2025, Vol. 51 
2. 宁夏气象防灾减灾重点实验室, 银川 750002；
3. 宁夏气象台, 银川 750002；
4. 宁夏固原市气象局, 固原 756000；
5. 宁夏中卫市气象局, 中卫 755000
2. Ningxia Key Laboratory for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation, Yinchuan 750002;
3. Ningxia Meteorological Observatory, Yinchuan 750002;
4. Guyuan Meteorological Office of Ningxia, Guyuan 756000;
5. Zhongwei Meteorological Office of Ningxia, Zhongwei 755000
六盘山位于宁夏南部固原市境内，是一条近似南北走向的狭长山脉，山势高峻，地形复杂，是宁夏冰雹中心区(杨侃等，2012)。研究发现，六盘山区多以中小冰雹(直径＜2 cm)为主，大冰雹(2 cm≤直径＜5 cm)比较少见，特大冰雹(直径≥5 cm)更是罕见(汤兴芝等，2023)。冰雹是中小尺度天气系统的产物，具有生命史短、局地性、突发性、致灾性强等特点，因此冰雹的预报预警一直是天气预报业务中的难点。
近年来，许多气象学者在冰雹等强对流天气发展机制研究(孙继松等，2006；杨军等，2017；刘一玮等，2011；黄晓龙和高丽，2016；吕晓娜，2017)的基础上，对冰雹的雷达回波特征进行了研究。常规天气雷达上，大冰雹的产生与强反射率因子的伸展高度有关，反射率因子越大，伸展相对高度越高，大冰雹发生的可能性和最大冰雹直径越大(Witt et al，1998)；此外，冰雹发生前垂直累积液态水含量(VIL)有明显跃增现象，并且冰雹尺寸与VIL的大小和三体散射长钉(TBSS)的长度呈正相关(Edwards and Thompson, 1998；刁秀广等，2008；陈圣劼等，2022)。
相较常规天气雷达，双偏振雷达通过水平和垂直两个方向的偏振电磁波，可获取水凝物的相态、形状、空间取向、密度分布等多种偏振参数(张培昌等，2018)，其中由差分反射率因子(ZDR)推断水凝物尺寸分布(Seliga and Bringi, 1976)，差分传播相移率(KDP)估测降雨强度(Sachidananda and Zrnic'，1987)，相关系数(CC)判别混合水凝物相态((Balakrishnan and Zrnic'，1990)。在我国，双偏振雷达的应用研究工作也取得一定成果。刁秀广和郭飞燕(2021)、刁秀广等(2021；2022)、张羽等(2023)、潘佳文等(2020)和高丽等(2021)利用双偏振雷达研究发现，冰雹区具有水平反射率因子(ZH)大、ZDR小、CC小的特征；ZDR柱相比降雹，尤其大冰雹具有一定提前量；对于特大冰雹，由于共振散射和附加的后向散射位相差会导致双极化参数出现一些奇异现象，如ZDR为负值、CC降级。自2020年7月起，宁夏陆续开始建设X波段双偏振雷达，由于投入使用时间不长，还未在短时临近预报业务应用中进行深入分析总结，因此需要研究其特征量在强对流天气中的表现，从而进一步提升灾害性天气临近预报预警能力。
天气雷达观测范围较小，而气象卫星能提供大范围全天候的观测信息，近年来成为强对流天气的重要监测工具。葵花8号静止气象卫星具有高时空分辨率的特点，能够在10 min内完成全盘扫描，红外通道空间分辨率可达2 km，利用其可提前预判夏季初生对流的发生，进一步提高冰雹的临近预报准确率(郭巍等，2018)。
本文利用常规观测、雷达、卫星等多源资料，对2021年7月12日宁夏六盘山区局地特大冰雹天气的成因和雷达观测特征进行分析，以期为提升宁夏冰雹预报预警能力提供技术支撑。
1 资料和天气实况 1.1 资料本文所用资料包括：(1)欧洲中期数值预报中心(ECMWF)提供的空间分辨率为0.25°×0.25°、间隔1 h的ERA5再分析资料；(2)葵花8号卫星红外通道数据(中心波长为10.4 μm)，其时空分辨率为2 km·(10 min)-1；(3)国家气象信息中心下发的常规观测和探空资料；(4)宁夏气象信息中心提供的逐5 min、10 min和1 h的地面自动气象观测站资料；(5)固原逐6 min的C波段雷达资料和逐5 min的X波段双偏振雷达资料，其中C波段雷达位于固原市境内的六盘山上(海拔高度为2853 m)，探测范围为150 km；X波段双偏振雷达位于固原市彭阳县(海拔高度为1758 m)，探测范围为120 km。
文中所用时间均为北京时。
1.2 天气实况2021年7月12日午后，在华北冷涡影响下，宁夏固原市有多个对流单体迅速发展，在向南移动过程中合并发展为超级单体风暴，造成局地特大冰雹。如表 1所示，12日14:30原州区开城镇出现最大直径为1.5 cm的冰雹；之后风暴沿六盘山东侧向南移动，15:10泾源县开始降雹，15:35—16:10出现大冰雹，其中15:50—16:10泾源县泾河源镇和新民乡出现直径为5.0 cm的特大冰雹，并伴有最大风速为24 m·s-1的雷暴大风。
|
表 1 2021年7月12日宁夏固原冰雹实况 Table 1 The situation of observed hail in Guyuan, Ningxia on 12 July 2021 |
12日08:00，500 hPa宁夏六盘山区位于华北冷涡后部的西北气流中，处于-6℃温度槽中，低层700 hPa为偏北风，处于暖舌中(图略)，形成上冷下暖的不稳定层结，有利于对流触发。
08:00甘肃崆峒站探空显示(图 1b)，对流有效位能(CAPE)、沙氏指数(SI)和最有利抬升指数(BLI)分别为16.3 J·kg-1、-0.28℃、-0.9℃，700 hPa与500 hPa温差为19.4℃，具有一定的热力不稳定。700 hPa以下风随高度顺转，有暖平流，700~300 hPa风随高度逆转，有冷平流，指示大气层结将更加不稳定。近地面层有较厚的逆温层，有利于不稳定能量的储存和积累。逆温层顶至600 hPa环境温度直减率达到了干绝热递减率，当近地面剧烈辐射增温，逆温层消失后，易产生强对流。采用崆峒站14:00地面气温(31.0℃)、露点温度(14.0℃)进行探空订正(图略)，CAPE、BLI分别增至1719 J·kg-1、-3.9℃，说明随着地面升温，大气层结不稳定明显增强。此外，午后冰雹发生区的低层相对湿度为50%~80%，有利于对流的发生发展。
|
图 1 2021年7月12日08:00(a)850~500 hPa垂直风切变(单位：m·s-1)和(b)崆峒站探空曲线 Fig. 1 (a) Vertical wind shear (unit: m·s-1) of 850-500 hPa and (b) T-lnp of Kongtong Station at 08:00 BT 12 July 2021 |
环境大气中，适宜的0℃和-20℃层高度对大冰雹的形成至关重要(孙继松等，2014)。08:00，0℃、-20℃和湿球0℃层高度分别为4.8、7.9、4.5 km，高度适宜，湿球0℃层距地约2.6 km，这对大冰雹的出现很有利(Miller，1972)。同时，850~500 hPa垂直风切变强，为22 m·s-1(图 1a)，有利于高度组织化风暴的产生和维持。
2.2 抬升机制研究表明地形的热力、动力作用可形成局地中尺度切变(气旋)和环流，在有利的天气环流背景下，对强对流的触发和发展有明显影响(孙继松等，2006；孙继松，2023；刘一玮等，2011；王珏等，2008；尉英华等，2018)。以下将着重分析六盘山区地面中尺度系统和局地环流对强对流的触发和发展作用。
2.2.1 地面中尺度辐合系统12日13:00—14:20地面长时间存在中尺度辐合线(图 2a~2c)，由于近地面层到600 hPa为干绝热，低层大层很不稳定，辐合线附近被抬升的暖空气加速上升，触发了对流(图 2b)。14:15—15:15对流风暴向东南方向移动过程中，泾源县“人”字型辐合线使其合并加强(图 2c，2d)。15:25—16:00泾源县南部长时间存在中尺度气旋(图 2e，2f)，其中偏东风、偏南风风速最大分别为8 m·s-1、6 m·s-1；期间对流风暴并未一直向东南方向移动，而是出现了向西南折，即对流风暴向中尺度气旋形成的强辐合区移动，并强烈发展(图 2e，2f)，造成泾源县大冰雹的产生。由此看出，地面中尺度辐合系统对此次对流的触发、发展以及移动方向有重要作用，这与吕晓娜(2017)的研究结果一致。
|
图 2 2021年7月12日(a)13:00、(b)14:00、(c)14:20、(d)14:55、(e)15:25、(f)15:50地面风场(风羽)及(a)13:02、(b)14:12、(c)14:29、(d)15:10、(e)15:39、(f)15:57固原C波段雷达组合反射率因子(填色) 注：黑色粗线为地面辐合线，箭头为气流方向，三角形为大冰雹区。 Fig. 2 Surface wind field (barb) at (a) 13:00 BT, (b) 14:00 BT, (c) 14:20 BT, (d) 14:55 BT, (e) 15:25 BT, (f) 15:50 BT overlaid with radar composite reflectivity factor (colored) of Guyuan C-Band Radar at (a) 13:02 BT, (b) 14:12 BT, (c) 14:29 BT, (d) 15:10 BT, (e) 15:39 BT, (f) 15:57 BT 12 July 2021 |
特大冰雹发生前(图略)和发生时(图 3)泾源县南部近地面层到600 hPa附近存在局地环流，其上升支位于六盘山东侧(106.25°~106.50°E)，下沉支在六盘山西侧(105.75°~106.00°E)，特大冰雹发生在环流的上升支。此外，特大冰雹发生地的东侧(106.75°~107.00°E)存在较强的下沉气流(图 3)，不利于对流风暴继续向东南发展，而局地环流产生的上升运动对于对流风暴发展很有利，这可能是15:00—16:00对流风暴合并发展过程中并未一直向东南方向移动而是向西南折的另一个原因。因此，局地环流不仅有利于对流风暴的发展，并且对其移动方向有一定指示作用。
|
图 3 2021年7月12日16:00沿35.5°N的u-100w环流(箭矢)和相对湿度(填色)剖面 注：黄色方框为特大冰雹区，黑色阴影为地形。 Fig. 3 Cross-section of u-100w circulation (arrow) and relative humidity (colored) along 35.5°N at 16:00 BT 12 July 2021 |
从红外云图演变(图 4)可知，14:00固原市中部有3个γ中尺度对流系统(γ-MCS)生成, 如图 4a中的M1、M2、M3。MCS向东南方向移动过程中迅速发展，14:20—14:50云顶亮温(TBB)最低维持在245 K (图 4b，4c)，造成了原州区开城镇的冰雹。14:50—15:50，M1、M2、M3合并形成β-MCS(M)并强烈发展(图 4c~4e)，其间M向西南折，TBB进一步降低，15:10为235 K，15:40降至227 K，此时泾源县出现大冰雹。15:50—16:10，M转向东南移动，其上风方出现明显冷“V”型，TBB降至222 K(图 4e，4f)，泾源县南部出现特大冰雹，且冰雹出现在冷“V”型处。因此，γ-MCS以及合并形成的β-MCS是此次冰雹天气的直接影响系统；TBB≤245 K时，出现冰雹，TBB越低冰雹尺寸越大，这与张杰等(2004)研究结果相似，TBB≤227 K、TBB≤222 K时，分别出现大冰雹和特大冰雹；大冰雹出现在云团上风方冷“V”型处。
|
图 4 2021年7月12日葵花8号卫星TBB(填色)演变 注：红色圆圈M1~M3和M均代表中尺度对流系统，红色箭头指示M的位置。 Fig. 4 The TBB (colored) evolution of Himawari-8 on 12 July 2021 |
从雷达回波演变来看，14:47—15:04“人”字型地面辐合线附近有C1、C2、C3、C4多个对流单体生成并发展(图 2d，5a，5b)，14:53—15:51对流单体向东南移动过程中逐渐合并加强形成对流单体C5(图 5b~5d)，期间单体向地面中尺度气旋移动(图 2e，2f)，泾源县香水镇和泾河源镇出现大冰雹，最大组合反射率因子(Z)为67 dBz(图略)。由于地面中尺度气旋和局地环流作用，C5强烈发展，15:57 Z达70 dBz(图 5e)。15:51和15:57，0.5°仰角上有“V”型入流缺口出现(图略)，且先后在6.0°仰角(图 6c)、2.4°仰角(图略)出现有界弱回波区(BWER)。16:14风暴移出，降雹结束。径向速度场上，15:04 C2的中低层已经出现最大旋转速度为6 m·s-1的中尺度涡旋(图 5f)；15:45距雷达约41 km，随着C2与其他单体合并为C5，4.3°仰角中尺度涡旋旋转速度增大至13.5 m·s-1(图略)，说明C5中层存在一弱中气旋(俞小鼎等，2006)。15:51—16:14，0.5°~6.0°仰角均有中气旋存在，4.3°仰角最大旋转速度增大到15 m·s-1(图 5g)，且中气旋略向东北方向倾斜，随着中气旋的发展，冰雹直径增大，出现特大冰雹。由此看出，多个对流单体合并发展为超级单体，中尺度涡旋逐渐加强形成中气旋，中气旋的形成和加强维持了对流风暴的发展，为特大冰雹的形成提供了一支很强的上升气流；此外，当大冰雹出现时Z≥65 dBz，特大冰雹出现时Z≥70 dBz。
|
图 5 2021年7月12日固原C波段雷达(a~e)组合反射率因子，(f)0.5°仰角、(g)4.3°仰角径向速度 注：红色圆圈代表对流单体位置，C1~C5为单体编号。 Fig. 5 (a－e) Composite reflectivity factor, (f) 0.5° elevation and (g) 4.3° elevation radial velocity of Guyuan C-Band Radar on 12 July 2021 |
|
图 6 2021年7月12日固原C波段雷达(a~c)6.0°仰角反射率因子和(d~f)反射率因子分别沿图 6a~6c中白线的垂直剖面，(g)风暴参数演变 Fig. 6 (a-c) 6.0° elevation reflectivity factor and (d-f) cross-section of reflectivity factor along the white lines in Fig. 6a-6c, and (g) evolution of windstorm parameters of Guyuan C-Band Radar on 12 July 2021 |
反射率因子垂直剖面(图6d～6f)显示，随着风 暴发展加强，15:51有明显的BWER和回波悬垂结构形成，50 dBz、55 dBz伸展高度明显升高，由14:29的8.0 km、6.6 km升高至15:51的10.7 km、9.7 km，其中15:39和15:51, 55 dBz伸展高度都高于-20℃高度，这对大冰雹的形成十分有利(Witt et al，1998)。
从风暴参数演变来看(图 6g)，14:00原州区南部的对流单体触发后(图 2b)迅速发展，14:29风暴的最大回波强度、单体顶部高度、回波顶高增大至66 dBz、6.7 km、11.5 km，降雹后单体顶部高度和回波顶高降低，最大回波强度维持一个体扫后也开始降低。随着对流单体合并发展，上述风暴参数均呈波动增大，降雹后最大回波强度和单体顶部高度都有所降低，但回波顶高反应并不明显。风暴加强形成超级单体后，15:57三者分别增大至70 dBz、11.1 km、16.8 km，之后都有所下降，其中单体顶部高度下降最明显。由此可见，降雹后最大回波强度和单体顶部高度下降，回波顶高持续增大或维持意味着风暴的发展加强或维持。
3.2.3 垂直累积液态水含量和三体散射特征俞小鼎等(2006)研究指出，持续高的VIL可能与超级单体风暴有关；一旦临界值被确定，可用于判别带有大冰雹的风暴。结合冰雹实况(表 1)、VIL和TBSS的变化(表 2)来看，各阶段最大冰雹直径分别为1.5、1.5、3.5、5.0 cm，对应TBSS最大长度分别为18.1、16.6、21.2、38.2 km，先出现在中层，后随着降雹其高度降低；对应最大VIL分别为37、39、46、54 kg·m-2，较降雹前分别跃增14、6、8、17 kg· m-2，除开城镇降雹后VIL明显降低，其余地方降雹后VIL仍有增长。由此看出，降雹前期有明显的VIL跃增现象，降雹后冰雹尺寸增大过程中VIL也会增大，但其增量不及降雹前；大冰雹与长度≥20 km的TBSS和≥40 kg·m-2的VIL有较好的对应关系，特大冰雹与长度≥30 km的TBSS和≥50 kg·m-2的VIL高值关系密切。
|
|
表 2 2021年7月12日宁夏固原冰雹的VIL和TBSS统计 Table 2 Statistics of VIL and TBSS of hail in Guyuan, Ningxia on 12 July 2021 |
相较于仅使用水平反射率因子(ZH)进行冰雹的识别，综合运用ZH、差分反射率因子(ZDR)和相关系数(CC)，可更为准确地识别出冰雹在对流单体中的位置及其相态特征(Picca and Ryzhkov, 2012)。以下选取15:54不同仰角的双偏振参量和15:49双偏振参量剖面对此次特大冰雹进行分析。
低层0.5°仰角上，位置1、2处ZH最大值为50 dBz (图 7d)，距地0.8 km左右。回波南侧有明显入流缺口，入流缺口附近ZDR为明显负值区(图 7c)，且存在一个CC显著降低区域，最低为0.55(图 7a)，这可能是由于低层入流区的强上升气流将雨滴带入高层，低层入流区附近水凝物含量降低后返回信号的信噪比也随之下降，造成入流区附近CC显著降低，形成CC谷(Ryzhkov et al，2005)。因此，通过识别低层CC谷可以判断单体的入流区，有利于进一步了解整个雹暴流场结构。位置1处高ZH对应的CC较低(图 7a)，为0.70~0.92，差分传播相移率(KDP)为-0.6~2.0 °·km-1(图 7b)，而ZDR较高，为1.6~4.0 dB(图 7c)，表明此处可能伴有雨滴和未完全融化而在外包裹有一层水膜的大冰雹。位置2处高ZH对应的CC为0.90~0.98(图 7a)，KDP为0.2~3.0 °· km-1(图 7b)，ZDR为1.5~4.0 dB(图 7c)，由于水凝物散射特性因雷达波长而异，且X波段有明显的共振散射影响，融化的小冰雹也可产生较大的ZDR和正的KDP(Ryzhkov and Zrnic, 2019)。因此，此处可能有雨滴、大雨滴或者融化的小冰雹存在。
|
图 7 2021年7月12日15:54固原X波段雷达(a~d)0.5°, (e~h)2.4°和(i~l)6.0°仰角的(a，e，i)相关系数, (b，f，j)差分传播相移率, (c，g，k)差分反射率因子和(d，h，l)水平反射率因子 注：数字代表主要关注区域的位置编号，黑色圆圈代表其范围。 Fig. 7 (a, e, i) CC, (b, f, j) KDP, (c, g, k) ZDR, (d, h, l) ZH of Guyuan X-Band Radar at (a-d) 0.5°, (e-h) 2.4°, (i-l) 6.0° elevations at 15:54 BT 12 July 2021 |
中层2.4°仰角上，位置4处有明显的半环形CC低值区(图 7e)，同样15:49的4.3°仰角也有半环形CC低值区(图 8d)，其围绕在BWER外围(图 8a，8d)，且主要位于BWER的东北部，环形或半环形CC低值区称作CC环(Kumjian and Ryzhkov, 2008；Snyder et al，2013)。强上升气流将液相粒子、冰相粒子等多种相态粒子带到高空，不同相态粒子的尺寸、形状、介电常数都存在差异，使得CC显著降低，从而形成CC环。CC环在气旋性涡度影响下环绕在上升气流周边，是超级单体中层的重要偏振特征(Kumjian and Ryzhkov, 2008)，因此可用于指示超级单体中层强上升气流位置。位置3、4处ZH最大为53 dBz(图 7h)，距地高度约3.1~3.3 km (与当日08:00的环境0℃层高度大致相当，高于湿球0℃层高度)。位置3处ZH大值区对应的ZDR为0.2~4.0 dB (图 7g)，CC和KDP分别为0.7~0.9(图 7e)、-1.0~3.0 °·km-1(图 7f)，说明此处有水膜包裹的大冰雹、小冰雹或雨滴混合。位置4处ZH大值区对应的ZDR、KDP分别为-0.2~1.0 dB(图 7g)、-1.0~0.0 °·km-1(图 7f)，CC主要为0.50~0.93，CC＜0.5的区域出现了缺值(图 7e)，形成CC“空洞”，并且在融化层高度之上的3.4°仰角(图略)、4.3°仰角(图 8c，8f)都观测到高ZH处有CC“空洞”；同时1.5°仰角位置4处对应的CC降至0.55(图略)。CC“空洞”最先出现在15:49的高层，4.3°仰角的CC“空洞”被半环形CC环包裹，且对应着BWER(图 8a，8d)，6.0°仰角的CC“空洞”也对应着高ZH(图 8b，8e)。CC“空洞”的出现意味着有特大冰雹存在(Picca and Ryzhkov, 2012)，且代表了特别强的上升气流(Kumjian and Ryzhkov, 2008)。15:59中层2.4°仰角上CC“空洞”范围进一步扩大(图略)；对应低层0.5°仰角上，CC降至0.6以下，且出现了CC“空洞”(图略)，表明中层特大冰雹数量增多，且已下落至近地面。这种特征有助于识别空中特大冰雹所在区域及高度。
|
图 8 2021年7月12日固原X波段雷达(a~c)水平反射率因子和(d~f)相关系数 注：黑色圆圈代表主要关注区域。 Fig. 8 (a-c) ZH and (d-f) CC of Guyuan X-Band Radar on 12 July 2021 |
高层6.0°仰角上，位置5处有CC环(图 7i)，对应的ZH最大为49 dBz(图 7l)，距地高度7.8 km左右。ZH高值区对应的ZDR、KDP均接近于零值，且存在负值，最低值分别为-0.5 dB(图 7k)、-2.0 °·km-1(图 7j)，CC低至0.5(图 7i)，KDP最低值对应CC低值，表明有大冰雹和特大冰雹存在。
强上升气流有利于冰雹的产生，长时间停留在具有过冷云(雨)滴的冻云中是冰雹尺寸增长的主要方式(许焕斌，2012)。ZDR柱指正值的ZDR延伸到融化层高度以上的区域，是表征上升气流的典型双偏振特征(Ryzhkov et al，1994)。ZDR柱高度与上升气流存在正相关，可判别风暴强度(Ryzhkov et al，1994；Kumjian et al，2014)。如图 9所示，15:49，45 dBz以上强回波发展高度达到8 km，且具有明显的BWER和回波悬垂结构；ZDR柱位于BWER附近，与BWER不完全重合，ZDR柱伸展高度为7.2 km，即伸展至-10℃层以上。研究表明，-10~ -20℃是有利于冰雹湿增长的关键区域(Dennis and Musil, 1973)，结合ZDR柱高度，说明此处可能含有大量的大过冷水滴并伴随各种不同大小被雨水包裹的冰雹(Kumjian and Ryzhkov, 2008)，大的过冷水滴冻结成较大直径的雹胚，可促成短时间内形成冰雹(刘春文等，2021)。
|
图 9 2021年7月12日15:49沿固原X波段雷达BWER的(a)水平反射率因子和(b)差分反射率因子垂直剖面 Fig. 9 Cross-section of (a) ZH and (b) ZDR along BWER of Guyuan X-Band Radar at 15:49 BT 12 July 2021 |
本文利用ERA5再分析、雷达、卫星等多源资料，对2021年7月12日宁夏六盘山区突发局地特大冰雹天气的成因及雷达观测特征进行了详细分析，得到以下主要结论：
(1) 此次冰雹发生在华北冷涡背景下，中层的冷平流叠加在低层暖舌上，低层环境温度直减率达到干绝热递减率，大气层结不稳定性强，低层较厚的逆温层积蓄不稳定能量，进一步加强层结不稳定性，适宜的0℃和－20℃层高度为冰雹的产生提供了有利环境条件。六盘山区地面中尺度辐合线、中尺度气旋和局地环流一方面触发了γ-MCS，并使其发展合并成β-MCS，产生特大冰雹; 另一方面也对MCS移动方向有一定指示作用。
(2) TBB越低冰雹尺寸越大，TBB≤227 K、TBB≤222 K时，分别出现大冰雹和特大冰雹；大冰雹出现在云团上风方冷“V”型处。
(3) C波段雷达观测显示，多单体风暴合并发展形成的超级单体导致此次特大冰雹出现，强反射率因子、明显的TBSS和VIL异常大值可作为大冰雹预警的重要依据。大冰雹出现时，Z≥65 dBz、TBSS长度≥20 km、VIL≥40 kg·m-2；特大冰雹出现时，Z≥70 dBz、TBSS长度≥30 km、VIL≥50 kg·m-2。
(4) X波段雷达观测显示，大冰雹出现时，低层ZH高值区的CC＜0.8；中高层ZH高值区的ZDR、KDP为负值，且CC＜0.8；特大冰雹出现时，低层ZH高值区的CC＜0.6，CC＜0.5的区域形成的“空洞”有助于识别空中特大冰雹所在区域及高度。ZDR柱位于BWER附近，CC环位于BWER的东北部，ZDR柱和CC环可用于指示超级单体中高层强上升气流的位置。ZH和双偏振参量特征对不同尺寸冰雹的识别和预警具有很好的指示意义。
需要指出的是，本文仅为一次特大冰雹过程的雷达观测特征分析，未来仍需通过更多的类似个例开展研究，例如针对不同冰雹尺寸进行C波段雷达和X波段双偏振雷达特征的定量分析，为两种雷达在冰雹临近监测预警业务应用提供参考。
陈圣劼, 刘梅, 杨梦兮, 等, 2022. 江苏"4·30"强风雹成因及双偏振雷达特征分析[J]. 气象科学, 42(5): 638-649. |
Chen S J, Liu M, Yang M X, et al, 2022. Analysis on causes of '4.30' severe gales and hails event and associated characteristics of dual-polarization radar echoes over Jiangsu[J]. J Meteor Sci, 42(5): 638-649.
|
刁秀广, 郭飞燕, 2021. 2019年8月16日诸城超级单体风暴双偏振参量结构特征分析[J]. 气象学报, 79(2): 181-195. |
Diao X G, Guo F Y, 2021. Analysis of polarimetric signatures in the supercell thunderstorm occurred in Zhucheng on 16 August 2019[J]. Acta Meteor Sin, 79(2): 181-195.
|
刁秀广, 李芳, 万夫敬, 2022. 两次强冰雹超级单体风暴双偏振特征对比[J]. 应用气象学报, 33(4): 414-428. |
Diao X G, Li F, Wan F J, 2022. Comparative analysis on dual polarization features of two severe hail supercells[J]. J Appl Meteor Sci, 33(4): 414-428.
|
刁秀广, 杨传凤, 张骞, 等, 2021. 二次长寿命超级单体风暴参数与ZDR柱演变特征分析[J]. 高原气象, 40(3): 580-589. |
Diao X G, Yang C F, Zhang Q, et al, 2021. Analysis on the evolution characteristics of storm parameters and ZDR column for two long life supercells[J]. Plateau Meteor, 40(3): 580-589.
|
刁秀广, 朱君鉴, 黄秀韶, 等, 2008. VIL和VIL密度在冰雹云判据中的应用[J]. 高原气象, 27(5): 1131-1139. |
Diao X G, Zhu J J, Huang X S, et al, 2008. Application of VIL and VIL density in warning criteria for hailstorm[J]. Plateau Meteor, 27(5): 1131-1139.
|
高丽, 潘佳文, 蒋璐璐, 等, 2021. 一次长生命史超级单体降雹演化机制及双偏振雷达回波分析[J]. 气象, 47(2): 170-182. DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.2021.02.004 |
Gao L, Pan J W, Jiang L L, et al, 2021. Analysis of evolution mechanism and characteristics of dual polarization radar echo of a hail caused by long-life supercell[J]. Meteor Mon, 47(2): 170-182.
|
郭巍, 崔林丽, 顾问, 等, 2018. 基于葵花8卫星的上海市夏季对流初生预报研究[J]. 气象, 44(9): 1229-1236. DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.2018.09.011 |
Guo W, Cui L L, Gu W, et al, 2018. Summer convective initiation forecasting in Shanghai based on Himawari-8 satellite[J]. Meteor Mon, 44(9): 1229-1236.
|
黄晓龙, 高丽, 2016. 2014年3·19台州冰雹过程中尺度分析[J]. 气象, 42(6): 696-708. DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.2016.06.005 |
Huang X L, Gao L, 2016. Mesoanalysis of a hail process in Taizhou on 19 March 2014[J]. Meteor Mon, 42(6): 696-708.
|
刘春文, 郭学良, 段玮, 等, 2021. 云南一次典型降雹过程的冰雹微物理形成机理数值模拟研究[J]. 大气科学, 45(5): 965-980. |
Liu C W, Guo X L, Duan W, et al, 2021. Numerical simulation on the microphysical formation mechanism of a typical hailstorm process in Yunnan, Southwestern China[J]. Chin J Atmos Sci, 45(5): 965-980.
|
刘一玮, 寿绍文, 解以扬, 等, 2011. 热力不均匀场对一次冰雹天气影响的诊断分析[J]. 高原气象, 30(1): 226-234. |
Liu Y W, Shou S W, Xie Y Y, et al, 2011. Diagnostic analysis of the effect of thermal inhomogeneous field on the hail[J]. Plateau Meteor, 30(1): 226-234.
|
吕晓娜, 2017. 河南一次强对流天气潜势、触发与演变分析[J]. 高原气象, 36(1): 195-206. |
Lü X N, 2017. Potential trend, trigger and evolution analysis of a thunderstorm case in Henan[J]. Plateau Meteor, 36(1): 195-206.
|
潘佳文, 魏鸣, 郭丽君, 等, 2020. 闽南地区大冰雹超级单体演变的双偏振特征分析[J]. 气象, 46(12): 1608-1620. DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.2020.12.008 |
Pan J W, Wei M, Guo L J, et al, 2020. Dual-polarization radar characteristic analysis of the evolution of heavy hail supercell in southern Fujian[J]. Meteor Mon, 46(12): 1608-1620. DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.2020.12.008
|
孙继松, 2023. 与直线型对流大风相关的强风暴形态结构和热动力学过程[J]. 气象, 49(1): 1-11. DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.2022.111802 |
Sun J S, 2023. The Pattern structure and thermodynamic and dynamic processes of severe storms associated with linear convective gales[J]. Meteor Mon, 49(1): 1-11.
|
孙继松, 戴建华, 何立富, 等, 2014. 强对流天气预报的基本原理与技术方法——中国强对流天气预报手册[M]. 北京: 气象出版社.
|
Sun J S, Dai J H, He L F, et al, 2014. Basic Principles and Technical Methods of Severe Convective Weather Forecast—Severe Convective Weather Forecast Manual of China[M].
Beijing: China Meteorological Press.
|
孙继松, 石增云, 王令, 2006. 地形对夏季冰雹事件时空分布的影响研究[J]. 气候与环境研究, 11(1): 76-84. |
Sun J S, Shi Z Y, Wang L, 2006. A study on topography impacting on distribution of hail events[J]. Climatic Environ Res, 11(1): 76-84.
|
汤兴芝, 黄治勇, 张荣, 等, 2023. 2010—2020年全国冰雹灾害事件时空分布特征[J]. 暴雨灾害, 42(2): 223-231. |
Tang X Z, Huang Z Y, Zhang R, et al, 2023. Temporal and spatial distribution characteristics of hail disaster events in China from 2010 to 2020[J]. Torr Rain Dis, 42(2): 223-231.
|
王珏, 沈新勇, 寿绍文, 等, 2008. 06·6福建大暴雨的数值模拟及复杂地形影响试验[J]. 南京气象学院学报, 31(4): 546-554. |
Wang J, Shen X Y, Shou S W, et al, 2008. Numerical simulation and analysis of influence of complex topography on a Fujian rainstorm[J]. J Nanjing Inst Meteor, 31(4): 546-554.
|
尉英华, 陈宏, 张楠, 等, 2018. 冷涡影响下一次冰雹强对流天气中尺度特征及形成机制[J]. 干旱气象, 36(1): 27-33. |
Wei Y H, Chen H, Zhang N, et al, 2018. Analysis on meso-scale characteristics and cause of a severe convective hailstorm weather under cold vortex background[J]. J Arid Meteor, 36(1): 27-33.
|
许焕斌, 2012. 强对流云物理及其应用[M]. 北京: 气象出版社.
|
Xu H B, 2012. The Physics of Severe Convective Storms and Its Application[M].
Beijing: China Meteorological Press.
|
杨军, 张磊, 李宝东, 等, 2017. 太行山东麓一次强对流降雹过程中的地形强迫[J]. 大气科学学报, 40(2): 253-262. |
Yang J, Zhang L, Li B D, et al, 2017. The orographic impact of a severe convection over the Taihang Mountains[J]. Trans Atmos Sci, 40(2): 253-262.
|
杨侃, 桑建人, 李艳春, 等, 2012. 宁夏50 a冰雹气候特征[J]. 干旱气象, 30(4): 609-614. |
Yang K, Sang J R, Li Y C, et al, 2012. Analysis of climatic and extreme features of hail in Ningxia in recent 50 years[J]. J Arid Meteor, 30(4): 609-614.
|
俞小鼎, 姚秀萍, 熊廷南, 等, 2006. 多普勒天气雷达原理与业务应用[M]. 北京: 气象出版社.
|
Yu X D, Yao X P, Xiong T N, et al, 2006. Principle and Operational Application of Doppler Weather Radar[M].
Beijing: China Meteorological Press.
|
张杰, 张强, 康凤琴, 等, 2004. 西北地区东部冰雹云的卫星光谱特征和遥感监测模型[J]. 高原气象, 23(6): 743-748. |
Zhang J, Zhang Q, Kang F Q, et al, 2004. Satellite spectrum character of hail cloud and pattern of remote sensing monitor in east of Northwest China[J]. Plateau Meteor, 23(6): 743-748.
|
张培昌, 魏鸣, 黄兴友, 等, 2018. 双线偏振多普勒天气雷达探测原理与应用[M]. 北京: 气象出版社.
|
Zhang P C, Wei M, Huang X Y, et al, 2018. Principle and Application of Dual-Linear Polarization Doppler Weather Radar[M].
Bejing: China Meteorological Press.
|
张羽, 陈炳洪, 曾琳, 等, 2023. 基于X波段双偏振相控阵雷达的超级单体风暴观测分析[J]. 热带气象学报, 39(2): 218-229. |
Zhang Y, Chen B H, Zeng L, et al, 2023. X-band dual-polarization phased-array radar observations of a supercell[J]. J Trop Meteor, 39(2): 218-229.
|
Balakrishnan N, Zrnic' D S, 1990. Use of polarization to characterize precipitation and discriminate large hail[J]. J Atmos Sci, 47(13): 1525-1540.
|
Dennis A S, Musil D J, 1973. Calculations of hailstone growth and trajectories in a simple cloud model[J]. J Atmos Sci, 30(2): 278-288.
|
Edwards R, Thompson R L, 1998. Nationwide comparisons of hail size with WSR-88D vertically integrated liquid water and derived thermodynamic sounding data[J]. Wea Forecasting, 13(2): 277-285.
|
Kumjian M R, Khain A P, Benmoshe N, et al, 2014. The anatomy and physics of ZDR columns: investigating a polarimetric radar signature with a spectral bin microphysical model[J]. J Appl Meteor Climatol, 53(7): 1820-1843.
|
Kumjian M R, Ryzhkov A V, 2008. Polarimetric signatures in supercell thunderstorms[J]. J Appl Meteor Clim, 47(7): 1940-1961.
|
Miller R C, 1972. Notes on analysis and severe-storm forecasting procedures of the Air Force Global Weather Central[R]. Air Weather Service, Scott Air Force Base, IL.
|
Picca J, Ryzhkov A, 2012. A dual-wavelength polarimetric analysis of the 16 May 2010 Oklahoma city extreme hailstorm[J]. Mon Wea Rev, 140(4): 1385-1403.
|
Ryzhkov A V, Schuur T J, Burgess D W, et al, 2005. The joint polarization experiment: polarimetric rainfall measurements and hydrometeor classification[J]. Bull Amer Meteor Soc, 86(6): 809-824.
|
Ryzhkov A V, Zhuravlyov V B, Rybakova N A, 1994. Preliminary results of X-band polarization radar studies of clouds and precipitation[J]. J Atmos Oceanic Technol, 11(1): 132-139.
|
Ryzhkov A V, Zrnic D S, 2019. Radar Polarimetry for Weather Observations[M].
Cham: Springer.
|
Sachidananda M, Zrnic' D S, 1987. Rain rate estimates from differential polarization measurements[J]. J Atmos Ocean Technol, 4(4): 588-598.
|
Seliga T A, Bringi V N, 1976. Potential use of radar differential reflectivity measurements at orthogonal polarizations for measuring precipitation[J]. J Appl Meteor, 15(1): 69-76.
|
Snyder J C, Bluestein H B, Venkatesh V, et al, 2013. Observations of polarimetric signatures in supercells by an X-band mobile Doppler radar[J]. Mon Wea Rev, 141(1): 3-29.
|
Witt A, Eilts M D, Stumpf G J, et al, 1998. An enhanced hail detection algorithm for the WSR-88D[J]. Wea Forecasting, 13(2): 286-303.
|