一次强雹云结构的双多普勒雷达观测分析

奥鹏网院作业

一次强雹云结构的双多普勒雷达观测分析*
王建恒1,2 陈瑞敏1,2 胡志群3 许焕斌4 段 英2,5 赵孝伟1,2 王 霞1,2

1.衡水市气象局，衡水，053000

2.河北省气象与生态环境重点实验室，石家庄，050021

3.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京，100081

4.北京应用气象研究所，北京，100082

5.河北省人工影响天气办公室，石家庄，050021

摘 要 利用石家庄SA 多普勒天气雷达和饶阳X 波段双偏振雷达探测资料，结合常规综合观测资料，对2018 年6 月13 日下午发生于太行山东麓的雹云的天气背景、降雹特征、雷达回波演变特征及回波三维立体结构进行了综合分析，重点利用双多普勒雷达径向速度资料反演出格点的三维风速（流场），并结合回波特征分析了雹云云体结构。结果显示，高空强劲的偏北风急流促使涡后横槽转竖，槽后冷空气沿偏北气流南下，形成上干冷、下暖湿的不稳定层结，在低空低涡附近及地面辐合线上发展造成这次风雹天气；双多普勒雷达反演风场表明，雹云的中层强回波中心呈明显的“S”形水平流场和悬挂回波配置特征，构成了具有成雹的“0 线”结构；不仅佐证了雹云降雹“0 线”结构的存在，而且证明其呈现形式具有多样性。

关键词 强雹云，回波三维结构，S 形流场，双多普勒雷达风场反演，观测分析

1 引言
雹云是发展极为旺盛的对流云，雹云的发展演变和成雹机制一直是冰雹预警和人工影响天气研究的热点。雹云有什么特征结构？中外许多学者基于不同的资料得到了不同的结论。例如，雹云常具有悬挂回波、弱回波区、回波墙（Browning，et al，1976），“S”形旋转上升流场（Miller，et al，1990；刘式适等，2004；许焕斌，2012），零域结构（许焕斌等，1999，2000，2001，2002；Kang，et al，2007；范皓等，2019）等特征。就以往相关研究结果概括比较而言，大多是依据观测分析和模拟研究及理论归纳获得的，其中一些直接观测分析的雹云结构是根据国外个例给出的（Foote，et al，1982，1983）；中国也给出了一些观测实例，大多是用雷达多普勒径向风定性勾画出的（周海光等，2002a，2002b，2005；张沛源等，2002；刘黎平，2003；郑媛媛等，2004）。其后，随着多普勒天气雷达和双偏振雷达探测技术的广泛推广应用，对强对流风暴动力结构的认识能力和含义理解随之有所提升。田利庆等（2005）、许焕斌等（2008）、俞小鼎等（2008，2012）、戴建华等（2012）、梅垚等（2018）、罗琪等（2019）、范皓等（2019）采用多普勒雷达开展了对强风雹云结构的观测与应用研究。杜牧云等（2011，2013）、胡志群等（2014）、刘黎平等（2015）、徐芬等（2016）对偏振雷达识别雹云的原理与应用技术做了研究并取得一定进展。上述研究利用双多普勒雷达风场反演、偏振雷达相态识别等技术展示了雹云发生、发展的动力、微物理和热力结构特征。但在研究中认识到各参数场配置关系尚不够紧密，在物理理解上尚欠清晰，在资料处理、分析思路和信息提炼上对融入云-降水物理学内容尚待探索，运用到业务中还有不少盲点或断点，需要对实例进行细致、深入地综合观测分析，从内容上“拾遗补缺”，从物理上明晰其含义。

2 天气背景与冰雹实况
2.1 天气背景分析
2018 年6 月13 日08 时（北京时，下同）500 hPa（图1a）蒙古高原为高压脊，河北北部—东北地区南部为低涡，自低涡中心到河套有近似东西向横槽，河北中南部处于涡后横槽南部的西北气流中，沿脊前强西北气流有冷空气向南输送。低层850 及925 hPa 低涡中心及切变线偏南，河北南部为暖中心，北部有冷平流，40°N 附近为锋区。从高空到低层河北中南部形成上冷下暖的层结结构。地面河北处于低压顶部，保定到衡水北部的安平和衡水到冀州一线分别有偏北风与偏东风的地面辐合。高空强劲的偏北风急流促使涡后横槽转竖，槽后冷空气沿偏北气流南下，在低空低涡附近及地面辐合线上发展造成这次风雹天气。

08 时北京探空曲线呈上干冷下暖湿的结构，500 hPa 以下风向顺时针旋转，为暖平流，500—250 hPa 逆时针旋转，有弱冷平流，在900 hPa 高度附近存在明显风切变。K 指数高达40℃，对流有效位能（CAPE）小于900 J/kg。利用衡水13 时气温和露点温度对北京探空进行订正（图1b），得到衡水中午前后的对流有效位能超过2500 J/kg，而且08 时的对流抑制能量（CIN）（164 J/kg）已全部消失。而在横槽南压过程中有冷平流同行，所以当下午对流发生时，实际大气环境的对流有效位能比用08 时探空做地面实况订正的值可能还要大。同时在-20℃层以上的对流有效位能约占总对流有效位能的1/3 以上，表明在-20℃层以上仍有大量的潜在不稳定能量。

2.2 风雹实况
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图1 （a） 2018 年6 月13 日08 时500 hPa 风场、高度场及850 hPa 温度场 （黑色实线为500 hPa 高度场，红色细线为850 hPa 温度场，蓝色箭头为500 hPa 大风速核，棕色实线为500 hPa 槽线，红色粗实线为850 hPa 切变线，灰色实线为925 hPa 切变线），（b） 6 月13 日北京订正探空 （斜杠区为订正后的对流有效位能）
Fig.1 （a） Winds and geopotential height at 500 hPa，and temperature at 850 hPa on 13 June 2018 （black solid lines are geopotential height contours at 500 hPa，red thin lines show temperature at 850 hPa，the blue arrow indicates the gale velocity core at 500 hPa，the brown solid line shows the trough line at 500 hPa，the red thick line is shear line at 850 hPa，and the gray solid line is shear line at 925 hPa），（b） revised sounding chart at Beijing on 13 June 2018 （shaded area along the oblique line indicates revise CAPE）

2018 年6 月13 日下午太行山东麓的河北省中南部自北向南出现强风雹天气（图2），保定、安平、深州、衡水城区、冀州5 个县（市、区）气象站观测到冰雹，最大直径达22 mm。衡水市北部和西部共有5 个县、市，21 个乡、镇出现风雹天气，出现冰雹的站点有安平（16 时08 分，直径14 mm）、深州（16 时30 分，直径6 mm）、衡水（17 时01 分，直径8 mm）和冀州（17 时24 分，直径22 mm），灾情调查发现衡水多地出现鸡蛋大小的冰雹，冰雹最大直径达4 cm。保定、石家庄、衡水的7 个县（市、区）出现8 级以上大风，最大风速22.4 m/s（9 级），于15 时出现在保定市，深州出现大风（16 时31 分，22 m/s），衡水市区域站中有12 个出现8 级以上大风。

3 资料来源与分析方法
本研究所用的雷达资料来自石家庄（新乐）CINRAD/SA 多普勒天气雷达（114°42 ′43 ″E，38°21′07″N，128.3 m，强度库长1000 m，速度库长250 m）和饶阳X 波段双偏振雷达（115°44′35″E，38°13′23″N，32.9 m，强度、速度库长皆为60 m），两部雷达相距94 km，均采用VCP21 模式进行观测，9 个仰角，体扫时间约6 min。同时利用北京探空站（54511）和观测区常规气象观测资料。

2018 年6 月13 日13 时40 分雹云在保定容城生成并向南移动（图2），所经路径发生间歇性降雹，16 时30 分冰雹云处于强盛期，同时在深州站观测到直径6 mm 的冰雹和22 m/s 的对流大风，此时雹云中心位于饶阳X 波段双偏振雷达西南约40 km处，与新乐SA 雷达构成三角形，符合雷达有效反演区域一般为两个雷达探测的径向速度夹角在30°—150°、雷达间的距离为60—100 km 的精度要求，处于双雷达反演的有效区域（图3 中矩形框区）。对X 波段雷达探测资料进行了系统误差和衰减订正（胡志群等，2008），并对两部雷达观测到的回波强度资料进行融合，使这一时刻的雷达反演风场及回波强度场更接近于实况。由于回波移动甚快（向南移速17.1 m/s，向东移速2.7 m/s），背景流场与云体的风场有明显区别，为此，做了水平移速订正，得到比较接近实况的相对于云体的流场。

双多普勒雷达风场反演算法采用刘黎平（2003）提出的直角坐标处理方法，与“共面法”相比，这种直角坐标系下的处理方法更简单。将雷达体扫数据经过质量控制后，利用双线性插值处理方法插值到直角坐标系中，为了充分发挥偏振雷达的观测精度优势，插值时设置的格点水平精度为0.0025°（约250 m），共200×200 个格点，垂直方向上的精度为500 m，高度从海拔0.5 km 到20.5 km共40 层。

4 雷达回波演变特征
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图2 2018 年6 月13 日风雹自北向南移动路径（新乐雷达0.5°仰角回波强中心（≥45 dBz）演变，三角为降雹区，绿色方框为主降雹区）
Fig.2 Moving path of the hail storm occurred on 13 June 2018 （evolution of the echo intensity center （≥45 dBz） from Xinle radar at 0.5° elevation.The triangles indicate hail areas，and the green box shows the main hail area）

石家庄新乐的SA 多普勒雷达完整地监测到了这次强风雹天气过程（图4a）。13 日中午保定东北部有偏北风和偏东风的地面辐合线生成，13 时30 分在辐合线附近的容城北部有小块回波开始发展，13 时42 分形成东西向带状回波。此后对流系统在西南方向新生、传播和发展，而其东部则逐渐减弱消散。14 时36 分对流风暴形成并向南移动，强度迅速加强，14 时48 分对流风暴到达保定，此后自北向南移动，15 时—17 时30 分降雹时段50 dBz以上强回波面积迅速扩大，最强反射率因子达67 dBz。回波（≥30 dBz）移动路径表明，冰雹云前期移速较慢，自北向南移动，后期移速加快，移向转为南东南，到衡水南部又转为向南，18 时于衡水南部消亡。

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图3 双多普勒雷达与雹云位置风场反演示意（矩形框区域为有效区域）
Fig.3 Schematic map of the locations of the dual-Doppler and hail clouds，which are used for wind field retrieval（the rectangular box area is the valid area）

16 时18—46 分雨量及降雹区（图4b）显示，雹云强中心及右侧出现强降水及线状降雹带，强雨区在西北方位，雹云移动方向的右后侧，落雹区与大雨区方位一致，0.5 h 雨量超过10 mm，降水区远大于降雹区，并且降水区明显超前于降雹区，大片雨区中雹区呈断点线分布，表明云中的成雨结构比成雹结构大得多、稳定得多，且成雹结构的空间分布具有明显的取向性。

针对强对流云在16 时30 分的特征结构进行深入分析发现，一是此时此地处于主降雹区末端，在深州出现冰雹（16 时30 分，直径6 mm）和对流大风（16 时31 分，22 m/s），再往南雹云已开始衰弱，降水性质由雹转雨；二是该个例16 时30 分位于饶阳雷达西南部，这个位置与新乐雷达和饶阳雷达位置构成三角形，有利于进行双多普勒雷达风场反演和对两部雷达的回波强度资料进行融合。早于或晚于16 时30 分的资料在作综合分析时会存在更多的不确定因素。

5 雹云流场-回波场的结构分析
由于雹云是深对流云，所以其垂直结构特别重要；又由于雹云结构经常是三维非对称的，不是任何一个垂直剖面皆可反映它的成雹结构特征。由于降雹区远小于雨区及降雹带的线状分布和不连续特征，这反映出成雹结构只占云体的一小部分且具有一定的走向，时间上也不是总能维持的。所以需仔细分析寻找特征剖面。分析步骤如下：

第1 步，由于特征剖面往往穿过云体主入流区，因而需先分析水平各层上的流场和回波强度场；

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图4 （a） 石家庄新乐的SA 多普勒雷达1.5°仰角≥30 dBz 的基本反射率演变（黑色方框内为双多普勒雷达反演区），（b）双多普勒雷达反演区（图a 中方框）16 时18—46 分累计雨量和降雹分布
Fig.4 （a） Evolution of basic reflectivity （≥30 dBz） from observations of the SA Dopple radar deployed at Shijiazhuang Xinle with the elevation angle of 1.5° （the black box indicates Doppler radar retrieval region），（b） cumulative rainfall and hail distribution in the retrieval region during 16:18—16:46 BT

第2 步，在第1 步分析基础上初步确定可能是特征垂直剖面的位置；

第3 步，仔细分析该处是否具有特征结构（范皓等，2019）。

16 时30 分，云体位于饶阳X 波段双偏振多普勒雷达西南部，与新乐CINRAD/SA 雷达形成最佳的双多普勒风场反演位置。所以文中着重分析的是该时刻的资料。

5.1 雹云三维结构
图5 为16 时30 分强回波中心所在的深州区域2.5—12.5 km 高度间隔2.5 km 不同高度上的回波强度CAPPI 与反演风场的叠加。图中显示在5.0—7.5 km 高度，强回波中心呈明显的“S”形水平流场，这是冰雹云的特征流型（Browning，et al，1976；Miller，et al，1990；刘式适等，2004；许焕斌，2012，2015），有利于成雹结构的形成及维持。

由图5 可见，在5、7.5 km 高度上均观测到S 型流场，虽然这个是反S 且中段偏长，但它基本还是S 型，南部顺转、北部逆转。关于S 型流场含义的叙述，请参见许焕斌（2012，图3.55b；2015），而且在S 形流场中段处风场的南风强且吹入强回波区，应是云体主入流区，沿主入流区（X=70）处寻找垂直特征剖面（X、Y 坐标值是水平格点数，X 轴指向东，Y 轴指向北，格距250 m）。

5.2 冰雹增长轨迹
从图6 可见，16 时30 分沿格点X=70（图7a 中黑实线）的垂直剖面也显示回波悬垂和弱回波区明显，强回波伸展高度12.5 km，在冰雹云前侧的弱回波区有强上升气流，它穿过冰雹云强回波中心到达回波顶。

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图5 16 时30 分不同高度层上的回波强度与反演风场叠加
Fig.5 Echo intensity overlapped with retrieved wind field at different altitudes at 16:30 BT

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图6 16 时30 分X=70 处强度剖面与u-w 风场垂直剖面（这是穿过主入流强中心的垂直剖面，仅在Y=90—120 范围（白方框）内能反映该剖面上的近似气流分布，因为两边是弯曲气流，不是顺剖面流动的气流）
Fig.6 Vertical profiles of echo intensity and 3D wind field along X=70 at 16:30 BT （This figure shows the vertical cross section along the center of the main inflow，which approximately reflects airflow distributionalong this cross section within Y=90—120 range （white box）;Note that both sides are curved airflows，not airflow along the cross section）

图7a 为6 km CAPPI，图7b、c 分别为沿X=70水平风场与强度的叠加、水平风场与垂直速度叠加的垂直剖面。图7b、c 中白色曲线位置，水平速度为0，为垂直速度大值区，具有明显的悬垂结构，为主上升气流所处位置，X=105 附近有回波墙。这些都是冰雹云的回波特征，也是冰雹“0 线”结构的一种表现（许焕斌等，2005，2008；范皓等，2019）。

从图5 和图7 中可看出，在5、6、7.5 km 高度上均具有“S”形流场，其中以6 km 高度的S 形最明显。从图7a、b、c 还可以看出，图7a 中S 形南部旋转区的下层（图5，5 km）是气流辐合区，在X=70 处垂直剖面上对应着图7b、c 中悬挂回波（O）、主上升气流和相对水平速度0 线。“S”形的二弯曲中间南风强，应是云体的主入流区。

从图7a 还可以看到，在雹云中常常具有这样特征，即存在水平风速近于“0”的区域，它邻近或穿越主上升气流区，且“0 线”穿过悬挂回波。这些雹云的结构特征其实是流场与水成物粒子场相互作用的表现，为此需要了解流场（向量场）和回波场（dBz，标量场）的配置，标量场有雷达皆可取得，而取得向量流场就需要双多普勒雷达。在这个双多普勒雷达实例观测中直接看到了“0 线”结构，体现在图7a 的X=70 剖面上，相对于雹云单体的水平相对速度0 线穿过悬挂回波中心（dBz-V-0 线，图7b），在0 线附近区域中V 近于0，但这里是云体上升气流轴线区（W-V-0 线，图7c）。这是实况双多普勒雷达观测资料反演风场给出的“0 线”结构。其基本特征不仅与理论图像（“穴道”结构）一致，而且也与单多普勒雷达探测资料定性分析勾画出的图像一致。但是用单多普勒雷达探测资料来寻判“0 线”结构要求雹云移向与雷达径向夹角小，而用双多普勒雷达观测资料反演风场来寻找“0 线”结构就没有这么严格的限制。

为了理解在图7 中定性勾画出的结构下如何形成大雹的可行运行增长路径，作为一种猜测性的尝试，给出图8 的示意。

图8 是由双多普勒雷达资料反演的风场、回波强度场为背景，勾画雹云中一种可能的大雹运行增长轨迹个例示意。轨迹曲线侧的圆圈尺度示意所在位置上冰雹大小的变化。图8 展示出0 线的垂直部位对应上升气流轴线，最强回波顶位于回波墙（图8a 中W 处）的正上方，弱回波区（图8a 中O 处）对应主上升气流区，冰雹增长运行沿着水平风速为0 的“0 线”附近进入主上升气流区长大，其运行轨迹距0 线越近，冰雹长得越大。

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图7 （a） 16 时30 分强度与风场6 km CAPPI 叠加 （黑实线为X=70 处剖面基线，黄色曲线为勾画的S 形流场），（b）沿格点X=70 剖面的水平风场与强度叠加垂直剖面 （O 为悬挂回波，W 为回波墙），（c） X=70 处水平风场与垂直速度叠加垂直剖面（白色曲线为0 线）（b、c 是穿过主入流的剖面，仅在Y=80—120 范围 （白方框） 内能反映此剖面上的近似气流分布）
Fig.7 （a） Intensity and wind field at 6 km altitude CAPPI at 16:30 BT （the black solid line is the baseline of the cross section at X=70，and the yellow curve outlines the s-shaped flow field），（b） vertical cross section superimposed by horizontal wind fields and intensity along the cross section at grid point X=70 （O is suspension echo；W is echo wall），（c） vertical cross section superimposed by horizontal wind field and vertical velocity at X=70 （the white curve is zero velocity line）（b and c show the profiles crossing through the main inflow，which can only reflect approximate airflow distribution within Y=80—120 range （white box））

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图8 （a）、（b） 为图7b、c 中0 速度线部分的截图，（c） 冰雹循环增长示意 （黑实曲线是水平速度“0”线，“0”线左右的背景水平风风向相反（空心绿箭头），带箭头的绿线是主上升气流轴，围绕“0”线的紫色曲线是大雹运行增长轨迹，顺轨迹运行线旁由小变大的紫色圆斑点示意冰雹是边运行边增长的）
Fig.8 （a），（b） are the screenshots of the 0 velocity line in Fig.7b，c，（c）schematic diagram of hail cycle growth（the black solid curve is the horizontal velocity "0" line，the horizontal wind direction is opposite around the "0" line （hollow green arrows），the green line with arrow is the main updraft axis，and the purple curve around the "0" line is the growth track of large hail.The purple dots along the track line that change from small to large indicate the hail is growing while moving）

由图8 粒子增长轨迹可见：粒子（图中1）从低层入流区进入云体主上升气流，水平气流向右，粒子边向上向右运行边增长，当其到达高层越过0 线后（图中2），水平气流反转向左，粒子被向左带离主上升气流中心部位，所经位置处上升气流变弱，气流托不住粒子因而粒子开始下落；当粒子下落并穿过下面的0 线后（图中3），水平气流转向右再次被粒子带入主上升气流区，粒子的移动方向由降转升，步入第2 循环运行增长过程（图中4、5）；在每一次循环中粒子皆随着它的尺度长大使循环路径更贴近主上升气流轴附近的0 线，直至长大成大冰雹在低层（图中6）再越0 线并穿过主上升气流区中心后右向落地，形成回波墙（图中7）。

6 结论与讨论
根据以上观测事实及定性分析，可以得到以下几点：

（1）从实例双多普勒雷达反演风场看到：雹云的中层强回波中心呈明显的S 形水平流场和悬挂回波配置的特征结构，是导致强单体雹云具有成雹的效应。据此通过实测的雹云单体三维结构佐证了雹云 “0 线”结构及效应。

（2）根据双多普勒雷达反演的回波强度场和流场，给出了雹云的三维立体结构，不同强度的等值面均呈向回波移动方向的倾斜结构，剖面图展现出宽广的悬挂回波区和其下的弱回波区、回波墙等典型雹云特征。在分析研究中，也体会到如何做好综合观测、获得时空一致的能相互印证的资料是个大学问，不是有了设备就能做到的，需有周全的顶层设计和观测-分析流程。

（3）由于这次雹云过程中单体代谢较为频繁，特征结构维持时间较短，位置变化较快，天气现象多样，能由实测资料抓获几个体扫实况实属幸运，但总体看仅提供了一些“蛛丝马迹”，只能做些定性分析。通过所介绍的分析步骤给出的这一模型虽存在证据不足且欠严谨的问题，但其基本特征还是显现出来了，而且与典型概念模型类似。鉴于它是直接观测资料的综合分析结果，对了解各参量间的内在联系和物理含义还是有帮助的。至于它所显示出的与典型概念模型的差别，说明了规律的实际呈现形式可以是多样的，这启示对于实例的认识只能参考概念模型内涵去思考，而不能被概念模型的外表束缚住。

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WANG Jianheng1,2 CHEN Ruimin1,2 HU Zhiqun3 XU Huanbin4 DUAN Ying2,5 ZHAO Xiaowei1,2 WANG Xia1,2

1.Hengshui Meteorological Bureau，Hengshui 053000，China
2.Key Laboratory of Meteorology and Ecological Environment of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China
3.State Key Laboratory of Disaster Weather，China Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China
4.Beijing Institute of Applied Meteorology，Beijing 100082，China
5.Hebei Province Weather Modification Office，Shijiazhuang 050021，China

Abstract A comprehensive analysis is conducted to investigate the weather background,hail characteristics,radar echo evolution and three-dimensional echo structure of the hail clouds that developed in the eastern foothill of the Taihang Mountains in the afternoon of 13 June 2018.Observations of the SA Doppler weather radar in Shijiazhuang and the X-band dual polarization radar in Raoyang are used in this study.Three-dimensional (3D) gridded wind velocity (flow field) is retrieved from the radial velocity of the dual Doppler radar,and the hail cloud structure is analyzed based on the echo characteristics.The results show that the strong upperlevel northerly jet caused the transverse trough to turn vertical,and the cold air behind the trough moved southward along the northerly airflow.Unstable stratification developed with cold and dry air above warm and wet air,which resulted in the hail weather near the low-level vortex and along the convergence line in the surface.The wind field retrieved from dual-Doppler radar observations shows that in the middle layer of the hail storm,there existed obvious S-shaped horizontal flow with characteristics of suspended echo.This is a typical "zero-line" structure conductive to hail formation.The existence of the "zero line" structure is confirmed by the observed 3D structure in hail storm and the diversity of its manifestation is demonstrated.

Key words Severe hailstorm，3D echo structure，S-shaped horizontal flow field，Wind retrieval using dual Doppler radar，Observation and analysis

2019-09-15 收稿，2020-07-01 改回.

王建恒，陈瑞敏，胡志群，许焕斌，段英，赵孝伟，王霞.2020.一次强雹云结构的双多普勒雷达观测分析.气象学报，78（5）：796-804

Wang Jianheng，Chen Ruimin，Hu Zhiqun，Xu Huanbin，Duan Ying，Zhao Xiaowei，Wang Xia.2020.Dual Doppler radar observations and analysis of the structure of a severe hailstorm.Acta Meteorologica Sinica，78（5）:796-804

*资助课题：河北省“十三五”气象重点项目（hbrywcsy-2017-05）、国家重点研发计划项目（2017YFB0504002）。

作者简介：王建恒，从事大气物理与人工影响天气研究。E-mail：hs_wjh@126.com

通信作者：陈瑞敏，主要从事天气预报研究。E-mail：chenruimin007@sina.com

中图法分类号 P482