刁秀廣 李 芳 萬夫敬

1)(山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實驗室， 濟(jì)南 250031) 2)(山東省氣象臺， 濟(jì)南 250031) 3)(山東省濟(jì)寧市氣象局， 濟(jì)寧 272000) 4)(山東省青島市氣象局， 青島 266003)

引 言

雙偏振天氣雷達(dá)可用于觀測氣象目標(biāo)物形狀、大小、軸取向等平均散射特性，并由此推斷強(qiáng)對流風(fēng)暴特別是超級單體風(fēng)暴的微物理結(jié)構(gòu)。不同環(huán)境物理量，如濕度廓線、風(fēng)場廓線隨高度的變化等，可導(dǎo)致不同的風(fēng)暴強(qiáng)度結(jié)構(gòu)及不同的微物理結(jié)構(gòu)[1-5]。用于推斷和評估強(qiáng)風(fēng)暴微物理特征的雙偏振變量主要包括水平極化反射率因子(ZH)、差分反射率(ZDR)、比差分相移(KDP)、相關(guān)系數(shù)等[6-8]，差分反射率柱、比差分相移柱和低層差分反射率弧是超級單體風(fēng)暴的典型偏振特征。差分反射率柱是環(huán)境0℃層高度以上、風(fēng)暴上升氣流區(qū)內(nèi)差分反射率相對較大(一般大于1 dB)的區(qū)域，大的液態(tài)粒子或濕冰粒子(扁平形態(tài))可導(dǎo)致差分反射率增強(qiáng)，差分反射率柱的高度與上升氣流強(qiáng)度密切相關(guān)，差分反射率柱的面積范圍是上升氣流寬度的度量[9-14]。超級單體風(fēng)暴低層前側(cè)入流區(qū)常出現(xiàn)較大的差分反射率區(qū)(一般大于3 dB)，即差分反射率弧，表現(xiàn)為大的液態(tài)粒子和(或)融化的冰粒子[8,15-17]。比差分相移柱是環(huán)境0℃層高度以上比差分相移相對較大(一般大于0.75°·km-1或1°·km-1)區(qū)域，以較高濃度小的和中等大小雨滴或融化的冰粒子(1～4 mm)為主，常與下沉氣流區(qū)相關(guān)[18-22]。

國內(nèi)強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴偏振特征與國外研究結(jié)果基本一致：低層存在明顯入流缺口，入流區(qū)一側(cè)存在明顯差分反射率弧，環(huán)境0℃層高度以上存在明顯差分反射率柱和比差分相移柱，且二者頂部呈分離狀態(tài)，風(fēng)暴中層強(qiáng)上升氣流區(qū)存在明顯的差分反射率環(huán)[23-29]。風(fēng)暴低層強(qiáng)冰雹區(qū)雙偏振特征不盡相同。相對較干的冰雹在下落時雜亂無章地翻滾，統(tǒng)計意義上類似于球形，差分反射率接近于0，比差分相移非常小，相關(guān)系數(shù)較大；對于融化時的冰雹粒子，由于水膜作用，其差分反射率可以達(dá)到或超過大雨滴，比差分相移明顯增大，相關(guān)系數(shù)降級；對于特大冰雹(直徑5 cm以上)，由于共振散射和附加的后向散射位相差會導(dǎo)致雙極化參數(shù)出現(xiàn)一些奇異現(xiàn)象，如差分反射率為負(fù)值，相關(guān)系數(shù)降級[8,12,26-30]。依據(jù)冰雹、液態(tài)雨滴等不同氣象目標(biāo)物典型雙偏振特征，運(yùn)用模糊邏輯算法可識別粒子相態(tài)，識別風(fēng)暴內(nèi)冰雹和大冰雹區(qū),改進(jìn)定量降水估測[31-36]。

2020年6月25日河北省保定市多地遭受強(qiáng)冰雹天氣，蠡縣受災(zāi)最為嚴(yán)重并出現(xiàn)直徑50 mm以上特大冰雹。2021年7月9日山東省濟(jì)南市章丘區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)冰雹天氣，最大冰雹直徑為68 mm。兩次強(qiáng)冰雹天氣均由超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生，天氣形勢相似，環(huán)境物理量有所差別，該情況下超級單體風(fēng)暴偏振特征及微物理特征是否存在異同，目前國內(nèi)報道較少。利用石家莊和濟(jì)南雙偏振雷達(dá)探測資料，結(jié)合天氣實況資料，對比兩次強(qiáng)對流天氣環(huán)境物理量及強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴偏振特征的異同，以期提高對強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴偏振參量所反映的動力機(jī)制和微物理結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，為更好地利用雙偏振雷達(dá)資料提升強(qiáng)冰雹預(yù)警能力提供技術(shù)支撐。

1 天氣實況及天氣背景

1.1 資 料

探空資料包括2020年6月25日08:00(北京時，下同)邢臺探空資料和2021年7月9日08:00章丘探空資料。邢臺探空站位于蠡縣強(qiáng)冰雹區(qū)西南方，距離約185 km。章丘探空站處于章丘強(qiáng)冰雹區(qū)內(nèi)。

S波段雙偏振雷達(dá)資料包括石家莊和濟(jì)南雷達(dá)資料，分辨率為250 m，利用雷達(dá)資料分析強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴雙偏振結(jié)構(gòu)特征，定性解釋微物理特性。石家莊雷達(dá)站距離蠡縣強(qiáng)冰雹區(qū)約85 km，濟(jì)南雷達(dá)距離章丘強(qiáng)冰雹區(qū)約75 km。

1.2 天氣實況

2020年6月25日17:00—19:00河北省保定市的滿城、清苑、蠡縣及滄州市的蕭寧等地先后遭受強(qiáng)冰雹襲擊。17:09滿城氣象站冰雹直徑為9 mm，17:32保定氣象站冰雹直徑為9 mm，18:46蕭寧氣象站冰雹直徑為35 mm，同時多站出現(xiàn)7～9級陣風(fēng)和短時強(qiáng)降水天氣(圖1a)，17:44保定站極大風(fēng)速為22.6 m·s-1。冰雹災(zāi)害最為嚴(yán)重的是蠡縣，多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受強(qiáng)冰雹災(zāi)害，持續(xù)時間長達(dá)30 min，辛興鎮(zhèn)和留史鎮(zhèn)較重，辛興鎮(zhèn)出現(xiàn)密集強(qiáng)冰雹，大冰雹尺寸如雞蛋(直徑為50 mm以上)。全縣農(nóng)作物受災(zāi)面積為4.27×103hm2，成災(zāi)面積為2.4×103hm2，約1.33×102hm2絕收。

2021年7月9日14:30—15:30山東省濟(jì)南市章丘區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)冰雹天氣，冰雹持續(xù)時間約1 h，同時伴有7～9級陣風(fēng)和短時強(qiáng)降水天氣(圖1b)，15:16章丘站的極大風(fēng)速為23.1 m·s-1。14:30章丘區(qū)雙山街道開始降雹，最大冰雹直徑約為68 mm，達(dá)到特大冰雹等級；14:45章丘文祖鎮(zhèn)中心小學(xué)附近降雹，冰雹直徑為30 mm，雙山街道距文祖鎮(zhèn)中心小學(xué)直線距離為9.5 km；15:15章丘站周圍降雹，冰雹最大直徑約為50 mm(本站觀測為30 mm)。雖然出現(xiàn)特大冰雹，但強(qiáng)冰雹密度小，未造成明顯冰雹災(zāi)害。

圖1 降水量(數(shù)值，單位：mm)與大風(fēng)(風(fēng)羽)實況(a)2020年6月25日17:00—19:00，(b)2021年7月9日14:00—16:00Fig.1 Observed precipitation(the value,unit:mm) and strong wind(the barb) (a)from 1700 BT to 1900 BT on 25 Jun 2020,(b) from 1400 BT to 1600 BT on 9 Jul 2021

1.3 天氣形勢與環(huán)境參數(shù)

由2020年6月25日08:00 500 hPa位勢高度和溫度場(圖2)可知，河北中、南部地區(qū)處于高空槽后的西北氣流區(qū)，850 hPa處在槽前西南氣流區(qū)并伴有暖脊，地面以南風(fēng)為主。由2021年7月9日08:00 500 hPa和850 hPa位勢高度和溫度場(圖2)可知，山東基本位于槽后西北氣流區(qū)，850 hPa山東西部為明顯暖區(qū)，地面位于低壓前部，以東南風(fēng)為主。兩次強(qiáng)對流天氣形勢類似，高空均為西北氣流，且為上干冷、下暖濕的垂直配置，易造成熱力不穩(wěn)定和能量累積。

邢臺和章丘的探空圖(圖略)顯示，低層較濕，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，800 hPa以上均為西北氣流且隨高度增大。由邢臺和章丘探空環(huán)境物理量(表1)可以看到，850 hPa與500 hPa溫差較大，抬升指數(shù)較小。0～6 km高度垂直風(fēng)切變?yōu)橹械葟?qiáng)度，0～3 km高度垂直風(fēng)切變較強(qiáng)，訂正后的對流有效位能較強(qiáng)。中等強(qiáng)度或以上的對流有效位能和深層垂直風(fēng)切變利于超級單體的形成和維持[37-39]。

圖2 2020年6月25日08:00和2021年7月9日08:00位勢高度(黑色實線，單位：dagpm)、溫度場(紅色虛線，單位：℃)和風(fēng)場(風(fēng)羽)Fig.2 Geopotential height(the black solid line,unit:dagpm),temperature(the red dashed line,unit:℃) and wind(the barb) at 0800 BT 25 Jun 2020 and 0800 BT 9 Jul 2021

物理量邢臺2020-06-25T08:00章丘2021-07-09T08:00K指數(shù)/℃1130850 hPa和500 hPa的溫差/℃29.629.3抬升指數(shù)/℃-1.7-6.3對流有效位能/(J·kg-1)430(2400*)2330(4550*)對流抑制能量/(J·kg-1)4700整層比濕積分/(g·kg-1)211532060～6 km風(fēng)切變/(m·s-1)16.419.50～3 km風(fēng)切變/(m·s-1)10.616.6500 hPa風(fēng)速/(m·s-1)1511500 hPa氣溫/℃-11-9

兩次強(qiáng)對流天氣環(huán)境物理量的主要差異是2021年7月9日08:00章丘的對流有效位能更強(qiáng) (對流抑制能量較小)，K指數(shù)、低層(925 hPa)比濕和整層比濕積分更大，濕球0℃層高度較高(章丘探空濕球0℃層高度為3.7 km，邢臺探空濕球0℃層高度為3.1 km)，但500 hPa風(fēng)速較小，氣溫偏高。2021年7月9日14:00章丘站地面溫度和露點(diǎn)分別為33℃和23℃，訂正后的對流有效位能為4550 J·kg-1；2020年6月25日15:00蠡縣站地面溫度和露點(diǎn)分別為31℃和19℃，訂正后的對流有效位能為2400 J·kg-1。

2 蠡縣超級單體風(fēng)暴雙偏振結(jié)構(gòu)特征

2020年6月25日下午蠡縣東北約10 km的辛興鎮(zhèn)出現(xiàn)特大冰雹，選取18:12石家莊雙偏振雷達(dá)觀測資料進(jìn)行分析，此時風(fēng)暴經(jīng)過辛興鎮(zhèn)一帶。

2.1 不同高度偏振特征

圖3是18:12石家莊雷達(dá)0.5°仰角、2.4° 仰角和4.3°仰角的水平極化反射率因子、平均徑向速度、差分反射率、比差分相移、相關(guān)系數(shù)產(chǎn)品，圖中疊加了中氣旋，其中心高度分別為1.3 km(低層)、4.1 km(0℃層高度，08:00探空，下同)和6.9 km(-20℃層高度)。

2.1.1 低層特征

由圖3中0.5°仰角偏振特征可見，風(fēng)暴向東南方向移動，低層右前側(cè)為氣旋性旋轉(zhuǎn)上升氣流，無明顯的入流缺口，風(fēng)暴西側(cè)反射率因子梯度較大。中氣旋西部有明顯窄帶回波，即陣風(fēng)鋒，蠡縣站出現(xiàn)11 m·s-1的陣風(fēng)天氣。中氣旋后側(cè)為回波強(qiáng)中心，水平極化反射率因子最大值為74 dBZ。

風(fēng)暴前側(cè)輻合上升區(qū)有較大的差分反射率(大于3 dB)，即差分反射率弧，相關(guān)系數(shù)和比差分相移分布不均，前側(cè)上升氣流區(qū)存在大的液態(tài)粒子或(和)小的濕冰粒子。65 dBZ以上回波區(qū)對應(yīng)小的差分反射率(-0.8～1.6 dB)，小的相關(guān)系數(shù)(0.71～0.96)，比差分相移基本為空洞區(qū)(相關(guān)系數(shù)值低于0.85時，不計算比差分相移)，以干的強(qiáng)冰雹粒子為主；同時70 dBZ以上強(qiáng)回波后側(cè)存在明顯的徑向差分反射率負(fù)值區(qū)，為強(qiáng)冰雹衰減所致，且對應(yīng)明顯的徑向相關(guān)系數(shù)低值區(qū)，由于衰減對相關(guān)系數(shù)無影響，同時速度譜寬較小(圖略)，風(fēng)暴后側(cè)徑向相關(guān)系數(shù)低值區(qū)為波束非均勻填充所致[8,40-41]。55～64 dBZ 回波區(qū)對應(yīng)的差分反射率分布不均(-0.3～4.5 dB)，比差分相移為0.9°·km-1～1.6°·km-1， 相關(guān)系數(shù)為0.66～0.98，干冰雹粒子和融化的冰雹粒子及液態(tài)粒子均存在。45～54 dBZ回波區(qū)對應(yīng)大差分反射率(1.0～4.2 dB)和大相關(guān)系數(shù)(0.94～0.99)，比差分相移分布不均(-0.5°·km-1～1.9°·km-1)，有大的液態(tài)粒子，但液態(tài)粒子濃度差別明顯。

2.1.2 0℃層高度特征

由圖3中2.4°仰角偏振特征可見，中氣旋內(nèi)存在明顯有界弱回波區(qū)，水平極化反射率因子最小值為24 dBZ，徑向速度上有較強(qiáng)的氣旋性旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度約為19 m·s-1，強(qiáng)回波區(qū)主要位于其后側(cè)，最大值為78.5 dBZ。強(qiáng)回波區(qū)兩翼存在明顯的旁瓣回波，強(qiáng)回波區(qū)后側(cè)徑向相關(guān)系數(shù)低值區(qū)對應(yīng)的差分反射率隨距離增加變小，對應(yīng)存在大的速度譜寬(圖略)，為三體散射特征[40-41]，北半側(cè)強(qiáng)回波核及其后側(cè)相關(guān)系數(shù)也較小，為波束非均勻填充影響區(qū)(遠(yuǎn)處與三體散射共存)，因此，風(fēng)暴后側(cè)徑向相關(guān)系數(shù)低值區(qū)為三體散射和波束非均勻填充共同影響。

中氣旋北側(cè)的差分反射率為1.0～3.3 dB，對應(yīng)水平極化反射率因子為24～78 dBZ，比差分相移為0.1°·km-1～3.4°·km-1，相關(guān)系數(shù)差別明顯(最小值為0.5，最大值為0.92)，氣旋性旋轉(zhuǎn)上升氣流周圍既有大的液態(tài)粒子，也存在濕冰相粒子和干冰相粒子。其他強(qiáng)回波區(qū)域的差分反射率和比差分相移較小，為相對干的冰相粒子。

2.1.3 -20℃層特征

圖3 2020年6月25日18:12石家莊雷達(dá)不同仰角的水平極化反射率因子、平均徑向速度、差分反射率、比差分相移和相關(guān)系數(shù)(白色圓圈為中氣旋)Fig.3 Horizontal polarization reflectivity,base velocity,differential reflectivity,specific differential phase and correlation coefficient with different elevation from Shijiazhuang radar at 1812 BT 25 Jun 2020(the white cycle denotes mesocyclone)

2.1.4 風(fēng)暴高層特征

6.0°仰角徑向速度圖(-38℃層高度，圖略)上仍然存在明顯的氣旋性渦旋，旋轉(zhuǎn)速度約為17 m·s-1， 旋轉(zhuǎn)中心高度約為9.5 km，最大反射率因子為71.5 dBZ，具有非常強(qiáng)的回波懸垂。整層差分反射率和比差分相移較小而相關(guān)系數(shù)較大，沒有差分反射率柱和比差分相移柱，整層以干冰雹粒子(多尺寸冰雹)和霰粒子為主， 同時存在明顯的旁瓣回波和三體散射。

2.2 垂直結(jié)構(gòu)特征

圖4是2020年6月25日18:12石家莊雷達(dá)探測的水平極化反射率因子、差分反射率、比差分相移和相關(guān)系數(shù)沿74°徑向垂直剖面，經(jīng)過有界弱回波區(qū)中心(圖3中2.4°仰角的水平極化反射率因子圖的黑色直線)，粉色、紅色、白色和藍(lán)色水平實線分別為濕球0℃層(3.1 km)高度、0℃層(4.1 km)高度、-10℃層(5.6 km)高度和-20℃層(6.9 km)高度。

圖4 2020年6月25日18:12石家莊雷達(dá)的水平極化反射率因子、差分反射率、比差分相移和相關(guān)系數(shù)沿74°徑向垂直剖面(粉色、紅色、白色和藍(lán)色水平實線分別為濕球0℃層、0℃層、-10℃層和-20℃層高度)Fig.4 Cross-sections of horizontal polarization reflectivity,differential reflectivity,specific differential phase and correlation coefficient along 74° radial direction from Shijiazhuang radar at 1812 BT 25 Jun 2020(pink,red,white and blue horizontal solid lines denote heights of the wet bulb 0℃ layer,0℃ layer,-10℃ layer and -20℃ layer,respectively)

由圖4水平極化反射率因子垂直剖面可以看到，風(fēng)暴頂高約為13 km，西側(cè)0℃層之下為弱回波區(qū)，-20～0℃層存在有界弱回波區(qū)(85 km以西)，弱回波區(qū)上方有深厚寬闊的強(qiáng)回波懸垂，有界弱回波區(qū)后側(cè)(東側(cè))為強(qiáng)回波墻(85 km以東)，70 dBZ 以上回波厚度約為7 km。由圖4差分反射率垂直剖面可以看到，有界弱回波區(qū)東側(cè)(85.6 km)上方存在一條差分反射率大于1 dB的大值區(qū)，即差分反射率柱，頂部為8.2 km高度(-30℃ 層高度)，有界弱回波區(qū)周圍-10℃層附近有差分反射率環(huán)。由圖4比差分相移的垂直剖面可以看到，有界弱回波區(qū)東側(cè)(84.5～85.9 km)上方存在比差分相移大于1°·km-1的大值區(qū)，即比差分相移柱，頂部達(dá)到7.6 km 高度(接近-25℃層高度)。由圖4差分反射率垂直剖面可以看到，差分反射率柱位于比差分相移柱之內(nèi)，均對應(yīng)65 dBZ以上的強(qiáng)回波和小的相關(guān)系數(shù)；比差分相移柱內(nèi)差分反射率小的區(qū)域以大的干冰雹粒子為主，包含一定數(shù)量的液態(tài)粒子或小的濕冰粒子；比差分相移柱內(nèi)差分反射率大的區(qū)域以濕的冰雹粒子為主，同時含有一定數(shù)量液態(tài)粒子。

由圖4可見，濕球0℃層高度以上，有界弱回波區(qū)東側(cè)(86～89 km)水平極化反射率因子大于65 dBZ回波區(qū)內(nèi)比差分相移、差分反射率和相關(guān)系數(shù)均較小，為強(qiáng)冰雹區(qū)，特別是-10℃層附近相關(guān)系數(shù)在0.40～0.60的區(qū)域?qū)?yīng)70 dBZ的水平極化反射率因子，為形狀不規(guī)則的大冰雹甚至特大冰雹粒子區(qū)[8]。89～92 km處水平極化反射率因子為45～64 dBZ的回波區(qū)內(nèi)，比差分相移和差分反射率均較小，但相關(guān)系數(shù)較大(0.92～0.98)，以相對偏小的干冰雹粒子為主，形狀相對較為規(guī)則。有界弱回波區(qū)西側(cè)的強(qiáng)回波懸垂內(nèi)差分反射率較小而相關(guān)系數(shù)較大(0.96～0.99)，冰雹粒子形狀較為均勻(-10℃層高度比差分相移較大，存在一定濃度的小液態(tài)粒子)。濕球0℃層高度以下，弱回波區(qū)為強(qiáng)上升氣流區(qū)，對應(yīng)相關(guān)系數(shù)較小(最小值為0.35)，差分反射率分布不均，粒子相態(tài)較為復(fù)雜，既有少許偏大的液態(tài)粒子，也含有非氣象目標(biāo)物。弱回波區(qū)東側(cè)，差分反射率、比差分相移和相關(guān)系數(shù)隨高度降低而增大，冰相粒子下降至濕球0℃層高度以下出現(xiàn)明顯融化，因此液態(tài)粒子、冰雹粒子(包括融化的)共存，在最低仰角，小的固態(tài)粒子融化程度更加徹底，融化后扁平程度更明顯，液態(tài)雨滴含量增大。濕球0℃層高度以上，風(fēng)暴后側(cè)水平極化反射率因子小于45 dBZ 的弱回波區(qū)相關(guān)系數(shù)非常小，差分反射率較大，主要為三體散射特征。

18:18水平極化反射率因子剖面(圖略)顯示，有界弱回波區(qū)上方懸垂強(qiáng)度明顯發(fā)展(與18:12體掃相對比)，水平極化反射率因子最大值為79 dBZ(高度為7.2 km，略高于-20℃層高度) ，70 dBZ以上回波高度達(dá)到10 km(-43℃層高度)，70 dBZ以上強(qiáng)回波懸垂厚度達(dá)5 km，以大的冰雹粒子為主。較高高度懸垂的大冰雹粒子，在下降過程中通過碰并進(jìn)一步增長，在適宜的濕球0℃層高度條件下，地面更易出現(xiàn)密度較高的大冰雹甚至特大冰雹天氣。

3 章丘超級單體風(fēng)暴雙偏振結(jié)構(gòu)特征

2021年7月9日14:30章丘出現(xiàn)強(qiáng)冰雹，選取14:36濟(jì)南雷達(dá)觀測資料進(jìn)行分析。此時風(fēng)暴最大反射率因子、強(qiáng)中心高度和風(fēng)暴頂高度分別為71 dBZ，3.8 km和13.3 km，風(fēng)暴發(fā)展旺盛，是強(qiáng)中心下降階段。

系統(tǒng)硬件設(shè)計的核心是無線傳輸節(jié)點(diǎn)設(shè)計。無線傳輸節(jié)點(diǎn)以微控制器為核心，擴(kuò)展了無線通信模塊、電源模塊、傳感器接口模塊以及擴(kuò)展接口部分。

3.1 不同高度偏振特征

圖5是2021年7月9日14:36濟(jì)南雙偏振雷達(dá)0.5°仰角、2.4°仰角和4.3°仰角水平極化反射率因子、平均徑向速度、差分反射率、比差分相移、相關(guān)系數(shù)，圖中疊加了中氣旋，其中心對應(yīng)的高度分別約為1.0 km(低層)、3.5 km(接近濕球0℃層高度的3.7 km)和 6.0 km(-10℃層高度)。

圖5 2021年7月9日14:36濟(jì)南雷達(dá)不同仰角的水平極化反射率因子、平均徑向速度、差分反射率、比差分相移和相關(guān)系數(shù)(白色圓圈為中氣旋,黑色箭頭為風(fēng)暴移動方向)Fig.5 Horizontal polarization reflectivity,base velocity,differential reflectivity,specific differential phase and correlation coefficient with different elevation from Jinan radar at 1436 BT 9 Jul 2021(the white cycle denotes mesocyclone,the black arrow denotes the moving direction of supercell)

3.1.1 低層特征

由圖5中0.5°仰角偏振特征可見，風(fēng)暴向偏南方向移動，低層右后側(cè)存在明顯入流缺口，對應(yīng)徑向速度呈氣旋式結(jié)構(gòu)，表明有明顯的氣旋性旋轉(zhuǎn)上升氣流，入流區(qū)一側(cè)的反射率因子梯度較大。入流區(qū)西側(cè)有窄帶回波，即陣風(fēng)鋒，徑向速度上表現(xiàn)為朝向雷達(dá)負(fù)速度區(qū)(最小值約為-11 m·s-1)。入流缺口及前側(cè)區(qū)域?qū)?yīng)較大差分反射率，為4～6 dB，即為差分反射率弧，同時對應(yīng)分布不均的相關(guān)系數(shù)和比差分相移，前側(cè)上升氣流區(qū)存在大的液態(tài)粒子和(或)小的濕冰粒子甚至非氣象目標(biāo)物粒子。水平極化反射率因子超過60 dBZ回波區(qū)對應(yīng)的差分反射率為0.5～4.6 dB，相關(guān)系數(shù)為0.66～0.96，比差分相移多為空洞區(qū)(相關(guān)系數(shù)低于0.85 時，不計算比差分相移)并同時存在3.1°·km-1～4.4°·km-1高值區(qū)，存在相對干的和融化的偏大冰雹粒子。其他區(qū)域(水平極化反射率因子為50～59 dBZ)的差分反射率和比差分相移較大(空洞區(qū)除外)，相關(guān)系數(shù)較小， 差分反射率多為2.0～5.0 dB，相關(guān)系數(shù)為0.70～0.97，比差分相移為0.75°·km-1～3.2°·km-1，以大粒子為主，既有大的液態(tài)粒子，也有小的濕冰粒子，局部存在強(qiáng)降水。

3.1.2 濕球0℃層特征

由圖5中2.4°仰角偏振特征可見，中氣旋區(qū)域?qū)?yīng)呈半包圍結(jié)構(gòu)的有界弱回波區(qū)，徑向速度圖上有較強(qiáng)的氣旋性旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度約為15.5 m·s-1，強(qiáng)回波區(qū)主要位于其東側(cè)，最大值為71 dBZ。有界弱回波區(qū)內(nèi)水平極化反射率因子為5～28 dBZ ，差分反射率較大(最大值為6.6 dB)，相關(guān)系數(shù)較小，比差分相移為空洞區(qū)，為大的液態(tài)粒子和非氣象目標(biāo)物共存；有界弱回波區(qū)南側(cè)與北側(cè)差分反射率和相關(guān)系數(shù)較大，比差分相移分布不均，存在大的液態(tài)粒子，粒子濃度差別明顯。中氣旋東側(cè)相關(guān)系數(shù)較小區(qū)域(0.76～0.92)，對應(yīng)水平極化反射率因子為48～63 dBZ，差分反射率為-0.1～4 dB，比差分相移多為空洞區(qū)，個別約為1°·km-1，為混合相態(tài)區(qū)域。中氣旋東側(cè)其他強(qiáng)回波區(qū)的差分反射率較小，相關(guān)系數(shù)較大，以冰相粒子為主。

3.1.3 -10℃層特征

由圖5中4.3°仰角偏振特征可見，-10℃層高度中氣旋內(nèi)有明顯的有界弱回波區(qū)(最小值為20 dBZ)，徑向速度圖上有較強(qiáng)氣旋性旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度約為18 m·s-1。中氣旋周圍存在半包圍結(jié)構(gòu)的差分反射率大值區(qū)即差分反射率環(huán)(內(nèi)側(cè)較小，外側(cè)較大)，3個距離庫比差分相移為1.1°·km-1～1.5°·km-1，即比差分相移柱；有界弱回波區(qū)內(nèi)(水平極化反射率因子為20～40 dBZ)，相關(guān)系數(shù)較小(最小值為0.5)，差分反射率為-0.7～6.5 dB，粒子相態(tài)復(fù)雜。中氣旋周圍既有液態(tài)粒子，也存在濕冰粒子，液態(tài)粒子濃度較小。

中氣旋東側(cè)強(qiáng)回波區(qū)的差分反射率和比差分相移較小，相關(guān)系數(shù)較大，以冰雹粒子或霰粒子為主。

3.1.4 -30℃層特征

6.0°仰角的偏振特征圖(圖略)上，徑向速度仍存在明顯的氣旋性渦旋，旋轉(zhuǎn)速度約為19 m·s-1， 旋轉(zhuǎn)中心高度約為8.4 km(接近-30℃層高度)，最大水平極化反射率因子達(dá)到65.5 dBZ，具有非常強(qiáng)的回波懸垂，整層比差分相移較小。差分反射率有20個相鄰距離庫在1～3 dB，對應(yīng)反射率因子為36～63.5 dBZ，相關(guān)系數(shù)為0.83～0.93，以濕冰粒子為主。其他區(qū)域差分反射率較小, 相關(guān)系數(shù)較大，以干冰雹粒子(多尺寸冰雹)和霰粒子為主。

3.2 垂直結(jié)構(gòu)特征

圖6是2021年7月9日14:36濟(jì)南雷達(dá)探測的水平極化反射率因子、差分反射率、比差分相移和相關(guān)系數(shù)沿90°徑向垂直剖面，經(jīng)過有界弱回波區(qū)中心，粉色、紅色、白色和藍(lán)色水平實線分別為濕球0℃層(3.7 km)高度、0℃層(4.3 km)高度、-10℃層(6.0 km)高度和-20℃層(7.4 km)高度。

由圖6中水平極化反射率因子可以看到，72～75 km處 -10～0℃層間存在有界弱回波區(qū)，其上方為深厚強(qiáng)回波懸垂(最大值為58 dBZ)，后側(cè)(75～80 km)存在深厚強(qiáng)回波墻，最大值為71 dBZ，60 dBZ 回波頂高度為8.8 km(-31℃層)，65 dBZ回波頂高度為7.0 km(接近-17℃層)。

由圖6中差分反射率可以看到，風(fēng)暴西側(cè)強(qiáng)上升氣流區(qū)內(nèi)差分反射率較大，-10℃層以下存在超過5 dB的高值區(qū)，-10～0℃層間有界弱回波區(qū)存在差分反射率環(huán)，上方存在較高差分反射率柱，頂部高度為11.3 km(-48℃層高度)，上升氣流深厚強(qiáng)盛。

由圖6中比差分相移和相關(guān)系數(shù)可以看到，上升氣流區(qū)-20℃層高度以下，比差分相移和相關(guān)系數(shù)較小，差分反射率較大，以少許大的液態(tài)粒子和濕冰粒子為主；-20℃層高度以上相關(guān)系數(shù)較大，比差分相移較小，差分反射率柱內(nèi)以少許液態(tài)粒子或濕冰粒子為主，差分反射率柱外以干的冰粒子和霰粒子為主。

上升氣流區(qū)后側(cè)深厚的強(qiáng)回波區(qū)內(nèi)濕球0℃層高度以上，差分反射率和比差分相移均較小，相關(guān)系數(shù)多較大，以相對干的冰雹粒子為主，而且冰雹形態(tài)相對均勻；強(qiáng)回波區(qū)內(nèi)0℃層高度上下有3個距離庫相關(guān)系數(shù)較小(0.76～0.90)，對應(yīng)的水平極化反射率因子為62～65 dBZ，差分反射率為-0.8～0.8 dB,較小范圍內(nèi)存在混合相態(tài)粒子。濕球0℃層高度以下，比差分相移和差分反射率均增大，水平極化反射率因子和相關(guān)系數(shù)呈減小趨勢，冰相粒子下降到濕球0℃層高度以下開始融化，出現(xiàn)一定濃度的液態(tài)粒子、融化的小冰雹粒子；底層55 dBZ以上回波區(qū)相關(guān)系數(shù)較小，大的冰雹粒子與大的液態(tài)雨滴和融化的小冰雹粒子共存，45～55 dBZ區(qū)域以大的液態(tài)雨滴為主。

圖6 2021年7月9日14:36濟(jì)南雷達(dá)水平極化反射率因子、差分反射率、比差分相移和相關(guān)系數(shù)沿90°徑向垂直剖面(粉色、紅色、白色和藍(lán)色水平實線分別為濕球0℃層高度、0℃層高度、-10℃層高度和-20℃層高度)Fig.6 Cross-sections of horizontal polarization reflectivity,differential reflectivity,specific differential phase and correlation coefficient along 90° radial direction from Jinan radar at 1436 BT 9 Jul 2021(pink,red,white and blue horizontal solid lines denote heights of the wet bulb 0℃ layer,0℃ layer,-10℃ layer and -20℃ layer,respectively)

2021年7月9日14:31水平極化反射率因子剖面(圖略)顯示，有界弱回波區(qū)上方的懸垂高度為10.5 km(45 dBZ頂部高度)，后側(cè)回波墻8.6 km高度(-30℃層)存在65～70 dBZ強(qiáng)回波懸垂,但范圍較小(5個距離庫)，厚度約為1 km。14:36風(fēng)暴快速發(fā)展，有界弱回波區(qū)上方的懸垂高度快速增加，同時回波墻內(nèi)強(qiáng)中心快速下降并發(fā)展，71 dBZ強(qiáng)回波中心高度為3.8 km，超過65 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)厚度明顯增加。-30℃層高度強(qiáng)回波區(qū)含有大的冰雹粒子，在下降過程中冰雹粒子快速增長，地面更容易出現(xiàn)大冰雹甚至特大冰雹天氣。

有界弱回波區(qū)上方的強(qiáng)回波懸垂厚度明顯增大，冰雹粒子更多，進(jìn)入下降通道后冰雹粒子進(jìn)一步增長，有利于大冰雹的產(chǎn)生及降雹的持續(xù)性。

4 兩次強(qiáng)風(fēng)暴對比分析

4.1 風(fēng)暴參數(shù)

風(fēng)暴參數(shù)主要包括最大反射率因子及所在高度、風(fēng)暴頂高、基于單體的垂直積分液態(tài)水含量、差分反射率柱高度和比差分相移柱高度，同時對中氣旋最大旋轉(zhuǎn)速度及所在高度、風(fēng)暴頂輻散強(qiáng)度(用風(fēng)暴頂最大徑向速度差表示)也進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。蠡縣超級單體風(fēng)暴影響時段是17:54—18:30，章丘超級單體風(fēng)暴特大冰雹階段是14:31—15:22。蠡縣和章丘超級單體旺盛階段具有強(qiáng)的風(fēng)暴頂輻散強(qiáng)度，明顯大于文獻(xiàn)[42]的結(jié)果(平均值約為38 m·s-1，大多數(shù)約為45 m·s-1)。風(fēng)暴頂輻散越強(qiáng)，越有利于出現(xiàn)大冰雹。

由表2可見，蠡縣超級單體風(fēng)暴的最大反射率因子明顯大于章丘超級單體風(fēng)暴，而差分反射率柱和比差分相移柱高度明顯低于章丘超級單體風(fēng)暴。強(qiáng)中心高度、中氣旋最大旋轉(zhuǎn)速度及所在高度、風(fēng)暴頂幅散強(qiáng)度等差異不明顯。偏大的最大反射率因子導(dǎo)致蠡縣強(qiáng)冰雹密度較高，災(zāi)情較重，章丘強(qiáng)冰雹密度較低，災(zāi)情較輕。

蠡縣超級單體風(fēng)暴垂直積分液態(tài)水含量明顯小于章丘強(qiáng)風(fēng)暴，主要是由于距離原因，雷達(dá)探測無法探測到風(fēng)暴高層及風(fēng)暴頂。滄州雷達(dá)觀測資料統(tǒng)計表明，蠡縣超級單體風(fēng)暴頂高度基本在12.4 km(表2)，與章丘強(qiáng)風(fēng)暴基本相當(dāng)。

表2 蠡縣和章丘超級單體風(fēng)暴參數(shù)平均值Table 2 Averaged values of storm parameters of supercells at Lixian and Zhangqiu

4.2 偏振參量與微物理結(jié)構(gòu)

兩次強(qiáng)冰雹風(fēng)暴的相似性：一是風(fēng)暴入流區(qū)一側(cè)的差分反射率明顯大于其他區(qū)域，即差分反射率弧，前側(cè)入流區(qū)一側(cè)以大粒子為主，包括大的液態(tài)粒子或(和)融化的小冰粒子；二是風(fēng)暴低層強(qiáng)冰雹區(qū)的反射率因子強(qiáng)、差分反射率小和相關(guān)系數(shù)小。冰雹在下降過程中呈翻滾狀態(tài)，近似于各向同性的球形粒子的特性，差分反射率接近0，大的不規(guī)則的冰雹及混合相態(tài)可導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)降級；三是有界弱回波區(qū)分布差分反射率環(huán)，有界弱回波區(qū)上方有較高的差分反射率柱，有大的液態(tài)粒子和(或)濕冰粒子，在強(qiáng)上升氣流作用下，強(qiáng)上升氣流區(qū)內(nèi)溫度明顯大于環(huán)境溫度，在較高的高度內(nèi)粒子以液態(tài)或(和)濕的冰相粒子形態(tài)存在，但粒子大小隨高度逐漸減小；雷達(dá)探測的液態(tài)水高度可達(dá)-30℃層高度甚至更高，與文獻(xiàn)[43]數(shù)值模擬結(jié)果基本一致(大冰雹形成的微物理過程中，冰雹云在-35℃～-10℃存在過冷雨水累積區(qū)，冰雹胚胎主要依靠冰晶撞凍該累積區(qū)的過冷雨滴過程產(chǎn)生)；四是有界弱回波區(qū)右側(cè)(東側(cè))強(qiáng)回波區(qū)內(nèi)，濕球0℃層高度以上為深厚的相對干的冰相粒子區(qū)，濕球0℃層高度以下冰相粒子開始融化，低層既有大的冰雹粒子，也有小的融化的冰粒子和液態(tài)雨滴。超級單體風(fēng)暴典型特征是伴有深厚持久的中氣旋，內(nèi)部上升氣流結(jié)構(gòu)相似， 對超級單體風(fēng)暴偏振特征的相似性起到關(guān)鍵作用。

兩次強(qiáng)冰雹風(fēng)暴主要差異：①蠡縣超級單體風(fēng)暴強(qiáng)度和懸垂強(qiáng)度明顯大于章丘超級單體風(fēng)暴。蠡縣超級單體風(fēng)暴最大反射率因子平均值為77.1 dBZ，上升氣流區(qū)一側(cè)弱回波區(qū)上方有深厚的反射率因子超過65 dBZ的強(qiáng)懸垂。弱回波區(qū)上方回波懸垂的差分反射率和比差分相移小、相關(guān)系數(shù)大，這是冰雹形成、循環(huán)增長的主要區(qū)域。弱回波區(qū)上方回波懸垂較強(qiáng)，冰粒子直徑較大，進(jìn)入下降通道的大冰雹粒子在下降通道中進(jìn)一步增長，產(chǎn)生特大冰雹的概率相對較高或強(qiáng)冰雹密度較高?；夭☉掖箯?qiáng)度弱，表明冰粒子直徑小，進(jìn)入下降通道的冰雹粒子也較小，在下降通道中產(chǎn)生特大冰雹的概率相對較低或強(qiáng)冰雹密度較低。因此，蠡縣超級單體風(fēng)暴致災(zāi)較重，而章丘超級單體風(fēng)暴致災(zāi)較輕。②蠡縣超級單體風(fēng)暴內(nèi)冰雹區(qū)層次分明。蠡縣超級單體風(fēng)暴上升氣流區(qū)一側(cè)弱回波區(qū)上方回波懸垂較強(qiáng)，冰粒子均一性較好(相關(guān)系數(shù)較大)；有界弱回波區(qū)東側(cè)的強(qiáng)回波墻(反射率因子超過65 dBZ)表現(xiàn)為冰雹粒子不規(guī)則區(qū)域(相關(guān)系數(shù)非常小)，冰雹直徑越大規(guī)則性越差，強(qiáng)回波墻內(nèi)含有較大的不規(guī)則冰雹粒子；強(qiáng)回波墻東側(cè)表現(xiàn)為相對規(guī)則的冰雹粒子區(qū)(相關(guān)系數(shù)較大但小于西側(cè)強(qiáng)懸垂區(qū))，冰雹粒子直徑小于強(qiáng)回波墻的冰雹粒子，大小形態(tài)相對較為規(guī)則。章丘超級單體風(fēng)暴弱回波區(qū)上方回波懸垂較弱，冰粒子較小，均一性較好；有界弱回波區(qū)東側(cè)回波墻強(qiáng)度較弱，冰雹粒子大小形態(tài)相對較為規(guī)則。③章丘超級單體風(fēng)暴差分反射率柱和比差分相移柱均明顯高于蠡縣超級單體風(fēng)暴。章丘超級單體風(fēng)暴差分反射率柱高度達(dá)到-48℃層高度附近，比差分相移柱高度達(dá)到-32℃層高度附近，蠡縣超級單體風(fēng)暴差分反射率柱高度在-24℃層高度附近，比差分相移柱高度在-22℃層高度附近。④蠡縣超級單體風(fēng)暴具有顯著的三體散射和旁瓣回波特征及明顯的衰減特征。蠡縣超級單體風(fēng)暴具有更強(qiáng)的反射率因子，影響蠡縣期間一直存在三體散射和旁瓣回波，18:06和18:12出現(xiàn)100 km 左右的長釘特征，兩翼的旁瓣回波長度也達(dá)到20 km左右。17:30—18:30低層(1.2～1.5 km高度，最低觀測仰角)，強(qiáng)回波核后側(cè)徑向上一直出現(xiàn)類似V型缺口的差分反射率負(fù)值區(qū)，為強(qiáng)冰雹衰減偏振特征。

7月環(huán)境濕度明顯增大。水汽含量增大會影響K指數(shù)和對流有效位能，使得兩者明顯增大，2021年7月9日章丘強(qiáng)風(fēng)暴產(chǎn)生在環(huán)境濕度相對較大的條件下，830 hPa高度以上水汽垂直分布相對均勻，溫度露點(diǎn)差為10～15℃，既無明顯干層，也無明顯濕層。2020年6月25日邢臺環(huán)境條件非常干，730 hPa 至400 hPa的溫度露點(diǎn)差為25～35℃。同時，邢臺上空500 hPa溫度較章丘偏低2℃。章丘上空較大的濕度和中層相對暖的環(huán)境條件是導(dǎo)致章丘風(fēng)暴強(qiáng)度偏弱的關(guān)鍵環(huán)境因素。邢臺上空較低的濕度和中層相對冷的環(huán)境條件是導(dǎo)致風(fēng)暴強(qiáng)度明顯較強(qiáng)的關(guān)鍵環(huán)境因子。

雖然章丘探空與邢臺探空均具有較強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變(0～6 km高度)，但500 hPa邢臺上游具有更大的風(fēng)速，17:00地面東南風(fēng)略有增大，深層垂直風(fēng)切變明顯增大(20:00邢臺0～6 km高度垂直風(fēng)切變?yōu)?5 m·s-1)；7月9日章丘上游風(fēng)速大于章丘本站，但差值較小，深層垂直風(fēng)切變增大，但幅度較小(20:00章丘探空無高層資料)，因此兩次強(qiáng)風(fēng)暴均具有較強(qiáng)垂直風(fēng)切變，量值相當(dāng)。

章丘強(qiáng)風(fēng)暴的差分反射率柱和比差分相移柱較邢臺強(qiáng)風(fēng)暴更高，可能與其風(fēng)暴頂輻散強(qiáng)度和中氣旋旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度更強(qiáng)有關(guān)，有關(guān)環(huán)境因子尚需要深入研究。

5 結(jié) 論

利用S波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)探測資料分析2020年6月25日河北省蠡縣和2021年7月9日山東省章丘強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴在低層、中層、高層和垂直結(jié)構(gòu)雙偏振特征，對比兩次超級單體風(fēng)暴偏振特征及云微物理特征，得到如下結(jié)論：

1) 兩次強(qiáng)冰雹超級單體風(fēng)暴發(fā)生在類似的天氣形勢背景之下，800 hPa以上為西北氣流，925 hPa以下為偏南氣流，上干冷，下暖濕。二者均具有中等強(qiáng)度或以上對流有效位能，較大垂直風(fēng)切變，有利于高組織性風(fēng)暴的產(chǎn)生與維持。

2) 風(fēng)暴雙偏振特征的相似性。風(fēng)暴低層前側(cè)入流區(qū)存在差分反射率弧，以大粒子為主，包括大的液態(tài)粒子和(或)融化的小冰雹粒子。風(fēng)暴低層強(qiáng)冰雹區(qū)具有反射率因子強(qiáng)、差分反射率小和相關(guān)系數(shù)小的特征。有界弱回波區(qū)周圍存在差分反射率環(huán)，上升氣流區(qū)內(nèi)0℃層高度以上有較高的差分反射率柱，以液態(tài)粒子或(和)濕的冰相粒子為主。有界弱回波區(qū)右側(cè)(東側(cè))強(qiáng)回波區(qū)內(nèi)，濕球0℃層高度以上為深厚的相對干的冰相粒子區(qū)。超級單體風(fēng)暴具有深厚持久的中氣旋，內(nèi)部上升氣流結(jié)構(gòu)的相似性是超級單體風(fēng)暴偏振特征相似的關(guān)鍵原因。

3) 風(fēng)暴雙偏振特征的差異主要表現(xiàn)在水平極化反射率因子、差分反射率柱和比差分相移柱高度的差異。蠡縣超級單體風(fēng)暴的強(qiáng)度明顯大于章丘超級單體風(fēng)暴，差分反射率柱和比差分相移柱高度低于章丘超級單體風(fēng)暴。較強(qiáng)的反射率因子導(dǎo)致蠡縣超級單體風(fēng)暴具有顯著的三體散射和旁瓣回波特征，低層具有明顯的衰減特征。同時蠡縣超級單體風(fēng)暴弱回波區(qū)上方懸垂的回波較強(qiáng)而且厚度較厚，表明懸垂區(qū)有較多大的冰雹粒子存在，大的冰雹粒子進(jìn)入下降通道后，再次產(chǎn)生明顯增長，導(dǎo)致地面出現(xiàn)大冰雹甚至特大冰雹。

4) 濕度垂直分布是風(fēng)暴發(fā)展強(qiáng)度的關(guān)鍵環(huán)境因素。蠡縣超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生于非常干的環(huán)境條件下，且中層溫度較低，730 hPa至400 hPa的溫度露點(diǎn)差為25～35℃。章丘超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生在相對較濕的垂直環(huán)境條件下，830 hPa以上溫度露點(diǎn)差為10～15℃。