一次冰雹过程的双线偏振雷达回波特征分析

一次冰雹过程的双线偏振雷达回波特征分析

侯思远

民航温州空中交通管理站 浙江温州 325024

摘要:2019年4月24日温州机场及周边地区出现了一次冰雹、短时强降水天气过程，分析表明，此次天气过程是低层暖湿急流配合地面倒槽加强后，遇到中层干冷空气的侵入产生的，较强的垂直风切变也为大冰雹的形成提供了有利条件。利用雷达产品可以分析出，午后在文成附近生成的对流云团发展迅速，该云团在移动过程中出现了一次分裂，分裂后两块云团具有不同的旋转特征，右移的对流单体发展成为超级单体，并造成了本次冰雹过程。分析双线偏振雷达中的偏振参数，可以看出冰雹特征明显，冰雹在下落的过程中出现了部分融化，增强了降水强度。

关键词：冰雹 超级单体风暴 双线偏振雷达 相态变化 短时强降水

1. 引言

2019年4月24日下午15:20-15:30温州机场出现了一次冰雹天气，并伴有短时强降水，此次过程共12架飞机受到损伤，其中2架损伤超标，其余均临时修复或保留放行，气象自动观测设备也受到损坏，经观测员测量，冰雹直径为50mm，重量29g。温州机场自开通以来，仅出现过三次冰雹天气，随着温州机场航班量的不断增长，此类灾害性天气过程可能造成的损失也在放大，所以提前预警此类天气就显得尤为重要。借助温州双线偏振雷达的产品和高空地面资料对此次过程进行分析，着重分析双线偏振雷达在监测冰雹和短时强降水等强对流天气中的应用，为预报员在今后监测预警强对流天气过程中提供参考。

2. 天气背景
   1. 天气图分析

24日08时东亚地面图上，北方冷空气主体位于贝加尔湖以东地区，前沿已扩散到我国渤海至华北一线，西南倒槽从广西南部一直向北延伸到华北南部，中东部地区为倒槽前部的弱气压场控制着，此片区域出现了大面积的大雾天气，说明地面湿度十分高。

高空图上，850hPa冷高压位置与地面图上相似，高压前部的冷平流也扩散至渤海湾至华北一线，低压槽区控制着华北南部至华南地区，本场处于弱切变线南侧的西南气流之中，华南急流已发展到福建中部。700hPa上贝加尔湖以东地区为高压脊，我国的中部地区为一致的西北气流，胶东半岛以南至两湖地区有一条切变线，切变北侧有弱冷平流随之南下。本场上空为切变南侧的西南偏西急流控制。500hPa天气形势与700hPa形势相类似，高空浅槽位于长江中下游地区，槽前的西南气流控制着东部沿海至广东西部。下午14时地面西南倒槽明显地向东部发展，本场处于地面的幅合线附近。

2.2.环境条件分析

08时天气形势上，本场低层925hPa、850hPa上本场均为湿区控制，露点温度均＞10℃，其中925hPa露点温度＞14℃。T850-T500hPa≥26℃也处于本场上空，风雹条件较好，中低层温度直减率非常大，700hPa上的冷槽位于苏皖境内，随着高度槽的东移也在东移，500hPa上本场为露点温度差＞15℃的干区，即本场处于典型的“下湿上干”不稳定层结之中，且在中层即将有干冷空气侵入。200hPa高空急流也位于本场上空，为高层辐散提供了有利条件。

由于温州地区没有探空资料，结合数值预报分析，下午14时，近地面1000hPa为2m/s的东北风，700hPa为18m/s的偏西风，两个等压面之间的风矢量差数值为19m/s，厚度约为3km，对应的垂直风切变值为6.3×10-3s-1，在低层呈现出较大的垂直风切变，有利于超级单体风暴的生成和发展。0℃高度大约在600hPa附近，大约为4000m左右，-20℃高度大约在400hPa附近，大约为6000米左右，-20℃与0℃间的厚度较小，有利于生成冰雹，但0℃层的高度也较高，所以冰雹在下落的过程中也容易融化。

3. 超级单体风暴演变特征

24日下午地面天气形势为倒槽锋面向东部沿海发展，锋面云系也逐渐东移，13:42分在锋面云系的前部，温州西南山区文成附近有一个孤立的对流云团生成，配合此时较强的垂直风切变，孤立云团得以迅速加强，在生成后约15分钟的13:58分中心反射率就达到了69dbz，对流发展十分旺盛，对单体沿白线处进行剖面可以发现（图略），对流单体已经具有强回波悬垂的特征，同时具有了弱回波区特征，是此处有强上升运动的表现，通过对比1.5°仰角的PPI在强回波中心附近也出现了钩状回波的特征，在4.3°仰角的PPI上出现了三体散射现象，据此可以判断该对流单体已发展成为了超级单体，并具有了冰雹特征。

4. 双线偏振雷达产品应用

对流单体的行进路径上，大部分自动站记录的一小时降水在10mm以上，其中南白象自动观测站记录了15-16时的小时雨量36mm，并在其东侧约3km处的茶山区域有出现冰雹的报道。对流云团移动到机场附近后，15:08分观测员观测到大雨，此时AWOS的分钟雨量为0.1mm，15:20分，开始降雹，15:23分，分钟雨量达到了1.3mm，其后最强时达到了2.8mm，并一直持续到15:29分，之后由于设备遭受损坏缺失记录。根据刘黎平等人的研究双线偏振多普勒雷达可以对冰雹在落地之前是否有融化进行判断，同时双偏振雷达产品的分辨率可达250m，因此，通过分析双线偏振雷达的三个偏振参数，可以对此次过程中的冰雹特征和相态变化进行分析。

4.1.冰雹特征分析

右移的超级单体14:49在6.0°仰角约4-5km的高度出现三体散射现象，在反射率图上表现为长钉从强回波区沿径向伸展，是雷达发射的电磁波的一部分被冰雹向四周散射，其中散射到地面的电磁波经地面反射后，部分能量再次被冰雹散射回雷达天线形成的回波，由于经过冰雹的二次散射和地面反射，回波强度通常小于20dBz（朱敏华等，2006）。

4.2.冰雹相态分析

右移对流单体在分裂后，14:10分中心强度67dbz，中心高度约为5km，对应ZDR为-0.8-2dbz，14:26分中心增强到71dbz，中心高度约为5.7km，ZDR为-1.1-0.2dbz，此时还未形成弱回波区，14:38后随着中心强度增强到75dbz以上，中心高度约为5.9km，ZDR也随之增强到-1.4-1.3dbz，并形成了有界弱回波区，对应存在过冷雨滴、大冰雹和增长中的小冰雹；在悬垂体的下部，ZDR增强到4dbz；对应为融化的冰雹或大雨滴。14:43分，中心强度增强到80dbz，高度上升至约7km处，ZDR也增强到-1-3dbz，说明此处已经形成了大量的＞2cm的大冰雹。随后的14:49分，大于70dbz的回波部分下降到2km以下，3km以下的ZDR全部为正值，此现象说明由于当天0℃高度较高，白天地面温度超过20℃，冰雹首先在0℃层以上开始发展，而强烈的垂直风切变，有利于将水平涡度转换为垂直涡度，从而形成较强的上升气流，使得小冰雹能够长大，部分未变大的小冰雹在下落过程中逐渐融化成大雨滴，而大冰雹部分融化成了外覆水膜的冰雹。

4.3.强降水分析

在15:23分0.5°仰角上，强回波区基本覆盖了机场上空，回波强度在70-75dbz，对应的ZDR值为1.1-3.5dbz，CC值为0.8-0.98，KDP值为0.6-5.6/km，对应的相态应为大雨滴和冰雹外覆有外包水膜，符合实况出现的大冰雹伴随大雨的特征。

仰角抬高到19.5°，高度约为4km，即0℃层附近，回波强度中心向东南倾斜，强回波区强度为70-76dbz，并具有三体散射现象，反射率60dbz以上的区域，对应的冰雹区，ZDR为-2.7-0.6dbz占最大比例，对应此处CC为0.8-0.9dbz，由于CC＜0.9dbz时不计算KDP，但大冰雹的CC通常小于0.9，所以此处应为大冰雹区。超级单体风暴中的大冰雹在移动至机场时，仍保留了一部分，冰雹在下落的过程至0℃层附近时，融化现象不十分明显，但由于0℃层较高，至地面时已有部分逐渐融化成了大雨滴，由此增强了过程中的降水强度。

5. 结论

（1）08时温州机场处于弱辐合之中，低层西南急流位于福建境内，且低层湿度较大，而较高的中低层温度直减率和500hPa的干区也表明，中层有弱冷空气侵入，午后西南倒槽加强，为对流的触发带来了抬升条件。中低层较大的垂直风切变为超级单体风暴的发生维持和大冰雹的生成提供了有利条件。

（2）通过分析多普勒雷达产品可以发现右移对流单体具有悬垂结构和弱回波区，径向速度上有中气旋存在，因此可以将其定性为超级单体风暴。

（3）三体散射现象的出现表明，在风暴内部的中高层已经出现了大冰雹；偏振参数的分析也证明了风暴内部出现了大冰雹，但由于0℃线位置较高，且地面温度也较高，冰雹在下降过程中开始融化，ZDR、KDP由负值转为正值，CC逐渐加大，也说明冰雹逐渐融化成大雨滴和外包水膜的冰雹；本场的降水也受到了冰雹融化作用的增强。

参考文献

刘黎平，2002.双线偏振多普勒天气雷达估测混合区降雨和降雹方法的理论研究[J].大气科学，26（6）：761-772.

刘黎平，涨鸿发，王致君，宋新民，1993.利用双线偏振雷达识别冰雹区方法初探[J].高原气象，12（3）：333-337.

刘黎平，钱永甫，王致军，1996.用双线偏振雷达研究云内粒子相态及尺度的空间分布[J].气象学报，54（5）：590-599.

作者简介：侯思远（1986.11）男，汉族，四川成都，本科学历，工程师，从事航空气象预报工作。