利用相控阵雷达对2020年5月闽南一次降雹过程分析*

2021-07-07崔梦雪张晗昀张妤晴郑泽华陈德花

海峡科学 2021年5期

崔梦雪张晗昀张妤晴郑泽华陈赛陈德花

(1.海峡气象开放实验室，福建厦门 361012；2.厦门市气象台,福建厦门 361012；3.厦门市气象局,福建厦门 361012)

冰雹是从发展强盛的积雨云中降落到地面的冰球，是一种季节性明显、局地性强，来势凶猛、持续时间短，以机械性伤害为主的气象灾害，是我国主要的灾害性天气之一[1]；常常伴随狂风、暴雨等其他天气现象，给农林牧业、通信交通、房屋建筑物以及人民生命安全等造成严重损失[2]。冰雹等强对流天气系统尺度小、生命史短，不能用短期天气预报方法预报，其预报和预警一直是短临预报业务工作中的难点，是气象工作者研究的热点与难题，也是提高气象防灾减灾能力的迫切需要。

目前，利用新一代天气雷达进行冰雹监测、分析和预报已成为全国防范强对流天气的重要途径[3-6]，大量研究揭示了冰雹形成的机理及其演变规律，在冰雹的监测和预报预警服务中发挥了重要作用[7-12]。但由于新一代天气雷达天线采用机械扫描方法，业务运行采用VCP 21模式，最快只能在6 min内完成9个仰角的扫描。这种模式扫描周期过长，垂直方向分辨率较差，对快速变化的中小尺度天气过程，如冰雹、下击暴流、龙卷等的监测识别难以满足业务需求[13,14]。

相控阵天气雷达通过相位控制扫描，其波束的转换更为灵活迅速，能够在1 min之内完成一个体扫，是一种能在保证雷达资料质量的前提下，进行更快速扫描的雷达技术[15,16]。世界主要发达国家较早开展了相控阵天气雷达的观测与应用研究，并取得了一些重要的成果。2002年，美国国家雷达技术委员会推荐相控阵技术为美国下一代雷达发展的方向。在我国，早期相控阵雷达技术主要用于军事和航天等领域，近年来也开展了相控阵天气雷达技术的相关研发工作[17-19]。2020年，厦门市气象局与纳睿达科技有限公司合作，开展了X波段相控阵雷达的观测试验，同年9月已建成3部X波段相控阵雷达并开展观测试验。

2020年5月6日午后到傍晚，闽南沿海受到强对流天气影响，出现大范围冰雹、雷雨大风、短时强降水天气(降水如图1)，大部分地区出现罕见的冰雹，直径普遍在5～20mm左右，最大达30～50mm。此次降雹范围广，集中在沿海，造成影响大，且发生在5月，实属罕见。本文利用厦门翔安X波段相控阵雷达、厦门海沧S波段双偏振雷达、风廓线雷达等多源资料，详细分析了此次冰雹回波的演变过程，为利用相控阵雷达识别和预警短时局地灾害性天气奠定基础。

图1 2020年5月6日08时-7日08时闽南地区累积降水与地形高度(填色)

1 资料来源及说明

厦门翔安X波段相控阵雷达位于厦门市翔安区(24.6°N，118.3°E，见图2)，于2020年4月底开始试运行，是福建首部相控阵雷达，相较于S波段双偏振雷达，其径向分辨率由250m提升到30m，时间分辨率达到1min，可提供更快速、精细的回波结构，雷达参数详见表1。本文所用其他资料包括常规地面和高空观测资料、区域气象自动站观测资料、ERA5再分析资料、厦门翔安风廓线雷达资料及厦门海沧S波段双偏振雷达资料。

图2 厦门翔安相控阵雷达及厦门海沧双偏振雷达分布图

表1 厦门翔安X波段相控阵雷达主要性能参数

2 环流背景

2.1 大尺度环流分析

2020年5月6日08时，副高控制华南地区，588线位于广东北部-福建南部一带，位置较福建典型冰雹天气形势偏北，闽南地区处于副热带高压边缘，副高北侧有一支24m/s的副热带急流。700hPa华南低空急流轴风速达18m/s，闽南地区位于急流出口区，有明显风速辐合，利于上升运动发展。850 hPa江南北部存在一条东西向暖式切变线，低空急流从广西南部延伸至广东北部，闽南地区位于切变线南侧暖湿气团中。200hPa处于高空急流的分流辐散区(图3a)，构成低空辐合高空辐散的形势。低层减压增湿增温利于热力与动力不稳定能量的积聚，而高层抽吸作用利于上升运动的增强与维持。地面上四川低涡强烈发展，闽南处于低压倒槽中，午后升温明显，东北华北受冷高压控制，冷锋入倒槽导致不稳定能量释放，触发大范围强对流天气。

2.2 稳定度分析

从6日08时厦门站探空来看(图略)，存在明显上干、下湿结构，湿层浅薄集中在近地层，925hPa比湿达到15g/kg，近地层近乎饱和且存在明显逆温，利于水汽与不稳定能量的累积。08时的CAPE值已经达到1870J/kg，订正后CAPE值达到2500J/kg，SI指数为-3.6℃，K指数为34℃，多种对流指数显示当日大气层结极其不稳定，有利于强对流天气的发生。另外，0℃、-20℃层高度分别为4.9km、7.9km，湿球0℃层位于3.2km，有利于冰雹天气的发生。分析6日08时物理量场(图略)可知，福建大部地区K指数达33℃以上，SI指数指数低于-2℃，与探空数据有一致的结果。

(a) (b)

3 风廓线雷达分析

分析翔安站风廓线雷达资料发现(见图4)，6日上午1km以下高度风场以偏东风为主，中层为偏西到西南风，午后风向随高度顺转，表示低层垂直风切变加大并有暖平流。15时后，近地面一支西南风超低空急流形成，极大改善了本地的水汽及不稳定条件，有利于强对流天气的发生。18时前后，1km以下的边界层偏东风加强，1～2.5km高度风向由西南风转为偏南-东南风，高度变厚，2～3km低空风速大于12m/s，低空西南急流为对流天气提供了充沛的水汽和不稳定能量，对强对流天气的预报有很好的指示意义。

图4 2020年5月6日08～20时厦门翔安风廓线雷达0～5km高度水平风时序图

4 单体风暴演变过程

分析海沧S波段双偏振雷达的探测数据表明，6日13时以后，漳州开始有对流回波生成并东移，回波快速发展，14时18分强度达到60dBz以上，之后快速减弱东移入海。随后，不断有对流回波从漳州西部生成发展，受偏西风引导一路向东移动，形成块状回波，于17时30分回波分裂为左右两个风暴，右移风暴先强烈发展，随后快速减弱。左移风暴先是缓慢发展，随后快速增强(如图5)，18时26分，左移风暴发展为超级单体风暴，强回波中心达到65dBz以上，强回波中心高度可达8km左右，低层存在 “V形”入流缺口，VIL值明显的跃升。沿着风暴的径向伸展有明显的三体散射长钉，长度超过10km，预示着超级单体风暴内部有大冰雹。实况发现，集美区18时30分、翔安区18时40分左右出现降雹天气。18时44分以后，单体风暴逐渐减弱，回波中心强度明显减小，强中心的面积也显著缩小。

(a)18∶09 (b)18∶21 (c)18∶26

5 雷达回波参量分析

由于超级单体风暴于18时30分左右开始接近翔安雷达中心，受静锥区的探测限制，本文分时间段采用两部雷达资料进行分析：18时30分前，采用空间和时间分辨率高的翔安X波段相控阵双偏振雷达资料，之后采用海沧S波段双偏振雷达资料。

18时20分相控阵雷达回波(见图6)显示，60dBZ以上的强回波中心高度达到8km，有明显的悬垂回波特征和有界弱回波区，8km高度强回波中心处对应ZDR值和KDP值为接近0的负值，该处相关系数CC在0.5～0.85附近，表明8km处有明显的冰雹特征。2km以下低层有偏东风入流在径向上分量在5～10m/s左右，2km以上径向速度为偏西风，最大值达27m/s以上，低层垂直风切变大。由于零度层高度为5km左右，可以看到明显的ZDR柱(ZDR值大于2)延伸至6～7km，结合BWER特征可以推测ZDR柱附近有强上升气流，有利于抬升水相粒子并使冰相粒子得到增长。融化层下ZDR大于3，KDP大于2，反射率因子值大于50dBZ，相关系数CC接近于1，表明大量大雨滴处于下落过程。

(a)水平反射率因子 (b)径向速度 (c)差分反射率因子

18时26分，单体处于成熟阶段(图7)，60dBZ以上的强回波中心高度下降至2～3km处，强回波质心下降。回波结构有悬垂回波特征和有界弱回波区，回波悬垂附近强回波中心处对应ZDR值和KDP值均接近于0，说明此时冰雹粒子高度也在下降。2km以下低层有偏东风入流在径向上分量在5～10m/s，2km以上径向速度为偏西风，最大值达27m/s以上，垂直风切变仍较大。零度层高度以上ZDR柱消失，表明上升气流可能较之前时刻明显减弱。融化层下强回波区对应的KDP值较之前时刻也明显减弱，表明雨滴粒子数量也明显减少。2～4km处相关系数CC小于0.8，反射率因子值大于60dBZ，表明冰雹及地，这与人工观测到冰雹时间为18时30分左右是一致的。

(a)水平反射率因子 (b)径向速度 (c)差分反射率因子

在回波消亡阶段，从海沧雷达探测结果来看(见图8)，18时44分60dBZ强回波面积减小，强反射率因子中心处ZDR值从接近0左右的负值逐渐变成大于1的值，表明原来强回波区为冰雹为主变成了以液态降水粒子为主。0～2km处KDP值在该时间段呈减小趋势，表明降水粒子数量在减小。强回波区内相关系数上升也印证了，单体逐渐从降雹转为液态降雨过程。速度图显示，3～6km左右高度的强辐合逐渐消失，边界层以下都有降水导致的水平辐散。