雷暴发展演变最关键的“发动机”是上升气流。它把近地面的水汽和雨滴送向高空，形成强降水、冰雹甚至龙卷等灾害性天气。但雷达主要看到的是降水粒子信息，怎样据此描绘上升气流的三维图像？
双偏振雷达中的差分反射率柱（ZDR柱）提供了一条重要线索。当强上升气流把扁平的大雨滴抬升到环境0℃层以上，雷达图像中会出现向上伸展的高ZDR柱状结构。它既是上升气流的“指纹”，也记录着液滴在过冷、冻结并转化为霰和冰雹过程中的微物理变化。
近日，我系张义军教授团队联合成都信息工程大学、中国气象科学研究院等单位，在《Weather and Forecasting》发表研究成果《Automated Identification and Microphysical Characterization of ZDR Columns in Severe Thunderstorms》。研究依托华南地区10部S波段双偏振天气雷达观测资料，发展了强雷暴中的ZDR柱自动识别和三维刻画方法，并基于这10部雷达选取最优组合开展风场反演，进一步实现ZDR柱与三维风场结构的融合分析。
过去，我们对ZDR柱的识别主要解决的是一个问题：“有没有ZDR柱？”
传统方法通常依赖固定阈值提取或人工逐层判读。这对于单个、结构清晰的ZDR柱是有效的，但面对结构复杂的强对流系统，尤其是多个对流单体并存的中尺度对流系统（MCS），我们真正想知道的其实远不止“有没有”：
到底有几个ZDR柱？它们分别在哪里？每一个ZDR柱又是如何随雷暴演变的？
这些问题并不容易通过简单的固定阈值解决。一方面，一个物理上连续的ZDR柱可能因为局地的小缺口而被“切碎”成多个目标；另一方面，衰减、冰雹等造成的异常偏振回波也可能干扰识别。在这项研究中，该研究团队尝试将ZDR柱从一个满足特定阈值的“雷达特征区域”，转变为一个可独立识别、计数、三维表征和追踪的对流对象（object）。这意味着，对ZDR柱的研究可以进一步从“有没有”走向“有几个、在哪里、长什么样，以及如何演变”，从而为利用偏振雷达认识强雷暴内部上升气流及其快速演变提供新的视角。
基于此目的，该研究团队在三维连通域识别中加入水平与垂直容差，并结合反射率、相关系数以及ZDR随高度的变化约束，使同一雷暴中并存的多个柱体既能保持完整，又不会被错误合并。对374个雷达体扫样本的检验显示，该方法命中率为100%，误判率为6.7%，综合成功指数达到93.3%。
图 1三维ZDR柱识别方法流程图
团队从474个识别的ZDR柱中，统计了100个相互独立的ZDR柱特征。它们平均向0℃层以上延伸约2 km，平均宽度约5.9 km、体积约30 km3，生命周期多为30-70分钟；柱内平均上升速度为9.9m s-1，平均液态水含量为2.23 g m-3。更重要的是，ZDR柱体积与不同强度阈值下的上升气流体积均保持较强相关，相关系数在0.72—0.95之间；柱宽和柱深也能在一定程度上反映上升气流的空间规模。
图 2 ZDR柱的三维形态比传统35dBZ回波顶高更能反映上升气流的空间范围，其中柱体积的表现最突出
这一结果意味着，相比常用的35dBZ回波顶高，ZDR柱的三维形态更适合追踪中等和较弱上升气流的空间扩展。不过，两类指标并非相互替代：回波顶高对瞬时最大上升速度仍较敏感，而ZDR柱更擅长呈现上升气流的整体范围及暖雨微物理信息。
ZDR柱还是观察雷暴内部相变的窗口。0℃层以上约0-1 km，液态水仍占主导；在1-2 km高度，过冷液滴大量冻结，高密度霰成为主要粒子；到更高处，冰雹逐渐出现，并在柱顶以上占据优势。随着柱体加深，冰相粒子比例上升、液态水比例下降，勾勒出“液滴抬升—过冷—冻结—霰和冰雹形成”的连续过程。
华南强对流处在暖湿季风环境中，云底低、暖云层深、水汽输送充足。针对这一具有区域特色的环境，本研究把雷达中的“亮柱子”转化为可自动计算的深度、宽度和体积，为业务人员判断上升气流是否正在扩展提供了更直观的量化依据，也为强降水、冰雹等灾害性天气的监测和临近预报提供了新的观测视角。
图 3 ZDR柱内的水凝物垂直结构及100个独立样本的粒子组成。左图白色轮廓为ZDR柱，箭头为风场；右图显示随柱体加深，液态水减少，霰和冰雹等冰相粒子增加
论文信息：
Li, Z., C. Zhao, Y. Zhang, L. Liu, D. Zheng, C. Wu, and Y. Li, 2026: Automated Identification and Microphysical Characterization of ZDR Columns in Severe Thunderstorms. Wea. Forecasting, e260017, https://doi.org/10.1175/WAF-D-26-0017.1.
