鄭州“7·20”極端暴雨的雙偏振雷達回波與風場特征分析

李建陽, 平凡

(1.南京信息工程大學遙感與測繪學院, 南京 210044; 2.中國科學院大氣物理研究所云降水與強風暴重點實驗室, 北京 100029)

暴雨可為長期連續降水積累,亦可由短時強降水引起,通常伴隨著極端性短時強降水天氣出現,2021年7月, 河南省發生了一次極端強降水過程,持續降水時間長,在7月20日,鄭州市的小時降水量突破歷史極值,造成嚴重洪澇災害,給人民生命和財產造成極大損失。文獻[1-2]針對這次暴雨過程進行了降水研究、環流及物理量特征的分析, 近年來,隨著多普勒雷達向雙線偏振雷達的更新換代,不僅提供反射率因子Z、徑向速度V和速度譜寬SW,還提供差分反射率Zdr、差分傳播相移Φdp、差分相位常數Kdp和相關系數ρhv。這些變量可應用于雷暴中水凝物粒子相態,濃度、尺寸及形狀等參數分析研究,以及對潛在微物理過程的進一步分析。

應用雙偏振參量,國外Kumjian等[3]、Snyder等[4]針對超級單體研究了Zdr弧、Zdr柱、Kdp柱等特征與其內部的動力結構。國內同樣對雙偏振天氣雷達展開了廣泛的應用與研究,例如雷暴單體的生長過程、強對流降水粒子分布、龍卷的動熱力特征、雙偏振雷達數值模式的應用、強降水定量評估等[5-11]。潘佳文等[12]利用雙偏振雷達數據對一次超級單體分析表明,Zdr柱位于主上升氣流附近。林文等[13]對不同強對流系統的雙偏振雷達觀測分析認為,低ρhv、低Zdr、高Z區域表征大冰雹的存在。

對流風暴中的動力結構如中小尺度風切變、氣旋式輻合,常常導致強降水回波在某地維持和發展。已有研究表明,產生強降水的雷達徑向速度場50%以上是輻合型流場[14],低切變、具有組織性的中氣旋,使得風暴的持續時間顯著延長[15],連續3個體掃上出現中氣旋,相應出現強對流天氣[16]。通過Z與V進行雷達風場反演技術,獲取高分辨率的風場數據,從而更加直觀地了解對流系統內部的精細化氣流結構及其生消演變過程。

現使用鄭州雙偏振雷達,分析此次強降水過程的雙偏振參量特征,并結合雷達風場反演技術分析強降水對流系統的粒子相態分布與動力結構,特別是對其與偏振參量特征的對應關系,以期為利用雙偏振雷達進行災害性暴雨的監測與預警提供一定的參考依據。

1 個例簡介與天氣形勢分析

1.1 個例簡介

2021年7月17—21日(協調世界時,下同),河南省發生了歷史罕見的極端強降水過程。其中,在7月17—19日期間,強降水主要發生在焦作、新鄉、鶴壁、安陽等豫北沿山一帶,隨后強降水中心逐漸南移,向河南中部附近集中。7月19—20日強降水主要位于鄭州市市區西南部,最大降水量為379.2 mm,20日強降水位于鄭州市中部并不斷增強且長時間滯留[17],在7月20—21日,累計降水量分布如圖1(a)所示,鄭州市全市累計降水量達到624.1 mm,超過了2019年全年降水量509.5 mm。在7月20日08:00—09:00,鄭州國家氣象站單站小時降水量達到201.9 mm,如圖1(b)所示,突破了中國大陸地區歷史極值,7月21日之后降水中心再次北移并在22日逐漸消散。此次降水過程的極端性體現在其持續時間長、范圍大、累計雨量與小時雨強大,對河南多地造成極為嚴重的洪澇災害,使得全省150個縣(市、區)1 664個鄉鎮約1 478.6萬人受災,農作物受災面積1 021.4 khm2,直接經濟損失約1 200.6億元,給河南省尤其是鄭州市造成了重大的人員傷亡以及財產損失。

圖1 7月20—21日觀測的24 h累計降水量與1 h累計降水量Fig.1 24 h cumulative precipitation and 1 h cumulative precipitation observed from July 20 to 21

1.2 天氣形勢分析

從200 hPa等壓面圖[圖2(a)]上來看,中國呈現出“兩槽一脊”的環流形勢,東側槽位于中國東部沿海一帶,槽中低渦中心處在33°N附近,西側槽處于中國西部地區,槽線呈東北—西南走向,高壓脊頂由河南延伸至渤海,鄭州地區位于高空急流區的南側,氣流輻散非常顯著。500 hPa的等壓面圖[圖2(b)]上,西太平洋副熱帶高壓588脊線異常偏北,達到約40°N的位置,維持在日本海上空,這可能是與南部臺風“煙花”的相互作用導致[18],在此背景下,氣流匯聚于河南地區,風速達到最大,其中鄭州站附近東南風速達到14 m/s,有利于鄭州地區氣流的輻合抬升。在850 hPa圖[圖2(c)]上,副高和臺風“煙花”之間建立了穩定的水汽輸送帶,將充沛的水汽輸送至河南地區,與來自臺風“查帕卡”的暖濕氣流匯聚在河南地區,在鄭州站附近,水汽相較周邊達到最大,周邊8 m/s的西南氣流與東南氣流在鄭州站轉為14 m/s的東風,為此次強降水過程提供充足的水汽條件。一方面河南地區處于東南氣流與西南氣流的輻合區,又得益于河南地區處于復雜的地形條件下,西側的伏牛山以及北側的太行山使匯聚的氣流受地形抬升影響,均提供了良好的對流觸發條件。

(a)200 hPa位勢高度(藍色等值線,單位:10 gpm),溫度(紅色等值線,單位: ℃),風場(風羽:長劃線代表4 m/s),高空急流(填色,m/s);(b)500 hPa位勢高度(藍色等值線,單位:10 gpm),溫度(紅色等值線,單位: ℃),風場(風羽:長劃線代表4 m/s);(c) 850 hPa位勢高度(藍色等值線,單位:10 gpm),溫度(紅色等值線,單位: ℃),風場(風羽:長劃線代表4 m/s),(填色,相對濕度);(d) 鄭州站2021年7月19日0800UTC上Skew T-lgP圖,黑色為溫度曲線,藍色為露點曲線,廓線(風羽:長劃線代表4 m/s);gpm為位勢高度的單位,換算公式為H=Gh(g/9.8),其中H為位勢高度,g為所在緯度的重力加速度,Gh為幾何高度

此外,由SkewT-lgP圖[圖2(d)]看出,19日,大氣處于上干下濕的狀態,對流不穩定能量(CAPE)為804 J/kg。抬升凝結氣壓(Plcl)為973 hPa,非常接近地面,也即云底較低,蒸發較小,氣塊幾乎不需要環境動力抬升就能凝結降水,整層上來看垂直風切變較大,850 hPa上為10 m/s的東風,500 hPa上風向轉為8 m/s的南風,在200 hPa上轉為10 m/s的西風。20日8:00垂直風切變繼續增大,在上述三層分別達到16、14、14 m/s,較大的垂直風切變為此時極強短時強降水提供了維持的作用,Plcl更接近地面,達到985 hPa,溫度與露點溫度在約450 hPa下接近重合,大氣基本飽和,CAPE值進一步釋放降為347 J/kg。可見在強降水發生前期,19日8:00時,位于鄭州上空的水汽充足,CAPE值也較高,不斷加強的垂直風切變也為此次強降水的發展與形成提供了觸發和維持條件,十分利于對流的發生。

2 資料方法

使用的雷達資料為鄭州站S波段雙偏振多普勒天氣雷達,雷達的徑向分辨率為250 m,體積掃描模式為VCP21,即包含9個仰角的觀測,分別為0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°和19.5°,完成一次體掃時間為6 min,其中低層仰角下(6.0°及以下)最大不模糊速度為27.83 m/s,高層仰角(9.9°及以上)最大不模糊速度為32.41 m/s。除雷達資料外,還使用了歐洲中期天氣預報中心第五代大氣再分析資料(ERA5),時間間隔為1 h,水平分辨率為0.25°× 0.25°。

使用的雷達特征參量主要有水平反射率因子Z、徑向速度V、差分反射率Zdr、相關系數ρhv以及差分傳播相位常數Kdp。對雙偏振多普勒雷達數據先進行數據預處理,首先是對多普勒速度進行速度退模糊的處理,利用國外開源代碼庫PyART[19]的基于區域的徑向速度退模糊算法[20]。其次是在徑向上對Z、Zdr、ρhv以及差分傳播相移Φdp進行五點平滑去噪處理,剔除數據中的異常突變值,再利用Ryzhkov等[21]的衰減訂正算法計算修正的Z與Zdr值。最后根據Schneebeli等[22]利用卡爾曼濾波的算法計算出差分傳播相位常數Kdp。

三維風場的反演方法使用了Shapiro等[23]提出的三維變分反演方法,利用Cressman插值法將極坐標下雷達數據插值為笛卡爾坐標系下的網格數據,網格為以雷達為中心,水平分辨率500 m,范圍為75 km×75 km,垂直分辨率為250 m,雷達以上12 km高度范圍,將徑向速度值分解為u、v、w3個方向,通過構建代價函數J(u,v,w)如式(1)所示。

“指導教師是查處學位論文買賣、代寫行為的第一責任人，要加強對學生學術道德、學術規范的教育，加強對學位論文研究及撰寫過程的指導，并對學位是否由其獨立完成進行審查，確保原創性”〔6〕。

J(u,v,w)=JO+JM+JS+JV+JB

(1)

式(1)中:JO為觀測值約束項;JM為質量守恒約束項;JS為平滑約束項;JV為垂直渦度方程約束項;JB為背景場約束項,背景場數據主要利用ERA5數據通過最鄰近插值法與反演網格匹配。

3 雷達數據特征分析

3.1 反射率因子與徑向速度特征分析

在此次極端強降水發生過程中,其中以7月20日08:00—09:00最為強盛,強降水中心發生在鄭州市區,距離雷達較近,通過圖3組合反射率來看,在07:00—08:00[圖3(a)],鄭州市大部分地區回波強度超過40 dBZ,中西部區域強度超過50 dBZ,其中在距離雷達西側10～15 km處,長約70 km,呈現貫穿鄭州中部南北走向的類似帶狀強回波中心達到55～60 dBZ,局部甚至達到60～65 dBZ。在鄭州市南部山區,不斷有超過50 dBZ的強回波區自南向北匯入鄭州市中部的對流系統,隨著對流系統的發展,受低層來自副高、“煙花”以及“查帕卡”的東北方向氣流、東南氣流以及西南氣流的影響,強回波區逐漸由橫跨鄭州南北走向的類似帶狀回波發展為匯集在鄭州市區中心附近團狀回波,類似帶狀南北兩端的強回波區向西側強回波主體收攏。除此之外,在鄭州西南方向上,平頂山附近存在大片絮狀對流單體,隨著環境流場向東北方向移動,并不斷合并發展,其回波強度達到50～55 dBZ。在08:00—09:00,此時回波(>40 dBZ)單體整體穩定維持在鄭州上空。在超過55 dBZ,局部區域超過60 dBZ的強回波中心在此時段范圍最大,在雷達中心十公里范圍內呈現團狀,由于雷達靜錐區的影響,只能判斷在高度1.7 km以下存在的強降水質心接近地面,在此時段強質心緩慢向東側移動,直至09:00以后才開始逐漸消散為較小絮狀。

黑色實線AB為剖面所示位置

07:00在0.5°仰角的徑向速度圖上[圖4(a)],呈現明顯的低層輻合特征,大致由東北方向上來自副高控制下的東北氣流、來自臺風“煙花”的東南氣流以及臺風“查帕卡”西南氣流匯集在鄭州地區,其中在雷達中心東側附近的低層負速度(朝向雷達氣流)極值達到了-16～-22 m/s。在雷達中心可見一塊與西側正速度區分隔開的正速度區,該塊區域與西側負速度區呈現氣旋式輻合特征,正負速度差達到12 m/s,整體長度約18 km,高度維持在2 km高度以下,結合反射率因子圖,此處略前于強回波(> 60 dBZ)位置,類似帶狀南北兩端強回波區同樣也存在該特征,但范圍較小。逆風區特征反映了局部整層抬升或強對流內的上升氣流引起的水平動量交換過程[24],對水平輻散輻合的分布產生影響,造成了中尺度垂直環流的形成,該區域具有明顯的風向切邊與輻合特征,近地層附近的氣流輻合上升,使對流系統發展更加強盛[25]。抬高仰角后[圖4(b)],徑向速度圖上明顯呈現“S”形,風向隨高度順轉,存在暖平流,該形式場表示著存在水汽輸送,低層的輻合有利于抬升,以及降水的持續。風暴的發展維持、形態演變與垂直風切變密切相關,強而深厚的垂直風切有助于對流風暴的有組織化以及發展加強[26]。在9.9°度仰角上(圖略),8.5 km距離圈范圍內,大約處于1.7 km高度以下,分布著風向為東南偏東的氣流,正速度(離開雷達氣流)達到16～22 m/s,負速度在該高度內出現極值,達到-28～-22 m/s。在17 km距離圈附近,在該距離圈上高度大約為3.4 km,主要以風向為東南偏南的氣流為主,分布著正負速度的極大值區,處于22～28 m/s的速度區間,與回波上的類似帶狀強回波區位置對應。在07:00—08:00內,整體來看,隨著高度增加,風向隨高度順轉由東風轉為西南風,低層風速急流區風速維持在16～22 m/s,隨著鄭州上空的風暴由南北向的類似帶狀發展為團狀,在強回波東西兩側弱回波缺口也逐漸由類似帶狀回波南部逐漸上移至團狀中心兩側,該弱回波缺口對應著徑向速度低層東側的大值區,該缺口是風暴前強入流所致,由于入流導致的上升氣流太強,使小水滴不能在其中增長為大水滴,因此表現為弱回波區。

圖4 7月20日0.5°、1.45°和2.4°仰角在不同時刻的徑向速度Fig.4 Radial velocity at different moments at elevations of 0.5°, 1.45° and 2.4° in July 20th

在風暴的早期和成熟階段,進入風暴的低層上升氣流主要在弱回波區或無回波區中,是強風暴最值得注意的特征[27]。在07:00—07:48雷達中心西側的逆風區逐漸消失,在08:00—09:00,由于強回波質心的緩慢東移,雷達中心附近大片-22～-16 m/s的負速度區中出現面積逐漸擴大增長的正速度區(12～16 m/s),如圖4(c)在09:00時前后呈現明顯逆風區特征,從該特征上可以看出入流的東風氣流、北部的東南氣流與風暴中部下沉氣流匯集,在風暴前側的入流區呈現輻合上升以及氣旋式與反氣旋式渦旋特征。該區域略前于在反射率因子圖上與超過60 dBZ區域。在從整體過程上看,低層雷達中心附近主要以正速度區為主,隨著距離增加依然維持著“S”形,風向依然由近地層的東風氣流為主,為對流系統提供充足的水汽,隨著高度升高,在高空風向順轉切變為西風氣流。

3.2 偏振參量與風場特征分析

通過水平與垂直方向上偏振參量特征,可以推斷降水粒子的相態及物理特征,同時也利用反演的風場特征進一步分析對流系統的動力特征以及發展演變過程。差分反射率Zdr是與粒子形狀、大小、取向及濃度有關的特征量,反映著粒子水平與垂直方向上的差異。通常當粒子接近球形時,Zdr的值約為0 dB,例如下落時的小雨滴,翻滾下落的冰雹等。而較大的雨滴在下落過程中呈現為扁橢球形狀,即水平方向上大于垂直方向的粒子,Zdr的取值則通常大于0 dB,而冰晶如霰粒子多為-0.5～1 dB。

相關系數ρhv定義為目標的水平偏振和垂直偏振回波信號的相關程度。是體現數據質量和目標分類的重要參數,其值的大小與粒子的相態和形狀有關,易受到雜波的影響。對于穩定的單一相態的降水,ρhv的取值常大于0.95,對于雨和干雪,ρhv的取值接近于1,而當存在扁旋轉橢球狀或錐球狀大冰雹,融化的包裹著水膜的較小冰雹,雨水與小冰雹共存的取樣空間內ρhv的取值會稍微變小,但對氣象目標通常ρhv的取值為大于0.8,而非氣象類目標ρhv的取值較小,常小于0.8甚至更小。因此ρhv常作為地物雜波等非氣象回波的訂正,敏視達的雙偏振業務雷達系統在質控時把ρhv低于0.9作為非氣象回波的判斷閾值[28]。

在07:00,鄭州市上空Zdr回波主要在3 dB以下,在0.5°仰角上,在雷達西側10～15 km處,Zdr呈現同反射率因子圖上類似帶狀強回波(>55 dBZ)區,主要在2.5～3 dB區間,降水粒子較大。在該仰角上,強降水區前側,也即該時刻雷達中心東側,Zdr主要在0.2 dB以下,與Z較小回波的入流缺口對應,過強的上升氣流使小水滴不能在其中增長為大水滴,在西南風氣流主導的中高層區域,將低層卷起的小液滴帶向南北富集,因此表現為南北強東西弱回波區。相關系數ρhv在0.5°仰角上,如圖5(e)所示,由于近地面受氣流輻合等影響,地面碎屑容易被卷上空中,使得ρhv受地面雜波干擾較大,在雷達中心40 km半徑范圍內普遍低于0.9,而當抬高仰角至9.9°,在距離雷達26 km左右的位置,可見明顯的Zdr環與ρhv環,如圖5(f)所示,該距離環上高度大約為4.7 km,對應融化層的高度。雷達西側的Zdr的大值區表征著該區域降水粒子直徑大且濃度較大,ρhv的值均勻且大于0.97,表明該區域降水粒子相態一致,而在低層入流缺口較低,ρhv主要分布在0.8～0.9。由于0.5°與1.45°仰角的ρhv較低,Kdp會出現較大偏差,略微抬升仰角至2.4°,如圖5(c)所示,Kdp超過0.5(°)/km與強回波區有較好的對應。在雷達西側的強回波主體區域Kdp值超過3(°)/km,局部超過4(°)/km,表明在該區域粒子含水量非常高,結合ρhv與Zdr,該區域為極端強降水回波區。在07:00—08:00期間,在2.4°仰角上Kdp團狀回波區范圍逐漸增大,中心大值區由原先3(°)/km為主體的回波塊增大轉為超過4(°)/km的區域為主體,逐漸移動至鄭州市中心城區,相應仰角上[圖5(a)]Zdr逐漸由南北向類似帶狀強回波區轉為向東側彎曲的弧狀區域,回波強度大于3 dB,ρhv在降雨區變化不明顯,維持在0.97以上。Zdr弧狀區域高度大約在2 km,厚度約1.5 km,相較于Kdp強回波的位置更偏東,大約為包圍Kdp回波塊0.5(°)/km區的外邊緣。

08:00—09:00回波達到最強,Kdp在零度層以上的正值表現著過冷水,Zdr則體現著形成霰的過程,低質心回波最強超過60 dBZ,回波主體頂高8 km(>30 dBZ),說明冰相過程活躍。零度層以下Zdr的增加體現這粒子尺寸的增加,Kdp的不斷增加體現著冰粒的融化,雨水的碰并,這樣一個垂直發展的對流過程,有抬升形成的凝結降水,也有強上升形成的冰相粒子,冰粒子下降又不斷碰并融化,暖雨環境使得地面不易蒸發,使得降雨量增加。在降雨最強的過程中不同來向的對流單體向輻合中心匯集,使得多單體對流系統合并,發展的更為強烈與持久。前8個體掃內,在半徑15 km距離圈上為強Zdr區[圖5(b)],呈現為細長的Zdr弧,在該距離上以3～4 dB大小的Zdr為主,說明在2 km高度左右的降水粒子直徑大且濃度特別大,這一時段也是自動站觀測到小時雨強突破歷史極值的時段,弧內的低Zdr值與高Z值區,表征此處多為高濃度、較小直徑的降水粒子,體現著粒子的分選機制。Zdr弧的形成是粒子的分選機制造成,過強的垂直風切變致使不同直徑大小的粒子沿不同的軌跡下落,較小的粒子下落末速度較小,受水平環境風影響,相比大粒子將被帶離至更遠落區,呈現出大小粒子分離的結果[29,12]。Kdp在同距離圈內以主體超過3(°)/km的回波區為主[圖5(d)],在稍低的高度上則以超過4(°)/km強回波為主,主要分布在2 km以下,極高雨水含量對應雷達回波質心的下降,并在鄭州市中心上空為維持超過5個體掃,地面在該時段雨強達到極值。在08:54的體掃上,Kdp高強值區此時以雷達東側為主,西側則降低為1.5(°)/km,范圍與強度也逐漸減小。觀察ρhv的分布,在極端強降水的前8個體掃內,入流缺口處的低ρhv一直伸至雷達中心,表明低層依然存在著強上升運動,在最后一個體掃時,原本在東側入流缺口的低值區,轉為0.97以上相態均一的降水粒子區域,表明此時低層的上升運動有所減弱。

通過風場反演算法可以得到更加直觀的風場結構。從圖6來看,在07:00—08:00近地面風場結構[圖6(a)]整體以東側強勁的東風氣流為主,在鄭州西南側以東南偏南的氣流為主,強對流系統移動方向前側的入流缺口逐漸明顯,幾乎達到最強回波附近,風速超過16 m/s。而在最強回波的前側入流附近,存在著明顯的輻合結構,水平風速迅速減小,緯向風的減弱最為明顯,在08:00—09:00后半段[圖6(b)],與在逆風區[圖4(c)]附近最強回波后側處的氣流與周圍外側氣流方向相反,風速相對較弱,地面至2 km高度左右,北側區域的小風速區呈傾斜氣旋式旋轉,而在其南部的區域剛好相反,呈傾斜反氣旋式旋轉。結合徑向速度特征[圖4(c)],該區域為強回波后側的下沉氣流在地面輻散又與前側入流氣流匯聚輻合上升,促進了降水的加強。

從近地面到高層,垂直風切變較大,風向低層主要為南風、東南風與東北風在強降水區的輻合為主[圖6(a)～圖6(d)],1 km高度整體風向轉變為東南風,3 km時由大范圍的南風氣流主導[圖6(e)、圖6(f)],5 km高度上以西南氣流為主,8 km高度上,對流系統移動方向的后側區域以西風為主,左前側則為西南氣流,大致與對流系統的移動方向一致。在沿著類帶狀回波的垂直剖面上[圖3(a)中黑線],如圖7(b)所示,ρhv的分布基本在4 km以下0.98以上,在雷達附近低層可見降低至0.9附近的入流區,4.5 km左右可見平面圖上的零度層亮帶,ρhv環表現融化層的低值區,在此高度上冰相粒子在下落過程中逐漸融化,表現為較低的ρhv,為0.92～0.97。Zdr的分布呈現在雷達中心附近[圖7(c)],超過2 dB的大粒子強降水區基本在2 km以下,1.5 dB的區域延伸至高空6 km。在大Zdr的柱狀區域北側,可以看到一塊4 km以下的3～4(°)/km的Kdp大值區[圖7(d)],2(°)/km的區域伸展至高度6 km的柱狀區域,該柱狀區域雖未明顯呈現高于零度層且有超過3(°)/km強回波的特征,但在對流系統向東的緩慢移動過程中,該Kdp柱在空間分布上呈現在上升氣流的左側,與Zdr柱狀特征出現分離現象[30]。有研究表明,Kdp柱通常位于Zdr柱的北側或西北側,并位于上升氣流的左側[7],且與反射率因子Z的高強值相對應。Kdp柱主要由不同相態的降水粒子組成,在垂直剖面風場上,該區域存在著多個垂直渦旋結構,與地面的強降水中心位置對應較好,Z達到60 dBZ。

圖7 7月20日07:00垂直剖面處的反射率因子疊加風場,相關系數,差分反射率和差分相位常數Fig.7 The reflectivity factor at the vertical profile is superimposed on the wind field, correlation coefficient, differential reflectivity and differential phase constant on July 20th at 07:00

Zdr柱是強對流系統顯著的偏振特征,表現著云體內的動力特征[13],Zdr柱表現為超過融化層以上的大Zdr值區,與上升氣流有著較好的對應關系,存在著相關的正溫度擾動。觀察圖8,在34.5°緯度附近,地面至10 km附近存在Zdr為0.5～2.5 dB的柱狀區域,在柱狀區域上,結合風場剖面圖來看,相應區域上存在著較強的上升氣流,相應反射率因子在6 km以下較大,而在之上的區域強度則相對較低,ρhv在4～6 km高度上值為大于0.98,大于同高度北部0.92體現的融化層區域。在4 km下與6 km以上,ρhv降低,且上部區域降至0.7左右,體現融化層在該區域的抬升以及小的冰晶在該高度上碰并過冷水的過程。ρhv在8～10 km又有所上升,在0.85～0.9。Zdr在4～6 km高度附近為0.2～1 dB,結合ρhv,在該高度上存在著直徑較小的水滴,而其上下兩塊區域Zdr值增強,下部體現著下落的水滴與被上升氣流卷起的低層暖濕水滴碰并增長的過程,在低層融化形成較大且濃度較高的降水粒子。Kdp在相應區域上,4～5 km的高度附近為較大值區,而在5～7 km上則呈現負值的低值區,結合之前ρhv在該高度附近的特征與風場特征,該高度的上升速度減小,在強上升氣流的作用下粒子在垂直方向上循環浮動,增大體積直到一定大小時無法被上升氣流拖住,印證該處的成冰過程。同樣與Zdr的分布較為相似,在8 km至更高的區域,推測為水汽凝華放熱使得高處區域升溫,被上升氣流帶入此處的冰晶粒子融化,或使一些大粒子外包水膜,Kdp有所增加,Zdr增加。8 km以上的小Z、ρhv與大Zdr、Kdp可能與暖頂有關,在此處分布著濃度較小,融化的冰晶或外包水膜的不規則枝狀盤狀冰晶粒子等。綜合來看,Kdp柱與Zdr柱作為表征對流系統的動力特征,較好地印證來自東南方向的暖濕氣流為極端強降水的發展與增強提供了強有力的支持。

圖8 7月20日09:00垂直剖面處的反射率因子疊加風場,相關系數,差分反射率和差分相位常數Fig.8 The reflectivity factor at the vertical profile is superimposed on the wind field, correlation coefficient, differential reflectivity and differential phase constant on July 20th at 09:00

4 結論

結合地面自動站、探空數據以及ERA5再分析資料,利用雙偏振雷達數據提取多種偏振參量,并反演三維風場,分析了對流發展和成熟時期的回波、徑向速度特征和風場結構,在平面與剖面上使用多種偏振參量對粒子相態特征、對流系統動力特征和對流結構進行分析總結,得到以下結論。

(1)反射率因子回波上的特征表明,對流降水最強的區域由南北走向的帶狀區域逐漸聚攏匯集為團狀,東側的回波缺口對應著風暴的前側強入流區,偏東風氣流帶來的暖濕氣流向風暴持續提供充沛的水汽,此外期間不斷有新生的對流單體向鄭州市中心方向移動,形成“列車效應”,有利于降水持續性發展。徑向速度圖特征表明,低層呈現明顯的輻合特征,風向隨高度順轉,該形式場表示著存在著暖濕水汽輸送,低層的輻合有利于抬升以及降水的持續發展,在風暴前側,略前于強回波區的位置呈現出逆風區特征,體現了該區域內的強上升運動,使對流系統發展強盛,有利于極端雨強的發生。

(2)風場結構表明,從近地面到高層,由東南風順轉至偏西風,對流系統垂直風切變較大。 強對流發展期,特征為風暴移動方向前側的入流缺口。對流風暴成熟期特征為風暴前側傾斜式環流并出現新生逆風區。

(3)偏振參量平面特征表明,ρhv、Zdr、Kdp能更精細地反映降水的微物理過程。對流發展期,通過高仰角PPI上Zdr環與ρhv環判斷融化層高度,其下Kdp與Zdr增加表征冰相粒子融化過程與雨水碰并增長過程。低高度上Zdr弧與大Kdp說明該區域降水粒子直徑大且濃度較大,體現降雨極端性。對流風暴成熟期,Zdr弧強度增加,表明該區域存在強烈上升運動,為暴雨持續性發展提供有利動力條件。

(4)偏振參量剖面特征表明,Zdr柱與Kdp柱能較好地反映對流系統的動力特征及結構分布,Zdr的分布體現相應區域上存在著較強的上升氣流,小粒子在粒子分選作用下被環境風帶至北側分布的Kdp柱附近,出現Zdr柱與Kdp柱分離現象。ρhv在Zdr柱所在區域的中層高度上反映了該區域融化層的抬升,也反映了該高度上存在著直徑較小的水滴,而融化層下的ρhv和Zdr特征則體現了下落的水滴及其與被上升氣流卷起的低層暖濕水滴碰并導致增長的過程,在中高層Kdp的低值區則表現該處粒子成冰的過程。高層可能是由于水汽凝華放熱使得此處區域升溫,形成濃度較小、融化的冰晶或外包水膜的不規則枝狀盤狀冰晶粒子等。