貴州威寧對流單體雷達回波分層結構特征分析

鄒書平 柯莉萍 黃鈺 楊哲 曾勇 陳林

(1 貴州省人工影響天氣辦公室,貴陽 550081; 2 貴州省冰雹防控技術工程中心,貴陽 550081;3 貴州省威寧彝族回族苗族自治縣氣象局,威寧 553100; 4 貴州省大氣探測技術與保障中心,貴陽 550081)

引言

貴州省威寧縣對流單體多,生消發展快,在2017—2020年威寧冰雹防控外場試驗期間,累計出現了32個降雹日,總體上降雹持續時間小于5 min,冰雹直徑3～10 mm,多為小冰雹(或霰、軟雹),但小冰雹對煙葉、馬鈴薯葉面、果樹花果的損傷以及衍生的對品質的影響不可忽視。人工防雹作業精準化離不開對對流云單體快速觀測和作業時機的把握,目前對威寧對流性(雷雨、冰雹)天氣特點的宏觀物理特性認識不足,威寧多小冰雹也未有深入分析,在2021年開始的相控陣偏振天氣雷達快速掃描觀測過程中,跟蹤鎖定對流單體目標困難,不能滿足冰雹防控外場試驗快速觀測的時間響應需求。因而,有必要對貴州威寧對流云單體的宏觀物理特性再認識再理解,全面深入分析研究對流云單體形成發展成為冰雹云單體的演變特征,為冰雹防控外場試驗觀測提供技術支持。

冰雹的產生與對流云發展的強弱有著密切的聯系,貴州引起降雹的常見為多單體和超級單體等,根據冰雹直徑大小則分為大冰雹(直徑≥20 mm)和小冰雹(直徑<20 mm)。相對而言,對于大冰雹的研究更受到關注和重視。Johns and Doswell[1]認為長時間的強上升運動是支撐冰雹增長為大冰雹的必要條件,所有大冰雹事件都與深厚對流有關。Witt等[2]認為,相應雷達反射率因子核心的值越大,相對高度越高,產生大冰雹的可能性和嚴重程度越大;俞小鼎等[3]提出如果-20 ℃等溫線對應的高度之上有超過45 dBz的反射率因子核,則有可能產生大冰雹。曾智琳等[4]發現大冰雹冷云厚度較非大冰雹更厚,大冰雹冷暖云厚度的比值為1.9,遠高于非大冰雹的比值。劉瑾等[5]分析了一次長生命史超級單體雹暴垂直液態水含量VIL特征,對流單體VIL持續時間7 h,且基本維持在55～80 kg·m-2。黃丹萍等[6]對南寧冰雹天氣類型及預報預警指標進行統計分析得出,VIL值均在30 kg·m-2以上,大冰雹的VIL值比小冰雹大了一倍左右。不同地區[7-8]的研究發現冰雹過程呈現出層結不穩定,有適宜的0～6 km垂直風切變,強冰雹單體出現了弱回波區、高強回波懸垂等典型特征。通過對雹暴過程數值模擬和發展機制分析發現,強垂直風切變有利于雹暴的維持和發展,合適的0 ℃和-20 ℃高度有利于雹粒的增長[9-10]。上述分析研究結論表明,弱小冰雹雷達回波典型特征相對弱小或不明顯。滕林等[11]對發生在貴州黔東南的一次大范圍弱冰雹天氣過程進行分析,在0 ℃等溫線高度上有50 dBz以上的反射率因子結構存在,但回波伸展的高度沒有超過-20 ℃ 等溫線高度,認為不易形成大冰雹?？傮w而言,強冰雹雷達回波典型特征和環境場特征較小冰雹過程要明顯的多,目前對弱雹云單體形成發展演變過程系統性分析研究較少,且缺少弱雹云單體雷達回波特征定量性判別技術指標。

對于對流單體雷達回波特征而言,在對流云單體生成發展成雹云單體前這一階段,典型特征表現為回波強度、高度和結構的快速變化,而在對流單體成熟(或降雹)階段回波強度、高度和結構的變化則相對緩慢。本文基于新一代天氣雷達提取了用于直接地識別對流單體雷達回波強度和高度分層的結構化數據,從分層強度以及對應高度、VIL等特征量入手,結合對流單體形成發展演變的持續時間,系統地分析貴州威寧冰雹云單體和雷雨云單體的回波強度、高度和結構的典型特征,并通過一次冰雹天氣事例的雙偏振天氣雷達偏振量特征,分析了貴州威寧對流單體雷達回波的宏微觀物理特性,以此驗證對流云單體演變過程中粒子相態變化的空間分布一致性。

1 冰雹樣本采集及數據處理方法

基于云南省昭通市(27.35°N,103.72°E,2003 m)新一代天氣雷達(CINRAD/CC)觀測資料,綜合考慮連續性和完整性,得到2017—2020年貴州省威寧縣24個雹日雷達觀測資料,并提取了111個對流云單體雷達回波分層特征參數,共1948個時次的樣本序列。在111個對流云單體中,有35個冰雹云單體(占31.5%)和76個雷雨云單體(占68.5%);在24個雹日中有詳細記錄的降雹點36個,其中冰雹直徑<10 mm有33次(占91.7%)、冰雹直徑≥10 mm有3次(占8.3%),而冰雹直徑達到20 mm的僅有1次。

數據處理主要基于雷達回波分層結構特征參數提取技術,它是分層強度、高度、面積、質心等結構化數據的完全表達方式。由于雷達回波顯示的對流云單體結構是不均勻的,主要采用強度分層特征參數徑向掃描提取技術,并通過雷達回波特征參數提取軟件,獲取到每一個體掃的仰角掃描層指定單體的雷達回波特征參數。表1是2019年6月11日15:20一個冰雹云單體雷達回波特征參數提取具體事例。其中,Zmax表示體掃層回波最大強度,對應的Z、H、L、D分別表示回波質心強度、質心高度、徑向方位、徑向距離的特征值;Z25、Z45分別表示≥25 dBz、≥45 dBz回波強度閾值,對應的ZA、HA、S、M分別表示回波的平均強度、平均高度、占有面積、液態水含量。該示例最大回波強度為66.8 dBz, 對應高度為4.6 km,大于55 dBz的回波位于2～5.8 km之間,徑向方位和距離基本一致,≥25 dBz和≥45 dBz的強回波位于1.5°～4.3°(高度約2.1～6.8 km)之間的液態水含量與閾值面積的值相近,表明回波具有懸垂結構、均勻密實的特點,符合冰雹云回波特征,這與實際情況相吻合。

表1 2019年6月11日 15:20威寧冰雹云單體雷達回波分層特征參數值

2 對流單體回波特征量統計分析

2.1 樣本特征量的均值與方差

判斷對流天氣的重要雷達回波參數,常用的為回波強度Z、回波高度H和VIL[12-13]等,VIL通過液態水含量M的垂直積分求得。當對流單體Z>25 dBz以上,則預示出現陣性降水;當45 dBz回波高度在0 ℃層高度以上,Z>55 dBz時,則有可能產生冰雹;若VIL達到20 kg·m-2時,則預示發生冰雹可能性極大,若VIL達到30 kg·m-2時,則地面發生降雹可能性極大。為此,選取初始降雹時刻T▲、回波強度最大時刻TZM、VIL值最大時刻TVM、VIL≥20 kg·m-2初始時刻TV20和VIL≥30 kg·m-2初始時刻TV30以及這些時刻對應的Z、H25(25 dBz回波高度)、H45(45 dBz回波高度)、H55(55 dBz回波高度)、VIL的特征參量值,作為分析判斷單體降水性質的依據。表2是2017—2020年35個冰雹云單體和76個雷雨云單體典型時刻回波特征量平均值和總體方差統計表。

表2 2017—2020年威寧35個冰雹云單體和76個雷雨云單體典型時刻回波特征量

從數理統計學角度而言,樣本均值可以比較兩個樣本數據的大小,樣本方差則反映了樣本數據與樣本平均值的偏離程度。對于同樣性質的兩組樣本數據,平均值接近,表示樣本數據差異較小;總體方差越小表明樣本數據更具穩定性。從表2結果來看,冰雹云單體雷達回波特征量平均值高于雷雨云單體,冰雹云單體樣本的總體方差要小,表明冰雹云單體和雷雨云單體的特征比較接近,但冰雹云單體更具有穩定性。從0 ℃和-20 ℃的平均海拔高度來看,24個雹日08:00威寧站探空0 ℃層、-20 ℃層對應平均海拔高度分別為5.2 km、8.4 km(距離的地面高度分別約為3.2 km、6.4 km),H45值高于-20 ℃層,H55值位于-20 ℃附近。綜合分析結果表明,在對流單體在發展過程中,如果單體回波強度、高度穩定性越好,其發展成冰雹云單體的可能性就越大。

2.2 樣本特征量的頻次分布

由于冰雹云單體和雷雨云單體兩個樣本數的不同,采用百分比方式以對比分析樣本頻次的分布特征。表3是2017—2020年35個冰雹云和76個雷雨云單體各時刻雷達回波特征量眾數段的占比統計表。其中,雷達回波高度的劃分是以0 ℃層、-20 ℃層高度決定,選取的高度范圍是3.5～6.5 km,高度差為3 km,并將此數值進行高度頻次段劃分。從對流單體的各特征量主要分布區間來看,Z主要分布于55～70 dBz之間,H25主要分布于6.5～12.5 km之間,H45主要分布于3.5～12.5 km之間,H55主要分布于3.5～9.5 km之間,VIL主要分布于20～50 kg/m2之間。從對流單體的各特征量的眾數分布來看冰雹云單體的回波強度眾數分布段在65～70 dBz,占57.1%,而雷雨云單體對應眾數分布段在60～65 dBz,占38.2%。總體上,冰雹云單體特征量眾數分布段的值均大于或高于雷雨云單體,說明冰雹云單體強于雷雨云單體。

表3 2017—2020年威寧35個冰雹云單體和76個雷雨云單體回波特征量樣本占比統計

2.3 最大回波強度層與零度層高度差

對流單體雷達回波的最大反射率因子是大雨滴群或大冰雹粒子群散射的結果。為了反映對流單體最大反射率因子垂直分布的特點,選取的是對流單體發展—成熟階段這一時段內,最大回波強度所對應高度偏離零度層高度的平均狀況,以反映最大反射率因子的垂直分布是否擴展到了零度層高度以上。表4是2017—2020年35個冰雹云單體和76個雷雨云單體最大回波強度高度與零度層高度差分段統計表。當兩者差值小于零時,表示最大回波強度位于零度層高度以下(暖區);反之,表示最大回波強度位于零度層高度以上(冷區)。

表4 2017—2020年威寧35個冰雹云單體和76個雷雨云單體最大回波強度與零度層高度差分段統計

統計結果表明,冰雹云單體、雷雨云單體的最大回波強度平均高度分別約為2.7 km、2.8 km,分別低于零度層高度0.5 km、0.4 km,總體上平均高度較一致,略低于零度層高度的暖區,且主要位于與0 ℃層高度差±2.0 km的范圍內。其中,冰雹云單體最大回波強度低于零度層高度的樣本數為25個,占樣本數的71.4%;高于零度層高度的樣本數為10個,占樣本數的28.6%。雷雨云單體最大回波強度低于零度層高度的樣本數為51個,占樣本數的67.1%;高于零度層高度的樣本數為25個,占樣本數的32.9%。雖然冰雹云單體回波最大強度平均值為要高于雷雨單體回波,但是冰雹云單體最大回波強度對應高度的平均值高于0 ℃層高度的僅占28.6%,說明大冰雹粒子群出現的概率較低,而實際36個降雹樣本中冰雹直徑≥10 mm僅有3次(占8.3%),與貴州威寧多小冰雹的特點具有較好的一致性。

2.4 對流單體強回波持續響應時間

通常把冰雹云單體回波生命史劃分為形成發展、成熟降雹、減弱消亡三個階段。當回波強度≥25 dBz以上且存在一個反射率因子核時,視作一個單體核,表明將產生降水的天氣過程;當45 dBz回波高度在零度層高度以上、對流單體回波強度大于55 dBz且持續時間越長產生冰雹的概率越大。因此,主要選取強度≥45 dBz、≥55 dBz高度位于0 ℃層高度以上的持續時間,對比分析對流單體形成發展、成熟消亡的生命史特征,以及冰雹或雹胚粒子形成增長維持下落的響應過程。表5是2017—2020年35個冰雹云單體和76個雷雨云單體演變過程持續響應時間統計表。表中,TC表示對流單體生命史持續時間,TC45、TC55分別表示45 dBz、55 dBz回波強度在0 ℃層高度以上的持續時間,T▲、TSC分別表示初始降雹時間、單體核初始回波強度≥25 dBz以上的初始時刻;TS45、TS55分別表示≥45 dBz、≥55 dBz回波高度位于0℃層高度以上的初始時刻;T▲-TS45、T▲-TS55、TS45-TSC、TS55-TS45分別表示兩者的時間差。

表5 2017—2020年威寧35個冰雹云單體和76個雷雨云單體演變過程的持續響應時間統計

從持續時間的統計結果來看,冰雹云和雷雨云單體兩者的TC、TC45、TC55平均約為100 min、72 min、37 min,而兩者的TC、TC45相差僅為5 min、2 min,但TC55相差為13 min,表明TC55持續時間越長越利于形成冰雹;從單體回波演變時間差來看,冰雹云和雷雨云單體從弱回波發展到強回波(強度≥45 dBz)時間平均為14 min,而冰雹云和雷雨云單體從45 dBz發展到55 dBz以上的時間平均分別為10 min、16 min,表明從45 dBz發展到55 dBz以上的時間越短越利于形成冰雹;對于冰雹形成維持增長降雹的時間而言,T▲-TS45、T▲-TS55的平均時間分別為26 min、18 min,與實際冰雹天氣過程相比較,分析認為55 dBz的持續時間更具有代表性。總體上,冰雹云和雷雨云單體的形成發展、成熟消亡的持續時間基本是一致的,但冰雹云單體比雷雨云單體更具有發展迅速、持續時間長的特點。

3 強對流天氣環境場特征參數統計分析

冰雹天氣的發生與大氣不穩定、水汽、抬升條件和環境溫度等有關,只有在強烈且持續時間較長的上升氣流背景條件下才利于大冰雹的形成,這就需要環境大氣中存在大的對流有效位能(CAPE)和強烈的垂直風切變。同時,環境溫度0 ℃層到地面的高度將影響冰雹降落過程中的融化速度。俞小鼎等[14]提出,冰雹的融化層更接近于濕球溫度0 ℃層(Wet Blub Zero,WBZ),而不是干球溫度0 ℃層(Dry Blub Zero,DBZ),且冰雹融化層WBZ高度的高低是決定冰雹大小甚至降雹與否的主要因子之一,當在WBZ和DBZ之間和上下一定范圍內存在明顯干空氣(即溫度露點差較大) 時,二者高度會有明顯的差距。通過對威寧DBZ高度(HD0)和WBZ的高度(HW0)對比統計得出,兩者的平均高度分別為5.2 km、4.7 km,平均相差0.5 km,最大相差1.1 km(表6)。

表6 2017—2020年威寧24個冰雹日環境對流參數表

選取威寧24個冰雹日HD0、HW0、0～6 km風速差(HR6)、沙氏指數(SI)、對流有效位能(CAPE,14:00訂正值)、700 hPa與500 hPa假相當位溫差(Δθse700-500)、700 hPa與500 hPa環境溫度差(ΔT700-500)、700 hPa比濕(q700)等特征量綜合分析強對流天氣環境參數條件是否符合大冰雹形成的條件。以HR6小于10 m·s-1為較弱,介于10～20 m·s-1之間為中等,大于20 m·s-1為較強進行判定,較弱占62.5%,中等占33.3%,較強僅占4.2%;SI<0,表示層結不穩定,共有10次,占41.7%;87%的個例的不穩定能量都小于2000 J·kg-1,大部分個例的CAPE值處于較低或中等水平;SI<0且CAPE>1500 J·kg-1的個例僅有5次,占總數的20%;多數層結具有適宜的濕度條件,10個個例的700 hPa比濕達到10 g·kg-1,達到貴州暴雨天氣比濕平均值,20個個例700 hPa比濕達到7 g·kg-1以上,占比達到83%;Δθse700-500、ΔT700-500的值越大,表示層結越不穩定,此處平均值分別為7.0 ℃、15.4 ℃,Δθse700-500>7.0 ℃的有11次,占45.8%,ΔT700-500>15 ℃的有17次,占70.8%。綜上,威寧對流天氣過程大氣層結不穩定,低層濕度條件較好,濕度適宜的達到83%以上,但大部分不穩定能量偏低,僅20%的處于不穩定層結且具有1500 J·kg-1以上的不穩定能量,大部分HR6強度都偏弱。

綜上所述,貴州威寧多小冰雹主要與垂直風切變較弱、CAPE值不穩定能量偏低有關,同時中小冰雹降落至地面過程中因融化作用而更易變成小冰雹。另外,分別選取45 dBz和55 dBz的高度H45和H55,將H45、H55高于HW0的持續時間段(T45、T55)內的平均高度作為統計數據,以減少單一時刻單體回波特征量的不確定性,從而簡要地分析冰雹大小與H45-HW0、H55-HW0之間的相關性。表7是2017-2020年35個冰雹云單體和76個雷雨云單體融化層高度HW0與H45、H55高度差統計表,H45-HW0、H55-HW0表示兩者高度差。

表7 2017—2020年威寧35個冰雹云單體和76個雷雨云單體融化層高度與強回波高度差

從總體樣本統計結果來看,在45 dBz高度H45高于HW0的持續時間段T45內,總體樣本的H45-HW0、H55-HW0的平均值分別為3.8 km、1.5 km;在55 dBz高度H55高于HW0的持續時間段T55內,總體樣本的H45-HW0、H55-HW0的平均值分別為5.0 km、2.6 km。僅從冰雹云單體而言,在45 dBz高度H45高于HW0的持續時間段T45內,冰雹大小隨H45、H55的變化而變化,高度越高,冰雹越大;在55 dBz高度H55高于HW0的持續時間段T55內,5 mm以上的冰雹與H45、H55的變化而不明顯?？傮w而言,雹云單體與非雹云單體的平均高度差基本一致,而冰雹大小則與強回波在融化層高度以上的擴展高度存在一定的對應關系,這與實際情況是比較相符的。

4 一次對流單體雷達回波特征分析

4.1 降雹實況與天氣系統

2019年6月11日威寧縣草海、城關、鹽倉等地出現了一次持續性降雹天氣過程。其中,威寧氣象站記錄的降雹時間為15:20—15:25,冰雹直徑為5～10 mm,密度為20粒/m2。此次過程由多個對流單體共同影響,圖1是當日15:20昭通雷達回波分布圖,圖中圈出的單體A為冰雹云單體,直接影響威寧氣象站,圈出的單體B為雷雨云單體,并未產生降雹。對于單體A而言,它屬于“塊狀”回波,強回波中心主要位于云體移向的后側,對流單體回波主體自西向東移動,先后影響威寧雙龍、小海、草海、城關、鹽倉、爐山、板底等地,持續時間長達3 h以上,降雹影響區域面積達到12.4 km2,冰雹最大直徑為10 mm,是威寧2019年記錄的最強的一次降雹天氣過程。

圖1 2019年6月11日15:20昭通雷達回波圖

由溫度對數壓力圖(圖2)可知中層到高層風速偏大,但垂直切變偏弱。0 ℃高度層位于500 hPa,-20 ℃高度層接近350 hPa,比常規冰雹產生的負溫度區高度層上抬了100 hPa左右。600～700 hPa存在擾動逆溫。探空曲線呈“喇叭口”形狀,“上干下濕”不穩定形勢明顯。600 hPa以下為暖平流,600 hPa以上為冷平流,呈“上冷下暖”的不穩定層結,中低層弱冷空氣的侵入和高空強風速帶的存在,為強冰雹天氣提供了有利的條件,且高層的風速較大,有利于低層輻合上升。同時,抬升凝結高度(LCL)和自由對流高度(CCL)較低,對對流云的生成和發展比較有利。當日700 hPa顯示威寧西部存在西南低渦,并受西藏地區的冷高壓影響,不斷有小脊向東移動,而西南方向有暖濕氣流從孟加拉灣向威寧輸送,上冷下暖的結構使得空氣層結不穩定,有利于對流天氣形成。

圖2 2019年6月11日08:00威寧T-lnp圖

4.2 對流單體雷達回波分層結構演變特征

從單體的變化過程來看,單體A(圖3a,b)持續時間約為3.5 h,有2次從弱單體到強單體的演變過程。單體A形成早期(13:48—14:26,持續38 min)出現了一次形成發展減弱回落的階段,此后單體迅速發展增強直至成熟降雹和減弱消散 (14:26—17:19,持續163 min),這一階段可劃分為形成發展階段(14:26—14:58)、成熟降雹階段(14:58—16:25)和減弱消散階段(16:25—17:19)。在形成發展階段,45 dBz高度位于0 ℃層高度以上的時間為119 min,對應的平均高度為7.5 km,55 dBz高度位于0 ℃層高度以上的時間為92 min,對應平均高度為6.1 km;15:20最大回波強度為66.8 dBz,45 dBz高度為8.7 km,55 dBz高度為6.1 km,VIL為40.7 g/km2,15:36,最大回波強度為69.3 dBz,45 dBz高度為9.9 km,55 dBz高度為6.3 km,VIL為42.8 g/km2。單體B(圖3c,d)持續時間約為3 h,有3次從強單體逐漸到弱單體的演變過程。14:21—17:19期間,45 dBz高度位于0 ℃層高度以上的時間為113 min,對應的平均高度為6.7 km,55 dBz高度位于0 ℃層高度以上的時間為38 min,對應平均高度為4.7 km;15:04最大回波強度為64.7 dBz,45 dBz高度為8.4 km,55 dBz高度為5.9 km,VIL為35.2 kg/m2;15:20最大回波強度為60.2 dBz,45 dBz高度為8.8 km,55 dBz高度為4.9 km,VIL為37.7 kg/m2。

圖3 2019年6月11日對流單體A(a,b)、B(c,d)雷達回波強度和回波特征參數變化(▲—降雹時刻)

圖4 2019年6月11日14:31—16:14對流單體A途徑威寧氣象站時回波強度(a)和回波特征參數(b)(▲—降雹時刻)

以威寧氣象站(104.28°E,26.86°N,2238 m)為研究點,提取雷達回波強度所對應高度時序圖(以站點為中心,提取直徑為6 km范圍內的數據)結合對流單體回波強度、VIL的變化趨勢進行分析。14:31對流單體A開始影響威寧氣象站,直至16:14結束,持續時間為103 min,15:20對流單體強中心經過威寧本站,地面出現降雹,持續時間5 min,此時對應對流單體回波強度為66.8 dBz,45 dBz高度為8.2 km,55 dBz高度為5.8 km,VIL為40.6 kg/m2。Z≥65 dBz的高度位于3.3～4.6 km之間,正好處于0 ℃層附近的區域內(威寧探空當日08:00的0 ℃層高度為3.6 km)。

4.3 對流單體雷達回波偏振參量特征

4.3.1 大雨滴區與冰雹區分布特征

為了更好地識別冰雹云,基于威寧雪山(27.05°N,104.08°E,2472 m)X波段雙線偏振天氣雷達(YLD1-D),觀測數據,著重分析對流單體演變過程中降水粒子微物理特征,并以此驗證X波段雙線偏振天氣雷達觀測數據的可用性。X波段雙偏振天氣雷達除能夠測得水平偏振反射率因子(Zhh)、徑向速度和速度譜寬外,還可獲得差分反射率因子(Zdr)、差分傳播相位(Φdp)、差分相位常數(Kdp)、相關系數(ρhv)等特征量。雙偏振測量技術只有對非球形的云雨等降水粒子群的探測才有實際意義,理論和觀測證實一般降水粒子大于1 mm的雨滴都是非球形的,可近似于扁球體,而冰雹由于翻轉作用,總體接近于球形[15]。對大雨滴和冰雹粒子的偏振量特征研究[16-24]發現,在冰雹過程中,Φdp出現陡然增大的現象,Zdr介于-1～0.5 dB之間,ρhv受冰雹干濕程度以及冰雹大小的影響,一般在0.85以上,冰雹主要對Zhh和Zdr產生影響,而Kdp的主要貢獻來自降雨,一般來說,冰雹產生的ρhv信號要小于液態水的ρhv值,在冰水混合區,其ρhv一般都比較小。圖5是2019年6月11日14:48、15:01、15:20雹云單體A(紅色圓圈指示區域)所對應的Zhh、Zdr、Φdp、Kdp、ρhv等偏振量PPI分布圖。

圖5 2019年6月11日 14:48(a1～a5)、15:01(b1～b5)、15:20(c1～c5)威寧雪山雷達(體掃仰角2.4°)對流單體雙偏振雷達回波所對應的水平偏振反射率因子Zhh、差分反射率因子Zdr、差分傳播相位Φdp、差分相位常數Kdp、相關系數ρhv

雹云單體A偏振量的垂直分布特征如下:14:48,最大回波強度為51 dBz,Zhh>45 dBz的高度位于2.7～7.6 km之間,Zdr在1.5～5.8 dB之間,無接近于0值或負值的Zdr區;Φdp在130°～204°之間,Kdp在-0.45～2.0 (°)/km之間,ρhv在0.62～0.98之間,對流核內部的Zdr較大,且Φdp、Kdp、ρhv變化較小,表明主要是由大的非球形粒子組成,粒子相態和形狀基本一致,說明此處存在大雨滴;隨著觀測距離增加Φdp變化很小,而Zdr、Kdp、ρhv值的變化是不均勻的,表明非球形粒子大小有所不同,說明它是由不同雨滴所組成的降水粒子,由于無Zdr的0值或負值區,表明無霰或冰雹等球形粒子。15:01,最大回波強度為52.5 dBz,Zhh>45 dBz的高度位于2.8～6.7 km之間;Zdr在1.9～5.8 dB之間,有接近于0值或負值的Zdr區(白色圓圈指示區域,Zdr值為-0.7～0.3 dB,Zdr柱高度位于2.8～4.0 km之間);Φdp在187°～204°之間,Kdp在-1.85～4.8 (°)/km之間,ρhv在0.57～1.00之間,對流核內部主要有大雨滴組成,但存在大小不一的非球形的降水粒子,由于存在Zdr的0值或負值區,且范圍較小, 表明可能存在少量霰或冰雹等球形粒子。15:20,最大回波強度為54.5 dBz,Zhh>45 dBz的高度位于2.7～8.2 km之間;Zdr在3.1～5.8 dB之間,有接近于0值或負值的Zdr區(白色圓圈指示區域,Zdr值為-2.0～0.5 dB,Zdr柱高度位于2.8～7.5 km之間);Φdp在134°～231°之間,Kdp在-2.9～5.0 (°)/km之間,ρhv在0.52～0.98之間,對流核內部主要有大雨滴組成,但存在大小不一的非球形的降水粒子,由于存在Zdr的0值或負值區,且范圍較大,表明存在大量的霰或冰雹等球形粒子,這與威寧地面初始降雹時間是相一致的。

在15:01和15:20出現了Zdr的正中心區(大雨滴區)和負中心區(冰雹區),這種現象通常認為是由于風向風速的拖曳作用,使大雨滴團移動較小,霰或小冰雹朝向風的方向移動較快而使其處于回波區前沿的結果;冰雹區的Zdr負值則是由空間取向較固定的非球形冰雹所致。

4.3.2 降水粒子相態垂直分布特征

X波段雙線偏振天氣雷達觀測圖像數據產品中包含了降水粒子相態識別產品,其降水粒子相態的識別主要是通過模糊邏輯法構建的。水成物粒子識別有助于診斷雹云核心、雨/雪轉化、霰區等[25-27]。本文降水粒子相態識別產品輸出的水凝物類型為10類,即非氣象(NM)、小雨(LR)、中雨(MR)、大雨(HR)、干雪(DS)、濕雪(WS)、冰晶(IC)、小冰雹(SH)、大冰雹(LH)、雨夾雹(RH)。

為了比較粒子相態的變化,將雷達回波垂直結構分為暖層(融化層,純雨區)和冷層(冰雪區),以檢驗不同粒子分布是否符合云降水微物理相態變化的過程。從三個時次的降水粒子垂直分布來看(圖6),在暖層以下的區域(暖層選取的高度是4.5 km,約低于0 ℃層高度1.0 km,以減少含水量累積帶和冰雹循環增長的影響)除液態水外,還存在冰晶、小冰雹等固態水凝物。其中,雨滴對應的回波強度為10～35 dBz,冰晶對應的回波強度為10～15 dBz,而小冰雹則分布在兩個強度區域內,對應的回波強度分別為35～50 dBz、5～10 dBz;在冷層在除少量過冷水外,主要存在干雪(5～30 dBz)、濕雪(30～35 dBz)、冰晶(10～15 dBz)、小冰雹(35～50、5～10 dBz)、大冰雹(≥50 dBz)等固態水凝物。

圖6 2019年6月11日 14:48,15:01,15:20 X波段雙線偏振天氣雷達反射率因子(a,b,c)及所對應的降水粒子類型(d,e,f)的垂直分布剖面圖

結合前面述及的有無Zdr的0值或負值區以及Zdr柱高度分布,分析認為該降水粒子相態識別產品對于液態水和干濕雪的識別較好,但要注意區分冷暖層中是否存在冰晶和冰雹等冰相粒子,以及Zhh、Zdr、Kdp、ρhv等偏振量在粒子相態轉化過程中的相互作用。

5 結論與討論

通過對貴州威寧對流單體回波特征量統計分析及對一次降雹過程偏振量特征分析,得出對流單體持續時間和最大反射率因子分布不利于大冰雹的形成,初步揭示了貴州威寧雹云單體具有發展快而小冰雹多的特點。主要結論如下:

(1)冰雹云單體和雷雨云單體宏觀特征量的差異較小,對流單體生命史持續時間平均約為100 min,對流單體的最大反射率因子主要位于與0 ℃層高度差±2.0 km的范圍內,但冰雹云單體總體強于雷雨云單體,且具有發展快、持續時間長、更穩定的特點。

(2)冰雹大小與強回波在融化層高度以上的擴展高度存在一定的對應關系,冰雹大小隨H45、H55的變化而變化,高度越高,冰雹越大,且冰雹云回波最大反射率因子平均值高于0 ℃層高度的最大反射率因子僅為28.6%,冰雹直徑≥10 mm僅有占8.3%,加之對流單體發展成為冰雹云單體的時間僅為30 min,因而總體上不利于大冰雹的形成。

(3)X波段雙偏振天氣雷達能夠較好地反映降水粒子類型,基本符合粒子形狀、大小和相態分布的特點,但應考慮Zdr的正中心區(大雨滴區)和負中心區(冰雹區)的分布特點,以及Zhh、Zdr、Kdp、ρhv等偏振量在粒子相態轉化過程中的相互作用。

(4)貴州威寧對流天氣發生與大氣層結不穩定有關,低層濕度條件較好,易于對流天氣形成,但垂直風切變較弱、不穩定能量偏低,加上中小冰雹下落當中的融化作用,使得貴州威寧具有小冰雹多的特點。

由于冰雹云單體和雷雨云單體宏觀特征量總體上差異較小,要完全區分和識別冰雹云還存在一定困難,因此引入雙偏振雷達觀測是必要的,這對提高冰雹識別準確率和提前量具有重要意義,但這需要建立相應的偏振特征參量識別技術指標,構建更加合理的模糊邏輯識別算法,增加霰粒子識別產品等;同時還需要更精細的雙偏振雷達觀測資料以及地面雨雪雹等觀測資料來做進一步的研究和驗證。