基于雙偏振雷達資料的洞庭湖區一次強對流過程的分階段特征分析

唐明暉,陳龍,陳鶴,鄧朝平,吳亞昊

(1.湖南省氣象臺，長沙 410118;2.氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118)

引言

洞庭湖區位于處于長江中游荊江南岸，跨湘鄂兩省，有湘、資、沅、澧四水注入，在長江經濟帶建設中處于明顯的戰略地位。據統計，洞庭湖區是湖南強對流天氣高發區(潘志祥等，2015)。強對流天氣對漁業、航運以及湖泊觀光旅游安全造成很大危害。如2013年3 月22 日，洞庭湖區岳陽因超級單體風暴導致風雹災害，造成死亡1人、倒房356戶1 066間、農作物受災面積13 910 hm2，直接經濟損失達2.2 億元；2018 年5月18日，洞庭湖區湘陰、汨羅、平江等地出現強對流天氣，最大風速達28.7 m·s-1，造成農作物、居民住房、交通、電訊、水利等方面全面受災，直接經濟損失高達1.1億元。因此開展洞庭湖區強對流分析研究，尤其是分類預警，提煉預報技術指標刻不容緩。

國內學者應用新一代天氣雷達產品對該地區強對流天氣做了一定的探討和研究。如蔡榮輝(2017)等針對雷暴大風開展了天氣系統配置的分型研究；楊偉等(2020)通過對多次龍卷過程分析研究指出，高空輻散與邊界層輻合疊加產生的強烈抽吸作用對水龍卷的發生發展十分重要。但以上研究僅局限于單偏振天氣雷達，隨著我國天氣雷達技術不斷發展，將逐步完成雙偏振升級改造，雙偏振天氣雷達與單偏振天氣雷達相比，不僅能獲取到目標物的回波強度，還能測得差分反射率因子(ZDR)柱、差分相移率(KDP)、相關系數(CC)等新的獨立變量，提供更加全面的冰雹狀態信息(劉黎平等，2002，2016；楊祖祥等，2019；楊通曉和岳彩軍，2019；朱義青和胡順起，2021)。雙偏振天氣雷達在冰雹研究應用領域也取得一些進展(馮晉勤等，2018；劉紅亞等，2020；曹舒婭等，2021；高麗等，2021)，潘佳文等(2020)指出大冰雹區表現出低ZDR、三體散射(TBSS)相關系數低；刁秀廣和郭飛燕(2021)發現風暴低層強反射率核后側徑向上出現顯著ZDR負值區，可作為大冰雹(直徑＞50 mm)的識別依據；潘佳文等(2021)也明確指出ZDR柱對降雹，尤其大冰雹具有一定提前量。相比較對冰雹的雙偏振研究而言，國內對雷暴大風的雙偏振研究應用較少，國外近年的研究表明，冰雹融化、增發冷卻形成的固液混合態粒子對下擊暴流形成有重要作用(Kuster et al.，2016；Mahale et al.，2016；Kuster et al.，2021)。

2021 年5 月15 日洞庭湖區出現了一次強對流過程，結合雷達回波發展演變特征發現，本次過程分為多單體風暴和颮線兩個階段，且強對流天氣類型有明顯差異，因此本文將利用雙偏振雷達針對本次過程進行分階段分析，以期為洞庭湖區分類強對流監測及預警提供重要參考依據。

1 資料及天氣實況

1.1 資料說明

本文所使用的雙偏振雷達數據均來自長沙S波段多普勒天氣雷達(海拔高度622 m、雷達掃描模式為VCP21，以下簡稱長沙雷達)，天氣系統、探空分析數據來自常規觀測資料，冰雹、降水、雷暴大風資料來自地面氣象觀測站和災害報告。

1.2 天氣實況

受高空槽東移、西南急流和地面輻合線的共同影響，2021年5月15日(北京時，下同)午后至夜間洞庭湖區出現了一次強對流過程(圖1a)：10站次冰雹，其中岳陽縣公田站最大冰雹直徑3 cm(17∶00)；22站次雷暴大風，其中岳陽縣中洲站瞬時大風最強達到36.9 m·s-1(20∶23，12級)，突破該站有氣象記錄以來風速歷史極值；275站次小時雨強達到20 mm·h-1。白天和夜間強對流天氣有明顯差異：冰雹主要出現在午后的14∶50—17∶00(受分散的多單體風暴前后移入洞庭湖區影響)，僅1 站次冰雹出現在21∶00；雷暴大風全部出現在夜間的20∶00—21∶30 (受線狀的颮線整體移入洞庭湖影響)。受極端強對流天氣影響，洞庭湖區1.8 萬人、885 hm2農作物受災、倒塌房屋71 間，且多條交通干線、通訊線路和電力線路中斷。

圖1 2021年5月15日08∶00—16日08∶00洞庭湖區強對流天氣的空間分布(a)、15日19∶05—21∶00岳陽縣中洲站逐5 min氣象要素演變(b)Fig.1 (a)The spatial distribution of heavy convection station from 08∶00 BT 15 to 08∶00 BT 16 May 2021 in Dongting Lake area and(b)the evolution of meteorological elements at Yueyang Zhongzhou station every 5 minutes from 19∶05 BT to 21∶00 BT 15 May 2021

20∶23 岳陽縣中洲的極端大風達到36.9 m·s-1(12級)，分析極端大風發生(圖1b黑色箭頭)前后氣象要素變化可知，20∶15前，該站氣溫維持25 ℃左右、氣壓維持993 hPa左右，風速較小(低于4 m·s-1)。20∶15—20∶30，氣溫由25.2 ℃降至23.0 ℃；風速急增，5 min 風速增加15 m·s-1，20∶25 達到18 m·s-1(期間瞬時最大風速達36.9 m·s-1)；氣壓由992.4 hPa 升至997.3 hPa，5 min 內上升4.9 hPa；5 min 降雨量從20∶15 開始快速增強，20∶20、20∶25的5 min雨量達到8.2 mm、11.6 mm，表現出典型的颮線過境時氣溫下降、風力急增、氣壓猛升的特征，且短時雨強大。

2 環流背景和探空資料分析

15 日08∶00(圖略)，洞庭湖區處于200 hPa 高空急流強輻散區內、500 hPa 高空槽前、500—925 hPa 西南急流核區；700 hPa干舌、850 hPa濕舌在洞庭湖區構成上干冷、下暖濕的不穩定層結；15 日白天地面暖低壓在湖南南部顯著發展，午后開始在地面輻合線作用下觸發了強對流發生。20∶00 和08∶00 相比，500 hPa 高空槽向東移動約450 km，洞庭湖區其他天氣系統配置、不穩定層結特征基本維持不變(圖略)，因此本次過程發生在典型的低空暖平流強迫背景下(許愛華等，2014)。

對離洞庭湖區最近的長沙探空站進行分析，08∶00僅存在較淺薄大氣濕層(圖2a)，925 hPa和850 hPa比濕均達到了14 g·kg-1(表1)；500 hPa比濕僅為2.5 g·kg-1；0—3 km、0—6 km垂直風切變為18.0 m·s-1、30.4 m·s-1，達到了強垂直風切變強度；濕球0 ℃層(WBZ)、-10 ℃層、-20 ℃層高度為4.4 km、6.7 km、8.0 km，WBZ 明顯低于0 ℃層高度(4.7 km)，干層向下延伸到較低高度有利于大冰雹不被或少被融化(俞小鼎，2014；曾智琳等，2019)。對流有效位能(CAPE)為587.8 J·kg-1，CAPE經14∶00 的地面溫度訂正后達2 187.3 J·kg-1，且集中在-10～-30 ℃高度，較大的不穩定能量有利于冰雹增長。20∶00各項對流指數仍有利于強對流的發生(表1)，和08∶00 相比，0—3 km 垂直風切變進一步增大，達到了19.5 m·s-1，遠遠超過了馬淑萍等(2019)統計的極端雷暴大風發生的平均值(13.3 m·s-1)；K指數增強至39.8 ℃；850 hPa 以下干層更加清楚，探空曲線(圖2b)類似于康嵐等(2018)分析得到的典型濕下擊暴流“X型”探空形態。對比而言，雷暴大風特別是極端性大風的潛勢較白天進一步增強；夜間隨著洞庭湖區溫度下降(圖略)，CAPE 條件較午后到傍晚下降，因此僅21∶00觀測到小冰雹。

表1 2021年5月15日08∶00、20∶00長沙站探空環境物理量Table 1 The environmental elements of Changsha station on May 15 2021

圖2 2021年5月15日08∶00(a)、20∶00(b)長沙站探空圖Fig.2 The observational soundings of Changsha station at(a)08∶00 BT and(b)20∶00 BT on 15 May 2021

3 多單體風暴階段的雙偏振特征分析

洞庭湖區的冰雹是由多個單體風暴前后影響該區域所致(圖略)，其中超級單體I2(圖3紅色橢圓所示)為維持時間最長的風暴。由于洞庭湖區處于長沙雷達50—100 km 距離圈內，結合長沙雷達海拔高度，選取2.4°仰角間隔30 min的反射率因子對I2的演變進行追蹤分析(圖3)。從圖3 可見，I2 于13∶59 初生于洞庭湖區西側的沅江(圖3a)，并快速東移北上(圖3a—d)，15∶54 開始轉為東移為主(圖3e—h)。14∶45、15∶02，2.4°仰角ZH首次出現旁瓣回波且維持了4個體掃(圖3b)；14∶56、16∶11、16∶23、16∶34—16∶40、16∶57、17∶14 均識別出中氣旋，此后I2 強度略有減弱，但仍維持強風暴強度，17∶00出現3 cm冰雹。

圖3 長沙雷達2021年5月15日13∶59(a)、14∶27(b)、14∶56(c)、15∶25(d)、15∶54(e)、16∶23(f)、16∶51(g)、17∶20(h)2.4°仰角間隔30 min反射率因子ZH演變圖(紅色橢圓為單體風暴I2所在位置)Fig.3 The radar reflectivity factor ZH on 2.4°elevation angle from Changsha radar station at(a)13∶59 BT,(b)14∶27 BT,(c)14∶56 BT,(d)15∶25 BT,(e)15∶54 BT,(f)16∶23 BT,(g)16∶51 BT and(h)17∶20 BT on May 15 2021(The red ellipse denotes the location of the single storm I2)

I2 于13∶59 首次被雷達識別，為了更加清晰地反映I2 的演變過程，下文用最大水平反射率因子(DBZM)、垂直累積液態水含量(VIL)、質心高度(HT)、回波頂高(TOP)這些風暴參數及單體強回波面積S55(ZH≥55 dBz)、S60(ZH≥60 dBz)，S65(ZH≥65 dBz)來分析其發展演變過程(圖4)。

圖4 2021年5月15日13∶59—17∶37風暴I2的最大水平反射率因子(DBZM)、垂直累積液態水含量(VIL)、強回波面積(S55、S60、S65)、強質心高度(HT)和回波頂高(TOP)變化Fig.4 The maximum horizontal reflectivity(DBZM),vertically integrated liquid water content(VIL),area of strong echo(S55,S60,S65),centroid height(HT)and top height(TOP)of the storm I2 from 13∶59 BT to 17∶37 BT 15 May 2021

14∶45 以前，I2 逐步發展，DBZM、VIL、TOP、S55面積在波動中緩慢增至60 dBz、53 kg·m-2、7.3 km、15 km2；VIL、TOP 低于55 kg·m-2、8 km；HT 低于冰雹的有效增長層-10 ℃高度(6.3 km)，此為初始發展時段。14∶50開始，DBZM穩定維持在60 dBz以上，最強達到了74 dBz，16∶17—16∶40連續4個體掃大于70 kg·m-2；HT、TOP、VIL大部分處于穩定增長狀態，VIL最大達到92 kg·m-2，尤其是HT、VIL 2 個體掃(14∶56—15∶02)躍增幅度達2.1 km、26 kg·m-2；強回波面積S55、S60、S65逐漸增大，且S60、S65達到了120 km2、81 km2；HT 一直處于冰雹的有效增長-10 ℃高度(6.3 km)，為冰雹的翻滾增長提供了有利條件(Witt and Nelson，1991；胡勝等，2015；曾智琳等，2019)，此為冰雹碰并增長時段。HT在16∶40驟降至2.4 km(降幅達3.9 km)，低于WBZ高度，此后，HT雖又有所升高，但也低于冰雹有效增長-10 ℃高度(6.3 km)；S60、S65則出現較穩定的下降，S55發展至最大(達到380 km2)后再減??；且I2的VIL、HT、TOP在17∶26及以后降至50 kg·m-2、3 km、11 km以下，HT 進一步降至WBZ 高度，說明此時風暴上升氣流減弱，無法承托大冰雹時段，此為成熟降雹時段。

綜上所述，解放戰爭時期的教育是新民主主義教育的重要組成部分，對新中國成立初期教育事業的發展產生很大的推動作用，對當前黨的教育事業具有一定的借鑒作用。因此開展解放戰爭時期黨對教育問題的認識和實踐的研究很有必要。國內外學界對本選題都有較為深入的研究基礎，特別是國內學界研究成果的數量和質量都有較大的提高。

由上述風暴演變過程可知，超級單體A導致了3 cm(17∶00)大冰雹發生，經歷了初始發展時段(13∶30—14∶45)、冰雹碰并增長時段(14∶56—16∶34)、成熟降雹時段(16∶40—17∶32)，其發展演變過程符合潘佳文(2020)、陳龍(2023)、俞小鼎(2020)等對冰雹云的研究結果。接下來進一步對I2三個不同時段雷達偏振量產品的垂直結構變化進行分析，以剖析冰雹云在不同演變時段雷達偏振參數所體現出的特征和云物理機制。

3.1 I2初始發展時段

I2 初始發展時段為I2 從初生到云體躍增之前時段。該階段ZH達到55 dBz，對應徑向速度圖有“逆風區”特征，說明具有一定輻合特征，輻合的上升氣流將雨滴向上輸送，雨滴在上升過程中不斷增長，隨著粒子直徑增大、軸比增大，導致ZDR不斷增大，大部分為0.2～3.0 dB，最強達到3.5 (圖略)。14∶45 2.4°仰角首次出現了旁瓣回波(圖5a)；ZH(＞55 dBz)區域對應較大KDP(＞1.7°·km-1)區域(圖5b)，表明水含量大；對應ZDR值大部分大于1 dB(圖5c)；粒子形態識別(HCL)產品判斷此時降水粒子相態為以雨滴為主(圖5d)。

圖5 2021年5月15日14∶45 2.4°仰角反射率因子ZH(a)、差分相移率KDP(b)、差分反射率因子ZDR(c)、粒子相態識別HCL(d)(白實線AB為圖6剖面所在位置)Fig.5 (a)The reflectivity factor ZH,(b)specific differential phase KDP,(c)differential reflectivity ZDRand(d)hydro classification HCL on 2.4°elevation angle at 14∶45 BT 15 May 2021(The white line denotes the location of the profile for fig.6)

沿14∶45 的2.4°仰角ZH(圖5a)實線AB 所在位置作I2 剖面分析可見，ZH強回波(大于55 dBz)超過了WBZ所在高度(圖6a黑框)，對應區域有表征上升氣流的ZDR(＞1 dB)柱，ZDR柱中心(＞2.5 dB)也擴展至WBZ高度(圖6b 黑框)，說明較強上升氣流為凍結雨滴提供了動力抬升條件(潘佳文等，2021)；隨著較強上升氣流攜帶水汽向上輸送，導致雨滴碰并增長、含水量進一步增大，對應區域(圖6c 黑框)KDP較大(＞1.7°·km-1)，過冷水含量增大；對應區域(圖6d 黑框) CC 在0.9～0.99。綜合分析可知，初始發展時段，強ZH回波(＞55 dBz)對應的相態以夾雜著大雨滴的水凝物為主。

3.2 I2冰雹碰并增長時段

隨著I2 反射率因子增強，14∶56，2.4°仰角ZH達到了60 dBz(圖7a)；徑向速度圖識別出中氣旋(圖7b)；旋轉帶來的上升運動有利于冰雹在空中翻滾增長(潘佳文等，2020；王建恒等，2020)，VIL 出現明顯躍增，1 個體掃從35 kg·m-2(圖7c)躍增至70 kg·m-2(圖7d)；由粒子形態識別產品(HCL)判斷此時該區域降水粒子相態為以冰雹粒子為主(圖7e)。

圖7 2021年5月15日14∶56的2.4°仰角反射率因子ZH(a)、徑向速度V(b)、垂直液態水含量VIL(c)、粒子相態識別HCL(e)、6.0°仰角反射率ZH(f)和15∶02的垂直液態水含量VIL(d)Fig.7 (a)The reflectivity factor ZH,(b)radial velocity V,(c)vertically integrated liquid water content VIL,(e)hydro classification HCL on 2.4°elevation angle,(f)reflectivity factor ZHon 6.0°elevation angle at 14∶56 and(d)vertically integrated liquid water content VIL at 15∶02 BT 15 May 2021

沿14∶56 6.0°仰角ZH(圖7f)的實線AB作I2剖面分析，可以看出，60 dBz強中心擴展至-10 ℃高度以上(圖8a 黑框)，充分滿足了大冰雹形成所需溫度，此時風暴I2中較強的上升運動能將水凝物輸送到負溫區，保證充足的凝結水供應；徑向速度圖中層出現輻合(圖8b黑框)、高層出現輻散，造成的抽吸作用更有助于上升運動的增強與維持；強中心(＞60 dBz)所對應的ZDR由初始發展時段的正值(圖6b 黑框)降至小于0(圖8c 黑框)，因冰雹形狀多為表面不規則的球體，且在下降過程中具有翻滾現象，可近似于各向同性的球形粒子，故導致ZDR小于0。不僅如此，伸展高度隨著上升氣流的增強繼續增長，與上升氣流對應的ZDR(＞2.5 dB)柱擴展至-10 ℃高度(圖8c 黑框)，ZDR柱中的液相粒子釋放相變潛熱可增加云內與云頂的溫差及不穩定度，促使上升氣流進一步增強，水成物向上輸送作用增強，有助于凍滴增多，為冰雹的形成和增長提供了有利條件(王建恒等，2020；潘佳文等，2021)；對應ZDR小于0處，CC由初始發展時段大于0.9(圖6d黑框)降至0.7(圖8d黑框)；對應強回波區域(＞60 dBz)KDP出現“空洞”(圖8e)，這種現象是距離庫內粒子非均一性和強冰雹衰減作用造成CC小于0.9、KDP污染出現異常，則不顯示(劉黎平，2002)，表明對應高度降水粒子以固態為主，且處于增大時段。而對比3 km高度以下，ZH(45～50 dBz)區域主要對應較強的ZDR(＞3 dB，圖8c)、強的CC (＞0.99，圖8d)、強的KDP(1.7～2.4°·km-1，圖8e)，說明低層降水粒子以夾著大雨滴且濃度較高的液態水為主。

圖8 2021年5月15日14∶56沿圖5a中AB線的反射率因子ZH(a)、徑向速度V(b)、差分反射率因子ZDR(c)、相關系數CC(d)、差分相移率KDP(e)的垂直剖面圖(白點線為-10 ℃所在高度，黑框為大于60 dBz強回波所在位置)Fig.8 The profile for(a)reflectivity factor ZH,(b)radial velocity V,(c)differential reflectivity ZDR,(d)correlation coefficient CC and(e)specific differential phase KDP taken along the solid line AB in Fig.5a at 14∶45 BT 15 May 2021(The white dotted line denotes the height of-10℃,and the black box indicates the strong echoes greater than 60 dBz)

3.3 I2成熟降雹時段

冰雹不斷翻滾增大，I2 上升氣流越來越弱，冰雹云內平衡狀態被打破，進入成熟降雹時段。ZH達到60 dBz 回波(圖9a 黑橢圓)對應CC 小于0.9(圖9d 黑橢圓)，出現KDP空洞(圖9c 黑橢圓)，周邊有KDP足(超過2.4°·km-1異常大值)，表明對應高度雨滴濃度仍較高且存在包水膜的冰雹粒子；ZDR的值與粒子總數在不同尺寸上的分布有關，一般來說，冰雹在下降過程不斷翻滾、擺動，近似球形粒子，ZDR值接近于0，大冰雹在下落過程中保持自由降落狀態，電磁波經過大冰雹時水平電磁波比垂直電磁波衰減要強，導致ZDR甚至出現負值(馮晉勤，2018；Picca and Ryzhkov，2012)，此時ZH強中心對應ZDR負值區(圖9e 黑橢圓)，說明冰雹直徑較大；HCL顯示對應降水粒子為霰且霰粒區域出現了冰雹粒子(圖9f黑橢圓)。而霰粒區域正對應于中氣旋區域(圖9b 黑橢圓)，霰容易被氣旋式環流卷入上升氣流，而上升氣流存在大量的液態水，有利于霰粒作為雹胚經歷濕增長及降雹的維持。

圖9 2021年5月15日16∶40 2.4°仰角反射率因子ZH(a)、徑向速度V(b)、差分相移率KDP(c)、相關系數CC(d)、差分反射率因子ZDR(e)以及粒子相態識別HCL(f)(黑橢圓為大于60 dBz強回波所在位置)Fig.9 (a)The reflectivity factor ZH,(b)radial velocity V,(c)specific differential phase KDP,(d)correlation coefficient CC,(e)differential reflectivity ZDRand(f)hydro classification HCL on 2.4°elevation angle at 16∶40 BT 15 May 2021(The black eclipse denotes the location of the strong echo greater than 60 dBz)

16∶40 沿圖9a 中的實線AB 作剖面(圖10)分析可知，ZH強中心(＞60 dB，圖10a 黑框)底部降至2 km 以下，低于WBZ高度；對應ZDR出現負值(圖10b黑框)，CC為0.85～0.9，局部低至0.8(圖10c 黑框)，對應出現KDP空洞(圖10d 黑框)，說明冰雹下落的拖曳作用進一步削弱上升氣流的強度，預示冰雹即將落地。如果在冰雹初始發展到增長期，預報員對空中冰雹在下降的過程中是否會融化把握不大，存在預警發布猶豫期，而此時監測到ZH(＞60 dBz)大值區配合ZDR低值區(＜0 dB)、CC 低值區(＜0.9)均下降至低層(2 km 以下)，應可以預判地面將有冰雹降至地面(17∶00 岳陽縣公田3 cm 冰雹)及時發布預警，該冰雹預警提前量至少可達20 min。

圖10 2021年5月15日16∶40沿圖9a中AB實線所作的反射率因子ZH(a)、差分反射率因子ZDR(b)、相關系數CC(c)、差分相移率KDP(d)垂直剖面圖(白點線為WBZ高度，黑框為大于60 dBz強回波所在位置)Fig.10 The profile for(a)reflectivity factor ZH,(b)differential reflectivity ZDR,(c)correlation coefficient CC,(d)specific differential phase KDPtaken along the solid line AB in Fig.9a at 16∶40 BT 15 May 2021(The white dotted line denotes the WBZ height,and the black box indicates the location of the strong echo greater than 60 dBz)

4 颮線階段雙偏振特征分析

4.1 颮線演變特征分析

15日18∶06在湘西北已有多個分散風暴單體生成(圖略)，18∶58 已經組織化演變成弓狀回波，有明顯速度輻合帶與之對應(圖略)，20∶07颮線東移過程中與東側的超級單體合并，曲率明顯增強，發展成長S型颮線(圖11a黑橢圓)，100 km范圍內有6個中尺度渦旋集中發展，其中中氣旋K0 出現了速度模糊，正負速度差值達到了54 m·s-1，達到了強中氣旋強度(圖11d)，S 型颮線對應的KDP值(圖11b)在0.5～3.1°·km-1，局地達到7°·km-1，說明對應的超級單體風暴的液態水含量高，對應ZDR達到了1 dB 以上(圖11c)，表征為大雨滴為主。S 型颮線回波東移，導致洞庭湖區大范圍雷暴大風。21∶14 開始，S 型強颮線出現斷裂，演變成多單體強風暴，并逐漸東移南壓。

圖11 2021年5月15日20∶07 0.5°仰角反射率因子ZH(a)、差分相移率KDP(b)、差分反射率因子ZDR(c)、徑向速度V(d)(黑橢圓為颮線所在位置)Fig.11 (a)The reflectivity factor ZH,(b)specific differential phase KDP,(c)differential reflectivity ZDR and(d)radial velocity Von 0.5°elevation angle at 20∶07 BT 15 May 2021.(The black eclipse denotes the location of squall line)

重點對極端大風(20∶24)發生時雙偏振參量進行分析(圖12)，沿圖12a中實線AB剖面圖分析，55 dBz強回波降至1 km 以下(圖12b 黑框)，55 dBz 強回波區域對應的ZDR達到1.5 dB(圖12c 黑框)，徑向速度圖5 km高度有27 m·s-1的速度大值區，東側27 m·s-1速度大值區降至1 km 以下(圖12e 白框)，KDP達到了2.4°·km-1以上，最強為4.6(圖12d 黑框)，可見1 km 以下有明顯大雨滴。從強回波(50～55 dBz)伸展高度(圖12b)判斷6 km以上雖也有冰雹粒子碰并下降，但隨著冰雹粒子的融化、降水的蒸發產生負浮力，負浮力進一步促進下沉氣流的增強。潘佳文等(2022)、Romine 等(2008)等指出KDP顯著大值區位于ZH大值區(＞50 dBz)內，說明KDP與下沉氣流有較好對應關系，不僅如此，極端大風發生前后雨量15 min(20∶15—20∶30)達到23.4 mm(圖1b)，推斷強降水拖曳作用也加劇了極端大風的產生。

圖12 2021年5月15日20∶24 0.5°仰角反射率因子ZH(a)以及沿圖12a AB所作的反射率因子ZH(b)、差分反射率因子ZDR(c)、差分相移率KDP(d)、徑向速度V(e)的垂直剖面圖(黑框為55 dBz強回波所在位置，白框為速度大值區降至1 km以下所在位置)Fig.12 (a)The reflectivity factor ZHon 0.5°elevation angle at 20∶24 and the profile for(b)reflectivity factor ZH,(c)differential reflectivity ZDR,(d)specific differential phase KDPand(e)radial velocity V taken along the solid line AB in fig.12a at 20∶24 BT 15 May 2021(The black box denotes the location of the strong echo greater than 55 dBz,and the white box indicate the area where the speed is below 1 km)

4.2 中氣旋特征分析

結合雷達回波演變發現颮線鑲嵌的超級單體風暴K0(對應中氣旋K0)和極端大風密切相關(圖略)，對中氣旋K0 底高、頂高、最強切變高度、切變值大小進行分析發現(圖13)，19∶50—19∶56，中氣旋僅表現出三維切變特征，切變值為8×10-3·s-1。20∶01 切變值劇增至42×10-3·s-1，達到了強中氣旋強度，超級單體風暴K0 三維切變以及中氣旋期間，中氣旋底高明顯偏低，位于2 km以下。20∶01至極端大風發生(圖13黑色箭頭)前，底高均低于1 km，比極端大風出現時間提前了20 min 以上。20∶07—20∶13 最強切變所在高度和頂高位置重合，達到了5.5 km 以上，20∶13 最強切變高度、頂高出現陡降。20∶19切變值也快速下降，且最強切變高度、頂高降至1.8 km，此時對應強下沉氣流的發生，可見20∶23極端大風發生在中氣旋K0最強切變高度、切變值大小先增后降階段，這和馮晉勤(2010)等研究得出“雷暴大風產生前，中氣旋頂高開始下降，最強切變高度也隨之下降”結論一致。

圖13 2021年5月15日19∶50—20∶36中氣旋K0底高、頂高、最強切變高度、切變大小演變圖Fig.13 The evolution of height of top and bottom,the maximum shear and its height associated with the mesocyclone K0 from 19∶50 to 20∶36 BT 15 May 2021

5 結論與討論

針對2021年5月15日洞庭湖區極端強對流天氣，使用長沙S 波段雙偏振天氣雷達進行分階段(多單體風暴、颮線)分析，并對多單體風暴階段的I2進行了分時段分析，得出主要結論如下：

(1)本次過程發生在低層暖平流強迫背景下。白天，強熱力不穩定、強垂直風切變、合適的WBZ、-10 ℃和-20 ℃層高度等均為冰雹的發生發展提供了有利條件；夜間，低層垂直風切變增強、探空曲線“X”形特征明顯，雷暴大風尤其是極端大風的潛勢進一步增強。

(2) I2 初始發展時段，雨滴在上升過程中不斷增長、ZDR不斷增大；ZH強回波(＞55 dBz)、ZDR柱中心(＞2.5 dB)擴展至WBZ高度，強上升氣流攜帶水汽向上輸送，導致水滴碰并增長、含水量增大，對應區域KDP較大(＞1.7°·km-1)、CC 在0.9～0.99，說明此時上升的水凝物已出現混合相態；降水相態是以夾雜著大雨滴的水凝物為主。

(3)I2 冰雹碰并增長時段，ZH強度、發展高度急速增長，VIL明顯躍增，ZH強中心(＞60 dBz)擴展至-10℃高度以上，對應的ZDR由初始發展時段的降至負值，CC下降、KDP出現“空洞”，表明此時降水以固態粒子為主，且處于增大時段。

(4)I2 成熟降雹時段，ZH強中心(＞60 dBz)范圍增大、底部降至WBZ 高度以下，CC 局部低至0.8、存在ZDR負值區、KDP空洞，預示冰雹即將落地。

(5)颮線階段與多單體風暴階段相比，中氣旋持續時間更長，強回波對應的KDP值異常偏大。極端大風即將發生前，55 dBz強回波、27 m·s-1速度大值區降至1 km以下；ZH大值區(＞50 dBz)內有與下沉氣流對應的KDP足，說明強降水的拖曳作用也加劇了極端大風的產生。

在實際預報業務過程中，預報員容易關注到槽、急流強度、地面輻合線以及各項對流物理量對強對流天氣發展的明顯潛勢，但對強對流出現時間、類型及強度偏差估計仍可能不足，究其原因是對強對流風暴的發生發展機制認識不夠。本文對該次過程主要從環流背景、雙偏振參數方面進行了分析，但分析研究仍不夠深入全面：如偏振量ZDR、CC 和KDP的演變以定性分析為主，特別是環境探空時段(08時、20時)的溫度廓線體現的溫度與實際雷暴內部的溫度存在差異，對于WBZ、ZDR柱高度的估計難免存在誤差，再如未分析洞庭湖區下墊面性質在颮線組織發展過程的作用等。期待今后隨著其它觀測設備的增加和探測手段的完善，為提高洞庭湖區的強對流天氣預報的準確性和時效性提供更多幫助。