2024, Vol. 44
2. 山东省气象台，山东 济南 250031
2. Shandong Meteorological Observatory, Jinan 250031, China
超级单体风暴是指伴有深厚持久中气旋的风暴，组织性强，持续时间长，常常会产生强冰雹、强下击暴流甚至龙卷等灾害性天气，因此，对超级单体风暴结构、动力学特征以及微物理过程的相关研究具有重要科学意义。20世纪60年代初期，Browning[1-2]首先提出了超级单体风暴一词，并给出了超级单体三维气流结构模型。20世纪70年代后期，Lemon等[3]在对超级单体风暴分析、总结的基础上，对Browning[1-2]提出的超级单体风暴概念模型进行了适当修改，提出了一个新的超级单体概念模型，至今仍被应用。随着观测技术手段的不断改进和个例增加，气象学者将超级单体风暴分为3类，即弱降水(low-precipitation，LP)超级单体、经典(classic，CL)超级单体和强降水(high-precipitation，HP)超级单体风暴[4-6]。对于超级单体风暴，早期研究主要专注于导致强冰雹或龙卷的超级单体风暴结构和动力学特征，随着数值模式的发展和双极化技术的应用，对强风暴特别是超级单体风暴双极化特征的个例研究迅速增多。不同尺寸和不同相态的气象目标物对应不同的双偏振参量特征值，对这些参量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，还可以对风暴内部的微物理特征进行定性分析，从而对风暴微物理过程作出推断[7-11]。对强风暴双偏振特征的诸多研究[12-15]表明，环境0 ℃层高度以上通常会出现大的差分反射率(ZDR)和差分相移率(KDP)，ZDR超过一定阈值(1.0 dB或1.5 dB)即称之为ZDR柱，KDP超过一定阈值[0.75 (°)·km-1或1.0 (°)·km-1]即称之为KDP柱。ZDR柱由过冷却雨滴、水包膜的冰粒子、湿的扁球结构或球形结构冰粒的混合物组成，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[10, 13, 15-16]。0 ℃层高度以上KDP大值区的出现，表明有丰富的液态雨水和(或)湿冰存在[10, 13, 17]。超级单体风暴低层前侧入流区反射率因子梯度大的部位往往会出现ZDR＞3 dB的高值，类似弧状，称之为ZDR弧，而风暴中层强上升气流区周围会出现环状或半环状增强的ZDR值，称之为ZDR环[10, 17-18]。
国内在双偏振天气雷达数据质量控制[19-20]、强对流风暴的偏振特征[21-25]、水凝物粒子分类[26-28]和风暴微物理过程[29-30]等领域进行了大量研究工作，并取得了丰富成果，为双偏振雷达业务应用奠定了基础。对强冰雹超级单体风暴偏振观测特征分析表明，风暴低层上升气流区一侧的ZDR弧、中层强上升气流周围的ZDR环、0 ℃层高度以上的ZDR柱和KDP柱(上升气流周围)等是其共同特征[31-37]，与国外观测的偏振特征基本相同或相似。对强降水超级单体风暴的观测个例分析较少，潘佳文等[38]对2018年5月7日发生在闽南地区的一次特大暴雨强降水超级单体风暴分析表明，在前侧下沉气流南侧的反射率因子梯度大值区附近存在一个浅薄的ZDR弧，ZDR柱位于有界弱回波区的上方，位于主上升气流的东南侧，KDP柱位于主上升气流的西北侧，主要由大量混合相态水凝物造成，其位置与地面雨强中心存在较好的对应关系。关于强冰雹与强降水超级单体风暴双偏振特征有何差异性的问题，目前国内还没有相关文献。
基于青岛SA双偏振雷达探测资料，结合常规观测和地面实况资料，对2019年8月16日在山东诸城等地产生的强冰雹超级单体风暴和2020年8月3日在山东高密产生小时雨量超过100 mm的强降水超级单体风暴双偏振参量结构特征进行对比分析，目的是初步了解两类超级单体风暴低层、中层、高层及垂直结构上的双偏振特征、微物理特征，以及两类超级单体风暴双偏振和微物理特征的差异，期望对两类超级单体风暴微物理过程的认识及相关临近预警技术有所帮助。
1 资料与方法利用常规气象观测资料和非常规气象观测资料，分析强冰雹超级单体和强降水超级单体风暴双偏振和微物理特征异同性。常规观测资料主要是08时(北京时，下同)探空数据，依据探空数据计算相关环境物理量，分析对应的天气形势。2019年8月16日诸城强冰雹区距离青岛探空站约95 km，2020年8月3日高密强降水区距离青岛探空站约60 km，主要应用青岛探空数据计算相关物理量，同时增加了风暴发生前1 h欧洲中期天气预报中心ERA5资料(时间分辨率为1 h，水平分辨率为0.25°×0.25°)计算的相关物理量。
非常规观测资料主要是区域气象观测站(以下简称“区域站”)分钟降水量、极大风速和青岛SA双偏振雷达高分辨率(250 m)探测资料。双偏振特征主要分析青岛雷达探测到的风暴低层(高度低于2 km)、0 ℃层和-20 ℃层3个层次的水平极化反射率因子(ZH)、ZDR、KDP和相关系数(Cc)等偏振参量特征，以及垂直剖面双偏振特征。诸城强冰雹区距离青岛SA雷达站约95 km，高密强降水区距离青岛SA雷达站约60 km，两次超级单体风暴均处在青岛SA雷达的较佳观测范围内。青岛SA雷达小雨区ZDR值分布形态与参考值基本一致，数据质量可靠。
文中所分析的风暴ZDR柱阈值为1.0 dB，ZDR弧阈值为3 dB，KDP柱阈值为1.0 (°)·km-1。依据Seliga等[39]和Illingworth等[40]的研究，ZDR为1.0 dB的雨滴直径约为1.6 mm，ZDR为3.0 dB的雨滴直径约为3.5 mm，文中小雨滴指ZDR＜1.0 dB的雨滴(直径小于1.6 mm)，大雨滴指ZDR≥3.0 dB的雨滴(直径大于3.5 mm)，1.0 dB≤ZDR＜3.0 dB的雨滴为中等大小雨滴。
2 天气实况及天气背景 2.1 天气实况2019年8月16日下午，山东诸城遭受强冰雹、雷暴大风等强对流天气袭击，造成诸城强冰雹的风暴属于长寿命超级单体风暴(以下简称“诸城强风暴”)。该风暴生成于14：00前后，消散于17：00前后，15：10—15：45影响诸城，贾悦附近最大冰雹直径在50 mm以上。贾悦区域站降水量为27.2 mm(亦为风暴最大降水量)，极大风速为22.7 m·s-1。影响诸城期间风暴最大反射率因子为75~78 dBZ，风暴强度非常强。风暴位置、形态分别见图 1a、b。
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图 1 风暴位置以及青岛雷达组合反射率因子 Fig.1 Storm location and composite reflectivity of Qingdao radar |
2020年8月3日下午，山东高密出现强降水天气，高密夏庄区域站在17：42—18：42出现114.5 mm的强降水，相邻的朝阳区域站同时间段降水量为39.9 mm，两站强降水由移动缓慢的超级单体风暴(以下简称“高密强风暴”)产生。强降水超级单体风暴生成于16：53前后，旺盛阶段风暴基本是朝东偏北方向缓慢移动，17：27开始出现中气旋并持续到18：02，18：47之后风暴减弱。没有观测到大风天气，也没有冰雹报告。强降水主要集中在17：49—18：09(20 min)，夏庄站降水量达54.1 mm，朝阳站为26.4 mm，其间风暴最大反射率因子为60~65 dBZ。风暴位置和风暴形态分别见图 1a、c。
2.2 天气背景与环境参数2019年8月16日08：00，影响系统为冷涡，500 hPa冷涡中心在河北、内蒙古和辽宁交界处上空，槽线压在山东半岛中部区域，850 hPa切变位于山东与河北交界处，地面辐合线位于山东境内的黄河北侧(图略)。低层较暖，850 hPa气温为21 ℃，中层较干冷，400 hPa气温为-19 ℃，比湿为0.2 g·kg-1，上干冷、下暖湿的配置造成热力不稳定及能量累积。14：00，地面辐合线南压至沂源—临朐—莱州一带，并在临朐东南部触发新的对流，演变为超级单体风暴。环境物理量(表 1)显示，抬升指数(lifting index，LI)为负值，对流有效位能(convective available potential energy，CAPE)较小，0~6 km垂直风切变(SHR)为中等强度，850 hPa与500 hPa温差(Δt)较大，干层强度(700 hPa与400 hPa温度露点差平均值)较大，存在明显的干层，整层比湿积分(IQ)较小。风暴触发地位于章丘探空站和青岛探空站之间，处在章丘探空站下游约75 km，而距离青岛探空站约180 km，章丘探空0~6 km垂直风切变为31.7 m·s-1，随着天气系统东移南压，上游地区的强垂直风切变也随着系统移动，触发地上空具有强的深层垂直风切变，同时，20：00青岛探空500 hPa风向和风速分别是285°和25 m·s-1，0~6 km垂直风切变为23.8 m·s-1，风暴发生发展阶段诸城一带0~6 km垂直风切变明显增大。诸城上游潍坊雷达站(两者距离约为85 km)风廓线(VAD wind profile，VWP)产品显示，14：00—14：30，6 km高度风速约为20 m·s-1(风向约为300°)，地面为东南风，风速为2 m·s-1左右，0~6 km SHR超过20 m·s-1，强度较强。由14：00 ERA5资料(表 1中带“*”时次对应数据)可知，风暴影响前1 h，诸城上空K指数增大，Δt减小，CAPE减弱(476 J·kg-1左右)，SHR和500 hPa风速明显增大。在CAPE较弱的情况下，强垂直风切变也利于组织性强的对流风暴产生。
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表 1 青岛探空环境物理量 Table 1 Environmental physical parameters at Qingdao sounding station |
2020年8月3日08：00，影响系统为高空槽与副热带高压(以下简称“副高”)外围西南气流。500 hPa冷涡中心在内蒙古东部上空，槽线底端位于河北北部一带，低层850 hPa槽线底部伸展到河北、河南与山东交界区域上空，缓慢东移。副高北侧588 dagpm线位于山东与江苏交界区域，基本呈纬向型分布。强降水风暴产生在槽前副高北侧西南气流暖湿区，环境物理量(表 1)显示，K指数较大，LI较小，CAPE较强，深层垂直风切变为中等强度(08：00与20：00对比几乎没有变化)，IQ较大，干层强度较小，没有明显的干层，0 ℃层高度(HZ)特别是湿球0 ℃层(HWBZ)较高，不利于地面出现冰雹。由15：00 ERA5资料(表 1中带“*”时次对应数据)可以看出，风暴影响前1 h，高密上空K指数有所减小，Δt增大，CAPE明显加强(4 618 J·kg-1左右)，深层SHR有所减弱，低层SHR明显减弱，500 hPa风速基本没有变化。
两次过程相比，8月3日强降水天气具有更强的CAPE、更大的IQ、更低的抬升凝结高度(lifting condensation level，LCL)和较高的0 ℃层或湿球0 ℃层高度，深层和低层垂直风切变明显较小。
3 诸城强风暴双偏振特征选取15：24青岛雷达观测数据进行分析，15：10—15：45是冰雹最为严重阶段，贾悦灾情最为严重，并出现直径50 mm以上的特大冰雹。
3.1 不同水平层次双偏振特征图 2从上至下为ZH、ZDR、KDP和Cc，从左至右为15：24诸城强风暴0.5°仰角PPI(plan position indicator)和0 ℃层(4.5 km)及-20 ℃层(7.7 km)高度CAPPI(constant altitude plan position indicator)。
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图 2 2019年8月16日15：24青岛雷达双偏振参量 Fig.2 Dual-polarization parameters of Qingdao radar at 15:24 BJT 16 August 2019 |
南侧存在明显的入流缺口(图 2a)，为气旋性旋转上升气流区(贾悦站以西)，对应有较多距离库ZDR≥3 dB(即ZDR弧，图 2d)，同时KDP较小(图 2g)，Cc大小不一(图 2j)，表明风暴低层上升与下沉气流结合区附近存在少量大的粒子(包括大的雨滴和小的湿冰粒子)或非气象目标物。65 dBZ以上(最大70 dBZ)回波区基本对应负的ZDR和小的Cc，为大冰雹区域，中气旋东北侧KDP较大[最大为8.5 (°)·km-1]，含湿冰粒子和一定浓度的雨滴。强回波核后侧2条径向ZDR为明显的负值区(一直持续到165 km，图 2d)，由强冰雹衰减所致，3条径向Cc为小值区(一直持续到165 km)，由波束非均匀填充(non-uniform beam filling，NBF)所致(图 2j)[24, 35, 41]。其他区域(强回波核区东侧及北侧45 dBZ以上回波区)对应大的ZDR值(多在2 dB以上)和大的Cc，KDP为0.5~3.5 (°)·km-1，有中等大小和大的雨滴存在，或许伴有少量小的湿冰粒子。
3.1.2 0 ℃层高度特征有明显的有界弱回波区(bounded weak echo region，BWER)，其北侧为强回波墙，最大为74 dBZ(图 2b)。BWER东、南和西侧分布有大的ZDR，中间区域ZDR较小，即ZDR环(图 2e)，BWER周围有少量大的粒子；BWER内ZDR和Cc较小(图 2k)，粒子相态或形状较为复杂。风暴西侧对应大的ZDR和KDP(图 2h)、小的Cc，湿冰粒子与液态粒子共存。其他强回波区基本对应小的甚至负的ZDR和小的KDP，以没有融化的冰雹粒子或霰粒子为主；65 dBZ以上回波区ZDR更小，为大冰雹粒子区。65 dBZ以上回波区后侧径向有明显的Cc小值区，一直延伸到165 km处(图 2k)，近处为三体散射(three-body scatter spike，TBSS)，远处为NBF。
3.1.3 -20 ℃层高度特征存在较强的回波悬垂，最大为74 dBZ(图 2c)。中气旋西侧边缘侧存在ZDR≥1 dB的距离库，即ZDR柱(图 2f)，存在KDP≥1.0 (°)·km-1的距离库，即KDP柱(图 2i)，表明上升气流强度较强，可将一定数量的液态或湿冰粒子带至-20 ℃层甚至以上高度。该高度其他区域基本对应小的ZDR、小的KDP和大的Cc，以冰雹粒子或霰粒子为主，存在较大区域的大冰雹粒子区。强回波区后侧径向Cc小值区为TBSS(图 2l)。
3.2 垂直剖面双偏振特征图 3a、b、c、d、e分别是15：24青岛双偏振雷达ZH、ZDR、KDP、Cc和V(径向速度)垂直剖面产品(图 1b和图 2a中白色直线，起点方位为262.7°、距离为101.0 km，终点方位为286.3°、距离为115.5 km，综合考虑径向速度及KDP柱和ZDR柱高度等选择沿白线方向进行剖面)。
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图 3 2019年8月16日15：24青岛雷达双偏振参量垂直剖面 Fig.3 Vertical section of dual-polarization parameters of Qingdao radar at 15:24 BJT 16 August 2019 |
可以看出，风暴具有深厚的BWER，其顶部(45 dBZ)达到-10 ℃层高度。BWER后侧为强回波墙，60 dBZ回波顶部接近9.4 km，湿球-20 ℃至0 ℃层之间有70 dBZ以上回波(厚度约为4 km，图 3a)。
湿球0 ℃层以上BWER南北两侧各有1条清晰的ZDR大值区(大于1 dB)，即ZDR柱(图 3b)，北侧略高于南侧，2条ZDR柱之间ZDR较小，即为ZDR环，同时BWER南北两侧都存在KDP＞1 (°)·km-1的大值区，即KDP柱(图 3c)，南侧KDP柱1的高度明显高于北侧KDP柱2的高度。BWER内及低层弱回波区内Cc较小，最小为0.6(图 3d)，相态较为复杂。
BWER后侧强回波墙区域(65 dBZ以上)对应的ZDR和Cc较小，ZDR多为负值，Cc基本小于0.9，基本为相对不规则的大冰雹区域；-10 ℃层上下，65 dBZ以上回波南侧对应有大的KDP柱，除了大冰雹粒子外，还含有一定数量的雨滴或湿冰粒子。湿球0 ℃层高度之下冰相粒子出现明显融化，ZDR和KDP明显增大。
径向速度剖面上，风暴中心区域(基本是60 dBZ以上回波柱体)对应的径向速度相对较小且有离开雷达的径向速度，而两侧对应有大的径向速度(入流)且出现速度模糊，强的西偏北气流在风暴两侧产生较强的入流，形成明显的“双涡”结构。风暴中心区域南侧(图 3e中左侧)为气旋性涡旋气流结构，即中气旋，北侧(图 3e中右侧)为反气旋性涡旋流场结构。
强冰雹超级单体风暴中气旋周围粒子相态较为复杂，在强上升气流的作用下，雨滴或湿冰粒子可以被带至较高高度。BWER上方及南侧回波悬垂区，-10 ℃层高度之上以冰相粒子为主；BWER后侧，湿球0 ℃层高度之上以冰雹粒子和霰粒子为主，厚度超过8 km，同时冰雹尺寸明显较大。冰粒子在下降通道中进一步增长，形成大冰雹粒子，在地面产生强冰雹灾害。
4 高密强风暴双偏振特征选取17：56青岛雷达观测数据进行分析，超级单体风暴成熟阶段所影响的区域站最大降水量出现在夏庄站，17：56—18：02降水量为15.5 mm(最大分钟降水量为3.0 mm)，朝阳站17：56—18：02降水量为10.6 mm(最大分钟降水量为2.2 mm)，夏庄站雨强明显大于朝阳站。
4.1 不同水平高度偏振特征图 4是17：56青岛双偏振雷达0.5°仰角、5.1 km(0 ℃层)和8.5 km(-20 ℃层)(由左至右)ZH、ZDR、KDP和Cc产品(由上至下)。
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图 4 2020年8月3日17：56青岛雷达双偏振参量 Fig.4 Dual-polarization parameters of Qingdao radar at 17:56 BJT 3 August 2020 |
南侧有明显的入流缺口和反射率因子梯度高值区(图 4a)，ZH梯度高值区对应ZDR高值(3 dB以上)，即ZDR弧(图 4d)，KDP较小(图 4g)，Cc较大(图 4j)，风暴南侧存在少许大的雨滴。其他区域(45~54 dBZ)，ZDR为1.0~2.4 dB，KDP为0.5~3.5 (°)·km-1，一定浓度中等大小(与南侧对比)的雨滴为主。夏庄区域站附近ZDR为1.3~2.1 dB，KDP为1.5~3.3 (°)·km-1。夏庄站ZDR略小于朝阳站，而KDP明显大于朝阳站，夏庄站周围上空存在高浓度的直径略偏小的雨滴，从而导致更强的降水。
4.1.2 0 ℃层高度特征存在宽阔的强回波区(ZH≥45 dBZ，图 4b)、ZDR大值区(图 4e)和KDP大值区(图 4h)。中气旋周围存在更大的ZDR和KDP，ZDR有3 dB以上的高值区，KDP有2.5 (°)·km-1以上的高值区，存在较高浓度的雨滴或小的湿冰粒子(Cc＜0.95的距离库，图 4k)。中气旋东侧较长径向的Cc低值区为波束非均匀填充(NBF，图 4k)。
4.1.3 -20 ℃层高度特征存在较强的水平极化反射率因子ZH(图 4c)，最大为65 dBZ(1个距离库)，基本是中气旋内存在ZDR柱(ZDR≥1 dB的区域，图 4f)和KDP柱[KDP≥1 (°)·km-1区域，图 4i]，强上升气流将一定浓度的雨滴带到-20 ℃层甚至更高高度。中气旋东侧强回波区(ZH≥45 dBZ)对应小的ZDR、小的KDP和大的Cc(图 4l)，以冰雹粒子或霰粒子为主。其他区域，特别是东部区域，存在较大范围的45 dBZ以下的回波区，对应小的ZDR、小的KDP和大的Cc，以霰粒子及冰晶粒子为主。-20 ℃层或以上高度有丰富的冰相粒子(包括冰雹粒子)，可为地面强降水提供丰富的“粒子源”。
4.2 垂直剖面偏振特征图 5a、b、c、d、e分别是17：56青岛雷达ZH、ZDR、KDP、Cc和V垂直剖面产品(图 1c中和图 4c中白色直线，起点方位为302.2°、距离为63.4 km，终点方位为345.0°、距离为51.6 km，综合考虑BWER、径向速度及KDP柱和ZDR柱高度等选择沿白线方向进行剖面)。
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图 5 2020年8月3日17：56青岛雷达双偏振参量垂直剖面 Fig.5 Vertical section of dual-polarization parameters of Qingdao radar at 17:56 BJT 3 August 2020 |
可以看出，风暴旺盛阶段，45 dBZ回波顶部达到14 km(-60 ℃层附近)(图 5a)，BWER顶部(45 dBZ)在湿球0 ℃层高度附近。BWER上方存在深厚宽阔的ZDR柱(图 5b)和KDP柱(图 5c)，其顶部均超过-20 ℃层高度。水平方向上-10 ℃层高度处ZDR柱宽度为8 km左右，KDP柱宽度为6 km左右，液态粒子浓度较高。BWER内部ZDR为1~3 dB，KDP较小，Cc大小不一，以中等大小的雨滴为主，Cc小值区相态复杂。BWER东侧(图 5a右侧)，湿球0 ℃层之上约9.5 km厚度内ZDR和KDP较小而Cc较大，为冰相粒子，包括小的冰雹粒子、霰粒子和冰晶粒子。BWER东侧，湿球0 ℃层之下出现明显融化，ZDR和KDP明显增大，底层ZDR和KDP又有所减小，Cc较大，基本为雨滴，为强降水区域。
径向速度剖面上，风暴主体(45 dBZ以上回波区)基本对应离开雷达的正径向速度(出流)，西侧(图 5e中左侧)和东侧对应有朝向雷达的负径向速度(入流)，西侧为气旋性旋转气流结构即中气旋，且-20 ℃层高度之上切变强度更强。深厚的气旋性旋转上升气流导致风暴主体高度较高，达到-60 ℃层高度以上，同时将丰富的液态粒子或湿冰粒子带至-20 ℃层以上高度。风暴流场也具有“双涡”结构，西侧为气旋性旋转，东侧为反气旋性旋转，强度明显弱于诸城强风暴。
高密强降水超级单体风暴BWER上方至-20 ℃层高度之间(厚度约为4.5 km)含有丰富的液态粒子或湿冰粒子，BWER东侧湿球0 ℃层之上约9.5 km厚度内含有丰富的冰相粒子，包括小的冰雹粒子、霰粒子和冰晶粒子，可为地面强降水提供丰富的降水粒子。
低层强上升气流区东侧及北侧45~55 dBZ区域对应1~2 dB的ZDR、大的KDP和Cc，表明该区域以中等大小雨滴为主，同时雨滴浓度较高，降水强度大，为强降水区。
5 双偏振特征对比分析 5.1 风暴参数特征风暴参数主要包括最大反射率因子(DBZM)及所在高度(HT)、风暴顶高(TOP)、基于单体的垂直累积液态含水量(C-VIL)、ZDR柱和KDP柱高度，同时对中气旋最大旋转速度及所在高度、风暴顶辐散强度(用风暴顶最大径向速度差ΔV表示)也进行了相应统计，平均结果见表 2。强冰雹超级单体风暴统计的是影响诸城阶段(15：13—16：04)，强降水超级单体风暴统计的是中气旋维持阶段(17：33—18：13)。
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表 2 诸城超级单体风暴和高密超级单体风暴参数平均值 Table 2 Mean values of parameters of Zhucheng supercell storm and Gaomi supercell storm |
诸城超级单体风暴的DBZM、强中心高度HT、中气旋最大旋转速度、风暴顶幅散强度等明显大于高密超级单体风暴，而ZDR柱和KDP柱高度明显低于高密超级单体风暴，中气旋最大切变差异不明显。由于雷达探测距离原因，青岛雷达对诸城强风暴不能探测到风暴顶，TOP和ΔV数据综合了临沂SA单偏振雷达探测数据(表 2中带“*”数据)。
5.2 共同特征风暴低层有明显的入流缺口，上升气流区一侧，反射率因子梯度较大，对应有ZDR弧，ZDR弧区域内以大粒子为主，包括大的雨滴和湿冰粒子，风暴旺盛阶段一直伴有该特征(其他时次图略)。
BWER周围存在ZDR柱、KDP柱和ZDR环等偏振特征，强上升气流区内温度明显高于外围环境温度，降水粒子仍可以以液态或湿冰相粒子形式存在，KDP柱内存在一定浓度的液态粒子或湿冰粒子。风暴旺盛阶段，ZDR柱和KDP柱维持在较高高度(-20 ℃层高度以上)。
ZDR弧、ZDR环、ZDR柱和KDP柱等偏振特征，与Kumjian等[18]总结的非龙卷超级单体风暴双偏振特征及潘佳文等[34, 38]分析的大冰雹超级单体双偏振特征和强降水超级单体双偏振特征基本类似，高度上存在一些差异。
5.3 主要差异性风暴强度、强中心高度和风暴顶高度存在明显差异。旺盛阶段，诸城强风暴DBZM和HT明显较大而TOP较低。诸城强风暴最大反射率因子维持在70 dBZ以上，平均为75.9 dBZ，且范围较大，高密强风暴最大反射率因子维持在60 dBZ以上，平均为65.1 dBZ。诸城强风暴HT平均为6.6 km(表 2)，维持在-13 ℃层高度附近，而高密强风暴HT平均为3.9 km(表 2)，维持在8 ℃层高度附近。诸城强风暴TOP平均为12.5 km(表 2)，维持在-46 ℃层高度附近，而高密强风暴TOP平均为14.2 km(表 2)，维持在-60 ℃层高度附近。
风暴低层微物理特征存在差异。旺盛阶段，诸城强风暴低层ZDR高值区(ZDR＞3 dB)的范围更大，风暴北侧和东侧存在明显的ZDR高值区，强冰雹超级单体风暴低层以大粒子为主，既存在大雨滴，也存在小的湿冰粒子。高密强风暴低层北侧ZDR明显小于3 dB，同时对应大的KDP，以浓度较高的中等大小雨滴为主。
ZDR柱和KDP柱高度差异明显，强降水超级单体风暴ZDR柱和KDP柱高度明显高于强冰雹超级单体风暴(表 2)。诸城强风暴ZDR柱平均高度为7.9 km，维持在-21 ℃层附近，KDP柱高度为8.5 km，维持在-24 ℃层附近。高密强风暴ZDR柱高度为9.2 km，维持在-24 ℃层附近，KDP柱高度为9.7 km，维持在-28 ℃层附近。
ZDR柱和KDP柱宽度差异明显。旺盛阶段，诸城强风暴-20~0 ℃层高度ZDR柱和KDP柱仅分布在中气旋周围小范围内，面积较小，而高密强风暴-20~0 ℃层高度ZDR柱和KDP柱覆盖整个中气旋及周围区域，面积较宽阔。0 ℃层高度之上高密强风暴具有非常宽阔深厚的液态粒子或湿冰粒子区。
5.4 偏振特征差异性原因两次强风暴双偏振特征存在明显的差异性，导致差异性的主要因素是什么？
不同的环境物理量，如湿度廓线、风场廓线随高度的变化等，可导致不同的风暴强度结构及不同的微物理结构[42-44]。诸城强风暴产生在相对较干的环境条件下，850 hPa之上温度露点差较大，干层深厚，530~450 hPa除外(图 6a)。高密强风暴产生在相对较湿的环境条件下，地面至300 hPa温度露点差平均值小于6 ℃(图 6b)。诸城强风暴产生在西北气流环境形势下，925~500 hPa为西偏北气流(图 6a)，而且850与500 hPa温差较大，而高密强风暴产生在西南气流环境形势下，925~400 hPa为西偏南气流(图 6b)，而且850与500 hPa温差较小，湿球0 ℃层较高，较高的湿球0 ℃层致使较多冰相粒子产生明显融化。高密强风暴较湿的湿度垂直分布形态及西南气流风场结构，不利于冰雹特别是强冰雹天气的出现，而是利于强降水天气的出现。
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图 6 青岛t-lnp探空曲线图 Fig.6 The t-lnp diagram at Qingdao sounding station |
两次强风暴气流结构存在一些差异，诸城强风暴旺盛阶段风暴顶幅散强度和中气旋旋转强度及风暴柱体两侧入流强度都明显大于高密强风暴(表 2)，强的入流更利于中气旋旋转强度的加强与维持，在强的“抽吸”和强的旋转作用下可以“承载”较强的回波悬垂，利于强风暴核的悬垂与大冰雹的循环增长。高密强风暴旺盛阶段中气旋顶部高度较高，平均8.4 km(表 2)，有6个体扫在9.6 km左右高度(图 5e)；较高的中气旋顶高，暖湿气流气旋性旋转上升的高度较高，一定数量的粒子在环境-20 ℃层高度以上保持过冷却状态，导致高密强降水超级单体风暴具有较高和较宽阔的的ZDR柱和KDP柱。同时，8月3日08：00青岛探空显示，平衡高度(equilibrium level，EL)在190 hPa(约12.8 km)，对应气温为-54 ℃(图 6b)；8月16日08：00青岛探空显示，平衡高度EL在321 hPa(约9.0 km)，对应气温为-27 ℃(图 6a)；较高的平衡高度和较高的中气旋顶高更利于高密强风暴具有更高的风暴顶高，达到-60 ℃层高度，而诸城强风暴顶高较低，在-46 ℃层附近。
两次强风暴KDP柱高度高于ZDR柱，ZDR柱高度之上存在一定浓度更小的雨滴。1.5 mm以下的雨滴，其ZDR小于1 dB，1.0 mm以下的雨滴，其ZDR小于0.5 dB[39-40]。小的雨滴更容易在过冷却状态下存在，大量过冷却状态的很小雨滴构成了KDP柱最高端的部分，而这些雨滴因为直径较小，对ZDR贡献较小。强降水超级单体风暴KDP柱和ZDR柱明显高于强冰雹超级单体风暴，没有查询到相关文献。
强冰雹和强降水超级单体风暴双偏振特征及其差异性的分析仅限于1对个例，其差异性是否具有普遍性？导致某些明显差异特征的物理因素是什么？需要更多个例进一步深入研究及通过数值模拟进行验证。由于雷达探测模式和性能的局限性，强风暴微物理特征只能进行定性解释，很难做到定量分析。
6 结论利用青岛双偏振雷达探测资料，结合天气实况数据资料，对一次强冰雹超级单体风暴和一次强降水超级单体风暴双偏振特征和微物理结构以及差异性进行了分析，得出以下结论：
(1) 诸城强冰雹超级单体风暴产生在东北冷涡和地面中β尺度辐合线共同作用环境背景下，上干冷、下暖湿，具有强的热力不稳定，CAPE较弱，深层和低层垂直风切变较强。高密强降水超级单体风暴产生在西风槽线前、副高北侧暖湿气流区，深层垂直风切变为中等强度，CAPE强，同时湿层深厚。
(2) 两次强风暴有明显的双偏振共同特征。风暴低层上升气流区一侧，对应有明显的ZDR弧。具有明显的BWER，其周围有ZDR环和KDP大值区。-20 ℃层高度具有明显的ZDR柱和KDP柱，分布在中气旋周围。风暴低层上升气流区一侧ZDR弧区域以大粒子为主，ZDR柱内含有中等大小雨滴或小的湿冰粒子，KDP柱内雨滴或小的湿冰粒子浓度较高。
(3) 两次强风暴存在明显的双偏振特征差异性。风暴强度、强中心高度差别明显，诸城强风暴DBZM平均约为76 dBZ，HT约为6.6 km，高密强风暴DBZM平均约为65 dBZ(65 dBZ以上距离库较少)，HT约为3.9 km。ZDR柱和KDP柱的高度及宽度存在明显差异，诸城强冰雹超级单体风暴ZDR柱、KDP柱的高度与宽度明显小于高密强降水超级单体风暴，-10 ℃层高度附近，诸城强风暴ZDR柱宽度约为1.2 km，高密强风暴ZDR柱宽度约为7 km。低层ZDR存在差异，诸城强风暴低层北侧存在较大范围的ZDR高值区，含有大的雨滴或小的湿冰粒子。风暴低层KDP高值区微物理特征不同，诸城强风暴低层KDP高值区基本对应55 dBZ以上的ZH，包含一定浓度的大雨滴和一些小的湿冰粒子，而高密强风暴低层KDP高值区以高浓度的雨滴为主。ZDR柱宽度差异明显，KDP柱宽度和高度存在明显差异，-10 ℃层高度附近，诸城强风暴KDP柱宽度约为3.5 km，高密强风暴KDP柱宽度约为8 km，诸城强风暴KDP柱伸展到-23 ℃层高度，高密强风暴KDP柱伸展到-38 ℃层高度。
(4) 气流结构和强度存在差异。诸城强冰雹超级单体风暴内中气旋旋转强度和风暴顶幅散强度明显大于高密强降水超级单体风暴，同时两侧入流强度也明显大于高密强风暴。强的入流利于中气旋加强与维持，同时强风暴顶辐散的抽吸作用，使得强回波核悬垂在较高高度，对冰雹的产生与增长非常有利。高密强风暴ZDR柱宽度较宽，强上升气流区较宽阔，同时上升气流区内含有浓度较高的液态或湿冰粒子。
(5) 诸城强风暴产生在较干冷的环境条件下，整层比湿积分明显小于高密风暴，较干的湿度垂直分布及西北气流风场结构，较低的湿球0 ℃层，利于地面降雹。高密风暴产生在较湿的湿度垂直分布及西南气流风场结构条件下，较高的湿球0 ℃层，利于强降水的产生，不利于地面降雹。
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