塔额盆地8.12罕见强单体风暴双偏振雷达特征分析

摘要：本研究针对塔额盆地8.12强单体风暴，利用X波段双偏振雷达数据进行了深入的特征分析。通过数据收集与处理、特征参数提取、内部结构分析、演变过程分析以及影响机制探讨等多方面的研究，揭示了风暴的内部结构、演变过程。本研究不仅填补了该领域的研究空白，还为防灾减灾提供了科学依据。

关键词：塔额盆地、8.12强单体风暴、双偏振雷达特征分析、演变过程

一、研究内容

2023年之前塔城地区一直无多谱勒雷达，故无法较精细的研究强对流单体粒子结构相关特征，利用多谱勒双偏振天气雷达对塔城盆地强对流天气过程的分析研究基本处于技术空白，不能适应经济社会的发展需要。

    2023年6月托里气象局建成并投入运行X波段双偏振多谱勒雷达。双偏振雷达较原有的多谱勒雷达在原有的观测产品基础上增加差分反射率（ZDR）、比微差相移（KDP）、差分相移率（ФDP）、相关系数（ρHV）等偏振参量，可以有效识别强对流云中的粒子形态及分布，为风暴的精细化监测和分析提供了有力支持。

    2023年8月12日塔城盆地北部出现一次历史罕见强单体风暴过程，社会关注度极高，各类媒体均在显著位置进行了报道。故利用双偏振雷达产品对塔城盆地强对流的天气特征进行系统的研究十分必要，分析该过程特征对塔城盆地今后开展冰雹预警具有重要意义。

在这场风暴中，双偏振雷达作为一种先进的气象监测工具，发挥了至关重要的作用。双偏振雷达不仅能够提供传统的反射率信息，还能获取风暴内部的降水粒子类型、粒子大小分布以及粒子的空间取向等丰富信息，为风暴的精细化监测和分析提供了有力支持。

本研究将托里X波段双偏振多谱勒雷达资料对塔额盆地8.12强单体风暴的双偏振雷达特征进行深入分析，旨在增进对这类罕见气象事件的理解。通过揭示风暴内部的微观物理过程和降水机制，以及风暴的动力学特征和移动路径，我们可以为风暴的预警和防灾减灾提供科学依据。

二、环流背景

2023年8月11-12日20：00（北京时）塔城盆地处于西伯利亚高空槽前位置，盆地西北上游巴尔喀什湖处于500hpa低涡槽前位置，与盆地同受西南暖湿气流控制（如图1、图2、图3）。

图1：8月12日08时500hpa环流形势

图2：8月11日20时EC细-500高空+700湿度   图3：8月12日20时EC细-500高空+700湿度

08时塔城探空资料显示:地面温度为16.2℃，露点为12.9℃；0℃层高度为3.6km，-20℃层高度为7.1km,湿球0℃层高度为3.5km。地面至850hpa风向由东北风转为西南风，呈弱气旋式切变（0.1-6.3m/s）；850hpa以上风向随高度变化不大，为西南风控制（由低至高为6.2－22.1m/s）, 850－500hpa温差为28.4℃。CAPE（不稳定能量）为0，K指数为35.4（30<K<35,成片雷雨），SI指数为0.78（0℃<SI<+3℃,有发生阵雨的可能）（如图4）。

图4：8月12日08时探空曲线图

从低层的水汽通量、风场的水平分布看，此次天气的水汽主要来源于地中海和黑海。从850 hPa的水汽通量和流场分析，暴雨过程前期，11日02时开始，地中海东部和黑海就有大片水汽通量大于20×10-3·g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽沿环流将水汽输送至中亚，并在咸海加强后水汽输送至塔城地区，水汽通 量中心值达6×10-3·g·cm-1·hPa-1·s-1 ，充沛的水汽输送持续至12日20时（如图5）。

图5：11日20时-12日20时850hPa水汽通量和流场

8月12日盆地08时EC细网格显示,850-300hpa区间处于负速度上升气流区，500-600hpa负速度最大区。地面至550hpa相对湿度高，水汽较充沛(如图6）。

图6：8月12日塔城（51133）垂直速度+相对湿度剖面

超级单体风暴具有单一的特大垂直环流强风暴云，垂直环流强度大、非对称且有组织，前部有斜升气流，后部有下击暴流。其特征是存在中气旋：一种深层的、持续旋转的上升气流。它区别于其他强风暴的本质特征是拥有深厚持久的中气旋，且中气旋至少存在连续两个体扫以上。1978年Brownin指出，超级单体风暴可重新定义为具有中气旋的对流单体(中气旋在径向速度上呈现为一沿方位角方向相隔不远的正负速度中心，其尺度通常小于10 km)。超级单体作为一个强烈发展的对流单体的特征除了其准稳定状态外，一个重要的特征是雷达回波存在一个弱回波区WER或有界弱回波区。

双偏振多谱勒雷达产品组合反射率因子（CR） PPI 产品显示出的是整个可探测大气空间的最大反射率因子分布，因此有利于探测对流单体的结构特征、强度、移速和路径等。回波顶高（ET）能快速探测风暴的发展高度。垂直累积液态含水量（VIL）有助于识别较大冰雹单体、超级单体。径向速度图能探测风暴结构，识别气旋、反气旋、切变、辐合辐散等。

强单体风暴演变过程：7时23分雷达观测到塔城市区西南70公里境外出现强对流单体向东东北方向移动，中心强度30DBZ；7时56分至08时10分强中心移动至市区西南30公里位置，中心强度55DBZ，形成强单体风暴。08时14分形成弓状回波带持续至08时24分，期间不断分裂-合并-分裂。

三、强单体风暴结构雷达特征分析

07时56分CR强反射率区对应速度产品1.4°仰角呈现辐合，正速度7m/s，负速度-6.5m/s，高度4.1km；2.4°仰角呈现辐合，正速度6m/s，负速度-5.0m/s，高度5.9km。3.4°仰角呈现辐散，正速度7m/s，负速度-5.5m/s，高度7.5km（如图7）。

图7：07时56分速度产品1.4-3.4°仰角

VIL（垂直累计液态水含量）为9.5kg/m**2；

CC（相关系数）0.95--0.98，可能存在融化的小冰雹；

KDP(差分相移率）3.3，降水强度较高。根据国内经验，对于南方暖云降水，KDP＞1°/km时，可能出现大降水。如达到2°/km及以上时，可能出现80mm/小时雨强（偏振雷达产品在强对流天气监测预警中的应用-基本图像识别-王秀明）。ZDR（差分反射率）约为1.4dB，根据经验值降水粒子直径约为2.5mm。（如图8）

ET(回波顶高)显示为7.9km。1.4°仰角PPI沿径向剖面显示45-55dB强核心高度在3.0--6.5km，最强核心55dB高度在4.0--6.0km（如图9）。

图9：07时56分1.4°仰角基本反射率剖面

08时00分CR强反射率区对应速度产品1.4°仰角呈现速度-12.0m/s负值区，高度4.1km；2.4°仰角呈现辐合，正速度7m/s，负速度-7.0m/s，高度5.9km。3.4°仰角呈现速度-5.0m/s负值区，高度7.5km。VIL（垂直累计液态水含量）为1kg/m**2。较上一体扫增加1.5；

CC（相关系数）0.95--0.97，可能存在融化的小冰雹；

KDP(差分相移率）3.5-3.9，降水强度增加。

ZDR（差分反射率）约为1.3-1.8dB，根据经验值降水粒子直径约为2.0-3.0mm；（图略）

ET(回波顶高)显示为8.8km。1.4°仰角PPI沿径向剖面显示45-55dB强核心高度在2.5-6.5km，最强核心55dB区域较上一体扫减小至4.0-5.0km（图略）。

08时05分CR强反射率区前部0.4°-3.4°仰角呈现辐散，3.4°仰角呈现强辐散，正速度最大为8m/s，负速度为-14m/s，高度7.5km。CR强反射率区后部：3.4°仰角呈现强烈辐合，负速度为-12.5m/s。强单体风暴已经进入市区南部，云体前部出现较强下沉气流。

VIL（垂直累计液态水含量）8.5kg/m**2。

CC（相关系数）小于0.97，可能存在融化的小冰雹；

ZDR（差分反射率）约为1.6-1.0dB，降水粒子直径约为2.0-3.0mm（图略）。KDP(差分相移率）2.0-2.8，维持较强降水。

ET(回波顶高)显示为8.5km。1.4°仰角PPI沿径向剖面显示45-55dB强核心高度在2.0-6.0km，最强核心55dB区域较上一体扫减小至3.5-4.5km。强核心区下降1km左右，低层至2.5km出现(WER)有界弱回波区，但速度产品无中气旋显示（如图10）。

图10：08时05分组合反射率1.4°仰角基本反射率剖面图

08时10分CR强反射率区前部1.4°-3.4°仰角呈现强辐散。3.4°仰角最大负速度为-12m/s，正速度5.5m/s。CR强反射率区后部：1.4-3.4°仰角呈现辐合。

VIL（垂直累计液态水含量）11.5kg/m**2，北部新增强中心为10.5kg/m**2。

CC（相关系数）两个强回波区域者小于0.90，可能存在融化的小冰雹；

KDP(差分相移率）2.0-2.8，维持较强降水。

ZDR（差分反射率）约为1.8dB，降水粒子直径约为3.0mm；新强中心为0.6dB（图略）。

ET(回波顶高)显示为8.5km。1.4°仰角PPI沿径向剖面显示45-55dB强核心高度在2.0-6.0km，宽度为2.8km，最强核心55dB区域较上一体扫面积减小，但强核心面积增加。CR显示强核心北部生成新强对流区。低层至2.5km出现(WER)有界弱回波区，但速度产品无中气旋显示（如图11）。

图11：08时10分1.4°仰角基本反射率剖面图

08时14-24分形成弓状回波带

CR及剖面图显示形成西南至东北长度约30km，宽度约12km弓状强回波带。强回波区域经历分裂-合并-再分裂。回波顶高达10km，地面出现强风、强降水，强单体风暴过程结束。自动站实时资料显示：市区南部也门乡自动站08时23分出现风速极大值（293/23.4m/s），8-9时1小时降水4.7MM;其东南约18公里处的奥布森自动站08时34分出现风速极大值（264/16.3 m/s）,1小时降水3.3MM（如图12）。

图12：08时14-24分CR产品显示弓状回波带

8时19分-8时24分强回波带KDP显示为2.4-4.2；强回波带前部CC显示0.97以上，强回波位置相关系数较低0.9左右；ZDR显示0.8-1.3dB，形成ZDR柱。整体显示为雨夹霰混合态，大粒子强降水特征（如图12）。

08时19-24分ET(回波顶高)显示为维持在8.5km。VIL（垂直累计液态水含量）最大值为10kg/m**2，8-10kg/m**2面积减少，但5.0-6.0kg/m**2面积迅速增大。

08时14-20分强回波前部0.5-2.4°仰角速度图显示均为辐散。08时24分0.5°仰角（距离地面2.5km左右）显示弓状回波顶部位置出现长约8km，宽约3km正速度18.5m/s大值区域。也门乡自动站08时23分出现风速极大值（293/23.4m/s）（如图13）。

图13：08时14-20分0.5-2.4°、08时24分0.5°仰角速度图

 结论

   “8·12”强单体风暴是在有利的天气尺度环流背景下产生的，期间经历强单体初生-加强-持续-多单体弓状回波带过程。

    1、有利的垂直上升运动。500 hPa上的高空槽为强风暴的发生发展提供了有利的垂直上升条件，850-300hpa强上升气流与湿度场配置有利于雷暴的触发。

    2、有利的水汽条件。充沛水汽源源不断的沿环流从地中海东部和黑海经中亚再经咸海最后输送至塔城地区,为此次强风暴过程提供了充足的水汽。

    3、08时探空产品K指数与SI指数，对本次强雷暴过程预测具有一定指示意义；近地面因地形影响有风切变，但850-200hpa均为稳定的西南气流。

    4、风暴移动路径距离雷达100km左右，故2km以下无回波。X波段雷达产品能表现出一定强单体风暴的雷达特征。该雷达速度场能识别特定高度基本辐合辐散特征，其它如弱回波区、冰雹指数、风暴结构、风暴追踪、风廓线等产品显示不全或无数据，综合分析较困难。表现出雷达近处出现强风暴或远距离观测强风暴时，实际监测范围受电磁波衰减影响较大。

    5、8时05分-08时10分剖面图显示WER(有界弱回波区)，理论上同时存在一个持久且深厚的中气旋，受雷达产品精度和观测距离影响，中气旋识别困难。

    6、本次过程雷达未监测到三体散射、勾状回波等与冰雹相关的特征，实际盆地未收到降雹信息。双偏振产品特征与降水过程和强度较一致，未显示明显大冰雹特征。

    7、08时时14分至24分形成弓状回波带V/VIL产品反演与也门乡、奥布森自动站实时数据有较高一致性。

    8、因本人自身能力有限，对X波段雷达双偏振产品、卫星产品的解析还需进一步学习和深入。本课题在分析研究过程中，地区气象台给于了大力指导，在此表示感谢。

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基金项目：2023年度塔城地区气象局局管课题项目

作者简介：李波（1975.12）男，汉族，山东青岛人，本科，工程师，从事研究方向或职业：气象、人工影响天气、气象雷达保障。