潘佳文 高 麗 魏 鳴 蔣璐璐 蔡 菁

PAN Jiawen1 GAO Li2 WEI Ming3 JIANG Lulu4 CAI Jing5

1. 海峽氣象開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，廈門(mén)市氣象局，廈門(mén)， 361012

2. 臺(tái)州市氣象局，臺(tái)州， 318000

3. 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京信息工程大學(xué)，南京， 210044

4. 寧波市氣象局，寧波， 315012

5. 龍巖市氣象局，龍巖， 364000

1. Laboratory of Straits Meteorology, Xiamen Meteorological Bureau, Xiamen 361012, China

2. Taizhou Meteorological Bureau, Taizhou 318000, China

3. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, NUIST, Nanjing 210044, China

4. Ningbo Meteorological Bureau, Ningbo 315012, China

5. Longyan Meteorological Bureau, Longyan 364000, China

1 引 言

冰雹作為強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展到強(qiáng)盛階段的產(chǎn)物之一，具有突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)展演變迅速、空間尺度小、破壞力強(qiáng)的特點(diǎn)，尤其是直徑超過(guò)2 cm 的大冰雹，其破壞力更強(qiáng)。天氣雷達(dá)自出現(xiàn)以來(lái)，就以其高時(shí)、空分辨率的特點(diǎn)成為研究冰雹的極佳觀測(cè)手段，因此，對(duì)于冰雹的研究一直是雷達(dá)氣象學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題。氣象學(xué)家對(duì)于冰雹的認(rèn)知也隨著天氣雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展而不斷深入。

20 世紀(jì)50 年代，Cook（1958）使用雷達(dá)對(duì)冰雹進(jìn)行觀測(cè)分析。Browning 等（1976）利用雷達(dá)觀測(cè)資料提出了Fleming 超級(jí)單體冰雹增長(zhǎng)模型。Zrni?（1987）發(fā)現(xiàn)了大冰雹的三體散射回波特征（Three-Body Scatter Signature，TBSS），后續(xù)的研究進(jìn)一步證明三體散射是大冰雹存在的充分非必要條件（胡勝等，2015）。

冰雹云內(nèi)部的氣流結(jié)構(gòu)在多普勒天氣雷達(dá)出現(xiàn)后被進(jìn)一步揭示。Battan（1975）利用垂直指向的多普勒雷達(dá)獲得冰雹云內(nèi)部的垂直速度信息。基于雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)，Miller 等（1990）揭示了超級(jí)單體內(nèi)部的冰雹生長(zhǎng)軌跡。Witt 等（1991）研究了雹暴頂部的雷達(dá)徑向速度與最大冰雹粒徑的關(guān)系。

相較于針對(duì)冰雹結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)方面的大量研究，對(duì)于冰雹云物理結(jié)構(gòu)方面的觀測(cè)研究仍然較少。這對(duì)于具有復(fù)雜云物理結(jié)構(gòu)的冰雹云來(lái)說(shuō)，顯得尤為必要。例如：基于單偏振雷達(dá)的觀測(cè)研究總結(jié)出了水平反射率因子Zh≥55 dBz 可作為識(shí)別冰雹的閾值（張培昌等，2018），當(dāng)Zh＜55 dBz 則無(wú)法對(duì)大雨和冰雹進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分，因?yàn)楫?dāng)探測(cè)體積內(nèi)存在較低濃度的大冰雹時(shí)可能產(chǎn)生非常低的Zh值（Straka，et al，2000；Payne，et al，2010）。而在一些小冰雹事件中發(fā)現(xiàn)Zh的數(shù)值僅為40 dBz 左右，遠(yuǎn)低于該閾值（張貴付，2018）。因此，只使用Zh這一參數(shù)尚無(wú)法解決水成物濃度與粒徑的矛盾，二者皆可能導(dǎo)致Zh值的增大或減小。

雙偏振雷達(dá)的出現(xiàn)除了提供了Zh等常規(guī)信息外，還提供了差分反射率因子（Zdr）、相關(guān)系數(shù)（CC）等一系列偏振參數(shù)，這些偏振參數(shù)與降水粒子的相態(tài)、形狀、空間取向和分布等密切相關(guān)，可提供更加全面的冰雹狀態(tài)信息：冰雹的形狀多為表面不規(guī)則的球體，其在下降過(guò)程中受氣流影響發(fā)生翻滾，呈現(xiàn)出近似于各向同性的球形粒子的特性，因此其Zdr值在0 dB 附近；當(dāng)冰雹開(kāi)始融化后，其表面外包水膜從而獲得更扁平的形狀及更穩(wěn)定的取向，其觀測(cè)特征與大雨滴相似，因此具有較高的Zdr值。

這些水成物的偏振特征促進(jìn)了冰雹識(shí)別方法的發(fā)展。Aydin 等（1986）利用雨滴與冰雹在大小和形狀方面的差異，使用Zh和Zdr參數(shù)對(duì)冰雹進(jìn)行識(shí)別。Straka 等（1993）進(jìn)一步提出使用多種偏振參數(shù)的模糊邏輯粒子相態(tài)識(shí)別方法，以區(qū)分冰雹和其他降水粒子。

研究表明：Zdr柱可以提供風(fēng)暴的上升氣流位置和強(qiáng)度信息（潘佳文等，2020a）。Snyder 等（2015）發(fā)現(xiàn)，Zdr柱的伸展高度與最強(qiáng)上升氣流有關(guān)，上升氣流的強(qiáng)弱又與冰雹的生長(zhǎng)潛力相關(guān)（Nelson，1983；Kumjian，2013）。此外，Zdr柱高度的變化要早于最大上升氣流強(qiáng)度的變化（Snyder，et al，2015）。潘佳文等（2020b）利用廈門(mén)S 波段雙偏振雷達(dá)分析了一次導(dǎo)致大冰雹的超級(jí)單體風(fēng)暴，結(jié)果表明：相較于發(fā)展到成熟階段才出現(xiàn)的反射率因子特征，Zdr柱等偏振特征可指示冰雹云的物理和動(dòng)力結(jié)構(gòu)，并對(duì)冰雹云的發(fā)展具有一定的預(yù)示性。

此外，Hubbert 等（2000）觀測(cè)到三體散射具有獨(dú)特的偏振特征，潘佳文等（2020b）的研究也表明三體散射的偏振特征有助于提高對(duì)高空中大冰雹的辨別能力。

劉黎平等（1992）使用C 波段雙偏振雷達(dá)對(duì)冰雹云進(jìn)行了研究。近年來(lái)，隨著S 波段雙偏振雷達(dá)陸續(xù)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，基于雙偏振雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)的冰雹觀測(cè)研究方興未艾（王洪等，2018；馮晉勤等，2018），但目前諸多研究仍以個(gè)例分析為主，對(duì)于研究中發(fā)現(xiàn)的一些結(jié)論是否適用于其他冰雹事件尚缺乏基于較大樣本的定量分析。

目前，中國(guó)正在進(jìn)行天氣雷達(dá)網(wǎng)的雙偏振升級(jí)改造，以進(jìn)一步提高對(duì)冰雹等災(zāi)害天氣的監(jiān)測(cè)、預(yù)警能力。隨著諸多S 波段雙偏振雷達(dá)升級(jí)改造工作的完成，所觀測(cè)到的冰雹事件也日益增多，基于這些觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)雹暴的偏振特征結(jié)構(gòu)及其演變進(jìn)行定量分析的條件也趨于成熟。

使用廈門(mén)、寧波及龍巖3 部S 波段雙偏振雷達(dá)所觀測(cè)到的46 例冰雹數(shù)據(jù)，分析了大冰雹和小冰雹在各高度層的偏振參數(shù)特征、Zdr柱伸展高度及演變、三體散射偏振特征等方面的異同，并探討了這些偏振特征在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。通過(guò)分析，有助于加深對(duì)冰雹發(fā)展過(guò)程的認(rèn)識(shí)，尤其是在雹暴發(fā)展的前期，相關(guān)云物理結(jié)構(gòu)在偏振參數(shù)上的體現(xiàn)，并為今后中國(guó)大范圍使用S 波段雙偏振雷達(dá)進(jìn)行冰雹監(jiān)測(cè)、預(yù)警提供參考。

2 資料及分析方法

2.1 雷達(dá)資料

所用雷達(dá)數(shù)據(jù)分別來(lái)自廈門(mén)（24.5°N，118°E，海拔高度398 m）、寧波（30.07°N，121.55°E，海拔高度458 m）及龍巖（25.06°N，117.19°E，海拔高度1507 m）3 部S 波段雙偏振多普勒雷達(dá)。為確保雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)的可靠性，參考吳翀（2018）所提出的質(zhì)量控制算法，使用相關(guān)系數(shù)及信噪比數(shù)據(jù)對(duì)非氣象回波進(jìn)行了剔除。

2.2 冰雹資料

由于降雹事件具有局地性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短、落區(qū)分散等特點(diǎn)，且缺乏有效的自動(dòng)觀測(cè)手段。借鑒曾智琳等（2019）的方法對(duì)2016 年以來(lái)廈門(mén)、寧波及龍巖3 部雷達(dá)觀測(cè)范圍內(nèi)的降雹事件進(jìn)行了收集整理。冰雹事件的來(lái)源主要包括：（1）由縣、市（區(qū)）級(jí)氣象部門(mén)核實(shí)并通過(guò)中國(guó)氣象局氣象災(zāi)害管理系統(tǒng)上報(bào)的冰雹災(zāi)情直報(bào)信息；（2）通過(guò)查閱文獻(xiàn)，從相關(guān)論文中提取位于上述研究地區(qū)的冰雹事件；（3）根據(jù)官方媒體的災(zāi)情報(bào)道以及微博等新媒體手段發(fā)布的目擊報(bào)告，從中篩選出具有確切照片記錄和實(shí)時(shí)定位信息的冰雹發(fā)生記錄，剔除冰雹尺寸模糊，時(shí)間、地點(diǎn)信息不明確的報(bào)告。

針對(duì)上述3 個(gè)途徑收集到的冰雹事件，使用天氣雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的驗(yàn)證。考慮到冰雹從對(duì)流風(fēng)暴中降落至地面再被目擊的過(guò)程存在一定時(shí)間和空間上的偏差。同時(shí)，Waldvogel 等（1979）的研究表明：降雹時(shí)最大Zh均不低于45 dBz。中外觀測(cè)表明：從觀測(cè)到雹暴內(nèi)的三體散射特征到地面降雹，其時(shí)間間隔約為15 min（張培昌等，2001）。因此，使用?15 min 到+5 min 的時(shí)間窗口，并以45 dBz為閾值對(duì)冰雹報(bào)告地點(diǎn)周邊5 km 范圍內(nèi)的0.5°仰角Zh值進(jìn)行檢索，對(duì)不滿足該時(shí)間窗口、距離范圍與雷達(dá)回波Zh強(qiáng)度的報(bào)告?zhèn)€例進(jìn)行剔除，并記錄雷達(dá)回波強(qiáng)中心位置，用于后續(xù)研究。

經(jīng)過(guò)上述步驟，共篩選出46 例降雹事件?；凇吨腥A人民共和國(guó)冰雹等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 27957—2011）》以冰雹直徑≥2 cm 作為大冰雹的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)上述降雹事件進(jìn)行分類(lèi)，其中大冰雹19 例，小冰雹 27 例。冰雹的位置分布詳見(jiàn)圖1，表1 為冰雹報(bào)告列表。

圖1 冰雹報(bào)告及相關(guān)觀測(cè)設(shè)備站點(diǎn)分布Fig. 1 Distribution of hail reports and observation stations

表1 冰雹報(bào)告列表Table 1 List of hail reports

2.3 提取冰雹偏振參數(shù)數(shù)據(jù)

由于冰雹報(bào)告普遍只提及降雹時(shí)間，缺乏降雹時(shí)長(zhǎng)信息，且冰雹降落前存在時(shí)間長(zhǎng)短不一的醞釀期，因此，基于上述篩查結(jié)果，使用冰雹報(bào)告時(shí)間?15 min 到+5 min 的時(shí)間窗口選取雷達(dá)數(shù)據(jù)，以分析冰雹的偏振參數(shù)特征。

借鑒Ortega 等（2016）的研究方法，選取冰雹事件在時(shí)間、空間尺度上最鄰近的探空站觀測(cè)數(shù)據(jù)，并以0、?10 和?20℃層所在高度為基準(zhǔn)將垂直高度劃分為7 層，具體高度層信息如表2 所示。由于降雹單體在垂直空間上存在連續(xù)性，因此以冰雹報(bào)告地點(diǎn)為中心，在5 km×5 km 的范圍內(nèi)搜索各層仰角的最強(qiáng)Zh點(diǎn)作為冰雹所在位置。根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)所處高度將其歸入對(duì)應(yīng)的高度層中，并提取該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的Zdr及CC 值，記為一組樣本數(shù)據(jù)。需要注意的是，此處的0℃層為濕球溫度0℃（Wet Bulb Zero，WBZ）層，而非探空數(shù)據(jù)中的干球溫度0℃（Dry Bulb Zero，DBZ）層。俞小鼎（2014）的研究表明：相較于干球溫度0℃， 濕球溫度0℃可更準(zhǔn)確地指示冰雹融化層高度，尤其是當(dāng)對(duì)流層中層存在明顯干層時(shí)。

表2 高度層信息 （Hh、H0℃、H?10℃、H?20℃分別表示冰雹、濕球溫度0℃、?10℃及?20℃所在高度）Table 2 Height layer information （Hh，H0℃，H?10℃，H?20℃：heights of hail，WBZ，?10℃ and ?20℃）

2.4 提取Zdr 柱高度信息

通過(guò)提取雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)中的Zdr參數(shù)，經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后將其從極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系，并參考Snyder 等（2015）的Zdr柱識(shí)別算法以獲得Zdr柱的伸展高度。由于大多數(shù)文獻(xiàn)所提及的Zdr柱高度為Zdr≥1 dB 區(qū)域的最大垂直伸展高度，因此，文中沿用這一閾值，以方便跟其他研究成果進(jìn)行比較。此外，根據(jù)Van den Broeke（2016）的研究，選用該閾值可減少噪聲影響。

2.5 粒子相態(tài)識(shí)別算法

使用Park 等（2009）提出的HCA（hydrometeor classification algorithm）粒子相態(tài)識(shí)別算法對(duì)水成物進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別。該算法作為一種較為成熟的技術(shù)，可增進(jìn)對(duì)強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴內(nèi)部微物理結(jié)構(gòu)的了解（潘佳文等，2020a），同時(shí)該算法已被廣泛應(yīng)用于WSR-88D 雙偏振雷達(dá)等諸多業(yè)務(wù)雷達(dá)系統(tǒng)中。

3 雹暴的偏振特征分析

在所分析的諸多冰雹事件中，有些偏振特征在雹暴中不斷重復(fù)出現(xiàn)，如：冰雹的偏振參數(shù)特征、Zdr柱、三體散射偏振特征。由于上述偏振特征具有一定的普適性，因此下文主要針對(duì)這3 點(diǎn)展開(kāi)論述。

3.1 冰雹偏振特征

Straka（1996）發(fā)現(xiàn)，影響粒子相態(tài)識(shí)別準(zhǔn)確率的關(guān)鍵因素在于將偏振參數(shù)上互有重疊的各類(lèi)相態(tài)準(zhǔn)確區(qū)分開(kāi)。然而冰雹的一大特點(diǎn)即粒子尺寸和形狀的分布范圍廣（Knight，1986），這就使得冰雹所對(duì)應(yīng)的偏振參數(shù)存在較大的波動(dòng)。因此，通過(guò)對(duì)各高度層的冰雹偏振特征分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，特別是對(duì)大、小冰雹進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，有助于提升粒子相態(tài)識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確率。

如圖2a 所示，各高度層大冰雹Zh值的中位數(shù)均高于小冰雹。在融化層之上，大冰雹的Zh中位數(shù)比小冰雹高4—5 dBz，這一差值在融化層之下隨高度的降低而減?。▓D3a），大冰雹在下降過(guò)程中Zh數(shù)值的減小幅度要大于小冰雹。大、小冰雹在融化層之下均出現(xiàn)Zh數(shù)值先增后減的現(xiàn)象，這是因?yàn)椋弘S著冰雹的融化形成外包水膜，Zh值先隨著介電常數(shù)的增大而逐漸增大，當(dāng)冰雹表面的水分不斷流散，冰核變小，Zh值也開(kāi)始降低。需要注意的是，大冰雹和小冰雹的Zh數(shù)值分布區(qū)間存在較大的重合區(qū)域。因此，僅憑Zh這一參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分大小冰雹。

圖2 大、小冰雹的水平反射率因子 （a）、差分反射率因子（b）、相關(guān)系數(shù) （c） 在各高度層的分布（箱體為四分位間距框，豎線為中位數(shù)。高度層 1 對(duì)應(yīng)濕球溫度 0℃ 層 3 km 以下，高度層 7 對(duì)應(yīng) ?20℃ 以上，詳見(jiàn)表 2）Fig. 2 Distributions of Zh （a），Zdr （b） and CC （c） in different height intervals for various hail sizes(The boxes mark the interquartile range, and the vertical line marks the median value. Height class 1 corresponds to the（ H0℃?3 km）＞Hh layer, and height class 7 corresponds to the Hh ≥ ?20℃ layer （see Tables 2））

圖3 大冰雹與小冰雹水平反射率因子 （a）、差分反射率因子 （b） 和相關(guān)系數(shù) （c） 中位數(shù)的差值廓線Fig. 3 Profiles of differences in the median values of Zh （a），Zdr （b） and CC （c） between large hail and small hail

由于冰雹的融化將導(dǎo)致其介電常數(shù)、尺寸、密度和形狀等參數(shù)發(fā)生劇烈變化，故冰雹偏振參數(shù)的變化主要集中在融化層之下。大、小冰雹的Zdr數(shù)值在融化層之下都隨著高度降低而增大，小冰雹的Zdr數(shù)值要明顯高于大冰雹（圖2b）。在融化層之上，二者中位數(shù)的差異近乎消失（圖3b）。

在融化層之下，大、小冰雹的CC 數(shù)值均隨高度降低而減?。▓D2c）。這是因?yàn)殡S著冰雹融化，雷達(dá)探測(cè)體積內(nèi)存在混合相態(tài)的降水粒子從而導(dǎo)致CC 值下降。但是大冰雹的CC 數(shù)值中位數(shù)要明顯低于小冰雹（圖3c），這與Balakrishnan 等（1990）的研究結(jié)果一致。

圖4 水平反射率因子和差分反射率因子散點(diǎn)分布 （各高度層如圖2 所示）Fig. 4 Scatter plots of Zh and Zdr （the height classes are the same as that labeled in Fig. 2）

圖4 為各高度層Zh和Zdr的散點(diǎn)分布。可以看到：融化層之上，大、小冰雹的Zh-Zdr分布較為相似。在融化層之下，Zdr＜0 的區(qū)域其Zh值普遍大于60 dBz。大、小冰雹的Zdr值均隨著高度的降低開(kāi)始增大，Zdr為負(fù)值的比例隨高度降低而減少。小冰雹Zdr值增大的幅度要高于大冰雹，說(shuō)明小冰雹比大冰雹融化得更快，其偏振特征值更接近扁平的大雨滴。

在近地層（濕球溫度0℃層3 km 以下），負(fù)Zdr值僅出現(xiàn)在大冰雹中，且Zh≥65 dBz。小冰雹的Zdr均大于0 dB，并呈現(xiàn)出Zdr值隨Zh增大而增大的趨勢(shì)，這與雨滴的Zh-Zdr分布較為類(lèi)似，在小冰雹事件中往往伴隨著短時(shí)強(qiáng)降水。

3.2 Zdr 柱伸展高度及演變

Zdr柱是強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴最顯著的雷達(dá)偏振特征之一，Zdr大值區(qū)預(yù)示著扁平降水粒子的存在，Brandes等（1995）通過(guò)飛機(jī)觀測(cè)證實(shí)Zdr柱內(nèi)存在非常大的雨滴，并常位于主上升氣流附近。潘佳文等（2020a）利用雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果證明了Zdr柱可用于指示上升氣流的存在。較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)能將水成物輸送到負(fù)溫區(qū)，有助于形成凍結(jié)雨滴，凍滴是主要雹胚之一。因此，Zdr柱的存在為冰雹的形成提供了有利條件。

通過(guò)對(duì)46 例降雹事件的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：無(wú)論降大冰雹或是小冰雹，對(duì)流風(fēng)暴內(nèi)的Zdr柱最大伸展高度均超過(guò)?10℃層，根據(jù)Dennis 等（1973）的研究結(jié)果：?10—?20℃是有利于冰雹濕增長(zhǎng)的關(guān)鍵區(qū)域。在大冰雹事件中有83%的對(duì)流風(fēng)暴Zdr柱最大伸展高度可超過(guò)?20℃層，而在小冰雹事件中這一比例僅為46%（圖5）。

圖6 為2019 年4 月22 日廈門(mén)雙偏振雷達(dá)觀測(cè)到的一次大冰雹超級(jí)單體過(guò)程，15 時(shí)36 分（北京時(shí)，下同）在0℃層高度附近存在一個(gè)被強(qiáng)回波（Zh≥45 dBz）包圍的較弱回波（Zh＜45 dBz）區(qū)域（圖6a 箭頭處），以該較弱回波區(qū)域?yàn)橹行拇嬖谝粋€(gè)Zdr大值區(qū)（圖6b 黑色圓圈處）。由圖6d 可知，Zdr大值區(qū)的延伸高度可達(dá)6.0°仰角。沿圖6a 的直線AB（廈門(mén)雙偏振雷達(dá)12°徑向）做垂直剖面，可以發(fā)現(xiàn)此處為超級(jí)單體的有界弱回波區(qū)（Bounded Weak Echo Region，BWER）（圖7a），Zdr柱位于有界弱回波區(qū)的內(nèi)側(cè)（圖7c），并伴有較強(qiáng)的上升氣流（圖7e），由粒子相態(tài)識(shí)別結(jié)果可知（圖7g），此時(shí)超級(jí)單體內(nèi)存在大量的冰雹粒子，說(shuō)明超級(jí)單體已進(jìn)入醞釀期。

圖5 差分反射率因子柱最大伸展高度所處溫度層分布Fig. 5 Temperature layer distribution of the maximum Zdr column height

隨著水成物粒子尺度的增長(zhǎng)，冰雹粒子累積區(qū)向主上升氣流的上、下延伸，Zdr柱的伸展高度也不斷下降，至降雹前的16 時(shí)05 分，Zdr大值區(qū)的伸展高度由15 時(shí)36 分的6.0°仰角降至4.3°仰角。沿圖6e 的直線AB（廈門(mén)雙偏振雷達(dá)23°徑向）做垂直剖面，可以發(fā)現(xiàn)：此時(shí)有界弱回波區(qū)已開(kāi)始坍塌（圖7b），Zdr柱的伸展高度降至?10℃層以下（圖7d），此二者皆表明上升氣流的減弱。圖7f 顯示此時(shí)的徑向速度已出現(xiàn)較大范圍的向下垂直分量，表明氣流的上升速度要小于粒子的下落速度，上升氣流已無(wú)法再托載住冰雹粒子，粒子相態(tài)識(shí)別結(jié)果顯示此時(shí)冰雹已降至低層（圖7h）。16 時(shí)10 分地面降下了大冰雹。

數(shù)值模擬結(jié)果（Kumjian，et al，2014）表明：Zdr柱的發(fā)展高度往往與上升氣流強(qiáng)度成正相關(guān)，對(duì)于強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展具有預(yù)示性。圖8 為一次超級(jí)單體所導(dǎo)致的連續(xù)降雹過(guò)程的Zdr柱演變趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)在3 次降雹事件中Zdr柱的高度極值都早于降雹時(shí)刻出現(xiàn)，即Zdr柱極值出現(xiàn)的時(shí)刻相對(duì)于降雹時(shí)刻具有提前量。為驗(yàn)證該提前量是否具有普適性，并比較其在大、小冰雹事件中的差異，對(duì)所有46 例降雹事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖9 所示：所有降雹事件的Zdr柱伸展高度極值均早于降雹出現(xiàn)，均存在提前量。在大冰雹事件中這一提前量的中位數(shù)為24 min，而在小冰雹事件中這一數(shù)值為11 min。這一數(shù)值差異預(yù)示著大冰雹事件往往具有更長(zhǎng)的醞釀期，使得冰雹得以繼續(xù)增長(zhǎng)。Fraile 等（2001）的研究也發(fā)現(xiàn)更大的冰雹粒徑往往對(duì)應(yīng)更長(zhǎng)的風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間或更高的風(fēng)暴發(fā)展高度。

圖6 2019 年4 月22 日15 時(shí)36 分 （a—d） 和16 時(shí)05 分 （e—h） 廈門(mén)雙偏振雷達(dá)3.3°仰角 （a、b、e、f）、4.3°仰角 （g、h）和6.0°仰角 （c、d）的 水平反射率因子 （a、c、e、g）、差分反射率因子 （b、d、f、h）Fig. 6 Zh （a，c，e，g） and Zdr （b，d，f，h） taken at 3.3° elevation （a，b，e，f），4.3° elevation （g，h） and 6.0° elevation （c，d） at 15:36 BT （a—d） and 16:05 BT （e—h） 22 April 2019

圖7 2019 年4 月22 日廈門(mén)雙偏振雷達(dá)15 時(shí)36 分 （a、c、e、g） 沿12°徑向和16 時(shí)05 分 （b、d、f、h） 沿23°徑向水平反射率因子 （a、b）、差分反射率因子 （c、d）、徑向速度 （e、f） 和粒子相態(tài)識(shí)別 （g、h）的垂直剖面Fig. 7 Vertical cross sections of Zh （a，b），Zdr （c，d），Vr （e，f） and HCA （g，h） along the 12° azimuth at 15:36 BT （a，c，e，g）and along the 23° azimuth at 16:05 BT （b，d，f，h） from Xiamen dual polarization radar observations on 22 April 2019

需要注意的是，在同一對(duì)流風(fēng)暴所導(dǎo)致的多次降雹事件中Zdr柱的伸展高度常發(fā)生反復(fù)。如圖8所示，2019 年3 月21 日寧波雷達(dá)觀測(cè)到一次導(dǎo)致3 次降雹的長(zhǎng)歷時(shí)超級(jí)單體，可以發(fā)現(xiàn)在3 次降雹前，Zdr伸展高度均達(dá)到極值后開(kāi)始下降，在前兩次降雹后期Zdr柱均再度發(fā)展并出現(xiàn)極值。在所統(tǒng)計(jì)的冰雹事件中，共有4 次連續(xù)降雹過(guò)程，均呈現(xiàn)出這一特征，對(duì)流風(fēng)暴內(nèi)部上升氣流的再次增強(qiáng)使得冰雹得以再度生長(zhǎng)和維持。

3.3 三體散射偏振特征

三體散射現(xiàn)象是冰雹事件中常見(jiàn)的虛假雷達(dá)回波，其原因在于雷達(dá)波束在大水成物粒子與地面之間進(jìn)行多次反射，最終返回雷達(dá)天線，并在大水成物的遠(yuǎn)側(cè)無(wú)回波區(qū)處呈現(xiàn)弱的虛假回波。

以往的研究表明：三體散射常出現(xiàn)在大冰雹事件中，進(jìn)而得出三體散射是判斷大冰雹事件的充分非必要條件。在研究的46 例降雹事件中，19 例大冰雹事件中有9 例出現(xiàn)了三體散射現(xiàn)象，其余10 例未能發(fā)現(xiàn)三體散射的存在，究其原因在于：在Zh強(qiáng)中心的后側(cè)存在大范圍的較強(qiáng)降水回波，導(dǎo)致無(wú)法清楚判別是否存在三體散射現(xiàn)象。這與胡勝等（2015）的研究結(jié)果類(lèi)似。此外，在27 例小冰雹事件中有8 例出現(xiàn)了三體散射現(xiàn)象，且Zh強(qiáng)中心高度皆位于0℃層之上。

圖8 2019 年3 月21 日寧波雙偏振雷達(dá)觀測(cè)到的降雹超級(jí)單體差分反射率因子柱高度時(shí)序Fig. 8 Time series of Zdr column height observed by Ningbo dual polarization radar for a hail-producing supercell on 21 March 2019

圖9 差分反射率因子柱高度極值相對(duì)于降雹時(shí)間的提前量 （黑色點(diǎn)為箱體圖所用數(shù)據(jù)）Fig. 9 Lead time of the maximum Zdr column height that occurred prior to hail reports（Black dots indicate data used in boxplot）

圖10 2019 年4 月26 日13 時(shí)49 分龍巖雙偏振雷達(dá)0.5° 仰角水平反射率因子（a）、差分反射率因子（b）和相關(guān)系數(shù)（c）Fig. 10 Zh （a）， Zdr （b） and CC （c） from Longyan dual-polarization radar taken at 0.5° elevation at 13:49 BT 26 April 2019

即使針對(duì)同一個(gè)對(duì)流風(fēng)暴進(jìn)行探測(cè)，由于觀測(cè)角度的不同，各雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果也會(huì)存在差異。圖10a 和圖11a 分別為龍巖和廈門(mén)雷達(dá)在相近時(shí)刻對(duì)同一對(duì)流風(fēng)暴的觀測(cè)結(jié)果，該對(duì)流風(fēng)暴在廣東省饒平縣降下了大冰雹?？梢园l(fā)現(xiàn)：龍巖雷達(dá)觀測(cè)到明顯的三體散射現(xiàn)象，但廈門(mén)海滄雷達(dá)卻由于Zh強(qiáng)中心后側(cè)存在大范圍的降水回波而未能識(shí)別出三體散射。需要注意的是，無(wú)論廈門(mén)海滄雷達(dá)還是龍巖雷達(dá)，在其Zh強(qiáng)中心的遠(yuǎn)端皆存在Zdr數(shù)值驟增并隨距離增加迅速減小（圖10b、11b）、CC 值明顯降低的現(xiàn)象（圖10c、11c），此即三體散射的偏振特征。此外，Zdr驟增區(qū)域與Zh強(qiáng)中心的距離，與Zh強(qiáng)中心距地面高度接近。這是因?yàn)椋篢BSS 中的Zdr數(shù)值與自地面反射回冰雹的水平/垂直波束入射角度密切相關(guān)，入射角越小Zdr值越大。因此，Zdr驟增區(qū)域與冰雹核心的距離常與冰雹核心距地面高度一致（Picca，et al，2012）。

通過(guò)結(jié)合三體散射偏振特征進(jìn)行判別，19 例大冰雹事件皆可識(shí)別出三體散射，而27 例小冰雹事件中僅有14 例識(shí)別出三體散射，仍有13 例未能發(fā)現(xiàn)三體散射及其偏振特征。Kumjian 等（2010）的研究表明：較小的冰雹不足以產(chǎn)生足夠的向下散射能量進(jìn)而導(dǎo)致三體散射偏振特征。

圖11 2019 年4 月26 日13 時(shí)46 分廈門(mén)雙偏振雷達(dá)1.5° 仰角水平反射率因子（a）、差分反射率因子（b）和相關(guān)系數(shù)（c）Fig. 11 Zh （a）， Zdr （b） and CC （c） from Xiamen dual-polarization radar taken at 1.5° elevation at 13:46 BT 26 April 2019

4 結(jié)論與討論

利用廈門(mén)、寧波及龍巖3 部S 波段雙偏振雷達(dá)所觀測(cè)到的46 例冰雹數(shù)據(jù)，從各高度層冰雹偏振參數(shù)特征、Zdr柱伸展高度及演變、三體散射偏振特征等3 個(gè)方面進(jìn)行分析，并對(duì)比上述偏振特征在大、小冰雹事件中的異同之處，探討了這些偏振特征在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。主要結(jié)論如下：

（1）大冰雹的Zh中位數(shù)要高于小冰雹，二者的Zh分布存在較大重合區(qū)域，因此僅憑Zh這一參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分冰雹的尺寸。

（2）冰雹偏振參數(shù)的變化主要集中在融化層之下，大冰雹事件相比小冰雹事件具有更小的Zdr和CC 值。小冰雹事件Zdr隨高度降低的增大幅度要大于大冰雹事件，近地層Zdr負(fù)值僅出現(xiàn)在大冰雹事件中。

（3）所有雹暴的Zdr柱最大伸展高度都能達(dá)到?10℃層。在大冰雹事件中，有83%的雹暴Zdr最大伸展高度可超過(guò)?20℃層，在小冰雹事件中這一比例僅為46%。

（4）Zdr柱高度的演變對(duì)于雹暴的發(fā)展具有預(yù)示性，特別是在多次降雹過(guò)程中，Zdr柱的再度發(fā)展預(yù)示雹暴的再次增強(qiáng)。Zdr柱高度極值相對(duì)于降雹具有提前量，在大冰雹事件中這一提前量的中位數(shù)為24 min，而在小冰雹事件中這一數(shù)值為11 min。

（5）三體散射的偏振特征有助于提升對(duì)高空冰雹的識(shí)別能力，尤其是當(dāng)冰雹核的后側(cè)存在其他降水回波時(shí)。在所統(tǒng)計(jì)的19 例大冰雹事件中均發(fā)現(xiàn)有三體散射偏振特征，小冰雹事件中同樣可發(fā)現(xiàn)三體散射偏振現(xiàn)象，出現(xiàn)比例為52%。對(duì)于S 波段雷達(dá)而言，三體散射現(xiàn)象是高空存在大冰雹的重要指標(biāo)，在小冰雹事件中出現(xiàn)三體散射偏振現(xiàn)象，其原因可能有：①高空中的大冰雹在下落過(guò)程中融化成小冰雹；②在小冰雹事件中存在大冰雹粒子落地現(xiàn)象，但其落區(qū)不在人口密集區(qū)內(nèi)，未被觀測(cè)到。

需要指出的是，文中有關(guān)溫度的討論均基于環(huán)境探空時(shí)段的溫度廓線，與雷達(dá)探測(cè)時(shí)雷暴內(nèi)部的溫度廓線存在差異，例如：雷暴內(nèi)部的上升氣流溫度要高于同高度的環(huán)境溫度，這也是Zdr柱出現(xiàn)的主要原因之一。同時(shí)，現(xiàn)有的天氣雷達(dá)的體掃時(shí)間間隔較長(zhǎng)，且仰角層次較少，因此對(duì)于Zdr柱高度的估計(jì)及其極值相對(duì)降雹提前量的統(tǒng)計(jì)都難免存在偏差。

此外，文中使用的研究數(shù)據(jù)仍較為有限，且都來(lái)自S 波段雙偏振雷達(dá)，上述結(jié)論是否適用于其他波長(zhǎng)的雙偏振雷達(dá)?有何異同之處?仍有待日后進(jìn)行驗(yàn)證。