孙 跃 任 刚 孙鸿娉 董亚宁 刘福新 肖 辉

1）（中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室，北京 100029）

2）（山西省人工增雨防雷技术中心，太原 030032）

3）（山西省临汾市隰县气象局，临汾 041399）

引 言

冰雹是常见的强对流天气之一，突发性强，常伴有短时强降雨、雷暴大风等天气现象，造成严重灾害。人工防雹是减轻冰雹灾害的重要措施［1-2］。利用遥感探测手段开展冰雹云的识别、监测及评估防雹效果，是有效开展人工防雹作业的必要支撑手段。在冰雹云的识别方面，与仅能获得水平位置的闪电定位［3］和卫星云图［4］识别法相比，天气雷达能够获取降水云系的三维空间结构，是冰雹强对流天气的关键监测手段。传统单偏振天气雷达主要基于反射率因子大小、宏观形态和大气层结条件构建冰雹云识别指标［5］，对云微物理特征的直接响应和反演能力存在局限。双偏振天气雷达发射／接收水平和垂直两个偏振方向的电磁波，可额外观测差分反射率、共极化相关系数和差分相移等偏振参量，为识别水凝物粒子类型［6-8］及分析降水演化过程［9-10］提供物理基础，已成为监测和研究冰雹云的重要手段［11-12］。由于冰雹强对流天气往往具有发生和发展迅速、核心空间尺度小、结构复杂等特点，人工防雹作业仍存在未完全解决的问题。以我国业务布网的S波段天气雷达为例，通常执行6 min 1次9个仰角的体扫，不易捕捉冰雹云的快速变化和精细垂直结构，严重制约冰雹云早期识别、作业时机和位置选择以及作业效果的物理检验。因此，具有更高时空分辨率探测能力的相控阵雷达成为解决上述问题的可能手段。

相控阵是对雷达天线和扫描体制的描述。区别于传统抛物面天线通过机械转动进行不同方向的扫描，相控阵雷达可以通过控制雷达收／发单元阵列的电磁波相位控制雷达波束的方向，实现更快速地探测［13］。美国最早开展相控阵雷达的气象应用工作，自2002年起对退役的相控阵情报雷达进行气象探测改装［14］，并发展了一维相扫体制的X 波段相控阵天气雷达（简称相控阵雷达）［15］。日本也建设了X波段相控阵双偏振天气雷达（以下简称相控阵双偏振雷达），并构建强风暴快速监测与临近预报平台［16］。自2007年，中国气象科学研究院分别联合中国电子科技集团公司第14研究所和安徽四创电子股份有限公司等单位，先后研制了S波段［17］和X 波段［18-20］相控阵雷达，为我国天气监测领域相控阵雷达的自主研发和应用研究奠定了基础。湖南宜通华盛科技有限公司［21］和珠海纳睿雷达科技有限公司［22］等民营企业也自主研制了X 波段相控阵雷达，应用于气象和民航单位的天气监测保障业务。这些X 波段相控阵雷达能够在30 s或1 min内完成几十个仰角的体扫，时空分辨率远高于传统布网业务雷达，可以实现几十千米半径区域的立体精细化监测，成为传统业务布网雷达大范围监测的补充。我国已实现自主研制和建设相控阵双偏振雷达［23］，同时具备高时空分辨率探测能力和云降水微物理分析能力，并在多单体［24］、台风外围龙卷［25］、中气旋［26］等多种强对流天气的监测与研究中得到初步应用。

隰县位于山西省西南部、临汾市西北缘，地处吕梁山脉南麓西侧。2019年10月1日隰县X 波段相控阵双偏振雷达正式进行业务试验，该雷达不仅能够弥补临汾市C 波段业务天气雷达在探测隰县上空时低仰角存在部分遮挡的局限，而且可以实现精细到隰县行政村的强致灾天气落区探测，预期在山洪预警、冰雹和暴雨灾害评估以及人工增雨效果评估等多项业务工作中发挥重要参考作用。同时也应注意到，相控阵双偏振雷达作为一种在业务上尚属新型的高性能探测设备，在监测业务和理论研究中均具有创新应用潜力，不应仅被视为传统机械扫描式布网雷达的简单补充。如果能将相控阵双偏振雷达充分应用于防雹作业，有望进一步提升作业指挥水平和作业效果深入分析的能力。但目前基于相控阵双偏振雷达数据开展防雹作业效果分析的研究尚不多见，相关工作亟待推进。

相控阵快速扫描的能力对于人工防雹机理的创新研究至关重要。目前，对高炮防雹作业的主要机理存在不同解释。其中一大类主要着眼于人工引晶的微物理作用［27-30］，即向过冷水区打入人工冰核作为催化剂，与原有冰相粒子竞争增长，导致原有雹胚缺少足够供其长大的过冷水，以达到防雹目的。另一类则关注防雹炮弹爆炸的动力作用。高炮弹爆炸能够产生短时动力作用，这在增雨作业的炮响雨落现象［31-32］中已有初步归纳分析，在我国防雹作业中也有一定实践［33］。我国学者持续开展爆炸防雹机理研究［33-36］，并归纳了爆炸次级效应改变云内流态从而抑制主上升气流的理论［33］。但与爆炸防雹相关的研究近年陆续减少，既未在防雹业务规范中被充分考虑，国际学术界也无充分认可或重视此类机制。这是因为炮弹爆炸涉及数十米乃至百米空间尺度的短时动力过程，以往缺乏高时空分辨率的探测和数值模拟手段，不易深入开展研究。相控阵雷达有潜力推进上述研究工作，特别是相控阵雷达的距离-高度显示（range height indicator，RHI）在垂直方向（波束俯／仰方向）几乎瞬时完成相扫，相比于扫描速度较慢的传统机械雷达，能够及时探测作业前／后云内动力和微物理特征的短时垂直结构变化，为作业机理的深入研究提供关键证据。

为此，本文研究2021年6月28日山西省临汾市隰县的高炮防雹作业个例，基于作业信息和雷达数据，对比高炮防雹作业前后冰雹云的动力和微物理特征，讨论高炮防雹作业效果和机理。

1 数据和方法

1.1 雷达和高炮防雹作业数据

本文主要使用的雷达数据来自隰县X 波段相控阵双偏振雷达，由珠海纳睿雷达公司研制，基本性能见表1。隰县位于吕梁山脉南麓、黄土高原残塬沟壑地形区中地势相对平坦的区域。雷达布设在隰县西北缘地势相对较高的位置（图1），探测范围可覆盖全县，并能弥补原有业务天气雷达因地形遮挡导致的探测局限。本次个例雷达采用方位机械扫描、俯仰相扫的体制，每60.25 s 1 次体扫数据，共21个仰角（0.9°～36.9°，采样分辨率为1.8°），每个仰角下含300个方位（采样分辨率为1.2°），径向距离库分辨率为30 m，最大探测距离为43.17 km。观测记录包括8 个变量：原始反射率因子（单位：dBZ）、水平反射率因子（ZH，单位：dBZ）、多普勒径向速度（VR，单位：m·s-1）、速度谱宽（SW，单位：m·s-1）、差分反射率（ZDR，单位：dB）、共极化相关系数（ρhv，量纲为1）、差分相移（ΦDP，单位：（°））和差分相移率（KDP，单位：（°）·km-1）。

表1 隰县X波段相控阵双偏振雷达基本性能参数Table 1 Basic performance parameters of X-band phased array dual polarization radar in Xi County

为评估隰县X 波段相控阵双偏振雷达回波强度和位置的可靠性，还需利用附近的布网业务雷达数据进行简要比对。本文选取与隰县距离最近的临汾C波段业务天气雷达（距离库长为0.3 km，探测半径为150 km），该雷达为CINRAD-CC 型单偏振雷达，位于隰县雷达东南侧约102.69 km（图1），每342 s 1次9层体扫观测。

图1 隰县X 波段相控阵双偏振雷达位置和周边地形（蓝色圆圈为雷达探测覆盖范围，填色为海拔高度）Fig.1 Location of X-band phased-array dual polarization radar in Xi County and topography（the shaded）（blue circle denotes its detection area，the shaded denotes terrain）

本文高炮防雹作业所使用的炮站为阳头升塬炮站（图1所示），位于雷达南偏东方向，距离雷达站点约为22.6 km。高炮防雹作业时间为2021年6月28日19：04—19：05（北京时，下同）。高炮防雹作业使用三七高炮，高炮防雹作业仰角范围为46°～73°，方位范围为347°～357°，消耗炮弹10发。

此外，本文使用ERA5再分析数据［37］的温度垂直廓线分析雷达回波垂直结构。

1.2 雷达数据处理

在雷达数据的时间匹配方面，考虑到本文个例的回波均出现在雷达南侧，而雷达数据文件时间为从正北0°起开始记录探测时间，故将每个雷达数据文件名显示的时间增加30 s，四舍五入到分钟作为标示数据的时间。

在雷达数据质量控制方面，主要对ZH，ZDR，ρhv共3个偏振参量进行径向的10库中值滤波，以减小原始数据中统计波动［38］对雷达变量统计和分析的影响。KDP采用原始数据中存储的、已预先经过平滑的数据。由于本个例的VR未见明显速度折叠，因此无额外处理。

需要指出的是，本文分析的雷达数据未经过衰减订正，一方面，本文研究个例中强对流云的水平空间尺度较小，不存在雷达波束穿越水平数十千米大范围降水云的典型情况，衰减并不明显；另一方面，目前针对X 波段的衰减订正方法主要是基于ΦDP的径向廓线［39-40］，而该变量在云体边缘起伏较大，在尺度较小的对流云中不能理想地反映衰减，反而容易引入偏差，破坏原始探测的回波垂直结构，影响分析结果，可能更难分辨衰减订正过程引入的偏差与高炮防雹作业本身导致的变化。针对无衰减订正情况，本文所用的X 波段相控阵双偏振雷达数据中是否存在明显衰减的问题，将在3.1节通过临汾C 波段业务天气雷达进行对比分析。

1.3 分析变量

本文对雷达数据的分析主要从两方面入手。一是关注回波宏观特征随时间的变化，选取受高炮防雹作业影响单体移动的范围作为分析区域，统计不同强度阈值回波顶高作为宏观特征量，分析其时间序列是否存在与高炮防雹作业相联系的特征。其他宏观特征统计量，如不同阈值的回波面积，由于受本文个例回波单体合并影响，不易客观反映受高炮防雹作业单体的变化，故不进行展示和讨论。二是聚焦高炮防雹作业范围内云体的动力和微物理垂直结构的变化。具体为选取高炮防雹作业前／后各1 min、高炮防雹作业方位内及邻近的RHI，基于ZH，VR，ZDR，ρhv，KDP等直接观测量和径向速度散度、粒子相态识别等二次计算结果，分析是否存在与现有爆炸防雹理论一致或其他可解释的短时变化特征。在此基础上，讨论本次高炮防雹作业的效果、影响机理和相控阵雷达的优势。

需要额外计算的变量说明如下：

①组合反射率因子（composite reflectivity factor），垂直方向上ZH最大值的水平分布，表征某时刻回波水平分布的概况。将体扫中每个仰角层的ZH双线性插值到0.1 km×0.1 km 的水平网格，针对某一格点取所有仰角层中ZH最大值即可获得。

②强回波顶高，ZH某一阈值（如20，30，45，55 d BZ 等）出现的最大高度，通过对原始数据直接进行统计获得。由于雷达数据处理时已经通过滤波抑制统计波动，且本文不讨论弱于20 d BZ 的回波，故雷达波束末端可能影响云高判定的杂波对本文回波顶高的影响较小，因此对回波顶高判断时的波束空间连续性不再作其他规定。

③径向速度散度（radial velocity divergence，RVD），是本文提出的用于诊断垂直气流结构的计算量。将VR沿径向进行30库（900 m）中值滤波以滤除对流系统中小尺度扰动和观测波动，通过30库滑动线性拟合求得VR沿径向的变化率，即径向速度的散度。由于雷达低仰角观测时波束是准水平的，RVD 可以较为便捷地反映雷达探测水凝物的水平辐合／辐散情况，从而有助于诊断对流系统内的垂直气流结构。如高层辐散和中低层辐合可诊断得到上升气流，而中低层的辐散可指示与降水区相联系的下沉气流。以往用于诊断主上升气流的水平速度零线［33，41-42］理论上需要扣除云体水平移速，但该过程的计算可能因各层气流不一致导致计算比较繁琐。相比之下，本文提出的RVD 计算更便捷。

④水凝物粒子相态识别（hydrometeor classification）。使用冯亮等［43］基于X 波段双偏振雷达数据的模糊逻辑算法方案，输入为ZH，ZDR，ρhv，KDP和温度垂直廓线，输出包括雨、冰雹、雨加雹、霰、雪、冰晶和过冷水在内共10种分类识别结果。这里应指出，目前基于双偏振参量的水凝物粒子相态识别算法及参数尚存在主观性和经验性等局限［44］，因而不能将其视作绝对准确的微物理分析结果，也不能完全替代对原始观测的分析。但为多个观测参量和经验参数的集成，水凝物粒子相态识别结果在一定概率上能合理反映粒子分类的可能结果，为降水云演化的综合分析提供便利。本文将水凝物粒子相态识别结果视为辅助雷达偏振参量开展综合分析的变量。

2 天气背景概况

2021年6月28日08：00隰县处于200 h Pa高空急流带内和500 hPa高压脊前，850 hPa 30°N 附近存在西南低涡和从我国东部延伸到东海的切变区，隰县东南侧存在146 dagpm 等值线闭合的小范围高压区。在这种大气中低层的配置下，虽然没有向隰县地区输送水汽的直接通道，但水汽可分别沿西南低涡东侧和东海切变区北侧到达隰县东南侧小高压中心西侧，被输送至隰县附近。28日上午隰县及邻近区域的对流有效位能为0，尚未出现对流不稳定条件，但是隰县东北侧到东南侧存在1000～2000 J·kg-1的中等不稳定区。总体而言，28日上午隰县不具备高空槽、切变线、低空急流、高对流有效位能等典型的大范围降水或中尺度强对流背景条件，但周边存在低空输送和不稳定条件，仍可能受小范围对流性天气的影响。

3 雷达数据特征

3.1 过程概况

图2展示2021年6月28日对流天气过程的组合反射率因子演变情况。18：31雷达站南侧出现活跃的对流单体活动，回波总体向东南方向移动。为了说明受高炮防雹作业影响的单体和其他相邻单体在高炮防雹作业时和高炮防雹作业后的移动及合并情况，自18：56（高炮防雹作业前8 min）手动为强单体进行编号（编号A～E，其中A 为19：04被作业的单体）。18：56中心强度超过60 d BZ的回波处于阳头升塬炮站北偏西方向约10 km（单体A），预计将进入炮站作业范围。19：04 为高炮防雹作业时刻，图2中炮站北侧V 型黑线为高炮防雹作业的方位角范围。由高炮防雹作业时回波位置可知，对流云回波已经处于旺盛发展阶段，高炮防雹作业时间偏晚。高炮射击范围仅覆盖单体A 西侧强回波边缘，受高炮防雹作业时机选择滞后的影响，未达到单体最强核心处，但高炮防雹作业位置仍然处于云内，因此认为本次高炮防雹作业可影响单体A，故视其为作业云。高炮防雹作业后，受影响的单体A 继续向东偏南方向移动并与单体B 合并，范围和强度逐渐减小至消亡。同时，炮站北侧未受高炮防雹作业影响的对流云单体向东移动，单体C、单体D、单体E等不断合并，强回波范围逐步增大并逐渐移出隰县雷达 探测范围。本次过程隰县境内无地面降雹报告。

图2 2021年6月28日隰县X 波段相控阵双偏振雷达的组合反射率因子（V 型黑实线为高炮防雹作业方位范围，黑色点划线为雷达162°方位角，A～E为单体编号，＆表示多个单体合并）Fig.2 Composite reflectivity factor change of X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（black V shaped solid lines denote the range of shooting azimuth，black dashed line denotes 162°azimuth of the radar，A-E denote cells，＆denotes the merging of cells）

图3是2021年6月28日19：01临汾C波段业务天气雷达的组合反射率因子和低仰角ZH，其中黑线为隰县X 波段相控阵双偏振雷达40 dBZ 等值线。由图3的组合反射率因子可知，主要云体强回波位置基本一致，但临汾C 波段业务天气雷达的组合反射率因子略小于隰县X 波段相控阵双偏振雷达，原因有两个方面：一方面，受吕梁山脉南麓大地形影响，临汾雷达前两层仰角的观测存在大范围遮挡或部分遮挡（图3低仰角ZH），导致无法获取低层强回波信息计算组合反射率因子；另一方面，不同波段天气雷达反射率因子存在差异。如对于等效球形直径为3.5～5.5 mm 的单个椭球雨滴，散射模拟结果显示X 波段ZH明显大于C 波段和S波段［45-46］。此外，两部雷达对同一云体的观测仰角及横切单体的垂直部位也存在差异，导致很难精确、定量对比两部雷达的反射率因子。鉴于所研究的对流单体大致处于两部雷达之间，隰县X 波段相控阵双偏振雷达可能出现明显衰减的波束远端正位于临汾C 波段业务天气雷达几乎无衰减的雷达波束近端，因此可以通过回波的形态对比分析隰县X 波段雷达是否存在明显衰减。由图3可见，以偏强的40 dBZ回波为例，隰县X 波段相控阵双偏振雷达和临汾C 波段业务天气雷达强回波分布形态基本一致，在隰县X波段相控阵双偏振雷达强回波（黑色等值线）的远端（东南方向）未见明显的V 型缺口等与衰减相对应的回波特征。由此表明，隰县X 波段相控阵双偏振雷达在这次水平尺度较小的强对流过程中并未发生明显衰减，不对其进行衰减订正可行。另外，鉴于临汾C波段业务天气雷达低层存在较多遮挡，下文不再使用临汾雷达的数据开展其他分析。

图3 2021年6月28日19：01临汾C波段业务天气雷达的组合反射率因子和低仰角Z HFig.3 Composite reflectivity and Z H at low elevations for Linfen C-band operational weather radar at 1901 BT 28 Jun 2021

3.2 回波宏观特征随时间变化

由概况分析可见，本次过程中不同单体间的移动方向和生命期差异较大，且存在单体合并现象，这种情况下既不易对各个单体进行追踪分析，也不宜划定高炮防雹作业影响区和对比区进行统计。因此，为了将受高炮防雹作业影响的单体与其北侧其他对流单体区分开，在统计区域回波并计算强回波顶高时，以单体A 移动方向东北侧、雷达135°方位为界，依据雷达东南侧指定范围内（135°～180°方位范围，即正南到东南的1／8象限）的体扫数据统计不同强度回波顶高。

由强回波顶高随时间的变化（图4）可知，17：45强度为45 d BZ的回波区顶高出现在6～7 km 的高空，随后高空出现55 dBZ强回波，各强度回波顶高呈起伏上升趋势。19：04强度为20 d BZ 的回波顶高上升至12 km 高度以上。45 dBZ强回波顶高全程在6～10 km 起伏变化，并在高炮防雹作业前4 min 维持在约9 km 高度，同时55 dBZ强回波顶高维持在8 km 高度附近，表明对流云发展旺盛至成熟阶段。19：04高炮防雹作业后，55 dBZ 回波顶高在1 min内急剧下降约2 km，并在约4 min内维持在0℃层及以下，最低至4 km 高度。而后可能由于单体A 与单体B 合并，各强度的回波顶高回升，但10 min后各强度回波顶高总体持续下降，19：30强度为55 dBZ的回波接地消失。

图4 2021年6月28日隰县X 波段相控阵双偏振雷达探测的单体A移动范围内不同Z H 阈值回波顶高的时间序列（统计范围为雷达方位角135°～180°，黑色虚线为0℃层高度）Fig.4 Time series of reflectivity top height with different Z H thresholds within the moving range of cell A detected by X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（statistical area is the range of radar azimuth between 135°and 180°，black dashed line denotes 0℃height）

总体而言，研究范围内强对流在高炮防雹作业后的强回波顶高迅速且明显降低，这与人工防雹作业人员常说的卸雹效应一致。但小范围的高炮防雹作业不能在短时间内影响整个对流系统的组织结构，因而在高炮防雹作业后对流云仍出现短暂的组织化增强现象，但最终未能进一步发展增强。此处应指出，强回波顶高在高炮防雹作业后迅速下降的现象并不足以说明高炮防雹作业效果，以下进一步分析高炮防雹作业范围及邻近RHI上对流单体垂直结构在高炮防雹作业前后的短时差异。

3.3 高炮防雹作业前后动力结构差异

首先选取位于高炮防雹作业方位范围内（雷达162°方位）的RHI数据，分析ZH的垂直结构。由图5高炮防雹作业前1 min 162°方位角可见，单体A的ZH核心距雷达水平方向约为16 km，强度超过45 dBZ 的强回波向上延伸并穿过0℃层（约4.83 km高度）到达8 km 高度，强度超过50 d BZ 的强回波中心位于3～4 km 高度。6～7 km 高度呈弱有界回波区和悬挂回波特征，是强单体冰雹云的典型特征之一，基本符合高炮防雹作业的对象特征，且悬挂回波特征在单体西侧边缘方位仍存在（图5高炮防雹作业前165.6°方位角）。由于高炮作业仅持续1 min，且作业方位的记录未能精确到秒，因此无法确定19：04雷达数据中哪些方位的观测正在受影响或已经受到影响，故选择分析高炮作业后1 min（19：05）的雷达数据。由于云体向偏东方向移动，高炮防雹作业后162°方位角的RHI更加接近云体边缘，ZH受云体移走的影响明显偏弱，故选择向东即雷达方位逆时针方向顺延1个方位角（160.8°方位）的RHI一并分析。由作业后ZH垂直结构（图5作业后162°和160.8°方位角）可见，回波在0℃层附近、单体核心垂直3～5 km 高度出现断裂，形成2个回波相对大值区分别位于低层2 km 高度和高空5～6 km 高度。由于高炮防雹作业前单体A 从作业位置到云体更边缘位置的ZH垂直结构总体连续（图5作业前162°和160.8°方位角），基本可以确定RHI的ZH垂直结构的断裂特征在高炮防雹作业后出现。

图5 2021年6月28日隰县X 波段相控阵双偏振雷达探测的单体A 作业前后1 min RHI的Z H（黑色虚线为0℃层高度）Fig.5 Z H in RHI of cell A 1 min before and after the hail suppression detected by X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（black dashed line denotes 0℃height）

选取高炮防雹作业前1 min 162°方位角和高炮防雹作业后1 min 160.8°方位角的RHI为垂直结构分析对象（图6）。由图6可知，高炮防雹作业前最高层VR存在由负转正的分布，对应高层辐散特征。单体前部中层存在VR小值，且负值带延伸至单体核心高层并与ZH的悬挂回波位置基本吻合，对应对流单体典型的前侧入流特征。高炮防雹作业后VR沿水平方向的变化范围从高炮防雹作业前的-3～8 m·s-1减小到3～8 m·s-1，且与前侧入流对应的小值／负值带的形态也发生改变。由图6的RVD 变化可知，高炮防雹作业前单体前侧与入流对应的辐合带延伸至单体核心高层的辐散带显示前部的主上升气流区。入流辐合带下方和单体后部底层为辐散带，理论上与降水及底层出流对应。单体强中心后部（水平15 km 左侧）也存在垂直分布的辐合带，其中紧邻水平15 km 左侧的辐合带从低层一直延伸到接近0℃层，这可能与单体核心降水出流导致的抬升有关，并且与对流系统中后部新单体的生成密切相关。由高炮防雹作业后的RVD（图6）可知，前侧入流辐合带缩短且不再向单体内延伸，对流核心辐散带更明显地延伸到底层，强回波后部从低层一直延伸到0℃的辐合带消失，据此可推断单体前部和后部的上升运动均减弱。综合上述分析，有利于强对流单体维持和新单体生成的典型动力结构，高炮防雹作业后短时间内发生改变乃至消失。

图6 2021年6月28日隰县X 波段相控阵双偏振雷达探测的单体A 作业前后1 min的RHI上的V R 和RVD（黑色虚线为0℃层高度）Fig.6 V R and RVD in RHI of cell A 1 min before and after the hail suppression detected by X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（black dashed line denotes 0℃height）

3.4 高炮防雹作业前后偏振参量和水凝物粒子相态识别差异

图7是单体A 在高炮防雹作业前后1 min偏振参量和粒子相态对比。由图7的ZDR可见，高炮防雹作业前1 min单体核心存在强度超过1 dB的ZDR柱特征。ZDR柱指的是ZDR正值区呈柱状且从低层一直延伸到0℃层以上的现象［47］，通常认为与过冷层出现的大雨滴及强上升气流输送作用密切相关［48-49］。ZDR大值中心分散于2～4 km 高度单体前部和单体核心，数值约为2.5 d B。高炮防雹作业后1 minZDR柱消失，表明上升气流减弱。同时，ZDR大值中心高度下降，主要分布于近地面，最大可达3.4 dB，表明低层的大雨滴或其他水平取向的扁平粒子增多。

由图7 的KDP可知，高炮防雹作业1 min后大值更加集中在约3 km 高度且数值增大，可能对应液态含水量［50］的增加。

由图7的ρhv可知，高炮防雹作业前1 min 0℃层以下的单体核心和前部存在多个小于0.9的分散低值点，而高炮防雹作业后1 min出现柱状ρhv小值区，并从地面向上延伸至略微超过0℃层，可能对应大雨滴或其他水平与垂直尺寸不一致的粒子有组织地下落。ρhv的小值中心位于4 km 高度，为0.94，近地面ρhv约为0.96，且小于0.9的低值点减少。

由图7的水凝物粒子相态识别可知，高炮防雹作业前1 min 单体A 核心0℃层以上以霰粒子为主，还有小范围过冷水区（水平距离15 km，5～6 km高度），可能是与ZDR柱对应的被上升气流输送至此的过冷雨滴。这部分过冷雨滴，一方面可能形成冻滴并充当雹胚［51］，另一方面也能促进冰雹、霰等粒子的撞冻增长。单体A 核心0℃层以下至近地面，由多到少分别有雨夹雹、霰、湿雪、大雨、雨、毛毛雨等不同相态的粒子并呈柱状分布，显示正在发生冰相粒子下落及部分融化过程。在高炮防雹作业1 min 后单体A 核心0℃层以上的小范围过冷水区消失，下部出现明显的大雨粒子区，中低层兼有少量雨夹雹和湿雪，0℃层以下不再有邻接的多相态粒子柱状分布。结合前文上升气流的减弱现象，可推断此时单体A 核心在过冷层的霰、雹等粒子新生或增长并下落的过程减弱或消失，原先0℃层以下的冰相粒子则加速下落并融化。更多的雨滴下落也会增加雨滴的重力碰并增长，这些因素均可能导致近地面出现大雨滴增多。

图7 2021年6月28日隰县X 波段相控阵双偏振雷达探测的单体A 作业前后1 min的RHI上的偏振参量和粒子相态（黑色虚线为0℃层高度）Fig.7 Polarimetric variables and hydrometeor classification in RHI of cell A 1 min before and after the hail suppression detected by X-band phased-array dual polarization radar in Xi County on 28 Jun 2021（black dashed line denotes 0℃height）

3.5 可能的作用机理

高炮防雹作业存在微物理和爆炸动力作用两大类机理学说，本文基于高时空分辨率相控阵双偏振雷达观测分析的结果支持爆炸作用这一大类学说。因为以往的数值模拟研究中，人工引晶引发的防雹微物理过程通常需要数分钟到十几分钟才起明显效果［27-29］，属于相对慢的过程，而本文作业前后1 min的雷达数据分析显示在高炮防雹作业后至多2 min便出现动力和微物理特征的明显变化，属于相对快的过程。一方面，高炮防雹作业后的强回波中心断裂、动力垂直结构改变等观测与分析结果与许焕斌［33］归纳的爆炸引发扰动导致流态改变并抑制上升气流的理论大致吻合。另一方面，高炮防雹作业后短时间内低层出现更多大雨滴的现象也与炮响雨落高炮防雹作业实践基本吻合。因此，这些现象均有望成为高炮防雹短时动力作用的新证据。

对于人工引晶是否在本次过程中也起了作用，则不易被证明。高炮防雹作业时单体处于旺盛至成熟阶段，探测及分析结果显示单体核心的过冷水以ZDR柱向上输送的过冷雨滴为主。高炮防雹作业后上升气流减弱，过冷雨滴减少或消失，这难以支撑人工冰晶消耗大量过冷水的过程。由于水凝物粒子相态识别算法每个空间点仅能识别一类粒子的局限性，在单体核心高层几乎均以霰粒子为主的定性结果下，尽管也有少许空间点显示过冷水和冰晶、霰粒子交错分布的识别结果，但无法证明是否有人工冰晶参与微物理过程。

同时需要指出的是，本文未能在雷达数据中找到防雹炮弹爆炸的直接信号，其可能原因是尽管雷达径向距离库分辨率为30 m，但1.8°的垂直采样宽度在水平距离15 km 处相当于RHI垂直分辨率近500 m，导致不易明确探测到半径仅有几十米的高炮防雹弹爆炸的直接动力效应。因此，未来有必要在较近水平距离采用雷达高仰角开展针对性探测，进一步探明高炮防雹弹进云爆炸的相关信号，深入厘清爆炸过程的直接、间接动力作用和粒子融化及拖曳等间接作用，以及这些作用在短时间内的演变特征和相互关系，如爆炸的激波是否能直接促成大雨滴碰并影响垂直气流。

4 小 结

本文利用2021年6月28日隰县一次高炮防雹过程的相控阵双偏振雷达数据，分析高炮防雹作业前后云体的宏观特征、动力和微物理特征变化，并对作业机理和相控阵快速扫描的优势进行讨论。主要结论如下：

1）回波顶高的时间变化序列显示，55 d BZ 顶高在高炮防雹作业前4 min维持在8 km 高度，在高炮防雹作业后1 min急剧下降约2 km 至0℃层以下。

2）对RHI的宏观垂直结构和动力特征分析结果显示，高炮防雹作业前1 min对流单体是具有悬挂回波的旺盛单体。本文提出的垂直气流诊断量RVD 显示，单体前侧和后侧均有辐合带，利于强对流维持和后续新对流生成。高炮防雹作业1 min后，强单体垂直结构在0℃层附近断裂，单体前部和后部的辐合带减弱或消失，表明有利于对流维持和新生的动力垂直结构改变，上升气流减弱。

3）RHI上的偏振参量和水凝物相态粒子识别结果显示：高炮防雹作业1 min后ZDR柱消失，近地面ZDR增大、中低层KDP增大，ρhv从0℃层到近地面呈现数值为0.94～0.96的柱状区。单体核心上部的过冷水小范围中心消失，0℃层以下由雨夹雹、霰、湿雪及各种雨的混合柱状分布转为低层大雨。

4）通过对作用机理的讨论，上述短时动力和微物理特征的明显变化与爆炸导致气流扰动改变流态、炮响雨落等人工影响机制或现象有对应之处，可支持爆炸防雹理论。

未来还有许多工作值得开展。首先，应开展更多针对性的观测和探测，以便深入研究和归纳高炮防雹作业可能产生的动力与微物理效应，更加明确地分辨冰雹云的自然变化和受作业影响的变化。其次，本文结果显示高炮防雹作业时机偏晚，未来应更充分地利用相控阵快速探测的特点，发展更有效的冰雹云早期识别技术，以便在对流发展早期开展作业。同时，应加强相控阵雷达与传统机械扫描雷达的联合应用，探索强对流回波垂直结构校正和防雹作业指挥预估提前量的改进方法。此外，本文未利用雷达数据反演雨滴谱、冰相粒子谱和三维风场等物理量，这是因为目前大多数云动力和微物理反演方法尚存在较多经验假定，应在多种手段联合探测验证的基础上进一步开展应用与分析。