2019, Vol. 45 
2. 中国气象局武汉暴雨研究所，武汉 430074
2. Institute of Heavy Rain, CMA, Wuhan 430074
强对流过程中的龙卷、下击暴流、冰雹和大风等中小尺度系统尺度小，生消迅速，伴随的强烈的大风和降雹等严重威胁人民生命和财产安全，是产生局地气象灾害的重要原因。广东是气象灾害影响大省，其中雷雨大风、冰雹等灾害频发，威胁人民生命财产安全，提高对流系统的监测能力，早期发现产生大风的先兆，提前发出大风预警是提高防灾减灾能力的重要方面。而对于生消迅速的中小尺度强对流系统(如龙卷、冰雹、下击暴流、中尺度涡旋等)，新一代天气雷达的观测模式扫描周期偏长、垂直方向的分辨率比较差，对与大风有关的对流系统内部的龙卷涡旋特征、中气旋、上升和下沉气流、中尺度辐合等结构和演变的观测能力有限，也无法直接获取到降水系统的粒子相态，影响了对上述中小尺度强对流系统的监测预警能力以及对其形成机理认识。
相控阵和双偏振天气雷达是当今气象雷达领域的重要方向和热点，均能显著提升雷达探测的精度及信息量，是可能广泛应用的下一代天气雷达技术。早在2003年，美国将其退役的“宙斯盾”雷达改装为二维相控阵天气雷达试验平台(Zrnic et al，2007；Heinselman et al，2008)，用于相控阵天气雷达技术及其扫描方式的试验，并专门发展了一维相扫体制的可移式的X波段相控阵天气雷达，用于龙卷、超级对流单体、线状回波过程的快速扫描(Bluestein et al，2010)。通过与WSR-88D雷达的对比，相控阵天气雷达能够更好和更准确探测快速变化的天气系统，对于强对流过程的分析和预警非常有用(Rasmussen et al，2000；Zrnic et al，2007；Heinselman et al，2008)。中国也开展了相控阵和和双偏振技术的研究。2007年，中国气象科学研究院与中国电子科技集团14所合作在军用相控阵雷达的基础上进行气象通道改造，研制了我国首部S波段一维有源相控阵天气雷达原理样机(张志强和刘黎平，2011)。2009年，中国气象局气象探测中心牵头组织的863计划“机载气象雷达云雨探测应用系统”项目，将军用X波段二维机载相控阵雷达改造为天气雷达，验证了新型机载雷达系统对天气目标的探测能力(吴翀等，2014)。2012年，中国气象科学研究院专门研发了用于强对流观测的车载X波段相控阵天气雷达系统。该雷达是中国第一部有源相控阵天气雷达，为中国开展中小尺度强对流天气现象的观测研究提供了条件。2013—2014年，XPAR先后在广东鹤山、安徽定远、四川甘孜进行了测试，调试并解决了雷达在观测中出现的一系列问题(吴翀等，2014；刘黎平等，2015)，并验证了观测数据在中尺度结构分析中的作用(刘黎平等，2014)。
在超级单体和强对流天气研究方面，Browning(1977)将超级单体重新定义为具有中气旋的对流单体，Lemon and Doswell III(1979)提出至今仍被广泛应用的超级单体概念模型。随着观测数据的增多，超级单体又分为弱降水超级单体、经典超级单体和强降水超级单体(Moller et al，1994)。超级单体具有钩状回波、中高层回波悬垂、中气旋和小尺度强切变等特征(郑艳等，2017)。俞小鼎等(2008)采用多普勒雷达数据分析了中等强度的对流有效位能和较大的深层垂直风切变有利于超级单体产生。吴海英等(2017)利用多普勒雷达资料分析了长生命史超级单体风暴伴随有一定延伸厚度的中气旋，风暴发展强盛阶段中层旋转最为明显。陈秋萍等(2015)利用新一代天气雷达资料分析了强风暴的中气旋强度、风暴生命史等存在差异与产生风暴的环境条件如垂直风切变、垂直涡度等存在差异密切相关。覃靖等(2017)利用天气雷达(SB)分析得出可用VIL值明显跃增提前20 min预警冰雹。张劲梅和莫伟强(2013)利用多普勒天气雷达分析了龙卷、冰雹、大风等强对流风暴的发展、加强与近地面边界层中小尺度辐合系统加强有密切关系，出现冰雹、大风前20多分钟，对流单体风暴已发展成为具有典型特征的超级单体强风暴。陈元昭等(2016)和黄先香等(2018)利用多普勒雷达等数据分析了几次龙卷天气过程。利用X波段双极化雷达对强对流云进行相态识别，其冰雹粒子可以从地面延伸到接近云顶处。降雹过程的固态粒子主要为冰雹和霰，冰雹区附近有一层薄雨区(刘亚男等，2012)。超级单体风暴是导致雷暴大风风力强、出现区域局地性强和灾情严重的主要原因(张涛等，2012)。中尺度辐合线是触发强对流天气的因子之一(沈杭锋等，2016；许新田等，2012)。陈涛等(2013)、农孟松等(2014)、梁俊平和张一平(2015)对飑线天气过程中的环境条件和对流发展机制及天气成因进行了分析研究。郑媛媛等(2011)、许爱华等(2011；2014)对强对流天气进行了总结分类。李晓敏等(2017)利用X波段双偏振雷达建立了雷暴单体发展模型。王易等(2018)利用新一代天气雷达对中气旋产品特征进行了统计分析。
2016年夏季，中国气象科学研究院将X波段相控阵天气雷达部署在广东佛山，针对华南暴雨中的强对流系统进行观测。广东省作为中国气象局与省政府合作共建气象现代化的试点省，其范围内的S波段新一代天气雷达已全部升级为双偏振天气雷达，其观测的高精度偏振信息将作为相控阵雷达的有效补充。相控阵天气雷达具有高时空分辨率的探测能力，可以快速获取对流过程中小尺度结构，探测强对流系统内部的精细结构。本论文以此为主要观测手段，结合双线偏振天气雷达对强对流系统进行粒子相态识别，通过多种数据的综合分析，研究华南强对流系统内部的动力和相态特征的演变，进一步提高对中小尺度强对流系统的监测预警能力以及对其形成机理的认识。
1 资料来源和方法本次观测是华南强降水协同观测试验的一部分，本文使用的观测设备有：(1)架设在广东佛山的广东省农业气象试验站(23.15°N、113.03°E)的X波段相控阵天气雷达(XPAR)，可以获取5~70 km内回波和径向速度的快速演变以及40层仰角的垂直结构。(2)位于广州市(23.00°N、113.35°E)的S波段双偏振雷达(SPOL)，可以扫面230 km半径的回波强度以及偏振参量，可以提供对流过程的整体宏观结构，且S波段雷达几乎无衰减。(3)广东清远每天4次的加密探空资料可用于分析对流发生发展的热力和动力条件。(4)试验区内还有28个有人工观测的国家级地面站以及约1000个自动气象站，均记录了5分钟级的气温、气压、温度、湿度、风向、风速等基本气象要素数据，可用于对流过程地面特征分析。(5)利用欧洲中心的再分析数据，分析对流过程天气背景。
XPAR作为中国目前唯一的有源相控阵天气雷达，其性能主要指标见表 1。本次外场试验期间，XPAR使用了快速观测模式，在该观测模式下，雷达发射1个4°展宽宽波束并同时以4个均匀分布的1°窄波束接收，在以4°俯仰为间隔的10个波位完成扫描后可得到与精细测量分布一致的40层扫描资料，一个扫描周期的所需时间为2.5 min。在该模式下雷达扫描的精细程度高于警戒搜索模式而低于精细测量模式，扫描时间高于精细测量，能够获得最均衡的时空分辨率。表 1同时还列出了SPOL的关键参数，其中SPOL采用常规抛物面天线，以VPPI方式水平扫描获取9层观测数据，是中国首批业务化的双偏振天气雷达，能够提供降水粒子的形状和相态信息。SPOL完成一个体扫的时间为6 min，相比之下XPOL的时空分辨率更高。不过XPAR在大范围降水中易衰减，不模糊速度也较小，容易发生速度模糊。
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表 1 XPAR和SPOL的主要技术参数 Table 1 Main technical parameters of XPAR and SPOL |
差示反射率因子(ZDR)和相关系数(CC)是双偏振雷达非常重要的参量，为了将双偏振参量与具体相态联系起来，本文使用了吴翀等(2014)提出的相态识别方法。该方法基于美国业务运行的HCA算法，使用Z、ZDR、CC、KDP、反射率因子的标准差[SD(Z)]、差传播相移的标准差[SD(ΦDP)]作为输入，通过模糊逻辑运算、权重值计算、显著性水平检验、0℃层识别、降水类型识别、经验阈值检查等步骤后得到十种类型的相态粒子，包括：地物或异常传播(GC/AP)、生物回波(BS)、干雪(DS)、湿雪(WS)、冰晶(CR)、霰(GR)、大滴(BD)、雨(RA)、大雨(HR)、雨夹雹(RH)。考虑到SPOL和WSR-88D的硬件差异以及华南区域降水滴谱的不同，使用统计方法修改了HCA算法的Z、ZDR、CC和SD(ΦDP)的隶属函数和显著性水平检验阈值，以确保识别结果的可靠性。
2 超级单体产生的天气背景分析基于ERA-interim再分析资料得到的2016年6月3日08和14时(北京时)的主要大尺度环境背景如图 1。对流系统发生位置位于对流层低层(850和925 hPa)切变线(24°~28°N)南侧约200 km外的高相当位温(θe>340 K)暖湿西南气流内，850 hPa位势高度上对流系统左后侧存在一条风速>12.5 m·s-1的风带，整个对流过程中切变线以北的冷空气没有直接影响对流系统。另外对流区附近行星边界层内有暖平流，为对流单体的维持和发展提供不稳定能量。对流层中层，对流系统位于500 hPa槽前方西风气流中，14时西风较前一个时刻增强(风速>15 m·s-1)，副热带高压偏北偏西。
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图 1 基于ERA-interim再分析资料得到的2016年6月3日08时(a, c, e), 14时(b, d, f)500、850和925 hPa大尺度天气背景(a, b)500 hPa位势高度(黑色实线，单位：dagpm)，温度(红色虚线，等值线间隔1℃)，可降水量PW(填色)和水平风场；(c, d)850 hPa位势高度(黑色实线，单位：dagpm)，相当位温(红色虚线，等值线间隔5 K)，涡度(填色)和水平风场；(e, f)925 hPa位势高度(黑色实线，单位：dagpm)，对流有效位能CAPE(填色)和水平风场 (水平风标的一个长杆代表 5 m·s-1；黑色粗虚线:切变线) Fig. 1 500 hPa, 850 hPa and 925 hPa large-scale weather background based on ERA-interim reanalysis data at 08:00 BT (a, c, e) and 14:00 BT (b, d, f) 3 June 2016(a, b) 500 hPa geopotential height (black solid line, unit: dagpm), temperature (red dashed line, contour with interval of 1℃), precipitation PW (coloring) and horizontal wind field; (c, d) 850 hPa geopotential height (black solid line, unit: dagpm), equivalent temperature (red dashed line, contour with interval of 5 K), vorticity (coloring) and horizontal wind field; (e, f) 925 hPa geopotential height (black solid line, unit: dagpm), CAPE (coloring) and horizontal wind field (A long rod represents 5 m·s-1; black dotted line: shear line) |
图 2是清远探空站在08和14时的T-logp图。08时该对流单体还未生成，低层大气接近饱和，对流抑制能量(CIN)很小(为0 J·kg-1)，抬升凝结高度(LCL)(为427 m)较小，从探空曲线可以判断自由对流高度(LFC)在630 hPa，大约在4 km高度。同时对流有效位能(CAPE)和可降水量(PW)都较高，分别为3689 J·kg-1和54 mm，说明环境大气的不稳定条件和水汽条件均有利于对流单体的发生和发展。到14时，大气低层接近干热递减率，CIN为0 J·kg-1，CAPE增大至5299 J·kg-1，因为在计算CAPE和CIN时做了非常理想化假定，对CAPE通常估计过高，而对CIN估计过低，CIN为0并不意味着对流可以自由产生，而较小的CIN和较高的CAPE表明，在一定的触发机制下可以触发对流。PW更大，为58 mm，湿层更加深厚，表明环境大气更加有利于对流发展。
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图 2 2016年6月3日08时(a)和14时(b)清远探空站T-logp图 (红色线：大气层结温度，蓝色线：大气层结露点温度) Fig. 2 The T-logp diagram of Qingyuan Station at 08:00 BT (a) and 14:00 BT (b) 3 June 2016 (red line: temperature of atmospheric stratification, blue line: dew point temperature of atmospheric stratification) |
结合清远探空的风速变化以及850 hPa再分析资料可以确认低空急流的存在，对流单体发生发展于低空急流的右前方。08时，急流轴位于约2 km，最大风速为18 m·s-1，最大低层垂直切变(0~2 km)为13 m·s-1，水平风随高度顺转。14时，急流轴升高至3 km，最大风速为20 m·s-1，最大低层垂直切变(0~3 km)为17.5 m·s-1。
综合上述分析表明环境大气的热力条件十分有利于对流的发生发展。但是具备有利的热力条件的区域并不局限于对流系统发展区域，因此对流的发生发展的位置以及时间必然和低空急流以及更小尺度的因素有关。
3 超级单体的特征分析 3.1 对流演变过程6月3日14：24左右，SPOL西方偏北有孤立的多单体生成，初生的对流单体水平尺度仅为10 km，最大回波强度低于45 dBz，从SPOL西偏北约170 km的位置向东偏南方向不断发展。15：36对流单体相互靠拢，对流层低层出现辐合，15：54在距离SPOL大约123 km处靠拢的多对流单体前部回波强度增大，对流层低层出现明显的辐合，但还没有达到中气旋标准，向东移动速度加快，分裂形成新的对流单体。16：06对流层低层0.5°仰角径向速度图中距SPOL约117 km处出现辐合(图 3b)，最大正负速度差值为28.5 m·s-1，远大于20 m·s-1，达到中气旋标准，而在1.5°仰角的径向速度图中均为负速度区，不满足中气旋标准，中气旋的垂直延伸高度很低。此时对流层低层被识别为大雨，周围分布着雨和大滴，而在其对应的1.5°仰角上则被识别为大雨，周围被霰包围，此状态一直延伸到6.0°仰角上，相态识别均为霰，大雨相态已经消失。该对流单体逐渐增强到16：24左右增强到最强，0.5°仰角最大回波强度达到55 dBz。与此同时，对流单体的前方、西南方以及东南方都有新的对流单体生成。在16:54对流层低层的多对流单体相互靠拢(图 3c, 3d)，对流层低层0.5°仰角存在中气旋，在1.5°仰角达到最大旋转速度12.5 m·s-1，垂直延伸到2.4°仰角；在此中气旋左下方1.5°仰角出现另一中气旋垂直延伸到4.3°仰角。在对流层低层0.5°仰角零星出现冰雹，其周围被大雨包围，在2.4°仰角范围增加且其周围出现霰，冰雹延伸到6.0°仰角，霰延伸到9.9°仰角。在17:06存在多个对流单体(图 3e, 3f)，其0.5°仰角存在两个中气旋，左侧中气旋在3.3°仰角消失，右侧中气旋延伸到4.3°仰角，相态识别与上一时次类似。在17：12左右，多个对流单体再次合并形成长约60 km的中尺度对流系统(图 3g, 3h, 3j, 3k, 3l)，距离雷达约75~110 km(图 3i)。对流层低层右侧的对流单体出现钩状回波结构，从径向速度图中可知0.5°~4.3°仰角均存在中气旋，最大转动速度(最大入流速度与最大出流速度绝对值之和的二分之一)出现在2.4°仰角，为13 m·s-1。在沿图 3g中虚线的垂直剖面图(图 3i)中，可以看到弱回波区的存在，此对流单体到达到超级单体标准。在超级单体的低层有分散的冰雹，冰雹周围是大雨，直到3.3°仰角冰雹被霰包围，并延伸到6.0°仰角。与超级单体并排的左下方的对流单体，在0.5°~4.3°仰角的径向速度图中也存在中气旋。
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图 3 2016年6月3日广州SPOL 16:06(a, b), 16:54(c, d)和17:06(e, f)各时刻雷达0.5°仰角回波强度(a, c, e)及径向速度(b, d, f)；17：12回波强度(g)、各仰角径向速度(h, j, k, l)及沿虚线的垂直剖面图(i) (图中圆圈：中气旋，箭头：钩状回波和弱回波位置，虚线：剖面图方位) Fig. 3 The SPOL radar echo intensity (a, c, e) and radial velocity (b, d, f) at 0.5° elevation angle at 16:06 BT (a, b), 16:54 BT (c, d) and 17:06 BT (e, f); echo intensity (g), radial velocity at each elevation (h, j, k, l), and vertical section along the dashed line (i) at 17:12 BT 3 June 2016 in Guangzhou (circles: mesocyclones, arrows: positions of the hook echo and the weak echo, and dashed line: orientation of the cross-section) |
在17:18对流层低层依然存在两个并排的对流单体(图 4a，4b)，对流单体中心距离雷达SPOL大约在88 km，左侧的对流单体的后侧出现突起，对应的对流层低层的中气旋范围较大，最大正负速度差达到25 m·s-1，且此中气旋呈气旋性辐合，在2.5°仰角达到最大转动速度17 m·s-1，到3.3°仰角时中气旋消失。在相态识别中，0.5°仰角强回波区对应的为大雨，大雨周围是雨和分散的大滴，在突出部分出现冰雹，距离地面高度约1 km，在1.5°仰角上突出部分周围则被大滴包围，在2.5°仰角上则有大范围的冰雹和霰，冰雹在靠近雷达一侧与大雨相态相邻，远离雷达一侧则被霰包围，其上仰角则都表现为冰雹和霰，在9.9°仰角上冰雹消失，霰依然存在。而右侧的超级单体的钩状回波结构已有所收缩，对应的中气旋面积较小，但其一直延伸到4.3°仰角高度上达到最大转动速度12.5 m·s-1。其0.5°仰角相态识别结果和左侧的对流单体类似，在钩状回波处有冰雹。在17:24(图 4c~4f)，右侧超级单体的底层钩状回波结构已经消失，对流层低层的中气旋也消失，在1.5°~4.3°仰角中气旋存在。左侧对流单体底层形成明显的超级单体钩状回波结构，且在不断加强，钩状回波的位置对应速度径向图中存在直径范围约10 km的中气旋，到1.5°仰角达到最大转动速度13 m·s-1，在沿图中虚线(图 4c)的垂直剖面图(图 4f)中，有弱回波区存在，此对流单体到达到超级单体标准。此时，该超级单体整层最大回波强度大于60 dBz，超级单体强回波区低层有分散的冰雹，冰雹周围是大雨，在弱回波区及超级单体后侧为大滴，在2.4°仰角上大范围的冰雹和霰出现并延伸到6.0°仰角。在17:48(图 4h)，仍可见超级单体的钩状回波和中气旋(1.5°仰角)，但中气旋已经明显衰弱，且此时超级单体距离雷达SPOL大约78 km，考虑到其与雷达SPOL的距离更近，超级单体的回波强度也已经降低。此时紧邻钩状回波的区域出现了强回波区(图 4g)，ZDR(图 4i)和CC(图 4j)明显比周围回波小，可见SPOL的底层具有冰雹的双偏振参量特征，之后该超级单体的钩状回波一直持续到17:54消散，中气旋已经完全消失，超级单体减弱为对流单体，到18时，对流层底层完全是辐散(图 4k)，对流单体已经开始分裂成多对流单体，随后在18:00—18:24多对流单体继续分裂消亡。
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图 4 2016年6月3日广州SPOL 17:18(a, b), 17:24(c, d, e, f), 17:48(g, h, i, j)和18:00(k, l)各时刻雷达回波强度(a, c, g, k)及径向速度(b, d, h, l)；17:24相态识别(e)及沿虚线的垂直剖面(f)；17：48时ZDR(i)及相关系数(j) (圆圈：中气旋，箭头：钩状回波和弱回波位置，虚线：剖面图方位) Fig. 4 The SPOL radar echo (a, c, g, k) and radial velocity (b, d, h, l) at 17:18 BT (a, b), 17:24 BT (c, d, e, f), 17:48 BT (g, h, i, j) and 18:00 BT (k, l); (e) phase identification and (f) vertical section along dashed line at 17:24 BT; (i) ZDR and (j) correlation coefficient in Guangzhou at 17:48 BT 3 June 2016 (circles: mesocyclones, arrows: positions of the hook echo and the weak echo, dashed line: orientation of the cross-section) |
如前所述，两个超级单体分别在17：12和17：24达到成熟阶段，图 5a, 5b展示了左侧超级单体底层出现钩状回波的前一时刻17：18的SPOL 0.5°仰角水平和垂直结构。在17：18，超级单体位于SPOL西偏北80~90 km范围内，前进方向右后侧出现突出部分，其水平尺度达到4 km，该区域的回波结构较为平整，部分区域回波大于45 dBz，最大值大于55 dBz，ZDR和CC较高，均符合降雨的特征。在突出部的前方存在中气旋的正负速度对。中气旋的正速度区对应了超级单体前部的低层入流，负速度区对应了超级单体后部的下沉气流，入流和出流相遇产生的浅而窄的出流边界清晰可见，在径向速度图上表现为辐合。对于中气旋的所在区域1.3 km高度(0.5°仰角)上，由于上升气流非常强、难以出现降水粒子，Z<25 dBz，ZDR在-1~1 dB、CC<0.85，近似于地物回波的偏振参量特征。在HCL相态识别分布中可以看出，两个超级单体的钩状回波附近对流层低层0.5°仰角有冰雹产生。由图 5b的0.5°~4.3°仰角的水平结构中可看出，在0.5°~1.5°仰角有明显的中气旋，随着高度的上升，中气旋的水平尺度和转动速度也变的更大，但在5 km高度(仰角3.3°)以上，由于环境场西风较强(>15 m·s-1)，径向速度图中中气旋区域正速度部分明显减小，到6 km高度(仰角4.3°)时，径向速度图中大部分区域为负速度值，环境场的西风是主要原因。而对于右侧超级单体的中气旋，则可以在0.5°~4.3°仰角的径向速度图中清晰地识别出来，且中气旋的转速更大。在沿虚线方向的垂直剖面(图 5c)中，对左侧超级单体的垂直结构进行分析，底层暖湿入流伴随中层径向辐合形成的上升气流达到4 km以上高度，上升气流处的反射率因子较周围弱，形成了明显的弱回波区，虽然弱回波区域内的回波强度值较小，但是对应的CC值较大(>0.98)，且超级单体底部的ZDR值较大，达到3.0 dB以上。弱回波区上方存在悬垂回波，该区域回波强度值较大，最大值达60 dBz以上。在回波的中低层，相态识别为大滴、中雨到暴雨，3 km高度以上存在霰和冰雹，冰雹区位于超级单体上方的悬垂结构中，其周围被霰包围。
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图 5 2016年6月3日17:18(a, b, c)和17:24(d, e, f)广州SPOL的Z，V，ZDR，CC的水平和垂直结构(a, d)0.5°仰角水平结构，(b, e)0.5°~4.3°的径向速度图，(c, f)沿虚线方向垂直结构 (圆圈：中气旋，箭头：钩状回波、弱回波和入流位置，虚线：剖面图方位) Fig. 5 Horizontal and vertical structures of Z, V, ZDR, CC of SPOL in Guangzhou at 17:18 BT (a, b, c) and 17:24 BT (d, e, f) 3 June 2016(a, d) horizontal structure at 0.5° elevation, (b, e) radial velocity elevation angle at 0.5°-4.3°, (c, f) vertical structure diagram along dashed line (circles: mesocyclones, arrows: positions of the hook echo, weak echo and inflow, dotted line: the orientation of the cross-section) |
17：24，超级单体位于雷达SPOL西偏北方向76~90 km范围内，该超级单体的回波范围进一步扩大，0.5°仰角最大回波强度>55 dBz，中气旋的水平尺度和转动速度继续加强，对应了超级单体底部的入流和出流进一步增强，上一时刻的突出部分继续增强，并且在入流和出流的共同作用下逐渐弯曲，形成钩状回波(图 5d)。在0.5°仰角的雷达回波及径向速度图中，入流和出流相遇产生的浅而窄的出流边界清晰可见(图 5d中弧线)。由图 5e的0.5°~4.3°仰角的径向速度水平结构可看出，超级单体的中气旋从低层一直延伸到对流层中上部，依然是在0.5°和1.5°仰角表现最清晰，随着高度的上升，中气旋的水平尺度和转动速度也变得更大，但在5 km高度(仰角3.3°)以上，径向速度图中中气旋区域正速度部分明显减小，到6 km高度(仰角4.3°)时，径向速度图中大部分区域表现为负速度，和前一时刻超级单体的中气旋表现类似。在沿虚线的垂直剖面中(图 5f)，低层入流加强，底层暖湿气流一直扩展达到3 km高度，低层的入流以及上升气流给超级单体带来持续发展的动力，弱回波区的范围继续增加，ZDR值较前一时刻明显增强，在相态识别中，该区域被识别为了大滴，这与水汽在超级单体上升气流中快速凝结形成过大的冷水滴的物理现象有关。弱回波区前方的悬垂回波继续增强，且最大回波强度达到70 dBz，垂直延伸高度非常高，达到8 km，比前一时刻的高度有所增加，其对应的ZDR值在-0.5~0.5 dB，CC在0.94~0.96，相比周围区域CC较小，符合球形冰雹的ZDR接近0 dB、且表面包裹水膜使相关系数降低的物理特征。在悬垂回波上方、高于10 km的高度，ZDR仍然接近于0 dB，但回波强度<45 dBz、CC>0.97，对应了霰的偏振参量特征。在悬垂回波区域大约3 km高度以上，存在冰雹和霰，且冰雹的位置较上一时次向前倾，在悬垂回波中发展。
3.3 超级单体的地面特征分析图 6给出了17:00、17:24和17:54自动气象站2 min平均风、1 h累积雨量和35 min变温的观测结果，并叠加了该时刻SPOL的0.5°仰角径向速度和HCA相态识别结果的水平分布。
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图 6 2016年6月3日17:00(a, b), 17:24(c, d)和17:54(e, f)自动气象站2 min平均风、温度(蓝色数值，单位：℃)和35 min变温(红色数值，单位：℃)的水平分布图叠加SPOL的0.5°仰角径向速度(a, c, e)，和1 h累积雨量(数值，单位：mm)叠加相态识别结果(b, d, f) Fig. 6 Horizontal distribution of the 2 min mean wind, temperature (blue number, unit: ℃) and 35 min variable temperature (red number, unit: ℃) from automatic weather station overlaid to the SPOL radial velocity (a, c, e), and 1 h precipitation (number, unit: mm) overlaid to phase identification results (b, d, f) at 0.5° elevation at 17:00 BT (a, b), 17:24 BT (c, d) and 17:54 BT (e, f) 3 June 2016 |
17时(图 6a)，超级单体处于发展阶段并向东偏南方向移动，其东南侧区域大部分为入流区，地面入流区的温度在31~36℃，平均速度为3~4 m·s-1，最大速度达到6.8 m·s-1，有-1.1~-0.3℃的变温。在HCA相态识别的大雨区，自动站观测到的1 h累计降水不超过1 mm(图 6b)，可见在超级单体的发展阶段，地面没有观测到大风和强降水的出现。到17：24超级单体达到成熟阶段，超级单体前侧的入流区最大风速达到11.4 m·s-1，变温达到-8.1℃，后侧的下沉气流区对应的风速也增加，最大达到6.9 m·s-1，有-1.0~6.4℃的变温，出流区的平均风速为3.5 m·s-1，变温在-1.0~-0.3℃，由此可见，冷池的范围和强度随超级单体的发展而增加(图 6c)。最强降水出现在中气旋附近的大雨和大滴区，累计降水达到了8.4 mm，可见在超级单体成熟阶段，入流和出流都明显增强，地面出现了较为明显的降温，强降水和大风天气，均出现在中气旋附近(图 6d)。到17：54(图 6e, 6f)，超级单体钩状回波消失，超级单体消散，超级单体经过的区域均有明显的降温，最强的变温达到-4.1℃，地面观测到的最大风速为7.5 m·s-1，比上一时次风速略有减小，1 h累计降水增加，但是10 min累计降水不足1 mm。在此阶段，超级单体的降水强度明显减弱，风区的风速有所减弱。
3.4 超级单体精细结构的短时变化由于SPOL数据的垂直分辨率只有9层，且完成一个体扫需要6 min，难以观测到底层回波是如何增强和消散的。而XPAR的时空分辨率都要高于SPOL，由于观测的缺失，XPAR在17：34开始有观测数据，图 7给出了17：34—17：41时XPAR观测到的超级单体演变的过程及对应时刻与SPOL的对比。
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图 7 2016年6月3日佛山相控阵雷达17：34—17：42的0.5°仰角回波强度(a, c, e, g)、径向速度(b, d, f, h)、沿虚线方向的垂直剖面的回波强度(i, k)和径向速度(j, l)及对应时刻SPOL的0.5°仰角回波强度(m, o)和径向速度(n, p) Fig. 7 Echo intensity (a, c, e, g), radial velocity (b, d, f, h) at 0.5° elevation of XPAR in 17:34-17:41; echo intensity (i, k), radial velocity (j, l) of vertical cross-section along the dashed line direction and echo intensity (m, o) and radial velocity (n, p) at the corresponding time of SPOL in Foshan on 3 June 2016 |
从XPAR回波强度和径向速度图(图 7)上可以看出，在17：34已经有明显的钩状回波，对流层低层的中气旋明显，入流区和后部下沉区面积相当，在垂直剖面图中可以观测到弱回波区及其上方的悬垂回波，入流区的低层对应着明显的上升气流。之后中气旋依然明显，钩状回波持续发展，但入流区逐渐减弱，被下沉气流区占据，在17：41的垂直结构中可以看出，超级单体的回波强度有所减弱，回波上方的悬垂结构范围减小，回波顶高明显降低，而低层入流区对应的上升气流也明显减弱，被下沉气流代替。对比SPOL可以看出，XPAR的时空分辨率较高，可以观测到更短时间内的超级单体的结构变化，且由于其37.5 m的距离库长和40层仰角的数据，可以观测到超级单体更为精细完整的水平垂直结构，弥补了SPOL仰角层严重不足的缺陷。但是由于XPAR的波长较短，在强回波区后出现了明显的衰减，同时灵敏度也不如SPOL，难以观测到10 dBz以下的弱回波。
图 8为XPAR观测到的超级单体的消散过程及与SPOL对应时刻的对比。在17:41，图 7g, 7h的水平结构中，钩状回波依然明显，入流及中气旋依旧存在，且回波面积只比后部下沉气流稍小。而到了17：46，图 8a, 8b的水平结构中，超级单体钩状回波结构虽然还存在，但其中的中气旋几乎已经消失，对应的对流风暴失去超级单体特性。随着超级单体的消亡，入流逐渐消失，而后部下沉气流对应的出流逐渐增加，出流的范围逐渐向入流一侧扩展，从17:49—17:51，增强的出流使得超级单体右侧后部分裂出一部分，到17：51入流已基本消失，失去了入流支持，钩状回波中心向内凹陷的结构也无法维持，在3 min内便随出流快速向东推进，超级单体进一步分裂，17：54钩状回波彻底消失。
4 结论
利用S波段双偏振雷达、X波段相控阵雷达、业务雷达以及地面和探空的观测资料，详细分析了2016年6月3日发生在华南的一次超级单体中小尺度特征。包含了超级单体产生的天气背景、对流演变、钩状回波的双偏振参量分布、地面特征分析、钩状回波增强及消散的短时变化等，结果表明：
(1) 此次强对流过程发生在500 hPa槽前、850 hPa切变线南侧；低空急流和低层暖湿气流增强了大气层结的条件不稳定性，环境大气的不稳定条件和水汽条件均有利于对流单体的发生和发展。但是具备有利的热力条件的区域并不局限于对流系统发展区域，对流的发生发展的位置以及时间必然和低空急流以及更小尺度的因素有关。
(2) SPOL的多普勒参量和双偏振参量可以观测到超级单体的强度、速度和相态分布，超级单体的入流和出流影响了钩状回波的形成, HCA的相态识别结果可以较好地描述超级单体内部的微物理分布特征。
(3) XPAR可以获取时空分辨率远高于SPOL的观测资料，可以弥补SPOL仰角层严重不足的缺陷，观测到超级单体完整的垂直结构，可更精确地描述超级单体的短时演变，但是XPAR衰减非常严重，强回波后的区域几乎观测不到，且灵敏度不如SPOL，难以观测到10 dBz以下的弱回波。
(4) 在超级单体生成过程中，中气旋的强弱对应了超级单体的发展和消散，延伸高度高，旋转速度大的中气旋更有利于超级单体的维持发展；对流层中层最先出现冰雹，并向上下延伸，在超级单体低层钩状回波结构出现前15~20 min左右，对流层低层中气旋后侧出现冰雹，在钩状回波形成后，冰雹主要分布在钩状回波和强回波区域，在中高层，冰雹主要在超级单体的悬垂回波区增长，在超级单体消散前，对流层中层的冰雹已经消失。
(5) 超级单体钩状回波附近给地面带来了降温、大风和强降水，强降水和大风出现在中气旋附近，在强降水区中有降雹，而下沉气流区则没有明显的强降水，超级单体经过地区均有明显降温和风区。
致谢：感谢中国气象科学研究院吴翀博士在相态识别方面提供的帮助，感谢中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室提供的办公条件。ERA-interim资料从欧洲中期天气预报中心网站下载。
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