一次超級單體雹暴觀測分析和成雹區(qū)識別研究

蔡淼1, 3 周毓荃1 蔣元華2 劉黎平3 李靜4

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一次超級單體雹暴觀測分析和成雹區(qū)識別研究

蔡淼周毓荃蔣元華劉黎平李靜

1中國氣象科學研究院，北京100081;2湖南省氣候中心，長沙410118;3中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京100081;4內(nèi)蒙古氣象科研所，呼和浩特010051

利用多普勒雷達資料，結(jié)合探空和常規(guī)資料，對2011年4月17日一次超級單體雹暴的流場和回波結(jié)構(gòu)演變特征進行了詳細研究，主要結(jié)果：該雹暴是在條件性不穩(wěn)定和垂直風切變較大的環(huán)境條件下產(chǎn)生的右移風暴。雹云初生發(fā)展階段，垂直剖面顯示逐漸形成有組織化的斜上升氣流促進雹云發(fā)展。成熟降雹階段，雹云內(nèi)形成一支強的斜上升氣流和深厚的中氣旋，主上升氣流對應雹云的弱回波區(qū)。雹云維持典型的弱回波區(qū)—懸掛回波—回波墻特征結(jié)構(gòu)。根據(jù)雷達徑向速度和雹云移速訂正得出的“零線”演變發(fā)現(xiàn)，隨著雹云的發(fā)展，“零線”逐漸向懸掛回波靠近，并穿過懸掛回波，“零線”的走向為上翹式，附近“穴道”的匯集力較強，有利于降雹。通過對“零線”位置的判斷可分析有利成雹的區(qū)域。根據(jù)高低空兩層強回波的水平錯位，利用兩高度強中心連線所作剖面能快速準確得出特征剖面，并將0°C層以上6 km高度處降雹潛勢達到100%的45 dB的區(qū)域識別為成雹區(qū)，與降雹實況對比發(fā)現(xiàn)識別效果良好。

超級單體 成雹區(qū)識別 懸掛回波 降雹概率（POH）

1 引言

超級單體雹暴是一類具有持久深厚中氣旋的強對流風暴（Doswell，2001），經(jīng)常產(chǎn)生大冰雹，危害大，值得深入研究其結(jié)構(gòu)特征和成雹機制。針對超級單體雹暴的結(jié)構(gòu)特征，國內(nèi)外學者相繼進行了大量研究。20世紀60～70年代，Browning（1962，1963a，1963b，1976）以及Browning et al.（1963）對超級單體雹暴的結(jié)構(gòu)進行了一系列開創(chuàng)性研究，提出了超級單體的概念，指出弱回波區(qū)（WER）和有界弱回波區(qū)（BWER）是一個重要的雷達回波特征，穹窿的位置是強上升氣流進入雹暴的標志。Lemon and Doswell（1979）根據(jù)雙多普勒雷達觀測提出經(jīng)典超級單體發(fā)展的概念模式。雹云的回波特征與流場結(jié)構(gòu)密切相關，王昂生和徐乃璋（1985）對多個超級單體進行了研究，指出前懸回波、弱回波區(qū)和回波墻是典型的回波特征，有組織的上升氣流所確定的弱回波區(qū)特征與雹災密切相關。葛潤生等（1998）提出雹云內(nèi)部存在強烈旋轉(zhuǎn)和上升的組織氣流。鄭媛媛等（2004）指出超級單體左前方的低層回波呈倒“V”字型結(jié)構(gòu)，沿入流方向穿過最強回波位置的回波剖面呈典型的有界弱回波區(qū)—回波懸垂—回波墻結(jié)構(gòu)。劉術(shù)艷等（2004）利用數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)在雹云發(fā)展階段，有組織的傾斜上升氣流貫穿云體上下，回波墻的位置與傾斜上升氣流的位置相吻合。雹云的雷達回波特征是內(nèi)部流場的外在體現(xiàn)，如何根據(jù)回波結(jié)構(gòu)快速判定雹云的回波特征剖面和了解內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，對人工防雹的作業(yè)時機和部位的選取十分重要。

成雹區(qū)的識別和催化部位的選擇是人工防雹作業(yè)的關鍵。許煥斌和段英（2001）通過對強對流（雹）云數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，雹云中存在著冰雹“穴道”，若在“穴道”區(qū)播撒小尺度冰粒子，就有條件形成人工雹胚，實現(xiàn)與自然雹胚平等“競爭”防雹。郭學良等（2001a，2001b）在現(xiàn)行冰雹云參數(shù)化模式的假定基礎上，建立和發(fā)展了用于預測和研究三維強冰雹云降雹過程的冰雹分檔模式，并用以模擬研究冰雹循環(huán)增長機制和冰雹粒子的分布特征。洪延超等（2002）利用三維冰雹云模式通過實例模擬研究云中冰相物理過程，結(jié)果表明6 km高度附近是雹胚及冰雹形成的源區(qū)，人工防雹的催化部位應在此高度附近。樊鵬和肖輝（2005）提出適合渭北地區(qū)冰雹云的7個指標，包括45 dB強回波頂高、回波躍增等，實際應用結(jié)果表明識別效果良好。TITAN系統(tǒng)是20世紀90年代美國國家大氣研究中心研發(fā)的（Dixon and Wiener，1993），對冰雹云的預警和防雹作業(yè)時機部位的選取有重要作用。周毓荃等（2009）自主完成對TITAN系統(tǒng)的本地化移植和多類數(shù)據(jù)的融合開發(fā)，通過個例和統(tǒng)計分析充分展示了TITAN系統(tǒng)強大的風暴 追蹤識別、外推預報和統(tǒng)計分析等功能（潘留杰等，2010）。

2011年4月17日在廣東多個地區(qū)發(fā)生大風、降雹等強對流天氣，風暴持續(xù)12個小時以上，為典型的超級單體雹暴。超級單體雹暴降雹階段處于梧州和廣州雷達站之間，移向基本處于兩雷達站的徑向，適合定性分析雹云內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，屬于很好的研究個例。本文重點分析成熟降雹階段雹暴的回波結(jié)構(gòu)和流場特征，提出一種快速準確地分析雹暴特征剖面方法和成雹區(qū)識別的指標，并進行了驗證，以期為防雹作業(yè)選取的時機和部位提供有效的方法。

圖1 2011年4月17日06:30～17:00梧州和廣州雷達組合反射率的時間序列拼圖（白色圓圈為降雹位置示意圖，黑色圓圈為梧州和廣州雷達站位置）

2 過程概況

2.1 超級單體演變和降雹實況

由于此次超級單體持續(xù)時間長，單部雷達無法追蹤超級單體的演變過程。利用TITAN雷達拼圖算法，對梧州和廣州雷達站的回波進行時間序列拼圖，以顯示雹云整個生命史的演變和移動路徑，如圖1所示（圖中黑色圓圈所示為梧州和廣州雷達站位置）。拼圖時間步長為1小時左右，圖中每一個強回波帶表示超級單體在對應時次的回波。從圖中可以明顯看出超級單體整體演變可分為三個階段：10時（本文時間除特殊說明外均為北京時間）前為初生發(fā)展階段，06:30在廣西柳州出現(xiàn)對流云回波，回波強度和面積持續(xù)增加，對流風暴迅速發(fā)展。10～14時為成熟降雹階段，回波強度達到最大值，TITAN計算的多種風暴參量達到最大值，呈波動趨勢（見圖15）。廣東省肇慶市德慶縣、云浮市云城區(qū)、佛山市的高明區(qū)荷城鎮(zhèn)、順德區(qū)大良鎮(zhèn)、南海九江、廣州市的南沙先后出現(xiàn)了冰雹天氣，其中順德區(qū)大良鎮(zhèn)冰雹降落在氣象站，降雹時間為13:06～13:09。圖1中白色圓圈為新聞報道的降雹地點大致位置，從西向東依次為德慶（A）、云浮（B）、高明（C）、南海（D）、順德（E）、南沙（F）。結(jié)合雹云移動軌跡，大致推斷超級單體降雹時間為10～14時。14時后為消亡減弱階段，超級單體雹暴逐漸消亡，回波開始斷裂變成零散的強回波團，并逐漸轉(zhuǎn)變成柱狀降水回波，后逐漸從深圳移出廣東入海消散。此次超級單體雹暴移經(jīng)600 km左右，平均移速達60 km h，平均移向115°，總體表現(xiàn)出移動速度快、持續(xù)時間長、覆蓋面積廣、破壞性大的特點。

2.2 地面氣象要素變化特征

本次超級單體雹暴移動過程中還伴隨著大風、強降水等災害天氣。分析地面自動氣象站風場資料發(fā)現(xiàn)，10～12時，在德慶、云浮、高要一線大致沿西江流域附近長時間維持一條東西走向的中尺度輻合線，輻合線北側(cè)為偏北風，南側(cè)為偏南風。12時后，中尺度輻合線逐漸向東南向移動（圖略）。通過追蹤整個雹暴的移動路徑，發(fā)現(xiàn)雹暴大致沿輻合線由西向東移動。中尺度輻合線附近風場的輻合為強對流的發(fā)展和維持提供了重要的動力條件，同時輻合線附近的河流下墊面也為強對流天氣的爆發(fā)提供了充足的水汽條件。

圖2給出了沿超級單體移動路徑的地面自動站最大風速、變溫和變壓的時間演變。分析可見，雹云過境時，地面單站風會發(fā)生顯著變化，風向由偏東急轉(zhuǎn)為偏西風，單站風速劇增至10 m s以上，同時伴隨著氣壓躍升、溫度劇降。雹云移經(jīng)的地面風場都呈現(xiàn)出明顯的輻合形式，雹云的后側(cè)為偏西風，單站最大風速超過10 m s，雹云前方為風速較弱的偏東風，兩者的強烈輻合產(chǎn)生強烈的上升氣流，有利于低空熱量和水汽的輸送，有利于雹云的發(fā)展。

圖2 超級單體移動路徑上地面自動站的最大風速、變溫和變壓時間序列

同時段內(nèi)雨強大于20 mm h的暴雨中心逐小時演變列于圖3。對比超級單體雹暴的移動路徑圖1可見，地面暴雨中心的移動路徑與風暴移動路徑一致，呈西北—東南走勢。暴雨中心于05時（圖中黑色等值線）在廣西中北部形成，雨強最大的站點達52.6 mm h。隨著超級單體的東移發(fā)展，暴雨中心向東南移動，于10時移至廣東境內(nèi)，10～13時內(nèi)依次經(jīng)過德慶、肇慶、高明、順德四個地區(qū)，各縣觀測到的最大雨量分別為51.2 mm、49.5 mm、49.8 mm和60.2 mm，并伴有冰雹。14時后，超級單體雹云轉(zhuǎn)為降雨云，在其周邊又有新的對流生成，地面形成多個暴雨中心。總的看來，本次超級單體在發(fā)展移動過程中一直伴隨地面強降水，強回波位置與強降水區(qū)域?qū)^好。

3 環(huán)境條件分析

本節(jié)利用探空觀測資料，對產(chǎn)生本次超級單體雹暴的大氣層結(jié)穩(wěn)定度和動力條件等環(huán)境特征進行分析。

2011年4月17日08時，梧州站位于雹云下游70 km處。該站700 hPa以下的溫度露點差小于3°C，K指數(shù)為36°C，表明低層暖濕。500 hpa附近溫度露點差達到33°C，這可能同700 hPa附近的穩(wěn)定層有關，它抑制了水汽向上輸送，造成下濕上干的分布。中層干空氣有利于云中下沉氣流的產(chǎn)生和發(fā)展。850 hPa和500 hPa兩層間的溫差為23°C，溫差不大，但假相當位溫差值達到17°C，說明大氣為條件性不穩(wěn)定。整層對流有效位能較低，為541 J kg，但由于強風暴的局地性大，探空并不能完全代表雹云對流有效位能的情況。

風矢端圖（圖4）能更清楚的反映風切變特征，圖中黑色箭頭表示風暴整個生命史的平均移動方向和移速，這是根據(jù)各時次雷達回波強中心位置來估算的。從圖4可見，當天低層風速很小，風向向上順轉(zhuǎn)，有暖平流；中高層風速向上加大，有 較大的垂直切變。環(huán)境風以西風為主，而風暴移向為東偏南，移速為16 m s，為右移風暴。每層相 對風暴的氣流可用于分析風暴中水汽和能量的來源，它是指各層氣流速度矢量減去風暴移速矢量的差值。本次過程低層有較大的東偏南的相對速度和入流，同后面所述的雷達徑向速度觀測一致。700到500 hPa（約3～6 km高度）相對速度較小，為偏 南風。高層為大的西偏南相對速度和出流。6 km以下風速切變達到0.005/s。根據(jù)Weisman and Klemp（1984）的研究，這種風切變有利于超級單體的 發(fā)展。

4 超級單體雹暴動力結(jié)構(gòu)特征和成雹區(qū)識別

高時空分辨率的新一代多普勒天氣雷達有利于分析雹云的結(jié)構(gòu)特征。前文對超級單體雹暴移動路徑和演變分析已知，06～10時為初生發(fā)展階段，10～14時為成熟降雹階段，14時后為消亡減弱階段。由于雹云結(jié)構(gòu)特征對防雹作業(yè)選取的時機和部位十分重要，文中將重點分析成熟降雹期的雹云流場結(jié)構(gòu)和雷達回波特征。

圖4 2011年4月17日08時梧州站風矢端圖（黑色箭頭表示風暴移動方向和平均移速）

Fig.4 Wind vector figure at Wuzhou station at 0800 BT, April 17, 2011(black arrow stands for storm moving direction and average speed)

圖5 2011年4月17日07:30、08:30和09:30梧州雷達組合反射率

4.1 初生發(fā)展階段結(jié)構(gòu)特征

雹云初生發(fā)展階段的梧州雷達組合反射率演變列于圖5。05:30，梧州雷達站西北部230 km處有一對流單體生成，回波較弱，強度小于35 dB。該單體不斷向東南方向移動發(fā)展，回波面積、強度均增加。在對流單體的東南方向一直有新生弱回波形成，呈帶狀分布，強度約為15 dB（圖略）。07:30，弱回波帶與對流單體合并為大的對流云團，強度增至40 dB。該對流云團東部有新的對流發(fā)展加強，不斷合并到主回波中，09:30，在梧州雷達站附近形成完整的回波帶，中心強度超過50 dB，繼續(xù)向廣東移動。

圖6 09:00和09:54梧州雷達站7 km、3.25 km等高平面位置顯示（CAPPI）和相應徑向速度分布圖（箭頭表示剖面方向）以及沿徑向的回波剖面和速度剖面（白色曲線表示訂正后的水平風速零線）

09～10時，對流云體移動至梧州雷達站附近，處于向雹云發(fā)展的過渡階段，雹云的移向正好處于梧州雷達徑向，沿雷達徑向取其特征剖面，結(jié)合徑向速度特征剖面可以定性分析云體內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

由于雹云流場的對流性，其中必然存在一個主上升氣流區(qū)和相對于云體水平風速為零的區(qū)域，垂直剖面上呈現(xiàn)為一條零線，可長大成冰雹的水凝物粒子是繞零線循環(huán)運行增長的，并逐步進入主上升氣流區(qū)（許煥斌和段英，2001）。許煥斌（2012）指出，相對于云的水平風速“零域”或“零線”的所在位置對識別判定防雹作業(yè)區(qū)具有關鍵作用。此時段雹云移速較大，達15 m s，將訂正后的“零線”在徑向速度和回波剖面上相應的位置勾畫出來（圖6中白色曲線）。09:00，對流發(fā)展還不強，強回波區(qū)位置偏低。09:54，云體迅速發(fā)展，云頂高度抬升至16 km以上，強回波區(qū)位于5 km高度，回波呈斜升發(fā)展。在向雹云發(fā)展的階段，從徑向速度剖面上發(fā)現(xiàn)，在云體移向前方的低層有明顯的徑向正負速度的輻合，表明在低層存在明顯的低空輻合，輻合區(qū)隨高度傾斜上升，有組織的傾斜上升氣流貫穿云體上下。云內(nèi)提前形成有組織化的上升氣流，有利于雹云的發(fā)展和維持。同時“零線”逐漸向懸垂回波靠近，有利于大粒子向懸垂回波靠近增長，說明對流云體逐漸出現(xiàn)降雹潛勢。

圖7 10:30梧州雷達站7 km、3.25 km CAPPI和相應徑向速度分布圖（箭頭表示剖面方向）以及沿徑向的回波剖面和速度剖面（白色曲線表示訂正后的水平風速零線，藍色曲線為流場）

4.2 成熟降雹階段的特征結(jié)構(gòu)

10～11時雹云正處于梧州和廣州雷達之間，基本沿著兩雷達站的徑向移動，同時結(jié)合梧州和廣州雷達對雹云回波特征進行重點分析，并定性分析雹云流場結(jié)構(gòu)。11時后，雹云距梧州雷達站較遠，回波衰減嚴重，且移向與廣州雷達徑向夾角逐漸增加，徑向風速的含義出現(xiàn)明顯的差異。因此將成熟降雹階段分為兩個階段（階段Ⅰ：10～11時；階段Ⅱ：11～14時），分別研究雹云的動力結(jié)構(gòu)特征。

4.2.1 雹云特征剖面選取與流場分析方法

冰雹云具有特征結(jié)構(gòu)，首先尋找最佳的特征剖面。階段Ⅰ沿雹云的不同部位、從不同角度做剖面，發(fā)現(xiàn)通過高層7 km和低層3 km高度強回波中心連線所做剖面是雹云的最佳特征剖面，剖面正好沿雷達徑向，呈弱回波區(qū)—懸掛回波—回波墻的典型結(jié)構(gòu)。

此時特征剖面處于徑向，雹云移向與雷達徑向一致，沿特征剖面的徑向速度接近于全風，適合定性分析雹云的流場結(jié)構(gòu)。此時雹云距離梧州站較近，重點利用梧州站資料分析得到特征剖面上流場的定性結(jié)構(gòu)圖，同時輔以廣州站雷達資料結(jié)合分析。多普勒徑向速度是相對于雷達站的，與相對于云的風場有一定的差值，利用梧州站雷達體掃相鄰時間內(nèi)雹云的移動距離，估算出當前時刻雹云的實際移速后進行訂正分析，以10:30梧州雷達觀測為例，如圖7所示，雹云實際移速約15 m s，“零線”平移至徑向速度為15 m s的區(qū)域，剖面圖中白色曲線為零線，大致經(jīng)過懸掛回波的軸線。利用訂正后的徑向速度場與“零線”的位置，大致可以勾畫出流場的結(jié)構(gòu)，如剖面圖中青色曲線所示，其余重點時次流場結(jié)構(gòu)見圖8、圖9。用相同的方法對廣州雷達的觀測進行分析，得到的“零線”也同樣經(jīng)過懸掛回波的軸線，分析的流場結(jié)構(gòu)與梧州雷達觀測的雹云流場相似（圖略）。

4.2.2 成熟降雹階段Ⅰ的雹云動力結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)上面所述分析雹云特征剖面和流場的方法，依次得到10:00～11:00梧州和廣州雷達特征剖面的回波和徑向速度剖面，同時配合7 km、3.25 km CAPPI和相應的徑向速度的連續(xù)演變，可以細致探討雹云的結(jié)構(gòu)和演變特征，圖8、9列出了梧州和廣州雷達代表時刻的雹云結(jié)構(gòu)。

圖8 10:00～11:00梧州雷達站7 km、3.25 km CAPPI、徑向速度分布圖（箭頭表示剖面方向）和回波、徑向速度特征剖面與流場結(jié)構(gòu)（白色曲線表示訂正后的水平風速零線，藍色線表示流場）

圖9 10:00～11:00廣州雷達站7 km、3.25 km CAPPI、徑向速度分布圖和（箭頭表示剖面方向）和回波、徑向速度特征剖面與流場結(jié)構(gòu)（白色曲線表示訂正后的水平風速零線

（a）回波結(jié)構(gòu)特征

由圖8、9可見，10時起，梧州和廣州雷達7 km和3.25 km CAPPI圖上，回波強中心都位于云系的南部，由于高空風為強的偏西氣流，雹云的移向為東偏南向，所以高層為大的西偏南相對速度，故云砧呈西南—東北走向。3.25 km上強回波范圍逐漸增大，回波南端頭部的強中心不斷加強。云系南端的局部最強回波對應為懸掛回波和降雹區(qū)位置，7 km CAPPI上南部局部最強回波大于3.25 km高度上的最強回波，強回波中心位置相對偏前，整個雹云呈斜升發(fā)展的趨勢。

梧州雷達觀測發(fā)現(xiàn)，10時，雹云的強回波中心向移動前方傾斜發(fā)展，出現(xiàn)無界弱回波區(qū)。10:18之后,超級單體垂直發(fā)展旺盛，回波頂高迅速抬升到16 km以上，45 dB的強回波抬升至10 km，雹云出現(xiàn)弱回波區(qū)—懸掛回波—回波墻的典型結(jié)構(gòu)（圖略）。10:30，回波頂高超過18 km，弱回波區(qū)增大，懸垂回波底部和回波墻前側(cè)的回波強度梯度很大，低層及地回波強度達70 dB，地面有降雹。在整個降雹時段內(nèi)，特征結(jié)構(gòu)長時間維持。廣州雷達觀測發(fā)現(xiàn)，10:36，高空8 km處有新生回波發(fā)展，于10:48合并至主體回波中，兩個強回波中心仍有維持，出現(xiàn)多單體結(jié)構(gòu)的特征。10:54～11:00，兩個強回波中心完全合并，多單體又轉(zhuǎn)變成典型的超級單體。這說明超級單體和多單體有很多共同點，區(qū)分界線不太明顯，有時能相互轉(zhuǎn)化。Knapp and Cotton（1982）、Vasiloff et al.（1986）也研究過這種情況。

（b）徑向速度特征

分析圖8、9中雷達徑向速度和回波的特征剖面可見，該時段內(nèi)出現(xiàn)斜升的徑向正負速度轉(zhuǎn)向的區(qū)域，低層出現(xiàn)明顯的徑向正負速度的輻合，輻合區(qū)隨高度傾斜上升，表明雹云中存在一支強的斜上升氣流，主上升氣流對應著雹云的弱回波區(qū)和懸掛回波，強回波底部為氣流輻合區(qū)，與定性分析得出的流場結(jié)構(gòu)十分相似。結(jié)合環(huán)境風切變，風暴前方低層為未擾動的弱東風。風暴降水導致中層偏西氣流下沉，與弱東風形成明顯的輻合（陣風鋒），有利于上升氣流的斜升發(fā)展，并釋放對流不穩(wěn)定能量，使風暴得到持續(xù)發(fā)展成為超級單體。小的粒子上升到高層隨環(huán)境風向東流出，形成巨大的云砧。在雹云高層，云頂徑向速度存在明顯的輻散，最強輻散位置在懸垂回波頂附近。風暴頂輻散能使強上升氣流維持，有利于冰雹的增長。

在徑向速度特征剖面上指狀逆風區(qū)是上升氣流區(qū)，中心線的后方（西側(cè)）為輻合，升速向東增大；中心線的前方（東側(cè)）為輻散，升速向東減小，前方零線為許煥斌提出的有利于雹胚增長的區(qū)域，對應升速相對較小，有利于雹胚在垂直方向上的增長。特別是當零線比較水平時，其上下分別為水平出流和入流，而升速向東遞減，有利于雹胚循環(huán) 增長?！傲憔€”的走向為上翹式，有利于大粒子向高處集中，此處溫度很低，有利于大冰雹的形成，而且“零線”為迎著雹云移向，氣流速度的空間梯度較大，零線附近“穴道”的匯集力較強，有利于降雹。在10:00～11:00時段內(nèi)，“零線”基本都從懸掛回波中穿過，并逐漸向懸掛回波靠近。這些觀測現(xiàn)象很好地印證了關于“零線”的理論研究。

4.2.3 成熟降雹階段Ⅱ的雹云動力結(jié)構(gòu)特征

（a）雹云特征結(jié)構(gòu)的快速判定

12時超級單體移至高明地區(qū)，此時已超出梧州雷達觀測范圍，用廣州雷達觀測資料進行結(jié)構(gòu)分析。同樣沿徑向做雷達反射率的垂直剖面，列于圖10。從垂直剖面圖上完全看不到特征結(jié)構(gòu)，說明此時沿徑向已經(jīng)得不到特征剖面。

為了更好研究該時段內(nèi)超級單體的垂直結(jié)構(gòu)，以12:12 3.25 km、5.5 km和7 km的CAPPI（圖 11）為例分析發(fā)現(xiàn)，該時刻低、中、高三層，雷達回波西南頭部均存在超過70 dB的強中心，從低空到高空向東南方向延伸。前文提到，經(jīng)過各層強中心連線可以得到特征剖面，因此可利用高低空強中心連線做剖面分析雹云的特征結(jié)構(gòu)。

細微對比分析高低空關鍵高度的CAPPI，對確定懸垂回波位置、成雹部位和降雹區(qū)有很好的作用，對防雹作業(yè)有實際應用價值。由于強中心不在同一個水平位置，根據(jù)3.25 km和7 km高度CAPPI的強回波的水平錯位，利用兩高度強中心連線所作的垂直剖面，能快速準確得出特征剖面，找出無界弱回波區(qū)或穹窿的位置（圖12）。

圖10 12:00～12:30高明地區(qū)3.25 km CAPPI和沿徑向的回波剖面

圖11 12:12雹云3.25 km、5.5 km、7 km CAPPI分布

由圖12可見，結(jié)合各高度層的回波分布和垂直結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)在12:00～13:30時段內(nèi)，回波剖面出現(xiàn)弱回波區(qū)，并有明顯的穹窿結(jié)構(gòu)。此時段特征剖面方向為東偏南方向，與雹云強回波中心的移向基本一致。在12:00～13:30時段內(nèi)，低層3.25 km CAPPI回波前方的東南向入流處存在“入流缺 口”，入流缺口的高層正好對應著懸垂回波，同時地面資料也顯示雹云前方地面風場為東南風，雹云快速移動與環(huán)境風強烈沖擊，在入流缺口處形成強上升氣流，造成雹云的無界弱回波區(qū)或“穹窿”，與上文得出的雹云內(nèi)部流場一致。整個時間段內(nèi)，風暴的POH值始終維持在100％左右。這種結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生冰雹，人影作業(yè)時通常選擇這種出現(xiàn)懸垂回波結(jié)構(gòu)和穹窿的地方作為防雹作業(yè)區(qū)，有助于對雹區(qū)和防雹作業(yè)區(qū)的判別。

（b）超級單體雹暴流場結(jié)構(gòu)特征

超級單體雹暴與其他強風暴的本質(zhì)區(qū)別在于含有一個持久深厚的中氣旋（Doswell，2001；鄭媛媛等，2004；馮晉勤等，2010），在懸垂回波這一基本特征出現(xiàn)的前提下，中氣旋的出現(xiàn)會增加大冰雹概率。在10:00～11:00時段內(nèi)，在強回波區(qū)偏西北的位置維持一個明顯的中氣旋。經(jīng)過主觀退速度模糊后發(fā)現(xiàn)，利用徑向速度減雹云移速，訂正后得到的中氣旋結(jié)構(gòu)比較對稱，7 km和3.25 km高度都存在明顯的中氣旋結(jié)構(gòu)。隨著雹云的發(fā)展，中氣旋的強度逐漸增強，低層的渦旋強度比高層較強。

13時，云體的移動方向與廣州雷達徑向夾角較大，此時徑向速度適合分析中氣旋特征。圖13給出了13:00不同高度的雷達徑向速度和CAPPI及剖面圖。在強回波區(qū)的偏西北側(cè)，徑向風向沿雷達徑向兩側(cè)出現(xiàn)變號（圖13a1、a2)，此時段雹云移速徑向分量平均為－8 m s，經(jīng)過訂正后，中氣旋結(jié)構(gòu)較對稱，表示雹云內(nèi)部存在著旋轉(zhuǎn)。同時從雷達徑向速度的剖面（圖13a3）顯示旋轉(zhuǎn)的厚度很深厚，達到7 km以上。中氣旋偏南側(cè)回波剖面表現(xiàn)無界弱回波—懸掛回波—回波墻結(jié)構(gòu)（圖13b3），說明在強上升氣流區(qū)內(nèi)有圍繞垂直軸的強烈旋轉(zhuǎn)，能保證雹云的發(fā)展和維持。

圖12 12:00～13:24雹云典型時刻的CAPPI分布（每個時刻從左到右依次為10 km、7 km和3.25 km）和垂直剖面圖（黃色虛線從上到下依次為10 km、7 km和3.25 km所在高度）

圖13 13:00時刻3.25 km、7 km的徑向速度（上）、反射率（下）及其剖面圖（徑向速度的剖面相對于回波剖面偏北，黃線從上到下分別表示7 km和3.25 km）

利用雷達回波的水平和垂直結(jié)構(gòu)、徑向風、地面和高空風場，并根據(jù)雹云移動速度綜合分析，大致可以推斷出云體內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu)。成熟階段中低層的徑向速度存在明顯的中氣旋，徑向速度剖面中反映云體內(nèi)部有傾斜的上升氣流，位于弱回波區(qū)。地面風為東南風，雹云移速為東南向15 m s，近地面有較大相對速度的東南向入流。高空環(huán)境風為偏西風，有較大的西偏南相對速度和出流。由于強回波柱區(qū)和懸掛回波區(qū)對應強上升氣流，結(jié)合各層的風特征和上升運動的連續(xù)性，可推斷出云區(qū)流場在地面存在東南向的入流和一支位于懸掛回波下方的旋轉(zhuǎn)的主上升氣流，在高層轉(zhuǎn)為較強的西偏南相對速度和出流。

4.3 消亡減弱階段

14時起，超級單體雹暴進入消亡減弱階段。圖14列出了該時段內(nèi)的雷達回波圖。分析可見，14時，雹云回波移至廣州雷達站東部，發(fā)生第二次斷裂，主體回波區(qū)與其北部的回波帶斷裂（圖14a中白色橢圓所示），后側(cè)形成多個較為零散的強降水回波團。隨著時間的推移，斷裂的北端尾部回波與其后側(cè)回波團相連。15時，兩條回波帶發(fā)生合并，形成帶狀回波1（圖14b），對回波帶做剖面（圖14c）發(fā)現(xiàn)，主體強回波區(qū)基本位于0°C層以下，回波強度達到50 dB，呈典型的柱狀降水回波。對前期產(chǎn)生降雹的對流云體2進行剖面分析（圖d），此時回波強度整體減弱，剖面上觀測不到懸垂回波或穹窿結(jié)構(gòu)，回波質(zhì)心明顯下降，說明此時超級單體已由雹云轉(zhuǎn)為強降雨云，這與前文的地面降水觀測較為一致。

圖14 （a）14時和（b）15時雷達組合反射率和（c、d）垂直剖面

5 風暴特性和成雹區(qū)的判別

利用雷暴識別、追蹤、分析和預報系統(tǒng)（Thunderstorm Identification Tracking Analysis and Nowcasting，簡稱TITAN）對本次超級單體雹暴移動發(fā)展過程中的風暴特性進行計算，得到08:00～18:00風暴特性演變圖（圖15），其中圖15a為風暴時間高度廓線，圖15b為冰雹時間廓線，圖15c為風暴特征演變，圖中時間坐標均為協(xié)調(diào)世界時。風暴特性包括風暴頂高、質(zhì)心高度、垂直積分含雹質(zhì)量、降雹概率（POH）和動能通量（FORK）等。其中POH是根據(jù)45 dB回波的最大高度與凍結(jié)層高度的差值（）與地面觀測的冰雹概率推出的經(jīng)驗公式：POH =－1.20231＋1.00184－0.170182＋0.010863（Dixon and Wiener，1993）；對反射率達到雙標準（最底層反射率≥55 dB；凍結(jié)層以上2 km處反射率≥45 dB）的區(qū)域計算降雹動能通量：FORK=5.0×10×，詳見周毓荃等（2009）。

圖 15 風暴特性圖：（a）風暴時間—高度剖面（黃色線分別為30 dBZ閾值回波頂高與底高，青色線為反射率中心高度，藍色線為最大反射率）；（b）冰雹探測時間史（紫色線為垂直積分含雹質(zhì)量，綠色線為高空含雹質(zhì)量，青色線為降雹概率（POH），黃色線為降雹動能通量（FORK））；（c）風暴特征演變（黃色線為垂直累積液水含量，青色線為風暴面積，綠色線為降水通量，灰色線為風暴體積，紫色線為風暴質(zhì)量）

5.1 風暴特性演變

10時降雹前，回波閾值最大頂高（閾值30 dB）從8.6 km迅速抬升到15.6 km，此時最大反射率值基本維持在50 dB左右。由圖15b可見，在09時前高空冰雹質(zhì)量和降雹概率POH均為零，說明此時云體基本不會產(chǎn)生降雹。09:00～10:00高空冰雹質(zhì)量和POH都迅速增大。10時前，超級單體垂直累積液水量、質(zhì)量、降水通量、面積和體積都不斷增加。10～14時超級單體成熟降雹階段，閾值回波最大頂高維持在15 km以上的高度，最大反射率基本維持在70 dB以上。高空冰雹質(zhì)量和垂直積分冰雹質(zhì)量較大，POH維持在100％左右，這三個冰雹特征量說明超級單體有很大的降雹潛力。超級單體的垂直累積液水含量（VIL）呈波動變化。其中13:00～13:12閾值回波頂高下降到降雹階段的最低點，為11.1 km，此時冰雹特征量和超級單體的質(zhì)量、面積、體積及降水通量都相應下降到成熟降雹期的最低值，是由于超級單體此時移經(jīng)雷達站附近，受到仰角的限制，只能探測到低仰角范圍內(nèi)的雷達回波所致。14時后，閾值回波最大頂高和最大反射率因子仍分別維持在15 km和60 dB左右。垂直整體冰雹質(zhì)量和高空冰雹質(zhì)量都明顯減小，數(shù)值不斷波動，POH降到降雹預警值以下。超級單體的VIL、質(zhì)量、降水通量、面積、體積都略有增加，這說明此時風暴已經(jīng)轉(zhuǎn)為較強的降水云。

5.2 成雹區(qū)的判據(jù)

降雹過程中，TITAN系統(tǒng)計算的降雹潛勢POH始終維持在100%，可作為判斷是否降雹的重要指標。利用POH計算公式反推得到45 dB強回波高于0°C層的高度與降雹概率POH的關系：降雹概率為100%、90%和80%時，分別為6 km、5 km和4.1 km。因此可根據(jù)45 dB強回波的高度和位置來識別成雹區(qū)。

本次過程中，0°C層高度約為4 km，所以45 dB強回波的高度超過10 km時，降雹潛勢POH即可達到100%。根據(jù)10～15時10 km CAPPI演變（圖16）發(fā)現(xiàn)，10～14時降雹期間，10 km高度上始終有強回波維持發(fā)展，超過45 dB的回波范圍隨時間不斷增大。13時雹暴移至廣州雷達站附近，受雷達仰角限制，高層看不到雹暴的回波強度和位置。14時雹暴10 km CAPPI圖上仍有回波強度大于45 dB的區(qū)域。15時后，超級單體雹暴進入減弱消散期，高層回波減弱消散，回波強度基本低于45 dB。由此可推測10～14時，在超級單體雹暴頭部超過45 dB的部位降雹概率較大，15時后超級單體不會降雹。這與實測的冰雹落區(qū)和路徑也十分一致。因此，本次過程中10 km（0°C高度以上6 km）高度上大于45 dB的強回波區(qū)可認為是成雹區(qū)，能為防雹作業(yè)提供及時有效的信息。

圖16 10～15時雹云逐小時10 km高度上CAPPI演變

6 結(jié)論和討論

本文利用雷達觀測資料，結(jié)合探空和常規(guī)觀測資料，對2011年4月17日廣東一次超級單體雹暴的流場和回波結(jié)構(gòu)演變特征進行了詳細分析，并重點研究了降雹階段超級單體雹暴的結(jié)構(gòu)特征，提出冰雹識別和預警的指標。主要結(jié)果有：

（1）本次超級單體雹暴在條件性不穩(wěn)定和垂直風切變較大的環(huán)境條件下產(chǎn)生的右移風暴。風暴過境引發(fā)了局地強降水和大風，地面氣溫明顯降低，氣壓躍增。

根據(jù)長委編制的《漢江夾河以下干流河段綜合利用規(guī)劃報告》，漢江丹江口水庫二期工程完建和南水北調(diào)工程實施后，可基本替代沙洋以上14個蓄洪民垸的蓄洪量，同時杜家臺分洪工程蓄洪區(qū)承擔的分洪量將減少35%左右。但隨著國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和以人為本的要求，動用蓄洪圍垸蓄洪的決策愈來愈難。因此，在漢江中下游防洪調(diào)度尤其是遭遇中小洪水時，利用行洪道分流將是優(yōu)先考慮的洪水調(diào)度手段。

（2）超級單體雹暴在初生發(fā)展階段，云內(nèi)逐漸提前形成有組織化的斜上升氣流促進雹云的形成和發(fā)展。成熟降雹階段，雹云維持典型的弱回波區(qū)—懸掛回波—回波墻特征結(jié)構(gòu)。擴展降水對流減弱階段，雹暴轉(zhuǎn)化為降雨云，分裂為多個零散的強回波中心。

（3）結(jié)合回波和徑向速度定性分析得出雹云內(nèi)流場結(jié)構(gòu)，降雹時段內(nèi)云內(nèi)存在一支強的斜上升氣流，主上升氣流對應著雹云的弱回波區(qū)，強回波底部為氣流輻合區(qū)。隨著雹云的發(fā)展，“零線”逐漸向懸掛回波靠近，并從中穿過?！傲憔€”走向為上翹式，附近“穴道”的匯集力較強，有利于降雹。通過對“零線”位置的判斷可分析有利成雹的區(qū)域。

（4）雹區(qū)的識別，對于冰雹預警和防雹作業(yè)區(qū)的判別非常重要，根據(jù)高低空兩層強回波的水平錯位，利用其強中心連線所作剖面能快速準確地分析特征剖面。利用0°C層以上6 km高度處，降雹潛勢達到100%的45 dB的區(qū)域識別為成雹區(qū)，與降雹實況對比發(fā)現(xiàn)識別效果良好。

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Observations, Analysis, and Hail-Forming Area Identification of a Supercell Hailstorm

CAI Miao, ZHOU Yuquan, JIANG Yuanhua, LIU Liping, and LI Jing

1,100081;,410118;3,,100081;4,010051

A detailed analysis on the evolution of stream fields and echo structures of a supercell hailstorm that occurred on April 17, 2011, is conducted on the basis of Doppler radar data combined with radio sounding and surface observation. The main results are as follows: The hailstorm occurred in a conditional instability and significant vertical wind-shear environment, which belong to right-moving storms. A cross-section of the development stageshows that an organized updraft was formed gradually, which promoted the formation and development of the hail cloud. During the hail-forming stage,a strong, tilted updraft and deep mesocyclone manifested in the hailstorm; the main updraft corresponded to the weak echo region. The hailstorm maintained a typical bounded weak echo region (BWER)– overhang-echo–wall-echo structure. According to the evolution of zero velocity line, which connects the radar radial velocity and the speed of hailstorm, the line approached the overhang echo zone with hail cloud development and crossed the overhang echo. The trend of zero velocity line was upturned, and the collection power of the cave channel near the line was sufficiently strong to form hail. The hail formation area can be analyzed through the determination of the zero velocity line. A method of identifying the characteristic structure of the hail-forming region is also presented in this study.According to the strong echo dislocation of high and low levels, the characteristic structure is determined quickly and accurately from the strong echo center section at two heights. Moreover, a 45 dBregion at a 6 km height above the 0°C layer is identified as the hail-forming region, where the potential of hail is calculated to be 100% .The identified hail region is in contrast to the actual hail observation.

Supercell storm, Hail-forming area identification, Overhang echo, Potential of hail (POH)

1006?9895(2014)05?0845?16

P401

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13107

2013?01?11，2014?02?20收修定稿

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目2012AA120902，國家自然科學基金項目41275150

蔡淼，女，1987年生，博士，研究方向：云降水物理與人工影響天氣。E-mail: caibird133@163.com

周毓荃，E-mail：zhouyq05@163.com