第47卷第2期气象Vol.47No.2 2021年2月METEOROLOGICAL MONTHLY February2021
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):170182.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(in Chinese). 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*
高丽1潘佳文2蒋璐璐3翁之梅1
1福建省台州市气象局，台州318000
2厦门市气象局，海峡气象开放实验室，厦门361012
3宁波市气象局，宁波315000
提要：2019年3月21日一次长生命史超级单体导致浙江省中部多个县(市)降雹，为了研究超级单体得以
长时间维持的环境背景及其云物理特征，利用常规资料以及宁波S波段双偏振雷达数据，结合粒子相态识别算法，对此次过程的演变进行了分析。结果表明：高空槽前、50hPa切变线附近和地面冷锋为超级单体提供了合适的环流背景；风暴传播区域对流有效位能的增加、风暴承载层的平均风向与风暴移动方向相近、风速大、对流风暴沿地面假相当位温梯度大值区向东传播及沿海强垂直风切变，导致中气旋旋转速度和旋转厚度的增加，这些都是对流风暴长时间维持的原因。通过此次降雹单体风暴结构分析发现：整个生命史对流发展非常旺盛，最大反射率维持在60dBz以上，风暴顶维持在8km以上，风暴质心高度出现的三次明显波动，对应三次降雹过程。垂直累积液态含水量(VIL)跃增量虽不及传统指标，但结合垂直累积液态含水量密度(VILD)、VIL最大值及最大反射率因子大值区，对冰雹业务预报有指示作用。通过降雹单体双偏振特征分析发现：冰雹下落过程中的翻滚现象，导致差分反射率(乙』值接近0dB，水平和垂直偏振波差异导致三体散射特征(TBSS)根部大值区的出现；冰雹降落融化产生的外包水膜现象，使其Z dr值增大，相关系数(CC)值减小；通过偏振参数Z dr和CC特征，有助于识别高空大冰雹；超级单体的有界弱回波区(BWER)附近的Z dr柱不仅可指示上升运动，同时对降雹单体不同的成长阶段具有指示作用。 关键词：超级单体，长生命史，双偏振雷达，粒子相态识别
中图分类号：P412文献标志码：A DOI：10.7519/j.issn.1000-0526.2021.02.004
Analysis of Evolution Mechanism and Characteristics of Dual Polarization Radar Echo of a Hail Caused by Long-Life Supercell
GAO Li1PAN Jiawen2JIANG Lulu3WENG Zhimei1
1Taizhou Meteorological Office of Fujian Province,Taizhou318000
2Laboratory of Straits Meteorology,Xiamen Meteorological Bureau,Xiamen361012
3Ningbo Meteorological Bureau,Ningbo315000
Abstract:On21March2019,a hail process caused by long-lfe superce ll occurred in Zhejiang Province.In order to study the environmental background and microphysical characteristics of superce ll which maintained for a long time,we analyze the evolution of this process by using conventional data,Ningbo S-band dual polarization radar data and hydrometeor classfication algorithm.The results show that the high-level
*国家自然科学基金项目(41675029)、浙江省气象科技计划项目(2019QN23,2019YB12,2019YB18)和福建省气象局基层科技专项(019J06)共同资助
2020年3月5日收稿；2020年10月21日收修定稿
第一作者，高丽，主要从事雷达气象研究和灾害性天气预报.E-man:362579619@qq
通讯作者，潘佳文，主要从事雷达气象研究.E-mail：358465603@qq
第2期高丽等：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171
trough,850hPa shear line and the surface cold front provided suitable background for the superce ll.The increase of effective convective potential energy in the storm propagation area,high speed of storm bearing layer,thesmlartyofthe mean wnddrectonofthestorm bearnglayerand movngdrectonofthe
storm,as we ll as the eastward propagation of the convective storm along the high pseudo-equivalent potential temperature gradient of surface,and the increase of rotation speed and thickness of mesocyclone produced by the enhancement of strong vertical wind shear in the coastal area,a ll these factors are the causes of making the convective storm maintain for a long time.Through the analysis of the structure of the hailstorm,the vigorous convection(the maximum reflectivity above60dBz,the storm top above8km)was foundinthewhoeifecyce，andthreeobviousfuctuationsintheheightofstormcentroidappeared，cor-responding to three hail processes.In this case the vertical integrated liquid water content(VIL)jump increment was lower than the traditional index,but the combination of the vertical integrated llquid water content density(VILD),t
he maximum VIL and the maximum reflectivity factor could sti ll indicate the hailstorm.The analysis of the dual polarization characteristics,suggest that the tumbling of falling hall resulted in the Z dr close to0dB,and the difference between horizontal and vertical polarization waves led to the appearance of large Z dr region at the root of TBSS.The water coated phenomenon made the Z dr value increase and CC value decrease.The polarization parameters Z dr and CC could be used to identify hall in high altitude；Z dr column,near BWER,could not only indicate the ascending motion,but also reveal the different growth stages of hall ce ll.
Key words：supercell,long-life cycle,dual polarization radar,hydrometeor classification
引言
冰雹作为对流风暴成熟阶段的产物，其突发性强、破坏力大，常导致严重的灾害性天气，一直是灾害性天气研究领域的重要课题。在导致冰雹的强对流风暴中，超级单体风暴作为组织程度最咼的风暴，往往造成的雹灾更为严重，也更值得研究。
随着高时空分辨率天气雷达资料的广泛应用，国内外学者对于中尺度超级单体风暴结构以及动力致雹机制的认识不断深入。最早的超级单体风暴被认为是风暴成熟时的准静稳状态(Browning, 1962)，之后大量研究表明其本质特征为一个Y中尺度的涡旋(Donaldson,1970)。Browning and Foote (1976)提出
了Fleming超级单体冰雹增长模型; Zrnic(1987)通过冰雹雷达回波研究发现大冰雹三体散射特征；陈秋萍等(2015)发现中层中气旋对超级单体降雹过程至关重要，同时降雹时最强风切变中心有突降现象；徐芬等(2016)指出超级单体内部涡旋的维持和生成有利于大冰雹的增长；吴海英等(2017)通过长生命史冰雹的分析得出成熟阶段的超级单体风暴具有高度组织化、显著旋转以及风暴顶辐散等特征；刘治国等(2008)、吴芳芳等(2013)通过研究发现垂直累积液态含水量高值与雹云有正相关关系；夏文梅等(2016)发现V型回波对冰雹有一定预警提前量。
这些研究加深了对降雹型超级单体结构的认识，但由于单偏振多普勒天气雷达不易探测粒子相态、形状、空间取向等云物理特征，因此上述研究多集中于风暴结构的研究，对于云物理结构方面的研究相对较少。
Seliga and Bringi(1976)提出了双偏振理论以来，双偏振雷达技术日趋成熟，为探知降水粒子的云物理特征提供了有效手段。相较于常规雷达，双偏振雷达通过水平和垂直两个方向的偏振电磁波，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)，如：由差分反射率因子Z』*推断水凝物尺寸分布(Seliga and Bringi,1976)，由差分相位常数K p估测降雨强度(Sachidananda and Zrnic,1987)，由相关系数(CC)判别混合水凝物相态(Balakrishnan and Zrnic,1990)，以及由水平反射率因子(Z h)和差分反射率(乙”)衍生的冰雹参数(H d)(Aydin et al,1986)。曹俊武等(2005),Park et al(2009)基于模糊逻辑算法提出HCA粒子相态分类算法，可以进一步区分水凝物的相态。国内相关研
究也取得了颇多成果(刘黎平等，1992；孙丝雨
172气象第47卷
等,2013；王洪等,2018；冯晋勤等,2018；潘佳文等, 2020b）。但上述研究仅是针对单次降雹过程，对于长生命史超级单体所导致的多次降雹过程关注较少。
随着我国双偏振天气雷达升级改造计划的推进，将进一步提高冰雹等灾害性天气的监测预警能力。2019年3月21日06—11时（北京时，下同）浙江省中部出现的超级单体造成金华、绍兴、台州、宁波等多个县市降雹，维持近6h，但预报难度高，极具研究价值。本文利用常规观测资料、NECP再分析资料和双偏振雷达资料，对此过程中造成多次降雹的长生命史超级单体的维持机制以及冰雹偏振特征进行研究，以提升超级单体降雹机理的认识，进而探讨如何运用双偏振雷达数据提高长历时超级单体降雹的预警能力。
1资料与方法
所用资料包括：宁波S波段双偏振多普勒雷达（海拔高度458m）每6min一次的探测产品、常规高空探测和地面观测产品、浙江省中尺度站观测数据以及NECP10X1。再分析资料。
为确保双偏振雷达数据的可靠性，本文参考吴罛（2018）所提出的质量控制算法，使用相关系数及信
噪比数据对非气象回波进行了剔除。此外，使用Park et al（2009）基于模糊逻辑算法的HCA粒子相态分类算法，即将雷达回波识别为“小雨、大雨、冰雹、大雨滴、生物、地物、干雪、湿雪、冰晶、霰”共10类水凝物相态。相关研究表明HCA算法可增进对强对流风暴内部微物理结构的了解（潘佳文等, 2020a），同时该算法已在WSR-88D双偏振雷达上进行广泛的业务应用。
2天气过程概述及分析
2.1天气过程概述
2019年3月20日16—20时，受西南暖湿气流影响，安徽南部、江西北部有多条纬向多单体回波生成并发展，并于21日06时进入浙江省境内。在浙江省有利的环流背景下发展成为超级单体风暴，生命史近6h（21日06—12时），造成浙江省多县（市）冰雹天气。截至21日12时，浙江金华、绍兴、台州、宁波4个市9个县（区）受灾（如图1），根据灾情收集上报情况，本次过程以直径小于2cm的小冰雹为主，最大冰雹直径为2cm，达到大冰雹标准。此次过程具有降雹时间长、影响范围广、造成灾害重等特点。那么导致多次降雹的超级单体长时间维持的原因是什么？此次超级单体降雹过程又有哪些双偏振特征？
2.2天气形势分析hca2
21日08时，降雹区位于500hPa冷温槽前，高层200hPa及中低层500、700、850hPa皆有强盛西南气流输送，浙江西部位于高空急流右侧及低空急流出口左前方锋生区，高低空急流耦合有利于对流上升运动发展。同时低层850hPa东北一西南走向切变线横跨浙江中部，地面冷锋南压至浙江西北部，浙江中部（降雹区）位于在高空槽前、850hPa切变线附近和地面冷锋南侧正涡度辐合上升区（图2a）。
从浙江西部代表站衢州站探空曲线上看500 hPa存在明显干冷空气入侵,T—T由12C（20日20时）增加至35C（21日08时，图略），干冷空气叠置于低层强盛的西南急流形成的暖能量舌之上，使得温度垂直递减率增大并形成上干下湿的不稳定层结；同时中低层环境风垂直切变显著增强,20日08时0〜3km垂直风切变达22m•s—1,0〜6km垂直风切变为48m・s—1，强的垂直风切变有利于对流风暴的高度组织化发展和传播。随着地面冷锋南下伴随低层（850hPa）切变线东移导致浙江中部对流天气发生发展。对比21日08时浙江中南部代表
图1浙江探测站点分布、冰雹落区(县)
以及冰雹开始时间
Fig1Distributionofobservationstations
in Zhejiang,hail falling area(county)
and onset time of
hail
第2期高丽等：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
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图2 2019年3月21日08时中尺度分析(a)和洪家站T -og 狆图(b)
Fig. 2 Mesoscale analysis (a ) and T -log 狆 diagram at Hongjia Station (b) at 08 : 00 BT 21 March 2019
站洪家站探空曲线（图2b ）可以发现，低层较高的湿 度下，云底低，温度与露点曲线自下而上呈喇叭口形
状，上干下湿的垂直结构,50 hPa 及以上的西南风
高达60 m ・s -1，高空风的抽吸作用促进对流的发 展，有利于冰雹的发生。同时0C 层和一20C 层高
度分别为4.2和7.1km 。需要注意的是，探空数据 的0C 层高度为干球温度0°C （DBZ ）层，并不能准确
反映冰雹融化层高度。为更准确地指示冰雹融化层 高度，根据俞小鼎（2014）的研究，当对流层中层存在
明显干层时，湿球温度0C （WBZ ）层的高度将明显 低于DBZ ,WBZ 可更准确地指示冰雹融化层高度。 通过计算WBZ 高度为3. 8 km ，明显低于DBZ 高 度，这一现象说明蒸发冷却引起的水膜再冻结会有
利于大冰雹落地。
3长生命史超级单体维持机制
3. 1不稳定层结
对流风暴为何能维持如此长的生命史且在移动 过程中接连产生冰雹？
下面通过讨论对流传播区域（29. 0°〜29. 5°N 、
119.5°〜122°E ）对流稳定度（筋se/狕）随时间的变化
（图3a ），进而分析对流风暴发展和维持的原因。冰
雹发生前20日20时至21日02时，边界层（1000〜
850 hPa ）以及对流层中层（600〜500 hPa ）表现为弱
不稳定层结，而对流层中下部（850〜700 hPa ）虽然 为稳定层结，但不稳定度呈增加趋势，尤其是21日
20 02 08 1420H 21H
-6
时间/BT
20
8 2 0
0 0 2H H '
rm-
蚩
12
20120 121 122°E
图3 2019年3月20日20时至21日20时对流不稳定度随时间变化(a)和20日08时至21日20时29.2°N 700 hPa 温度平流(单位：K ・s —】)随时间变化(b )
Fig. 3 Variation of convective instability during 20 : 00 BT 20 to 20 : 00 BT 21 (a ) and 29. 2°N temperature
advection (unit ： K • s —1) during 08 : 00 BT 20 to 20 : 00 BT 21 (b ) in March
2019
174
气 象
第47卷
08时，对流层中下部（850〜700 hPa ）由条件不稳定 层结转化为不稳定层结，不稳定度快速累积，一定程 度上破坏了对流层中层（700〜600 hPa 及600〜500
hPa ）不稳定度层结趋于稳定的状态（21日02—08
时）。21日08时之后，对流层整体不稳定度增加,
不稳定层结增厚。超级单体风暴移动到不稳定的环 境中，不断地获取能量，从而得以较长时间的维持
和
发展。
与其他层明显不同，在超级单体移入影响前及 影响后，对流层中下部（850〜700 hPa ）稳定度呈现 快速增长原因何在？西南气流东移使得浙江中部对
流层中下层受暖平流影响，从各层的平流变化看（图 略），在风暴移近时段21日02—08时700 hPa 暖平
流有明显增强，同时大于其他层次。从29. 2°N 温 度平流沿经向分布时序（图3b,700 hPa ）可以看出，
21日02—20时浙江中部处于暖平流的控制下，而
降雹区域120°〜121°E 在21日08—20时出现暖平 流中心，这可能与对流发生过程中潜热释放有关。 持续的暖平流输送使得此区域不稳定度持续增长，
120. 5°〜121°E 的700 hPa 暖平流中心的出现也说
明了超级单体在第二次降雹之后仍会继续发展的原
因。
3.2风暴承载层平均风
高晓梅等（2018）发现，风暴承载层平均风向与
风暴移动方向越相近，越有利于风暴的维持，通常用
850、700、500、300 hPa 四个层的平均矢量风来代表
风暴承载层的平均移向。通过计算：21日08时浙 江中南部代表站台州洪家站风暴承载层风速为
26. 4 m • s 1，平均风向为252°；而降雹风暴平均移
动速度为20. 2 m • sT ，相当于风暴承载层平均风
的76. 5%，方向为261°，偏向风暴承载层右侧9°。 风暴承载层风速大同时与降雹风暴移向相近，对风 暴移动起到正反馈作用，导致风暴长时间维持，从而
出现长生命史的降雹风暴。同时较大风速增强了下
沉气流的动量下传作用，有利于风暴组织化的增强。
3.3 地面假相当位温演变
图4为风暴路径与地面假相当位温的演变，由 图可知，21日09—11时浙江省中部一直存在假相
当温度的梯度大值区。在此期间，超级单体风暴位 于高位温舌的顶端，其移动路径与假相当位温等值 线密集带相平行并偏向于冷区一侧。锋面作为不同
性质气团的交界面，其两侧通常存在明显的温度、湿
度、压力对比，假相当位温作为一种综合反映温度、 气压、湿度的物理量，在此次过程中，其梯度大值区 与地面冷锋在空间上存在较好的对应关系。此时的
假相当位温梯度大值区同样具备地面锋面所具有的
较强斜压性。在本次过程中，超级单体沿着假相当
位温梯度大值区移动，该区域附近的强斜压性有利
于水平涡度的形成和维持，从而使得超级单体得以 长时间维持和发展。
3.4深厚的垂直风切变和内部旋转的维持
风暴的发展维持、形态演变与垂直风切变密切 相关，强而深厚的垂直风切有助于对流风暴的有组 织化以及发展加强（张建军等，2016）。王秀明等
（2015）发现：低层较高湿度下，云底低，强风垂直切
变与强的垂直运动有对应关系，从而使风暴咼度组
织化，进而成为长生命史风暴。同时垂直风切变通 过水平涡度向垂直涡度的转换和积累，使风暴内部
涡度结构发生改变，从而使风暴内部环流维持时间 更长、结构更加紧密（俞小鼎等,2006）。
通过风暴加强前浙江省0〜6 km 风切变（图略）
图4 2019年3月21日09时（a ）,10时（b ）,11时（c ）地面假相当位温分析（单位:K ）
Fig. 4 Analysis of the potential pseudo-equivalent temperature （unit ： K ）
at 09：00 BT （a ）, 10：00 BT （b ）, 11：00 BT （c ） March 21
2019
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