2020, Vol. 40
双线偏振多普勒天气雷达通过发射水平和垂直两路电磁波信号，不仅可以探测到气象目标物水平极化基本反射率因子Z、平均径向速度V及速度谱宽W等信息，还可以获得差分反射率因子(ZDR)、相关系数(CC)、差分相移(ΦDP)及其导出量比差分相位(KDP)等双偏振参数。国外大量研究表明，不同尺寸和不同相态的气象目标物对应不同的双偏振参数特征值，对这些参数特征值进行细致分析与模糊逻辑运算，可以进一步识别降水粒子的相态分布以及降水类型等[1-9]。对于满足瑞利散射的气象目标物粒子，ZDR大小取决于粒子的大小和形态，球形粒子ZDR为0 dB；长轴呈水平状态的椭球粒子ZDR为正，长轴呈垂直状态的椭球粒子ZDR为负；液态雨滴随着直径的增大ZDR也增大，ZDR大小与粒子浓度无关。KDP随着雨滴直径的增大而增大，同时对雨滴浓度也较为敏感。长轴呈水平状态的雨滴浓度越高KDP越大，KDP与纯雨水的降水率几乎呈线性关系。因此，KDP可很好地反映雷达取样体积内的液态含水量，可用来反演强降雨的雨强。CC与雷达取样体积里粒子种类、形状或轴取向有关，粒子种类多或粒子形状多样性会导致CC降级，对于纯净的雨滴，CC＞0.98，地物、昆虫、鸟类等非气象目标物一般CC＜0.7。
国外一些观测分析表明，强风暴特别是超级单体风暴在环境0 ℃层高度以上通常会出现ZDR柱和KDP柱[10-18]，ZDR柱与强上升气流区相对应，ZDR柱的高度与上升气流存在正相关关系，ZDR柱的高度可以作为判别风暴强度的指标之一。TUTTLE et al.[19]对一次强降水风暴的ZDR柱分析表明，25~30 m·s-1的上升气流速度与成熟的ZDR柱密切相关，上升气流减弱与ZDR柱收缩同时发生。CONWAY and ZRNIĆ [20]对超级单体风暴ZDR柱分析发现，融化层之下，ZDR柱由大雨滴组成，融化层之上ZDR柱包含由过冷却雨滴、水包膜的冰粒子、湿的扁球结构和球形结构冰粒组成的混合物。KUMJIAN et al.[21]模拟分析认为，成熟阶段ZDR柱低层(0 ℃层以下高度)主要是大的雨滴，0 ℃层之上随着高度的增大，依次以冻雨滴、冰雹粒子为主。
国内在双偏振天气雷达数据质量控制、强风暴结构及业务应用方面也做了大量研究工作[22-31]，取得了一些研究成果。张羽等[32]对一次短时强降水过程的双偏振参量分析表明，1 h雨量大于50 mm降水对应的ZDR平均值在1.25~1.66 dB之间，KDP的平均值在0.80~1.48°·km-1之间，CC平均值都在0.95以上。荀爱萍等[33]对不同雨强偏振参量分析表明，暴雨以上量级降水的反射率因子Z范围为40~60 dBZ，ZDR范围为1.0~4.0 dB，KDP范围大部分在1.0~4.0°·km-1，不同强度的降水CC差别不大。
本文基于济南CINRAD/SA双偏振天气雷达资料，结合地面实况资料，对2019年7月27日和8月10日两次对流性强降水风暴双偏振参量特征进行了分析，目的是初步了解强降水风暴低层、中层及垂直结构上的双偏振特征量，希望对强降水的微物理特征、降水量反演及相关预警业务有所启示。
1 天气实况与环境物理量受西风槽和副热带高压边缘影响，2019年7月27日午后至夜间，鲁西北西部、鲁中西部和鲁南地区出现分散性强降水天气，12:00—20:00(北京时，下同)累计降水量见图 1a。有1个国家级气象观测站(以下简称“国家站”)和21个区域气象观测站(以下简称“区域站”)累计降水量超过50 mm，最大降水量97.1 mm，出现在茌平菜屯区域站，小时最大雨量71.9 mm, 也出现在菜屯区域站(14:00—15:00)。
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图 1 2019年7月27日12:00—20:00(a)和8月10日00:00—08:00(b)累计雨量 Fig.1 Cumulative precipitation from 12:00 BST to 20:00 BST 27 July (a) and from 00:00 BST to 08:00 BST 10 August(b) 2019 |
受西风槽和低层切变线影响，2019年8月10日凌晨至08时，鲁西北地区出现强降水天气，局部大暴雨，鲁西南地区局部出现暴雨，10日00:00—08:00累计雨量见图 1b。11个国家站雨量达到50 mm以上，其中2个站达到100 mm以上，最大139.1 mm，出现在高唐国家站；115个区域站雨量达到50 mm以上，其中28个站达到100 mm以上，最大171.4 mm，出现在高唐县姜店区域站；最大小时(整点)降水量64.2 mm，也出现在姜店区域站(04:00—05:00)。
章丘探空数据(图 2)表明，7月27日08:00，CAPE值为1 155 J·kg-1(降水区茌平站11:00露点与气温订正后数据为3 900 J·kg-1)，K指数较小(21 ℃)，0~6 km垂直风切变较弱(9.7 m·s-1)，低层相对湿度较小，972、925和850 hPa比湿分别为19.3、14.9和8.0 g·kg-1，0 ℃、-10 ℃和-20 ℃层高度分别是5.2、7.0和8.8 km。8月9日20:00，CAPE值较强(2 677 J·kg-1)，K指数较大(38 ℃)，0~6 km垂直风切变较弱(8.6 m·s-1)，低层相对湿度较大，中层以上较干，973、925和850 hPa比湿分别为20.5、18.0和15.3 g·kg-1，0 ℃、-10 ℃和-20 ℃层高度分别是5.4、7.1和8.7 km。对比可知，两次强降水发生在弱垂直风切变环境下，具有较高的0 ℃高度，且0 ℃、-10 ℃和-20 ℃层高度差别不明显；7月27日强降水天气K指数明显较低，湿层厚度和低层绝对湿度也偏低，但CAPE值明显大于8月10日。
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图 2 2019年7月27日08:00(a)和8月9日20:00(b)章丘探空 Fig.2 Sounding diagram from Zhangqiu Station at 08:00 BST 27 July (a) and 20:00 BST 9 August (b) 2019 |
两次强降水过程都在肖庄区域站产生强降水，而且最大小时降水量大致相当。7月27日肖庄站累计雨量70.8 mm，14:00—15:00肖庄站出现67.6 mm的强降水，14:26—15:50，分钟降水量基本在1.5 mm以上，最大为2.5 mm。8月10日肖庄站累计雨量为137.1 mm，02:30—03:30肖庄站出现67.1 mm的强降水，02:33—02:43分钟降水量在1.5 mm以上，最大为3.0 mm。因此，选择肖庄站作为参考站点对两次强降水风暴进行分析(肖庄站与济南雷达站和章丘探空站的位置关系见图 1)。
2 7月27日强降水风暴双偏振参量特征分析7月27日表现为分散性强降水，对流单体也表现为空间上的相对孤立和时间上的不连续性。济南雷达观测表明，12:30前后茌平东北部至临清东南部一带有对流触发，移动缓慢。13:20前后对流单体合并，发展成团状对流风暴，并缓慢向东南方向移动，主要影响临清、茌平、东阿及平阴一带。
2.1 平面位置显示(PPI)产品特征图 3是7月27日14:25济南1.5°和6.0°仰角水平极化反射率因子(Z)、差分反射率(ZDR)、相关系数(CC)和比差分相位(KDP)产品，1.5°仰角肖庄站上空对应的高度约1.9 km，6.0°仰角肖庄站上空对应的高度约6.7 km，接近环境－10 ℃层(7.0 km)高度。
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图 3 7月27日14:25济南雷达1.5°仰角Z(a1，黑色实线为45 dBZ等值线)、ZDR(a2，点状曲线为KDP=1.1°·km-1等值线)、CC(a3)、KDP(a4，点状曲线为1.1°·km-1等值线)和6.0°仰角Z(b1，蓝色实线为45 dBZ等值线)、ZDR(b2)、CC(b3)、KDP(b4)产品 Fig.3 Products of Z (a1, black solid line for isoline of 45 dBZ), ZDR (a2, dotted curve for isoline of KDP being 1.1°·km-1), CC (a3), and KDP (a4, dotted curve for isoline of 1.1°·km-1) at 1.5° elevation and Z (b1, blue solid line for isoline of 45 dBZ), ZDR (b2), CC (b3), KDP (b4) at 6.0° elevation from Jinan radar at 14:25 BST 27 July 2019 |
风暴低层肖庄站周围存在Z≥45 dBZ的强回波(图 3a1)，以肖庄站所在径向为参考，南部回波强度大于北部，北部在45~51 dBZ之间，南部在45~57.5 dBZ之间。强回波区对应的ZDR差别明显(图 3a2)，肖庄站北部明显小于南部，北部基本在0.5~2 dB之间，南部基本在2 dB以上。强回波区对应的CC在0.94~0.99之间(图 3a3)，肖庄站南部CC略偏低。强回波区对应KDP值较大，基本在0.5~2.5°·km-1之间(图 3a4)，最大为3.1°·km-1，KDP＞1.0°·km-1的区域位于肖庄站以北(图 3a4中点状曲线为1.1°·km-1等值线)，且与ZDR较小的区域相对应(图 3a2)。
综合相关研究[4-5, 8-11]，对于纯粹的降雨，Z和ZDR对雨滴大小较为敏感，大的雨滴导致大的Z和ZDR，而KDP对雨滴浓度较为敏感，强降雨具有大的KDP。因此，肖庄站南侧雨滴直径偏大，从而导致该区域Z偏强，ZDR明显偏大。KDP大值区与ZDR偏小区域相对应，同时该区域Z≥50 dBZ，说明该区域雨滴直径相对偏小而浓度较高，从而导致大的降雨强度。肖庄站在14:26—15:50期间分钟降水量基本在1.5 mm以上，肖庄站附近Z在50~52 dBZ之间(图略)，ZDR在0.5~1.7 dB之间(图略)，CC在0.975~0.990之间(图略)，KDP在1.7~2.5°·km-1之间(图 3a4下方，分别是14:31、14:38、14:45肖庄附近KDP)。低层反射率因子50~52 dBZ，同时具有较大的KDP值(1.5°·km-1以上)，大的CC和适当的ZDR(0.5~2.0 dB)是肖庄站产生24 min左右的高强度降水(分钟降水量超过1.5 mm)的主要特征。
风暴中层(6.0°仰角产品)肖庄站上空存在45 dBZ以上的强回波区(图 3b1)，肖庄站东侧更强，在55~61 dBZ之间。强回波区对应的ZDR在肖庄站东侧存在1~2 dB的大值区，其他区域ZDR较小(图 3b2)。强回波区对应的CC在0.88~0.99之间(图 3b3)，肖庄站东侧CC明显偏低，最小为0.88。强回波区对应的KDP值存在1.1~2.8°·km-1的大值区(图 3b4)。
0 ℃层高度以上ZDR选取1 dB为阈值，肖庄站东侧上空6.7 km高度(略低于－10 ℃层高度)出现的ZDR大值区即为ZDR柱。KDP选取1°·km-1为阈值，肖庄站上空KDP大值区即为KDP柱。根据相关研究[10-18]，ZDR柱的出现表明该区域为强上升气流区，强上升气流可以将一定数量直径稍大的冰粒子、或包有水膜的冰粒子、或液态粒子带到环境-10 ℃层高度附近，从而导致大的Z、ZDR和KDP值，不同相态粒子同时存在，导致CC明显偏低。
2.2 垂直剖面图(VCS)产品特征图 4是7月27日济南雷达14:31 Z、KDP、ZDR和CC的垂直剖面图(VCS)产品，剖面沿径向263°(经过肖庄站上空，肖庄距离雷达站约60 km)，蓝色直线是0 ℃层高度，图 4c右上是ZDR柱放大后的局部图片。可以看出，强回波区(Z≥45 dBZ)大部分位于0 ℃层高度以下，具有低质心热带降水型特征，同时，距离雷达55~59 km处45 dBZ以上强回波伸展到较高的高度，顶部达到9.0 km，50 dBZ回波顶部达到7.8 km，超过-10 ℃层高度(7.0 km)。对应的KDP和ZDR垂直分布与强回波(Z)垂直分布类似，45 dBZ回波区对应的ZDR基本在0.5 dB以上，KDP在0.5°·km-1以上，CC基本在0.95~0.99之间(肖庄站近地面小于0.9的CC为地物杂波干扰，降水期间一直存在地物干扰)。ZDR剖面(图 4c)0 ℃层高度以上存在大值区(ZDR≥1.5 dB，VCS产品使用了数据内插，ZDR大值区以1.5 dB为阈值，PPI上ZDR大值区以1.0 dB为阈值)即ZDR柱，1.5 dB高度伸展到6.4 km，略低于-10 ℃层高度。KDP剖面(图 4b)0 ℃层高度以上存在大值区(VCS上以1.5°·km-1为阈值)即KDP柱，1.5°·km-1的顶部伸展到7.4 km，略高于-10 ℃层高度，2.0°·km-1的顶部伸展到6.0 km，略高于0 ℃层高度。
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图 4 2019年7月27日14:31济南雷达Z(a)、KDP(b)、ZDR(c)和CC(d)产品垂直剖面图 Fig.4 Vertical cross section of Z (a), KDP (b), ZDR (c), and CC (d) from Jinan radar at 14:31 BST 27 July 2019 |
PPI产品和VCS产品都可以分析出强降水风暴存在较高的ZDR柱，即较强的上升气流和明显的上冲云顶，强上升气流的出现与维持对强降水风暴的发展与维持至关重要，同时导致局部反射率因子质心较高，由于重力拖曳作用，下沉气流强度也较强，致使肖庄站在14:28出现极大风速为21.8 m·s-1的大风天气。
3 8月10日强降水风暴双偏振参量特征分析8月10日表现为区域性对流强降水，对流风暴表现为线状对流云带，西南—东北向分布，在山东西北部造成西南—东北向强降雨区。济南雷达观测表明，8月10日00:00—00:30，聊城市区南部至菏泽东明一带有对流不断激发，01:00前后形成西南—东北向带状回波，02:00前后北端发展到德州平原一带，南北长度约200 km，05:30之后减弱。回波带上对流单体向北偏东方向移动，对流单体移动方向与带状走向夹角较小，某一地点经历降水影响时间较长，具有明显的“列车效应”。
3.1 平面位置显示(PPI)产品特征图 5是8月10日02:31济南雷达1.5°和4.3°仰角Z、ZDR、CC和KDP产品。1.5°仰角肖庄站上空对应的高度约1.9 km，4.3°仰角肖庄站上空对应的高度约4.9 km，低于0 ℃层高度(5.4 km)。
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图 5 2019年8月10日02:31济南雷达1.5°仰角Z(a1)、ZDR(a2)、CC(a3)、KDP(a4)和4.3°仰角Z(b1)、ZDR(b2)、CC(b3)、KDP(b4)产品 Fig.5 Products of Z (a1), ZDR (a2), CC (a3), and KDP (a4) at 1.5° elevation and Z (b1), ZDR (b2), CC (b3), and KDP (b4) at 4.3° elevation from Jinan radar at 02:31 BST 10 August 2019 |
风暴低层45 dBZ强回波区(图 5a1，黑色实线为45 dBZ等值线)呈西南—东北向带状分布，强回波区对应的ZDR在0.5~3.8 dB之间(图 5a2)，反射率因子梯度大值区(回波带东侧边缘)对应的ZDR较大，50~54 dBZ回波区(黑色点状线为50 dBZ等值线)ZDR基本在0.5~2.0 dB之间，55 dBZ左右的回波区ZDR在2 dB以上。强回波区对应的CC在0.96~0.99之间(图 5a3)，回波带东侧边缘偏小。KDP基本在0.5~2.9°·km-1之间(图 5a4)，回波带东侧明显较大，50 dBZ以上回波区KDP在1.1°·km-1以上。风暴低层回波带东侧区域表现为大的Z(50 dBZ以上)、大的ZDR(1.0 dB以上)和大的KDP(1.1°·km-1以上)，表明该区域雨滴不仅直径偏大，而且浓度也高，利于强降雨的出现。回波带上三个近乎连成一线的区域站(肖庄、洪屯和阎寺)都出现强降雨，02:33—02:43(10 min)累计雨量，肖庄、阎寺、洪屯站分别为22.9 mm、18.2 mm、11.5 mm，且都出现1.5 mm·min-1以上的雨强。肖庄站附近Z值在51~54 dBZ，ZDR在1.0~1.6 dB，KDP在1.7~2.4°·km-1，CC约为0.98；洪屯站附近Z值在50~51 dBZ，ZDR在1.0~1.4 dB，KDP在1.1~2.2°·km-1，CC在0.97~0.98；阎寺站附近Z值在50~52 dBZ，ZDR在0.6~1.0 dB，KDP在1.7~2.5°·km-1，CC约为0.99。低层反射率因子Z值在50~54 dBZ，同时具有较大的KDP值，适当的ZDR (0.6~1.5 dB)，较高的CC(0.97以上)，是雨带产生高强度降雨(分钟降水量超过1.5 mm)的主要特征。
4.3°仰角产品肖庄站上空(4.9 km)也存在强回波区(图 5b1，蓝色实线为45 dBZ等值线)，对应的ZDR在0.2~2.0 dB之间(图 5b2)，对应的CC在0.96~0.99之间(图 5b3)，KDP基本在0.5~2.7°·km-1之间(图 5b4)。垂直剖面(图略)显示肖庄站周围上空0 ℃层高度以上没有出现ZDR柱和KDP柱。洪屯站上空5.5 km高度出现ZDR＞1 dB的大值区(图 5b2)，但KDP＜1°·km-1(图 5b4)，阎寺站上空东部5.8 km高度出现ZDR为1.1 dB的大值区(图 5b2)，对应的KDP也大于1°·km-1(图 5b4)，而6.0°仰角产品没有出现Z、ZDR和KDP大值区。因此，可大致判别，洪屯站上空仅出现略高于0 ℃层(5.4 km)高度的ZDR柱，阎寺站上空强降水风暴出现略高于0 ℃层高度的ZDR柱和KDP柱。02:00—04:00期间，肖庄至阎寺一带上空其他体扫也基本上是在略高于0 ℃层的高度出现ZDR柱或(和)KDP柱。
3.2 垂直剖面图(VCS)产品特征图 6是8月10日济南雷达02:31 Z、KDP、ZDR和CC的垂直剖面图(VCS)产品，剖面位置见图 5白色直线，蓝色直线为环境0 ℃层高度。可以看出，强回波区(Z≥45 dBZ)基本位于0 ℃层高度以下，质心较低，属于低质心热带降水型。强回波区对应的ZDR基本在0.5 dB以上，最大为3.2 dB；KDP也在0.5°·km-1以上，最大为2.7°·km-1；CC基本在0.95~0.99之间。50 dBZ以上回波区对应的ZDR基本在1.0~2.5 dB，对应的KDP基本在1.1~2.7°·km-1，对应的CC基本在0.97~0.99之间(近地面小于0.9的CC为地物杂波干扰，降水期间一直存在地物干扰)。
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图 6 2019年8月10日02:31济南雷达Z(a)、KDP(b)、ZDR (c)和CC (d)垂直剖面产品 Fig.6 Vertical cross section of Z (a), KDP (b), ZDR (c), and CC (d) from Jinan radar at 02:31 BST 10 August 2019 |
线状降水回波带的典型特征是强回波基本位于环境0 ℃层高度以下，ZDR柱或KDP柱高度较低(略高于环境0 ℃层高度)。
ZDR柱低，质心也较低，重力拖曳作用不太强，地面出现5~6级阵风天气。肖庄站在02:42—03:15期间出现11.0~13.4 m·s-1的极大风速，阎寺站在02:34出现13.0 m·s-1的极大风速，洪屯站在02:48—02:59期间出现10.0~12.7 m·s-1的极大风速。
4 结论1) 两次对流性强降水发生在弱垂直风切变环境下，具有一定的不稳定能量，低层湿度较大，0 ℃层高度较高，利于短时强降水的产生。8月10日环境能量、K指数、湿层厚度和低层绝对湿度明显大于7月27日，8月10日表现为线状对流风暴，“列车效应”明显，产生较大范围强降水和更大的累积量，而7月27日表现为分散性对流降水。
2) 两次强降水都具有低质心热带降水型特征。垂直结构上表现为反射率因子45 dBZ以上的强回波区主要位于环境0 ℃层高度之下，风暴质心低，降水效率高。强回波区对应大的ZDR和KDP，ZDR基本大于0.5 dB，KDP基本大于0.5°·km-1。
3) 强降水风暴低层强回波区(Z≥45 dBZ)对应大的ZDR、CC和KDP值，ZDR≥0.5 dB，KDP≥0.5°·km-1，CC基本在0.95~0.99之间。风暴边缘反射率因子梯度大的区域ZDR偏高，而KDP和CC偏低，表明该区域雨滴直径大，但雨滴浓度低。对于低质心热带降水型风暴，Z值在50~54 dBZ之间，对应的KDP大于1.0°·km-1，ZDR适中(基本在0.5~2 dB之间)，是两次强降水风暴导致大的雨强的主要特征。ZDR适中，表明雨滴直径适中，不会太大也不会太小，同时大的KDP表明雨滴浓度高，对强降雨主要贡献者是这些大小适中的高浓度雨滴粒子。
4) 两次强降水风暴ZDR柱和KDP柱高度存在明显差异。7月27日肖庄强降水风暴ZDR柱和KDP柱高度在-10 ℃层高度上下，8月10日肖庄一带强降水风暴ZDR柱或KDP柱略高于0 ℃层高度。CAPE值大小与上升气流强度相关，7月27日强降水CAPE值明显大于8月10日强降水的CAPE值，致使7月27日强降水风暴内部上升气流强度较强，从而导致7月27日肖庄强降水风暴ZDR柱和KDP柱高度明显高于8月10日强降水风暴。
5) 从所能获得的实况看，7月27日强降水风暴具有较高的ZDR柱，在肖庄站产生9级阵风天气，而8月10日强降水风暴ZDR柱高度低，地面上仅产生6~7级阵风天气。因此，强降水风暴较高的ZDR柱对雷暴大风具有指示意义。
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