Contrast analysis of dual-polarization signatures for the two extreme rainfall storms

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-01-0103

Abstract

Abstract:

Based on the Ji'nan S-band dual-polarization Doppler weather radar (CINRAD/SA-D) data, combined with automatic weather station data and conventional observation data, comparative analysis of the environmental conditions are made, and emphasis is laid on the analysis of dual-polarization signatures for the Wangzhuangji storm and Da'an storm, which are short for the two extreme rainfall storms separately occurring at Wangzhuangji county of Shenxian and Da'an county of Yanzhou, Shandong on 5 and 6 August 2020. The results show that: the two extreme heavy rain occurred in the conditions of high K index, large convective available potential energy (CAPE), deep wet layer, and moderately weak vertical wind shear. In contrast, the storm relative helicity (SRH) is evidently larger for the extreme rainfall event on 6 in August. The flow structures of the storms are significantly different: the Wangzhuangji storm tilts upward and intensively diverges at high-level inducing higher storm top and speciﬁc differential phase K_DP column, while Da'an storm performs as cyclonic rotation with weaker high-level divergence. The microphysical structure varies at different levels: for the both two storms, there are high concentration of solid (liquid) particles separately above (below) -10 ℃ layer. But Wangzhuangji storm has more abundant graupels above -10 ℃ layer, a few element of liquid particles from -20 ℃ to -10 ℃ layer, and a certain amount of ice particles below -10 ℃ layer. The two storms exhibit comparable dual-polarization characteristics with moderate differential reflectivity Z_DR, bigger K_DP and correlation coefficient (CC) at low-level, which indicate that the rainfall storms constructed with abundant moderate particle size liquid raindrops are rich of water favorable for extreme rainfall.

Key words: extreme short term rainfall, dual-polarization signatures, flow structure, Z_DR column, K_DPcolumn

摘要：

基于济南S波段双偏振多普勒天气雷达（CINRAD/SA-D）探测资料，并结合区域自动气象站以及常规观测资料，对2020年8月5日和6日山东两次极端强降水风暴环境条件进行对比分析，并重点分析莘县王庄集和兖州大安风暴的双偏振参量特征。结果表明：两次极端强降水天气均具有较高的K指数和较大的对流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE），湿层厚，垂直风切变中等偏弱，但6日强降水低层垂直风切变和相对风暴螺旋度明显偏强。风暴气流结构有明显差异：王庄集和大安风暴分别表现为倾斜上升和气旋性旋转气流结构，前者风暴顶辐散强而后者较弱，从而导致前者风暴顶高度及差分相移率（K_DP）柱高度较高。不同高度微物理结构有差异：-10 ℃层高度之上，两者以固态粒子为主，而王庄集风暴含有更加深厚、丰富的霰粒子，-20~-10 ℃层还有一定浓度较小的液态粒子；-10 ℃层高度以下，两者以浓度较高的液态粒子为主，而王庄集风暴含有一定数量的冰相粒子。风暴低层测站周围差分反射率（Z_DR）、K_DP和相关系数（Correlation Coefficient， CC）大致相当，Z_DR适中，粒子大小适中，K_DP和CC较大，风暴降水主体液态雨滴浓度较高，含水量丰富，从而产生高强度降水。

关键词: 极端短时强降水, 双偏振参量特征, 气流结构, Z_DR柱, K_DP柱

CLC Number:

P458

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Figures/Tables 10

Fig.1 The minute precipitation at Wangzhuangji station from 07：00 to 08：00 on 5 and at Da’an station from 19：00 to 20：00 on 6 August 2020

Tab.1 The environmental physical parameters calculated by radiosonde data of Zhangqiu of Ji'nan

北京时	K（ΔT） /℃	LI* /（℃）	CAPE*（CIN）/（J·kg^-1）	垂直风切变/（m·s^-1）		比湿/（g·kg^-1）			高度/km				SRH/ （m²·s^-2）
北京时	K（ΔT） /℃	LI* /（℃）	CAPE*（CIN）/（J·kg^-1）	0~6 km	0~2 km	700 hPa	850 hPa	925 hPa	0 ℃	-10 ℃	-20 ℃	-30 ℃	SRH/ （m²·s^-2）
4日20：00	40（22）	-3.9	2 700（324）	13	3	11	14	17	5.2	7.0	8.7	10.2	30
5日08：00	35（20）	-3.4	1 152（38）	6	2	9	13	17	5.3	7.2	8.9	10.2	6
6日08：00	39（24）	-5.2	2 700（96）	8	8	10	14	16	5.3	7.2	8.8	10.3	120
6日20：00	35（23）	0.2	126（43）	13	7	11	14	16	5.4	7.5	9.1	10.5	79

Fig.2 Combined reflectivity （Unit： dBZ） at 05：03 （a） and 07：16 （b）， and ZH （c， Unit： dBZ）， ZDR （d， Unit： dB）， KDP （e， Unit：（°）·km-1）， CC （f） at 0.5° elevation from Ji'nan radar at 07：16 on 5 August 2020 （The blue solid， dash and dotted isolines are 45， 50 and 55 dBZ isoline of ZH respecitvely， the green solid isoline is V convergence line. the same as below）

Fig.3 Combined reflectivity （Unit： dBZ） at 18：30 （a） and 19：22 （b）， and ZH （c， Unit： dBZ）， ZDR （d， Unit： dB）， KDP （e， Unit：（°）·km-1）， CC（f） at 0. 5° elevation from Ji'nan radar at 19：22 on 6 August 2020

Tab.2 The dual-polarization parameters at 0.5 elevation and 20 range bins mean around the representative stations for the two extreme flash heavy rain

站点	北京时	Z_H/dBZ		Z_DR/dB		K_DP/[（°）·km^-1]		CC
站点	北京时	范围	均值	范围	均值	范围	均值	范围	均值
王庄集附近	8月5日07：16	53.0~58.0	56.2	1.0~1.8	1.4	2.7~3.6	3.1	0.96~0.99	0.98
大安站附近	8月6日19：22	47.0~54.0	50.8	1.1~2.5	1.8	2.0~3.5	2.9	0.96~0.99	0.98
新兖和兴隆庄附近	8月6日19：22	50.0~56.5	53.5	1.2~4.5	2.9	3.1~6.4	4.8	0.91~0.99	0.97

Fig.4 Vertical cross-section（VCS） of ZH （a， Unit： dBZ）， ZDR （b， Unit： dB）， KDP （c，Unit：（°）·km-1）， CC （d），V（e，m·s-1）， and VCS of ZH （Unit： dBZ） overlying ZDR， KDP， CC and zero velocity isoline from Ji'nan radar at 07：16 on 5 August 2020 （The blue solid， dash and dotted isolines are 45， 50 and 55 dBZ isoline of ZH respectively； the pink， red and blue isolines are the heights of 0 ℃， -10 ℃ and -20 ℃ layers respectively； the red isoline is 1 dB isoline of ZDR， the yellow isoline is 1.00（°）·km-1 isoline of KDP， the white isoline is 0 m·s-1 isoline of V in Fig.4（f）. The same as below）

Fig.5 Vertical cross-section（VCS） of ZH （a， Unit： dBZ）， ZDR （b， Unit： dB）， KDP （c， Unit：（°）·km-1）， CC （d），V（e，Unit：m·s-1）， and VCS of ZH （Unit： dBZ） overlying ZDR， KDP， CC and zero velocity isolines from Ji'nan radar at 19：22 on 6 August 2020

Tab.3 Vertical structural characteristics for Wang Zhuangji and Da'an storms

北京时	风暴	-10 ℃层高度以上			-10~0 ℃层高度			0 ℃层高度以下			特征高度/km
北京时	风暴	Z_H/dBZ	Z_DR/dB	K_DP/ [（°）· km^-1]	Z_H/dBZ	Z_DR/dB	K_DP/ [（°）·km^-1]	Z_H/dBZ	Z_DR/dB	K_DP/ [（°）·km^-1]	Z_DR柱	K_DP柱	45 dBZ顶
8月5日07：16	王庄集风暴	<55	≈0	<1.5	45~59	0.3~1.6	0.5~2.5	45~61	1.0~2.7	0.5~3.8	8.1	8.7	11.7
8月6日19：22	大安风暴	<45	0.2~1.0	<1.0	40~52	0.5~1.7	0.5~2.5	45~55	1.0~2.6	0.5~3.7	8.2	7.9	8.8

Fig.6 Radial velocity at 1.5° （a）， 6.0° （b） elevations at 07：16 on 5 and at 1.5°（c）， 3.3°（d） elevations at 19：22 on 6 and vertical section of radial velocity at 19：22 on 6 （e） August 2020 （Unit： m·s-1）（The vertical section is along dotted line in Fig.3（e））

Fig.7 Time-height cross sections of ZH （Unit： dBZ）（a， b）， ZDR （Unit： dB）（c，d）， KDP （Unit：（°）·km-1）（e， f） and CC （g， h） at Wangzhuangji station from 06：30 to 08：00 on 5 （a， c， e， g） and Da'an station from 18：30 to 20：00 on 6 （b， d， f， h） August 2020

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