一次冰雹天氣過程雷達(dá)回波特征及數(shù)值模擬研究

馬志敏，余 珂

(1.云南省氣象臺，云南 昆明 650034；2.云南省氣象信息中心，云南 昆明 650034)

0 引言

云南地處低緯高原，天氣氣候條件復(fù)雜，冰雹等強(qiáng)對流天氣頻發(fā)，常給人民生命財產(chǎn)造成巨大損失，據(jù)統(tǒng)計平均每年全省約有60個縣市遭受冰雹災(zāi)害襲擊，其中昆明地區(qū)屬雹災(zāi)高發(fā)區(qū)，南部年降雹日數(shù)達(dá)50天以上[1]，經(jīng)濟(jì)損失巨大。

冰雹是在有利的大尺度環(huán)流背景下，由中小尺度系統(tǒng)產(chǎn)生的一種強(qiáng)對流天氣[1]。冰雹天氣具有局地性強(qiáng)、季節(jié)性明顯、突發(fā)性和陣性等特征，對冰雹天氣的預(yù)報預(yù)警一直是預(yù)報員面臨的巨大挑戰(zhàn)。國內(nèi)外許多科學(xué)家也不斷從冰雹形成的物理機(jī)制、環(huán)境條件、降雹機(jī)理等方面，利用數(shù)值模擬、資料分析等多種方法對降雹天氣過程進(jìn)行研究[2-6]。云南的學(xué)者也研究了云南冰雹的氣候特征以及預(yù)警機(jī)制等，其中陶云等[1]研究指出云南冰雹多集中在2～4月，且從西北到東南呈多-少-多-少的地域特征；張騰飛等[7]分析了一次雹云的雷達(dá)回波特征，發(fā)現(xiàn)具有典型的V型槽口、弱回波區(qū)、陣風(fēng)鋒回波等特征；李磊等[8]發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生冰雹的對流風(fēng)暴在成熟期正地閃百分比會明顯增加，對應(yīng)地面強(qiáng)天氣發(fā)生；尹麗云[9]等研究表明，降雹前VIL、回波頂高都出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，降雹后則下降；張秀年等[10]指出云南冰雹和暴雨發(fā)生的天氣背景極為相似。然而以上研究多為常規(guī)資料分析，特別對云南冰雹天氣過程的研究目前仍然較為少見，且常規(guī)資料時空分辨率較低，很難捕捉到產(chǎn)生冰雹天氣的中小尺度系統(tǒng)特征，為此，本文在分析冰雹發(fā)生的雷達(dá)回波特征基礎(chǔ)上，利用WRF模式進(jìn)行數(shù)值模擬，以期能夠探索云南冰雹發(fā)生發(fā)展的機(jī)制，為冰雹預(yù)警提供一定借鑒。

1 降雹實況與天氣背景分析

受冷空氣與西南暖濕氣流共同影響，4月10日夜間云南出現(xiàn)了久旱以來的首場降雨天氣過程，次日09時至11時，昆明、晉寧等地先后出現(xiàn)降雹過程(表1)，并伴有雷暴。其中昆明站與太華山站分別于09：49、09：57觀測到直徑8mm與6mm的冰雹，最強(qiáng)降雹出現(xiàn)在晉寧縣，最大觀測直徑達(dá)22mm，全縣農(nóng)作物受災(zāi)達(dá)933.33hm2多(1.4×104畝多)，部分汽車、房屋被砸毀，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

冰雹等強(qiáng)對流天氣的產(chǎn)生需要一定的天氣背景條件，分析11日08時實況圖(圖略)發(fā)現(xiàn)，500hPa圖上云南處于槽后偏北氣流控制，有冷平流南下；700hPa圖上，云南處于西偏南氣流控制，滇中及以南地區(qū)處于西南風(fēng)急流帶，風(fēng)速較大，川滇切變位于貴州北部至昭通南部一線；地面圖上冷鋒推至楚雄東部-玉溪東部-紅河一線；昆明站(56778)探空曲線顯示，低層風(fēng)向順轉(zhuǎn)有暖平流，高層風(fēng)向逆轉(zhuǎn)有冷平流?？梢?，滇中地區(qū)形成上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定大氣層結(jié)，極易觸發(fā)冰雹等強(qiáng)對流天氣。

2 資料與模擬方案

本文采用昆明雷達(dá)站常規(guī)多普勒雷達(dá)探測資料、NCEP資料。其中多普勒雷資料包括反射率因子與平均徑向速度產(chǎn)品；NCEP資料為GFS模式輸出的全球1°×1°再分析數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)在強(qiáng)對流天氣研究中有較高的可靠性[11]。

WRF(WeatherResearchandForecastingmodel)模式是美國開發(fā)的新一代中尺度數(shù)值天氣預(yù)報與同化系統(tǒng)，模式結(jié)合先進(jìn)的數(shù)值方法和資料同化技術(shù)，采用經(jīng)過改進(jìn)的物理過程方案，重點(diǎn)考慮1～10km水平網(wǎng)格，目前已被廣泛應(yīng)用于中小尺度系統(tǒng)及區(qū)域性暴雨、冰雹、雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣預(yù)報與研究[12-16]。本文在分析冰雹天氣過程的雷達(dá)回波特征基礎(chǔ)上，采用WRFV3.4.1對本次過程進(jìn)行數(shù)值模擬實驗，設(shè)置三重雙向嵌套，第一重母區(qū)域設(shè)置為(57～142°E，5～52°N)，第二重嵌套區(qū)域設(shè)置為(95～107°E，18～31°N)，第三重嵌套區(qū)域設(shè)置為(99～104°E，22～27°N)，其中第三重子區(qū)域格點(diǎn)分辨率達(dá)6.8km，可模擬產(chǎn)生冰雹的雷暴尺度天氣系統(tǒng)。物理過程選用如下：Lin微物理參數(shù)化方案；rrtm長波輻射方案；Dudhia短波輻射方案；淺對流Kain-Fritsh積云參數(shù)化方案。具體模擬區(qū)域參數(shù)配置如表2。

表2 數(shù)值模擬方案設(shè)計

3 多普勒雷達(dá)回波特征分析

產(chǎn)生本次冰雹天氣過程的對流單體于08：02生成于楚雄州祿豐縣西部(圖略)，初生時主要為20dBZ以下的層狀云回波，之后回波不斷發(fā)展加強(qiáng)向東南方向移動。由圖1可見，09：25對流單體雹云分為A、B兩段發(fā)展，其中B段發(fā)展緩慢，逐漸向昆明-呈貢方向移動，A段發(fā)展較快并向晉寧方向移動，且A段表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)密實、強(qiáng)度大等積狀云回波特征，最強(qiáng)反射率因子達(dá)50dBZ以上，但測站仍無冰雹觀測記錄，主要產(chǎn)生雷暴天氣；09：48雹云B移至昆明主城區(qū)上空，強(qiáng)度達(dá)到58dBZ，09：49昆明站觀測到直徑8mm的冰雹，09：57太華山站也出現(xiàn)直徑6mm的冰雹；09：54雹云A移至安寧-易門一線，雹云B則繼續(xù)向呈貢方向移動，且3.4°仰角反射率因子圖上開始出現(xiàn)由于冰雹衰減導(dǎo)致的“V”型槽口(圖略)；10：00雹云A繼續(xù)加強(qiáng)向晉寧方向移動，最強(qiáng)反射率因子達(dá)60dBZ以上，且出現(xiàn)超級單體風(fēng)暴的鉤狀回波特征，雹云B則發(fā)展緩慢；10：06風(fēng)暴繼續(xù)向東南方向移動，可以看到A段結(jié)構(gòu)密實，且成團(tuán)狀，低層0.5°仰角反射率因子也開始出現(xiàn)“V”型槽口、雹云A還出現(xiàn)較弱的三體散射長釘(圖略)，2.4°仰角“V”型槽口(圖2箭頭所示)更為明顯；10：12風(fēng)暴繼續(xù)發(fā)展，0.5°仰角易門方向三體散射以及呈貢、晉寧方向“V型”槽口清晰可見，10：18低層0.5°仰角反射率因子圖 “V”型槽口也較為明顯，可見“V”型槽口最先在高仰角出現(xiàn)，逐漸向低仰角發(fā)展(圖2)；10：29雹云A繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng)，鉤狀回波特征明顯，雹云B則逐漸趨向于與雹云A合并，此時6.0°仰角反射率因子圖上已出現(xiàn)特征顯著的“V”型槽口，說明冰雹直徑繼續(xù)增大，衰減更為強(qiáng)烈；10：47風(fēng)暴繼續(xù)加強(qiáng)移至?xí)x寧上空，最強(qiáng)反射率因子超過60dBZ，鉤狀回波特征顯著，雹云B與A連成一體，此時3.4°仰角“V”型槽口特征顯著，且在0.5°仰角速度圖上出現(xiàn)了明顯的中氣旋速度對(圖3)，表明整個對流風(fēng)暴已加強(qiáng)為一個超級單體風(fēng)暴，從實況分析也可以看到，10：52該超級單體風(fēng)暴在晉寧降下了直徑達(dá)22mm的冰雹；10：59開始，單體逐漸減弱，“V”型槽口等降雹特征也逐漸消失。

圖1 雹云回波發(fā)展演變特征，PPI觀測仰角為0.5°(單位：dBZ)

圖2 雹云不同仰角“V”型槽口演變特征

超級單體除根據(jù)PPI圖上的雷達(dá)回波水平結(jié)構(gòu)如“V”型槽口、鉤狀回波、指狀回波來識別外，美國天氣局也將其定義為具有深厚持久中氣旋的對流單體，這一定義目前也被廣泛采納[17]。由上述雷達(dá)反射率因子圖分析可見，本次降雹風(fēng)暴具有“V”型槽口、鉤狀回波特征，進(jìn)一步分析其徑向速度圖可見，10：47晉寧上空0.5°仰角速度圖上開始出現(xiàn)典型的中氣旋速度對(圖3圓圈標(biāo)記)特征，即此刻風(fēng)暴已發(fā)展成典型的超級單體風(fēng)暴，同時可以看到3.4°仰角的中氣旋速度對更加明顯，且伴隨“V”型槽口。10：59晉寧降雹之后，中氣旋結(jié)構(gòu)依然完整，至11：16中氣旋逐漸向南移動，速度對逐漸變得模糊，超級單體風(fēng)暴逐漸向南減弱消失，整個過程中氣旋持續(xù)近半小時，且0.5°、1.5°、3.4°仰角均出現(xiàn)中氣旋速度對，表明中氣旋深厚持久，超級單體風(fēng)暴發(fā)展強(qiáng)烈。

由以上分析可見，本次降雹過程中雹云回波具有“V”型槽口、鉤狀回波、中氣旋特征，是典型的超級單體風(fēng)暴降雹過程。

4 數(shù)值模擬分析

產(chǎn)生冰雹等強(qiáng)對流天氣的中小尺度天氣系統(tǒng)極為復(fù)雜，常規(guī)探空資料與再分析資料時空分辨率較低，難以詳細(xì)描述其發(fā)展演變過程，常規(guī)多普勒雷達(dá)資料則主要描述雷暴的表象特征，難以研究其發(fā)生發(fā)展的必要條件。為此，本文通過數(shù)值模擬實驗，重點(diǎn)對第三重嵌套區(qū)域輸出資料進(jìn)行分析。為驗證模擬正確性，首先對NCEP資料(圖4a)與模擬D01區(qū)域(圖4b)高度場、風(fēng)場、濕度場合成圖進(jìn)行對比分析，由圖可見，模式很好的再現(xiàn)了產(chǎn)生本次冰雹過程的天氣形勢：500hPa高空槽后冷平流；700hPa西南暖濕氣流以及川滇切變線；700hPa滇中及以東地區(qū)較好的水汽條件，即相對濕度大于80%；最終形成了上干冷下暖濕的不穩(wěn)定大氣層結(jié)，有利于冰雹等強(qiáng)對流天氣的發(fā)生。圖5對比分析模擬D03區(qū)域最大反射率因子與多普勒雷達(dá)組合反射率因子，由圖5b可見，模式模擬出了整個雹云的分布特征，模擬雹云結(jié)構(gòu)與圖5a實況觀測基本一致，分布區(qū)域較實況略偏北偏東，強(qiáng)度則較實況偏弱，模擬最大反射率因子為45dBZ，實況則達(dá)到50dBZ以上，總體看，本次雹云模擬較為成功。

常規(guī)探測資料只能分析4月11日08時的大氣層結(jié)狀態(tài)，對于08時至14時之間產(chǎn)生的降雹過程無法分析其演變特征，為此，本文利用模擬D03區(qū)域高分辨率資料，首先分析本次雹云的水汽條件與不穩(wěn)定能量，如圖6所示。由圖6a可見，自4月11日03時(世界時4月10日19時，以下均轉(zhuǎn)換為北京時)開始，整個經(jīng)度范圍(楚雄、昆明、玉溪)相對濕度開始增大，均在70%以上，東部地區(qū)由于受靜止鋒影響，大氣濕度顯著高于西部地區(qū)，至4月11日09時，102°E以東均在90%以上，出現(xiàn)最大降雹的晉寧縣(102.6°E，24.65°N)自11日08時開始大氣基本接近飽和，水汽條件較好。

圖4NCEP再分析資料(a)、模擬D01區(qū)域(b)500hPa高度場(單位：dagpm)+700hPa風(fēng)場(單位：m/s)+700hPa相對濕度(>80%)合成

Fig.4Thecombinationof500hPaheightfield(unit：dagpm)、700hPawindfield(unit：m/s)and700hParelativehumidity(> 80%)oftheNCEPreanalysisdata(a)andtheD01regiondata(b)

圖5 10：59多普勒雷達(dá)探測組合反射率因子(a)、模擬D03區(qū)域11：00最大反射率因子(b)

圖6 模擬D03區(qū)域700hPa相對濕度(a)與不穩(wěn)定能量(b)經(jīng)向平均時間演變(相對濕度單位：%，不穩(wěn)定能量：J/kg，縱坐標(biāo)表示世界時4月10日18時至11日06時)

圖6b不穩(wěn)定能量顯示，102°E以東cape值自4月10日02時開始逐漸增大，最大值出現(xiàn)在11日04時至06時，達(dá)到160J/kg，11日11時即晉寧縣出現(xiàn)最強(qiáng)降雹后，cape值開始減小，不穩(wěn)定能量逐漸釋放。

由上述分析可見，風(fēng)暴發(fā)展移動過程中，水汽不斷增加，不穩(wěn)定能量逐漸增大，強(qiáng)降雹中心晉寧縣水汽充足，且大氣高度不穩(wěn)定，降雹后不穩(wěn)定能量減小，大氣趨于穩(wěn)定。

大氣水汽條件較好且為高度不穩(wěn)定狀態(tài)，要產(chǎn)生冰雹等強(qiáng)對流天氣還需有較強(qiáng)的上升運(yùn)動，由圖7a垂直速度剖面可見，102°E～103°E存在一強(qiáng)的上升運(yùn)動中心，隨高度伸展至300hPa，最大上升速度達(dá)0.06m/s，與強(qiáng)降雹中心相對應(yīng)，且其兩側(cè)為下沉運(yùn)動區(qū)，形成兩個緯向高度環(huán)流圈，使得上升運(yùn)動持久劇烈，促使冰雹粒子能夠快速增大，同時可見，上升運(yùn)動中心與超級單體風(fēng)暴中心對應(yīng)，表明超級單體雹云發(fā)展強(qiáng)烈。發(fā)生強(qiáng)對流天氣還需低層觸發(fā)機(jī)制，如露點(diǎn)鋒、干線、地面輻合線等，從圖7b給出的10m風(fēng)場可見，紅河北部-昆明南部-楚雄一線為偏東風(fēng)與偏南風(fēng)輻合區(qū)，即形成地面輻合線，有利于觸發(fā)強(qiáng)對流天氣。

圖7 模擬D03區(qū)域4月11日10：30垂直速度緯向高度分布(a)與10 m風(fēng)場(b)(單位：m/s)

上述分析表明，本次模擬成功的再現(xiàn)了產(chǎn)生冰雹過程的天氣背景以及整個雹云的分布特征；從4月11日08時開始，整個降雹區(qū)域大氣處于高度不穩(wěn)定狀態(tài)，具有產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣的水汽條件、不穩(wěn)定條件以及觸發(fā)機(jī)制；與超級單體風(fēng)暴中心相對應(yīng)的是強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，促使冰雹粒子快速增長并降落。

5 結(jié)論

本文在分析本次過程多普勒雷達(dá)回波特征基礎(chǔ)上，利用WRF模式進(jìn)行數(shù)值模擬實驗，結(jié)果表明：

(1)多普勒雷達(dá)回波具有“V”型槽口、鉤狀回波、中氣旋特征，是一次典型的超級單體風(fēng)暴降雹過程，其生命史超過30分鐘。

(2)模式再現(xiàn)了本次過程的天氣背景條件，即上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定大氣層結(jié)，但模擬雹云分布較實況略有偏差，總體看模擬較為成功。

(3)模擬顯示，風(fēng)暴發(fā)展移動區(qū)域大氣具有較好的水汽條件與不穩(wěn)定條件，在地面輻合線的作用下觸發(fā)了本次強(qiáng)對流天氣過程，降雹前水汽增加、不穩(wěn)定能量聚集，降雹后不穩(wěn)定能量釋放，大氣趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)模擬顯示，超級單體風(fēng)暴中心與強(qiáng)烈的上升運(yùn)動中心對應(yīng)，其兩側(cè)為下沉運(yùn)動區(qū)，緯向上形成兩個環(huán)流，促使冰雹粒子快速增長與降落，這也是晉寧縣降雹直徑達(dá)22mm的直接原因。

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