彭 力,赵 强,陈小婷，张 雄，徐浩天

(1.铜川市气象局，陕西铜川 727000；2.陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，西安 710016；3.陕西省气象台，西安 710014)

冰雹作为陕西主要灾害性天气之一，其产生有明显的季节变化和空间分布差异。5、6月对流性天气多发，关中平原及其以北地区往往有区域性冰雹发生，雹灾对农业生产常造成不同程度影响[1-2]。多普勒天气雷达具有较高的时空分辨率，是监测和预警强对流天气的主要工具。国内学者[3-14]应用多普勒天气雷达监测产品进行了冰雹预警研究，总结了各地利用多普勒雷达产品进行冰雹预警的指标，主要包括对流云回波顶高、组合反射率因子强度、强回波伸展高度、弱回波和悬垂回波、钩状回波、三体散射特征、垂直累积液态水含量，以及径向速度图上的中气旋、风暴顶辐散等，这些指标对冰雹预警有很好的指示意义。陈关清等[15]指出雷达产品特征配合冰雹指数对冰雹预警有重要参考意义，张芳等[16]统计了雷达产品与冰雹直径的线性相关性，陕西的气象学者[17-18]认为垂直累积液态水含量密度的跃增对大冰雹有较好指示意义。相比常规天气雷达，双偏振天气雷达可以发射垂直和水平两个方向偏振电磁波，除获取水平反射率因子外，还能对云内部粒子相态信息进行识别，提供降水粒子特征产品等偏振参数[19]。刘红亚等[20-21]等分别对冰雹天气的双偏振雷达特征进行分析，总结了冰雹出现时的偏振参数特点。关中北部地形复杂，冰雹、雷暴等对流性天气频发，强对流天气监测主要使用西安C波段多普勒天气雷达(简称C波段雷达)。近年来铜川、咸阳X波段全固态双偏振多普勒天气雷达(简称X波段雷达)先后建成，在人影指挥、天气预警方面发挥了重要作用。目前尚未建立X波段雷达对关中北部冰雹预警的指标，缺乏C、X波段雷达回波产品的对比研究。本文对关中北部一次冰雹产生的天气背景进行分析，主要对比C、X波段雷达回波产品特征，分析X波段雷达偏振参数特点，总结冰雹出现前的预警指标。

1 强对流天气过程概述

2020年5月21日午后，陕西省中北部地区出现了一次大范围的强对流天气过程。21日13：20左右延安市北部有对流回波生成，随后对流回波发展加强向南移动，16：18强回波移入铜川市，铜川自北向南出现了大范围的强对流天气，对流过程伴随明显的雷电活动和短时大风，铜川大部分地方出现了冰雹(图1)。根据自动气象站监测显示，随着对流云团迅速南移，铜川自北向南出现了8～9级的大风，最大瞬时风速达到23.6 m/s(走马梁站)。自动站记录、灾情收集到的冰雹直径在5～30 mm，有多种经济作物不同程度受灾，18：05强回波移出铜川，并逐渐减弱，对流天气结束。

圆圈分别为西安C波段雷达、咸阳X波段雷达位置。图1 2020-05-21T16—18地面自动站17 m/s以上大风(风羽，单位为m/s)和降雹(三角)实况

2 资料说明

使用2020年5月21日地面常规气象观测资料、高空观测资料，ERA-5逐小时0.25°×0.25°再分析资料，西安C波段多普勒天气雷达产品和咸阳YLD1-D型全固态X波段双偏振多普勒天气雷达产品，FY-2F云顶亮温TBB资料，利用天气学诊断法对冰雹产生的天气学背景条件和环境条件进行分析，对冰雹天气中西安C波段雷达基本产品和咸阳X波段雷达产品进行对比，总结冰雹发生的预报着眼点和两种不同类型天气雷达降雹前后的产品特征。

3 天气形势及环境条件分析

5月21日08时(图2a)，500 hPa内蒙古中部有冷槽发展东移，冷槽后河套以北有小于-16 ℃的冷空气中心，贝加尔湖南部至陕北北部有西北急流发展南压，陕西上空干冷平流明显；700 hPa陕北以偏北气流为主，延安探空站温度露点差为17 ℃，为明显干区；850 hPa新疆高压脊前强偏北气流与南部偏南气流在陕北形成东北—西南向切变线。从温湿条件来看，陕北—关中850 hPa为16 ℃暖中心，延安站温度露点差≤5 ℃，为湿区。500 hPa干冷平流叠加低层暖中心，延安站850 hPa与500 hPa温度差达到27 ℃，大气上冷下暖形成明显位势不稳定层结。200 hPa高空急流穿过陕西中部上空。地面图(图略)上，内蒙中部—陕北有热低压发展。天气系统高低层配置利于强对流天气发生。21日13时(图2b)，500 hPa陕北上空干冷平流维持，陕北北部西北急流进一步向南发展，850 hPa切变线东移南压，延安站850 hPa与500 hPa温度差增大到35 ℃，大气不稳定度进一步加大，地面低压内部存在中尺度辐合抬升，200 hPa高空急流通风作用维持，天气尺度辐合抬升和强不稳定层结为对流天气发生发展提供了有利背景场。

图2 2020-05-21T08(a)和2020-05-21T13(b)500 hPa位势高度场(等值线，单位为dagpm)、850 hPa风场(风羽，单位为m/s)及200 hPa急流(阴影，单位为m/s)

对流云团于13：20左右在延安北部被触发，延安探空站资料能代表对流天气发生前的环境条件。21日08时延安站探空图(图略)显示，大气层结曲线中干下湿，近地面至850 hPa存在逆温，利于低层不稳定能量累积，600～400 hPa存在明显干层，中层干冷空气夹卷，利于产生强的下沉气流，从而造成地面大风；600 hPa以下风随高度顺转为暖平流输送，600～400 hPa风随高度逆转为干冷平流侵入，大气上干冷下暖湿，大气层结具有强的不稳定性。表征大气层结稳定度的SI指数为-0.4 ℃，总指数TT为48 ℃， K指数为21 ℃，由于近地层逆温存在，CAPE值为0 J/kg。利用13时地面观测资料，对延安站探空曲线抬升点的温度、露点进行订正，订正后的CAPE值达到了1 827 J/kg，表明了午后大气呈现强的热力不稳定。大气0～6 km的垂直风切变为9.5 m/s，随着500 hPa西北急流和低层切变线南压，0～6 km的垂直风切变不断加大，利用ERA-5再分析资料计算午后延安探空站0～6 km垂直风切变增加到14 m/s，垂直风切变的增强利于对流有组织化发展。08时大气0 ℃层高为4 km，-20 ℃层高7 km，适宜的0 ℃、-20 ℃层高度为冰雹产生提供了有利环境条件。地面加密自动站显示，陕西中北部位于热低压底部，午后地面辐射增温，延安南部、关中北部地面温度不断增加；13时地面风场上，对流被触发前，延安中北部存在明显的中尺度辐合线(图3)，中尺度辐合线在延安北部触发对流，对流云团在强的不稳定大气层结下迅速发展，沿500 hPa西北气流引导，迅速向南移动并不断有组织化发展增强。

实线为地面中尺度辐合线。图3 2020-05-21T13地面风场(风羽，单位为m/s)

4 FY-2F卫星云图云顶亮温特征

云顶亮温TBB可以反映对流云团的生成、发展、消亡。21日13时左右，受地面中尺度系统触发，延安北部有多个中γ尺度的对流云团生成，对流云团呈近东西向线状排列，在强不稳定层结及中等强度垂直风切变作用下，中γ尺度对流云团迅速增强且快速向东南方向移动。14时，γ尺度对流云团发展合并形成中β尺度对流云团，其tBB≤-35 ℃；15时，中β尺度对流云团进一步发展，tBB≤-40 ℃；16时(图4a)，中β尺度对流云团移至铜川市北部，其水平尺度在200 km左右，云团中tBB≤-40 ℃的范围进一步扩大，云团中有tBB≤-45 ℃冷中心发展；16时后，对流云团南移发展，经过铜川市上空，造成铜川自北向南大范围强对流天气；17时(图4b)，对流云团发展旺盛，云团中有大面积tBB≤-45 ℃的冷中心存在，铜川位于中β尺度对流云团后侧TBB等温线密集处；18时后，对流云继续向东南移出铜川，其中最强TBB减弱至-35 ℃左右，关中北部对流天气结束。

图4 2020-05-21 FY-2F云顶亮温 (阴影，单位为℃；a 16时，b 17时)

5 雷达回波特征对比分析

5.1 C波段雷达

西安C波段雷达资料显示，21日13：20左右，延安北部有大于35 dBz的积云对流回波生成，之后对流单体迅速发展增强成线状对流回波带，并且向南移动。16：12，线状对流回波移至铜川北部，线状回波带中有中心强度大于60 dBz的对流单体发展，之后，线状回波继续南移，线状回波内多个对流单体不断生消发展；16：24，铜川北部线状回波发展呈类似弓形结构；16：30(图5a)，类似弓形结构更加明显，线状回波内多个对流单体中心强度达到63 dBz以上。沿着回波移动方向，对其内部最强对流单体反射率因子垂直剖面进行分析(图5b)。对流单体3 km以下出现了明显弱回波区，5 km附近出现回波悬垂，对流单体中大于50 dBz的强回波伸展到了9 km附近，表明单体内上升气流比较强盛，地面附近出现回波墙，反射率因子达到了60 dBz，表明冰雹已经接近地面，宜君国家观测站16：36观测到了5 mm的降雹天气。0.5°平均径向速度图(图略)上，线状回波的类似弓形结构移动方向后侧的负速度区内出现了大范围的正速度区，退速度模糊后最大径向速度达到-25 m/s。16：54之后，线状回波的类似弓形结构逐渐模糊，线状回波南部有新生对流形成，新生单体并入线状回波后部，迅速发展增强南移，在铜川南部造成大范围大风和冰雹天气；17：54，线状回波移出铜川，对流云团线型结构逐渐变松散，随后南移逐渐减弱。

白色直线为基本反射率因子剖面方向。图5 2020-05-21T16：30西安C波段雷达组合反射率因子(a)和基本反射率因子(单位均为dBz)垂直剖面(b)

根据西安C波段雷达识别的风暴单体，选取16：54—17：36铜川南部线状回波后部对流单体U2(图6)，对其从发展到成熟阶段的对流参数特征(表1)和雷达产品进行分析。16：54，对流单体U2最强反射率因子达到58 dBz，基于单体和基于格点的垂直累积液态水含量差异不大，基本反射率因子的垂直分布显示单体倾斜结构不明显；16：54—17：00，单体U2逐渐发展至成熟，强的上升气流将单体内冰水粒子带到高层，单体内雹胚不断增长，U2内最大反射率因子增长到61 dBz，伸展高度达到了8 km，基本反射率因子垂直分布显示，单体U2开始出现倾斜结构和悬垂回波；17：06—17：12单体U2发展成熟，在强上升气流托举下，单体U2内部小冰雹不断上下翻滚增长，最大反射率因子达到66 dBz，基于单体和基于网格点的垂直累积液态水含量差值迅速增加，单体顶高伸展到11 km。17：06单体U2沿雷达径向6.0°仰角的基本反射率因子图上(图6a)出现了三体散射回波，17：12沿雷达径向的三体散射回波开始出现在4.3°仰角，与单体U2对应的地面人影作业点(马吉站)在17：12开始观测到降雹。16：54单体U2质心高度为7.2 km，经2个体扫后，17：06单体质心高度迅速下降至4.0 km，地面出现大风天气。17：12—17：36单体U2最大反射率因子迅速降落至距离地面2 km左右的高度，三体散射回波特征依次先后在3.4°、2.4°、1.5°仰角(图6b)基本反射率因子图上出现，铜川南部出现大范围冰雹天气，最大冰雹直径达30 mm左右，单体U2的质心高度和单体顶高也逐渐下降；17：36之后，单体U2逐渐减弱消散。

红色圆圈为对流单体U2。图6 2020-05-21西安C波段雷达基本反射率因子三体散射特征(a 17：06，6.0°仰角；b 17：30，1.5°仰角；单位为dBz)

5.2 X波段雷达

利用咸阳X波段雷达分析线状对流回波的特征。16：11线状对流回波移至铜川北部，线状回波中对流单体组合反射率因子达到52 dBz， 较C波段雷达偏弱，之后线状回波向南移动；16：30线状回波呈现出类似弓形结构，回波中最强对流单体的组合反射率因子增加到57 dBz。最强对流单体反射率因子剖面显示，大于50 dBz强回波扩展到8.5 km，呈现出和C波段雷达一致的中高层回波悬垂结构。16：24—16：54，X波段雷达0.5°平均径向速度图上，在线状回波后部，出现了速度模糊区，速度模糊区范围和强度较C波段雷达偏弱。17：00—18：00，选取同时刻与C波段雷达线状回波后部单体U2对应的单体(下简称单体A)进行分析，单体A成熟时最强组合反射率因子达62 dBz，悬垂结构明显，17：17—17：39，X波段雷达0.5°～5.3°仰角基本反射率因子图上(图略)，发现了三体散射回波。

表1 2020-05-21对流单体U2不同时刻风暴参数特征

此次强对流天气发展迅速，移动较快，利用X波段雷达分析单体A在16：55—17：33偏振特征参量，主要研究0 ℃层和-20 ℃层间差分反射率因子(ZDR)、差分相移因子(KDP)、零延迟相关系数(RHV)的偏振参量变化。利用ERA-5再分析资料计算得到16：00—17：00铜川上空0 ℃层高约4 km，-20 ℃层高约7 km。

16：55单体A处于发展阶段，组合反射率因子为47 dBz；3.4°仰角以下单体A内ZDR在1～2 dB，对应粒子为小雨滴，3.4°仰角(高度约为4.1 km)，单体内存在ZDR为0.5～1 dB的正值区(图7a)，0 ℃层之上ZDR正值区正是ZDR柱所在，ZDR柱具有预测云体发展趋势的能力[22]，0 ℃层之上强上升气流对雨滴进行筛选，高度越高雨滴直径越小，ZDR正值区迅速减小，在强上升气流作用下单体A迅速发展。KDP与液态水密切相关，3.4°仰角，单体A内存在KDP为1～2(°)/km的正值(图7b)，3.4°仰角之上单体内KDP不断减小，6.2°仰角(高度约6.1 km)KDP为0(°)/km 。通过分析ZDR、KDP表明，单体A内部在0 ℃层和-20 ℃层之间存在液态水粒子，液态水粒子与单体内部冰晶凝结核碰并不断增长。17：17单体A发展成熟，单体内组合反射率因子达到58 dBz以上，大于50 dBz强回波从地面延伸至8.5 km，地面出现降雹。分析单体A中RHV显示，7.5°仰角(高度约8.2 km)，单体内部RHV在0.88～0.94(图7c)，有冰雹粒子存在，对应的ZDR、KDP为零，表明为干的冰雹粒子；3.4°仰角(高度约4.5 km)，ZDR为0.5～1.0 dB(图7e)，KDP在1.0～2.5(°)/km(图7f)，此时单体内部上升气流依然强盛，0 ℃层之上有ZDR柱存在，单体内RHV达到0.82～0.93(图7d)，粒子的一致性变差，此时，单体内部冰雹与液态水相混合；3.4°仰角以下冰雹降落融化，RHV维持在0.8～0.9；1.5°仰角(高度约2.7 km)，ZDR达到2～3 dB，KDP在2～4(°)/km，ZDR、KDP在0 ℃以下随高度降低增大，表明了冰雹逐渐融化成外包水膜的冰雹[23]。根据单体内部不同高度偏振参量的变化，能够对不同高度粒子特征做出判断，融化层以下，RHV在0.8～0.9，ZDR、KDP随高度降低不断增大的区域，为融化冰雹区。

红色圆圈为对流单体A。图7 咸阳X波段雷达不同仰角ZDR(a, e ；单位为dB)、KDP(b, f ；单位为(°)/km)、RHV(c, d)

6 结论

本文对2020年5月21日午后关中北部的一次强对流天气过程的天气形势、大气环境条件和卫星云图、雷达产品特征进行分析，得出以下结论。

(1)高层干冷气流叠加低层暖湿空气，陕西中北部形成的强不稳定层结，切变线附近的辐合抬升为对流发展维持提供了有利动力条件，地面中尺度系统在陕北触发对流，在较强的垂直风切变作用下对流有组织性发展加强，沿引导气流方向迅速向南移动，适宜的0 ℃、-20 ℃层高度为冰雹产生提供了有利环境条件。

(2)对流云向南迅速移动发展增强，对流云团内tBB≤-45 ℃，强天气区位于对流云团后部TBB等温线密集处。

(3)C波段雷达产品在风暴演变过程中识别出了线状回波、三体散射特征。雷暴单体具有明显的悬垂结构，低仰角近距离径向速度图上出现速度模糊，对流单体质心高度短时间内迅速下降预示地面出现大风，三体散射回波在高低仰角依次出现，对地面降雹有指示意义。

(4)X波段雷达风暴反射率因子较C波段雷达偏弱，单体反射率因子特征与C波段雷达一致。风暴单体发展与成熟阶段雷达偏振参量有明显差异，发展阶段，融化层以上有ZDR柱存在，利用ZDR柱可以对单体发展趋势做出预判；单体成熟阶段，ZDR柱依然存在，融化层高度之下RHV在0.8～0.9且ZDR和KDP随着高度降低增加的区域，为融化冰雹降落区，可以作为地面降雹的预判。