本研究报告基于S波段双偏振（dual-polarization）多普勒天气雷达数据，针对2021年在中国山东省境内连续发生的三次飑线（squall line）强降水过程（5月26日个例A、6月30日个例B、7月31日至8月1日个例C），详细分析了其动力和云物理结构特征，特别是其双偏振参数的演变与指示意义。该研究由Qingdao Meteorological Observatory的Fujing Wan、Shandong Meteorological Observatory的Xiuguang Diao以及Qingdao Climate Change Center的Huaji Pang共同完成，以题为“Dual polarization characteristics of three consecutive squall lines with heavy rainfall”的论文形式，发表于《Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics》2025年第266卷。
学术背景与研究目标 飑线是一种呈带状或线状的中尺度深对流系统，常伴随雷暴、大风、冰雹和短时强降水等剧烈天气。传统单偏振多普勒雷达在研究其触发、组织、结构和维持机制方面已取得诸多成果，认识到其触发与组织与锋面、地面风场辐合线、干线、海风锋及雷暴出流边界等地面辐合线密切相关。双偏振雷达能够发射水平和垂直两种偏振的电磁波，除了获取反射率因子（Zh）和径向速度（V）外，还能获得差分反射率因子（Zdr）、差分相移率（Kdp）、相关系数（CC）等关键参数。这些参数对降水粒子的形态、滴谱分布和相态高度敏感，在定量降水估计和粒子相态识别方面具有独特优势，并能显著提升雷达对雨滴探测的信息含量。以往研究多在超级单体、热带气旋等对流系统中探讨双偏振特征，针对飑线的研究也多集中于单一个例分析，对不同飑线过程进行系统性对比分析的工作较少。2021年春夏之交，山东省在短时间内连续出现三次飑线过程，均造成了超过50毫米的最大降水量并伴随区域性雷暴大风，这为开展对比研究提供了宝贵机会。本研究旨在基于济南站的S波段双偏振多普勒雷达数据，对比分析这三次不同飑线过程的微物理结构和双偏振参数特征的异同，以期加深对飑线短时强降水事件的认识，为未来利用双偏振雷达进行短时强降水预警提供参考依据。
研究流程与数据分析方法 本研究是一项观测分析研究，其核心流程是借助双偏振雷达数据对三次飑线个例进行多维度、定量化的对比分析。研究流程主要包括以下几个环节：
天气背景与环境场分析： 首先，研究者分析了三次飑线过程发生前的天气形势和环境物理参数。利用探空资料（来自章丘站），计算并对比了各个例的关键环境参数，包括850hPa与500hPa的温差（δT）、抬升指数（LI）、对流有效位能（CAPE）、对流抑制能量（CIN）、整层比湿积分（IQ）、各层垂直风切变（SHR6, SHR3, SHR1）以及湿球0℃层高度（WBZ）、环境0℃、-10℃、-20℃层高度等。这一步骤旨在理解三次过程发生的大气环境异同，为解释后续雷达观测特征的差异提供背景。
低层偏振特征分析： 选取每个飑线过程强风暴发展的典型时刻（对应高分钟降水率阶段），提取并分析济南双偏振雷达0.5°仰角的基本产品，包括水平偏振反射率因子（Zh）、差分相移率（Kdp）、差分反射率因子（Zdr）和相关系数（CC）。具体时刻为：个例A（5月26日14:33 BJT）、个例B（6月30日14:03 BJT）、个例C（8月1日00:32 BJT）。分析的重点在于识别飑线低层强回波区（如≥45 dBZ和≥55 dBZ）对应的偏振参数特征。通过对比Zh、Kdp、Zdr和CC在强回波区、弓形回波凸起部位等关键区域的数值分布和形态，推断低层降水粒子的相态（液态、冰相）、大小、浓度以及是否存在融化的小冰雹粒子。例如，高Zdr值通常指示大的、扁椭球状液态粒子；高Kdp值指示高浓度的、具有水平长轴的粒子（如雨滴）；而CC的降低则可能意味着雷达采样体积内存在混合相态（如雨和融化冰雹共存）或粒子形状、取向不一致。
垂直结构特征分析： 为了深入探究风暴内部的微物理过程，研究者在每个个例的强回波区附近，沿特定径向（图3中白色虚线所示）制作了反射率因子（Zh）、差分相移率（Kdp）、差分反射率因子（Zdr）和相关系数（CC）的垂直剖面。这些剖面揭示了风暴前侧和后侧的垂直结构差异。分析重点关注几个关键特征：一是Kdp柱（Kdp column，定义为Kdp ≥ 1.0°/km的区域）和Zdr柱（Zdr column，定义为Zdr ≥ 1.0 dB的区域）的出现位置、高度及其与风暴上升气流的关系；二是不同高度层（特别是相对于环境0℃、-10℃、-20℃层）粒子相态的分布；三是风暴后侧下沉气流区内粒子相态的垂直演变。通过分析这些垂直剖面，可以推断上升气流将液态水携带到的高度、冰相粒子的生长和融化过程，以及导致地面强降水的微物理机制。
偏振参数差异与分钟降水量对比： 在完成结构分析后，研究者进一步量化比较了三次飑线过程在产生强降水时的双偏振参数差异。他们提取了与1-2 mm/min分钟降水量对应的1公里高度上的Zh、Zdr、Kdp和CC数据，并绘制了箱型图（图8）和统计表（表2）进行对比。此外，还对比了分钟降水量超过2 mm/min时（主要出现在个例C）的参数特征。同时，也分析了三次过程中强降水核心影响的持续时间（即分钟降水量>0.5 mm的持续时间）。这一步旨在将微观的偏振参数特征与宏观的降水强度和持续时间联系起来，揭示不同飑线降水效率差异的微物理成因。
时间演变分析： 选取每个个例垂直剖面附近出现强降水的站点，绘制了Zh、Zdr、Kdp和CC的时间-高度剖面图（图9）。这有助于理解在风暴主体影响前、影响期间和影响后，风暴内部微物理结构的演变过程，例如强降水开始时低层大粒子浓度（Zdr、Kdp增加）和均一性（CC高）的变化。
整个研究的数据分析工作主要依赖于济南站的S波段双偏振多普勒天气雷达数据，并结合了地面自动站降水观测数据进行验证和关联。研究采用的方法主要是基于双偏振雷达气象学原理的定性诊断和定量统计对比，未涉及新型算法或设备的自主研发，但系统性地将成熟的偏振参量分析技术应用于连续发生的多个飑线个例对比中，是该方法的重要实践。
主要研究结果 研究取得了若干关于飑线双偏振特征的详细结果，揭示了三次过程的共性与个性：
低层偏振特征的共性： 三次飑线的低层强回波区（Zh≥45 dBZ）均对应着一定浓度的大直径液态粒子，且这些粒子主要分布在飑线移动方向的前沿两侧。在回波高值区（Zh≥55 dBZ），则普遍存在融化的小冰雹粒子，表现为较大的Kdp和Zdr，以及相对较小的CC。此外，在带状回波两侧的弓形凸起部位，虽然对应较大的径向速度（意味着强下沉气流或出流），但其Zdr值较小，表明弓形回波前部主要由较小的液态粒子构成。
垂直结构的共同模式： 从垂直结构看，三次飑线的前侧均明显观测到Kdp柱和Zdr柱，且Zdr柱的高度通常高于Kdp柱。在风暴前侧的Zdr柱内，-10℃层高度以下的强上升气流区主要由低浓度的大液态粒子组成，并混有少量融化的小冰粒子。在-10℃层高度以上，Zdr值相对较小，主要由霰粒（graupel particles）组成。在强上升气流作用下，部分液态粒子和少量融化冰粒子可以被携带到-10℃层甚至-30℃层高度。在风暴后侧（Zdr柱后方），反射率因子、Zdr和Kdp随高度降低而增加。随着与风暴前缘距离的增加，Zdr高值区呈现阶梯式下降趋势，上升气流强度也逐渐减弱。在Zdr高值区下方，存在大的液态粒子和融化的小冰雹粒子，对应着≥55 dBZ的反射率因子。而在此高度上方，则主要由霰粒或冰晶粒子组成，并以向下运动为主。在下沉过程中，上部的冰晶或霰粒在0℃层（尤其是湿球0℃层）高度以下发生显著融化，转变为液态雨滴，从而产生地面强降水。
三次个例间的关键差异： 尽管分钟最大降水量相近（主要在1-2 mm/min范围），但三次过程最主要的差异体现在强降水的持续时间上。个例A的影响时间最短（平均约11分钟），而个例B和C的影响时间较长（分别约22和20分钟），这导致后者更易出现20-30 mm/h的短时强降水。从微物理参数看，对于1-2 mm/min的降水，个例A的Zh和Zdr最高，个例C最低，而Kdp和CC基本相当。这表明个例A的雨滴粒子直径最大，导致其Zh最大；虽然粒子浓度（反映在Kdp上）相近，但大粒子比例高。相比之下，个例C中分钟降水量超过2 mm的情况，其Zh和Kdp略高于1-2 mm/min的情况，但Zdr和CC几乎不变。这说明超过2 mm/min的强降水并非由更大的粒子导致，而是由更高浓度的降水粒子所引起，从而具有更高的降水效率和分钟降水强度。研究者将此归因于季节转换：5月（个例A）的强对流降水粒子尺寸大，而随着夏季副高北抬，7月底8月初（个例C）的降水粒子尺寸变小但浓度显著增加，更倾向于热带型降水特征。
结论与意义 本研究通过对三次连续飑线过程的双偏振雷达对比分析，系统揭示了山东地区飑线系统在双偏振特征上的异同点及其与降水强度的关系。研究证实，尽管发生时间和环境湿度存在差异，但三次飑线在低层粒子组成（大液滴为主，高回波区含融化小冰雹）和垂直结构（前侧存在Kdp柱和Zdr柱，后侧存在粒子的相态转变和融化层）上具有相似的模型。更重要的是，研究明确了导致短时强降水量级差异的关键微物理因素：分钟降水强度相近时，雨滴大小（Zdr）的差异主要与季节有关；而造成更强小时降水（>30 mm/h）的关键，并非更大的雨滴，而是更高浓度的降水粒子（更高的Kdp），这直接提升了降水效率。此外，风暴的影响持续时间是造成累积降水量差异的另一主要因素。
该研究的科学价值在于，首次对连续发生的多次飑线过程进行了系统的双偏振特征对比，深化了对中纬度地区不同季节背景下飑线微物理结构的认识，特别是明确了粒子浓度在决定极端降水强度中的重要作用。在应用价值上，研究结果为利用双偏振雷达参数（如Kdp柱、Zdr柱的高度和强度，以及低层Kdp、Zdr值）更有效地识别飑线中的强降水潜力、判断降水粒子相态和浓度、进而改进短时强降水的定量估测和预警提供了具体的观测依据和指标参考。
研究亮点 本研究的亮点主要体现在以下几个方面：首先，研究对象的特殊性：聚焦于短时间内（2021年春夏）在同一地区连续发生的三次飑线过程，为对比研究提供了难得的“自然实验”条件。其次，分析的系统性和深度：不仅分析了低层水平特征，更通过垂直剖面深入揭示了风暴内部前、后侧不同的微物理过程，清晰勾勒出从上升气流区粒子抬升、增长到下沉气流区粒子融化降水的完整图像。第三，明确的物理洞察：研究成功地将双偏振参数（Zh, Zdr, Kdp, CC）的差异与具体的微物理过程（粒子大小、浓度、相态）联系起来，并最终指向了决定降水效率和总量的关键因素——粒子浓度和风暴持续时间，而不仅仅是粒子大小。这超越了简单的特征描述，提供了机理性的理解。第四，对业务预警的参考价值：研究明确指出，高Kdp值（指示高粒子浓度）可作为预警极强分钟降水强度（>2 mm/min）的有效指标，而Zdr柱和Kdp柱的特征有助于判断风暴的强度和成熟度，这些结论对雷达气象学和强天气预报业务具有直接的借鉴意义。
其他有价值的发现 研究还附带指出了一些有价值的环境场对比结果：三次过程在中低层均具有有利于高度组织化风暴产生和维持的强垂直风切变，中层干燥和较高的下沉对流有效位能（DCAPE）有利于雷暴大风的产生。但个例A的低层湿度显著低于另外两个个例，这可能与其微物理过程和降水效率的差异有关联，为进一步研究环境场对飑线微物理结构的影响提供了线索。此外，时间-高度剖面分析表明，三次飑线在强降水开始时的偏振参数演变具有相似性，即随着强回波影响，低层（ km）Zdr和Kdp显著增加，CC保持高位，表明均匀的大粒子浓度开始主导降水，这为识别降水增强的起始时刻提供了参考模式。