基于S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达的超级单体观测分析.pdf

Jun.2023METEORCHNOLOGY2023年6 月419第51卷第3期Vol.51,No.3象技科基于S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达的超级单体观测分析张羽1，2姚聘*杨金红?曾琳1冯嘉宝1（1广州市气象台，广东广州511430；2 中国气象局气象探测中心，北京10 0 0 8 1）摘要禾利用广州S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达资料，对2 0 2 2 年3月2 6 日一次降超级单体风暴成熟阶段的雷达观测特征开展分析，结果表明：超级单体呈现出钩状回波、回波悬垂、中气旋、三体散射等经典结构特征。径向速度上观测到中低层辐合、高层辐散以及中气旋和反气旋共存的双涡旋结构，有助于超级单体的维持发展。偏振特征分析发现，超级单体低层出现了反射率因子（ZDR）弧，低层强回波区对应偏小的差分反射率（ZDR）、低的相关系数（Cc）和大的差分相移率（KDp），符合融化的冰雷特征。中层观测到ZDR环、Cc环和三体散射（TBSS)的偏振特征。高层强回波区对应低的ZDR、较高的Cc和低的KpP，对应空中干的大冰。垂直方向上观测到ZDR柱和KDp柱，ZDR柱最大发展高度达到8 km。X波段相控阵雷达更快的扫描速度还精细监测到超级单体钩状回波和中气旋的形成演变过程，低层也观测到与S波段双偏振雷达类似的ZDR弧特征和融化中的冰特征，但是使用中要留意衰减造成的影响。关键词双偏振雷达；X波段相控阵雷达；超级单体；冰中图分类号：P415.22D0I:10.19517/j.1671-6345.20220396文献标识码：A引言超级单体风暴作为组织化程度最高，发展程度最猛烈的强对流风暴，常引发冰電、大风、短时强降水，甚至龙卷风等极端强对流天气，造成巨大的经济损失1-3。因此，对超级单体的研究是强对流天气监测和预警中的重要课题之一。早期气象学者利用雷达反射率资料开展研究，发现超级单体在强烈上升气流的作用下会出现回波悬垂、钩状回波、有界弱回波区等反射率特征，据此首次定义了超级单体的概念模型4。多普勒天气雷达出现后，可以获取风暴的径向速度特征，观测分析发现超级单体风暴总是与中气旋相伴随，旋转特征是区别于其他风暴最重要的特征，此后将超级单体重新定义为具有持久深厚的中气旋的对流风暴5-7 。近年来，双偏振技术和相控阵技术在天气雷达上得到了应用，雷达探测能力得到显著提升，有助于进一步提高超级单体等强对流风暴的研究8-10 O双偏振雷达通过发射水平和垂直两种极化电磁波，除可以获取降水粒子的反射率因子和径向速度参量外，还可以进一步获取差分反射率因子ZDR、差分相移率KpP、相关系数Cc等偏振参量。这些参量演变与降水粒子的形状、相态、尺寸、空间取向等关系密切，对这些参量特征值进行细致分析与模糊逻辑运算，可以进一步识别降水粒子的相态分布和降水类型11。超级单体的对流十分旺盛，由于风暴内包含多种相态降水粒子，内部云物理过程非常复杂，因此在超级单体的偏振量产品中会观测到一些独特的特征，如在超级单体风暴低层前侧人流区（反射率因子梯度大值区）往往会出现弧状的ZDR大值区，称之为ZDR弧12 ；风暴中层强上升气流区周围在差分反射率和相关系数产品上会出现环状或半环状的ZDR环和Cc环13。当大的差分反射率(ZDR1dB)和差分相移率（Kpp0）发展至环境0 层高度以http:/气象科技广州市科技计划项目（2 0 2 3B04J02332）、广东省气象局科技项目（GRMC2020Z08）、雷达应用及强对流短临预警技术创新团(GRMCTD202002）共同资助作者简介：张羽，男，198 6 年生，高级工程师，主要从事天气雷达探测与应用技术研究，Email：312 40 48 8 0 q q.c o m收稿日期：2 0 2 2 年9月2 0 日；定稿日期：2 0 2 3年4月13日*通信作者，Email:420象第51卷技科上时，会形成ZDR柱和KDp柱。ZDR柱由雨滴、湿的扁球结构或球形结构冰粒混合组成，所在位置与强上升气流区相对应，发展高度与上升气流强度正相关，因此ZDR柱的高度可以作为判别风暴强度的指标之一。0 层高度以上Kpp大值区的出现表明有丰富的液态雨和（或）湿冰存在，形成Kpp柱14-16)。超级单体的上升气流普遍伴随有冰電，由于相对介电常数的差异，冰電的偏振特征明显不同于雨滴。大冰電通常会出现翻滚现象，导致其取向随机，进而使得大冰電的差分反射率趋向于0；融化中的冰，偏振特征上更接近于大雨滴的特征，会表现出较大的ZpR值17-19。当冰核的后侧存在其他降水回波时，三体散射的偏振特征有助于提升高空冰電识别能力2 0 将相控阵技术应用于天气雷达探测可大幅提高探测数据的时间分辨率，使雷达体扫描时间从6 min缩短至1min内，有利于增强龙卷、超级单体等空间尺度小、生消发展迅速的强对流天气系统的监测能力。世界主要发达国家较早开展了相控阵天气雷达的观测与应用研究，先后建成了相控阵雷达观测试验平台和X波段相控阵雷达，观测试验表明，相控阵雷达能够更好地监测快速演变的强对流天气系统2 1-2 。在我国，早期相控阵雷达技术主要用于军事和航天等领域，近年来也开展了相控阵天气雷达技术的相关研发工作2 3-2 5，前期观测分析表明，相控阵雷达高时空分辨率特点有利于龙卷，冰、雷暴大风等小尺度强对流天气系统的精密监测2 6-2 8 12022年3月2 6 日下午，在冷锋触发下珠三角附近出现了一系列强对流风暴，其中一个超级单体风暴自西向东影响佛山、广州地区，引发局地冰電，最大直径约2 cm。本文使用位于广州番禺的S波段双偏振雷达和X波段双偏振相控阵雷达开展超级单体风暴的观测分析。以期增强对超级单体风暴结构和微物理特征的认识，并为S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达在强对流监测业务中的应用提供探索和参考。1资料介绍本文所用的S波段双偏振雷达和X波段双偏振相控阵雷达都位于广州市番禺区，相距约3.8 km，两部雷达除了能获得水平反射率因子（ZH）和径向速度（V.)外，还能获得差分反射率因子（ZDR）、差分相移率（K p p）、零滞后相关系数（Cc）等双偏振观测参量，能反演粒子相态识别产品（HCL）。广州CINRAD/SAD雷达于2 0 16 年3月完成双偏振升级改造并投入业务应用，雷达采用VCP21扫描方式，即6 min完成9个规定仰角的扫描，所有观测参量的空间分辨率都为1X250m。X波段双偏振相控阵雷达的天线系统采用6 4个全固态相参收发T/R组件，在垂直方向采用相控阵扫描方式，水平方向采用机械扫描方式。本次强天气过程观测期间，相控阵雷达体扫周期为1min，扫描仰角范围为0.9 2 7.9，共16 层，探测距离42 km。由于X波段雷达波长短、发射功率低，强降水时信号衰减严重。本文使用的X波段相控阵雷达资料均已经过衰减订正2 9-30 1，Z订正效果如图1所示，订正后回波强度明显增加，与附近的S波段雷达观测回波强度接近，但是对于完全衰减的区域，并不能通过订正得到恢复。dBz40(a)40(b)40(c)753030307065202020605510101050UY/0004540-10-10-103530-20-20-202520-30-30-301510-40-40-405-40-30-20-10010203040-40 30-20-10010 2030 40-40-30-20-10010203040X/kmX/kmX/km图1X波段相控阵雷达订正前（a）、订正后（b)和S波段雷达观测（c)回波强度对比421第3 期张羽等：基于S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达的超级单体观测分析2天气背景2022年3月2 6 日受冷空气和西南季风影响，广州出现强雷雨和短时大风，局地出现冰電。2 6 日08：0 0，广东地区上空2 0 0 hPa呈辐散气流，50 0 hPa中高纬地区西风槽加强东移，引导冷空气南下，高度副热带高压呈带状分布于广东以南海面上并略有西伸，广州位于副高北侧、南支槽前侧的东南气流区域，有利于上升气流发展。8 50 7 0 0 hPa存在较强盛的西南气流，向广州区域输送充足的水汽和能量。低层（92 58 50 hPa）切变线位于广州以北地区，地面冷锋已到达广州北部，冷暖气流交汇进一步促进上升气流发展，同时将低层的水汽和能量向上层输送(图2 a)。距离广州最近的探空站为清远探空站，距离约60km。当天0 8:0 0 的T-1gp图显示，2 6 日早晨广州北部7 0 0 hPa以下水汽充足，高空水汽逐渐减少，呈有利于强对流发展的上干下湿“喇叭形”层结分布，低层有一定的能量抑制，云团突破抑制能量后更容易发展（图2 b）。有效位能CAPE为443.2 J/kg，但抬升指数LI为一2.0 2,K指数36，6 km以下相对螺旋度SRH为2 8.1ms-,综合判断垂直风切变和能量条件均有利于雷暴大风、冰電等强对流天气的发生发展。hPa200(b)温度对数压力圈40N(a)附站请远/592 8 02502年0 3月2 6 日0 8 时30040030500600700图例：3RmCAPE=443.220500hPa槽线700hPa大风轴850K=36850hPa大风轴925S=-2.31925hPa切变线1000-Ca100110120130E-80-70-60-50-4030-20-10010203040图22022年3月2 6 日0 8:0 0 天气形势配置（a）和清远探空T-Inp图（b）3超级单体演变概况2022年3月2 6 日下午，广州S波段双偏振雷达观测到肇庆一带有对流单体生成并快速向广州方向移动，同时风暴快速发展，强度不断增加，移动速度达到50 km/h。14：36 风暴进入佛山区域，最大回波强度达到7 5dBz，6.0 仰角观测到三体散射和旁瓣回波（图3b），表明此时风暴内部已经有大冰形成31，4.3仰角的径向速度图上（图3d)出现了中气旋，中气旋所在位置距离雷达站50 km，直径约7.5km，厚度约5.5km。由于该超级单体风暴向着雷达移动的分量很大，中气旋严重不对称，正速度区的最大速度约为5m/s，最大负速度则出现了明显的速度模糊，退模糊后最大负速度约为35m/s，平均旋转速度达到2 0 m/s。中气旋的出现标志着超级单体的形成，同时有助于风暴的进一步发展。14：54，风暴强度进一步增强，出现明显的入流缺口和弱回波区，最大反射率达到7 9.5dBz。三体散射强度进一步增强到6 0 km（图3d)，表明风暴内部大冰得到进一步发展，风暴也进人成熟阶段，地面降即将开始。图4是风暴的雷达特征演变曲线，从风暴各项参数演变看，14：0 0 15：0 0 是风暴的快速发展阶段，风暴的最大回波强度（DBZM）及其对应高度（D BZM H T）、回波顶高（TOP）、垂直液态含水量(VIL)都在迅速增加。其中DBZM由6 0 dBz增加到7 9.5dBz,DBZMHT最大发展至8.4km，回波顶高由7.2 km发展至14km，V I L由40 kgm激增至7 8 kgm-，表明风暴进人成熟发展阶段，并可能伴有大冰。从15：0 0 后的风暴特征演变曲线看，超级单体的DBZMHT、T O P、V I L都在迅速降低，似乎已经人减弱阶段，但此时风暴的强度并未出422象第51卷技科5050(a)(b)754040706560303055885958538/WY/20201010002015-10-10105-80-60-40-20-80-60-40-20X/kmX/km505032(c)(d)2740402015303010S5./WX/U/120200-11010-5-1000-15-20-10-10-27-32-80-60-40-20-80-60-40-20X/kmX/km图32022年3月2 6 日广州雷达14:0 6、14：36、14:546.0 仰角的反射率因子（a、b、c）和14:36 4.3仰角的径向速度（d）最大反射率高度100回波顶高14最大反射率9012一垂直液态含水量807010/6085064043020210000:9100:91图42022年3月2 6 日14:0 0 16：0 0 广州雷达监测的风暴特征参数的时间演变现明显变化，最大反射率一直维持在7 0 dBz左右，分析发现这主要是由于15：0 0 后风暴距离雷达越来越近，由于雷达近距离静锥盲区限制，探测到最大回波高度越来越低造成。4S波段双偏振雷达观测特征分析4.1超级单体低层特征2022年3月2 6 日15：12 超级单体进入成熟阶段，由于广州S波段雷达在西北方向低层仰角存在明显的建筑物遮挡，因此利用2.4仰角资料分析低层特征，此时风暴距离雷达站约2 6 km，对应高度约1.2km，如图5所示。Z图上风暴单体呈现出典型的超级单体结构特征，核心区的反射率因子达到6 8 dBz，并出现了低层人流槽口和钩状回波（图5a）。与钩状回波和入流槽口位置相对应的径向速度图上存在中气旋（图5b），中气旋直径约6 km，平均旋转速度423张羽等：基于S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达的超级单体观测分析第3 期约13m/s。超级单体的强回波中心（白色圆）对应正的ZpR（0.52 d B)（图5c)、低的Cc（0.8 0.95)（图5d)和大的Kpp（13/k m）（图5e）。正的ZpR表明强回波区域内存在扁平状的较大雨滴，较低Cc的表明区域内存在多种相态粒子，可能伴有冰；较大的KDp表明区域内雨滴数密度大，有大量的雨滴在此汇集，对应风暴的最强降水区域。粒子相态识别产品（图5f)也识别出强回波所在区域存在冰電和降水的混合物。这些特征都表明此时超级单体低层存在正在融化的冰電，与地面实际观测到的小冰電对应。ZDR图上还观测到一条细长而浅薄的弧状大值区，对应Z的梯度大值区，即ZDR弧（图5c），这是超级单体低层最显著的偏振特征。该ZpR弧长约10 km，宽约2.5km，厚度约2.2 km，中心值超过4dB。ZDR弧对应的回波强度并不是很强，主要是由少量的大雨滴构成，其形成机制与与13km高度的垂直风切变有关。数值模拟试验结果表明，超级单体低层的垂直风切变会导致不同直径粒子的下降轨迹各不相同32 。小粒子下落末速度小，受环境风作用时间更长，被平流输送的距离比大粒子远，大粒子则反之，主要集中在距离下层气流更近的区域，因此造成不同直径粒子的分布排序，形成ZDR弧。ZDR弧的出现是超级单体低层垂直风切变增强的参考指标，对判断超级单体的发展趋势也有参考意义。353535586858595838505（a）（b)30303015252525(-s.u)/率回2105/20205205UX/15150WX/A151.O0.881010100.50.255中气旋50.0-1.0000-2.0-3.0-5-532-5-4.0-40-30-20-10-40-30-20-10-40-30-20-10X/kmX/kmX/km351.013530.00350.99e20.00(f)300.983030未知0.97霞250.962540250.9570冰晶200.942022888200.92WY/X湿雪150.9015150.85干雪100.8010:100.700:15大雨滴5CC谷0.6050:105冰0.50-0.1000.3000.200大雨0.100.40-50.00-50.80-5小雨-40-30-20-10-40-30-20-10-40-30-20-10X/kmX/kmX/km图52022年3月2 6 日15：12 广州雷达2.4仰角的反射率因子（a）、径向速度（b）、差分反射率（c）、相关系数(d）、差分相移率（e）、粒子相态（f)4.2风暴中层特征超级单体风暴在中层的观测特征如图6 所示，此时风暴所在高度约为4.5km，正好位于融化层附近（探空曲线显示当日0 高度约为4.3km）。最大回波强度达到7 5.5dBz，强回波中心对应ZDR值较小，约为一1一0.5dB,符合大冰的典型偏振特征。大冰電的形状、尺寸各异，在上升气流作用下在空中存在翻滚的现象，类似于各向同性的球形，所以对应的差分反射率接近于0，这种特征有利于识别空中大冰電所在区域。粒子相态识别产品也表明强回波中心区域有冰電区存在（图6 f)。强回波中心对应的Kpp约为1/km2.5/k m，表明风暴内部的强上升气流将大量液态水粒子带入到风暴中层以上高度，由于低层上升气流代表着正的温度扰动，因此并不会马上冻结，依然保持为液相，这可以为冰電的生长提供大量的水汽来源，当附着在冰電上后有利于冰電经历湿增长后进一步发展。区域内冰粒子和液态粒子等多种粒子的存在导致Cc出现小于0.85的低值区。另外超级单体在ZH、ZD R、Cc 参数上都出现了明显的三体散射特征，S波段雷达观测424象科第51卷技的三体散射是识别大冰的充分非必要条件，是冰電预警的重要参考指标。三体散射的根部对应ZDR产品上的极大值区，超过5dB。这是由于冰的散射波被地面反射后，水平偏振和垂直偏振的波的反射差异导致。由于三体散射属于非气象回波，因此出现三体散射区域的Cc值都比较小，基本都位于0.4以下。径向速度图上识别出中气旋和中反气旋共存的涡偶结构，正负速度差分别为40.5m/s和34m/s。这种环流结构使得风暴内部环流场不易受环境风影响，有利于长时间维持发展33-341。在中气旋所在位置还出现了环形的ZDR大值区和环形的Cc低值区，称作ZpR环和C环。其形成与气旋性涡度有关，超级单体中层的上升气流具有正的温度扰动，冰相粒子随着上升气流升的过程中会在气流边缘落下，并部分或完全融化，引起周围粒子含水量增加。同时此处还存在强上升气流带来的大雨滴，对应区域内液态含水量的增多后介电常数也将明显增大。ZDR参量对介电常数的取值十分敏感，最终导致上升气流附近ZDR明显增加，形成环形或者半环形的ZDR大值带。同时环形带内存在多种相态粒子，粒子的尺寸、形状、介电常数都存在差异，又会使得 Cc显著降低,形成C环。ZpR环和 Cc环可以用于指示超级单体中层上升气流的位置。404032405.526858595838505a2735三体散射352015353:3：55303030(LS.m)/创1025/25255252.1.反气旋5WY/W/2020201.00.881515150.50.21010100.0ZR环-1.055中气旋5-2.027-3.00503204.0-40-30-20-100-40-30-20-100-40-30-20-100X/kmX/kmX/km40014030.00400.9920.00350.98357.0035未知三体散射0.973.10一300.96302.4030霰0.951.70冰晶250.94251.10250.92y/0.75湿雪200.90200.50200.850.33干雪150.80150.22150.700.15大雨滴100.60100.1010CC环0.50-0.10冰50.305-0.205大雨0.10-0.4000.0000.800小雨-40-30-20-100-40-30-20-100-40-30-20-100X/kmX/kmx/km图62022年3月2 6 日15：12 广州雷达9.9仰角的反射率因子（a）、径向速度（b）、差分反射率（c）、相关系数（d)、差分相移率（e）、粒子相态（f)4.3风暴高层特征超级单体风暴在高层的观测特征如图7 所示，此时风暴所在高度为7.8 km，Z最大值高达6 8 dBz。与中层类似，径向速度图上中气旋和中反气旋依然共存，正负速度差分别为43m/s和34m/s。双涡旋结构从中层延伸至高层，发展非常深厚，说明风暴内部上升气流非常强烈。风暴的Z中心对应的ZDR也很低，接近于O，但是高ZH中心对应的KDp比中层明显降低。由于Kpp主要对降水敏感，冰的介电常数明显小于水，再加上大冰電的翻滚效应导致其对Kpp十分不敏感，因此呈现出很低的Kpp，说明高层区域几乎没有液态水粒子。冰電区对应的相关系数降低不明显，平均值在0.95以上，也说明风暴高层的核心区主要由干電、干雪等粒子构成，导致相关系数降低并不明显。粒子相态识别表明（图7 f)风暴强中心为冰電区，冰電区周边则分布有大量的霰粒子，霰粒子容易被气旋式环流卷人上升气流区，为冰電的形成提供電胚。另外，在ZDR和Cc图上也观测到了ZDR骤升、Cc骤降的三体散射特征，ZH图上由于强回波后侧的弱回波影响，并未显示出明显425第3 期张羽等：基于S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达的超级单体观测分析404032405.0526858595838505(a)(b)27(c)4.0353520353.5153.03030302.5(t-S.u),10/2.02525反气旋525201.5UX/X201201.000.81515150.50.21010100.0中气旋-1.0555-2.027-3.0050-3204.0-40-30-20-100-40-30-20-100-40-30-20-100X/kmX/kmX/km401.014030.0040(d)0.99(e)20.00(f)350.983500未知(（)/率3520.9710300.96304030霞0.9570冰晶250.9425250.92X/湿雪200.9020200.853干雪150.801522150.7015大雨滴100.60100:10100.50-0.10冰50.3050.2205大雨0.10-0.4000.0000.800小雨-40-30-20-100-40-30-20-100-40-30-20-100X/kmX/kmX/km图72022年3月2 6 日15：12 广州雷达19.5仰角的反射率因子（a）、径向速度（b）、差分反射率（c）、相关系数(d)、差分相移率(e)、粒子相态(f)的三体散射，因此，通过偏振特征有利于提升高空冰電的识别能力，尤其当冰電核的后侧存在其他降水回波时。4.4垂直结构特征图8 是穿过超级单体风暴核心区的垂直结构剖面图（图7 a黑色直线位置），Z剖面图上可见回波墙-弱回波区-悬垂回波的典型结构，强回波中心高达7 km。径向速度图上出现中低层辐合、高层辐散的垂直结构，最大辐合速度差为2 4m/s，最大辐散速度差为35m/s。高空辐散强度大于低层辐合强度，这种抽吸作用有利于强对流发展。差分反射率剖面图上，大于1dB的Zpr伸展高度达到8 km，形成ZDR柱，ZpR柱是强对流风暴最显著的偏振特征之一。ZDR柱位与Z的弱回波区的位置对应，向上发展至强回波中心所在区域。Zp柱的发展高度与上升气流强度正相关，当上升气流强烈发展，大量的液态水被托举到0 层高度以上后并不会马上冻结，导致零度层以上形成正的ZDR分布。另外，ZDR柱内存在少量直径 2 mm的雨滴及少许包有水膜的冰，多种混合相态粒子的存在会导致对应区域的Cc降低（图8 e）。当上升气流加强时，垂直方向的ZpR值同样会加强，因此加强的ZDR柱通常意味着雷暴上升气流的加强，可以用来分析雷暴是否加强发展。此外，大量的水滴被强上升气流托举到0 层高度以上，有助于形成冻结雨滴，而冻滴是電胚的主要来源之一,因此ZDR柱的发展有利于冰雷的形成。Kpp产品剖面图上，也观测到Kpp0的区域伸展到到8km，这一特征称为Kpp柱。KDp柱与ZpR柱位置并不重合，主要位于Z悬垂回波处，说明回波悬垂区域含有大量的液态水滴。在低层，也出现了KDp的大值区，并且与Z强中心对应，这可能是由于高层冰電粒子降落到地面后出现融化形成大量液态水滴，在近地层形成Kpp大值区，称作Kpp足。这也预示地面可能出现短时强降水。同时，KDp足对应区域的Cc较低，ZpR也较小，说明冰電粒子并未完全融化，存在雨滴、冰電以及冰融化后雨包膜的混合相态。5X波段相控阵雷达观测特征相控阵体制扫描雷达与常规机械扫描体制雷达相比最大的优势是其扫描速度更快，更有利于精细监测强对流天气系统快速演变的过程。图9给出了X波段相控阵雷达15:0 1一15：12 每1min体扫间隔的超级单体4.5仰角反射率PPI演变图，可以清426象第51卷技科3220.020.0(b)20.05.052685859583259(a)27(c)17.517.52017.551515.015.0风暴顶辐散1015.0ZDR柱5/512.512.512.51.51.010.010.00.80.57.57.57.50.20.05.05.0155.0-1.0202.52.52.5-2.027-3.00.050.0320.04.0051015200510152005101520X/kmX/kmX/km30.001.0120.0(d)20.0020.0(e)0.997.0017.50.983.1017.50.972.400.9615.015.01.700.95Kp柱1.1012.512.50.940.750.920.500.9010.00.3310.00.857.5Kp足0.227.50.800.150.705.00.105.00.60-0.100.502.5-0.202.50.30-0.400.100.00.800.00.000510152005101520X/kmX/km图82022年3月2 6 日15：12 通过风暴中心2 99方位角的反射率因子（a）、径向速度（b）、差分反射率（c）、差分相移率（d）、相关系数（e）垂直剖面40404040(a)(b)(c)(d)3535353530303030252525252020202015151515101010105555dBz-40-30-20-10-40-30-20-10-40-30-20-10-40-30-20-10754040404070(e)(f)(g)(h)65353535356030303030555025252525452020204035151515153010101010252055551510-40-30-20-10-40-30-20-10-40-30-20-10-40-30-20-10540404040(i)(j)(k)(1)35353535303030302525252520202015151515101010105555-40-30-20-10-40-30-20-10-40-30-20-10-40-30-20-10X/kmX/kmx/kmX/km图92022年3月2 6 日15:0 1一15：12 每1min体扫间隔X波段相控阵雷达4.5仰角反射率因子演变427张羽等：基于S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达的超级单体观测分析第3 期晰地观测到在超级单体风暴加强阶段，风暴右后侧有回波逐渐伸展、拉伸、弯曲，最终形成钩状回波的完整过程。钩状回波是识别超级单体风暴和龙卷的重要特征之一，在短临监测预警中具有重要意义。S波段双偏振雷达由于体扫时间为6 min，加上近距离处的地物遮挡影响，难以观测到钩状回波的完整结构和形成过程。随着超级单体的加强，X波段相控阵雷达受衰减明显，在超级单体强回波区的后侧出现了明显的V形衰减缺口，这也是X波段雷达识别冰電云的重要指标。另外，由于相控阵雷达采用固态体制，发射功率较低，灵敏度远不如S波段雷达，难以观测到10 dBz以下的弱回波，导致观测到的风暴面积小于S波段双偏振雷达35图10 是15:0 115：12 的4.5仰角径向速度演变图，可以看到超级单体内中气旋逐渐向低层发展。低层先出现气旋式辐合，辐合逐步加强后进一步形成中气旋，中气旋向低层发展与钩状回波的出现相对应，预示着地面即将出现雷暴大风。从中气旋结构和强度看，X波段相控阵雷达由于距离S波段雷达较近，低层仰角观测到的中气旋特征与S波段雷达类似，中气旋也呈现不对称特征，最大正速度为8m/s最大负速度为一19m/s，直径约6.5km。40404040(a)(b)(c)(d)3535353530303030252525252020202015151515101010105555m/s-40-30-20-10-40-30-20-10-40-30-20-10-40-30-20-10324040404027(e)(f)(g)(h)3535353520153030303010252552525wX/A1202020200151515-115-510101010-105555-1520-40-30-20-10-40-30-20-10-40-30-20-10-40-30-20-10-274040404032(i)(j)(k)(1)353535353030303025252525wX/2020202015151515101010105555-40-30-20-10-40-30-20-10-40-30-20-10-40-30-20-10X/kmX/kmX/kmX/km图102022年3月2 6 日15:0 1一15：12 每1min体扫间隔X波段相控阵雷达4.5仰角径向速度演变另外，该X波段相控阵雷达也具有双偏振探测能力，也可以获取超级单体的双偏振观测特征。图11是15:12 分4.5仰角观测的ZH、Z D R、K D P、Cc图。ZDR图上可以清晰地看到超级单体前侧的ZDR弧，最大值超过4.0 dB,ZDR弧特征与S波段雷达观测基本一致，但是由于相控阵雷达扫描速度快，可以获取到更精细的ZDR弧形成演变过程。需要注意的是，风暴后侧V形缺口附近出现了明显的ZDR负值区域，最低至一2.0 dB以下，这主要是由于强回波对ZDR参数的衰减造成。Kpp图上观测到KDp大值区位于超级单体的中后侧，表明有大量降水粒子在此汇集，这也是超级单体降水最强的区域。X波段428象第51卷技科相控阵雷达观测到的Kpp最大值超过8/km，远大于S波段观测的Kpp值，这主要是降水粒子对不同波段雷达的散射差异造成，波长越短，Kpp值对降水的敏感性越高34。在超级单体的Cc图上，还出现了Cc小于0.9的低值区域，表明低层存在混合相态粒子，可能是高层冰電在降落过程中出现了部分融化造成，这与S波段雷达观测基本一致。dB40dBz405.0(a)75(b)4.03570353.5653.03060302.5552.025V形缺口50251.545负值区1.040M200.8350.51530150.2250.0102010-1.015-2.05105ZR弧-3.054.0-40-30-20-10-40-30-20-10X/kmX/km()/km401.014030.00(c)0.99(d)20.00350.98357.000.973.10300.96302.400.951.70250.94251.100.920.75CC低值区0.9020200.500.850.330.800.22150.70150.150.600.10100.5010-0.100.30-0.205+0.105-0.400.000.80-40-30-20-10-40-30-20-10X/kmX/km图112022年3月2 6 日15：12 X波段相控阵雷达4.5仰角的反射率因子（a）、差分反射率（b）、相关系数（c)和差分相移率（d）6结论利用S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达，对2 0 2 2 年3月2 6 日发生在广州地区的一次超级单体风暴成熟阶段的精细特征开展分析，得到以下结论：（1)此次强对流天气发生在华南地区不稳定能量充足、高空槽加强东移引导冷空气南下，造成上下层强烈不稳定的大尺度环流背景下。由于冷暖空气交汇，低层到高层均有切变线并逐渐南压，导致上干下湿层结明显、垂直风切变大，为此次冰電过程的发生发展提供了不稳定层结条件。（2)超级单体发展阶段反射率强度、回波顶高、垂直液态含水量都迅速增加，成熟阶段出现钩状回波、回波悬垂、中气旋等超级单体的经典特征。径向速度中层和高层都观测到双涡旋结构，垂直方向观测到中低层辐合，高层辐散，有利于超级单体的维持发展。（3超级单体低层观测到ZDR弧，是低层风垂直切变增强的指标。中层融化层附近观测到强上升气流附近的ZpR环和Cc环。三体散射区域观测到极大的ZpR和极低的Cc，当三体散射回波被风暴后侧的弱回波覆盖时，通过双偏振特征有利于识别被覆盖的三体散射。（4)大冰電呈现高ZH、低ZpR、低KDp和低Cc的特征，融化中的冰電呈现高ZH、正的ZDR、高的KDp和低的Cc特征。通过双偏振特征有利于区分大冰電和融化中的冰電。（5）超级单体垂直方向上观测到ZDR柱和KDP柱。ZDR柱的形成与强上升气流密切相关，上升气429第3 期张羽等：基于S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达的超级单体观测分析流越强，ZDR柱的发展高度越高，本次过程ZDR柱最大高度达到8 km，超过一2 0 层所在高度。（6)X波段相控阵雷达具有更快的扫描速度，更高的空间分辨率，精细地监测到超级单体低层钩状回波和中气旋的发展演变过程。通过双偏振特征，也可以识别出风暴低层的ZDR弧和融化中的冰電特征，但是容易受强回波衰减影响，导致在风暴核心区后侧出现V形缺口和ZDR负值区。参考文献1郑媛媛，俞小鼎，方独，等.一次典型超级单体风暴的多普勒天气雷达观测分析J.气象学报，2 0 0 4，6 2（3）：317-32 8.2俞小鼎，郑媛媛，廖玉芳，等。一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体风暴研究J.大气科学，2 0 0 8，32（3）：50 8-52 2.3高帆，褚颖佳，胡鹏，等.一次长生命史超级单体风暴的雷达观测特征和维持机制J.气象科技，2 0 18，4 6（2）：336-34 2.4 Browning K A,Ludlam F H,Macklin W C.The density 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