1 引言
进一步认识强降雹超级单体风暴的气流结构对冰雹的预报预警具有重要意义， 多普勒雷达探测表明了强风暴内部气流结构是上升气流从单体右前方进入风暴， 到高层作气旋式扭转进入云砧区， 下沉气流在对流层中层从风暴右后方进入， 在左后方低层离开风暴（ 刁秀广等， 2009）。双偏振雷达在探测风暴结构方面具有一定优势， 许多研究结果表明（Kumjian and Rvzhkov， 2008； Picca and Ryzhkov， 2012； Snyder et al， 2015， 2017； 王洪等， 2018； 潘佳文等， 2020a； 刁秀广和郭飞燕， 2021； 刁秀广等， 2021）， 超级单体风暴在成熟阶段的低层出现差分反射率子 Z DR弧表征了风暴垂直风切变和风暴相对环境螺旋度， 上升气流周边融化层附近存在大雨滴的水平方向上还可能出现 Z DR环； 雨滴被上升气流带入0 ℃层以上导致 Z DR超过1 dB而形成 Z DR柱， 在 Z DR柱附近具有丰富的液态雨和（或）湿冰存在的混合区， 从而可形成 K DP柱。 Z DR柱及 K DP柱通常延伸超过融化层1~2 km， 其1~2 dB的 Z DR等值线可达到-10 ℃（Hall et al， 1984； Illingworth et al， 1987）， Z DR柱、 K DP柱的高度给预报人员提供了上升气流强度的判断依据。超级降雹单体在近地层都有表征入流区的相关系数（Correlation Coefficient， CC）值低谷特征， 目前国内外文献（ Kumjian and Ryzhkov， 2008； Ryzhkov et al， 2013； 林文等， 2020； 潘佳文等， 2020b）认为入流区CC较低有2个可能原因： 一是近地层的树叶、 杂草、 昆虫等碎屑被吸入上升气流中， 这些碎屑随机取向并具有不规则形状； 二是强上升气流将水凝物带入高层造成低层信噪比低于5 dB导致CC较小。
大气湍流是由于大气三维空间的风向、 风速、 温度、 湿度等要素不均匀而形成的， 具有次涡旋的结构， 是大小尺度不同湍涡综合作用的结果， 对流层内的流体运动几乎总是处于湍流状态， 湍流交换的量对云微物理结构具有重大影响， 湍流强度会影响到降水状况（ 莱赫特曼， 1982； 张培昌等， 2001）。稳定的大气无法传递动量， 只有湍流才能实现动量传递， 因此超级单体风暴依靠湍流实现动量的传输， 湍流结构也是超级单体中气流结构的重要体现， 认识湍流增大情况对认识超级单体风暴气流结构以及微物理变化具有重要作用。多普勒天气雷达探测的谱宽为分析湍流情况提供了可能， 影响谱宽大小的主要因素有4个： 粒子下落速度的不均匀分布、 大气湍流运动、 垂直风切变和因雷达波束宽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的两个影响因子是湍流和风切变， Istok and Doviak（1986）利用多普勒谱密度对切变和湍流的谱宽进行了分离计算， 统计了强雷暴中总谱宽和由切变与湍流引起谱宽的累积概率， 当总谱宽超过5 m·s -1时， 湍流引起的谱宽近似等于总谱宽的累积概率超过60%。Lee（1977）研究了3个龙卷风暴中由湍流引起的谱宽， 发现当湍流产生的谱宽与切变产生的谱宽相当时， 总谱宽只有中等强度（5~6 m·s -1）。 Melnikov and Doviak（2008）研究了降水层状云中谱宽和湍流以及切变的关系， 发现平整的云层中谱宽小于7 m·s -1时有弱湍流， 但是在波浪状或者斑驳状的不均匀云层中谱宽大于4 m·s -1就有可能存在中等及以上强度的湍流。在航空气象中， 当谱宽超过4 m·s -1时认为湍流对飞机飞行已存在潜在危险（Lee， 1977）。评估湍流强度可以使用湍流耗散率这个参数， Bewster and Zrnić （1986）利用垂直指向多普勒雷达的谱宽计算了湍流动能耗散率， 发现与根据速度场计算的结果非常符合。 王炳赟等（2018）利用谱宽和速度研究了龙卷强对流风暴的变化， 提出了谱宽变化与超级单体内中气旋和龙卷发生发展关系的概念模型， 认为谱宽体现了对流单体不同发展阶段的湍流变化。 Lothon et al（2010）、 Frisch et al（1995）分别利用多普勒测云雷达测量了层云以及层积云中的湍流结构。强对流风暴中湍流的增大变化指示了大动量的传递， 双偏振多普勒雷达在探测强对流风暴中发挥了很大优势， 但是目前少有文献利用S波段双偏振雷达研究强对流风暴的湍流结构。
目前， 我国正在进行新一代天气雷达的双偏振升级工作， 双偏振雷达资料的分析应用已成为研究热点之一， 山东省目前已完成了济南、 泰山、 青岛、 烟台、 济宁5部雷达的双偏振功能升级并投入应用。由于冰雹云探测的回波特征与雷达之间的相对位置有关， 统计发现2019年5月10日以及2021年7月9日两次强降雹超级单体风暴强度不同， 回波特征具有代表性， 所以本文主要根据济南S波段双偏振雷达对两次强降雹超级单体风暴的探测资料， 研究两个超级单体风暴的湍流变化及其双偏振特征， 分析湍流与上升气流、 下降气流的关系， 并简单探讨强对流风暴引发的阵风锋湍流散射回波的双偏振特征， 从而加强对强降雹超级单体风暴中湍流变化的认识。
2 双偏振参量简述及资料分析方法
许多文献描述了不同类型回波的双偏振参数典型值（ Doviak， 2013； Kumjian et a1， 2016； 张培昌等， 2018； 曹杨等， 2016； 曹俊武和刘黎平， 2007）： 差分反射率子 Z DR反映水凝物的非球形程度， 地物杂波、 超折射的 Z DR 通常显示为大噪声区， 低信噪比和低相关系数区域的 Z DR 值比较乱， 包括冰晶在内的水凝物粒子的 Z DR通常在5 dB之内； 相关系数CC描述雷达取样体积内水平和垂直回波信号变化的相似程度， 回波相态的多样性会导致相关系数降低； CC的最大优势是用来区分气象和非气象回波， 非气象回波由于形状变化复杂CC值会降到0.7以下， 雨、 雪等形状、 类型和尺寸一致性好的气象回波CC值通常高于0.95， 冰雹、 湿雪等具有复杂形状和混合相态的回波CC值可低至0.8~0.95； 差分相移率 K DP取决于粒子的形状、 类型及采样体积内粒子的数密度， 主要优势是用来探测强降水。
根据 Hocking and Mu（1997）的划分， 4 m·s -1的谱宽相当于1.6×10 -2 m 2·s -3的湍流耗散率， 这个耗散率属于中等强度湍流； 在民航界机载气象雷达谱宽大于 5 m·s -1的气象回波目标被作为湍流目标（ 卢晓光和夏冬， 2011）， Doviak（2013）认为风暴体积中的谱宽大于5 m·s -1就意味着包含中等或者强湍流， 文中采用 Doviak（2013）的观点， 以5 m·s -1的谱宽为界限， 重点关注出现中等或以上强度湍流的区域， 谱宽低于5 m·s -1区域认为湍流较弱不是本文关注重点。
3 天气背景
2019年5月10日下午受高空槽、 低涡、 地面辐合线等共同影响， 山东产生了深厚湿对流超级单体风暴， 造成多地降雹大小超过2 cm； 2021年7月9日下午山东自北向南出现强对流天气， 造成地面大风以及冰雹灾害， 章丘出现超过5 cm的强降雹。5月10日08:00（北京时， 下同）山东大部分地区处于冷涡底部高空槽前位置， 受西南气流控制， 章丘探空资料显示（ 表1 ）， 08:00 0 ℃等温线2.9 km， -20 ℃层高度为5.9 km， 850 hPa与500 hPa温差较大（Δ T， 30 ℃左右）， 风向随高度由南风转为偏西风， 0~6 km具有中等强度垂直风切变（ W sr）， 订正后的对流有效位能（CAPE）具有中等强度， 15:00平阴至肥城一带的CAPE在1600~1800 J·kg -1。7月9日08:00山东处于冷涡底部， 也受槽前西南气流控制， 章丘08:00探空资料显示（ 表1 ）， 0 ℃等温线为4.3 km， -20 ℃层高度为7.4 km， 850 hPa与500 hPa温差也较大， 风向随高度由东南风转为西风， 0~6 km具有强垂直风切变， 14:00订正后章丘达到强CAPE值4550.5 J·kg -1。两次过程的天气形势和环境参数都利于对流风暴的产生， 而且湿球0 ℃层高度都较低（分别为1.6 km、 2.8 km左右）， 利于大冰雹落地（ 俞小鼎， 2014）。
表1 两次强对流天气过程中章丘探空资料Table 1 The sounding data of Zhangqiu in two severe convective weather |
| 日期 | 0 ℃， -10 ℃， -20 ℃层/km | CAPE /（J·kg -1） | W sr/（m·s -1） | Δ T/℃ |
|---|---|---|---|---|
| 2019-05-10 | 2.9， 4.4， 5.9 | 1200~2460 * | 13.9 | 30 |
| 2021-07-09 | 4.3， 6.0， 7.4 | 4550.5 * | 19.5 | 30 |
*表示订正后的CAPE数据 |
4 湍流回波特征分析
深厚持久的中气旋是超级单体风暴最本质的特征（ Doswell， 2001）， 2019年5月10日超级单体风暴产生了中等强度的中气旋， 最大降雹直径超过2 cm； 2021年7月9日超级单体风暴具有强中气旋， 地面最大降雹直径达到6.8 cm， 下面分别分析这两种不同强度风暴的湍流情况。
4.1 2019年 5月 10日超级单体风暴
18:18是2019年5月10日超级单体风暴中切变强度最大的阶段， 图1 给出了0.5°仰角雷达反射率因子（ Z h）、 3.3°仰角多普勒速度（ V）PPI图以及雷达反射率因子、 多普勒速度、 谱宽（ W）、 差分反射率因子（ Z DR）、 相关系数（CC）、 差分相移率（ K DP）的剖面图。 图1 （a）显示两个强单体回波合并发展成为超级单体， 在距离雷达53.3 km、 195.3°径向、 距离地面约3.2 km处出现强切变19×10 -3 s -1， 最大旋转速度达到18 m·s -1左右［ 图1 （b）］， 属于中等强度的中气旋（ Andra， 1997）。超级单体风暴先是向东偏北一点移动， 然后1个体扫后基本往东南方向移动， 在中气旋［ 图1 （a）， 蓝色圆圈］的东南侧形成入流区弱回波。沿着 图1 （a）黑色实线经过中气旋做剖面， 可以看到有界弱回波区（Bounded weak echo region， BWER）超过0 ℃等温线2 km［ 图1 （c）］， 图1 （d）黑色箭头显示强上升气流从地面上冲到10 km以上， 基本变成竖直的了， 此时回波顶移过低层反射率因子的高梯度区而位于BWER上面， 这与 李柏（2011）的观察结果一致。 图1 （c）中接地的60 dBZ以上的强回波指示了降雹地点， 因为环境气流的影响使得0.5°仰角速度主要以水平风速分量为主， 而垂直分量较小， 导致向下降落的降雹速度为正。
图1 2019年5月10日18:18济南雷达0.5°仰角反射率因子 Z h（a）， 3.3°仰角多普勒速度 V（b）， 沿图（a）中黑色实线所做的垂直剖面， 水平反射率因子 Z h（c）， 多普勒速度 V（d）， 谱宽 W（e）， 差分反射率因子 Z DR（f）， 相关系数CC（g）及差分相移率 K DP（h）图（a）、 （b）中的坐标是指以雷达中心为坐标0点， 雷达西、 南方向用负距离表示， 东、 北方向用正距离表示， 黄色实线为0℃等温线 Fig.1 Reflectivity factor Z h （a） at 0.5° elevation， velocity V （b） at 3.3° elevation， and vertical profile of horizontal reflectivity factor （c）， Doppler velocity （d）， spectral width W （e）， differential reflectivity factor （f）， correlation coefficient （g）， differential phase constant K DP （h） along solid black line in Fig.1（a） from Jinan radar at 18:18 on 10 May 2019. The coordinates in figure （a） and （b） refer to the radar center as the coordinate point 0， the west and south directions of the radar are represented by a negative distance， and the east and north directions are represented by a positive distance.The yellow line is the 0 ℃ isotherm |
可以看到风暴中［ 图1 （e）］大面积谱宽主要大小为3 m·s -1左右， 谱宽增大到5 m·s -1以上的区域主要有3个， 分别用A、 B、 C表示。A区在10~18 km高度左右， 此处回波受到避雷针影响呈现出旁瓣回波的特征， 使得CC明显减小低至0.5以下［ 图1 （g）］， Z DR明显增大最高达7.8 dB ［ 图1 （f）］； 可以看到在A区底部位置10 km高度以下有CC为0.85左右的区域［ 图1 （g）］， 其回波强度在15 dBZ以上［ 图1 （c）］， 可以看做风暴的顶部， 其谱宽超过了5 m·s -1 ［ 图2 （d）］， 意味着也存在较强的湍流。B区谱宽增大至7~8 m·s -1［ 图1 （e）］， 回波强度在35 dBZ以上［ 图1 （c）］， 基本位于上升气流经过的地方， 并在6 km高度左右正负速度转变的地方［ 图1 （d）］出现谱宽极大值， 说明速度切变产生了较强的湍流， 具有0.2 （°）·km -1以下的 K DP ［ 图1 （h）］， 且回波强度很大， 基本在55 dBZ左右［ 图1 （c）］， 冰雹的循环增长机制使得此处具有包裹着过冷水的冰雹或霰， 随着高度增加过冷水冻结， 冰雹尺度增大， 从而ZDR为正值， 基本在0.25~0.75 dB［ 图1 （f）］， CC在0.96~0.98［ 图1 （g）］； C区处在强上升气流右侧［ 图1 （d）］， 是有界弱回波区［ 图1 （c）］， 但是受到了冰雹的三体散射回波的影响， 使得谱宽激增， 具有超过5 dB的 Z DR大值［ 图1 （f）］， 其相关系数明显降低［小于0.3， 图1 （g）］， Z DR骤增区域与冰雹核心的距离常与冰雹核心距地面高度相一致（ Picca and Ryzhkov， 2012）。对比上升气流的路径以及谱宽（ 图1 ）可以看到， 上升气流经过的地方， 谱宽增大到5 m·s -1以上， 在强速度切变区域谱宽更大， 意味着这些区域存在中等或者以上强度的湍流。
图2 2019年5月10日18:47 济南雷达4.3°仰角 Z h（a）、 W（b）、 V（c）、 Z DR（d）、 CC（e）、 K DP（f）图中坐标是指以雷达中心为坐标0点， 雷达西、 南方向用负距离表示， 东、 北方向用正距离表示 Fig.2 Z h（a）， W（b）， V（c）， Z DR（d）， CC（e）and K DP（f）at 4.3° elevation from Jinan radar at 18:47 on 10 May 2019. The coordinates in figure refer to the radar center as the coordinate point 0， the west and south directions of the radar are represented by a negative distance， and the east and north directions are represented by a positive distance |
4.2 2021年 7月 9日超级单体风暴
图3 2021年7月9日14:19 济南雷达0.5°仰角 Z h（a）、 V（b）、 W（c）， 6°仰角 Z h（d）、 V（e）、 W（f）、 Z DR（g）、 CC（h）、 K DP（i）图（a）、 （b）、 （c）中的坐标是指以雷达中心为坐标0 点， 雷达西、 南方向用负距离表示， 东、 北方向用正距离表示 Fig.3 Z h （a）， V （b）and W （c）at 0.5° elevation and Z h （d）， V （e）， W （f）， Z DR （g）， CC （h）， and K DP （i） at 6° elevation from Jinan radar at 14:19 on 10 July 2021. The coordinates in figure （a）， （b） and （c） refer to the radar center as the coordinate point 0， the west and south directions of the radar are represented by a negative distance， and the east and north directions are represented by a positive distance |
从 图3 （f）中可以看到， 6°仰角谱宽有两个谱宽增大区（用A区、 B区表示）， A区位于中气旋（蓝色圆圈）附近， 谱宽基本为5~13 m·s -1， 位于速度切变区以及大的正速度区［ 图3 （e）］， 回波强度基本在35 dBZ以上［ 图3 （d）］， 强核心是冰雹回波， 上升气流对降水的尺寸筛选说明附近是小冰雹以及霰粒子和大雨滴。但是在中气旋附近速度切变处［ 图3 （e）］有16.5 m·s -1的大谱宽［ 图3 （f）］， 此处湍流最为强烈并且主要为各向异性的湍流（ Doviak， 2013）， 意味着雷暴中大动量的快速传递， Z DR增大为1.44 dB［ 图3 （g）］， 而CC减小到0.88［ 图3 （h）］， 高度已达8 km以上， K DP超过0.5 （°）·km -1， 指示混合相态粒子的存在。
B区大面积区域谱宽在5~8 m·s -1［ 图3 （f）］， 属于中等强度的谱宽， 高度已达10.5~11.7 km， 属于风暴的上部， 也具有较强的上升气流［ 图3 （e）］， 其回波强度基本在20 dBZ左右［ 图3 （d）］， 位于超级单体风暴的边沿， 此处较强的湍流应该是环境西风与强上升气流混合引起的涡旋作用所导致， Cornman et al （2003）已经证明在雷暴中心外围弱回波区（5~15 dBZ）也可能存在中等及以上强度的湍流。但是其CC比较高基本在0.98~1 ［ 图3 （h）］， 因此此区域主要是冰晶粒子散射， 风暴外侧空气卷入风暴可造成CC低于0.99。因为只有大于雷达分辨单元的湍流才会在速度上体现出来（ Doviak， 2013）， 此处涡旋尺度较小所以体现为上升气流。总体上冰晶在空间随机取向， Z DR在0 dB左右。
为了研究湍流的垂直结构， 沿着 图3 （a）中黑色实线通过阵风锋以及中气旋边沿做垂直剖面， 从雷达反射率因子、 多普勒速度、 谱宽、 差分反射率因子、 相关系数、 差分相移率的剖面结构（ 图4 ）可以看到， 左侧的20 dBZ以下的弱回波是阵风锋［ 图4 （a）］， 其 Z DR普遍较大， 超过了6 dB， 研究表明（ 黄琴等， 2018）变形湍涡的散射可产生很大的 Z DR， 因为湍团可在环境风作用下变形为扁椭圆状， 其长轴在水平面内取向， 从而使得 Z DR具有较大正值， 而且1.5 km高度下的近地面还受到地物杂波的影响使 Z DR变大， CC很小（低至0.5左右）， 1.5 km高度以上的CC变大到0.8左右， 湍流的水平和垂直脉冲变化会出现较大差异， 所以湍流散射回波的CC较小
图4 沿图3（a）中黑色实线所做的 2021年7月9日14:19济南雷达回波垂直剖面， Z h（a）、 V（b）、 W（c）、 Z DR（d）、 CC（e）、 K DP（f）黄色实线为0 ℃等温线 Fig.4 Vertical profile of Z h （a）， V （b）， W （c）， Z DR （d）， CC （e） and K DP （f） along solid black line in Fig.3（a） from Jinan radar at 14:19 on 9 July 2021. The yellow dash line is the 0 ℃ isotherm |
沿雷达径向61 km左右的地方有速度扰动［ 图4 （b）］， 使得速度谱宽展宽到7 m·s -1以上， 这指示了较强湍流存在的可能， 根据剖面位置［ 图3 （a）］， 强单体是阵风锋移动方向的左侧出流边界触发生成的， 这个位置相当于超级单体的入流区域， 在低层出现入流缺口， 入流高度基本为0~3 km［ 图4 （a）］， 除入流缺口外的入流路径上， 回波强度在15 dBZ以内， 最大谱宽5~6 m·s -1， 入流区内存在气流卷起的尘埃， 受到地物的影响信噪比很低使得CC、 Z DR 、 K DP空缺。
超级单体在阵风锋移动方向的左侧边界， 沿着 图3 （a）绿色线向东南方向移动。在雷暴单体中， ZDR柱［ 图4 （d）， 在0 ℃等温线以上超过1 dB的 Z DR］延伸至近10 km高度， 图4 （b）显示 Z DR柱在左侧强上升气流的附近， 上升气流在14 km高度出现速度模糊。强上升气流的根部是入流缺口， 气流路径见 图4 （b）中黄色箭头所示， 速度切变形成螺旋气流结构， 在 Z DR柱上5 km 以上的右侧边沿（距离73 km左右处）， 可以看到具有超过11 m·s -1的强谱宽， 其回波强度超过45 dBZ［ 图4 （a）］， 相关系数在0.96左右［ 图4 （e）］， K DP超过0.5 （°）·km -1， 说明存在小冰雹以及霰粒子和较多大雨滴。 Z DR柱上部的指状区域（高度6~10 km， 距离70 km左右）谱宽8~16 m·s -1［ 图4 （c）］， 最高高度超过0 ℃等温线近6 km， 处在左侧上升气流和下沉气流交汇的地方， 其回波强度超过25 dBZ［ 图4 （a）］， 相关系数低至0.85［ 图4 （e）］， K DP在0 （°）·km -1左右， 因此存在被上升气流带来的稀疏大雨滴以及霰粒子。 Kumjian et al（2010）的研究也表明， 由于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将经历湿增长， 霰在融化层之上中层有界弱回波附近的区域， 是降雹超级单体风暴中雹胚来源之一（ 潘佳文等， 2020b）。因此， 在 Z DR柱中谱宽剧烈增大的区域主要处在正负速度交界的地方［ 图4 （b）］， 意味着强湍流以及大的湍流耗散率的存在。超级单体的有界弱回波区（BWER， 高度5 km 左右、 距离70 km处）［ 图4 （a）］具有中等谱宽［图 4 （c）， 5~7 m·s -1］， 紧靠 Z DR柱的左侧， 李柏（2011）认为BWER是包含云粒子但是不包含降水粒子的强上升气流区， K DP很小意味着存在稀疏的过冷水， 其中回波强度小于15 dBZ的 Z DR可超过3 dB［ 图4 （d）］， CC较低［0.85~0.97， 图4 （e）］， 意味着混合相粒子的存在。
另外一个谱宽增大的地方是在10 km以上的地方［ 图4 （c）］， 属于风暴的上部， 右侧上升气流已超过30 m·s -1， Lee（1977）、 Doviak（2013）发现惯性副区的外尺度在风暴的上半部分最大， 那里气流的垂直速度通常最大并且湍流强度最强， 惯性副区是指动能由大尺度涡旋向较小尺度涡旋传递时存在的区域， 主要是局地同性的。从 图4 （c）可以看到， 左侧下沉气流部分具有8~17.5 m·s -1谱宽， 比右侧上升气流区谱宽更大， 这意味着下沉气流区具有更强烈的湍流， 这个现象与Lee（1977）的研究结果相符合。 Doviak（2013）认为位于上升气流边缘的谱宽稍小于靠近下降气流地方的谱宽， 说明此处湍流有可能是垂直风的水平切变产生的。还有一个明显的现象， 左侧风暴高层大谱宽区正处在有界弱回波上面， 中气旋在靠近有界弱回波的位置， 因此可以理解为中气旋搅动大气到达云顶形成强湍流。10 km高度以上云顶端CC在0.9~0.99［ 图4 （e）］， 整体左侧 Z DR稍高一点［ 图4 （d）］， K DP为负值［ 图4 （f）］， 说明此处存在霰粒子和冰晶粒子， 右侧则主要是上升气流带来的冰晶粒子， 回波强度比左侧稍弱， K DP、 Z DR整体在0 （°）·km -1、 0 dB左右， 有时 Z DR出现 -0.69 dB的低值， 这是因为当针状冰晶长轴在垂直面内取向时会造成 Z DR为较大负值。可以看到风暴上部的大谱宽区延伸到了风暴中层（高度8 km左右的区域）， 这部分也处在风暴内部速度切变的位置， 高度6 km左右的区域（距离74 km左右）具有0.75 （°）·km -1左右的 K DP， 有丰富的液态水和湿冰雹存在， CC在0.95左右， Z DR在0 dB附近。通过对照谱宽大小和上升气流的路径可以看出， 在0 ℃等温线以上强上升气流路径上， Z DR柱左侧及右侧边沿以及附近的 K DP大值区可存在中等及以上强度的湍流， 而且沿着上升气流和下降气流之间的谱宽更大， 研究发现大的湍流耗散率通常出现在上升气流和下降气流之间（ Doviak， 2013）， 也说明速度切变的地方湍流最强。
5 结论
本文探讨了济南雷达探测到的2次强降雹超级单体风暴湍流变化的双偏振参数特征， 通过关注多普勒速度谱宽的变化， 揭示了湍流增大区域及湍流强度与气流结构的关系。主要结论如下：
（1） 阵风锋中心地带的谱宽增大并不是很明显， 阵风锋后侧边沿速度扰动较强的地方具有大谱宽， 意味着局地湍流可能较强， 当阵风锋后向扩散的气流触发新单体成为入流时， 入流区缺口外的入流路径上以及与强上升气流相联系的有界弱回波区内也存在中等强度的谱宽， 指示了较强湍流存在的可能。
（2） 强中气旋超级单体的 Z DR柱紧靠上升气流强中心， 在正负速度交界的地方具有超过8 m·s -1谱宽， 主要位于 Z DR柱上部边沿， 高度超过0 ℃等温线近6 km的区域， 最强谱宽达到16 m·s -1， 相关系数低至0.85， K DP在0 （°）·km -1左右， 是上升气流带来的大雨滴与霰粒子混合造成的， Z DR柱上部右侧靠近强回波核心速度切变的地方具有超过11 m·s -1的强谱宽， 回波强度超过45 dBZ， 相关系数在0.96左右， K DP超过0.5 （°）·km -1， 说明存在小冰雹以及霰粒子和较多大雨滴。6 km左右的大谱宽区域位于 K DP大值区， 有丰富的液态水和湿冰雹存在， CC在0.95左右， ZDR在0 dB附近。这些强湍流区域指示了大动量的传输位置。中等强度中气旋的超级单体上升气流经过的地方， 谱宽可增大到5 m·s -1以上， 意味着这些区域存在中等或者以上强度的湍流。
（3） 在风暴上部具有强上升气流和下沉气流， 都具有大谱宽， 虽然上升气流更强， 但是下沉气流区域具有更大谱宽， 强中气旋超级单体风暴下沉气流区谱宽基本在8~17.5 m·s -1， 其 Z DR稍高于上升气流的， 并且 K DP为负值， 上升气流 K DP、 Z DR整体在0 （°）·km -1、 0 dB左右， 中等强度的风暴上部虽然受到污染， 仍然从相关系数0.85左右的区域看到存在谱宽增大区域， 因此超级单体风暴高层具有强湍流， 而且靠近下沉气流的地方湍流更强， 可能和风的水平切变有关， 在中气旋向上延伸的方向上， 可以理解为中气旋搅动大气到达云顶与环境风相互作用形成强湍流。
（4） 湍流强度和速度的切变强度密切有关， 在超级单体内部速度切变强度最大的区域具有较强湍流， 中等强度的中气旋超级单体具有最大约10 m·s -1的谱宽， Z DR为1 dB之内， 回波强度超过35 dBZ， K DP较大， 而强中气旋超级单体中气旋附近速度切变处具有16.5 m·s -1谱宽， 对应 Z DR超过1 dB， 属于 Z DR柱上半部分， K DP超过0.5 （°）·km -1， CC减小到0.88。强中气旋超级单体内具有更强的湍流， 上升气流高度更高， 从而能形成更大冰雹， 湍流强度的差异对云的微物理结构及降水结果的差异有指示作用。