遼寧“21·11”特大暴雪的雙偏振雷達參量特征分析

金 巍， 胡志群， 曲姝霖， 于 涵， 李 黎

（1. 鞍山市氣象局，遼寧 鞍山 114004； 2. 中國氣象科學院 災害天氣國家重點實驗室，北京 100081； 3. 中國科學院空間天氣學國家重點實驗室，北京 100190； 4. 蘭州大學 大氣科學學院，甘肅 蘭州 730000；5. 遼陽市氣象局，遼寧 遼陽 111000； 6. 營口市氣象局，遼寧 營口 115000）

0 引言

對降雪過程大多為宏觀特征分析研究，隨著國內新一代天氣雷達的偏振升級改造，通過偏振量的分析和質量評估，讓人們能夠識別水凝物相態及譜分布，加深理解降水過程中微物理演變，提升降水的預報能力［1-4］。同過去多普勒雷達相比，雙偏振雷達含有差分反射率（ZDR）、差分傳播相移率（KDP）和相關系數（CC）產品，可以更加微觀地監測粒子的微物理特征［5-7］。

因此，近年來我國基于雙偏振雷達進行質量控制和對雨雪天氣的分析也有了一些微觀特征的研究成果。張哲等［8］在雙偏振多普勒天氣雷達的定量降水的應用中得出，水平極化反射率因子強度（ZH）、ZDR和KDP與降水粒子有關。江慧遠［9］在強對流特征及風場分析中，發現冰雹發展時段，可以觀測到偏振參量ZDR柱和KDP柱，ZDR柱與大滴粒子出現相一致，與粒子相態識別結果相符。雍佳［10］在暴雪垂直結構的云微物理特征研究中，發現在2 km 高度附近，暴雪過程具有暖性層云結構，存在一條ZDR強回波帶。荀愛萍等［11］統計分析雙偏振雷達的偏振參量資料得到，ZDR、KDP同粒子外形和相態有關。陶然亭［12］分析了中國東部地區不同速型降雪過程中的偏振參量特征。武靜雅等［13］利用Ka 和X 波段雙偏振雷達對北京一次降雪的分析得出，雪帶的垂直結構僅包括三層，分別是凝結增長層、叢集層和淞附層。曹俊武等［14-15］研究發現了雙偏振雷達ZDR識別降水粒子效果好于KDP和CC。在國內［12］和國外［16-17］研究中，均發現地面降雪量的增加與高空增大的KDP相一致。

鄭佳鋒等［18］、谷娟等［19］、林青云等［20］、徐舒揚等［21］先后對雙偏振天氣雷達對降雨或降雪水凝物識別進行了分析和研究。寇蕾蕾等［22］發展了多種基于雙偏振觀測量的定量降水估計方法，得出雙偏振雷達對降水估計的準確度比單偏振關系R（Z）有所提升。陶然亭［12］、吳楊等［23］研究得出，在溫度高空低、近地層高的降雪過程，ZH、ZDR、KDP閾值特征分別為30 dBZ、0～0.5 dB、0.1 （°）·km-1。

利用業務使用的雙偏振天氣雷達資料進行我國北方降雪研究相對較少，希望通過基于雙偏振雷達對遼寧罕見特大暴雪的偏振參量特征分析，進一步了解北方暴雪發生特點，為預報員進行極端災害性暴雪天氣分析提供個例參考。

1 暴雪過程簡介

1.1 資料說明

包括營口S 波段雙偏振雷達資料、常規氣象觀測資料和再分析資料。由于11 月中國東北地區對流高度較低，所以使用資料的最大高度取為10 km。文中所使用的時間均為世界時。已完成對營口雙偏振雷達反射率水平通道和垂直通道插值質控工作，營口雙偏振雷達運行不到一年，系統內監測表明系統運行穩定，系統誤差范圍小，數據質量可靠。

1.2 暴雪概況

2021 年11 月7—9 日，遼寧地區發生了罕見的特大暴雪、雨雪冰凍、寒潮、大風天氣，遼寧省近半數國家氣象觀測站降雪量、雪深均超過2007 年“3·4”暴雪過程，突破了1951 年有完整氣象記錄以來歷史極值（圖1）。其中，遼寧中部的鞍山市區為強降雪中心，7 日08：00 至9 日04：00 之間44 個小時鞍山市降雪量達到80.8 mm，雪深53 cm，遼陽縣7 日08：00 至8 日21：00 之間37 個小時降雪量達到69.2 mm，雪深48 cm，海城市7日08：00至8日18：00之間34個小時降雪量達到64.0 mm，雪深41 cm，鞍山市區、海城市、遼陽縣最大24 小時降雪量分別為68.5 mm、61.4 mm 和61.2 mm，降雪主要出現在7 日08：00 至8 日08：00，鞍山市區、海城市、遼陽縣最大小時降雪量分別為10.6 mm、9.1 mm和9.4 mm，主要出現在7 日19：00—20：00，這次降雪過程的特點是雪強大，時段集中，而且這次降雪持續時間較長，主要降雪主要出現在7日09：00—21：00，降雪高峰在7 日18：00—20：00，連續3 小時降雪量在鞍山市區、海城市和遼陽縣分別達到25.9 mm、23.6 mm和21.9 mm，觀測到的最大雪強達到10.6 mm·h-1，最大雪深強度為13 cm·h-1，出現在鞍山市區，本次遼寧省特大暴風雪過程也給當地造成非常大的雪災，遼寧中部的鞍山站降雪過程中，氣溫一直處于0 ℃以下（-5.8～-0.5 ℃），地面天氣現象一直是降雪，7 日21：00 之后雪強開始減弱，氣溫有所回升，7日22：00至9日03：00鞍山站地表0 cm溫度一直處于0 ℃，路面降雪有部分融化結冰，同時，遼寧東南部由于氣溫較遼寧其他地區偏高，存在雨雪轉化。

圖1 2021年11月7日08：00至9日04：00遼寧地區雨雪總量和雪深Fig. 1 Total amount of rain and snow and snow depth in Liaoning from 08：00 on November 7 to 04：00 on November 9， 2021：hourly snowfall at Anshan， Haicheng and Liaoyang County Stations （a）， hourly snow depth and snowfall at Anshan Station （b）， total amount of rain and snow in Liaoning （c）， and snow depth in Liaoning （d）

1.3 背景分析

在中高層天氣圖上（圖略），2021 年11 月7—9日遼寧地區罕見特大暴風雪天氣過程，受500 hPa高空槽及槽前西南暖濕氣流影響，低空850 hPa 低渦東移加強，海上副熱帶高壓北抬，副高后部東南急流從黃海向遼寧輸送充沛的水汽，遼寧地區地面受江淮氣旋北上影響，地面到超低空偏北急流加強過程中，冷空氣不斷由地面向高層擴展，為此次遼寧地區特大暴雪過程的暖濕空氣沿冷墊向上爬升，提供了較好的動力條件。此時的高低空和地面有利的天氣形勢是遼寧地區出現罕見特大暴風雪過程產生的基礎。

從大尺度的環流背景（圖2）看，這次特大暴風雪，由高空槽東移引導地面冷高壓東移南落，低空暖濕空氣增強，存在上下層結不穩定，導致遼寧暴風雪天氣過程。7日00：00，遼寧地區位于200 hPa北側急流軸入口區的右側，位于南側急流出口區左側，說明遼寧地區高層存在明顯的輻散；500 hPa高空槽位于內蒙古與蒙古國東部邊界，850 hPa切變線位于江淮流域至山東半島一線，850 hPa遼寧地區受西南暖濕氣流影響，以上是遼寧西部地區產生強降雪的水汽和動力條件。

圖2 2021年11月7日00：00（a， c， e）和12：00（b， d， f）高低空天氣圖Fig. 2 High and low weather map at 00：00 （a， c， e） and 12：00 （b， d， f） on November 7， 2021

7 日12：00，在200 hPa 上，東北地區和江淮區域仍各有一條急流，遼寧地區位于東北地區急流的入口區右側，江淮流域的急流出口區的左側，說明遼寧地區高層存在更強的輻散；500 hPa 西風槽東移，南北呈階梯槽，850 hPa南部暖濕切變線東伸北抬在遼寧中部到山東半島東部一線，遼寧東部有12 m·s-1的西南急流配合，850 hPa 遼寧地區氣溫在5 ℃左右，一直維持較明顯的暖平流；這樣的低層水汽輻合、高層輻散抽吸作用，為遼寧中、東部地區產生強降雪提供了水汽和動力條件。

在6 日12：00 地面圖上（圖3），地面氣旋在山東境內的西南部生成，此后，在山東境內沿著偏東方向移動；7日12：00，江淮氣旋入海加強，氣旋中心氣壓為1 012.5 hPa，位于山東半島東部沿海，氣旋中心氣壓為1 012.5 hPa，較6日12：00氣壓下降6.5 hPa，7日12：00遼寧地區處于江淮氣旋西北側，有地面冷空氣南下；第一股冷空氣在6 日12：00 其冷空氣前鋒已經到達遼寧西部，這股冷空氣從7 日白天開始自西北向東南影響遼寧，遼寧處于江淮氣旋的西北部，遼寧西半部有強盛的偏北風，與低空西南急流位置相對應，7 日白天開始遼寧西部產生明顯降雪；在7日12：00地面圖上，遼寧東南部氣溫為10 ℃，較西半部氣溫偏高15 ℃左右，東、西部溫度露點差為7～10 ℃，遼寧處于暖鋒西北側，第二股冷空氣在7日12：00 前后開始，遼寧境內不斷有冷空氣從北部補充南下，低空暖濕氣流沿著冷空氣前沿抬升，7 日18：00—21：00，遼寧東半部穩定處于暖鋒前部，同樣，說明此次遼寧高架對流發生時，地面冷墊對低空暖濕氣流具有一定抬升作用。8 日06：00 江淮氣旋北上，氣旋中心移動到吉林境內，遼寧對流性強降雪基本結束。

圖3 2021年11月6日12：00（a）、7日12：00（b）、7日18：00（c）和8日06：00（d）地面圖Fig. 3 Ground map at 12：00 on November 6 （a）， 12：00 on November 7 （b）， 18：00 on November 7 （c）and 06：00 on November 8 （d）， 2021

2 降雪過程中雙偏振雷達參量特征分析

2.1 徑向速度（VH）分析

2.1.1 垂直風廓線的水平風場結構演變與降雪的關系

利用2021 年11 月7 日06：59 至8 日04：01 營口雙偏振雷達的風廓線（VWP）的時間-高度剖面圖（圖4），可以發現：7 日06：59 之前，超低空（指1 km高度以下）大氣沒有明顯的偏北氣流，7 日06：59—11：58 在1.2 km 以上低空有一致的西南急流，并有20 m·s-1西南急流從2.4 km向下擴展到低空1.5 km高度，在0.3～0.9 km 高度上有4 m·s-1東北氣流向上擴展加強為8 m·s-1，之后偏北氣流攜帶著冷空氣由地面向上層繼續擴展，7 日20：03 之后地面至1.8 km 高度轉為12 m·s-1偏北急流，在2.1～4.9 km高度有24 m·s-1偏南急流，帶來了豐沛的水汽，隨后偏南急流中心不斷減弱，在7 日10：59—20：03，12 m·s-1偏北急流由低層向高層伸展加強，降雪強度也不斷加強，當低空風向由東北轉為西北，此次遼寧地區強降雪過程基本結束。

圖4 2021年11月7日07：00至8日04：00營口雷達風廓線隨時間演變Fig. 4 Evolution of Yingkou Radar wind profile from 07：00 on November 7 to 04：00 on November 8， 2021

說明此次遼寧特大暴雪過程低空偏南急流和高空西南急流相配合，形成比較深厚的水汽輸送帶，為此次大暴雪過程的發生提供充足的水汽條件；同時，地面到超低空偏北急流加強過程中，冷空氣不斷由地面向高層擴展，暖濕空氣沿冷墊向上爬升，提供了較好的動力抬升條件。

2.1.2 雷達徑向速度的PPI回波

分析2021 年11 月7 日18：00—20：00 營口雷達1.5°和2.4°仰角雙偏振雷達徑向速度（VH）的PPI 圖（圖5），可知：在強降雪時段，雷達低層呈反S 型，有冷平流，圖5（a～f）均觀測到偏北急流形成的牛眼結構，最大可達20 m·s-1，冷空氣南下起到冷墊作用，中高層垂直方向上順時針旋轉有暖平流，偏南急流可達27 m·s-1，提供充沛的水汽輸送，同時，中層存在強風向垂直切變使系統移動緩慢，促使強降雪得以維持較長時間，7 日20：00 遼寧中部鞍山站出現10.6 mm·h-1暴雪，小時雪深強度達到了13 cm。

圖5 2021年11月7日18：00—20：00營口雷達徑向速度VH的PPI回波Fig. 5 PPI echo of Yingkou Radar radial velocity VH at 18：00—20：00， November 7， 2021

2.2 降雪過程的雙偏振雷達特征

通過對營口雙偏振雷達參數進行分析，可以獲取降雪粒子的形狀、尺寸大小、相態分布、空間取向等雙偏振雷達特征。

2.2.1 水平反射率因子ZH

水平反射率因子ZH與雷達探測粒子的大小和濃度有關［24］。

水平偏振的雷達反射率因子ZH定義（滿足瑞利散射條件）如下。

式中：ZH在實際應用中常用dBZ 表示，取決于粒子自身滴譜分布情況；D為粒子（雨雪或冰晶）直徑；i為某一個直徑附近的粒子數；滴譜為粒子直徑的函數，用N（D）（個·m-3·mm-1）表示。

由2021 年11 月7—8 日鞍山站（相對雷達方位36.57°，距離65.498 km）上空的ZH（0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°仰角）和逐小時降水量曲線圖（圖6）分析，可知：在7日07：00至8日17：00主要降雪時段，0.5°、1.5°、2.4°仰角的ZH分別在20～40 dBZ、30～45 dBZ、15～35 dBZ 之間，強降雪與弱降雪對比，在2.4°仰角ZH差距最大；在7 日17：00—20：30 強降雪時段，ZH最大在35～40 dBZ，在3.4°、4.3°和6.0°高仰角中，ZH分別達到30～35 dBZ、20～28 dBZ、5～15 dBZ，與弱降雪活動相比，高仰角ZH增幅較大。以上說明，在此次強暴雪階段中，上升氣流更強，使得高空有明顯的冰晶增長且粒子濃度很大，高層反射率因子強度與小時降雪強度變化更為一致，體現出本次過程高架對流性質強降雪的特征。

由2021 年11 月7 日07：05—22：17 鞍山站上空ZH剖面圖（圖7）分析，可知：7 日07：00—21：00 上空對流活動最為旺盛，在強降雪回波區的ZH基本在30 dBZ 以上，并有40～45 dBZ 點綴中間，ZH質心高度基本處于1～3 km 高度；在最強降雪時段（7 日18：00—20：00），35 dBZ 的ZH伸展到5 km 高度以上，中間點綴著40～45 dBZ；說明ZH越強，粒子越大（ZH正比于D6），濃度越高［正比于N（D）］，強烈的上升氣流，以及偏南急流帶來的充沛水汽，使高低空中翻滾的雪或冰晶粒子直徑增大，有利于產生強降雪。

圖7 2021年11月7日07：05—22：17鞍山站ZH隨時間演變Fig. 7 Evolution of ZH at Anshan Station from 07：05 to 22：17 on November 7， 2021

2.2.2 差分反射率ZDR

差分反射率ZDR定義為

式中：ZDR為水平和垂直偏振波的回波強度差，表示一個探測空間體（距離庫）的平均粒子形狀值，與粒子大小密切相關。

由文獻［25-26］研究所得，ZDR的取值范圍一般為-1.5～6.0 dB。降水粒子在下落過程中受重力作用呈扁橢球；當ZH＞ZV，通常ZDR＞0，粒子呈扁橢球；當ZH＜ZV，通常ZDR＜0，表示粒子呈豎橢球，ZH=ZV，通常ZDR=0，表示粒子呈圓球體。

通常ZDR＞0，當ZDR≥3～6 dB，粒子下落過程中，大雨滴呈扁橢球；當ZDR值較小或接近于0，冰晶或雪花近似小球形；非球形冰晶緊密的雪花ZDR值會較大一些［26］。所以，ZDR對于識別降雨、降雪以及雨雪相態有較好的判斷。

分析2021 年11 月7—8 日鞍山站逐小時降水量和雙偏振雷達ZDR剖面圖（圖8），可知：在7 日00：00至8 日22：00，在3 km 高度以下，ZDR有明顯的正值，最大正值僅為0.1～0.3 dB，7 日08：00—21：00 強降雪區，ZDR取值在-0.3～0.3 dB 之間，ZDR最大正值伸展到8 km，ZDR數值集中在0.1～0.3 dB，處于ZH回波強度40 dBZ的范圍內。18：00—20：00強降雪階段，高層和低層ZDR值均接近于0，粒子接近圓球狀，說明空中小球形冰晶和部分雪花結構松散；同時，7 日00：00高空圖（圖略）顯示：遼寧中部距離地面4.5 km（約600 hPa）高空溫度已經降至-10 ℃，在低于-10 ℃（4～8 km）高度層上，粒子密度較小，原始的冰晶的聚并作用較強，散射等效作用近似于球形化，粒子有著不同的下落速度，在重力和動力作用下，在下降過程中進行著凝結、碰撞、粘連、聚合等過程，不斷生長形成組織疏松的聚并雪，以冰晶和雪花的形式降落，近地面溫度小于0 ℃，粒子在下落過程中不足以融化，進而使得地面降雪率增加。Wang等［27］研究得出融化層上方的冰相微物理過程對降水的觸發和增強起著重要作用，與本文研究結果較為一致。

圖8 2021年11月7—8日鞍山站ZDR隨時間演變Fig. 8 Evolution of ZDR at Anshan Station from November 7 to 8， 2021

Liu 等［28］研究表明雙極化多普勒雷達水平和垂直兩個接收器的失配會產生明顯的ZDR偏差，2021年11 月7 日15：00—22：00 營口雙偏振雷達機內系統標定和ZDR監測，顯示ZDR的平均值為0.32 dB，波動范圍在0.04 dB 范圍內，系統內監測表明系統運行穩定，系統誤差范圍小，數據質量可靠。

雍佳等［10，29］、陶然亭［12］、吳楊等［23］研究結果與此次遼寧鞍山站特大暴雪過程研究結論比較一致，強降雪發生均存在反射率因子強度偏強（30～35 dBZ），ZDR正值偏小，均在（0～0.5 dB）；而強降雨發生階段具有反射率因子強度偏強（一般為40～55 dBZ），ZDR正值偏大（一般為3～6 dB）特征。在本次鞍山站暴雪過程中，整層ZDR取值在-0.3～0.3 dB 之間，符合降雪發生的粒子特征。

2.2.3 差分傳播相移率KDP

一般來說，KDP不受雷達系統標定誤差的影響，KDP主要依賴于降水濃度及相態［30］。由圖9 分析所得：2021 年11 月7—8 日鞍山站主降雪時段（7 日08：00—21：00），在1～8 km 高度，KDP為0～0.3 （°）·km-1，在低空2 km 高度有0.6 （°）·km-1點綴其中；在強降雪時段（7 日17：00—20：00），在1～8 km 高度，KDP為0～0.6 （°）·km-1，在7 km 高度，KDP為0.3 （°）·km-1，KDP出現懸垂；以上說明，在主降雪時段，KDP為0～0.6 （°）·km-1，在7 km 高度，KDP為0.3 （°）·km-1，說明高空冰晶和雪粒子有較高的數濃度，同時，強降雪階段出現了KDP柱和KDP懸垂。

圖9 2021年11月7日00：04至8日22：21鞍山站KDP隨時間演變Fig. 9 Evolution of KDP at Anshan Station from 00：04 on November 7 to 22：21 on November 8， 2021

這次降雪的研究結果與王清川等［31］、賀曉露等［32］和楊祖祥等［33］所分析的結果較為一致，較高的粒子數濃度對應著較大的KDP值，KDP柱和KDP懸垂的出現預示著強降雪即將發生。Gou等［34］研究結果得出，基于KDP的雷達降水強度估計效果最好，說明KDP其位置與雪強中心均存在較好的對應關系。

2.2.4 相關系數CC

相關系數主要反映探測范圍內水凝物是否有一致性相態。由2021 年11 月7 日07：05—22：17 鞍山站上空偏振雷達CC剖面圖（圖10）分析，可知：7 日08：00—21：00 鞍山站上空1～8 km 高度最大CC為0.95～1.0，中層CC有0.7～0.8 點綴其中，在最強降雪時段（7日17：00—20：00），鞍山整層上空CC接近于1.0，僅有少量CC為0.9點綴其中。CC主要與粒子的相態一致性有關，聚合度低的雪或干雪CC值較大，整個過程CC最大值都大于0.98，說明相態一致性較好，主要由干雪組成。

圖10 2021年11月7日00：04至8日22：21鞍山站CC隨時間演變Fig. 10 Evolution of CC at Anshan Station from 00：04 on November 7 to 22：21 on November 8， 2021

而7日12：00鞍山站低空1～3 km高度ZH較小（20～30 dBZ）為層狀云，對應于ZDR較大值（0.1～0.3 dB），相關系數CC接近或略低于0.9，大連探空站（距離鞍山較近）850～925 hPa 高空溫度分別在3.8～4.4 ℃，超低空950 hPa 附近溫度低于-2 ℃，2 km 高度以下層狀云與融化層（高度1.8 km，溫度0 ℃附近）高度相近，雪花在空中下降過程中，在融化層高度降水粒子為雨雪混合相態，故部分區域相關系數CC較低。

2.2.5 不同小時降雪量級的雙偏振雷達參數特征

選用遼寧中部強降雪中心的3 個代表站點［包括鞍山站（相對雷達方位36.57°，距離65.498 km）、海城站（相對雷達方位40.46°，距離29.948 km）、遼陽縣站（相對雷達方位36.47°，距離78.383 km）國家氣象觀測站］的逐小時降雪量，小時降雪量級（小數點后保留1 位）分為≤0.1 mm、0.2～1.0 mm、1.1～2.0 mm、2.1～4.0 mm、4.1～6.0 mm、6.1～8.0 mm、8.1～10.0 mm 和10.1～12.0 mm，共8個量級，采用6分鐘一次的雙偏振雷達掃描一次獲取的偏量（ZH、、ZDR、KDR和CC），分別對各站的小時降雪量進行分級統計，探討分析此次遼寧中部降雪過程中不同站點小時降雪量與上空的雙偏振雷達參量特征。選擇遼寧中部降雪最大的三個站點（鞍山站、遼陽縣站、海城站）；從營口雙偏振雷達6 分鐘1 次的0.5°～19.9°仰角的雷達體掃中提取雷達探測數據（ZH、ZDR、KDP、CC），統計每個體掃，每個站點各個時刻最大值為從0.5°～19.9°仰角中選取最大值，平均值為從0.5°～19.9°仰角中所有數據的平均值。設定的最大值為每個小時三個站點的最大值的平均，設定的平均值為每個小時三個站點平均值的平均。

由2021年11月7日00：00至8日23：00遼寧中部不同降雪量級的雙偏振雷達參數特征（圖11）可知：

圖11 2021年11月7日00：00至8日23：00遼寧中部（鞍山、海城及遼陽縣）不同降雪量級的雙偏振雷達參數特征Fig. 11 Parametric characteristics of dual polarization radar with different snowfall levels in central Liaoning（Anshan， Haicheng and Liaoyang County） from 00：00 on November 7 to 23：00 on November 8， 2021

在≤0.1 mm 小時降雪量級時，ZH最大值和平均值分別為11.4 dBZ 和6.2 dBZ；在0.2～1.0 mm 小時降雪量級時，ZH最大值和平均值分別為17.4 dBZ和10.6 dBZ；在1.1～2.0 mm 小時降雪量級時，ZH最大值和平均值分別為22.7 dBZ和13.9 dBZ；在2.1～4.0 mm、4.1～6.0 mm、6.1～8.0 mm、8.1～10.0 mm和10.1～12.0 mm 小時降雪量級時，ZH最大值和平均值分別為31～35 dBZ 和21～26 dBZ。由此可知，在＞2 mm 的小時降雪量級，ZH最大值為35 dBZ，在＞8 mm 的小時降雪量級中，ZH平均值為25～26 dBZ，較2.1～8.0 mm 小時降雪量級的ZH平均值大4 dBZ左右，說明ZH越強，粒子越大和濃度越高，強烈的上升氣流使高低空中翻滾的雪或冰晶粒子直徑增大，有利于產生強降雪。

在≤0.1 mm、0.2～1.0 mm 小時降雪量級的ZDR最大值和平均值分別在0.9～1.1 dB和-0.3～-0.2 dB之間，在1.1～2.0 mm 小時降雪量級的ZDR最大值和平均值分別為0.4 dB 和-0.5 dB，在2.1～4.0 mm、4.1～6.0 mm、6.1～8.0 mm、8.1～10.0 mm 和10.1～12.0 mm 小時降雪量的ZDR最大值和平均值分別在0.3～0.8 dB 和-0.3～-0.1 dB 之間。由此可知，在＞2.0 mm 小時強降雪估測中，ZDR最大值和平均值分別為0.3～0.8 dB 和-0.3～-0.1 dB，在ZDR最大值對小時降雪估測中，≤2.0 mm 和＞2.0 mm 小時降雪量的ZDR最大值范圍分別為0.7～1.1 dB和0.3～0.8 dB，強降雪的ZDR反而小于弱降雪，說明強降雪粒子下落過程中，呈豎橢球體或圓球體冰晶和雪花更多。

在≤2.0 mm 小時降雪量級中，KDP最大值和平均值分別接近0.1 （°）·km-1和0 （°）·km-1，在2.0～12.0 mm 小時降雪量級中，KDP最大值和平均值分別在0.2～0.4 （°）·km-1和0.1～0.2 （°）·km-1之間。由此可知，在≤2.0 mm 小時降雪量級中，KDP平均值接近于0，在＞2.0 mm 小時強降雪估測中，KDP最大值和平均值隨著降雪強度增強而增大，說明強降雪發生時，空中雪花濃度增高，小時降雪強度更大。

整個降雪過程（＞2.0 mm 小時降雪級），CC最大值和平均值均大于0.98，說明基本上由相同相態的干雪粒子組成。

綜上所述，遼寧此次罕見的強降雪過程中，降雪粒子雙偏振雷達參數特征為：在＞2.0 mm 小時強降雪估測中，ZH最大值和平均值分別為33～35 dBZ和21～26 dBZ，ZDR最大值和平均值分別為0.3～0.8 dB和-0.3～-0.1 dB，KDP最大值和平均值分別為0.2～0.4 （°）·km-1和0.1～0.2 （°）·km-1，CC最大值和平均值均大于0.98。

2.2.6 典型剖面圖分析

選用代表不同降雪量級的三個時刻（分別為8日04：42、7日09：32和7日19：10）雷達體掃資料，分析營口雷達中心到鞍山站（暴雪中心）兩點連線剖面上的雷達偏參數（ZH、ZDR、KDP和CC）特征，由圖12矩形黑框區分析可知：

圖12 2021年11月8日04：42、7日09：32和7日19：10營口雷達中心到鞍山站兩點連線上的雷達偏參數ZH（單位：dBZ）、ZDR（單位：dB）、KDP［單位：（°）·km-1］和CC的剖面圖Fig. 12 Profile of radar bias parameters ZH （unit： dBZ）， ZDR （unit： dB）， KDP ［unit： （°）·km-1］ and CC on the two-point connecting line from Yingkou Radar Center to Anshan Station at 04：42 on November 8， 09：32 on November 7 and 19：10 on November 7， 2021

8日05：00鞍山站過去1小時降雪量為0.6 mm，圖12（a～d）（8 日04：42）的偏參數特征：ZH為15～25 dBZ，ZDR為0.8～2 dB，KDP為-0.1～0.1 （°）·km-1，CC為0.7～0.9。

7日10：00鞍山站過去1小時降雪量為5.1 mm，圖12（e～h）（7 日09：32）的偏參數特征：ZH為20～45 dBZ，ZDR為局部-0.5～0.8 dB，KDP為0.1～0.3（°）·km-1，CC為0.7～1.0。

7日20：00鞍山站過去1小時降雪量為10.6 mm，圖12（i～l）（7 日19：10）的偏參數特征：ZH為30～40 dBZ，ZDR為-0.5～0 dB，KDP為0.2～0.5 （°）·km-1，CC為0.95～1.0。

從以上剖面圖中可以看出，在降雪強階段中，具有更大的ZH、KDP值和更小ZDR正值（甚至負值），說明強的上升氣流與充沛水汽條件帶來較大直徑與較高濃度的雪粒子，降雪粒子主要以球狀或豎橢圓狀的冰晶或者雪粒子為主。而降雪弱的時段，ZH、KDP值較小，說明較小的雪花直徑與較低的數濃度，但是8 日05：00ZDR表現為更大的正值，回波強度ZH越小，反而ZDR越大，CC小于0.9，說明雪花在下落過程中，降雪粒子以球狀或扁橢圓球狀為主，低層融化層存在雨雪粒子混合現象。

2.2.7 雨雪轉換分析

張琳娜等［35］對北京冬季雨轉雪溫度統計得出，850 hPa、925 hPa 和1 000 hPa 溫度分界點分別為-4 ℃、-2 ℃和0 ℃，地面溫度＜1 ℃。此次過程降水相態分析，選取位于遼寧南部的莊河站、岫巖站和大連站作為代表站（遼寧南部地區降水相態存在雨雪轉換），從3 個代表站各層溫度變化分析得出：在“21·11”過程中，7日12：00代表站（遼寧南部大連探空站）高空850 hPa 和925 hPa 溫度分別為3.8 ℃和4.4 ℃，超低空959 hPa溫度較低，為-2.6 ℃，冷空氣首先從超低空切入，莊河站地面溫度較高（6.0 ℃），降水相態為雨，岫巖站地面溫度為0.1 ℃，降水相態為雨夾雪，大連站地面溫度為0.4 ℃，降水相態為雪，隨著低層冷空氣進一步南下，8 日00：00 大連站探空850 hPa 和925 hPa 溫度分別降至-10 ℃和-5.9 ℃，莊河、岫巖和大連站地面溫度分別為-3、-5和-0.4 ℃，這三個站點降水觀測相態均為雪；“21·11”過程中降水相態轉化時的溫度基本與文獻中標準比較一致。分析此次過程成因，7日12：00超低空950～1 000 hPa 溫度低于-2 ℃時，超低空接近雨轉雪的溫度指標，地面溫度在0～1 ℃之間，降水相態存在雨、雪或雨夾雪三種天氣現象，因此僅依據特定層次溫度指標難以判斷是否會發生雨雪相態轉換。

遼寧位于中國的東北部地區，冬季寒冷，常有暴雪天氣發生，且夜間氣溫下降常出現雨雪轉換，更是加大了監測難度。如果利用雙偏振雷達產品識別出融化層高度和降水粒子相態，對預報員利用雷達定量估測降水相態有較大的幫助。為此，利用營口雙偏振雷達觀測產品和探空資料可以分析判斷融化層高度。

圖13（a）為營口雷達2.4°仰角基本反射率因子圖，顯示岫巖站（B點）回波強度≤25 dBZ，強度較弱，為弱降水回波，無法判斷出融化層。沿圖13（a）中ABC 線位置作垂直剖面圖，圖13（c）是ZH剖面圖，1.4～2.7 km 高度（圖上矩形黑色框格內）基本反射率因子較大，圖中黃色區域為一條35～40 dBZ 的回波水平亮帶，反映出融化層亮帶特性，回波頂高度在5 km附近。圖13（d）、（e）分別顯示ZDR和CC的剖面圖，1.4～2.7 km 高度附近ZDR圖上有一條高值帶（圖中黑色線標出區域），CC圖上有一條低值帶（圖中黑色線標出區域），為0.85～0.95。圖13（b）顯示了ZDR的PPI圖，距離雷達中心有一個環狀亮帶（圖中藍色圓環圍住區域），ZDR比周邊區域大，內外環分別距離地面1.4～2.7 km高度。綜合分析，1.4～2.7 km高度與之上下層相比，反射率因子偏高（35～40 dBZ），CC較小，ZDR較大，判斷此處為融化層高度。

圖13 2021年11月7日10：36營口雙偏振雷達ZH和ZDR的PPI圖（a， b）及ZH、ZDR、CC的剖面圖（c～e）Fig. 13 PPI diagram of Yingkou Radar ZH and ZDR （a， b） and profile of ZH， ZDR and CC （c～e） at 10：36 on November 7， 202

分析雙偏振雷達融化層（ML）產品、粒子分類（HCL）產品和探空實況資料發現（圖14）：7日12：04融化層高度較高，位于高空1.8 km附近，實際0 ℃層高度位于ML 產品的兩條實線之間（1.4～2.7 km），且與內層實線接近，HCL 顯示判斷岫巖和莊河低空降水粒子為干雪、濕雪、冰晶混合，營口站近地層降水粒子為小雨，營口站觀測實況降水相態為雪，岫巖站為雨夾雪，莊河站為小雨；7日23：57，融化層高度較低，位于低空0.12 km 附近時，實際0 ℃層高度接近融化層內實線，內實線接近雷達中心，HCL 判斷岫巖站和莊河站低空降水粒子為干雪，判斷營口近地層降水粒子為小雨和濕雪混合，觀測實況顯示營口、岫巖和莊河降水相態均為純雪。由于營口雷達附近存在雜波，造成融化層高度及降水粒子特征偏差，雙偏振雷達HCL 產品對站點降水粒子估測表述的是某一高度的粒子相態，與地面降水相態存在一定差距。以上說明，雙偏振雷達的ML 產品和HCL 產品對冬季降水粒子的探測和降水相態的判定有一定的參考價值，但是由于雷達站點附近存在一定雜波會帶來一定偏差。

圖14 2021年11月7日12：04（a）和23：57（b）營口雷達ML和HCL產品的PPI圖Fig. 14 PPI diagram of Yingkou Radar ML and HCL products at 12：04 （a） and 23：57 （b） on November 7， 2021

以上說明，ZDR回波可提高降雪粒子的辨識度，ML產品和HCL產品對粒子相態判定有一定的參考價值。本文研究結果與一些文獻研究結果較為一致，如魏瑋等［36］在雷達偏振參量和零度層亮帶的時空演變分析中，發現雙偏振雷達數據應用在冬季降雪預報中具有較好的優勢，楊祖祥等［37］采用雙偏振雷達和探空資料判斷降水粒子相態，效果較好。

3 結論

利用常規氣象觀測資料和雙偏振雷達資料分析了2021 年11月7—9日遼寧地區罕見特大暴雪的雙偏振雷達參量特征和天氣過程成因。通過偏振參量的時空演變分析，揭示了降雪過程粒子譜分布變化，從而理解掌握降雪強度的演變規律，對降雪預報有較好的指示作用。得到的主要結論如下：

（1）分析垂直風廓線和水平風場結構演變與強降雪的關系，發現在遼寧中部強降雪時段，雷達低層呈反S型，有冷平流，觀測到偏北急流形成的牛眼結構，最大風速可達20 m·s-1，冷空氣南下起到冷墊作用，中高層垂直方向上順時針旋轉有暖平流，偏南急流可達27 m·s-1，提供了充沛的水汽輸送，同時，中層存在強風向垂直切變使系統移動緩慢，強降雪得以維持較長時間，同時，西南急流最大伸展高度可達8 km，說明本次高架對流降雪過程對流旺盛，空氣中水汽條件深厚。

（2）在強降雪時段（7 日17：00—20：00，世界時）15 dBZ 以上回波伸展到8 km 附近，35 dBZ 水平反射率因子ZH強度伸展到5 km 以上，而且低層3 km高度以下點綴著40 dBZ 以上的強反射率因子，說明本次高架對流降雪過程對流旺盛，空氣中水汽條件深厚，容易形成較大直徑與較高數濃度的雪花，產生強降雪。

（3）在強降雪時段，差分反射率ZDR正值僅為0.1～0.3 dB，說明邊界層高架對流促使暖濕氣流上升速度增強，雪花截面積大，在下落過程中，更容易受上升氣流影響，沒有明顯的一致指向，甚至截面為垂直指向，降雪粒子呈豎橢球狀，因此，強雪越強，反而ZDR越小，甚至變為負值。在相態特征識別上，ZDR增強了降雪粒子的辨識度。

（4）在最強降雪時段，7 km 高度的空中差分傳播相移率（KDP）出現較大正值［≥0.3 （°）·km-1］，說明高空冰晶和雪粒子有較高的數濃度，可以用來預測降雪強度躍增。在垂直上升氣流較強時，空中冰晶和雪粒子濃度增大，KDP越大，降雪強度越強，KDP柱特別是KDP懸垂的出現預示著強降雪即將發生。

（5）CC主要與粒子的相態一致性有關，聚合度低的雪或干雪CC值較大，整個過程CC均大于0.98，說明相態一致性好，都是由干雪組成。

（6）遼寧中部的強降雪粒子的雙偏振雷達參數特征為：在＞2 mm 小時強降雪估測中，ZH最大值和平均值分別為33～35 dBZ 和21～26 dBZ，ZDR平均值和最大值分別為-0.3～-0.2 dB 和0.3～0.8 dB，進一步說明強降雪過程中，上升氣流強，雪花以截面更垂直的方式下落（呈豎橢球體），導致ZDR表現為負值，當降雪弱的時段，ZDR表現為正值，回波越弱，反而ZDR越大，因為低層融化層存在雨雪混合，所以粒子以扁橢球體方式下落為主。KDP最大值和平均值分別在0.2～0.4 （°）·km-1和0.1～0.2 （°）·km-1之間，說明強降雪時段雪花濃度更高；CC均大于0.98，說明雖然整個降雪過程雪花粒子的一致性較好，基本上都為干雪。

（7）在降水粒子相態判定中，ML產品和HCL產品有較好的參考價值。

本文的研究局限性在于，遼寧營口雙偏振雷達使用時間較短，典型個例較少，本文只是針對一次遼寧特大暴雪雙偏振雷達的參數特征分析，研究的結論可能還有一定局限性，需要更多的個例加以驗證。