Page 144 - 《高原气象》2023年第1期
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高     原      气     象                                 42 卷
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             和风暴相对环境螺旋度， 上升气流周边融化层附近                            等及以上强度的湍流。在航空气象中， 当谱宽超过
                                                                     -1
             存在大雨滴的水平方向上还可能出现 Z 环； 雨滴                           4 m·s 时认为湍流对飞机飞行已存在潜在危险
                                                  DR
             被上升气流带入 0 ℃层以上导致 Z 超过 1 dB 而形                     （Lee， 1977）。评估湍流强度可以使用湍流耗散率
                                             DR
             成 Z 柱， 在 Z 柱附近具有丰富的液态雨和（或）湿                        这个参数， Bewster and Zrnić （1986）利用垂直指向
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                 DR
             冰存在的混合区， 从而可形成 K 柱。Z 柱及 K                    DP    多普勒雷达的谱宽计算了湍流动能耗散率， 发现与
                                                  DR
                                           DP
             柱通常延伸超过融化层 1~2 km， 其 1~2 dB 的 Z 等                  根 据 速 度 场 计 算 的 结 果 非 常 符 合 。 王 炳 赟 等
                                                        DR
             值线可达到-10 ℃（Hall et al， 1984； Illingworth et       （2018）利用谱宽和速度研究了龙卷强对流风暴的
             al， 1987）， Z 柱、 K 柱的高度给预报人员提供了                     变化， 提出了谱宽变化与超级单体内中气旋和龙卷
                                DP
                         DR
             上升气流强度的判断依据。超级降雹单体在近地                              发生发展关系的概念模型， 认为谱宽体现了对流单
             层都有表征入流区的相关系数（Correlation Coeffi‐                  体不同发展阶段的湍流变化。Lothon et al（2010）、
             cient， CC）值低谷特征， 目前国内外文献（Kumjian                   Frisch et al（1995）分别利用多普勒测云雷达测量了
             and Ryzhkov， 2008； Ryzhkov et al， 2013； 林文等，       层云以及层积云中的湍流结构。强对流风暴中湍
             2020； 潘佳文等， 2020b）认为入流区 CC较低有 2个                   流的增大变化指示了大动量的传递， 双偏振多普勒
             可能原因： 一是近地层的树叶、 杂草、 昆虫等碎屑                          雷达在探测强对流风暴中发挥了很大优势， 但是目
             被吸入上升气流中， 这些碎屑随机取向并具有不规                            前少有文献利用 S波段双偏振雷达研究强对流风暴
             则形状； 二是强上升气流将水凝物带入高层造成低                            的湍流结构。
             层信噪比低于5 dB导致CC较小。                                      目前， 我国正在进行新一代天气雷达的双偏振
                  大气湍流是由于大气三维空间的风向、 风速、                         升级工作， 双偏振雷达资料的分析应用已成为研究
             温度、 湿度等要素不均匀而形成的， 具有次涡旋的                           热点之一， 山东省目前已完成了济南、 泰山、 青
             结构， 是大小尺度不同湍涡综合作用的结果， 对流                           岛、 烟台、 济宁 5 部雷达的双偏振功能升级并投入
             层内的流体运动几乎总是处于湍流状态， 湍流交换                            应用。由于冰雹云探测的回波特征与雷达之间的
             的量对云微物理结构具有重大影响， 湍流强度会影                            相对位置有关， 统计发现 2019 年 5 月 10 日以及
             响到降水状况（莱赫特曼， 1982； 张培昌等， 2001）。                    2021 年 7 月 9 日两次强降雹超级单体风暴强度不
             稳定的大气无法传递动量， 只有湍流才能实现动量                            同， 回波特征具有代表性， 所以本文主要根据济南
             传递， 因此超级单体风暴依靠湍流实现动量的传                             S 波段双偏振雷达对两次强降雹超级单体风暴的探
             输， 湍流结构也是超级单体中气流结构的重要体                             测资料， 研究两个超级单体风暴的湍流变化及其双
             现， 认识湍流增大情况对认识超级单体风暴气流结                            偏振特征， 分析湍流与上升气流、 下降气流的关
             构以及微物理变化具有重要作用。多普勒天气雷                              系， 并简单探讨强对流风暴引发的阵风锋湍流散射
             达探测的谱宽为分析湍流情况提供了可能， 影响谱                            回波的双偏振特征， 从而加强对强降雹超级单体风
             宽大小的主要因素有 4 个： 粒子下落速度的不均匀                          暴中湍流变化的认识。
             分布、 大气湍流运动、 垂直风切变和因雷达波束宽                           2  双偏振参量简述及资料分析方法
             度存在的横向风效应。Melnikov and Doviak（2002）
             研究表明， 强雷暴中引起多普勒谱宽变化的最主要                                许多文献描述了不同类型回波的双偏振参数
             的两个影响因子是湍流和风切变， Istok and Doviak                   典型值（Doviak， 2013； Kumjian et a1， 2016； 张培
             （1986）利用多普勒谱密度对切变和湍流的谱宽进                           昌 等 ，  2018；  曹 杨 等 ，  2016；  曹 俊 武 和 刘 黎 平 ，
             行了分离计算， 统计了强雷暴中总谱宽和由切变与                            2007）： 差分反射率子 Z 反映水凝物的非球形程
                                                                                      DR
             湍流引起谱宽的累积概率， 当总谱宽超过 5 m·s                    -1    度， 地物杂波、 超折射的 Z  通常显示为大噪声区，
                                                                                        DR
             时， 湍流引起的谱宽近似等于总谱宽的累积概率超                            低信噪比和低相关系数区域的 Z  值比较乱， 包括
                                                                                             DR
             过 60%。Lee（1977）研究了 3 个龙卷风暴中由湍流                     冰晶在内的水凝物粒子的 Z 通常在 5 dB 之内； 相
                                                                                         DR
             引起的谱宽， 发现当湍流产生的谱宽与切变产生的                            关系数 CC 描述雷达取样体积内水平和垂直回波信
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             谱宽相当时， 总谱宽只有中等强度（5~6 m·s ）。                        号变化的相似程度， 回波相态的多样性会导致相关
             Melnikov and Doviak（2008）研究了降水层状云中谱                系数降低； CC 的最大优势是用来区分气象和非气
             宽和湍流以及切变的关系， 发现平整的云层中谱宽                            象回波， 非气象回波由于形状变化复杂 CC 值会降
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             小于7 m·s 时有弱湍流， 但是在波浪状或者斑驳状                         到 0. 7 以下， 雨、 雪等形状、 类型和尺寸一致性好
                                           -1
             的不均匀云层中谱宽大于 4 m·s 就有可能存在中                          的气象回波 CC 值通常高于 0. 95， 冰雹、 湿雪等具
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