基于双偏振雷达资料的洞庭湖区一次强对流过程的分阶段特征分析

唐明晖,陈龙,陈鹤,邓朝平,吴亚昊

(1.湖南省气象台，长沙 410118;2.气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙 410118)

引言

洞庭湖区位于处于长江中游荆江南岸，跨湘鄂两省，有湘、资、沅、澧四水注入，在长江经济带建设中处于明显的战略地位。据统计，洞庭湖区是湖南强对流天气高发区(潘志祥等，2015)。强对流天气对渔业、航运以及湖泊观光旅游安全造成很大危害。如2013年3 月22 日，洞庭湖区岳阳因超级单体风暴导致风雹灾害，造成死亡1人、倒房356户1 066间、农作物受灾面积13 910 hm2，直接经济损失达2.2 亿元；2018 年5月18日，洞庭湖区湘阴、汨罗、平江等地出现强对流天气，最大风速达28.7 m·s-1，造成农作物、居民住房、交通、电讯、水利等方面全面受灾，直接经济损失高达1.1亿元。因此开展洞庭湖区强对流分析研究，尤其是分类预警，提炼预报技术指标刻不容缓。

国内学者应用新一代天气雷达产品对该地区强对流天气做了一定的探讨和研究。如蔡荣辉(2017)等针对雷暴大风开展了天气系统配置的分型研究；杨伟等(2020)通过对多次龙卷过程分析研究指出，高空辐散与边界层辐合叠加产生的强烈抽吸作用对水龙卷的发生发展十分重要。但以上研究仅局限于单偏振天气雷达，随着我国天气雷达技术不断发展，将逐步完成双偏振升级改造，双偏振天气雷达与单偏振天气雷达相比，不仅能获取到目标物的回波强度，还能测得差分反射率因子(ZDR)柱、差分相移率(KDP)、相关系数(CC)等新的独立变量，提供更加全面的冰雹状态信息(刘黎平等，2002，2016；杨祖祥等，2019；杨通晓和岳彩军，2019；朱义青和胡顺起，2021)。双偏振天气雷达在冰雹研究应用领域也取得一些进展(冯晋勤等，2018；刘红亚等，2020；曹舒娅等，2021；高丽等，2021)，潘佳文等(2020)指出大冰雹区表现出低ZDR、三体散射(TBSS)相关系数低；刁秀广和郭飞燕(2021)发现风暴低层强反射率核后侧径向上出现显著ZDR负值区，可作为大冰雹(直径＞50 mm)的识别依据；潘佳文等(2021)也明确指出ZDR柱对降雹，尤其大冰雹具有一定提前量。相比较对冰雹的双偏振研究而言，国内对雷暴大风的双偏振研究应用较少，国外近年的研究表明，冰雹融化、增发冷却形成的固液混合态粒子对下击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 日洞庭湖区出现了一次强对流过程，结合雷达回波发展演变特征发现，本次过程分为多单体风暴和飑线两个阶段，且强对流天气类型有明显差异，因此本文将利用双偏振雷达针对本次过程进行分阶段分析，以期为洞庭湖区分类强对流监测及预警提供重要参考依据。

1 资料及天气实况

1.1 资料说明

本文所使用的双偏振雷达数据均来自长沙S波段多普勒天气雷达(海拔高度622 m、雷达扫描模式为VCP21，以下简称长沙雷达)，天气系统、探空分析数据来自常规观测资料，冰雹、降水、雷暴大风资料来自地面气象观测站和灾害报告。

1.2 天气实况

受高空槽东移、西南急流和地面辐合线的共同影响，2021年5月15日(北京时，下同)午后至夜间洞庭湖区出现了一次强对流过程(图1a)：10站次冰雹，其中岳阳县公田站最大冰雹直径3 cm(17∶00)；22站次雷暴大风，其中岳阳县中洲站瞬时大风最强达到36.9 m·s-1(20∶23，12级)，突破该站有气象记录以来风速历史极值；275站次小时雨强达到20 mm·h-1。白天和夜间强对流天气有明显差异：冰雹主要出现在午后的14∶50—17∶00(受分散的多单体风暴前后移入洞庭湖区影响)，仅1 站次冰雹出现在21∶00；雷暴大风全部出现在夜间的20∶00—21∶30 (受线状的飑线整体移入洞庭湖影响)。受极端强对流天气影响，洞庭湖区1.8 万人、885 hm2农作物受灾、倒塌房屋71 间，且多条交通干线、通讯线路和电力线路中断。

图1 2021年5月15日08∶00—16日08∶00洞庭湖区强对流天气的空间分布(a)、15日19∶05—21∶00岳阳县中洲站逐5 min气象要素演变(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 岳阳县中洲的极端大风达到36.9 m·s-1(12级)，分析极端大风发生(图1b黑色箭头)前后气象要素变化可知，20∶15前，该站气温维持25 ℃左右、气压维持993 hPa左右，风速较小(低于4 m·s-1)。20∶15—20∶30，气温由25.2 ℃降至23.0 ℃；风速急增，5 min 风速增加15 m·s-1，20∶25 达到18 m·s-1(期间瞬时最大风速达36.9 m·s-1)；气压由992.4 hPa 升至997.3 hPa，5 min 内上升4.9 hPa；5 min 降雨量从20∶15 开始快速增强，20∶20、20∶25的5 min雨量达到8.2 mm、11.6 mm，表现出典型的飑线过境时气温下降、风力急增、气压猛升的特征，且短时雨强大。

2 环流背景和探空资料分析

15 日08∶00(图略)，洞庭湖区处于200 hPa 高空急流强辐散区内、500 hPa 高空槽前、500—925 hPa 西南急流核区；700 hPa干舌、850 hPa湿舌在洞庭湖区构成上干冷、下暖湿的不稳定层结；15 日白天地面暖低压在湖南南部显著发展，午后开始在地面辐合线作用下触发了强对流发生。20∶00 和08∶00 相比，500 hPa 高空槽向东移动约450 km，洞庭湖区其他天气系统配置、不稳定层结特征基本维持不变(图略)，因此本次过程发生在典型的低空暖平流强迫背景下(许爱华等，2014)。

对离洞庭湖区最近的长沙探空站进行分析，08∶00仅存在较浅薄大气湿层(图2a)，925 hPa和850 hPa比湿均达到了14 g·kg-1(表1)；500 hPa比湿仅为2.5 g·kg-1；0—3 km、0—6 km垂直风切变为18.0 m·s-1、30.4 m·s-1，达到了强垂直风切变强度；湿球0 ℃层(WBZ)、-10 ℃层、-20 ℃层高度为4.4 km、6.7 km、8.0 km，WBZ 明显低于0 ℃层高度(4.7 km)，干层向下延伸到较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)。对流有效位能(CAPE)为587.8 J·kg-1，CAPE经14∶00 的地面温度订正后达2 187.3 J·kg-1，且集中在-10～-30 ℃高度，较大的不稳定能量有利于冰雹增长。20∶00各项对流指数仍有利于强对流的发生(表1)，和08∶00 相比，0—3 km 垂直风切变进一步增大，达到了19.5 m·s-1，远远超过了马淑萍等(2019)统计的极端雷暴大风发生的平均值(13.3 m·s-1)；K指数增强至39.8 ℃；850 hPa 以下干层更加清楚，探空曲线(图2b)类似于康岚等(2018)分析得到的典型湿下击暴流“X型”探空形态。对比而言，雷暴大风特别是极端性大风的潜势较白天进一步增强；夜间随着洞庭湖区温度下降(图略)，CAPE 条件较午后到傍晚下降，因此仅21∶00观测到小冰雹。

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

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

3 多单体风暴阶段的双偏振特征分析

洞庭湖区的冰雹是由多个单体风暴前后影响该区域所致(图略)，其中超级单体I2(图3红色椭圆所示)为维持时间最长的风暴。由于洞庭湖区处于长沙雷达50—100 km 距离圈内，结合长沙雷达海拔高度，选取2.4°仰角间隔30 min的反射率因子对I2的演变进行追踪分析(图3)。从图3 可见，I2 于13∶59 初生于洞庭湖区西侧的沅江(图3a)，并快速东移北上(图3a—d)，15∶54 开始转为东移为主(图3e—h)。14∶45、15∶02，2.4°仰角ZH首次出现旁瓣回波且维持了4个体扫(图3b)；14∶56、16∶11、16∶23、16∶34—16∶40、16∶57、17∶14 均识别出中气旋，此后I2 强度略有减弱，但仍维持强风暴强度，17∶00出现3 cm冰雹。

图3 长沙雷达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°仰角间隔30 min反射率因子ZH演变图(红色椭圆为单体风暴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 首次被雷达识别，为了更加清晰地反映I2 的演变过程，下文用最大水平反射率因子(DBZM)、垂直累积液态水含量(VIL)、质心高度(HT)、回波顶高(TOP)这些风暴参数及单体强回波面积S55(ZH≥55 dBz)、S60(ZH≥60 dBz)，S65(ZH≥65 dBz)来分析其发展演变过程(图4)。

图4 2021年5月15日13∶59—17∶37风暴I2的最大水平反射率因子(DBZM)、垂直累积液态水含量(VIL)、强回波面积(S55、S60、S65)、强质心高度(HT)和回波顶高(TOP)变化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 逐步发展，DBZM、VIL、TOP、S55面积在波动中缓慢增至60 dBz、53 kg·m-2、7.3 km、15 km2；VIL、TOP 低于55 kg·m-2、8 km；HT 低于冰雹的有效增长层-10 ℃高度(6.3 km)，此为初始发展时段。14∶50开始，DBZM稳定维持在60 dBz以上，最强达到了74 dBz，16∶17—16∶40连续4个体扫大于70 kg·m-2；HT、TOP、VIL大部分处于稳定增长状态，VIL最大达到92 kg·m-2，尤其是HT、VIL 2 个体扫(14∶56—15∶02)跃增幅度达2.1 km、26 kg·m-2；强回波面积S55、S60、S65逐渐增大，且S60、S65达到了120 km2、81 km2；HT 一直处于冰雹的有效增长-10 ℃高度(6.3 km)，为冰雹的翻滚增长提供了有利条件(Witt and Nelson，1991；胡胜等，2015；曾智琳等，2019)，此为冰雹碰并增长时段。HT在16∶40骤降至2.4 km(降幅达3.9 km)，低于WBZ高度，此后，HT虽又有所升高，但也低于冰雹有效增长-10 ℃高度(6.3 km)；S60、S65则出现较稳定的下降，S55发展至最大(达到380 km2)后再减小；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 进一步降至WBZ 高度，说明此时风暴上升气流减弱，无法承托大冰雹时段，此为成熟降雹时段。

综上所述，解放战争时期的教育是新民主主义教育的重要组成部分，对新中国成立初期教育事业的发展产生很大的推动作用，对当前党的教育事业具有一定的借鉴作用。因此开展解放战争时期党对教育问题的认识和实践的研究很有必要。国内外学界对本选题都有较为深入的研究基础，特别是国内学界研究成果的数量和质量都有较大的提高。

由上述风暴演变过程可知，超级单体A导致了3 cm(17∶00)大冰雹发生，经历了初始发展时段(13∶30—14∶45)、冰雹碰并增长时段(14∶56—16∶34)、成熟降雹时段(16∶40—17∶32)，其发展演变过程符合潘佳文(2020)、陈龙(2023)、俞小鼎(2020)等对冰雹云的研究结果。接下来进一步对I2三个不同时段雷达偏振量产品的垂直结构变化进行分析，以剖析冰雹云在不同演变时段雷达偏振参数所体现出的特征和云物理机制。

3.1 I2初始发展时段

I2 初始发展时段为I2 从初生到云体跃增之前时段。该阶段ZH达到55 dBz，对应径向速度图有“逆风区”特征，说明具有一定辐合特征，辐合的上升气流将雨滴向上输送，雨滴在上升过程中不断增长，随着粒子直径增大、轴比增大，导致ZDR不断增大，大部分为0.2～3.0 dB，最强达到3.5 (图略)。14∶45 2.4°仰角首次出现了旁瓣回波(图5a)；ZH(＞55 dBz)区域对应较大KDP(＞1.7°·km-1)区域(图5b)，表明水含量大；对应ZDR值大部分大于1 dB(图5c)；粒子形态识别(HCL)产品判断此时降水粒子相态为以雨滴为主(图5d)。

图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)、粒子相态识别HCL(d)(白实线AB为图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(图5a)实线AB 所在位置作I2 剖面分析可见，ZH强回波(大于55 dBz)超过了WBZ所在高度(图6a黑框)，对应区域有表征上升气流的ZDR(＞1 dB)柱，ZDR柱中心(＞2.5 dB)也扩展至WBZ高度(图6b 黑框)，说明较强上升气流为冻结雨滴提供了动力抬升条件(潘佳文等，2021)；随着较强上升气流携带水汽向上输送，导致雨滴碰并增长、含水量进一步增大，对应区域(图6c 黑框)KDP较大(＞1.7°·km-1)，过冷水含量增大；对应区域(图6d 黑框) CC 在0.9～0.99。综合分析可知，初始发展时段，强ZH回波(＞55 dBz)对应的相态以夹杂着大雨滴的水凝物为主。

3.2 I2冰雹碰并增长时段

随着I2 反射率因子增强，14∶56，2.4°仰角ZH达到了60 dBz(图7a)；径向速度图识别出中气旋(图7b)；旋转带来的上升运动有利于冰雹在空中翻滚增长(潘佳文等，2020；王建恒等，2020)，VIL 出现明显跃增，1 个体扫从35 kg·m-2(图7c)跃增至70 kg·m-2(图7d)；由粒子形态识别产品(HCL)判断此时该区域降水粒子相态为以冰雹粒子为主(图7e)。

图7 2021年5月15日14∶56的2.4°仰角反射率因子ZH(a)、径向速度V(b)、垂直液态水含量VIL(c)、粒子相态识别HCL(e)、6.0°仰角反射率ZH(f)和15∶02的垂直液态水含量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(图7f)的实线AB作I2剖面分析，可以看出，60 dBz强中心扩展至-10 ℃高度以上(图8a 黑框)，充分满足了大冰雹形成所需温度，此时风暴I2中较强的上升运动能将水凝物输送到负温区，保证充足的凝结水供应；径向速度图中层出现辐合(图8b黑框)、高层出现辐散，造成的抽吸作用更有助于上升运动的增强与维持；强中心(＞60 dBz)所对应的ZDR由初始发展时段的正值(图6b 黑框)降至小于0(图8c 黑框)，因冰雹形状多为表面不规则的球体，且在下降过程中具有翻滚现象，可近似于各向同性的球形粒子，故导致ZDR小于0。不仅如此，伸展高度随着上升气流的增强继续增长，与上升气流对应的ZDR(＞2.5 dB)柱扩展至-10 ℃高度(图8c 黑框)，ZDR柱中的液相粒子释放相变潜热可增加云内与云顶的温差及不稳定度，促使上升气流进一步增强，水成物向上输送作用增强，有助于冻滴增多，为冰雹的形成和增长提供了有利条件(王建恒等，2020；潘佳文等，2021)；对应ZDR小于0处，CC由初始发展时段大于0.9(图6d黑框)降至0.7(图8d黑框)；对应强回波区域(＞60 dBz)KDP出现“空洞”(图8e)，这种现象是距离库内粒子非均一性和强冰雹衰减作用造成CC小于0.9、KDP污染出现异常，则不显示(刘黎平，2002)，表明对应高度降水粒子以固态为主，且处于增大时段。而对比3 km高度以下，ZH(45～50 dBz)区域主要对应较强的ZDR(＞3 dB，图8c)、强的CC (＞0.99，图8d)、强的KDP(1.7～2.4°·km-1，图8e)，说明低层降水粒子以夹着大雨滴且浓度较高的液态水为主。

图8 2021年5月15日14∶56沿图5a中AB线的反射率因子ZH(a)、径向速度V(b)、差分反射率因子ZDR(c)、相关系数CC(d)、差分相移率KDP(e)的垂直剖面图(白点线为-10 ℃所在高度，黑框为大于60 dBz强回波所在位置)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成熟降雹时段

冰雹不断翻滚增大，I2 上升气流越来越弱，冰雹云内平衡状态被打破，进入成熟降雹时段。ZH达到60 dBz 回波(图9a 黑椭圆)对应CC 小于0.9(图9d 黑椭圆)，出现KDP空洞(图9c 黑椭圆)，周边有KDP足(超过2.4°·km-1异常大值)，表明对应高度雨滴浓度仍较高且存在包水膜的冰雹粒子；ZDR的值与粒子总数在不同尺寸上的分布有关，一般来说，冰雹在下降过程不断翻滚、摆动，近似球形粒子，ZDR值接近于0，大冰雹在下落过程中保持自由降落状态，电磁波经过大冰雹时水平电磁波比垂直电磁波衰减要强，导致ZDR甚至出现负值(冯晋勤，2018；Picca and Ryzhkov，2012)，此时ZH强中心对应ZDR负值区(图9e 黑椭圆)，说明冰雹直径较大；HCL显示对应降水粒子为霰且霰粒区域出现了冰雹粒子(图9f黑椭圆)。而霰粒区域正对应于中气旋区域(图9b 黑椭圆)，霰容易被气旋式环流卷入上升气流，而上升气流存在大量的液态水，有利于霰粒作为雹胚经历湿增长及降雹的维持。

图9 2021年5月15日16∶40 2.4°仰角反射率因子ZH(a)、径向速度V(b)、差分相移率KDP(c)、相关系数CC(d)、差分反射率因子ZDR(e)以及粒子相态识别HCL(f)(黑椭圆为大于60 dBz强回波所在位置)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 沿图9a 中的实线AB 作剖面(图10)分析可知，ZH强中心(＞60 dB，图10a 黑框)底部降至2 km 以下，低于WBZ高度；对应ZDR出现负值(图10b黑框)，CC为0.85～0.9，局部低至0.8(图10c 黑框)，对应出现KDP空洞(图10d 黑框)，说明冰雹下落的拖曳作用进一步削弱上升气流的强度，预示冰雹即将落地。如果在冰雹初始发展到增长期，预报员对空中冰雹在下降的过程中是否会融化把握不大，存在预警发布犹豫期，而此时监测到ZH(＞60 dBz)大值区配合ZDR低值区(＜0 dB)、CC 低值区(＜0.9)均下降至低层(2 km 以下)，应可以预判地面将有冰雹降至地面(17∶00 岳阳县公田3 cm 冰雹)及时发布预警，该冰雹预警提前量至少可达20 min。

图10 2021年5月15日16∶40沿图9a中AB实线所作的反射率因子ZH(a)、差分反射率因子ZDR(b)、相关系数CC(c)、差分相移率KDP(d)垂直剖面图(白点线为WBZ高度，黑框为大于60 dBz强回波所在位置)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 飑线阶段双偏振特征分析

4.1 飑线演变特征分析

15日18∶06在湘西北已有多个分散风暴单体生成(图略)，18∶58 已经组织化演变成弓状回波，有明显速度辐合带与之对应(图略)，20∶07飑线东移过程中与东侧的超级单体合并，曲率明显增强，发展成长S型飑线(图11a黑椭圆)，100 km范围内有6个中尺度涡旋集中发展，其中中气旋K0 出现了速度模糊，正负速度差值达到了54 m·s-1，达到了强中气旋强度(图11d)，S 型飑线对应的KDP值(图11b)在0.5～3.1°·km-1，局地达到7°·km-1，说明对应的超级单体风暴的液态水含量高，对应ZDR达到了1 dB 以上(图11c)，表征为大雨滴为主。S 型飑线回波东移，导致洞庭湖区大范围雷暴大风。21∶14 开始，S 型强飑线出现断裂，演变成多单体强风暴，并逐渐东移南压。

图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)、径向速度V(d)(黑椭圆为飑线所在位置)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)

重点对极端大风(20∶24)发生时双偏振参量进行分析(图12)，沿图12a中实线AB剖面图分析，55 dBz强回波降至1 km 以下(图12b 黑框)，55 dBz 强回波区域对应的ZDR达到1.5 dB(图12c 黑框)，径向速度图5 km高度有27 m·s-1的速度大值区，东侧27 m·s-1速度大值区降至1 km 以下(图12e 白框)，KDP达到了2.4°·km-1以上，最强为4.6(图12d 黑框)，可见1 km 以下有明显大雨滴。从强回波(50～55 dBz)伸展高度(图12b)判断6 km以上虽也有冰雹粒子碰并下降，但随着冰雹粒子的融化、降水的蒸发产生负浮力，负浮力进一步促进下沉气流的增强。潘佳文等(2022)、Romine 等(2008)等指出KDP显著大值区位于ZH大值区(＞50 dBz)内，说明KDP与下沉气流有较好对应关系，不仅如此，极端大风发生前后雨量15 min(20∶15—20∶30)达到23.4 mm(图1b)，推断强降水拖曳作用也加剧了极端大风的产生。

图12 2021年5月15日20∶24 0.5°仰角反射率因子ZH(a)以及沿图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)、径向速度V(e)的垂直剖面图(黑框为55 dBz强回波所在位置，白框为速度大值区降至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 中气旋特征分析

结合雷达回波演变发现飑线镶嵌的超级单体风暴K0(对应中气旋K0)和极端大风密切相关(图略)，对中气旋K0 底高、顶高、最强切变高度、切变值大小进行分析发现(图13)，19∶50—19∶56，中气旋仅表现出三维切变特征，切变值为8×10-3·s-1。20∶01 切变值剧增至42×10-3·s-1，达到了强中气旋强度，超级单体风暴K0 三维切变以及中气旋期间，中气旋底高明显偏低，位于2 km以下。20∶01至极端大风发生(图13黑色箭头)前，底高均低于1 km，比极端大风出现时间提前了20 min 以上。20∶07—20∶13 最强切变所在高度和顶高位置重合，达到了5.5 km 以上，20∶13 最强切变高度、顶高出现陡降。20∶19切变值也快速下降，且最强切变高度、顶高降至1.8 km，此时对应强下沉气流的发生，可见20∶23极端大风发生在中气旋K0最强切变高度、切变值大小先增后降阶段，这和冯晋勤(2010)等研究得出“雷暴大风产生前，中气旋顶高开始下降，最强切变高度也随之下降”结论一致。

图13 2021年5月15日19∶50—20∶36中气旋K0底高、顶高、最强切变高度、切变大小演变图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 结论与讨论

针对2021年5月15日洞庭湖区极端强对流天气，使用长沙S 波段双偏振天气雷达进行分阶段(多单体风暴、飑线)分析，并对多单体风暴阶段的I2进行了分时段分析，得出主要结论如下：

(1)本次过程发生在低层暖平流强迫背景下。白天，强热力不稳定、强垂直风切变、合适的WBZ、-10 ℃和-20 ℃层高度等均为冰雹的发生发展提供了有利条件；夜间，低层垂直风切变增强、探空曲线“X”形特征明显，雷暴大风尤其是极端大风的潜势进一步增强。

(2) I2 初始发展时段，雨滴在上升过程中不断增长、ZDR不断增大；ZH强回波(＞55 dBz)、ZDR柱中心(＞2.5 dB)扩展至WBZ高度，强上升气流携带水汽向上输送，导致水滴碰并增长、含水量增大，对应区域KDP较大(＞1.7°·km-1)、CC 在0.9～0.99，说明此时上升的水凝物已出现混合相态；降水相态是以夹杂着大雨滴的水凝物为主。

(3)I2 冰雹碰并增长时段，ZH强度、发展高度急速增长，VIL明显跃增，ZH强中心(＞60 dBz)扩展至-10℃高度以上，对应的ZDR由初始发展时段的降至负值，CC下降、KDP出现“空洞”，表明此时降水以固态粒子为主，且处于增大时段。

(4)I2 成熟降雹时段，ZH强中心(＞60 dBz)范围增大、底部降至WBZ 高度以下，CC 局部低至0.8、存在ZDR负值区、KDP空洞，预示冰雹即将落地。

(5)飑线阶段与多单体风暴阶段相比，中气旋持续时间更长，强回波对应的KDP值异常偏大。极端大风即将发生前，55 dBz强回波、27 m·s-1速度大值区降至1 km以下；ZH大值区(＞50 dBz)内有与下沉气流对应的KDP足，说明强降水的拖曳作用也加剧了极端大风的产生。

在实际预报业务过程中，预报员容易关注到槽、急流强度、地面辐合线以及各项对流物理量对强对流天气发展的明显潜势，但对强对流出现时间、类型及强度偏差估计仍可能不足，究其原因是对强对流风暴的发生发展机制认识不够。本文对该次过程主要从环流背景、双偏振参数方面进行了分析，但分析研究仍不够深入全面：如偏振量ZDR、CC 和KDP的演变以定性分析为主，特别是环境探空时段(08时、20时)的温度廓线体现的温度与实际雷暴内部的温度存在差异，对于WBZ、ZDR柱高度的估计难免存在误差，再如未分析洞庭湖区下垫面性质在飑线组织发展过程的作用等。期待今后随着其它观测设备的增加和探测手段的完善，为提高洞庭湖区的强对流天气预报的准确性和时效性提供更多帮助。