對徐州和南京的雙線偏振雷達資料進行質量控制。質控后根據地面降雹實況，結合單偏振多普勒雷達產品，同時開展雙偏振雷達參量的研究來分析冰雹云特征。

6日（8時30分—20時）徐州、連云港、宿遷、淮安、揚州及常州多地出現冰雹，從地面獲取的實況來看，冰雹尺寸較大（2～5 cm）。徐州、南京雙偏振雷達全程監測此次過程，與單偏振雷達相比，雙偏振雷達在粒子相態的識別上更有優勢，通過分析ZH、ZDR、KDP、CC等產品可判斷降水粒子的形狀、相態分布和尺寸等特征。

Heinselman and Ryzhkov（2006）、Picca and Ryzhkov（2010）開展了雙偏振雷達對冰雹的空間相態識別研究，因此，通過分析雙偏雷達ZDR、KDP、CC產品可對此次過程冰雹相態的變化做出判斷。08時之前0.5°仰角雷達反射率回波強度小于55 dBZ，對應ZDR小于2 dB，08時后隨著回波強度增強到55～60 dBZ，ZDR也增強到3～4 dB，8時11分ZDR增強到3～5 dB，并持續到8時42分，后減弱到2～3 dB，09：12再次增強到3～5 dB，之后ZDR減弱到2 dB。從低仰角ZDR的變化可以看出，過程期間低層強回波中心的ZDR均為正值，隨著回波強度的增強，ZDR也加強，對應相態可能是冰雹融化形成的大雨區或是冰雹外覆有外包水膜（劉黎平等，1996）。抬高仰角，08時17分在3.3°和4.3°仰角（約3.8～4.7 km高度）55～60 dBZ的強回波區ZDR為0～0.2 dB，對應為冰雹區，8時28分在6.0°仰角（約5.9 km高度）強回波中心（65 dBZ）對應ZDR為0～-1 dB（圖4），8時34分ZDR在0～-1 dB負值區降低到3.3°仰角（約3.4 km高度），在此高度以下ZDR為正值，說明冰雹在下落并逐漸融化（劉黎平等，1996），地面實況在08時30分左右出現冰雹，對應冰雹融化成外包水膜的小冰雹或大雨滴，在回波懸垂6～8 km的高度上ZDR為1～2 dB正值區，對應存在是大的過冷雨滴和濕雹。08時30分左右在豐縣獲取的實況顯示冰雹直徑小于2 cm。結合高低仰角ZDR的變化和探空資料分析，ZDR接近0 dB、回波強度大于55 dBZ的區域首先出現在0 ℃層（約4 470 m）附近，后向上向下擴展，最低高度降至2.4 km，該高度以下ZDR轉為正值，此現象說明由于濕球0 ℃高度比較高，融化層厚度厚，加上午后地面溫度超過25 ℃（圖4b—k），因此冰雹在下降過程中融化的可能性較大。

在冰雹云單體的發展階段，通過雙偏振參量特征，能發現ZDR柱、KDP柱和CC谷，這些特征的出現是由于強對流單體上升或下沉氣流及微物理結構相互作用導致。

在雷達低仰角出現CC值較小的區域（小于<0.85）被稱為CC谷，有時會也會發展到中層。圖4k中CC谷（0.7～0.85）位于超級單體前側鉤狀回波的鉤狀處。這是由于CC與不同相態物質的介電常數有關，因而這里的CC低值形成原因主要有兩種：近地層昆蟲、樹葉、雜物等碎片被卷入上升氣流中，這些碎片具有不規則形狀，會導致CC低值。另外也有學者認為，CC的減少還與強的上升氣流將雨滴帶入高層造成低層水成物的缺乏導致返回雷達的信噪比較低有關，即通常說的有界弱回波區，圖4e中的CC谷就是這種情況。可以作為衡量上升氣流強度的間接指標。在圖4g中的50 km處，能看到反射率因子強度超過55 dBZ的回波墻存在，同時對應著圖4h的切向速度剖面圖上能看到明顯的渦旋特征，由于環境風是由西北向東南朝向雷達方向，在40～50 km處有逆時針的氣旋存在，而在50～60 km處有順時針旋轉的反氣旋存在，在氣旋和反氣旋的相交處，正好是冰雹云區對應的強回波區。

ZDR柱、KDP柱特征主要出現在云體中層，表現為超過0度層高度的大值區（ZDR>3 dB或KDP>2 （°）·km-1）柱狀區。ZDR柱和KDP柱表征的微物理含義明顯不同。（圖4i）中的ZDR柱可向上延伸到6 km。由于ZDR大值區對應著大雨滴區，出現該現象表明此處有強的上升氣流將暖雨滴帶入過冷區且沒有立即凍結形成。因此，利用ZDR柱可以判斷冰雹云強上升氣流所在位置。但圖4j看，KDP柱的出現，表征了冰雹云中含有大量液態的水滴存在，說明該區域有大量融化的水包膜存在。

近地面的KDP印與ZH高值區重合（圖4i、j），ZH高值區可包含雨滴、融化的小冰雹和冰雹的區域。低層的KDP由于質控原因易出現缺值。因此可以綜合ZH大值區、ZDR小值或者負值區及KDP缺值來判斷云中大冰雹所在的區域位置。而KDP對應著是雨滴和融化的小冰雹;同時，又由于大冰雹不符合瑞利散射，KDP在大冰雹的分析上會產生“空洞”。

2.3 雙多普勒雷達風場反演

為了進一步分析冰雹云的動力與微物理演變過程，利用徐州雙偏振雷達和宿遷單偏振雷達進行雙多普勒天氣雷達風場反演，本文根據周海光和張沛源（2005）方法采用了笛卡爾坐標系下雙多普勒雷達三維風場技術，反演區域為宿遷雷達1.5度仰角反射率因子強度（圖5）中黑色方框區域（左下角118.109°E，34.628°N;右上角：118.490°E，34.991°N），反演區域水平分辨率為500 m，垂直分辨率為250 m。

為了更加清晰地展示對流發展的動力、微物理變化，將13時31分西南-東北方向的ZH與三維風場垂直剖面進行疊加（圖6a、b），ZDR、KDP和CC與三維風場進行疊加（圖略）。在橫坐標（-35 km，-40 km）之間，能發現冰雹云的明顯的回波墻存在，在冰雹云移動前側（由左向右移動）有反射率因子大值區存在，強度超過50 dBZ的強回波伸展高度超過6 km，回波墻高度約4 km，左側有明顯的反射率因子梯度大值區。同時風場在冰雹的下落通道上對應著下沉氣流，而左側有明顯的入流上升氣流，強上升氣流位于有界弱回波區側下方，最大上升速度可達25 m·s-1，ZDR柱則位于強上升氣流附近。在上升速度大值區的右側，上升氣流顯著減小，這是由于空中含有大量大雨滴、霰、濕雪等冰相粒子，上升氣流無法托住它們，使得這些粒子開始下落并拖曳空氣形成下沉氣流，有一些固態粒子在下落過程中融化并釋放潛熱，一部分固態降水粒子通過入流氣流再次進入到上升氣流中，讓對流發展更旺盛。另外，KDP代表液態水的濃度，也與直徑有關，KDP大，說明液態水含量多，粒子直徑大。KDP對固態不敏感，對雨夾雹有反應，但是，這里KDP達3.1（°）·km-1，表明該單體液態水含量多，另外由于水的介電常數大于冰，所以KDP較大。同時KDP大值區高度快速下降，預示著冰雹的下落和地面大風的出現。在2～6 km的冰雹增長區內，有明顯的CC小于0.95的小值區存在（圖略），這是由于在傾斜的上升氣流中，有碎屑等非降水粒子卷入氣流中導致。

3 結論和討論

針對2019年7月6日江蘇自北向南發生的一次大范圍伴有冰雹的強對流天氣過程，詳細分析了天氣背景、物理量場、單和雙偏振參量并結合雙雷達風場反演技術分析冰雹云的熱、動力結構特征及微物理機制，得出以下結論：

1）此次大范圍冰雹過程發生在高空橫槽南擺，配合冷渦南掉，使得槽線在6日上半夜前自北向南掃過江蘇，低層暖濕氣流北抬，上下層強烈不穩定的大尺度環流背景下，地面上低壓緩慢東移南壓，為6日大范圍冰雹過程提供了輻合抬升條件。江蘇大部地面至600 hPa為θse隨高度減小的位勢不穩定區和0～6 km深層垂直風切分別為大范圍強對流天氣的發生提供強熱、動力不穩定條件。此次過程江蘇大部上空整層存在明顯的上升運動。

2）此次冰雹過程在單偏振的雷達強度和速度上及垂直剖面圖上有經典的冰雹云特征，雙線偏振雷達各偏振參量反映出冰雹云的特征：在基本反射率大、ZDR小、CC小的區域出現冰雹，ZDR值通常為-1.5～0.3 dB，CC值普遍為小于0.85;冰雹超級單體在近地層還出現表征入流區的CC谷特征;此外，KDP代表液態水的濃度，也與冰雹直徑有關，KDP大，說明液態水含量多，粒子直徑大。KDP對固態不敏感，對雨夾雹有反應。本研究中KDP達3.1（°）·km-1，表明該單體液態水含量多，另外由于水的介電常數大于冰，所以KDP較大。同時KDP大值區高度快速下降，預示著冰雹的下落和地面大風的出現。在垂直方向上2～6 km處的冰雹增長區內，有明顯的CC小于0.95的小值區存在，這是由于在傾斜的上升氣流中，有碎屑等非降水粒子卷入氣流中導致。因此，雙偏振參量特征識別冰雹云的大小和具體位置具有很強的應用潛力。

3）另外，利用雙雷達風場反演技術對降雹時段研究發現，冰雹發展階段有明顯的上升氣流存在，在降雹時刻出現明顯的下沉氣流。通過雙多普勒雷達風場反演能更好的刻畫冰雹云的微物理空間結構，也有助于加深對風雹云三維結構的認識。

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Study of “7.6” hail event in Jiangsu based on Dual-Polarization weather radar observations

CAO Shuya，SUN Wei，WEI Fenfen，SHEN Peifeng，HE Yan

Suzhou Meteorology Bureau，Suzhou 215131，China

Based on the S-band dual polarization Doppler weather radar of Xuzhou and Nanjing，the single polarization radar of Suqian and Huaian，and the reanalysis data，the paper analyzes the circulation background，instability mechanismdynamic，uplift conditions，radar echo and the evolution characteristics of dual polarization radar parameters and the wind inversion technology of dual radar of a wide range hailstorm process accompanied by a thunderstorm and short-term excessive rainfall occurred in Jiangsu Xuzhou，Suqian，Huaian，Nanjing and Changzhou on July 6，2019.The results show that a wide range of strong convective weather occurredwhen the cold vortex falling on high level and horizontal trough swing south，the trough line swept across Jiangsu from north to south before midnight on the 6th，the lower layer warm and humid air flow moved northward，under the background of strong unstable circulation on upper and lower layers，and the low pressure slowly moved eastward and the South pressure provided the convergence and uplift conditions.Generally，the intensity of radar echo is over 50 dBZ and the echo top is always above 10 km in this procedure.Additionally，it appears that there are significant Three Body Scattering Spikes，cyclonic convergence and storm top divergence.A hail storm can be identified by its polarization parameters （such as the ZDR，CC，KDP）.Hail storm usually exist in the area with strong reflectivity、low value of ZDR，and CC.The typical value of ZDR is usually between -1.0 and 0.2 and the value of CC is less than 0.85.Additionally，ZDR and KDP columns help identify hail，thunderstorms，and short-term heavy rainfall.The characteristics of the two polarization parameters above can be used for the prediction of strong convection and hail recognition.As a result of study of the hail period using double radar wind inversion technology，a noticeable downdraft is found.In the three-dimensional flow field structure of the hailstorm supercell，the cyclonic air flow forms at the front of the storm，and then gradually inclines to the top of the storm to form the anticyclonic air flow，which forms the downdraft;in the weakening stage of the system，there is a strong downdraft，strong echo bottom and ground.Due to dual radars ability to retrieve fine structure of three-dimensional wind，it is possible to deepen the understanding of hailstorm cloud structure and improve the prediction and early warning capability of severe convective weather，such as hailstorms.

dual Doppler radar;hail;wind field retrieval;hydrometeor classification;radar parameters

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201116001

（責任編輯：袁東敏）