郭飞燕 刁秀广 褚颖佳 马 艳

1)(青岛市气象局, 青岛 266003)

2)(山东省气象防灾减灾重点实验室, 济南 250031)

3)(山东省济南市气象局, 济南 250031)

引 言

雷暴内强下沉气流到达地面并产生8级或以上阵风,该下沉气流底部及导致的地面附近强辐散风合称下击暴流[1]。绝大多数雷暴大风由对流系统内下击暴流所导致[2],下击暴流具有局地性和瞬时性,不仅监测难度大,且预警也面临极大挑战。

自Fujita等[3]提出下击暴流后,国内外学者在下击暴流发生环境、形成机制方面已开展大量深入细致的研究,为下击暴流的潜势预报提供了重要信息。Johns等[4]提出有利于下击暴流形成的环境条件,包括对流层中下层(500 hPa以下)大气环境温度直减率大和对流层中层(700 hPa至400 hPa)存在明显干层。中高层干冷、低层暖湿[5-7],高低空急流耦合[8]等有利于下击暴流的发生。俞小鼎等[9]详细分析2003年6月6日发生在安徽的一次系列下击暴流事件指出,下击暴流由冰雹和雨滴的向下拖曳作用引发,中层干空气的卷入导致降水粒子的蒸发和升华,冰雹和雪花的融化等因素形成负浮力使下击暴流加速下降,同时低层大气较大的温度直减率使下击暴流强度得以维持,最终以较大速度到达地面,形成地面附近的强烈辐散气流。

由于下击暴流尺度小、生命史短、预报难度大,潜势预报和数值模式预报无法满足日常业务应用需求。多普勒天气雷达是监测预报下击暴流的重要手段,国内外学者发现很多伴随下击暴流的雷达特征,包括弓状回波、中层径向辐合特征、后侧入流槽口、下降的水平反射率因子核、雷暴云中径向辐合以及旋转等,这些特征对下击暴流的提前预警有一定指示作用[10-12]。随着我国天气雷达的组网业务应用,众多学者利用多普勒天气雷达对下击暴流的形成原因、雷达特征及其识别、预警指标等进行了深入研究[9,13-16]。王秀明等[17]总结下击暴流的形成机制和风暴结构特征,并讨论监测预警难点。双线偏振雷达通过交替或同时发射水平和垂直偏振波探测表征目标物在两种不同偏振方向上的后向散射信号幅度及相位差异的偏振参量,如差分反射率(ZDR)、相关系数和差分相移率(KDP)等, 在一定程度上反映强对流风暴发生、发展各阶段的云微物理特征,识别风暴内水凝物粒子相态[18-19]。ZDR柱是环境0℃层高度以上、风暴上升气流区内ZDR相对较大(一般大于1 dB)的区域,ZDR柱的高度与上升气流强度密切相关[20-21],ZDR柱面积度量上升气流的宽度[22-23]。KDP柱是环境0℃层高度以上KDP相对较大(一般大于0.75°·km-1或1°·km-1)区域,可作为深厚对流上升气流特性的观测量度,且与90 mm·h-1以上的强降雨相关显著[24-25]。下沉气流区有时出现形态像通风口的ZDR小值区(接近0),其周围被较大的正ZDR包裹,Wakimoto等[26]称之为ZDR洞,沿ZDR洞的垂直剖面称为ZDR槽[27]。此外,KDP足和KDP核的出现也是下击暴流发生的先兆信号,可以提前预警下击暴流[28-30]。

绝大多数下击暴流发生在中等到强垂直风切变中,弱垂直风切变环境下发生下击暴流同样能引起严重灾害,但相关研究报道较少,对其认识不足,因此这类下击暴流的短时临近预报和预警难度更大[31-32]。俞小鼎等[33]指出在中等到高的对流有效位能和弱的深层垂直风切变情况下,唯一出现的强风暴是脉冲风暴,可以产生灾害性下击暴流及伴随的雷暴大风,并导致直径为1～2 cm的冰雹和短时强降水。本文选取3次发生在弱垂直风切变环境下的强下击暴流,分析其双偏振参量特征,探讨地面大风的形成原因。这对于雷达单偏振产品判识依据未出现或不明显时,依靠双偏振产品特征提前预警下击暴流,提高该类强天气短时临近预报和预警水平,对减轻可能带来的人员伤亡和财产损失具有重要意义。

1 资料与天气实况

1.1 资 料

本文定义雷暴内强下沉气流导致的地面11级或以上的阵风过程为强下击暴流。所用资料:①中国气象局气象信息综合分析和处理系统下发的资料,主要包括地面观测资料和常规探空资料,探空站有章丘站、青岛站和郑州站。②环流形势场采用欧洲中期天气预报中心第5代再分析逐小时资料,空间分辨率为0.25°×0.25°,要素为位势高度场和风场。③雷达资料为山东省济南站、青岛站和济宁站的S波段双偏振天气雷达和河南省濮阳站的S波段单偏振雷达,最大探测半径为460 km。其中济南站和济宁站为S波段整机安装的双偏振雷达,分别于2018年底和2021年1月实现观测运行,青岛站双偏振天气雷达由原先单偏振雷达升级改造而成并于2019年1月观测运行。本文主要基于山东省双偏振雷达资料,研究发生在2022年6月26日、6月30日和7月2日的3次弱垂直风切变环境下强下击暴流双偏振雷达特征。探空站、雷达站和自动气象站位置见图1。

图1 探空站、雷达站和自动气象站分布Fig.1 Distribution of sounding,radar and automatic weather stations

1.2 天气实况

2022年6月26日08:00(北京时,下同)低层存在切变线(图2),午后在地面中尺度辐合线上触发对流,山东省高密市出现强下击暴流(简称6·26风暴),高密国家站出现30.1 m·s-1(11级)瞬时偏北大风。2022年6月30日08:00存在西风槽、低涡切变线的共同影响(图2),中午在山东省淄博市淄川区昆仑出现强下击暴流(简称6·30风暴),昆仑区域站出现28.7 m·s-1(11级)瞬时西北大风。2022年7月2日08:00存在低槽(图2),午后在山东省菏泽市吕陵出现强下击暴流(简称7·2风暴),吕陵区域站出现29.7 m·s-1(11级)瞬时偏南大风。以上3次强下击暴流均伴随强(或高强度)降水的发生,高密国家站、昆仑区域站和吕陵区域站最大分钟降水量分别为5.1,3.5 mm和3.3 mm,高密国家站更是出现小时降水量为104.7 mm(14:22—15:22)的极端强降水。高强度降水可伴随微下击暴流的发生[34]。周后福等[35]研究指出,当6 min降水量达4 mm以上是下击暴流的征兆之一。本文3次弱垂直风切变环境下强下击暴流均伴随超过3 mm的高强度分钟降水量,是该类型强下击暴流的重要特征之一。 6·26风暴和6·30风暴还伴随冰雹(冰雹大小不详),6·26风暴无灾情,6·30风暴有冰雹灾情。

图2 2022年6月26日、6月30日和7月2日08:00 500 hPa位势高度场(等值线,单位:dagpm)和700 hPa风场(风羽)Fig.2 500 hPa geopotential height(the contour,unit:dagpm) and 700 hPa wind(the barb) at 0800 BT 26 Jun,0800 BT 30 Jun and 0800 BT 2 Jul in 2022

2 环境物理量条件

表1为2022年3次强下击暴流发生前的环境物理量。由表1可见,夹卷层平均风速(400,500 hPa和700 hPa的平均风矢量) 表征动量下传的潜势大小,本文3次强下击暴流夹卷层多为西南风且其平均风速较小,且远小于中国普通雷暴统计值的中值12 m·s-1[36],表明由中层干冷空气夹卷造成的动量下传对地面大风贡献较弱。风暴发生前(08:00)探空资料(图略)和风暴临近时次欧洲中心第5代再分析资料逐小时(图略)计算的深层(0～6 km高度)和低层(0～3 km高度)垂直风切变均较小,不利于对流的组织化发展。3次强下击暴流发生前近地层大气高温、高湿(13:00高密站温度(露点)为33℃(26℃),12:00淄川站温度(露点)为30℃(22℃),14:00东明站温度(露点)为36℃(23℃))有利于对流的发展加强[37],同时具有很强的对流有效位能(订正后对流有效位能分别为5020,2300 J·kg-1和3620 J·kg-1),远高于我国极端雷暴大风发生时的平均值1820 J·kg-1[36]。由表1还可以看到,对流抑制为0,有利抬升指数为负值且较大,环境0℃层高度较高,均在4 km高度以上。6·26风暴(图略)除近地层外整层较干,中层存在明显干层,整层比湿积分仅为2810 g·kg-1, 风暴干层强度(700 hPa与400 hPa的温度露点差,小于10℃为湿层深厚,大于20℃为整层较干,10～20℃介于干与湿之间)高达45℃,850 hPa和500 hPa的温差(30℃)和600 hPa下沉对流有效位能(600 hPa起始的下沉气流潜势)(1700 J·kg-1)较大,表明温度直减率和下沉气流潜势较大。6·30风暴和7·2风暴温湿廓线大致呈漏斗状(图略),大气层结为下层较湿,中(上)层略干,整层比湿积分较高,均超过4000 g·kg-1,7·2风暴干层强度介于干与湿之间,6·30风暴湿层深厚,两次风暴K指数均较高(35℃及以上),但850 hPa 和500 hPa的温差和600 hPa下沉对流有效位能明显偏小。

表1 青岛站、章丘站和郑州站探空环境物理量Table 1 Environmental physical parameters obtained by sounding at Qingdao,Zhangqiu and Zhengzhou

2022年3次强下击暴流均发生在深层垂直风切变较弱和0℃层高度较高的环境条件下,夹卷层(700 hPa至400 hPa)以西南风为主且平均风速较小,中层夹卷动量下传对地面大风的贡献较小。强下击暴流发生前,近地层高温高湿,大气层结不稳定且不稳定能量非常强。下击暴流发生时对流抑制为0,有利于相对分散的对流风暴的触发,强的对流有效位能(超过2000 J·kg-1甚至超过5000 J·kg-1)更有利于对流风暴具有较强的上升速度。6·30风暴和7·2风暴下层较湿,中(上)层略干,极有利于短时强降水的发生,较高强度降水引起的强重力拖曳又有利于下沉气流的增强。6·26风暴除近地层外整层较干,温度直减率和下沉气流潜势较大,极有利于出现强雷暴大风。

3 3次强下击暴流雷达观测特征和机制

3.1 2022年6月26日强风暴

2022年6月26日12:00山东省诸城市北部发生对流触发,东北方向缓慢移动发展过程中不断有对流触发、合并,演变为多单体风暴(图3a),影响高密市。14:22—15:22高密国家站出现104.7 mm的极端强降水,同时出现冰雹。14:58,14:59和15:00 先后出现17.6(8级)、29.6 m·s-1(11级)和30.1 m·s-1(11级)瞬时西北大风,14:55—15:00降水量为18.3 mm,最大分钟降水量为5.1 mm(14:58—14:59), 极端大风同时伴随高强度降水。0.5°仰角径向速度(高密站上空高度约0.9 km)呈现强辐散特征,14:54(图3b)和15:00(图略)径向速度差绝对值的最大值分别为19.5 m·s-1和21.5 m·s-1。

图3 2022年6月26日14:54青岛双偏振雷达组合反射率因子(a)和0.5°仰角径向速度(b)Fig.3 Composite reflectivity(a) and 0.5° elevation radial velocity(b) by Qingdao dual polarization radar at 1454 BT 26 Jun 2022

图4是2022年6月26日14:54和15:00青岛双偏振雷达水平极化反射率因子(ZH),KDP和ZDR沿316.5°的径向垂直剖面,经过高密国家站(图3b中黄色直线)。由6月26日14:54青岛双偏振产品垂直剖面可见,风暴高度较高,30,50 dBZ和60 dBZ顶部高度分别为15,11.2 km和6.6 km(-10℃层附近), 风暴较为旺盛。0℃层高度以上存在明显的KDP大值区(1°·km-1以上),即KDP柱,表明含有液态粒子或湿冰粒子。60 dBZ以上反射率因子区 (蓝色水平实线)在湿球0℃层之上对应小的ZDR和大的KDP,ZDR为0.0～1.0 dB,KDP为1°·km-1～5.4°·km-1,含有偏大的冰粒子、较高浓度的液态粒子或小的湿冰粒子;湿球0℃层以下对应大的ZDR和大的KDP,ZDR为1～2.5 dB,冰相粒子处于明显融化状态,KDP为2.8°·km-1～4.2°·km-1,含有较高浓度的液态粒子和湿冰粒子。由6月26日15:00青岛双偏振产品垂直剖面可见,风暴高度仍较高,30,50 dBZ和60 dBZ顶部高度分别为14.7,11.2 km和5.1 km。0℃层高度以上存在明显KDP柱,含有一定浓度的液态粒子或湿冰粒子。60 dBZ以上反射率因子区基本对应大的ZDR和KDP,ZDR为1.0～3.0 dB,KDP为2.1°·km-1～3.8°·km-1,含有较高浓度的液态粒子和湿冰粒子。

图4 2022年6月26日14:54和15:00青岛双偏振雷达ZH,KDP和ZDR沿316.5°的径向垂直剖面(紫色、红色和蓝色水平实线分别为湿球0℃层,0℃层和-20℃层高度)Fig.4 Cross-sections of ZH,KDP and ZDR along 316.5° radial direction by Qingdao dual polarization radar at 1454 BT and 1500 BT on 26 Jun 2022(purple,red and blue horizontal solid lines denote heights of the wet bulb 0℃ layer,0℃ layer and -20℃ layer,respectively)

对比图4两个时次的变化可知,KDP高值区(3.0°·km-1以上)的高度明显降低,其顶部高度由5.2 km快速下降至3.2 km,表明高浓度的液态粒子或(和)湿冰粒子质量团快速下降,产生明显重力拖曳。同时,环境空气较为干燥,干空气的夹卷及粒子蒸发、融化等进一步加强下沉气流强度。高密强下击暴流以重力拖曳为主导并与夹卷蒸发、冰相粒子融化冷却等共同作用,在低层(0.9 km高度)产生强辐散特征,速度差为20 m·s-1,15:00地面出现11级极端大风(30.1 m·s-1)并伴有5.1 mm的高强度分钟降水量。刘宏恩[38]通过数值模拟指出下击暴流产生的直接原因是降水的重力拖曳作用,其次是冰雹的融化和雨水的蒸发冷却作用,高密强下击暴流的形成验证了该结论。

3.2 2022年6月30日强风暴

2022年6月30日11:00章丘与泰安交界处发生对流触发,东北方向缓慢移动、发展、演变,移动速度较慢,约为20 km·h-1。图5是2022年6月30日12:42济南双偏振雷达组合反射率因子和0.5°仰角径向速度。由图5a可见,最大反射率因子及其所在高度和风暴顶高分别为70 dBZ,4.8 km和8.2 km,而12:48(图略)分别为65 dBZ,4.9 km和8.4 km,从风暴参数上无法判断风暴核是否快速下降。由图5b可见,0.5°仰角径向速度(昆仑区域站上空高度约1.6 km)约4 km范围表现为辐散特征,最大径向速度差为19 m·s-1,12:48径向速度上表现为气旋性辐合特征(图略)。12:48昆仑区域站出现28.7 m·s-1(11级)瞬时西北大风,12:42—13:00发生34.7 mm强降水,最大分钟降水量为3.5 mm(12:49—12:50),强下击暴流同时伴有强降水,有冰雹灾情出现,但冰雹大小不详。

图5 济南双偏振雷达2022年6月30日12:42组合反射率因子(a)和0.5°仰角径向速度(b) Fig.5 Composite reflectivity(a) and 0.5° elevation radial velocity(b) by Jinan dual polarization radar at 1242 BT 30 Jun 2022

图6是2022年6月30日12:37和12:42济南双偏振雷达ZH,KDP和ZDR沿97°的径向垂直剖面,经过地面辐散中心区(图5b的黄色直线)。由6月30日12:37济南双偏振产品垂直剖面可见,风暴30 dBZ 顶部高度约为10 km。风暴移动方向前侧低层存在弱回波区,是上升气流区,弱回波区上方存在强回波悬垂,最大反射率因子为71.5 dBZ, 所在高度约为6.2 km(-10℃层);后侧为强回波墙,是后侧下沉气流区。湿球0℃层高度以上ZDR较小甚至为负值,KDP也较小,以冰相粒子(包括大的冰雹粒子)为主[39]。湿球0℃层高度以下,下沉气流区ZDR和KDP明显增大,出现明显融化,液态粒子浓度或湿冰粒子浓度增大;不低于60 dBZ区域及其下方ZDR较小,为冰雹和液态或融化粒子的混合下降区,融化层以下存在明显ZDR槽,是下击暴流发生的前兆[40]。由6月30日12:42济南双偏振产品垂直剖面可见,风暴强度有所减弱,60 dBZ以上强回波区进一步下降至最低层。KDP显著增大,存在2个 3.0°·km-1～4.0°·km-1的高值区(图中白色曲线范围),顶部高度分别为3.6 km和1.5 km(最低层仰角),冰相粒子明显融化,风暴下沉气流区液态粒子或湿冰粒子浓度迅速增大,为液态粒子或湿冰粒子团。ZDR与12:37的相似,ZDR槽依然存在。

图6 2022年6月30日12:37和12:42济南双偏振雷达ZH,KDP和ZDR沿97°的径向垂直剖面(紫色、红色和蓝色水平实线分别为湿球0℃层,0℃层和-20℃层高度)Fig.6 Cross-sections of ZH,KDP and ZDR along 97° radial direction by Qingdao dual polarization radar at 1237 BT and 1242 BT on 30 Jun 2022(purple,red and blue horizontal solid lines denote heights of the wet bulb 0℃ layer,0℃ layer and -20℃ layer,respectively)

对比图6两个时次的垂直剖面,强风暴核前方均存在明显三体散射特征和ZDR槽。随着风暴发展,回波墙下沉气流区出现液态粒子或湿冰粒子质量团,下沉迅速产生明显的重力拖曳现象,同时湿球0℃层高度较高,冰雹粒子的融化冷却效应加强下沉气流强度,从而在地面产生极端大风。段亚鹏等[41]通过数值模拟“东方之星”号客轮翻沉事件的下击暴流时指出降水质点拖曳和下沉气流的共同作用是下击暴流产生的重要原因,本文与该结论一致。由于环境湿度较大,湿层较厚,此次下击暴流中蒸发等作用不明显。

3.3 2022年7月2日强风暴

2022年7月2日15:00在吕陵东南方向15 km处生成风暴,并向西北方向移动发展,移动速度约为15 km·h-1。图7是2022年7月2日15:36濮阳雷达组合反射率因子和0.5°仰角径向速度。15:30风暴最大反射率因子及其所在高度和风暴顶高分别为59 dBZ,5.5 km和12.6 km,15:36分别为61 dBZ,5.4 km 和12.4 km(图7a)。15:30—15:36最大反射率因子所在高度和风暴顶高几乎无变化,无法判断风暴核是否快速下降。15:32—16:00 吕陵区域站发生27.6 mm降水,15:36出现29.7 m·s-1(11级)瞬时南大风,15:35—15:37降水量为6.4 mm,最大分钟降水量为3.3 mm,强下击暴流同时伴有强降水,无冰雹报告。0.5°仰角径向速度上(吕陵上空高度约为0.9 km),15:30径向速度绝对值明显增大,最大为13.5 m·s-1(图略),15:36吕陵站周围最大值为21 m·s-1(图7b),0.9 km高度上无辐散特征,无法识别地面是否出现强下击暴流。

图7 2022年7月2日15:36濮阳雷达组合反射率因子(a)和0.5°仰角径向速度(b)Fig.7 Composite reflectivity(a) and 0.5° elevation radial velocity(b) by Puyang dual polarization radar at 1536 BT 2 Jul 2022

图8是2022年7月2日15:31和15:37济宁双偏振雷达ZH和KDP沿258°的径向垂直剖面,经过吕陵站(图7b的黄色直线)。由7月2日15:31济宁双偏振产品垂直剖面可见,吕陵强风暴(风暴1)45 dBZ 顶部高度为8.2 km(-20℃层附近),存在55～60 dBZ回波悬垂,0℃层高度以上存在较高的KDP柱,其顶部达到-20℃层高度,同时0℃层高度以上超过3.0°·km-1的KDP高值区较厚,对应反射率因子为55～60 dBZ,含有较高浓度的液态粒子或湿冰粒子。由7月2日15:37济宁双偏振产品垂直剖面可见,风暴1仍在发展中,45 dBZ顶部高度达到11 km, 60 dBZ顶部高度为6.5 km,湿球0℃层高度以下存在超过3.0°·km-1的KDP高值中心,对应反射率因子为55～62 dBZ,含有较高浓度的液态粒子或湿冰粒子。15:37风暴2在5 km高度出现KDP高值中心,对应反射率因子在55 dBZ以上,含有高浓度的液态粒子或湿冰粒子,即液态粒子中心区域,主要影响菏泽牡丹区域站,15:47牡丹区域站出现16 m·s-1瞬时大风(北风)。风暴2的KDP高值区高度明显低于风暴1,重力拖曳造成的下沉气流强度弱于风暴1,地面下击暴流强度明显较小。

续图8

对比图8两个时次的变化可知,差别最明显的是风暴1中KDP高值区(3.0°·km-1以上)的高度明显降低,顶部高度由6.5 km快速下降至3.8 km,表明高浓度的液态粒子或(和)湿冰粒子质量团快速下降,产生明显重力拖曳。冰相粒子在低层融化,也可加强下沉气流强度。由于环境相对较湿,粒子蒸发作用不明显。重力拖曳与冰相粒子融化共同作用,下沉气流强度较强,地面产生极端大风。低层(0.9 km 高度)并未出现强辐散特征,径向速度也不大,主要原因是下击暴流强辐散出现在更低高度,而雷达最低仰角无法探测到。Mahale等[42]基于双偏振雷达研究证实雨雹混合物的向下运动是下击暴流的形成原因之一, 本文3次强下击暴流均伴随液态和冰相粒子的快速下降。

3.4 3次强下击暴流风暴雷达特征

表2为3次下击暴流风暴发生前至临近的3个体扫时次对应的风暴雷达特征。T为强下击暴流发生时的体扫或最临近的体扫,T-1为前1个体扫,T-2为前2个体扫,每个体扫时间为6 min。6·26风暴T对应时间为15:00,强下击暴流时间为15:00,6·30风暴T对应时间为12:48,强下击暴流时间为12:48,7·2风暴T对应时间为15:37,强下击暴流时间为15:36,但因15:19—15:25济宁雷达缺少观测,无T-2体扫数据。

表2 风暴雷达特征Table 2 Radar characteristics for storms

由图4、图6和图8可见,3次下击暴流风暴强度均在60 dBZ以上,风暴顶高度均在10 km以上(超过-35℃层高度),强中心高度为-10℃层(环境气温)高度以下,ZDR柱和KDP柱高度在-10℃层高度以上。由表2可见,强下击暴流产生前,-10℃层高度KDP柱面积大于ZDR柱面积。ZDR柱是风暴强上升气流区主要双偏振特征,表现为偏大的液态粒子或融化的冰相粒子。KDP柱面积大于ZDR柱面积,且KDP柱高度较高,表明0℃层高度以上含有丰富的液态粒子或融化的小冰相粒子,考虑到0℃层高度较高,冰相粒子在0℃层高度以下会融化,使得风暴液态水含量较高,不仅会导致明显的强降水,还可产生明显的重力拖曳作用。由表2可见,7·2风暴强度较弱,-10℃层高度KDP柱面积更大,液态水含量更高,冰相粒子含量相对较低,液态水的重力拖曳更加明显。6·30风暴最强,风暴顶高较低,-10℃层高度KDP柱面积小,0℃层高度低,0℃层以上液态水含量低,但冰相粒子包括大的冰雹含量较高,冰相粒子与液态水共同产生重力拖曳现象。6·26风暴强度和-10℃层高度KDP柱面积介于6·30风暴和7·2风暴之间,风暴顶高较高, 0℃层高度较高,液态水和冰相粒子均含量较高,液态水及冰相粒子共同产生重力拖曳现象,且分钟降水量更强。

4 结论与讨论

基于S波段多普勒双偏振雷达资料和常规高空探空和地面观测资料,分析山东省3次发生在弱垂直风切变环境条件下的强下击暴流,重点分析其双偏振参量特征,探讨其形成的物理机制,得到主要结论如下:

1) 3次强下击暴流均具有较强的对流不稳定能量,对流抑制为0,极易触发对流,但垂直风切变较小,不利于对流的高度组织化发展,有利于出现相对分散的对流风暴。6·30风暴和7·2风暴的环境条件是低层较湿,中(上)层略干,6·26风暴除近地层外整层较干。3次强下击暴流均伴有分钟降水量超过3 mm的高强度降水。弱垂直风切变条件下,强下击暴流同时伴有高强度分钟降水,是该类强天气的重要特征之一。

2) 3次强下击暴流发生前,风暴强度较强(60 dBZ 以上)且风暴顶较高(10 km以上),ZDR柱和KDP柱高度较高(-10℃层高度以上)。强下击暴流产生前-10℃层高度KDP柱面积大于ZDR柱面积,表明0℃层高度以上含有丰富的液态粒子或融化的小冰相粒子,同时0℃层高度较高,冰相粒子融化程度明显,使得风暴含有较高的液态水,不仅导致明显强降水,还可产生明显的重力拖曳作用。

3) 在弱垂直风切变且0℃层高度较高的环境下,双偏振产品KDP高值区(3.0°·km-1以上)的高度可作为识别强下击暴流的判据之一。KDP高值区表明存在较高浓度的液态粒子或融化的小冰相粒子,含有大量液态水可视为风暴液态粒子质量团,质量团的悬垂预示重力拖曳作用,导致强下沉气流,同时伴有短时高强度降水。0℃层及以上高度存在超过3.0°·km-1的KDP高值区,类似于强反射率因子核的悬垂及下降,诱发强下击暴流的出现。

4) 在弱垂直风切变及0℃层高度较高的环境下,如果空气较湿,强下击暴流的主要机制是重力拖曳及冰相粒子融化作用,如果空气较干,还应考虑干空气的夹卷蒸发作用。6·30风暴和7·2风暴环境空气相对较湿,液态粒子(或伴有少量大冰雹粒子)质量团的悬垂及快速下降产生重力拖曳,冰相粒子融化冷却进一步加强下沉气流强度,诱发强下击暴流。6·26风暴环境空气较干,除强重力拖曳和融化冷却作用外,干空气夹卷和蒸发冷却效应也有一定作用。

弱垂直风切变及0℃层高度较高的环境下产生强下击暴流的个例较少,双偏振雷达仅有3年观测资料,双偏振雷达观测的强下击暴流个例更少,因此,文中个例分析的双偏振特征尤其是0℃层及以上高度存在超过3.0°·km-1的KDP高值区特征是否具有代表性,需要更多个例验证。在一些典型和强降水超级单体风暴(均伴随高强度降水和地面大风)中亦可见到0℃层及以上高度存在KDP高值区(3.0°·km-1以上)。对于某些强雹暴超级单体受大冰雹的影响,其0℃层以上KDP值可能更大。本文结论基于北方强下击暴流获得,对于0℃层高度相对更高的南方地区,在同样弱垂直风切变环境下,KDP高值区可能未达到3.0°·km-1亦可引起强下击暴流。