海南島一次強颮線系統演變的雙偏振特征分析

邢峰華，黃彥彬，李光偉，敖杰，李思騰

(1.海南省氣象科學研究所，海南 ?？?570203；2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 ?？?570203；3.北京市城市氣象研究院，北京 100089)

1 引 言

海南島地處低緯地區，各種強對流運動是造成該地區氣象災害的主要原因之一[1-4]。其中，颮線系統是致災性較強的一種中尺度對流系統，造成局地暴雨、冰雹、短時大風等災害性強對流天氣可能性極高。在氣象業務中，颮線系統以其典型的突發性強、局地變化大等原因導致其在氣象預報預警中難度較大[5-7]。

國內外學者針對颮線系統的相關特點、原理展開了一系列研究?？傮w來說，影響颮線系統發展加強的一個重要原因是低層存在環境垂直風切變，低層切變分量可以阻止陣風鋒的快速向前移動，從而在某種程度上使颮線較長時間維持與進一步演變，配合近地面冷池可以觸發較強的上升運動[8-9]。而通過理想數值模擬，發現一種描述颮線發展傳播的“RKW 機制”，對理解颮線內部動力以及熱力等機制有較好幫助[10]。國內的颮線研究主要集中在對新一代天氣雷達數據的分析方面，如王林等[11]通過研究華南區域一次典型颮線個例提出該颮線形成前高空存在急流，近地面有低壓系統控制，均有利于颮線的形成與發展。李宏江等[12]通過對風場的研究發現近地面存在的強冷池可以驅動颮線偏離平均引導氣流的方向，配合適合的環境場可以迅速生成高度組織化的弓形颮線。許可等[13]通過研究貴州一次暖區颮線個例發現雷達低仰角的速度大值區和中層徑向輻合對于颮線大風天氣有重要預警意義。董琪如等[14]通過循環同化雷達資料的敏感性試驗發現雷達資料對數值模式更準確描繪颮線系統有重要價值。

雙偏振雷達作為新一代天氣雷達，不僅可以用來分析宏觀天氣過程，監測云系徑向速度，還可以有效識別粒子相態，提高冰雹、降水、上升氣流等預報預警能力。Hubbert 等[15]通過研究指出三體散射的現象會使雙偏振雷達監測到高空存在差分反射率因子大值區且伴隨雷達反射率因子低值區的出現。Jeffrey 等[16]研發出一套差分反射率因子ZDR柱的快速識別算法，可以迅速找出云系差分反射率因子異常增大的位置，從而預警出上升氣流的存在。在災害天氣預警方面，雙偏振雷達也有較好的應用前景，如賴晨等[17]通過研究江南地區一次強對流過程發現雙偏振雷達的預警效果較明顯，并指出由反射率因子ZH得到的冰相粒子降水含量與降水時間的關系可以在某種程度上預示冰雹的存在。林文等[18]通過對不同強度對流云系的雙偏振特征分析發現它們各自存在自己的特點，但ZDR柱和KDP柱似乎是強對流云系的共同特征，從而證明雙偏振參量在短臨預警預報、人工影響天氣方面存在巨大應用潛力。黃勇等[19]通過兩次對流云合并的雙偏振特征分析表明對流云合并時在其中下部會出現冰相粒子增多的現象，且差分反射率因子會增大。申高航等[20]通過對比研究發現雙偏振參量增大轉折時刻與雨滴譜的變化緊密相關，可以加強對臺風強降水的滴譜特征及微物理結構的理解。

2020年4月22 日海南島出現一次較為特殊的颮線天氣，在其五個小時左右的生命史過程中相繼出現了雷雨大風、短時強降水等災害性現象，且由于其突發性與局地性特點導致當地氣象部門的預報預警出現一定程度的漏報，具有較好學術研究價值。本文擬針對該次典型個例，結合雙偏振雷達、地面自動站等多源探測手段對其展開細致分析診斷，以期加深對颮線系統的理解以及對雙偏振雷達在颮線預報預警中的應用效果進行分析與驗證。

2 資料和方法

本文所用資料包括：?？谡維 波段雙偏振雷達（110.15 °E，20.00 °N）探測數據（6 分鐘/次），常規高空探測、逐小時加密地面自動站、?？谡撅L廓線雷達水平風場數據等觀測資料。以上探測資料均為海南島氣象業務穩定運行的雷達和地面自動資料，探測數據完整且質量可靠。此外，為進一步保證雙偏振雷達數據可靠性，本文借鑒吳翀[21]研究出的質量控制算法，對非氣象回波數據進行適當篩除。

3 天氣過程概述與分析

3.1 天氣過程概況

2020 年4 月22 日15:00—20:00，受華南切變線影響，海南島出現一次較強颮線系統過程。該次颮線過程以短時災害性大風及局地強降水影響為主，生命史5小時左右，具有典型的突發性、局地性等特征。根據地面自動站數據（圖略）顯示，當天颮線系統影響時間段海南島北部多個地區出現雷暴大風（8 到10 級為主），其中最大陣風出現在?？谛潞８蹨y站，為29.2 m/s（11 級），風向以西北風為主。該次颮線過程局地性特征明顯，最大雨量出現在海南省白沙縣境內的南開鄉（過程雨量達到118 mm 左右），短時雨強較大。此次颮線過程具有時間長、影響范圍廣、造成災害較大等特點，深入分析其雙偏振參量等變化特征可以幫助提高類似氣象災害事件的預報預警效率。

3.2 天氣形勢分析

隨著22 日冷空氣持續南下，帶狀副高588 線（北界）較前日有所南落（圖1），位于21 °N 附近，海南島在副高邊緣控制范圍內，大氣不穩定性較強。疊加FY-4 衛星監測顯示22 日08:00 在低層切變線的西段（廣西及北部灣部分區域）已有深對流形成，側面驗證海南島上游區域的充足大氣不穩定能量有向下游傳遞趨勢。

圖1 2020年4月22日08:00 500 hPa形勢疊加FY-4衛星水汽通道圖像

當天14:00 地面準靜止鋒繼續保持南壓態勢（在廣東、廣西沿海一帶），北部灣北部海面到海南島西北部陸地間熱力差異顯著（圖2），溫度梯度較大，對于海南島西北部海風及輻合線的發展有明顯利好條件。當天另外兩條對流回波從北部灣北部海面逐步移向廣東省雷州半島，觸發較強的弓形回波在廣西沿岸造成8～9級大風。

圖2 2020年4月22日14:00海平面氣壓場和地面觀測填圖

在適宜的天氣形勢配置下，颮線系統的發展演變與環境條件密切相關。當天?？?8:00 探空資料顯示（圖略）：對流區上空存在明顯的熱力不穩定特征，水汽條件較好；對流有效位能（以下簡稱CAPE）形態呈細長狀且達到2 000 J/kg 以上，K值超過30，0 ℃層高度僅4 789 m；0～6 km 深層垂直風切變最大值可達15 m/s，且存在明顯的風向順轉特征，即850 hPa 以下為東南風，在其上空則順轉為偏西風且風速隨高度增大，顯示高空存在暖平流現象。而在海南島的上游，位于北部灣的白龍尾站當天也呈現類似的探空形態特征（圖略）?？傮w來說，大氣中存在中等偏強的垂直風切變和CAPE 值，有利于下午海南島的強颮線系統在持續東移過程中呈現高度組織化發展趨勢。

通過上述大氣分析可知，當天海南島整層大氣存在極高的大氣不穩定能量儲備，已構成下午颮線系統產生的關鍵因素。在14:00 左右海南島西部區域出現一條偏南、北風交匯的地面輻合線（圖3），在14:00—15:30 之間，該輻合線近乎原地靜止，未見明顯的空間移動，但北側偏北風分量可看出逐漸加大，從16:00 開始地面輻合線明顯東移，伴隨輻合線空間尺度開始逐漸壓縮變窄，在其北段開始形成颮線系統（16:30 左右）。輻合線在持續東移過程中其后部區域持續催生新的對流單體（伴隨大風現象出現）。綜上可知地面輻合線的出現為海南島颮線系統的發展提供有利觸發機制，加速大氣不穩定能量的爆發，進一步助推強對流天氣的發展演變。

圖3 2020年4月22日14:00—17:00海南島內加密自動站風場資料

4 雙偏振參量特征分析

4.1 雷達回波演變

2020年4月22 日海南島颮線大風過程主要受副高西北側邊緣的西南氣流影響，北部灣和雷州半島的兩條颮線在前期東移的過程中都有北收跡象，在移近瓊州海峽前（15:00 前后）異常偏離引導氣流明顯南壓并迅速發展加強。在下午15:40 前后（圖4），雷州半島和廣西境內有前后兩條近似平行移動的颮線已經成形，在東移過程中移動較快的雷州半島內部的颮線維持其形態繼續前進，而后面的廣西境內颮線結構較為松散，強度有所降低。位于雷州半島（即海南島北部邊緣）的颮線南端風暴單體存在陣風鋒出流現象，此時海南島西北部地區由于午后熱對流逐漸形成地面輻合線（圖3），存在多個中γ尺度對流單體生成（圖4黑圈內部）；此外，海南島西北部的輻合線南側也有對流單體觸發。16:03，颮線南端出流的陣風鋒與海南島西北部沿海的對流回波相遇，誘發該區域的風暴迅速爆發加強，有成組織化發展的趨勢；同時，海南島中部的對流單體也迅速發展、合并，呈現線狀多單體風暴。

圖4 2020年4月22日海南島雷達組合反射率時序圖

伴隨風暴合并，雷州半島颮線南端的塊狀多單體迅速發展成線狀，最終發展成為典型颮線弓形回波形態（16:43）。颮線弓形回波成形后，其空間尺度縱貫雷州半島及海南島（長度約為200 km），移動方向為向東部持續移動，成形初期其移速較慢（約36 km/h），17:00 后移速顯著加快（達到52 km/h 左右）并成型拉伸展寬趨勢。颮線在海南島中部山區（五指山脈）北部出現斷裂（17:29），其南部“滯留”單體在五指山脈西側快速新生發展，颮線出現繼續向南發展延伸趨勢（17:46）。該颮線在傳播過程中受近地層地形因素影響不能忽視，且其在海南島陸地傳播過程中顯示出明顯的生命史較長、強度爆發快的特點，在其傳播路徑上觸發災害性大風天氣。

4.2 雷達雙偏振特征分析

2020 年4 月22 日16:20，沿圖4 中對應時刻的黑色虛線進行垂直剖面（下同），剖面結構（圖5）顯示此時颮線云系雷達反射率因子（簡稱ZH）出現強對流強回波區（最大值達到55 dBZ），云內對流運動發展較為旺盛；而此時雷達顯示幾個對流云系還未完成合并，屬于小塊對流云系分散發展期。差分反射率因子（簡稱ZDR）數據顯示此時云內ZDR大值區（大于2 dB）主要集中在6 km 以下，部分區域向上延展至8 km 左右，相態以中小水滴為主，局部區域高空ZDR數值較大（超過5 dB）。而差分傳播相移率（簡稱KDP）數值普遍維持在1～4 °/km之間，主要集中在8 km 以下，顯示云內粒子密度較大。徑向速度（簡稱V）數據顯示其數值以負值為主，在ZDR大值區對應位置同時出現最大可達18 m/s的徑向速度負值區。

圖5 2020年4月22日16:20海南島雷達偏振量分布 a.ZH；b. ZDR, c. KDP, d. V。

16:43 雷達（圖6）顯示此時ZH極其強盛（部分區域達到60 dBZ），云內對流在垂直方向發展較為劇烈；而ZDR數據顯示此時颮線內部出現明顯的“ZDR柱”現象（該現象在對流風暴中對于上升氣流的存在具有重要指標意義），即超過2 dB 的ZDR數值縱向伸展至8 km 左右，相比16:20 時刻ZDR數值在中低層有明顯增大，說明此時云內粒子直徑相比之前有所增加。此外，此時KDP數值較圖5 增大，云體內部中低層出現KDP數值超過4 °/km，并向上伸展到9 km 左右（即“KDP柱”現象），而ZDR柱和KDP柱的存在說明此時颮線內部較強的對流運動，較大粒徑的水凝物粒子隨著對流運動的發展而不斷形成；徑向速度（V）方面，在云內“ZDR柱”區域出現較明顯正負速度對，正負速度差值最大可達20 m/s左右，印證云內對流運動較為強烈。

圖6 2020年4月22日16:43海南島雷達偏振量分布 a.ZH；b. ZDR, c. KDP, d. V。

在17:29，雷達探測（圖7）顯示此時ZH仍然強盛（峰值可達57 dBZ），但ZDR卻顯著減小，基本在低于5 km 的中低層維持1.3 dB 左右數值，且此時云內的ZDR柱基本消失不見，0 ℃層以上的ZDR數值基本維持在0左右，顯示此時云內粒子在中低層以小雨滴形態為主；KDP的情況與ZDR類似，其數值明顯減小的同時，中高層（即5 km 以上的區域）大值區基本消失，顯示云內粒子數濃度相對減??；而V數值在20.00～19.35 °N 的中低層存在不同程度的正負速度對現象，其差值最大可達15 m/s左右，顯示云內仍存在一定程度的對流活動。

4.3 雙偏振參量與地面降水及地閃頻數的演變

為驗證該次颮線系統過程的雷達偏振參量與地面降水量的演變特征是否存在密切聯系，以颮線云系過境影響的地面自動站（?？谡竞臀牟荆獣r間段降水量數據同該站上空的雙偏振參量（雷達0.5 °仰角）進行時序演變特征分析（圖8），需要注意的是自動站的降水數據是分鐘級降水量，將其累加計算出6 min 降水量以便與雷達數據展開對比。

圖8 2020年4月22日?？谡荆╝）和文昌站（b）地面降水量、地閃個數和雷達0.5 °仰角雙偏振參量時序對比

根據?？谡緮祿@示其降水量較大的時間段主要為16:18—17:06 期間，地面降水量可達5～11 mm/(6 min)，從17:12起該站測得地面降水顯著減弱，其降水量總體呈現單峰形態。而文昌站顯示其降水量呈現雙峰形態，經歷17:06—17:30 和17:54—18:12 兩個降水時段。?？谡旧峡盏腪H在16:24前數值基本超過60 dBZ，隨著降水逐漸增大而呈現微弱降低趨勢；文昌站ZH數據在40～50 dBZ 區間波動，僅在17:48 隨著降水量的增加有小幅增加。?？谡旧峡盏腪DR參量于16:12 時刻達到最大值5.24 dB，隨后ZDR隨著地面降水強度的上升而逐漸減??；文昌站上空的ZDR參量在兩個降水時間段內均在降水前期達到最大值，隨后同樣伴隨降水進入減弱階段，與降水呈現負相關趨勢。由于KDP通常表征云內的粒子數濃度，?？谡竞臀牟镜腒DP變化趨勢基本與降水強度呈現較明顯的正相關關系，?？谡镜腒DP于16:48 達到最大值4.2 °/km，文昌站的KDP于18:00 達到最大值1.76 °/km。綜上可知在該次降水過程中ZDR通常在降水前期達到最大值，隨后伴隨降水的逐漸增大而進入減弱階段，而KDP由于與粒子濃度關系緊密，基本與降水強度的變化呈現同升同降趨勢。

在強對流天氣的研究中，閃電資料同樣是一種重要的指示性數據，本文采用海南省三維地閃數據與雙偏振雷達參量進行對比，進一步驗證雷達雙偏振參量在強對流天氣中的應用效果。同樣以?？谡竞臀牟緸槔?，統計其附近15 km 內的地閃頻數同雙偏振參量（ZH、ZDR、KDP）進行對比分析（圖8）。結果表明?？谡驹?6:00—16:18 時間段的閃電活動較為活躍（其最大頻數為4 fl/(6 min)，隨著云系開始降水，其閃電頻數逐漸降低至0 個，同時其雷達ZH也在該時間段有小幅上升，從58 dBZ 增大至68 dBZ。ZDR在16:12 時刻達到極大值5.24 dB，落后于地閃頻數最大值時刻（16:00）12 min 左右；KDP于16:48 達到最大值4.2 °/km，落后于地閃頻數最大值時刻（16:00）48 min。文昌站數據顯示該站附近15 km范圍內的地閃頻數在17:24—17:48 最為活躍，最大可達2 fl/(6 min) ，同樣伴隨降水的增加其數值顯著下滑。此外，ZDR在17:42 時刻達到階段性極值，落后于地閃頻數最大值時刻（17:36）6 min 左右；KDP于18:00 達到最大值1.76 °/km，落后于地閃頻數最大值時刻（17:36）24 min左右。

通過以上分析可知，地閃頻數在降水前期有明顯躍升趨勢，并且較ZDR提前6～12 min左右達到最大值，比KDP提前24～48 min左右達到最大值；同時ZH在降水前期有小幅增加趨勢，故可結合閃電數據與雙偏振雷達參量綜合預警強對流系統的演變趨勢。

5 結論與討論

本文針對2020年4月22日發生在海南省的一次長生命史颮線系統過程，結合常規氣象資料以及S 波段雙線偏振雷達等探測數據，對該次颮線系統的演變過程進行分析，并對其偏振參量特征進行深入研究。

（1）該次颮線天氣過程發生在副熱帶高壓帶西北邊緣地區，地面受準靜止鋒控制，冷空氣強度偏弱，主要受西南暖濕氣流影響，配合地面輻合線及合適的熱力條件提供了較好的環境觸發因素。

（2）在颮線初始成型時刻（16:20—16:43），云系內部大片區域的ZDR值超過5 dB（垂直方向伸展至8～9 km）；云系中低層出現KDP數值超過4 °/km，其范圍向上伸展到9 km 左右；此外，云系垂直方向上存在ZDR柱、KDP柱和徑向速度正負速度對等特征，說明其對流運動較為劇烈。

（3）在颮線成形50 分鐘左右（17:29），雖然云系雷達組合反射率仍然維持在55 dBZ 以上，但是其ZDR和KDP數值均有顯著減小，反映云體內部粒子直徑及數濃度均有降低，颮線云系發展階段已經度過巔峰期。

（4）在該次颮線影響過程中，?？谡竞臀牟旧峡盏腪DR均在降水前期達到最大值，隨后伴隨降水的逐漸增大而進入減弱階段，而KDP由于與云內粒子數濃度關系緊密，基本與降水強度的變化呈現同升同降趨勢。此外，地閃頻數在降水前期有明顯躍升趨勢，并且較ZDR提前6～12 min左右達到最大值，比KDP提前24～48 min左右達到最大值。