崔夢雪 張晗昀 張 偉 鄭 輝 陳德花

(1.海峽氣象開放實驗室，福建 廈門 361012；2.廈門市氣象臺,福建 廈門 361012)

冰雹、雷暴大風、短時強降水等強對流天氣大多是由強風暴產生，超級單體風暴作為其中發(fā)展最為旺盛的對流風暴系統(tǒng)，一直是氣象學重要的研究對象之一。20世紀60年代，Browning等[1]對超級單體風暴做了很多開創(chuàng)性的研究。隨著多普勒天氣雷達在研究中的應用，超級單體風暴的旋轉特性被充分揭示。Browning[2]建議重新定義超級單體風暴為具有中氣旋的對流單體；Doswell等[3]指出，具有深厚持久的中氣旋的對流風暴才是超級單體，得到了廣泛認可。隨后，大量研究驗證了超級單體的形態(tài)特征，如鉤狀回波、弱回波區(qū)或有界弱回波區(qū)和懸垂回波等特征。

過去大量研究多集中于超級單體風暴的結構描述，而對其云物理過程缺乏有效觀測手段。自Seliga等[4]1976年提出雙偏振探測理論之后，雙偏振雷達探測技術日益完善，在研究云內粒子相態(tài)、識別冰雹云等方面有較好的應用價值。超級單體風暴中包含多種降水粒子，云物理過程更加復雜，在偏振觀測中有許多獨特的現(xiàn)象。Hall等[5]觀測到對流風暴中存在差分反射率因子(ZDR)柱。Loney等[6]在超級單體風暴中觀測到了差分傳播相移(KDP)柱。Balakrishnan等[7]研究表明，隨著冰雹尺寸增大，相關系數(shù)會變小。劉黎平等[8]指出，負ZDR對應大冰雹區(qū)。Kumjian等[9]總結了超級單體風暴的偏振觀測特征：ZDR弧、 ZDR柱、KDP柱和CC環(huán)，得到大量證實[10]。上述研究和結論對開展強對流天氣成因分析和監(jiān)測預警發(fā)揮了重要作用。

2019年5月16日下午閩南地區(qū)出現(xiàn)了短時強降水、雷暴大風等強對流天氣，漳州龍海最大小時降水量達76.4mm，廈門同安出現(xiàn)19.1m/s(8級)陣風。

雷達監(jiān)測表明，這次過程主要是由3個強風暴引起，其中最強的單體是非常典型的超級單體風暴，并于17∶02顯示冰雹強回波及地，但此次過程實況未監(jiān)測到冰雹，分析可能是降雹點位于漳州華安縣碧溪村山區(qū)，人口稀少缺乏觀測。因此，本文利用雙偏振多普勒天氣雷達和常規(guī)觀測資料，從天氣背景、回波演變和偏振特征等方面，對該超級單體進行分析。

圖1 2019年5月16日閩南地區(qū)超級單體風暴路徑

1 資料來源及說明

廈門海滄S波段雙偏振多普勒天氣雷達位于廈門市海滄區(qū)蔡尖尾山(24.5°N，118°E)，于2016年6月開始試運行，是我國首部雙發(fā)雙收的雙偏振雷達(即同步發(fā)射和接收水平偏振波和垂直偏振波)，相較于新一代多普勒天氣雷達，其徑向分辨率由 1000m 提升到 250m，可提供更為精細的回波結構，雷達參數(shù)詳見表1。

表1 海滄雙偏振雷達主要參數(shù)

2 天氣形勢

15日20時500hPa高空圖上，副熱帶高壓控制整個華南地區(qū)，閩南位于588線邊緣，華北黃淮有冷切南下，16日08時福建上空有溫度槽生成，700hPa江淮切變線從川東延伸到安徽中部。850hPa江蘇南部有低渦形成，華南地區(qū)西南氣流加大，850hPa到925hPa增溫明顯。200hPa南亞高壓位于中南半島，閩南處于南亞高壓東側分流輻散區(qū)。這種高低層配置為強對流提供了有利的動力抬升條件，同時上冷下暖層結進一步加劇了對流不穩(wěn)定形勢。地面上14時福建處于低壓倒槽暖區(qū)內，午后閩南地區(qū)地面氣溫上升至32℃，廣東東部為西南風，福建沿海為東南風，兩支氣流在閩南交匯，形成的輻合線有利于閩南午后對流的發(fā)展。

圖2 2019年5月16日08時中尺度天氣分析

3 強對流發(fā)生發(fā)展條件分析

16日08時汕頭站與廈門站探空呈上干下濕結構(圖3)，汕頭站對流有效位能達2614J/kg，用最不穩(wěn)定層訂正之后達3120J/kg，廈門站08時對流有效位能為849J/kg，訂正后達到2095J/kg，為強對流的發(fā)生提供了有利的不穩(wěn)定條件。廈門站近地面存在逆溫層結，配合地面加熱，利于不穩(wěn)定能量的累積。汕頭站與廈門站0℃層高度為5.0km，-20℃層高度分別為8.4km、8.3km，高度較高，與5月中旬溫度較高有關，冰雹發(fā)展需要的上升運動更強，同時在下落過程中出現(xiàn)融化難以產生強冰雹的可能性較大，但在云體發(fā)展過程中也可能出現(xiàn)局地0℃層高度的降低。從垂直風切變看，汕頭站與廈門站0～6km垂直風切變在14m/s，切變值在2.3×10-3s-1，為中等強度垂直風切變，較利于對流組織化發(fā)展。配合低層風隨高度順轉，有暖平流，高層風隨高度逆轉，有冷平流，這種高低空配置有利于強對流天氣過程的發(fā)生發(fā)展。

(a)汕頭站 (b)廈門站圖3 2019年5月16日08時探空

4 雷達回波演變特征

2019年5月16日14∶32該風暴在廣東大埔生成，之后向東偏北方向移動進入福建。15∶58回波中心強度達到65dBz，強中心出現(xiàn)在3～4km高度，在速度圖上,1.5°、2.4°仰角上出現(xiàn)旋轉特征，旋轉速度為10 m/s，達不到中氣旋標準，此后強回波及中氣旋緩慢向上擴展。

16∶50回波前側反射率因子梯度加大，低層左前側出現(xiàn)勾狀回波特征，并伴有左前側入流與右前側出流V型缺口(圖4b、4d)，強中心向上伸展到5～12km高度(-30℃～0℃)，剖面圖上可以看到反射率因子從低到高向低層入流方向傾斜的特征，有明顯有界弱回波區(qū)和懸垂回波(圖5e)。VIL達58.5 kg·m-2，9.9°仰角上三體散射長達36km。速度圖上有明顯的中氣旋特征(圖4h)，伸展高度達6km，6°仰角上轉動速度為14m/s，中氣旋半徑8km，距離雷達50km，根據(jù)中氣旋判定標準為弱中氣旋標準，綜合判斷16∶50前后強對流風暴發(fā)展成為超級單體。16∶56超級單體強度達到頂峰，最大反射率因子達76.5 dBz，強中心高度在2～9km，較前時次有所下降，三體散射最長達40km(圖8a)。

17∶02強回波質心下降明顯，中氣旋特征消失，0.5°仰角上(0.8km高度)回波強中心反射率因子達68.5dBz(圖4c)，表明冰雹已經降至相當?shù)偷母叨取?7∶07 回波呈團狀，低層入流缺口消失，強回波高度下降，三體散射長度大大減小，垂直積分液態(tài)水含量迅速下降。隨后該回波與前側強回波合并，低層入流切斷強度減弱，逐漸形成多單體風暴向東北方向移動，經廈門同安，19時之后消失在泉州南安，共維持4個多小時。

此次超級單體風暴回波強度強，但觀測中沒有出現(xiàn)冰雹，這里有兩種可能性，一種是的確沒有下大冰雹，第二種可能性是下了大冰雹但沒有被觀測到。Witt等[11]認為，判斷大冰雹的主要判據(jù)是檢驗-20℃高度上有無超過45 dBz的反射率因子核。此次過程8km(-20℃高度)以上反射率因子核強度超過65 dBz，最強反射率因子超過75 dBz，這么強的回波只有大冰雹才能產生。Lemon[12]指出，三體散射的出現(xiàn)是大冰雹存在的充分條件和非必要條件，三體散射出現(xiàn)后10～30分鐘往往會產生最大的地面降雹和大風。此次過程三體散射長釘最長達40km，均支持大冰雹存在的可能。且17∶02大于60 dBz的回波區(qū)域一直延伸到距地面1km以內，0.5°仰角上(0.8km高度)回波反射率因子達到68.5dBz，在距地面1km距離內完全融化的可能性較小，但實況未監(jiān)測到冰雹，綜合考慮可能是降雹點位于漳州華安縣碧溪村山區(qū)，人口稀少缺乏觀測。

圖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)仰角徑向速度

5 雙偏振特征分析

雙偏振雷達在粒子相態(tài)識別上有顯著優(yōu)勢，對冰雹落地之前是否完全融化還是部分融化的可能性進行判斷，下面將通過分析風暴的雙偏振特征，進一步判斷降水粒子的形狀、相態(tài)等特征。

5.1 差分反射率因子ZDR特征演變

差分反射率因子ZDR是水平極化雷達反射率因子ZH與垂直極化雷達反射率因子ZV之比的對數(shù)，反映粒子的形狀、空間取向及相態(tài)信息。對于冰雹而言，其尺寸較大，形狀不規(guī)則，在下落過程中會出現(xiàn)上下翻滾，ZDR趨于甚至小于0，負ZDR是冰雹區(qū)的特征，同時ZH一般很大[16]。

在風暴初生發(fā)展階段，雷達反射率因子ZH<60dBz，ZDR在1～4dB(圖5a)，表明單體內以水滴為主，從垂直剖面可以看到，單體發(fā)展高度較低，內部大部以小雨滴為主，但是在垂直發(fā)展最為旺盛的區(qū)域，ZDR可達4～5dB(圖5g)，可能是暖云降水的碰撞與合并過程產生的大雨滴。風暴成熟階段，單體中高層(距地面6～11km)ZH>60dBz，ZDR值在-1～1dB(圖5h)，說明單體內部已經有冰雹的存在，而在回波穹隆，存在ZDR>4dB的大值區(qū)，可能是極少量融化的冰相粒子下落過程中重新卷入上升運動區(qū)，在回波墻附近ZH與ZDR同時較大，可能是一部分冰雹在下落—上升的往復過程中逐漸遠離強上升氣流區(qū)時，融化成大雨滴或外包水膜的冰雹并在回波墻附近下落。降雹階段，0.5°仰角上(距地面0.8km)回波中心ZH>60dBz，ZDR在零值附近(圖5c)，表明冰雹可能已經降落到地面但范圍較小。在剖面圖上ZDR<0區(qū)域高度大大降低(圖5i)，17∶10長泰陳巷鎮(zhèn)10min降水10.6mm，氣溫下降1.6℃。

5.2 ZDR弧與ZDR柱

圖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，黑色等值線：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)是超級單體最明顯的低層偏振特征，往往出現(xiàn)在前側下沉氣流(Forward Flank Downdraft，簡稱FFD)的南側，為一條細長而淺薄的帶狀回波[9]。數(shù)值模式認為，ZDR弧與超級單體的粒子分選機制有關，小粒子相較于大粒子擁有較小的下落末速度，被平流輸送的距離要比大粒子更遠，導致大粒子主要出現(xiàn)在FFD南側。此次過程中，在超級單體成熟及降雹階段，在低層FFD東側邊界存在3～4dB的弧狀ZDR大值帶(圖5b)，同時也是水平反射率因子梯度較大的區(qū)域。該弧狀ZDR大值帶較為淺薄，僅出現(xiàn)在0.5°～2.4°仰角，即距地面2km以下，這與潘佳文等[13]的研究一致。從粒子相態(tài)識別看，ZDR弧上主要由大雨滴構成，應證了超級單體的粒子分選機制。不同的是，Kumjian等[9]研究認為，北美地區(qū)的ZDR弧主要位于FFD南邊界，而此次超級單體ZDR弧則位于FFD東側邊界，這主要與環(huán)境風場差異有關[14]。從時間上來看，16∶45在1.5°仰角上已出現(xiàn)ZDR弧特征，而此時回波仍為多中心結構，未形成鉤狀回波的特征，下一時刻16∶50鉤狀回波形成，單體發(fā)展成為超級單體風暴，表明ZDR弧的出現(xiàn)對超級單體的形成有較好的預示性。

ZDR柱與上升氣流有關，位于雹暴的入流側或者上升氣流邊緣，即有界弱回波區(qū)或入流缺口，是雨滴被上升氣流帶入云中較冷的區(qū)域后凍結且失去取向穩(wěn)定導致的ZDR值迅速降低[14]。在單體發(fā)展旺盛及成熟階段，可以觀測到ZDR>1dB的柱狀回波，伸展高度可到6～7km左右(圖5h)，超過濕球溫度0℃層高度(5km)，表明有強上升氣流存在。而在單體降雹階段，ZDR柱消失，在濕球溫度0℃層高度，ZDR降低到0dB以下，預示著冰雹粒子的降落。分析表明ZDR柱與強上升氣流有很好的對應關系。研究ZDR柱與ZDR弧的位置發(fā)現(xiàn)，兩者并不重合，ZDR柱出現(xiàn)在前側入流缺口(Front Inflow Notch，簡稱FIN)，而ZDR弧出現(xiàn)FFD東側邊界。

5.3 相關系數(shù)特征演變

相關系數(shù)(CC)是反映一次脈沖累積時間段內水平和垂直極化脈沖相似程度的測量值，大小與粒子的軸比、傾斜角、形狀不規(guī)則性以及相態(tài)有關，一般大部分氣象回波CC值高于0.95，小冰雹CC值一般在0.9～0.95，大冰雹和冰水混合區(qū)CC值低于0.9[9]。

在單體發(fā)展初期，低層CC>0.98(圖6a)，中上層(距地面4～7km)CC值降到0.9～0.95(圖6d)，粒子分類顯示以霰和干雪為主。單體成熟階段，0.5°仰角上開始出現(xiàn)0.92～0.95的CC低值區(qū)(圖6b)，表征著強烈的入流區(qū)，中層未見明顯的CC環(huán)結構。Kumjian等[9]認為，超級單體低層強入流常造成地面樹葉、雜草、昆蟲等被吸入上升氣流，與降水粒子混合在一起造成超級單體低層入流區(qū)附近CC值降低。在垂直剖面圖上(圖6e)，回波穹隆CC值為0.6～0.85，表征強上升氣流帶來的非氣象回波混合，穹隆上方(距地面6～9km)CC值在0.85～0.9之間，ZDR在-1～4dB之間，表明大冰雹和冰雹外包水膜混合，而在回波頂(距地面9～14km)CC>0.9，ZDR在-1～1dB之間，粒子分類表明以霰和冰晶為主。單體降雹階段，0.5°仰角上(距地面0.8km)反射率因子核區(qū)域CC低至0.85(圖6c)，出現(xiàn)0.85～0.9的CC低值區(qū)，同時ZH>60dBz，ZDR在0dB附近，表明大冰雹降至相當?shù)偷母叨取C降低主要是冰雹粒子的外包水膜、冰粒和水滴的不同尺寸、不同軸比混合在一起以及冰雹在下落過程中的翻滾，水平和垂直偏振信號相關性較差[15]。從垂直剖面圖上同樣可以看到，1km高度處有0.85～0.9的CC低值區(qū)(圖6f)，預示著冰雹降至地面，在距地面2～5km高度CC值在0.85～0.95之間，向下迅速增加到0.95以上，應為大冰雹在下落過程中部分融化為大雨滴或外包水膜的冰雹，但仍有小部分冰雹到達地面。

圖6 16∶27(a,d)、16∶50(b,e)、17∶02(c,f)0.5°仰角相關系數(shù)(a～c,黑色等值線：30、40、50、60dBz水平反射率因子)、相關系數(shù)剖面(d～f)

5.4 差分傳播相移KDP

差分傳播相移KDP是指水平極化脈沖與垂直極化脈沖傳播常數(shù)差，表征不同偏振的傳播路徑上，因傳播系數(shù)不同引起的相位變化，冰雹的KDP值在0附近[16]。由于KDP產品與CC相關，當CC<0.9時，不計算KDP產品，KDP產品會出現(xiàn)一些“空洞”，因此KDP產品在分析冰雹演變時存在缺陷[10]。在單體發(fā)展階段，KDP值在0.5～3.6°/km(圖7a)。成熟階段單體低層KDP值增大(圖7b)，表明了雨滴的增長，而中上層(距地面6～11km)KDP<0°/km，判斷該區(qū)域有冰雹。降雹階段，0.5°仰角上出現(xiàn)KDP“空洞”(圖7c)，“空洞”周圍為KDP大值區(qū)，外圍KDP較小，表明近降雹區(qū)周圍為大雨滴區(qū)，而回波外圍為小雨滴。

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

5.5 三體散射長釘雙偏振特征

三體散射是雷達發(fā)射的電磁波一部分被冰雹向四周散射，其中散射到地面的電磁波經地面反射后，部分能量再次被冰雹散射回雷達天線形成。16∶45～17∶02單體出現(xiàn)明顯三體散射，其中16∶56回波強度達到最強，9.9°仰角上三體散射長度達到40km(圖8a)，回波強度最強達到25dBz。在ZDR圖上表現(xiàn)為靠近強回波一側ZDR>5dB的大值區(qū)與遠離強回波一側ZDR在-4～0dB的低值區(qū)(圖8b)，在CC圖上表現(xiàn)為低于0.8的非氣象回波(圖8c)。

圖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)及相關系數(shù)分布(c)

6 結論與討論

(1)此次超級單體風暴發(fā)生在高空冷槽入侵副高外圍，地面暖倒槽內午后增溫明顯，東南、西南兩支氣流在閩南地區(qū)輻合的形勢下，配合高的對流有效位能，上干下濕層結，中等垂直風切變，有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展。

(2)超級單體成熟階段，低層出現(xiàn)鉤狀回波結構，單體左前側和右前側出現(xiàn)V型缺口，分別表征左前側入流與右后側出流，這與經典超級單體低層入流常位于右后側有所不同?；夭ㄗ畲蠓瓷渎室蜃舆_到76.5dBz，三體散射明顯，伴有弱中氣旋生成，垂直剖面上呈現(xiàn)出明顯的有界弱回波區(qū)和回波懸垂。

(3)偏振觀測表明，在單體成熟階段，低層出現(xiàn)表征強入流的CC低值區(qū)(0.92～0.95)；回波墻附近ZH與ZDR同時較大，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之間，應為少量大雨滴或外包水膜的冰雹與強上升氣流帶來的非氣象回波混合；回波頂(距地面9～14km)CC>0.9，ZDR在-1～1dB之間，粒子分類表明以霰和冰晶為主。冰雹的水平反射率因子大、差分反射率因子與差分傳播相移在零值附近，相關系數(shù)低(0.85～0.9)。

(4)在超級單體低層FFD東側邊界附近(也是水平反射率因子梯度較大的區(qū)域)觀測到細長而淺薄的ZDR弧，主要由大雨滴構成，其形成早于鉤狀回波的出現(xiàn)，對超級單體的形成有較好的預示性。ZDR柱出現(xiàn)在FIN，表征強上升氣流的存在，對單體發(fā)展有較好的指示性。ZDR柱與ZDR弧位置并不重合。

(5)三體散射雙偏特征表現(xiàn)為靠近強回波一側ZDR>5dB的大值區(qū)與遠離強回波一側ZDR在-4～0dB的低值區(qū)，在CC圖上表現(xiàn)為低于0.8的非氣象回波。

需要指出的是，本文僅是對一次超級單體過程的個例分析，上述偏振特征以定性分析為主，粒子分類方式也是雷達業(yè)務應用上的HCL粒子分類算法，未進行本地化的粒子分類研究。未來仍需更多的個例分析與統(tǒng)計分析，以獲得強對流天氣中偏振特征的定量關系，并開展本地化粒子分類方法研究，為雙偏振雷達的業(yè)務運用提供更好的參考。