强对流天气是导致气象灾害的重要天气类型，其形成与中小尺度天气系统关系密切（高晓梅等，2018；俞小鼎和郑永光，2020）。50 mm·h^-1以上短时强降水属于相对极端的强对流天气（俞小鼎等，2012；郑永光等，2017）。短时强降水由于其范围小、突发性强、历时短、雨强大，地域性特征十分明显（陈炯等，2013），易形成暴雨洪涝，引发山体滑坡、泥石流、渍涝等次生灾害并给社会带来巨大影响。强对流天气主要的临近预报预警工具是天气雷达（俞小鼎等，2012；潘赫拉等，2020）。雷达和地面降水观测资料是暴雨预报中两个最重要的可用数据（Sun et al.，2020）。双线偏振雷达通过交替发射或同时发射水平和垂直偏振波，可探测到表征目标物在两种不同偏振方向上后向散射信号幅度和相位差异的偏振参量，如差分反射率（Z_DR）、相关系数（Correlation Coefficient， CC）和差分相移率（K_DP）等。不同尺寸的冰雹、雨滴及非气象目标物等对应不同的双偏振参数特征值，这些参数与降水粒子的相态、形状、空间取向和分布等密切相关（Kumjian，2013a；张培昌等，2018）。对于满足瑞利散射的气象目标物粒子，Z_DR大小取决于粒子的大小和形态，液态雨滴随着直径的增大Z_DR也增大，Z_DR大小与粒子浓度无关（Kumjian，2013a）。K_DP随着雨滴直径的增大而增大，对雨滴浓度较为敏感，K_DP与纯雨水的降水率几乎呈线性关系（Sachidananda and Zrnic，1987），因此，K_DP可以很好地反映出雷达取样体积内的液态水含量，可用来反演强降雨的雨强（Kumjian，2013a，b）。CC与雷达取样体积里粒子种类、形状或轴取向有关，粒子种类多或粒子形状多样性会导致CC降级，纯净雨滴的CC>0.98，强降雨的CC值要比小雨低，地物杂波、昆虫、鸟类等非气象目标物的CC基本小于0.80（Kumjian，2013a；Hubbert et al.，2018）。HALL等（1980）首次发现在0 ℃层以上1~2 km范围内，与强反射率因子柱伴随发生一条狭窄的正Z_DR值带即Z_DR柱。Z_DR柱的出现表明该区域为强上升气流区，强上升气流可以将一定数量直径稍大的冰粒子或包有水膜的冰粒子或液态粒子带到环境-10 ℃层高度附近，从而导致大的反射率因子（Z_H）、Z_DR和K_DP值，不同相态粒子同时存在导致CC明显偏低（Kumjian et al.，2014）。0 ℃层高度以上同样会出现K_DP大值区，往往表明有丰富的液态雨和（或）湿冰存在，K_DP柱可作为深厚对流上升气流特性的观测量度（Van Lier-walqui et al.，2016；Snyder et al.，2017）。

刘黎平等（2002）研究指出Z_DR和K_DP受滴谱变化的影响较小，能够较好地反演降水量和液态含水量。魏庆等（2016）指出当降水强度I>5 mm·h^-1时，双偏振雷达定量测量降水误差明显比单偏振天气雷达好。随着双偏振雷达技术的日渐成熟，对超级单体风暴双偏振雷达特征的研究也越来越多，这些研究有助于提高风暴内部微观物理过程的认识（杨吉等，2020；刁秀广和郭飞燕，2021；郑铮等，2021），但对于强降水风暴双偏振雷达特征的研究仍较缺乏。张羽等（2017）指出广州1 h降水量R>50 mm降水对应的Z_DR、K_DP和CC的平均值分别为1.25~1.66 dB、0.8~1.48（°）·km^-1和>0.95。荀爱萍等（2019）对厦门不同雨强偏振参量分析表明，暴雨以上量级降水的Z_H、Z_DR和K_DP范围分别为40~60 dBZ、1.0~4.0 dB和1.0~4.00（°）·km^-1，不同强度的降水CC差别不大。刁秀广等（2020）指出强降水风暴中的Z_DR柱对雷暴强度具有指示作用。

尽管目前我国已经有不少学者开展了双偏振雷达的相关研究并取得一定的研究成果，但由于双偏振雷达业务应用还未普及，因此在业务应用中双偏振雷达参量本地化特征尚缺少足够的研究。本文基于济南新建S波段双偏振多普勒天气雷达（CINRAD/SA-D）资料，结合地面实况资料，对2020年8月5日和6日山东两次极端强降水风暴双偏振参量及其结构特征进行了对比分析，以期对强降水对流风暴微物理特征及强降雨预警工作有所帮助。

2020年8月5日04：00—12：00（北京时，下同）山东西部地区出现分散性强降水天气。聊城莘县王庄集区域站07：00—08：00小时降水量最大（91.1 mm），07：06—07：28分钟降水量基本大于2.0 mm，最大为5.1 mm。2020年8月6日14：00—23：00，鲁中西部和鲁西南大部地区出现强降水天气（图1）。济宁兖州大安区域站（19：00—20：00）小时降水量最大（104.0 mm），19：07—19：19和19：25—19：34两个时段分钟降水量基本都大于2.0 mm，最大为5.0 mm（图1）。8月5日和6日极端强降水个例相隔时间较短，但却属于两次不同的降水过程，虽然两者均受到西太平洋副热带高压外围暖湿气流和低层切变线的影响，但前者有弱冷空气的参与[4日20：00 500和700 hPa高空图（图略）显示，山东地区上游存在弱的冷槽]，而后者整层都较暖湿[6日08：00 500和700 hPa高空图（图略）显示，山东地区上游存在弱的暖脊]。

聊城莘县王庄集区域站位于115.46°E、36.01°N，济宁兖州大安区域站位于116.78°E、35.64°N，距离济南雷达站直线距离分别约140和130 km。莘县王庄集站和兖州大安站与济南雷达站距离相当，雷达探测到的最低高度大致相同，且两个站都出现极端强降水且分钟最大降水量4.0~5.0 mm。因此，本文选择王庄集和大安作为代表站点对两次极端强降水风暴进行对比分析。

济南章丘探空资料计算的环境物理量见表1，其中用莘县站5日05：00和兖州站6日17：00露点与气温订正对流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）和抬升指数（Lifting Index， LI）。4日20：00和6日08：00 K指数较大分别为40、39 ℃，订正后CAPE均在2700 J·kg^-1左右，LI分别为-3.9、-5.2 ℃，表明均具有非常强的热力不稳定，抬升条件也较好，对雷暴的发生非常有利。4日20：00、5日08：00、6日08：00和6日20：00各时次925 hPa和850 hPa比湿均超过12 g·kg^-1（13~17 g·kg^-1），表明两次极端强降水过程低层含水量丰富，有利于强降水的发生。两次强降水过程均发生在中等偏弱的垂直风切变环境条件下，但8月6日强降水低层垂直风切变和风暴相对螺旋度（Storm Relative Helicity， SRH）大于8月5日强降水。

图2和图3分别为2020年8月5日和8月6日极端强降水过程济南双偏振雷达产品。

2020年8月5日05：00前后，在混合降水回波区的南侧（河南省濮阳周围）有对流发展[图2（a）]，在缓慢东偏北方向移动过程中逐渐加强，形成相对孤立的强降水风暴[图2（b）]。在河南与山东交界处产生强降水天气，小时最大降水量出现在山东莘县王庄集站。风暴低层强回波区（≥45 dBZ，下同）东西和南北宽度分别为15和40 km[图2（c）]，对应的Z_DR基本为1.0~2.5 dB[图2（d）]，K_DP基本≥0.75（°）·km^-1[图2（e）]，CC较大（多大于0.95）[图2（f）]。强回波中心（≥55 dBZ，下同）对应K_DP高值区（2.40~3.60（°）·km^-1），移动方向前侧反射率因子梯度大的区域对应偏大的Z_DR，该区域位于径向速度V（图略）辐合线后侧下沉气流区，说明靠近辐合线的下沉气流区存在一定浓度直径偏大的粒子，而后侧Z_DR适中，表现为高浓度的直径小于前侧的液态粒子。

2020年8月6日18：30[图3（a）]，山东济宁北部和南部有对流云团活动，北部对流云团南压，南部对流云团北抬，19：05南北两对流云团合并，19：16演变为相对孤立的多单体对流风暴，之后沿偏东方向缓慢移动[图3（b）]，在兖州—曲阜一带产生极端强降水。19：22风暴影响兖州和曲阜一带，移动方向的前沿反射率因子梯度较大[图3（c）]。强回波区内Z_DR基本大于等于1.0 dB（最大4.5 dB）[图3（d）]，K_DP基本大于等于1.00（°）·km^-1（最大6.40（°）·km^-1）[图3（e）]，CC多大于0.95[图3（f）]。强回波中心对应的K_DP多大于等于2.00（°）·km^-1。强回波区前沿Z_DR较大，多在2.0 dB以上[图3（d）]，CC明显偏小，但K_DP较大。强回波区前沿与辐合上升气流区相对应，对应Z_DR和K_DP较大而CC偏小，辐合上升气流区存在一定浓度大液态粒子和融化的小冰粒子。

王庄集站07：16—07：26平均分钟降水量为3.6 mm，大安站 19：22—19：32平均分钟降水量为3.7 mm，降水强度基本相当。表2为两次极端强降水代表站点附近0.5°仰角双偏振参量值及其周围20个距离库平均值。8月5日07：16王庄集站附近（0.5°仰角距离地面约2.3 km）和8月6日19：22大安站（0.5°仰角距离地面约2.0 km）周围20个距离库平均Z_H分别为56.2和50.8 dBZ，Z_DR分别为1.4和1.8 dB，K_DP分别为3.1和2.90（°）·km^-1，CC均为0.98。对比两站可知，CC较大且相当，表明为相态单一的液态粒子，王庄集风暴低层（0.5°仰角）Z_DR略小，粒子直径平均态略偏小；K_DP较大且基本相当，含有高浓度液态雨滴，导致降水强度也大致相当。Z_H差别明显，王庄集风暴低层液态雨滴平均态略有偏小，但回波强度明显较大，唯一的解释是王庄集风暴低层含有少量直径较小且较为均一的湿冰粒子，这种情况下不会导致Z_DR、K_DP和CC明显变化，只会导致Z_H增大。

8月6日19：22新兖和兴隆庄站周围20个距离库平均Z_H、Z_DR、K_DP和CC分别为53.5 dBZ、2.9 dB、4.80（°）·km^-1和0.97，Z_DR和K_DP明显较大，CC略偏小，表明含有一定浓度的直径较大的液态粒子或小的融化冰粒子。新兖和兴隆庄站周围Z_H、Z_DR、K_DP明显大于大安站，而降水强度弱于大安站（新兖站和兴隆庄站在19：23—19：33平均分钟降水量分别为2.7和2.5 mm，最大分钟降水量为3.0 mm左右），主要原因是含有一定浓度直径较大的粒子，尽管Z_H、Z_DR、K_DP大于大安站，但降水强度却相对较弱。

为更好探究风暴垂直结构，从雷达站点分别沿235.7°[图2（e）中白色虚线]和177.0°[图3（e）中白色虚线] 径向做垂直剖面（剖线选取原则是能在相应剖面中找出风暴K_DP柱最高高度）。

图4和5分别为8月5日07：16和6日19：22济南双偏振雷达Z_H、Z_DR、K_DP、CC、V和叠加了Z_DR、K_DP、CC和零速度线的Z_H垂直剖面。图5中有2个对流风暴，北侧风暴位于大安站东侧附近（简称“大安风暴”），南侧风暴位于新兖站西侧附近（简称“新兖风暴”）。

8月5日王庄集风暴具有更高的风暴顶和强回波区高度。王庄集风暴发展较为强盛，35、45、50和55 dBZ回波顶高分别达16.4 km（-70 ℃）、11.7 km（-42 ℃）、8.9 km（-20 ℃）和7.2 km（-10 ℃）[图4（a）]。8月6日大安风暴35、45和50 dBZ回波顶高分别为11.1 km（-35 ℃）、8.8 km（-19 ℃）和6.0 km（-3 ℃）[图5（a）]。

0 ℃层高度以上，都有较高的Z_DR柱[Z_DR≥1.0 dB，图4（b）、图5（b）]和K_DP柱[K_DP≥1.00（°）·km^-1，图4（c）和图5（c）]，但K_DP柱顶高差别较大。王庄集风暴Z_DR柱和K_DP柱顶高分别约8.1 km（-13 ℃）和8.7 km（-19 ℃），大安风暴Z_DR柱和K_DP柱顶高分别约8.2 km（-14 ℃）和7.9 km（-12 ℃）（表3），王庄集和大安风暴Z_DR柱高度相当，而K_DP柱高于大安风暴。王庄集风暴Z_DR柱和K_DP柱基本位于强回波区内，都处于径向速度零速度线的左侧即上升气流区[图4（f）]，而大安风暴Z_DR柱和K_DP柱处于强回波区的南侧[图5（f）]，与强回波区呈分离状态。

-10 ℃层高度之上，两者以固态粒子为主（基本表现为小的Z_DR和K_DP，大的CC），而王庄集风暴强度更强，含有更加丰富的霰粒子（Z_DR更小），-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（基本表现为大的Z_DR和K_DP），王庄集风暴含有一定数量的冰相粒子[CC<0.92的小值区，图4（d）]；K_DP在低层明显较大，风暴低层含有浓度更高的液态粒子。

新兖风暴35、45、50 dBZ回波顶高分别为12.3、9.1和7.5 km，Z_DR柱高约8.4 km，K_DP柱南北两侧各有一条，高度分别为8.9和8.6 km。K_DP柱处于强回波区的南侧，与强回波区呈分离状态。新兖风暴强回波顶和K_DP柱顶高明显高于大安风暴，-10 ℃层高度之上含有更加丰富的小的液态粒子及霰粒子和冰晶粒子，-10~0 ℃层高度之间CC较小[图5（d）]，含有液态与融化的冰相粒子，0 ℃层高度以下与大安风暴基本类似。

综上所述，王庄集风暴与大安风暴偏振特征主要有两点差异：一是风暴强度、风暴顶高和K_DP柱高度的明显差异，在微物理结构上表现为王庄集风暴在-10 ℃层高度以上含有深厚、丰富的霰粒子；二是王庄集风暴强回波区、Z_DR柱和K_DP柱相对集中，Z_DR柱和K_DP柱都处在强回波区内，而大安风暴呈分离状态。造成这种明显差异的物理机制是什么?

图6是王庄集风暴和大安风暴径向速度及其垂直剖面。可以看出，王庄集风暴中层表现为明显径向辐合特征[图6（a）]，最大径向速度差约22 m·s^-1，顶层辐散非常强[图6（b）]，最大径向速度差达45 m·s^-1。大安风暴中层和上层表现为气旋性旋转特征[图6（c）、图6（d）]旋转强度较弱，同时风暴顶辐散也较弱，最大径向速度差为16.5 m·s^-1。对比可知，王庄集风暴顶辐散较强，在高层强辐散的作用下，风暴内部上升气流倾斜上升，上升气流强度强，风暴发展高度较高，将液态粒子带至更高高度，同时Z_DR柱、K_DP柱和强回波区较为集中。而大安风暴顶层气流辐散强度较弱，内部为气旋性旋转气流结构，旋转强度较弱，从而导致大安风暴高度、强度及K_DP柱高度明显较低，同时Z_DR柱、K_DP柱和强回波区呈分离状态。新兖风暴中层和上层也表现为气旋性旋转特征，旋转强度和风暴顶辐散强度明显大于大安风暴[图6（d）、（e）]，4.5和8.6 km高度的旋转速度分别为11和10 m·s^-1，风暴顶速度差为32 m·s^-1，导致新兖风暴高度、强度及K_DP柱高度明显较高，旋转气流结构也导致新兖风暴Z_DR柱、K_DP柱和强回波区呈分离状态。气流结构差异性的主要因素可能是，8月6日具有明显强于8月5日的低层垂直风切变和SHR（表1），易于产生气旋性涡旋气流结构，同时8月5日500 hPa有弱的西北气流影响，即风暴中层有明显冷空气侵入，而8月6日强降水基本受西南气流影响，中层无明显冷空气侵入，冷空气侵入易于中层径向辐合的加强。

为更好探究王庄集站和大安站强降水时段雷达双偏振参量演变特征，对两站上空Z_H、Z_DR、K_DP和CC进行逐体扫演变（图7）分析。王庄集站07：06—07：28分钟降水量都在2 mm以上（图1实线），这一时段内对应Z_H[图7（a）]、Z_DR[图7（c）]和K_DP[图7（e）]明显较大。从07：04体扫时次开始王庄集站上空双偏振参量开始增大，07：10体扫时次回波显著增强，低层Z_H增大至55 dBZ以上，同时大于等于45 dBZ反射率因子伸展到9 km左右，对应Z_DR和K_DP迅速增大。07：16体扫时次大于等于40 dBZ反射率因子伸展到14 km左右，K_DP柱伸展到8 km以上，此时王庄集站上空对流发展最为旺盛，对应地面出现连续超过3 mm的分钟降水量。当强降雨开始后强回波顶高度和质心下降[图7（a）]，标志着王庄集站上空对流开始减弱，到07：33体扫时次王庄集站上空Z_H、Z_DR和K_DP迅速减弱，对应地面分钟降水量迅速减小到不足0.5 mm。王庄集站上空雷达双偏振参量尤其是Z_H和K_DP呈现显著增强并迅速减弱的变化趋势，表明其上空对流迅速发展并迅速减弱。而大安站上空双偏振参量变化相对较为平稳，且强回波持续时间更长，这也是大安站总降水量更大的一个原因。大安站共有两次明显强降雨时段分别为19：07—19：19和19：25—19：34（图1虚线），其上空Z_H[图7（b）]、Z_DR[图7（d）]和K_DP[图7（f）]也有两次增强时段且与最强降雨时段基本对应。大安站上空大于等于40 dBZ回波反射率因子最高向上伸展到7.5 km（19：05体扫时次）附近，较王庄集站回波顶高（14 km）明显偏低，同时也并未出现质心明显下降的现象[图7（b）]。强降水时段不仅对应低层K_DP的明显增大，同时还对应K_DP柱的明显向上伸展，两次强降雨段K_DP柱分别向上伸展到约8 km和7 km左右高度[图7（e）、图7（f）]。王庄集站和大安站强降水时段内低层Z_DR、K_DP和CC[图7（g）、图7（h）]基本相当，王庄集站低层Z_H比大安站偏强，这与其降水中含有少量直径较小且较为均一的湿冰粒子有关。

基于济南S波段双偏振雷达探测资料，并结合常规地面和高空观测资料，对2020年8月5日和6日发生在山东两次极端强降水风暴的天气背景、环境条件和双偏振参量特征进行对比分析，得出以下结论：

（1）8月5日莘县王庄集站和6日兖州大安站降水强度相当，最大分钟降水量达5.0 mm。水汽输送条件较好且湿层较厚，850 hPa及以下比湿均超过12 g·kg^-1。不稳定能量条件较好，K指数均超过39 ℃，订正后CAPE能量较强。两次强降水过程均发生在中等偏弱的垂直风切变环境条件之下，且0 ℃、-10 ℃、-20 ℃和-30 ℃层高度相当。8月6日强降水具有强于8月5日的低层垂直风切变和相对风暴螺旋度。

（2）王庄集和大安风暴测站低层周围Z_DR、K_DP和CC无明显差异，但Z_H差别明显。王庄集和大安风暴测站低层周围Z_DR适中，表明粒子大小适中，K_DP和CC较大且基本相当，表明两地附近降水为相态单一的高浓度液态雨滴，降水强度也大致相当。Z_H差别明显，王庄集风暴低层液态雨滴平均态略偏小（Z_DR略小），但回波强度明显较大，含有少量直径较小且较为均一的湿冰粒子导致Z_H增大而Z_DR、K_DP和CC不会有明显变化。

（3）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（基本表现为小的Z_DR和K_DP，大的CC），而王庄集风暴强度更强含有深厚、丰富的霰粒子（Z_DR更小），-20~-10 ℃层之间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（基本表现为大的Z_DR和K_DP），王庄集风暴含有一定数量的冰相粒子（CC<0.92的小值区）；K_DP在低层明显较大，风暴低层含有浓度更高的液态粒子。

（4）风暴内部气流结构差异性，决定风暴发展高度、Z_DR柱和K_DP柱高度的差异性及微物理结构的差异性。王庄集风暴中层具有大的径向辐合和强的风暴顶辐散，致使其发展高度和K_DP柱高度较高，高层含有丰富的霰粒子和冰晶粒子。大安风暴中层气旋性旋转强度和风暴顶辐散强度偏弱，导致其发展高度及K_DP柱高度偏低，高层以冰晶粒子为主。大安风暴与新兖风暴相对比，新兖风暴中层气旋性旋转强度和风暴顶辐散强度偏强，其发展高度、Z_DR柱和K_DP柱高度也较高。而导致气流结构差异性的机制之一可能是低层垂直风切变和风暴相对螺旋度强度大小问题。

尽管两次风暴的强度、顶高、Z_DR柱和K_DP柱高度及气流结构等特征存在差异甚至显著差异，但低层特征相近。低层2.0~2.3 km高度测站周围Z_DR、K_DP和CC基本一致，导致降水强度也基本接近。因此，决定两站降水强度的关键因素是风暴低层双偏振参量特征，即适中的Z_DR、较大的K_DP和CC。是否其他极端强降水风暴也存在类似特征，需用更多的双偏振雷达资料并利用多源观测结合数值模拟分析，开展更加深入细致的研究。