兩次強冰雹超級單體風暴雙偏振特征對比

刁秀廣 李 芳 萬夫敬

1)(山東省氣象防災減災重點實驗室， 濟南 250031) 2)(山東省氣象臺， 濟南 250031) 3)(山東省濟寧市氣象局， 濟寧 272000) 4)(山東省青島市氣象局， 青島 266003)

引 言

雙偏振天氣雷達可用于觀測氣象目標物形狀、大小、軸取向等平均散射特性，并由此推斷強對流風暴特別是超級單體風暴的微物理結構。不同環(huán)境物理量，如濕度廓線、風場廓線隨高度的變化等，可導致不同的風暴強度結構及不同的微物理結構[1-5]。用于推斷和評估強風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))可導致差分反射率增強，差分反射率柱的高度與上升氣流強度密切相關，差分反射率柱的面積范圍是上升氣流寬度的度量[9-14]。超級單體風暴低層前側入流區(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[18-22]。

國內(nèi)強冰雹超級單體風暴偏振特征與國外研究結果基本一致：低層存在明顯入流缺口，入流區(qū)一側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)，風暴中層強上升氣流區(qū)存在明顯的差分反射率環(huán)[23-29]。風暴低層強冰雹區(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到或超過大雨滴，比差分相移明顯增大，相關系數(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，如差分反射率為負值，相關系數(shù)降級[8,12,26-30]。依據(jù)冰雹、液態(tài)雨滴等不同氣象目標物典型雙偏振特征，運用模糊邏輯算法可識別粒子相態(tài)，識別風暴內(nèi)冰雹和大冰雹區(qū),改進定量降水估測[31-36]。

2020年6月25日河北省保定市多地遭受強冰雹天氣，蠡縣受災最為嚴重并出現(xiàn)直徑50 mm以上特大冰雹。2021年7月9日山東省濟南市章丘區(qū)出現(xiàn)強冰雹天氣，最大冰雹直徑為68 mm。兩次強冰雹天氣均由超級單體風暴產(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。利用石家莊和濟南雙偏振雷達探測資料，結合天氣實況資料，對比兩次強對流天氣環(huán)境物理量及強冰雹超級單體風暴偏振特征的異同，以期提高對強冰雹超級單體風暴偏振參量所反映的動力機制和微物理結構的認識，為更好地利用雙偏振雷達資料提升強冰雹預警能力提供技術支撐。

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冰雹區(qū)西南方，距離約185 km。章丘探空站處于章丘強冰雹區(qū)內(nèi)。

S波段雙偏振雷達資料包括石家莊和濟南雷達資料，分辨率為250 m，利用雷達資料分析強冰雹超級單體風暴雙偏振結構特征，定性解釋微物理特性。石家莊雷達站距離蠡縣強冰雹區(qū)約85 km，濟南雷達距離章丘強冰雹區(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級陣風和短時強降水天氣(圖1a)，17:44保定站極大風速為22.6 m·s-1。冰雹災害最為嚴重的是蠡縣，多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受強冰雹災害，持續(xù)時間長達30 min，辛興鎮(zhèn)和留史鎮(zhèn)較重，辛興鎮(zhèn)出現(xiàn)密集強冰雹，大冰雹尺寸如雞蛋(直徑為50 mm以上)。全縣農(nóng)作物受災面積為4.27×103hm2，成災面積為2.4×103hm2，約1.33×102hm2絕收。

2021年7月9日14:30—15:30山東省濟南市章丘區(qū)出現(xiàn)強冰雹天氣，冰雹持續(xù)時間約1 h，同時伴有7～9級陣風和短時強降水天氣(圖1b)，15:16章丘站的極大風速為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，達到特大冰雹等級；14:45章丘文祖鎮(zhèn)中心小學附近降雹，冰雹直徑為30 mm，雙山街道距文祖鎮(zhèn)中心小學直線距離為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，但強冰雹密度小，未造成明顯冰雹災害。

圖1 降水量(數(shù)值，單位：mm)與大風(風羽)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，以東南風為主。兩次強對流天氣形勢類似，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，風隨高度順轉，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高度垂直風切變?yōu)橹械葟姸龋?～3 km高度垂直風切變較強，訂正后的對流有效位能較強。中等強度或以上的對流有效位能和深層垂直風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：℃)和風場(風羽)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風切變/(m·s-1)16.419.50～3 km風切變/(m·s-1)10.616.6500 hPa風速/(m·s-1)1511500 hPa氣溫/℃-11-9

兩次強對流天氣環(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 (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 蠡縣超級單體風暴雙偏振結構特征

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石家莊雙偏振雷達觀測資料進行分析，此時風暴經(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，風暴向東南方向移動，低層右前側為氣旋性旋轉上升氣流，無明顯的入流缺口，風暴西側反射率因子梯度較大。中氣旋西部有明顯窄帶回波，即陣風鋒，蠡縣站出現(xiàn)11 m·s-1的陣風天氣。中氣旋后側為回波強中心，水平極化反射率因子最大值為74 dBZ。

風暴前側輻合上升區(qū)有較大的差分反射率(大于3 dB)，即差分反射率弧，相關系數(shù)和比差分相移分布不均，前側上升氣流區(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)對應小的差分反射率(-0.8～1.6 dB)，小的相關系數(shù)(0.71～0.96)，比差分相移基本為空洞區(qū)(相關系數(shù)值低于0.85時，不計算比差分相移)，以干的強冰雹粒子為主；同時70 dBZ以上強回波后側存在明顯的徑向差分反射率負值區(qū)，為強冰雹衰減所致，且對應明顯的徑向相關系數(shù)低值區(qū)，由于衰減對相關系數(shù)無影響，同時速度譜寬較小(圖略)，風暴后側徑向相關系數(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)對應大差分反射率(1.0～4.2 dB)和大相關系數(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，徑向速度上有較強的氣旋性旋轉，旋轉速度約為19 m·s-1，強回波區(qū)主要位于其后側，最大值為78.5 dBZ。強回波區(qū)兩翼存在明顯的旁瓣回波，強回波區(qū)后側徑向相關系數(shù)低值區(qū)對應的差分反射率隨距離增加變小，對應存在大的速度譜寬(圖略)，為三體散射特征[40-41]，北半側強回波核及其后側相關系數(shù)也較小，為波束非均勻填充影響區(qū)(遠處與三體散射共存)，因此，風暴后側徑向相關系數(shù)低值區(qū)為三體散射和波束非均勻填充共同影響。

中氣旋北側的差分反射率為1.0～3.3 dB，對應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，相關系數(shù)差別明顯(最小值為0.5，最大值為0.92)，氣旋性旋轉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，旋轉速度約為17 m·s-1， 旋轉中心高度約為9.5 km，最大反射率因子為71.5 dBZ，具有非常強的回波懸垂。整層差分反射率和比差分相移較小而相關系數(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 垂直結構特征

圖4是2020年6月25日18:12石家莊雷達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石家莊雷達的水平極化反射率因子、差分反射率、比差分相移和相關系數(shù)沿74°徑向垂直剖面(粉色、紅色、白色和藍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，風暴頂高約為13 km，西側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回波懸垂，有界弱回波區(qū)后側(東側)為強回波墻(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(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(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65 dBZ以上的強回波和小的相關系數(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(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、差分反射率和相關系數(shù)均較小，為強冰雹區(qū)，特別是-10℃層附近相關系數(shù)在0.40～0.60的區(qū)域對應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)西側的強回波懸垂內(nèi)差分反射率較小而相關系數(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)為強上升氣流區(qū)，對應相關系數(shù)較小(最小值為0.35)，差分反射率分布不均，粒子相態(tài)較為復雜，既有少許偏大的液態(tài)粒子，也含有非氣象目標物。弱回波區(qū)東側，差分反射率、比差分相移和相關系數(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，風暴后側水平極化反射率因子小于45 dBZ 的弱回波區(qū)相關系數(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以上回波高度達到10 km(-43℃層高度)，70 dBZ以上強回波懸垂厚度達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 章丘超級單體風暴雙偏振結構特征

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

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

3.1 不同高度偏振特征

圖5是2021年7月9日14:36濟南雙偏振雷達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、相關系數(shù)，圖中疊加了中氣旋，其中心對應的高度分別約為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濟南雷達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、比差分相移和相關系數(shù)(白色圓圈為中氣旋,黑色箭頭為風暴移動方向)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，風暴向偏南方向移動，低層右后側存在明顯入流缺口，對應徑向速度呈氣旋式結構，表明有明顯的氣旋性旋轉上升氣流，入流區(qū)一側的反射率因子梯度較大。入流區(qū)西側有窄帶回波，即陣風鋒，徑向速度上表現(xiàn)為朝向雷達負速度區(qū)(最小值約為-11 m·s-1)。入流缺口及前側區(qū)域對應較大差分反射率，為4～6 dB，即為差分反射率弧，同時對應分布不均的相關系數(shù)和比差分相移，前側上升氣流區(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物粒子。水平極化反射率因子超過60 dBZ回波區(qū)對應的差分反射率為0.5～4.6 dB，相關系數(shù)為0.66～0.96，比差分相移多為空洞區(qū)(相關系數(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)，相關系數(shù)較小， 差分反射率多為2.0～5.0 dB，相關系數(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)域對應呈半包圍結構的有界弱回波區(qū)，徑向速度圖上有較強的氣旋性旋轉，旋轉速度約為15.5 m·s-1，強回波區(qū)主要位于其東側，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)粒子和非氣象目標物共存；有界弱回波區(qū)南側與北側差分反射率和相關系數(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。中氣旋東側相關系數(shù)較小區(qū)域(0.76～0.92)，對應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。中氣旋東側其他強回波區(qū)的差分反射率較小，相關系數(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氣旋性旋轉，旋轉速度約為18 m·s-1。中氣旋周圍存在半包圍結構的差分反射率大值區(qū)即差分反射率環(huán)(內(nèi)側較小，外側較大)，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。

中氣旋東側強回波區(qū)的差分反射率和比差分相移較小，相關系數(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，旋轉速度約為19 m·s-1， 旋轉中心高度約為8.4 km(接近-30℃層高度)，最大水平極化反射率因子達到65.5 dBZ，具有非常強的回波懸垂，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，對應反射率因子為36～63.5 dBZ，相關系數(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 垂直結構特征

圖6是2021年7月9日14:36濟南雷達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)，其上方為深厚強回波懸垂(最大值為58 dBZ)，后側(75～80 km)存在深厚強回波墻，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，風暴西側強上升氣流區(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)，上升氣流深厚強盛。

由圖6中比差分相移和相關系數(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)后側深厚的強回波區(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；強回波區(qū)內(nèi)0℃層高度上下有3個距離庫相關系數(shù)較小(0.76～0.90)，對應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濟南雷達水平極化反射率因子、差分反射率、比差分相移和相關系數(shù)沿90°徑向垂直剖面(粉色、紅色、白色和藍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)，后側回波墻8.6 km高度(-30℃層)存在65～70 dBZ強回波懸垂,但范圍較小(5個距離庫)，厚度約為1 km。14:36風暴快速發(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)強中心快速下降并發(fā)展，71 dBZ強回波中心高度為3.8 km，超過65 dBZ的強回波區(qū)厚度明顯增加。-30℃層高度強回波區(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)上方的強回波懸垂厚度明顯增大，冰雹粒子更多，進入下降通道后冰雹粒子進一步增長，有利于大冰雹的產(chǎn)生及降雹的持續(xù)性。

4 兩次強風暴對比分析

4.1 風暴參數(shù)

風暴參數(shù)主要包括最大反射率因子及所在高度、風暴頂高、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速度及所在高度、風暴頂輻散強度(用風暴頂最大徑向速度差表示)也進行統(tǒng)計，結果見表2。蠡縣超級單體風暴影響時段是17:54—18:30，章丘超級單體風暴特大冰雹階段是14:31—15:22。蠡縣和章丘超級單體旺盛階段具有強的風暴頂輻散強度，明顯大于文獻[42]的結果(平均值約為38 m·s-1，大多數(shù)約為45 m·s-1)。風暴頂輻散越強，越有利于出現(xiàn)大冰雹。

由表2可見，蠡縣超級單體風暴的最大反射率因子明顯大于章丘超級單體風暴，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暴。強中心高度、中氣旋最大旋轉速度及所在高度、風暴頂幅散強度等差異不明顯。偏大的最大反射率因子導致蠡縣強冰雹密度較高，災情較重，章丘強冰雹密度較低，災情較輕。

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

表2 蠡縣和章丘超級單體風暴參數(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構

兩次強冰雹風暴的相似性：一是風暴入流區(qū)一側的差分反射率明顯大于其他區(qū)域，即差分反射率弧，前側入流區(qū)一側以大粒子為主，包括大的液態(tài)粒子或(和)融化的小冰粒子；二是風暴低層強冰雹區(qū)的反射率因子強、差分反射率小和相關系數(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)可導致相關系數(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，在強上升氣流作用下，強上升氣流區(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??；雷達探測的液態(tài)水高度可達-30℃層高度甚至更高，與文獻[43]數(shù)值模擬結果基本一致(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(東側)強回波區(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。超級單體風暴典型特征是伴有深厚持久的中氣旋，內(nèi)部上升氣流結構相似， 對超級單體風暴偏振特征的相似性起到關鍵作用。

兩次強冰雹風暴主要差異：①蠡縣超級單體風暴強度和懸垂強度明顯大于章丘超級單體風暴。蠡縣超級單體風暴最大反射率因子平均值為77.1 dBZ，上升氣流區(qū)一側弱回波區(qū)上方有深厚的反射率因子超過65 dBZ的強懸垂。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，冰粒子直徑較大，進入下降通道的大冰雹粒子在下降通道中進一步增長，產(chǎn)生特大冰雹的概率相對較高或強冰雹密度較高?；夭☉掖箯姸热?，表明冰粒子直徑小，進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冰雹密度較低。因此，蠡縣超級單體風暴致災較重，而章丘超級單體風暴致災較輕。②蠡縣超級單體風暴內(nèi)冰雹區(qū)層次分明。蠡縣超級單體風暴上升氣流區(qū)一側弱回波區(qū)上方回波懸垂較強，冰粒子均一性較好(相關系數(shù)較大)；有界弱回波區(qū)東側的強回波墻(反射率因子超過65 dBZ)表現(xiàn)為冰雹粒子不規(guī)則區(qū)域(相關系數(shù)非常小)，冰雹直徑越大規(guī)則性越差，強回波墻內(nèi)含有較大的不規(guī)則冰雹粒子；強回波墻東側表現(xiàn)為相對規(guī)則的冰雹粒子區(qū)(相關系數(shù)較大但小于西側強懸垂區(qū))，冰雹粒子直徑小于強回波墻的冰雹粒子，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)東側回波墻強度較弱，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暴。章丘超級單體風暴差分反射率柱高度達到-48℃層高度附近，比差分相移柱高度達到-32℃層高度附近，蠡縣超級單體風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。蠡縣超級單體風暴具有更強的反射率因子，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)，強回波核后側徑向上一直出現(xiàn)類似V型缺口的差分反射率負值區(qū)，為強冰雹衰減偏振特征。

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日章丘強風暴產(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)境條件是導致章丘風暴強度偏弱的關鍵環(huán)境因素。邢臺上空較低的濕度和中層相對冷的環(huán)境條件是導致風暴強度明顯較強的關鍵環(huán)境因子。

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

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

5 結 論

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

1) 兩次強冰雹超級單體風暴發(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。二者均具有中等強度或以上對流有效位能，較大垂直風切變，有利于高組織性風暴的產(chǎn)生與維持。

2) 風暴雙偏振特征的相似性。風暴低層前側入流區(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。風暴低層強冰雹區(qū)具有反射率因子強、差分反射率小和相關系數(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(東側)強回波區(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)。超級單體風暴具有深厚持久的中氣旋，內(nèi)部上升氣流結構的相似性是超級單體風暴偏振特征相似的關鍵原因。

3) 風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。蠡縣超級單體風暴的強度明顯大于章丘超級單體風暴，差分反射率柱和比差分相移柱高度低于章丘超級單體風暴。較強的反射率因子導致蠡縣超級單體風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暴弱回波區(qū)上方懸垂的回波較強而且厚度較厚，表明懸垂區(qū)有較多大的冰雹粒子存在，大的冰雹粒子進入下降通道后，再次產(chǎn)生明顯增長，導致地面出現(xiàn)大冰雹甚至特大冰雹。

4) 濕度垂直分布是風暴發(fā)展強度的關鍵環(huán)境因素。蠡縣超級單體風暴產(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的溫度露點差為25～35℃。章丘超級單體風暴產(chǎn)生在相對較濕的垂直環(huán)境條件下，830 hPa以上溫度露點差為10～15℃。