福建西南部一次特大暴雨的双偏振雷达特征分析

第44卷㊀第2期气象与环境科学
Vol.44No.2
2021年3月
Meteorological and Environmental Sciences
Mar.2021
收稿日期:2019-08-06;修订日期:2020-09-30
基金项目:福建省自然科学基金项目(2019J01099);福建省龙岩市科技计划项目(2018LYF5025)
作者简介:张红梅(1982),女,福建连城人,高级工程师,学士,主要从事天气预报工作.E-mail:hawana62@
通讯作者:张深寿(1976),男,福建永定人,正研级高工,硕士,主要从事雷达监测及短时临近天气预警工作.E-mail:88019170@
张红梅,张深寿,连晨方.福建西南部一次特大暴雨的双偏振雷达特征分析[J].气象与环境科学,2021,44(2):16-24.
Zhang Hongmei,Zhang Shenshou,Lian Chenfang.Analysis of Dual Polarization Weather Radar Characteristics During a Heavy Rainstorm in Southwest Fu-jian[J].Meteorological and Environmental Sciences,2021,44(2):16-24.
doi:10.16765/ki.1673-7148.2021.02.003
福建西南部一次特大暴雨的
双偏振雷达特征分析
张红梅,张深寿,连晨方
(福建省龙岩市气象局,福建龙岩364000)
㊀㊀摘㊀要:利用龙岩S 波段双偏振天气雷达,对2019年5月16日发生在福建西南部的特大暴雨过程进行了分
析㊂结果表明:(1)南支槽东移㊁低空西南急流维持,以及低层中小尺度切变线和地面辐合线的南压是此次暴雨的主要影响系统㊂低层高能高湿,高层辐散㊁低层辐合,为强降水的发生提供了充足的水汽和热力条件㊂特大暴雨落区发生在切变线南侧及低空急流和超低空急流的左前侧㊂深厚的湿层配合较弱的垂直风切变,雨滴不容易蒸发,有利于产生高效率降水㊂(2)速度图上多次出现弱的中气旋或尺度较大的涡旋,并伴随着两次切变线南压过程,尤其是第二次切变线后部深厚持久的中气旋给连城北部造成局地特大暴雨㊂强回波右后侧新生回波单体发展合并加强形成了持续短时强降水过程,存在明显的列车效应㊂对流单体在地面辐合线附近生成,并移入西南气流辐合区及不稳定能量大值区,使回波加强发展,产生强降水,这是对流系统稳定维持的重要原因之一㊂低空急流峰值较降水峰值提前1~2h 出现,对强降水有一定的预报参考意义㊂(3)差分相移率(KDP )是指示强降水的最典型指标,
KDP 和强降水对应非常好,大范围的KDP 指示了强降水的影响时间和降雨强度㊂最大降水强度时,KDP 值大于4ʎ/km ,对应差分反射率因子(ZDR )值也达到4~5dB ,说明极端强降水中心的降水雨滴直径大而且数浓度相当大㊂
整个强降水时段内,相关系数CC 一直保持在0.93~0.99㊂径向剖面显示多普勒速度的上升气流区,ZDR 柱㊁KDP 柱指示强上升气流对应的过冷水滴集聚区㊂
关键词:特大暴雨;双偏振雷达;列车效应;ZDR 柱;KDP 柱中图分类号:P412.25㊀㊀㊀
文献标志码:A㊀㊀㊀
文章编号:1673-7148(2021)02-0016-09
引㊀言
华南暴雨是我国暴雨研究的热点之一㊂近些年的观测事实表明,华南强降水区㊁特别是一些罕见的特大暴雨,通常不是出现在锋区或锋后,而是位于锋前暖区,说明暖区暴雨是华南暴雨显著的特点,于是逐渐开始了对暖区暴雨的研究㊂黄士松基于李真光㊁黄士松和陶诗言等的研究成果,以及华南野外科学实验的观测事实,给出了暖区暴雨定义㊁暖区暴雨分布特征和天气特征㊂暖区暴雨广泛定义是指发生
在地面锋面南侧暖区的暴雨,或南岭附近至南海北部没有锋面存在㊁华南未受冷空气或变形冷高压脊控制时产生的暴雨㊂此类暴雨大多发生在地面锋面系统前端200km 至300km 位置,有时则发生在西
南风和东南风的汇合气流中,甚至无切变的西南气流里㊂此类暴雨局地性较强,降水集中,对流性明显,同时降水量较一般锋面降水量多3~5倍[1
-4]
㊂
李真光等[5]研究表明,锋前暖区暴雨在热低压的东南象限与越赤道气流结合,在850hPa 上形成强偏南类低空急流㊂林良勋[6]将华南暖区暴雨典型环
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张红梅等:福建西南部一次特大暴雨的双偏振雷达特征分析
流特征归纳为3种类型:回流暴雨型㊁高空槽型和强西南季风型㊂赵玉春等[7]研究结果发现:在华南双雨带暴雨过程中,暖区雨带与锋面雨带在中尺度雨团的活动㊁系统的动力结构㊁大气的不稳定机制和大气的加热结构等存在明显差异,同时在水汽的输送㊁中尺度背景及与强降水有关的垂直环流之间也存在着不同㊂彭丽英等[3]通过对华南前汛期暴雨气候特征进行研究发现,福建暴雨63%发生在前汛期㊂
福建暴雨是华南暴雨的组成部分,也是影响福建省的主要灾害性天气之一,尤其是锋前暖区暴雨,其特点为雨区范围小㊁降水强度强㊁突发性强,预报难度大,可造成局地洪水㊁山体滑坡等灾害,是天气预报业务中的重点问题㊂福建省气象工作者对前汛期暴雨和台风暴雨研究比较多[8
-9]
,其中也有不少
是围绕暖区暴雨的环流特征㊁中小尺度特征和热力动力条件等方面进行分析,但是针对暖区暴雨的双偏振雷达特征研究还比较少㊂本文利用龙岩S 波段双偏振天气雷达资料㊁常规气象探测资料及再分析资料,对2019年5月16日发生在福建西南部的特大暴雨过程进行了分析,探讨了双偏振雷达产品对短时强降水过程的监测预警作用,以期为双偏振天气雷达的业务应用提供参考依据㊂
1㊀降水实况
2019年5月16日08时17日08时,福建省出
现一次较大范围的暴雨过程㊂图1为此次过程福建省24h 累积降水分布(降水分布图插值方法为
Cressman 算法)㊂由图1可看出,大暴雨(24h 降水
量超过100mm)落区主要位于福建的龙岩北部㊁三明南部㊁泉州西部㊁莆田西部㊁漳州北部和南平南部㊂全省有139个乡镇自动站超过100mm,其中4个乡
镇自动站超过250mm (24h 降水量超过250mm 为
特大暴雨),均位于福建西南部,以龙岩市连城县姑
田镇大洋地村自动站的277.3mm 为最大;1h㊁3h
最大雨量分别为龙岩市连城县莲峰自动站的
93.8mm 和龙岩市连城县揭乐自动站的159.2mm㊂强降水主要集中在16日23时至17日06时(图
2)㊂从自动站逐小时降水强度可见,此次降水过程具有短时强降水的典型强对流性质
㊂
图1㊀2019年5月16日08时17日08时福建省
24h 降水量分布
星标为龙岩S
波段双偏振天气雷达站
图2㊀2019年5月16日18时17日06时连城县北部3个乡镇自动站逐小时降水量
2㊀天气背景分析
此次暖区暴雨发生期间,200hPa 南亚高压位
于中南半岛,福建高空为南亚高压东侧辐散分流区㊂高层的辐散作用,有利于上升运动的发展和维持,并
使新鲜潮湿空气不断补充,增加了降水的强度,导致
暴雨的产生和发展㊂500hPa 中高纬地区为宽槽型
(图3,图中地图为等经纬度投影),乌拉尔山至鄂霍次克海为宽广槽区,宽槽内多短波槽东移,巴尔喀什湖和贝加尔湖均有较深的高空槽,槽底到达40ʎN,
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气象与环境科学
第44卷
副热带高压588线16日08时控制华南南部,17日08时南落到南海北部㊂16日20时,700hPa 低空急流位于华南南部,暴雨区位于低空急流左前方;850hPa 低空西南急流与700hPa 的位置一致,从四
川东部东移出来的西南涡位于湖北东南部,福建位于低空西南急流前端和西南涡切变南侧;925hPa
与低空急流对应位置下方有超低空急流建立,最大风速区位于两广一带,西南风风速达12m /s,而福
建南部沿海为4m /s 的偏南风,福建北部为4m /s 的东南风,边界层风向及风速辐合均十分显著,为暴雨区提供了充足的水汽
[10-11]
㊂低空急流和超低空
急流位置的重叠陡直,在其左前端易形成水汽的大量堆积,动量㊁热量和水汽的高度集中,也促进低层强暖湿空气的平流,加强层结的不稳定性,并且能加强低层的扰动,触发不稳定能量的释放,特大暴雨落区就发生在切变线南侧及低空急流和超低空急流的左前侧[12
-15]
㊂地面在华南西部有低压中心发展,福
建南部受其东侧倒槽东伸影响,16日午后最高气温上升到30~34ħ,能量得到积累;夜间在福建西部
还有多条小尺度地面辐合线发展东移南压,有利于对流系统稳定维持发展
㊂
图3㊀2019年5月16日20时500hPa 位势高度场(实线)
和850hPa 风场
星标为3个探空站所在位置
由于龙岩市没有探空站,所以本文分析了此次暴雨过程天气系统上游的广东河源和江西赣县及下游福建厦门3个气象站16日20时的探空数据(表
1)㊂由表1可知,华南北部不稳定能量(CAPE)在1500J /kg 以上,尤其是上游广东东北部达到了
2946.1J /kg,对流抑制能量小(CIN),均在40.0J /kg
以下,对流极易被触发;K 值均大于40ħ,SI ɤ-1.54ħ㊁厦门达到了-4.12ħ;自由对流高度
(LFC_P)和抬升凝结高度(TCL_P )较低,且两层间
高度差小,垂直风切变中等偏弱,说明暴雨发生前,在西南急流作用下大的对流有效位能和水汽输送到暴雨区,抬升凝结高度和自由对流高度低有利于气层整体抬升,暖云厚度大,深厚的湿层配合较弱的垂直风切变,雨滴不容易蒸发,有利于产生高效率降水㊂
表1㊀2019年5月16日20时广东河源站㊁江西赣县站
和福建厦门站探空对流指标
站名CAPE /(J /kg)K /ħSI /ħLFC_P /hPa TCL_P /hPa 广东河源2946.141-2.47867.6953.6江西赣县2683.940-1.54863.0905.0福建厦门
1645.7
42
-4.12
835.6
975.6
3㊀双偏振雷达参数特征
3.1㊀反射率因子特征
从龙岩双偏振天气雷达反射率因子演变分析可
知,2019年5月16日雷达回波演变主要有三个阶段:16日10时至21时,16日21时至17日01时和17日01时至17日07时㊂
第一阶段回波演变:16日10时至21时㊂16日
10时从江西和广东有小块状回波自西南向东北方向移入福建西南部,在龙岩北部发展加强,回波强度
达55dBZ㊂第二阶段:16日21时至17日01时㊂回波从21时起由江西移入的小块对流回波自西北向东南方向南压,并在龙岩北部至三明南部一带连成大块状,强回波主要位于长汀东部和连城北部,23时起,强回波主体右后侧约10km 处(图4a 红圈
内)还有新生回波单体向东北方向发展,并与强回波合并,使强回波得以维持并持续向东偏南方向移动㊂强回波经过长汀和连城北部,形成列车效应[16
-17]
,造成此次的短时强降水过程㊂第三个阶
段:17日01时至17日07时㊂17日01时起,龙岩北部和西南部回波开始转变移动方向,由之前的西
北向东南变成了西南向东北方向移动,其中17日0103时强回波再次持续经过连城北部乡镇,而龙岩东部的回波继续由西北向东南方向移动,此时位于龙岩东部的漳平出现了较明显的降水过程㊂17日4时之后以分散小块状回波为主,17日07时回波逐渐移出龙岩,强降水趋于结束㊂
从特大暴雨乡镇自动站逐小时降水可见(图2),强回波造成连城县城区及周边乡镇如揭乐乡㊁塘前乡等地从16日23时至17日03时连续4~5个
时次出现1h 雨强大于20mm /h 的短时强降水天气
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张红梅等:福建西南部一次特大暴雨的双偏振雷达特征分析
过程,其中连城县城区石门湖站1h 雨量达到了93.8mm(任意1h 雨量以揭乐乡的104.1mm 为最
大),3h 雨量揭乐乡达到159.2mm㊂对该时段雷达
反射率因子进行剖面发现,大于50dBZ 强回波上升
到了7km 高度㊂据此判断该时段的降水为大陆型
对流降水,反射率回波也反映了此次过程的降水回波以积状云降水回波为主㊂从自动站逐小时累积降
水与自动站2min 风场对比发现,在16日14时㊁16时㊁2223时及17日0004时小时累积降水中心对应地面区域均有小尺度辐合线出现(图4b)㊂当对流单体在地面辐合线附近生成时,对流单体将进入西南气流辐合区及不稳定能量大值区,使回波加强发展产生强降水,是对流系统能够稳定维持的重要原因之一
㊂
图4㊀2019年5月16日23:10雷达基本反射率因子(a )和地面风场资料(b )
(b)中红线为地面切变线
3.2㊀径向速度特征
径向速度图产品分析结果表明,16日白天福建
西南部在0.5ʎ仰角速度图上有西北风与西南风和东南风三股气流的辐合,16日18时一条东北西南向约30km 的零速度线从龙岩中部缓慢南压至龙岩
东部,于20时左右减弱,1819时连城北部乡镇出现最大小时雨强(27.1mm)㊂21时又有一条零速
度线从三明南部至龙岩北部交界自西北向东南方向再次南压,南压速度相比之前的缓慢,17日01时才移出连城进入新罗和漳平北部,17日03时在漳平减弱㊂该零速度线西北侧是朝向雷达的负速度,东南侧是离开雷达的正速度,说明在这一带有西北风与东南风负向辐合,辐合带与低层中小尺度切变线相对应㊂从风廓线雷达水平风拼图可看出,在
850hPa 存在有中小尺度切变线(图略)㊂21:42起,
在0.5ʎ仰角零速度线西北方约35km 处出现辐合
区,辐合区从0.5ʎ仰角逐渐扩展到6.6ʎ仰角㊂21:42在0.5ʎ仰角长汀东北部出现辐合区,22:04辐合区向上扩展到1.5ʎ仰角㊂22:21辐合区向上扩展到2.4ʎ仰角㊂22:43在3.3ʎ仰角上出现了明显的速度对,且正负速度直径小于4km,表明有中气旋
的存在,且持续了6个体扫㊂23:05在6.0ʎ仰角上也出现了明显的速度对,并持续了3个体扫(图5)㊂辐合区维持在连城境内期间,连城北部4个自动站出现极端短时强降水㊂同时,16日15时起在2.4ʎ仰角23km 高度有风速ȡ12m /s 的低空西南风急
流建立,并一直持续到17日11时左右,也为此次短时强降水提供了有利的条件
㊂
图5㊀2019年5月16日23:10雷达3.3ʎ仰角(a )和6.0ʎ仰角(b )速度对
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气象与环境科学第44卷
3.3㊀双偏振雷达参数特征
3.3.1㊀相关系数CC
相关系数CC用来衡量脉冲采样体内水平和垂直偏振脉冲返回信号变化的相关程度,其大小对于粒子的椭率(椭圆扁平度)变化㊁倾斜角㊁形状不规则性及相态等比较敏感,主要应用于区分非气象回波㊁相态识别㊁0ħ层识别㊁冰雹识别[18],液态水的CC值为0.90~0.99㊂此次降水过程主要以强降水为主,整个强降水时段内CC一直保持在0.93~ 0.99㊂最大雨强降水时(图6a),由于以大雨滴为主,还有部分小水滴,CC值稍低,为0.93~0.97,且强降水区后侧有径向的较低值区(0.93~0.97)㊂强降水结束后,CC值上升到0.97~0.99㊂如23:54的CC图中(图6b),降水区的CC大都在0.97~0.99,而最大强降水的区域(红色矩形内),CC有一处0.93~0.97的较低值,这是由于降水强度强,包含较宽的雨滴谱,致使相关系数较低㊂
3.3.2㊀差分反射率因子ZDR和差分相移率KDP
差分反射率因子ZDR是水平偏振的反射率因子和垂直偏振的反射率因子之比,其比值的大小与降水粒子大小和形状的扁圆程度密切相关[18]㊂此次过程强降水期间,低层(仰角0.5ʎ到1.5ʎ)ZDR 值为1~5dB,雨滴较大,根据ZDR和雨滴直径的对应表值,雨滴直径为1~5mm,非强降水区域ZDR值小于2.5dB,而且回波比较嘈杂不均匀㊂在强降水时段,如在23:54连城揭乐乡和塘前乡附近的ZDR 值达到4~5dB(图6d),且较为连续集中不散乱,雨滴的水平直径大于4mm,对应的KDP为2.0~ 4.7ʎ/km,可以判断扁平大雨滴数浓度高,雨滴大㊁数浓度高是短时强降水的典型特征㊂强降水结束时ZDR值迅速降低至0.2~1.2dB,主要的雨滴直径小于1.2mm㊂
差分相移率KDP是单位距离的差分相移参量,对识别强降水区很有作用,其正值大小和强降水的扁平大水滴数量的正相关性非常好,可以很好地估计液态含水量,它通常用于强降水估测㊁冰雹识别㊁降水类型识别等[19-25]㊂整个强降水期间,KDP值为1.0~4.7ʎ/km,而且2~4ʎ/km的回波范围比较大㊂23:54,当ZDR值达到4~5dB时,KDP值也达到4ʎ/km(图6c),说明极端强降水中心的降水雨滴直径大而且数浓度相当大㊂23:5500:55累积1h雨量揭乐乡为104.1mm,达到了此次过程最大的小时雨量㊂进一步分析22:59㊁00:00㊁00:22的KDP图(图7a),可以看到揭乐乡有大范围的KDP正值持续不断地经过,KDP值2.0~4.7ʎ/km的大值对应了非常强的降水,22:5023:05㊁23:5500:45揭乐乡5min降水大于6mm,最大5min降水达16.8mm,23:5500:05仅10min雨量就达到了
28.6mm(图7b)㊂
对22:43影响连城的单体作了多参数的径向剖面(图8)㊂图8中,强回波中心达到55dBZ,多普勒速度场有明显的去向和来向上升气流的速度对,并伸展到了7km,对应的位置存在ZDR柱和KDP柱,且也伸展到7km,表明此处的上升气流强盛,使水滴突破融化层形成大片的过冷水滴;对应位置在5 7km高度的CC值较低,为0.92~0.97,是因为5km处在0ħ的融化层,同时存在水相和冰相粒子㊂
3.3.3㊀双偏振雷达参数小结
此次强降水过程,整个强降水时段内CC一直保持在0.93~0.99,强降水前和强降水结束后CC 值在0.97~0.99,在强降水时段CC值下降到0.93~ 0.97,且强降水区后侧有径向低CC值(0.93~ 0.97)的特征㊂
非强降水期间ZDR值小于2.5dB,回波比较嘈杂且不均匀;强降水时段的ZDR值达到4~5dB,而且回波较为连续集中,表明强降水以大雨滴为主㊂KDP是指示强降水的最典型指标㊂整个强降水期间KDP值在1.0~4.7ʎ/km,KDP值为2~4ʎ/km 时的回波范围比较大㊂最大降水强度时,KDP值大于4ʎ/km,其对应的ZDR值也在4~5dB,说明极端强降水中心的降水雨滴直径大而且数浓度相当大,达到了此次过程最大的小时雨量㊂
根据单体最强回波位置进行剖面,还可以发现强上升气流对应的 ZDR柱 和 KDP柱 的特征㊂3.4㊀双偏振雷达风廓线VWP特征
从双偏振雷达风廓线产品(VWP)可知,暴雨发生前一天(15日)在2.1 3.0km高度附近西南急流已经建立,风速为12~16m/s㊂16日13时,5.5 7.0km高度的西风风速开始加大,并于15时风速达到20m/s㊂与此同时,1.8km高度的风速也加大,并达到急流标准㊂21时起,5.0km以上高度的西风急流下传至3.0km高度,3.0km高度的风速达到了20m/s,并持续至17日03:18㊂急流下传1~2h后,正好是降水最强最集中时段㊂这是急流的第一次下传㊂之后,3.0 5.0km高度的风速减弱至14~16m/s㊂17日04:18在5.0km以上的西风急流第二次下传㊂05:02在3.0km高度的风速再次
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㊀第2期
张红梅等:
福建西南部一次特大暴雨的双偏振雷达特征分析图6㊀2019年5月16日23:54
龙岩双偏振雷达参数
(a)2019年5月16日22:59㊁2019年5月17日00:00和00:22的差分相移率KDP
图
(b)连城县石门湖站和揭乐站22:30
01:00逐15min 降水量
图7㊀雷达差分相移率KDP (a )和自动站雨量(b )对比
增至20m /s(图9a),此时龙岩东部也出现了1h 雨
量大于20mm 的短时强降水(图9b)㊂两次急流下
传,致使低空急流风速增大,并达到峰值㊂低空急流峰值较降水峰值提前1~2h 出现,说明高层动量下
传有利于强降水的发生㊂低空急流峰值的提前出现,对强降水有一定的预报参考意义㊂从低层西南风到高层西北风风向顺转分析,龙岩上空为暖平流影响㊂
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卷
图8㊀2019年5月16日22:43
双偏振雷达产品剖面
图9㊀2019年5月16日08时17日08时双偏振雷达VWP 风场(a )和漳平市溪南自动站雨量时间演变图(b )
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㊀第2期张红梅等:福建西南部一次特大暴雨的双偏振雷达特征分析
4㊀结㊀论
(1)此次暖区暴雨过程中高纬为宽槽型,南支槽东移㊁低空西南急流维持,以及低层中小尺度切变线和地面辐合线的南压,是此次暖区暴雨的主要影响系统㊂低层高能高湿,高层辐散㊁低层辐合,为强降水的发生提供了充足的水汽㊁热力和动力条件㊂特大暴雨落区发生在切变线南侧及低空急流和超低空急流的左前侧㊂在低空西南急流的作用下,暴雨区南侧大的对流有效位能和水汽输送到暴雨区,对流抑制小,抬升凝结高度和自由对流高度低,有利于气层整体抬升,暖云厚度大,深厚的湿层配合较弱的垂直风切变,雨滴不容易蒸发,有利于产生高效率降水㊂
(2)速度图上多次出现弱的中气旋或尺度较大的涡旋,并伴随着两次切变线南压过程,尤其是第二次切变线后部深厚持久的中气旋给连城北部造成局地特大暴雨㊂反射率回波反映了此次过程的降水回波以积状云降水回波为主,大于50dBZ强回波上升到了7km高度,判断此次降水为大陆型对流降水㊂强回波右后侧新生回波单体发展合并加强,形成了持续短时强降水过程㊂强降水产生在中尺度对流系统发展为线状对流系统及对流单体后向传播阶段,存在明显的列车效应㊂对流单体在地面辐合线附近生成,并移入西南气流辐合区及不稳定能量大值区,使回波加强发展及产生强降水,是对流系统能够稳定维持的重要原因之一㊂双偏振雷达的风廓线VWP风随高度顺转,两次急流下传致使低空急流风速增大并达到峰值㊂低空急流峰值较降水峰值提前1~2h出现,说明高层动量下传有利于强降水的发生,而低空急流峰值的提前出现对强降水有一定的预报参考意义㊂
(3)KDP是指示强降水的最典型指标,强降水和KDP对应非常好,大范围的KDP指示了强降水的影响时间和降雨强度㊂整个强降水期间,KDP值在1.0~4.7ʎ/km,最大降水强度时KDP值大于4.0ʎ/ km,而且对应的ZDR值也达到4~5dB,说明极端强降水中心的降水雨滴直径大而且数浓度相当大㊂整个强降水时段内,CC一直保持在0.93~0.99,强降水前和强降水结束后CC值为0.97~0.99,在强降水时段CC值下降到0.93~0.97,且强降水区后侧有径向低CC值(0.93~0.97)的特征㊂径向剖面显示多普勒速度的上升气流区,ZDR柱㊁KDP柱指示强上升气流对应的过冷水滴集聚区㊂参考文献
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