引言

双偏振雷达作为天气雷达的重要新技术之一，在全世界范围内被广泛推广应用，其工作原理是两个正交通道同时发射和接收水平和垂直极化方向的线偏振波，双偏振天气雷达除能测量反射率因子、径向速度、谱宽、垂直液态水含量等常规变量外，还可获得差分反射率因子、差分传播相移、自相关系数、差分传播相移率等双偏振参量^[1-5]，丰富了天气雷达所捕获的信息量，对于强对流天气有着不同的刻画和体现^[6-12]。

我国已经开展了大量双偏振雷达在业务应用中的研究，大部分研究集中在华北、华东、华南一带^[13-17]，对于西部地区研究相对较少，研究的强对流天气类型以冰雹为主，短时强降水和雷暴大风天气类型较少。而四川盆地内强对流天气以短时强降水和雷暴大风天气为主，在实际应用时应注重双偏振雷达对以上两种强天气的监测和预警。以往的研究给予我们一些应用启迪和思路^[18-22]，对于本地的双偏振X波段雷达的使用而言，更多的还是要积累自己的经验。2020年8月1日，内江市第一部X波段双偏振多普勒雷达完成交付并投入使用，在业务实际应用初期存在偏大或者偏小的情形，通过不断对比反馈实现数值能够基本客观准确反映天气过程，内江X波段双偏振多普勒雷达位于（105.24°E，29.42°N），海拔高度400 m，强度、速度、谱宽和双偏振参数定量探测范围为1~150 km。利用常规观测资料、0.25°×0.25°ERA5再分析资料以及内江X波段双偏振雷达对2021年两次比较有代表性的强对流天气过程的观测，初步探讨盆地中部X波段双偏振多普勒雷达在强对流天气中的应用状况。

1   天气实况

2021年7月15日夜间，内江市出现一次区域性暴雨，为对流性降水与稳定性降水相结合的混合型降水，隆昌市、资中县、东兴区部分地方出现大暴雨，全市145个监测站中，大雨42站，暴雨74站，大暴雨23站。最大降水出现在资中城区，为148.4 mm，最大小时降水出现在15日22~23时隆昌界市古堰村，为66.2 mm（图1a）。

图  1  7月15日08时~16日08时（a）和8月19日20时~20日08时累积降水量（b，单位：mm）

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2021年8月20日凌晨一次雷雨大风，市内大部地方出现6级以上阵风，部分地方达到8级。全市36个风力监测站中，6级以上23站，8级以上4站，最大风力出现在资中狮子茶店，为20.3 m/s，如表1所示。大风过程伴有对流性强降水，资中县、威远县、市中区的部分地方出现大雨到暴雨，个别站大暴雨，最大雨量出现在市中区凌家，为118.4 mm，其小时最大雨量达92.9 mm，出现时段为20日1~2时（图1b）。

表  1  8月20日凌晨瞬时风力7级以上站点

站名	站号	县（区）	极大风速(m/s)	极大风速风向(°)	极大风速出现时间
狮子茶店	S3467	资中县	20.3	266	2时19分
凌家	S3306	市中区	19.8	233	1时13分
观英滩	S3506	威远县	19.2	169	2时08分
黄家秧草	S3561	隆昌县	17.3	252	1时08分
银山平安寨	S3464	资中县	15.9	184	2时02分
鱼溪苦竹	S3465	资中县	15.1	66	2时28分
师院	S3411	东兴区	14.8	215	1时43分
全安	S3302	市中区	14.6	146	1时58分
凌家伏龙	S3308	市中区	14.6	140	1时15分

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2   环流形势

如图2a， 7月16日500 hPa盆地西北部存在明显低涡，甘肃南部至川西高原南部有一深厚低槽，槽后盆地受波动影响明显，川西高原北部有小片负变温区。随着时间推移，盆地北部低涡往南边移动，移动速度比较缓慢，降水时间持续较长，总体而言，此次降水的系统性影响比较强，比较利于持续性降水。如图2b，8月19日的500 hPa上，整个盆地处于副热带高压内部，强降水系统性结构不太强，属于副热带高压下暖区降水，此类降水局地性和对流性较强，容易触发短时强降水和雷暴大风等强对流天气。

图  2  850hPa环流形势场与相对湿度（a. 7月15日20时, b. 8月19日20时, 单位：m·s⁻¹）

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区域性暴雨的700 hPa（图3），盆地存在切变，湿度条件好，偏南气流较强，水汽通道畅通，随后切变逐渐加深并形成涡旋，低涡中心正好位于盆地北部，与高层低涡中心重合，盆地内以偏南气旋性气流为主，湿度条件好，甘陕南部及盆地东北有明显降温，持续的西南气流对水汽输送条件一直为正反馈。强对流过程700 hPa盆地主要为西南气流并持续加强，水汽输送条件较好，同时，盆地内比湿基本在12 g/kg左右，本地水汽条件一样较好，存在一定的潜势。

图  3  700 hPa环流形势场（a. 7月15日20时，b. 8月19日20时，单位：m·s⁻¹）

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7月16日过程的850 hPa盆地各时段相对比较稳定（图4a），西南部存在气旋辐合，与200 hPa、500 hPa和700 hPa的环流形势配合好，各层的低槽低涡基本处在同一位置，位于盆地偏中部的地区，系统性结构完整，整个大气垂直结构上上升气流明显，水汽条件也十分有利，盆地东部不稳定能量较高，各项条件非常有利于大范围持续性降水。8月19日夜间 850 hPa盆地为偏东风倒槽影响（图4b），北部地区有弱的辐合，比湿超过15 g/kg，容易触发对流性天气，第二天白天，盆地中部有一个涡旋产生，我市主要位于涡旋中心后部的偏北气流控制，降水过程趋于结束。

图  4  850 hPa环流形势场与相对湿度（a. 7月15日20时, b. 8月19日20时, 单位：m·s⁻¹）

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宜宾和沙坪坝7月 15日20时探空资料显示，盆地南部能量较高，配合较好的水汽条件，有利于强对流天气发生。盆地南部宜宾站CAPE值3120.9 J/kg，不稳定能量维持在高值，K指数34.2，从垂直结构上来看并没有明显的干层，沙氏指数为正值，总的来时为短时强降水的层结结构。盆地西部沙坪坝站CAPE上升至3600.6 J/kg，K指数46.3，沙氏指数−4.4，500 hPa有干层，呈上干下湿层结，有利于暴雨前期的强对流天气发生发展。两站点还有的共同特点是，零度层高度6 km，−20度层9 km，LCL高度小于1 km，温度露点差值小，呈短时强降水趋势。

8月19日晚探空曲线，宜宾CAPE值为2735.2 J/kg，K指数40.1，沙氏指数0.04，上层为明显干层，中低层有一定湿度，零度层高度接近6 km，−20度层高度接近9 km，LCL超过1 km，1.5 km处温度露点差大于3，整体条件一般，湿度条件不显著。沙坪坝站整体呈上干下干，上下开喇叭口层结，CAPE值2714.5 J/kg，K指数42.3，沙氏指数−2，对流性条件比较强，1.5 km处温度露点差大于3，湿度条件不是很有利于降水。

总的来说，两次过程都有一定对流能量条件，7月16日过程水汽条件相对较好，对于暴雨产生十分有利，其他指数条件均表现一般，8月19日夜间的上下开喇叭口层结对于对流性大风生成十分有利。

3   双偏振雷达变化

7月16日的区域性暴雨过程，发现1.5°仰角上可以完整的反映出对流云系的生成、发展、以及后续转为大面积的稳定性降水的过程。15日夜间20时左右分散的对流回波逐渐产生，但是影响范围较小，反射率因子R≤50 dBZ。15日23时左右云团开始扩张至覆盖整个探测范围，转变为稳定性降水，R≤35 dBZ，出现微弱的零度层亮带，以上范围大、回波小的特点满足持续性暴雨的主要特征。

8月20日凌晨的对流性过程，对流性回波逐渐合并成带状，从南向北移动，20日0时29分~2时30分为对流发展旺盛阶段，超过65 dBZ，最大小时降水和最大风速即出现在此阶段，随后对流迅速减弱并快速移出我市。相对来说，此次过程影响范围小，持续时间短，但是局地性较强，对应的短时降水和大风相对较为强烈。

7月16日凌晨，从径向速度来看，云团从对流阶段到稳定阶段的反映也比较具有参考价值。在对流初生阶段，内江与自贡交界处速度值相对较小。在21时30分左右，对流旺盛阶段，偏东风加强，并出现速度核心，最大值超过16 m/s，在大风速情形下持续到第二日1点，之后风速减弱。零速度带呈“S”型变化，风向随高度顺转，有暖平流。同时主导风向产生微弱变化，在3时左右盛行风向转为偏南风，降水云系开始消散。从整个径向速度场演变来看，本地雷达对于大速度核的捕捉和“S”型暖平流的展现能力不错，适用性较好。

8月20日凌晨，对流系统从南往北移动，持续盛行南风，8月20日0时29分~3时2分为对流旺盛阶段，对流云系回波顶高达到16 km，在20日2时开始径向速度图上出现了速度模糊，即最大风速超过16 m/s，而实况中地面极大风速正是在该时段出现，说明该雷达对于地面大风预警监测，预报服务有很好的指示作用。

双偏振雷达特有的参量变化，如差分发射率因子Z_DR对于冰雹粒子有很好的反映，而由于这两次过程中没有冰雹天气，所以可以初步探索下强降水和雷雨大风下Z_DR变化特征。

7月16 的过程可以简单看作前期对流降水阶段和后期稳定降水阶段的演变，对流降水阶段如图5所示，在15日20时30分左右，云团中大小雨滴粒子均存在，R值较大的地方基本为大雨滴粒子，Z_DR既有正值也有负值，说明该时段该区域内的雨滴粒子在水平、垂直方向上形状有差异，在下落过程中旋转的作用使得Z_DR正负交替，差分传播相移K_DP在大雨滴区域内超过3°/km，相关系数ρ_hv在对流旺盛的区域值反而不是很大。

图  5  7月15日20时30分基本反射率因子（a，单位：dBZ）、径向速度（b，单位：m·s⁻¹）、差分反射率因子（c，单位：dB）、差分传播相移（d，单位：°·km⁻¹）、相关系数（e）、粒子相态（f）

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稳定性降水阶段如图6所示，7月16日2时 R值不超过30 dBZ，Z_DR上没有明显的零值区域，且全范围内基本为正值，中心大值区超过3dB，初步推断降水粒子较为单一，以大雨滴降水为主。K_DP大范围维持在−0.5~1°/km区间内，另外在粒子相态中比较明显的表示出大范围降水粒子为大雨滴粒子，相关系数ρ_hv大范围内值高于0.98，说明区域内降水粒子差异不大，结合降水相态得出还是以大降水粒子为主。综合以上发现在以降水为主的天气过程中，各个变量对于降水粒子刻画较好，在充分判别降水粒子的同时判定强天气变化。

图  6  7月16日2时0分基本反射率因子（a, 单位：dBZ）、径向速度（b, 单位：m·s⁻¹）、差分反射率因子（c, 单位：dB）、差分传播相移（d, 单位：°·km⁻¹）、相关系数（e）、粒子相态（f）

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在雷暴大风过程中也可看作为前期的对流性降水阶段和后续的大风阶段。大风阶段主要在2时左右出现，偏南风加强，径向速度图上出现速度模糊，大风速核出现的区域，R值较大超过30 dBZ的区域，Z_DR在−3.5~3.5 dB之间浮动，K_DP相对较大，基本上都超过2.0°/km，粒子相态全范围内为小雨滴粒子，ρ_hv基本在0.98以上（图7），该时段区域内小雨滴粒子为主，降水并不明显。

图  7  8月20日2时30分基本反射率因子（a, 单位：dBZ）、径向速度（b, 单位：m·s⁻¹）、差分反射率因子（c, 单位：dB）、差分传播相移（d, 单位：°·km⁻¹）、相关系数（e）、粒子相态（f）

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4   结论

两次过程在天气环流形势中表现出明显不同特点，暴雨过程为副高外围低值系统性影响过程，500 hPa，700 hPa和850 hPa的低值系统在时间空间上有很好地配合，大气层结结构对于暴雨的发生发展也是十分有利。雷雨大风过程为副高内部强对流天气过程，中低层以偏东风气流和倒槽切变为主，降水局地性比较强，落区不容易把握。

双偏振X波段雷达在两次过程中反映出短时强降水和雷暴大风基本特征，盆地中部区对流性降水，Z_DR有正有负，浮动范围较大，在−3.5~3.0 dB之间，K_DP大于3°/km，粒子相态以大小雨滴混合为主，ρ_hv在0.98以下；稳定性降水中，Z_DR为均正，最大可超过3.5 dB，K_DP围绕0°/km小幅度波动，大范围维持在−0.5~1°/km区间内，大范围内ρ_hv在0.98以上，粒子相态为大雨滴；大风过程中，Z_DR在−3.5~3.5dB之间浮动，K_DP为正值，超过2°/km，ρ_hv在0.98以上的区域结合粒子相态为小雨滴区域。