寧波雙偏振雷達(dá)在浙北強(qiáng)對流天氣的應(yīng)用分析

肖王星　董群　吳福浪

摘 要：本文選取了對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)影響嚴(yán)重的2020年3月21日浙北強(qiáng)對流為例，分析此次強(qiáng)對流過程的雙偏振雷達(dá)回波演變。結(jié)果表明：回波特征上為明顯的強(qiáng)回波前傾;低層為有界弱回波，中高層回波懸垂，強(qiáng)回波后側(cè)有弱回波通道和V型缺口，相對風(fēng)暴速度垂直剖面展現(xiàn)了回波前沿中低層輻合和高層輻散，大于60dbz的回波區(qū)延伸到-20℃高度;雙偏振參量上出現(xiàn)明顯的冰雹特征（ZDR為0～1，CC值<0.9，KDP為-0.1～0.1°/km），HCL和HI產(chǎn)品對冰雹落區(qū)有較好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：雙偏振;強(qiáng)對流;冰雹;HCL

中圖分類號：S716.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

強(qiáng)對流天氣是指出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)、龍卷風(fēng)、冰雹和颮線等現(xiàn)象的災(zāi)害性天氣，發(fā)生在對流云系或單體對流云塊中，在氣象上屬于中小尺度天氣系統(tǒng)。強(qiáng)對流帶來的短時(shí)暴雨、雷雨大風(fēng)和冰雹等天氣對農(nóng)作物傷害很大，且一直是浙江主要的災(zāi)害性天氣之一，其具有突發(fā)性、局地性和致災(zāi)嚴(yán)重等特點(diǎn)，常常給農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和人民財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失[1]。目前，天氣雷達(dá)是強(qiáng)對流天氣短臨預(yù)報(bào)和監(jiān)測預(yù)警的重要手段。業(yè)務(wù)上常用的新一代多普勒天氣雷達(dá)主要對降水粒子的回波強(qiáng)度、徑向速度和速度譜寬等信息進(jìn)行監(jiān)測[2]，雙偏振參數(shù)可以有效提高定量降水估測和抑制雷達(dá)雜波等[3-5]。目前，開展此項(xiàng)雙偏振改造的臺站還不多，由此雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品在業(yè)務(wù)應(yīng)用中的研究成果相對缺乏。已有的研究發(fā)現(xiàn)，雙偏振雷達(dá)在強(qiáng)對流天氣過程、冬季降雪和冰雹識別上具有較好的應(yīng)用效果。

2019年2月，新一代雙線偏振多普勒雷達(dá)在寧波正式投入使用。冰雹是從雷雨云中降落的堅(jiān)硬的球狀、錐狀或形狀不規(guī)則的固體降水。常見的冰雹大小如豆粒，直徑2cm左右，大的如雞蛋大?。ㄖ睆郊s5cm），特大的可達(dá)10cm以上。2020年3月21日的強(qiáng)對流天氣過程中，浙北的紹興、杭州、寧波等地區(qū)均出現(xiàn)了冰雹天氣，使得較多農(nóng)業(yè)大棚塑料薄膜受損。且此次冰雹過程正處于春季茶葉、油菜、枇杷等作物的采摘上市時(shí)段[6-8]，更是很多露天蔬菜、果樹等的復(fù)蘇、萌芽開花的重要時(shí)期，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動造成了巨大的影響。因此，本研究將利用寧波達(dá)蓬山S波段雙偏振雷達(dá)對2020年3月21日強(qiáng)對流天氣過程的回波特征和雙偏振產(chǎn)品特征及變化進(jìn)行分析，為今后雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品在寧波強(qiáng)天氣過程中的應(yīng)用、提前預(yù)報(bào)強(qiáng)對流天氣減少農(nóng)業(yè)損失等提供參考，并為農(nóng)業(yè)氣象技術(shù)服務(wù)指導(dǎo)。

1 資料說明

本文所使用的雷達(dá)數(shù)據(jù)來自寧波達(dá)蓬山S波段雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)。該雷達(dá)位于寧波市慈溪市達(dá)蓬山（N30.08°，E121.51°）。雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)間為北京時(shí)間2020年3月21日。

2 強(qiáng)對流天氣過程分析

2.1 強(qiáng)對流天氣實(shí)況

2020年3月21日傍晚到夜里，浙江北部出現(xiàn)了一次短時(shí)暴雨、雷雨大風(fēng)和區(qū)域性冰雹天氣。此次強(qiáng)對流天氣強(qiáng)度強(qiáng)，影響范圍廣。據(jù)氣象信息員上報(bào)，杭州富陽、紹興上虞和柯橋以及寧波余姚、鄞州、北侖、奉化等地先后出現(xiàn)冰雹，冰雹直徑1～4cm。杭州、紹興、寧波和舟山下屬多個(gè)縣市區(qū)出現(xiàn)8級以上（極大風(fēng)速≥17.2m/s）雷雨大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水（1h雨量≥20mm）。16∶00—20∶00，共有158個(gè)測站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，其中最大為杭州市余杭區(qū)雙聯(lián)村1h雨量47mm;共有221個(gè)測站極大風(fēng)速大于8級，59個(gè)測站大于10級，10個(gè)測站大于12級，其中紹興市嵊州董塢崗村風(fēng)力達(dá)到39.9m/s（13級）。

2.2 雷達(dá)回波特征分析

寧波雙偏振雷達(dá)組合反射率顯示，由江西移入的多單體風(fēng)暴在浙江北部開始發(fā)展加強(qiáng)。造成此次大范圍短時(shí)暴雨、雷雨大風(fēng)和冰雹天氣的為2個(gè)強(qiáng)對流單體。單體A和單體B移動速度快，強(qiáng)回波區(qū)維持時(shí)間長，發(fā)展后在主體回波前沿形成弓形強(qiáng)回波區(qū)。3月21日16∶48單體A位于杭州富陽，強(qiáng)回波中心達(dá)到65.5dbz，且一直發(fā)展并向東南方向移動;17∶24單體A進(jìn)入紹興上虞，強(qiáng)回波區(qū)擴(kuò)大，中心達(dá)到71dbz，單體B中發(fā)展出大于60dbz的強(qiáng)回波中心;17∶48單體A強(qiáng)度維持，進(jìn)入寧波余姚，強(qiáng)回波中心69.5dbz，單體B移動到紹興嵊州，強(qiáng)回波增強(qiáng)到64.5dbz;18∶30單體A減弱到達(dá)寧波北侖，強(qiáng)回波中心66.5dbz，單體B增強(qiáng)至最強(qiáng)，回波中心66.5dbz，影響寧波奉化。之后強(qiáng)回波帶繼續(xù)東移并減弱入海。

根據(jù)單體A和單體B的演變以及雷達(dá)探測距離的限制，以下將主要選取3月21日17∶24和17∶48的雷達(dá)探測資料，對強(qiáng)對流天氣的回波特征進(jìn)行分析，這2個(gè)時(shí)次余姚和紹興出現(xiàn)冰雹、大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水天氣。從圖1可以看出，17∶24的單體A、17∶48的單體A和單體B低層沿回波移動方向反射率因子具有很大梯度，最強(qiáng)回波頂位于低層反射率因子高梯度區(qū)之上，出現(xiàn)明顯的強(qiáng)回波區(qū)前傾結(jié)構(gòu)。低層為有界弱回波，中高層回波懸垂，強(qiáng)回波后側(cè)有弱回波通道，相對風(fēng)暴速度垂直剖面展現(xiàn)了回波前沿中低層輻合和高層輻散，表明了強(qiáng)烈對流天氣結(jié)構(gòu);低層0.5°仰角的反射率因子上出現(xiàn)后側(cè)弱回波區(qū)的V型缺口，表明強(qiáng)的下沉氣流，可能引起破壞性大風(fēng)。從時(shí)間演變上，17∶24單體A大于60dbz的強(qiáng)回波區(qū)發(fā)展至-20℃高度上，云層中存在大冰雹粒子，強(qiáng)回波質(zhì)心處于高空3.3～4.5km，低層有冰雹粒子降落;單體B在-20℃高度上開始出現(xiàn)大于50dbz的回波區(qū)。17∶48單體A略減弱東移，其強(qiáng)回波質(zhì)心下降至2.9～3.6km，處于0℃線以下;單體B東移發(fā)展，強(qiáng)回波繼續(xù)向上延伸，-20℃線附近出現(xiàn)大于60dbz的回波區(qū)。

2.3 雙偏振參量對冰雹的識別

通過分析雙偏振雷達(dá)的偏振參量差分反射率因子ZDR、差分相移率KDP和相關(guān)系數(shù)CC，可以判斷此次冰雹相態(tài)的變化。ZDR可以指示粒子總數(shù)在不同尺寸上的分布，雨滴粒子直徑越大，ZDR越大;其中DBZ大ZDR小是冰雹的顯著特征[7]。CC用來描述水平和垂直極化的回波信號變化的相似度。一般氣象目標(biāo)的CC值較高，大部分的氣象回波CC值高于0.9，大冰雹的CC值低于0.85[9]。KDP是雙通道相位的差值，即水平極化波和垂直極化波傳播常數(shù)的差，冰雹的KDP在0值附近[10]。17∶24的單體A和17∶48的單體B反射率因子核心區(qū)對應(yīng)0.5°仰角ZDR處于0～1，CC值小于0.9，KDP介于-0.1°～0.1°/km，說明低層出現(xiàn)冰雹粒子。

2.4 相態(tài)分類HCL和冰雹指數(shù)HI特征

HCL算法可以利用雙偏振雷達(dá)的參量對粒子進(jìn)行10種相態(tài)分類。分析發(fā)現(xiàn)（圖略），冰雹指數(shù)HI的落區(qū)和HCL中冰雹相態(tài)分布吻合，均較好地指示了可能出現(xiàn)冰雹的區(qū)域。預(yù)報(bào)單體A和單體B在3月21日17∶24和17∶48分別于余姚和紹興出現(xiàn)冰雹，16∶48單體A在杭州出現(xiàn)冰雹，18∶30單體A和單體B分別在北侖和奉化出現(xiàn)冰雹，與實(shí)況較為一致。單體B需要注意的是，在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，HCL和HI存在一定程度上的空報(bào)，誤報(bào)16∶48單體B在杭州出現(xiàn)冰雹，當(dāng)中高空出現(xiàn)冰雹粒子時(shí)，上述產(chǎn)品可能預(yù)報(bào)出有冰雹，但由于融化層較厚，不一定在地面能觀測到冰雹，因此還需要結(jié)合雙偏振參量進(jìn)行分析檢驗(yàn)，可以較好地判斷出冰雹的發(fā)生和落區(qū)。

3 總結(jié)與討論

本研究以2020年3月21日浙北強(qiáng)對流天氣為例，利用常規(guī)觀測資料和寧波S波段雙偏振雷達(dá)分析此次過程的演變特征，得到如下結(jié)論。

回波特征上出現(xiàn)明顯的強(qiáng)回波區(qū)前傾結(jié)構(gòu);低層為有界弱回波，中高層回波懸垂，強(qiáng)回波后側(cè)有弱回波通道，相對風(fēng)暴速度垂直剖面展現(xiàn)了回波前沿中低層輻合和高層輻散，為典型的強(qiáng)烈對流天氣結(jié)構(gòu)。

后側(cè)弱回波區(qū)的V型缺口，表明雷雨大風(fēng)的形成;大于60dbz的回波區(qū)延伸到-20℃高度，指示了冰雹出現(xiàn)的可能。

結(jié)合CR>60dbz的位置和冰雹實(shí)況，反射率因子高值區(qū)的ZDR處于0～1，CC值<0.9，KDP介于-0.1°～0.1°/km，表明了低層冰雹粒子的降落，HCL和HI產(chǎn)品可以指示冰雹的落區(qū)。

以上經(jīng)驗(yàn)可以為冰雹天氣的研究提供理論依據(jù)，并在以后的短臨天氣預(yù)報(bào)中應(yīng)用，對強(qiáng)對流天氣進(jìn)行提前預(yù)報(bào)預(yù)警，以提前做好防護(hù)，減少強(qiáng)對流天氣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中帶來的損失。

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（責(zé)任編輯 李媛媛）