2024, Vol. 50 
2. 河北省气象与生态环境重点实验室，石家庄 050021；
3. 河北省人工影响天气中心，石家庄 050021
2. Hebei Key Laboratory of Meteorology and Ecological Environment, Shijiazhuang 050021;
3. Weather Modification Center of Hebei Province, Shijiazhuang 050021
冰雹是强对流天气的主要灾害之一。强对流天气的短期预报主要参考基于环境条件和物理要素的分类潜势预报结果(孙继松等，2014；俞小鼎和郑永光，2020)，基于数值预报模式和对流参数指标构建的分类强对流天气概率预报也逐步在业务中应用(曾明剑等，2015；雷蕾等，2012)，从2010—2015年中央气象台强对流24 h分类预报检验结果来看，冰雹和雷暴大风的TS评分基本在0.05以下，预报能力远低于短时强降水(唐文苑等，2017)。
从20世纪80年代末开始，随着多普勒天气雷达网的布设，国内气象部门陆续开展了强对流天气临近预报预警业务。相关学者利用雷达观测资料对冰雹的观测特征进行了大量研究，直径2 cm以上强冰雹的雷达特征较为一致：很高的反射率因子、高悬的强回波(俞小鼎等，2005；胡胜等，2015)、异常大的垂直累积液态水含量值(俞小鼎等，2005；刁秀广等，2008；刘治国等，2008)、弱回波区和有界弱回波区(俞小鼎等，2005)、三体散射(Lemon，1998；俞小鼎等，2005；廖玉芳等，2007；胡胜等，2015)，到目前为止天气雷达仍然是强对流临近预警的主要工具(俞小鼎等，2012；俞小鼎和郑永光，2020；孙继松，2023)。
造成强冰雹的对流风暴类型有超级单体风暴、多单体风暴和脉冲风暴等几种(王昂生和黄美元，1978)。美国90%以上的超级单体风暴会导致强冰雹、龙卷和雷暴大风(Doswell Ⅲ，2001)。对发生在中国的224例超级单体风暴事件的统计分析(Yu et al，2012)表明，导致强冰雹、龙卷或雷暴大风的概率在80%以上。研究发现雹云中只有10%能发展成超级单体风暴, 但冰雹灾害的80%是超级单体造成的，因此对于冰雹的研究应抓住超级单体风暴(许焕斌，2012；俞小鼎等，2024)。
相较于常规天气雷达，双偏振雷达可以发射水平和垂直两个方向的偏振电磁波，除获得水平反射率因子(ZH)和基本径向速度(V)等常规探测参量外，还能得到差分反射率因子(ZDR)、相关系数(CC)、差分传播相移率(KDP)等偏振参量，可以识别降水系统内水凝物粒子种类、相态和大小，能够更精细地判断冰雹的大小。研究发现超级单体风暴还有一些独特的双偏振特征，在超级单体风暴低层前侧入流区反射率因子梯度大的部位往往会出现ZDR弧(Kumjian and Ryzhkov, 2008；Kumjian，2013b；刁秀广和郭飞燕，2021；王洪等，2018)，而风暴中层强上升气流区周围会出现环状或半环状ZDR环和CC环(Kumjian et al，2010；Kumjian and Ryzhkov, 2008；Kumjian，2013a；刁秀广和郭飞燕，2021；潘佳文等，2020b)，0℃层高度以上通常会出现ZDR柱或KDP柱，在多数情况下ZDR柱或KDP柱是分离的(Snyder et al，2013；Kumjian and Ryzhkov, 2008；Kumjian et al，2010；刁秀广和郭飞燕，2021)。ZDR柱与强上升气流区相对应，其高度与上升气流存在正相关关系，并可以作为判别风暴强度的指标之一(Conway and Zrnić，1993；Ryzhkov et al，1994；Kumjian et al，2014；刁秀广和郭飞燕，2021；刁秀广等，2021；潘佳文等，2020b；王洪等，2018；龚佃利等，2021)。0℃层高度以上KDP大值区的出现表明有丰富的液态水和(或)湿冰存在，因此，KDP柱可作为深厚对流上升气流特性的观测量度(Hubbert et al，1998；Loney et al，2002；van van Lier-Walqui et al，2016)。由于雷暴和雷达的相对位置以及雷暴后侧的降水等原因，即使雷暴中含有冰雹粒子，有时并不一定能够观测到三体散射(胡胜等，2015)，但是双偏振雷达中ZDR和CC产品上的三体散射更加明显(潘佳文等，2020b；陶岚等，2019；高丽等，2021；龚佃利等，2021)。
河北石家庄新乐雷达2018年升级为双偏振雷达(CINRAD/SAD)。基于该雷达探测资料，对2020年6月25日造成大冰雹的长生命史超级单体双偏振参量特征进行详细分析，了解该类超级单体风暴的双偏振参量结构演变特征，以期为大冰雹的精细预警提供一些参考。
1 天气实况及天气背景 1.1 天气实况2020年6月25日14：00—23：00(北京时，下同)河北保定、沧州、衡水部分地区遭受强冰雹、雷暴大风等强对流天气袭击(图 1)，造成严重经济损失。造成以上地区强对流天气的强风暴属于长生命史超级单体风暴，该风暴于12：48在山西灵丘生成，21：48在山东乐陵减弱消散，历时9 h，先后在河北保定、沧州、衡水等下辖的12个县(区、市)出现冰雹天气，受灾最为严重的保定蠡县、沧州肃宁冰雹持续了约1 h 12 min(17：54—19：06)，肃宁气象站观测到冰雹直径3.5 cm，网络报道两地冰雹大如鸡蛋；另外，沧州东光气象站也观测到直径3.2 cm的较大冰雹。降雹时保定清苑、沧州肃宁和献县伴有8级以上大风，最大风力24.7 m·s-1(献县段村镇)，多地伴有短时强降水，最大降水强度34.6 mm· h-1(沧州泊头万寨)。受风雹影响，沧州肃宁直接经济损失3390.19万元，农作物成灾面积3051.8 hm2。风暴路径及雷达站分布见图 1。
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图 1 2020年6月25日风暴路径(黑线)及雷达站分布 Fig. 1 Storm track (black line) on 25 June 2020 and distribution of radar station |
2020年6月25日08：00(图 2)，蒙古国上空有冷涡，中心位于乌兰巴托和我国二连浩特之间，500 hPa冷涡槽线南端位于内蒙古呼和浩特与河北张家口之间，在河北东部经山东到安徽有一个长波槽，河北中南部受槽后西北气流控制。850 hPa冷涡槽线从呼和浩特经山西北部到陕西延安附近。河北中南部500 hPa冷温槽叠加在850 hPa温度脊之上，上冷下暖，存在热力不稳定。20：00低涡系统东移，河北中南部500 hPa西北风加大形成急流，垂直风切变加强，有利于强对流组织化加强。
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图 2 2020年6月25日08:00 500 hPa风场(风羽)和天气形势配置 棕色实线为500 hPa槽线，红色实线为850 hPa槽线，蓝色三角线为500 hPa温度槽，红色点线为850 hPa温度脊。 Fig. 2 Configuration of 500 hPa wind field (barb) and synoptic situation at 08:00 BT 25 June 2020 |
在冰雹区域南北两侧有3个探空站，分别是北京、河北邢台、山东章丘(图 1)。分析北京25日14：00和20：00，邢台和章丘20：00探空数据(表 1)，850 hPa和500 hPa温差(ΔT850-500)在26.3~28.3℃，500 hPa温度露点差在23.4℃及以上(北京20：00除外)，邢台、章丘超过30℃，850 hPa温度露点差在3.5℃及以下，抬升指数(LI)都小于等于-3.7℃，河北中南部处于较强的条件不稳定环境中。20：00，北京、邢台、章丘500 hPa风速加大到21~24 m·s-1；0~6 km风矢量差(Wsr)加大到25.0~29.8 m·s-1，达到强垂直风切变标准；对流有效位能(CAPE)达到1017 J·kg-1及以上，抬升凝结高度(LCL)较高在1.4 km及以上(北京20：00除外)，对流抑制能量(CIN)较小, 都在66.0 J·kg-1以下，以上环境参数达到或超过了强对流的阈值(俞小鼎等，2012; 俞小鼎和郑永光，2020；孙继松等，2014)，有利于强对流发展。25日13：00对流在山西灵丘北部地面中尺度辐合线附近触发，沿引导气流向东南方向移动，在强的对流不稳定和强垂直风切变环境下发展演变为超级单体风暴。
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表 1 2020年6月25日3个探空站环境参数 Table 1 Environmental physical variables of three radiosonde stations on 25 June 2020 |
造成蠡县、肃宁大冰雹的单体6月25日12：48在山西灵丘北部生成，沿引导气流向东南方向移动，13：48进入河北保定涞源，16：24东移到保定易县南部发展为超级单体风暴，20：48东移到沧州东光东部减弱为多单体强风暴，21：12进入山东德州宁津，21：48在乐陵减弱消散，生命史长达9 h，移动速度约35 km·h-1。
25日13：30后多单体风暴迅速发展，14：06—20：42(超过风暴生命期的2/3)基于单体的垂直累积液态含水量(VIL)均超过60 kg·m-2，14：06—21：12风暴最大反射率因子(ZM)都在63 dBz以上(图 3)。16：24—20：42为超级单体风暴，持续4h18min，约占风暴生命期的1/2，风暴的ZM、VIL平均值分别为74.8 dBz和66.3 kg·m-2，最大值分别为81 dBz和82 kg·m-2，中气旋底高和顶高平均值分别为3.9 km和6.7 km，最大值分别为6 km和8 km，最小值为1.4 km和4.5 km，平均厚度为2.8 km，最强切变高度平均值为5.5 km，18：06—18：24中气旋厚度超过4.5km，18：12中气旋最为深厚，达到6.5 km，最强切变位于中层，高度为4.1 km，进入成熟阶段(图 3)。17：54—20：30蠡县、肃宁、东光大冰雹持续期间一直伴有明显三体散射(TBSS)和旁瓣回波，部分时次观测到有界弱回波区(BWER)。
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图 3 2020年6月25日13:30—21:30单体风暴特征参量随时间的演变 注：柱顶和底分别为中气旋的顶和底。 Fig. 3 Temporal evolution of cell storm structure parameters from 13:30 BT to 21:30 BT 25 June 2020 |
据媒体报道, 蠡县、肃宁冰雹有鸡蛋大小，蠡县距离石家庄新乐雷达站更近(80~90 km)，18：12超级单体位于蠡县北部，风暴中心距离雷达86 km，中气旋最深厚处于成熟阶段，BWER厚约5 km，上升气流强烈，ZM、风暴顶高、VIL分别为78 dBz、9.4 km和67 kg·m-2(表略)，此时大冰雹还没有下降，选取这一时刻分析大冰雹增长过程中的雷达特征。
3.1 低层特征图 4是6月25日18：12新乐双偏振雷达0.5°仰角产品。中气旋中心距离雷达站86 km，距离地面约1.3 km。由图可见，超级单体风暴低层50 dBz以上回波区长约15 km，宽约10 km，最大ZH达到74 dBz，有明显的旁瓣回波, 右侧(相对于风暴运动方向，下同)ZH梯度很大，中气旋位于超级单体右前侧，呈气旋式旋转，超级单体风暴右侧边缘有明显辐合流场，存在上升气流，将粒子携带到高层。强回波中心(ZH≥65 dBz，下同)对应小的ZDR(-2.5~1.3 dB)，有明显的负值区，强回波中心的CC差异大，后侧CC较大(0.92~0.97)，KDP超过1 °·km-1，其影响的区域站18：00—18：20逐5 min降水量都在6 mm以上，最大为12.8 mm，降水强度较大，因此推断有较大冰雹(直径2~5 cm，下同)并伴随强降水。其他区域CC较小(0.66~0.90)，KDP不显示，最小ZDR和最小CC位置基本重合，可以推断强回波中心有大冰雹(直径5 cm以上，下同)。超级单体风暴左后侧强回波区(50 dBz≤ZH＜65 dBz，下同)对应的ZH大部分在55 dBz以下，ZDR较大(1.3~4.7 dB)，CC较大(0.96~0.99)，KDP较大(0.7~1.9 °·km-1)，受其影响的区域站18：00—18：15逐5 min降水量都在1.3 mm以下，降水强度不大，由此可以推断此区域以弱降水为主，伴有少量的大雨滴和融化的小冰雹(直径1~2 cm，下同)。超级单体左前侧强回波区ZH大部分在55 dBz以下，KDP(0.7~1.9 °·km-1)与左后侧相当，但ZDR(2.8~5.4 dB)和CC(0.97~0.99)更大一些，受其影响的区域站18：10—18：20的10 min降水量只有0.3 mm，由此可以推断为融化的小冰雹。
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图 4 2020年6月25日18:12新乐雷达0.5°仰角各探测参量 注：蓝色实线为50 dBz等值线，蓝色和白色虚线为65 dBz等值线，图a中白色箭头代表风暴移动方向，图b中白色圆圈所示为中气旋。 Fig. 4 Detection parameters at 0.5° elevation of Xinle Radar at 18:12 BT 25 June 2020 |
在图 4c中方位角74°附近，距离雷达95~ 134 km存在明显的径向ZDR负值区(最小值在-5~ -4 dB)，研究表明这种现象是强冰雹导致的电磁波衰减造成的(Ryzhkov，2007；刁秀广等，2021)，因此这一现象也可以作为强冰雹的判断依据。对应区域CC为明显的小值区(CC≤0.90)，这种现象是强回波核径向上非均匀波束充塞所致。
3.2 中层特征图 5为6月25日18：12新乐双偏振雷达3.3°仰角产品, 图 5f在ZH上叠加了ZDR柱、KDR柱以及CC低值区轮廓线。中气旋中心距离雷达站85 km，距离地面约5.4 km，略高于北京-10℃层。由图可见，超级单体风暴中层50 dBz以上回波区长约20 km，宽约12 km，最大ZH达到78dBz，有明显的旁瓣回波，中气旋位于超级单体右侧，呈气旋式旋转，中气旋内部有明显的BWER(46 dBz≤ZH≤55 dBz；图 5a，5b中黑色实线)，表明存在强烈上升气流。BWER(图 5c中黑色点线)左侧和右侧出现ZDR柱(ZDR≥2 dB；图 5c，5f中黑色实线)，ZDR柱内ZDR最大值为3.75 dB，位于BWER左侧的强回波中心；CC低值区(CC≤0.70；图 5d，5f中白色实线)和KDP柱(KDP≥1 °·km-1；图 5e, 5f中绿色实线) 位于BWER两侧，另外，在强回波中心ZDR柱的东侧和北侧还存在ZDR柱(ZDR≥1 dB)。从ZDR柱、CC低值区和KDP柱的分布和范围(图 5f)可见，ZDR柱范围最小，位于超级单体的前侧，CC低值区和KDP柱的范围较大，更偏于超级单体的后侧，CC低值区在强回波中心更清楚，KDP柱在右侧强回波区更明显。
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图 5 2020年6月25日18:12新乐雷达3.3 °仰角各探测参量 注：蓝色实线、虚线分别为50 dBz、65 dBz等值线; 图f为图a局部放大；图a中白色直线为图 7剖面位置; 图b中白色圆圈所示为中气旋; 图a，b中黑色实线、图c~f中黑色点线所示为BWER; 图c，d中红色实线所示为TBSS; 图c，f中黑色实线为ZDR柱; 图d，f中白色实线所示为CC低值区; 图e，f中绿色实线所示为KDP柱。 Fig. 5 Detection parameters at 3.3 ° elevation of Xinle Radar at 18:12 BT 25 June 2020 |
超级单体中气旋内部有强烈上升气流，上升气流携带粒子到-10℃以上高空，最强上升气流区粒子减少，反射率减小，形成BWER。ZDR柱的形成与强烈的上升气流有密切的关系(Kumjian et al, 2014)，由于上升气流具有正的温度扰动，冰相粒子沿着上升气流周边下落部分或全部融化，水的介电常数约是冰的27倍，因此探测体积内的介电常数明显增大，而ZDR对介电常数非常敏感，最终导致上升气流附近ZDR增大，在BWER边缘形成ZDR柱(王洪等，2018)。另外，上升气流中存在大量液态水，在上升气流边缘下落的霰或冰雹经历湿增长，导致ZDR增大(Kumjian et al, 2010)。也有学者认为ZDR柱内大雨滴的来源可能是暖云降水的碰撞与合并过程(Tuttle et al, 1989), 或者是从反射率因子悬垂回波融化的冰相粒子掉到低层入流区并重新卷入上升气流(Loney et al, 2002)，因此ZDR柱内大雨滴、冰雹、霰等冰相粒子共存(王洪等，2018；潘佳文等，2020a；2020b；刁秀广等，2021)。
由图 5可见，强回波中心CC低值区在0.70以下，ZDR存在明显负值区，说明存在大冰雹，部分区域和ZDR柱重叠，ZDR柱内冰雹、大雨滴共存，粒子为混合相态，CC下降，下降程度和两种相态粒子所占比例有关，所占比例相当时，CC下降最明显。强回波中心ZDR柱区域CC为0.39~0.50，说明此区域大雨滴明显多于其他强中心区域。超级单体的前侧和后侧强回波区，ZH大部分在50~60 dBz，CC较大(0.98~0.99)，ZDR较小(-1.0~0.8 dB)，KDP较小(-0.8~0.1 °·km-1)，因此为干的小冰雹或霰。强回波中心内CC较小(0.39~0.92)，ZDR差异较大，存在明显的负值区，最小为-2.5 dB，也有小区域出现ZDR柱，大部分区域KDP较小(-0.8~0.1 °· km-1)，但KDP柱区域则超过1 °·km-1，表明有大的干冰雹和少量融化的较大冰雹。在右侧KDP柱的强回波区，ZDR较小(大多在-1.0~0.5 dB)，CC较大(0.85~0.98)，说明此处为融化的冰雹。
在ZDR和CC产品上有清楚的TBSS(图 5c，5d中红色实线内区域)，在强回波区的后侧CC很小(0.10~0.90)，同时ZDR在靠近风暴强回波区有较大值(1.0~3.5 dB)，说明该区域为TBSS(Hubbert and Bringi, 2000；Kumjian et al，2010；杨吉等，2020；刁秀广和郭飞燕，2021；陶岚等，2019)，在ZH产品上由于靠近强回波区还存在较大范围的35~45 dBz回波区，TBSS仍位于云体内部，无法识别TBSS，因此通过ZDR和CC产品能更早、更准确地识别TBSS，可以为大冰雹预警提供信息(潘佳文等，2020b；高丽等，2021)。
3.3 高层特征图 6为6月25日18：12新乐双偏振雷达6.0°仰角产品。中气旋中心距离雷达站82 km，距离地面约9.2 km，位于大冰雹有效增长层之上近1 km。由图可见，超级单体风暴高层50 dBz及以上强回波区长约15 km，宽约9 km，最大ZH达到71.5 dBz，超级单体风暴仍有旁瓣回波。中气旋位于超级单体右侧，呈气旋式旋转。BWER尺度减小，仍然存在较强的上升气流，强回波中心对应较小的ZDR(-0.5~0.8 dB)和KDP(-0.2~0.3 °·km-1)，CC为0.93~0.98，高层CC低值区(≤0.95)为较大的干冰雹，其他区域为小的干冰雹。在ZDR、CC和ZH上有明显的TBSS(图 6a，6c，6d中白色实线内区域)，靠近风暴强回波区一侧为高ZDR和低CC，远离风暴一侧ZDR减小为负值且CC更小，也可表明高层有较大冰雹。
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图 6 2020年6月25日18:12新乐雷达6.0°仰角各探测参量 注：蓝色实线、虚线分别为50 dBz、65 dBz等值线，图b中白色圆圈所示为中气旋，图a，c，d中白色实线所示为TBSS。 Fig. 6 Detection parameters at 6.0° elevation of Xinle Radar at 18:12 BT 25 June 2020 |
图 7为6月25日18：12新乐双偏振雷达的垂直剖面(图 5a中白色直线为剖面位置)，反射率因子65 dBz顶高达到10 km，接近-40℃层高度，5 km高度附近BWER(≤50 dBz)宽度约2 km，顶部高度约8 km，BWER深厚宽广，风暴发展旺盛。在0℃层和-20℃层间ZDR(≥2 dB)柱对称分布在BWER两侧，厚约3 km，在-20℃层之上ZDR(≥1 dB)柱迅速变窄，顶部高度约8.5 km，超过-30℃层高度，说明上升气流非常强盛(潘佳文等，2020a；2000b；刁秀广等，2021)。强回波中心CC低值区(≤0.70)的顶高超过-20℃层，最小值为0.35，说明粒子形态和构成比较复杂。KDP柱(≥1 °·km-1)主要位于BWER和强回波中心边缘，顶高超过ZDR柱，也表明上升气流非常强盛。由此可见，在BWER以及强回波中心区存在强盛的上升气流，从图 7b可以看出在BWER及其西侧有清楚的辐合风场，5 km以下为风向辐合，之上为风速辐合，为强上升气流提供了动力条件，同时，在强回波区5 km以下出现弱辐散，超级单体左侧出现下沉气流。
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图 7 2020年6月25日18：12新乐雷达各探测参量沿图 5a直线垂直剖面 注：蓝色实线、虚线分别为50 dBz、65 dBz等值线，图c~e中白色、红色、紫色直线分别为0℃、-10℃、-20℃层高度。 Fig. 7 Detection parameters of Xinle Radar of vertical profile along the white line in Fig. 5a at 18:12 BT 25 June 2020 |
超级单体内辐合风场高度达到10 km(图 7b)，6.0 °仰角(9.2 km)观测到BWER(图 6a)，因此强上升气流可以到10 km附近，超过有效增长层顶，0℃之上强回波中心的冰相粒子能够循环增长形成大冰雹。由图 7分析粒子分布特征，强回波中心的CC较小(0~0.90)，ZDR较小(0.8 dB以下)有明显的负值区，KDP存在较小区域(0.1 °·km-1以下)，因此有大的干冰雹。由于上升气流有正的扰动温度，在强烈上升气流边缘下落的冰相粒子融化，在BWER两侧形成ZDR柱(图 7c)，强回波中心ZDR柱区域，ZDR较大(1.0~3.5 dB)，CC较小(0.60~0.80)，KDP较大(0.5~1.7 °·km-1)，有较大的融化冰雹或大雨滴。因此，强回波中心这个区域相态复杂，CC值下降到0.50以下。西侧悬垂回波区域CC最大(≥0.99)，ZDR较小(0~0.5 dB)，KDP较小(-0.20~0.15 °·km-1)，说明是小的干冰雹。东侧强回波区ZDR较小(0~0.8 dB), KDP较小(-0.40~ 0.75 °·km-1)，高层CC较大(0.96~0.98)，是小的干冰雹，随着冰雹下落，融化或者湿增长导致低层CC减小。0℃层以下强回波中心ZDR负值区在2.5 km附近，说明大冰雹还没有落地。
4 大冰雹下降过程中双偏振参量及粒子分布演变特征据网络报道，蠡县和肃宁冰雹大如鸡蛋，蠡县气象站未观测到冰雹，肃宁气象站6月25日18：46观测到直径3.5 cm的较大冰雹，为了分析较大冰雹降落至地面前后ZDR柱、ZDR弧、CC低值区、TBSS和粒子分布演变特征，选取18：24、18：36和18：48的ZH、ZDR和CC垂直剖面进行分析(图 8a1、8a2、8a3中白色直线为剖面位置)。
4.1 大冰雹降落至地面前双偏振参量和粒子分布特征由图 8可见，6月25日18：24强回波中心-10℃层之上区域CC较小(≤0.90)，ZDR大部分较小(≤1 dB)，且存在明显负值区，有干的大冰雹，而在ZDR柱内ZDR较大(1~2 dB)，存在混合相态，CC降低到0.6，有融化的较大冰雹。在-10℃层以下到地面2.5 km以上的强回波中心CC较大(0.90~ 0.98)，ZDR较小(≤1 dB)，且有明显负值区，表明有较大的干冰雹，2.5 km以下ZDR较大(1~4 dB)，说明大冰雹还未落地。与18：12相比，18：24 BWER坍塌，演变成弱回波区，强回波中心顶高略有下降，底高降至最低仰角，0℃层和-20℃层之间ZDR柱对称程度明显降低，西侧ZDR柱的ZDR值减小，东侧ZDR柱高度下降到-10℃层，CC低值区西侧消失，说明大粒子下降，中层上升气流减弱。-20℃层之上ZDR柱(≥1 dB)和CC低值区位于强回波中心，ZDR柱高度略上升，宽度加大，因此在-20℃以上强回波中心靠近弱回波区一侧仍存在强盛的上升气流。0℃层以下弱回波区靠近强回波中心一侧下落的冰雹融化，ZDR值迅速增加，在0.5°仰角观测到ZDR弧(图 9a)，超级单体的ZDR弧与低层风暴相对螺旋度的大小存在正相关关系，林文等(2020)对超级单体、普通降雹单体和非降雹强对流双偏振特征的对比分析也印证了此种观点。
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图 8 2020年6月25日新乐雷达2.4 °仰角不同时次(a)ZH平面和(b~d)ZH、ZDR、CC垂直剖面 注：蓝色实线、虚线分别为50 dBz、65 dBz等值线；图a中白色直线为剖面位置；图c，d中白色、红色、紫色直线分别为0℃、-10℃、-20℃层高度。 Fig. 8 (a) Plane figures of ZH, (b-d) vertical profile of ZH, ZDR and CC of different times along the white lines in Fig. 8a at 2.4 ° elevation of Xinle Radar on 25 June 2020 |
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图 9 2020年6月25日新乐雷达0.5°仰角ZDR 注：蓝色实线、虚线分别为50 dBz、65 dBz等值线。 Fig. 9 ZDR at 0.5° elevation of Xinle Radar on 25 June 2020 |
6月25日18：36在超级单体左侧辐散高度上升到7 km处(图略)，下沉气流加强，超级单体左侧强回波中心和强回波区以下沉气流为主。由图 8可见，-10℃以上强回波中心对应ZDR负值区和CC大值区(≥0.99)，说明是小冰雹，0℃层以下的强回波中心对应清楚的ZDR洞，ZDR洞负值区下降到了最低仰角，CC较小(0.80~0.96)，表明大冰雹已经降到了最低层或地面。随着大冰雹的下降，强回波中心顶高继续下降。ZDR柱位于弱回波区靠近强回波中心一侧，顶高下降到-20℃层高度，说明上升气流位于弱回波区，强度虽然减弱但仍比较强盛。0℃层以下弱回波区靠近强回波中心一侧下落的冰雹融化，ZDR值仍然较大，在0.5 °仰角ZDR弧更加清晰(图 9b)，说明低层的旋转加强。
4.3 大冰雹降落至地面后双偏振参量和粒子分布特征6月25日18：48大冰雹下降到地面后，强回波中心底高和顶高都明显升高，ZDR柱仍然存在，位于超级单体的右侧，但ZDR值明显减小，0℃层以上强回波中心内又出现低于0.90的CC低值区，说明仍然存在弱上升气流。由于低层融化的冰雹粒子迅速减少，0.5°仰角ZDR弧变窄，ZDR值也明显减小(图 9c)。左侧强回波区0℃层以上ZDR较小(≤0.8 dB)，CC较大(≥0.99)，是小冰雹，下落融化导致0.5°仰角强回波区ZDR加大(图 9c)。
4.4 大冰雹下降至地面前后TBSS和ZDR的演变特征6月25日18：12—18：24在中高层ZDR和CC产品上可以看到清楚的TBSS，18：24 TBSS顶高下降(图 7c，7d, 图 8c1，8d1)，18：30—18：42中高层TBSS消失(图 8c2，8d2)，18：48在高层再次观测到TBSS(图 8c3，8d3)。18：18—18：42最低层(0.5°仰角)ZDR弧明显加强(图 9a，9b)，表明在冰雹下降过程中，超级单体风暴低层一直保持较强的螺旋度，有利于超级单体的维持或发展。18：48肃宁测站降下大冰雹(3.5 cm)后，在超级单体右侧仍然能观测到ZDR柱和CC低值区，说明弱回波区靠近强回波中心一侧始终存在上升气流区，强回波中心顶高和底高又开始上升，超级单体再次发展。
因此，根据强回波中心ZDR和CC大小、高度的演变，可以更精细判断冰雹的大小以及大冰雹的下降过程，可以将ZDR洞和CC低值区下降到最低仰角作为大冰雹即将触地的依据。
5 超级单体风暴双偏振参量特征示意图图 10a~10c分别是超级单体风暴低层(0.5°仰角)、中层(3.3°仰角)和高层(6.0°仰角)雷达双偏振参量典型特征示意图。从低层到高层超级单体向右侧倾斜，低层超级单体右侧(入流区一侧)有狭长的ZDR弧包裹在强回波中心的边缘，强回波中心为大冰雹区域并伴有较强降水，因此ZDR和CC都较小，超级单体左侧的前后侧下沉气流区，从靠近到远离强回波中心ZH减小(55 dBz→30 dBz)，ZDR减小(5 dB→0.2 dB)，KDP减小(3.1 °·km-1→0.1 °·km-1)，CC增大(0.90→0.99)，依次为融化的小冰雹、浓度不高的大雨滴和小雨滴。中层在BWER的两侧有ZDR柱、CC低值区和KDP柱，左侧ZDR柱、CC低值区和KDP柱位于强回波中心，左侧CC低值区范围更大，混合相态和大的冰相粒子导致CC迅速减小，出现了CC最小值，ZDR柱、CC低值区和KDP柱部分重叠，因此，强回波中心为大冰雹和融化的较大冰雹，右侧的KDP柱范围更大，KDP值也更高，右侧融化程度更高一些。高层强回波中心为较大的干冰雹，ZDR以负值为主，仍然有CC低值区，但高于0.90。与山东诸城大冰雹超级单体双偏振特征相似(刁秀广等，2021)，但KDP柱的宽度明显大于山东超级单体，因此没有明显的KDP柱和ZDR柱分离现象，而是ZDR柱偏在KDP柱东侧(图 7c, 7e)。
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图 10 超级单体风暴不同高度双偏振参量特征示意图 Fig. 10 Schematic diagram of dual polarization parameters characteristics at different heights of supercell storm |
(1) 超级单体风暴产生在上干冷、下暖湿的强热力不稳定和强的垂直风切变环境下，BWER清晰，中气旋深厚，持续时间超过4 h，TBSS和旁瓣回波持续2 h以上，属于长生命史超级单体风暴。
(2) 超级单体风暴低层强回波中心ZH超过65 dBz，对应小的ZDR和小的CC，KDP大范围不显示，小范围较大，大冰雹与强降水共存。超级单体风暴左侧前后强回波区ZH在50~55 dBz，对应大的ZDR、较大的CC和较大的KDP，为融化的小冰雹和少量的大雨滴。强回波中心右侧有清楚的ZDR弧包裹，对应小的ZH、大的CC和较大的KDP，融化明显，有少量的大雨滴。
(3) 超级单体风暴中层ZDR柱、CC低值区、KDP柱位于BWER左右两侧，左侧CC低值区更强，右侧KDP柱更强，在BWER和强回波中心有强的上升气流，强回波中心对应小的ZDR，但ZDR柱、KDP柱也位于其中，存在混合相态且结构差异较大，CC更小，为大的干冰雹和融化冰雹。超级单体的前侧和后侧强回波区ZDR和KDP较小，CC大，为小的干冰雹或霰。
(4) 超级单体风暴高层强回波中心ZDR和KDP较小，CC较大，为较大的干冰雹。中高层ZDR和CC产品比ZH产品的TBSS更清晰，可以作为大冰雹识别的特征。
(5) 大冰雹下降过程中，ZDR柱高度下降，强度减弱，尤其是强回波中心的CC低值区高度迅速下降，强度明显减弱，同时低层ZDR弧加强，大冰雹下降到最低仰角时，ZDR洞扩展到最低仰角，因此可以利用ZDR和CC大小和高度的演变监测大冰雹的下降过程，ZDR洞和CC低值区下降到最低仰角可以作为大冰雹即将触地的依据。
(6) 在大冰雹下降过程中超级单体右侧弱回波区ZDR柱、CC低值区减弱但一直存在，且低层ZDR弧加强，中层旋转减弱，低层旋转加强，说明强上升气流一直存在，超级单体能够长时间维持。
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