貴州中部一次多單體冰雹天氣的雷達回波特征

李麗麗，鄒書平,楊 哲,黃 鈺,曾 勇

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所,貴州 貴陽 550002；2.貴州省冰雹防控技術工程中心,貴州 貴陽 550081；3.貴州省大氣探測技術與保障中心,貴州 貴陽 550081；4.貴州省氣象災害防御技術中心,貴州 貴陽 550081)

1 引言

貴州省是全國冰雹災害最嚴重的省份之一，每年3—5月為冰雹災害的高發(fā)期[1]，貴州中部處于貴州省主要幾條冰雹路徑的區(qū)域上(從歷史降雹資料統(tǒng)計得到)。貴州西部地區(qū)存在多個冰雹源地，在有利的天氣背景下，生成對流單體，東移過程中加強演變成冰雹云造成下游中部地區(qū)的災害性天氣[2]。雷達資料是探測冰雹云的有效手段，目前已有很多運用雷達資料預報預警冰雹的研究成果[3-12]。2017年4月5日傍晚19—22時，貴陽市自北向南出現(xiàn)雷雨大風冰雹天氣，是一次多單體過境共同作用造成的災害天氣 ，此次冰雹過程主要降落在清鎮(zhèn)市和貴陽城區(qū)，雖然平均粒徑不算大，但是降落密度大，部分地區(qū)積雹嚴重，造成多地房屋、車輛和戶外設施損壞，交通運輸和農(nóng)業(yè)等重大經(jīng)濟損失。降雹情況具體為：清鎮(zhèn)(縣城、響水村、韓壩村、蔣家院村、衛(wèi)城、新店大麻窩村)，修文縣城，白云(牛場鄉(xiāng)落刀村)，烏當(百花、水田)，貴陽城區(qū)在雷雨中夾降冰雹，最大直徑15 mm左右，最大密度在100粒/m2左右，清鎮(zhèn)20時出現(xiàn)大風，瞬時最大風速為26 m/s。

2 天氣背景分析

從當日(08時)天氣形勢看，高空槽位于川東地區(qū)，24 h內(nèi)貴州省均受其槽前西南氣流控制，700 hPa切變線也位于川東，貴州省處于西南急流的影響區(qū)域，低層850 hPa在省的西北部存在明顯切變，地面受熱低壓的影響，且在西部地區(qū)有發(fā)展現(xiàn)象。綜上，主要的影響系統(tǒng)是南支槽和低空切變線。

從當日20時探空資料看，環(huán)境場特征有以下幾點：①800～530 hPa的中低層有明顯的條件不穩(wěn)定，對流有效位能CAPE值為502.9J/kg，低層有少量的對流抑制能量，0 ℃～20 ℃層位于4.2～7.5 km左右高度；②對流層底部有較淺薄的干層,800～530 hPa之間是顯著的濕層，530 hPa以上均為干層，層結(jié)曲線自下而上開口形成典型的喇叭狀；③500 hPa為20 m/s以上的大風，且隨高度升高風速變大，低層為西南風隨高度順時針旋轉(zhuǎn)為西北風，有暖平流，0～6 km垂直風切變達到16 m/s，低層垂直風切變較強；④500～270 hPa左右的層結(jié)曲線與干絕熱線幾乎平行，600 hPa起始下沉對流有效位能較強，為502.9 J/k。⑤在700 hPa濕度較大的情況下， K指數(shù)為39，SI指數(shù)為-1.61，表明對流層中層和中低層存在熱力不穩(wěn)定層結(jié)，經(jīng)過畫圖計算得到此時的融化層高度為4.0 km，雖然CAPE的值不算很大，但在中低層均存在不穩(wěn)定層結(jié)，垂直風切變較大和融化層較低幾個特征明顯的情況下，具備發(fā)生冰雹和雷暴大風的熱力和動力環(huán)境條件。

圖1 2017年4月5日20時貴陽站溫度對數(shù)壓力圖Fig. 1 The T-logp diagram for Guiyang at 20∶00 BT 5 April 2017

3 多普勒天氣雷達回波分析

3.1 雷暴單體的移動特征

此次過程是典型的多單體對流云造成的較大范圍的冰雹天氣過程。4月5日自貴州西部納雍縣和織金縣兩地相繼生成的雷達回波單體，向東移動過程中不斷發(fā)展加強，在省中部的貴陽城區(qū)及周邊區(qū)縣引起冰雹災害，此次雷達回波呈波列狀生成移動，移動方向均為較為平直的自西向東，波列中大致可分為3個主要單體，根據(jù)雷暴單體靠近移向降雹區(qū)的時間先后分別編號為A、B、C3個單體，如圖2。

根據(jù)雷暴單體移動路徑和冰雹落區(qū)的空間疊加圖和時間對應關系，與貴州省冰雹路徑圖[13]對比發(fā)現(xiàn)，3個單體基本位于貴州省冰雹路徑的中部路徑上，即發(fā)源于水城和納雍區(qū)域，并向東經(jīng)過織金，并在此地可能分為偏北和偏南兩條線，分別向清鎮(zhèn)市和貴陽地區(qū)及平壩、花溪方向東移，因此，可大致將引起冰雹過程的雷暴單體路徑分為偏北路徑和偏南路徑兩條路線(如圖3)，偏北路徑主要由以上定義的A單體和B單體共同作用，對于清鎮(zhèn)北部的降雹區(qū)而言，前者比后者的過境時間約早1 h左右，B單體平均移動速度約為30 km/h,造成清鎮(zhèn)北部的王莊鄉(xiāng)、衛(wèi)城鎮(zhèn)、暗流鎮(zhèn)的降雹災害(18時58分—19時14分)，A單體于19時07分—19時11分期間在修文縣降雹，然后繼續(xù)東移，平均移動速度約為35 km/h ,19時30分—20時01分之間造成貴陽北部白云區(qū)牛場、落刀和烏當區(qū)水田鎮(zhèn)附近的冰雹災害；清鎮(zhèn)南部主要受偏南路徑的C單體影響，于19時45分左右從西南方向過境向貴陽方向移動并在沿途造成冰雹強風災害，平均移動速度約為38 km/h，在20時30分—21時00分移至貴陽城區(qū)上空造成特大冰雹災害。

圖3 雷暴單體中心4月5日移動路徑分布圖(黑色矩形塊表示降雹地區(qū))Fig.3 The motion paths of the three thunderstorm cells on 5 April 2017(the black rectangles marked the disaster regions)

3.2 雷暴單體雷達回波的回波中心強度及頂高分析

目前研究把冰雹云生命演變分為發(fā)生、躍增、孕育、降雹和消亡這5個階段，結(jié)合3個單體生命史各個階段的雷達回波特征參數(shù)的異同可做對比分析。A單體發(fā)源于織金東北部(5日16時37分，105.88°E、26.80°N)，生命史約4.5 h，16時37分—17時44分為發(fā)生期，回波強度躍增至50.5 dBz,回波頂高(18 dBz)達到8 km以上，17時44分—18時11分為躍增期，回波頂高繼續(xù)增長，回波強度最大增至70 dBz，18時11分—19時24分最大回波強度達到70.5 dBz，回波頂高達10.8 km，19時24分—20時11分為降雹期，相繼引起白云和烏當兩地冰雹天氣，單體回波強度≥45 dBz持續(xù)時間為4 h20 min。

B單體和C單體分布發(fā)源于織金北部(5日17時08分，105.74°E、26.76°N)和納雍中部(5日16時47分，105.26°E、26.74°N)，2個單體移動的軌跡幾乎均平行于納雍—貴陽的連線，最大回波強度都達到70 dBz以上,如圖4，其中虛線為進入貴陽雷達靜錐區(qū)范圍內(nèi)的中心強度值僅供參考。

B單體于17時08分—17時50分發(fā)生期發(fā)展迅速，40 min左右回波中心強度由27.5 dBz增至60 dBz，回波頂高(18 dBz)很快達到10 km左右，之后約1 h內(nèi)為孕育期，回波強度增至68 dBz，回波頂高一直維持在8 km以上，降雹時段(18時58分—19時14分)過后回波強度逐漸減小，B單體主要造成清鎮(zhèn)北部和東部地區(qū)冰雹天氣。C單體17時13分—18時00分為發(fā)生期，回波強度達到50 dBz，回波頂高(18 dBz)為8.2 km，之后半小時為躍增期，回波頂高伸展至12.5 km，19時55分—21時34分期間分別在清鎮(zhèn)西南部、東部和貴陽城區(qū)多地降雹，期間回波頂高一直維持在9.5～11.4 km之間，之后東移過程中逐漸減弱消亡。

圖4 3個典型雷暴單體的回波中心強度和回波頂高(18 dBz)隨時間的變化情況Fig.4 Time series of the echo intensity and echo top height(18 dBz) of three thunderstorm cells

從3個雷暴雹云單體的雷達回波強度和回波頂高(18 dBz)的變化情況，結(jié)合貴州山區(qū)冰雹云躍增特性的劃分方法[14]，A單體和B單體發(fā)生階段均為躍增型，之后很快轉(zhuǎn)為波動型增長，孕育期的回波頂高即達到9 km左右的高度，中心回波強度也在0.5 h內(nèi)達到了45 dBz以上，在后期的波動過程引起局地降雹，降雹時間短。C單體屬于遞增型增長，前期回波強度和頂高穩(wěn)步增長至65 dBz和12.5 km，之后逐漸回落，由于這一階段單體移動速度較快，達到40 km/h左右，因此在減弱的過程中造成沿途清鎮(zhèn)市和貴陽市較大范圍的冰雹災害。

3.3 雷達回波的形態(tài)特征

3.3.1 偏北路線特征 分別選取引起清鎮(zhèn)和貴陽北部的冰雹災害的雷暴單體做移動方向上的垂直剖面，如圖5，幾個剖面圖都顯示出了回波懸垂的特征，有界弱回波區(qū)(BWER)輪廓清晰，回波最強中心均達到70 dBz左右，圖5a、5b為貴陽市白云區(qū)降雹時間主要集中在19時30分—19時35分，過程中出現(xiàn)冰雹最大直徑為10 mm，密度約為130粒/m2,圖5a為雷暴單體發(fā)展最旺盛階段，50 dBz回波頂高達到10 km左右，遠高于-20 ℃層高度(7.5 km左右)，對應時間點上的最大垂直液態(tài)含水量(VIL)為80 kg/m2,表明粒子的碰并增長作用加強。19時45分的徑向速度圖表現(xiàn)為明顯的高低空切變，低層為北風，中高層為西風和西南風，圖5b中強回波中心出現(xiàn)斷裂，此時回波強度依然很強，但高度下移，有界弱回波區(qū)明顯，VIL降低至65.8 kg/m2。

圖5 貴陽雷達站2017年4月5日的雷暴單體回波垂直剖面(a：19時29分，b：19時40分，c：19時45分，d：20時01分，單位:unit)，仰角3.4°層19時45分的徑向速度場(e,單位：unit)和反射率因子(f，單位：dBz)的平面位置顯示圖Fig.5 The vertical profile of base reflectivity along the direction of movements at different times of BT April 5,2017(a 19∶29 ,b 19∶40，c 19∶45 and 20∶01,Guiyang Radar, unit:dBz),the radial velocity(e, unit:m·s-1)and base reflectivity(f,unit：dBz) at 3.4°elevation angle at 19∶45 BT

根據(jù)實地調(diào)查了解到4月5日19時50分—19時58分，貴陽市烏當區(qū)水田鎮(zhèn)發(fā)生降雹，冰雹一般直徑10 mm，最大直徑15 mm，降雹密度100粒/左右，如圖5c、5d，為過程前后的垂直剖面的變化特征?；夭☉掖固卣黠@著且水平方向延展的距離寬廣，45 dBz回波頂高約為9.7 km，對應時間的最大VIL為57 kg/m2，圖5c中有界弱回波區(qū)明顯，根據(jù)仰角3.4°的反射率因子PPI顯示，回波形態(tài)為明顯的“鉤狀”回波，在沿著雷達徑向降雹范圍后部存在“V”型缺口，表明回波中心強度異常大，易發(fā)生大冰雹過程，圖5d中回波開始下沉減弱，此時正是降雹時間，6 min后回波強度大幅減弱，45 dBz高度降至6.8 km左右，面積收縮。

圖6 貴陽雷達站2017年4月5日雷暴單體回波基本反射率因子的垂直剖面(a:19時45分，b:19時55分，c:20時21分，d:20時32分，單位： dBz)和仰角3.4°20時27分的徑向速度場(e,單位：m·s-1)及反射率因子(f，單位：dBz)的平面位置顯示圖Fig.6 The vertical profile of base reflectivity along the direction of movements at the different times of BT April 5,2017(a 19∶45 ,b 19∶55，c 20∶21 and 20∶32,unit:dBz, Guiyang Radar),the radial velocity(e, unit:m·s-1)and base reflectivity(f,unit：dBz) at 3.4°elevation angle at 20∶27

3.3.2 偏南路線特征 偏南路徑于4月5日19時45分左右從西南方向經(jīng)過清鎮(zhèn)并向貴陽移動并在沿途造成冰雹大風災害。統(tǒng)計各個時刻的特征值，如表1，19時45分—19時55分為造成清鎮(zhèn)西南部降雹的雷暴單體發(fā)展階段至降雹階段，回波頂高明顯降低，水平伸展面積擴大，表明單體降雹后還在繼續(xù)發(fā)展，20時27分的徑向速度圖表現(xiàn)為中高層切變，中層為西南風，高層為西北風，單體回波具有“鉤狀”回波的特征。強單體20時21分左右移至清鎮(zhèn)東部，回波頂高達10.7 km，水平伸展面積達到200 km2，其中強度達到45 dBz的面積占42.6%，垂直液態(tài)含水量(VIL)也處于較高值。

表1 雷暴單體4個時次的特征參數(shù)對比表Tab.1 The characteristic parameter of thunderstorm cells in the four key times

4 雙偏振雷達資料和多普勒天氣雷達資料的對比

在此冰雹過程中，貴陽城區(qū)降雹區(qū)的位置處于貴陽多普勒天氣雷達的靜錐區(qū)，處于都勻多普勒天氣雷達的90 km距離圈上，因此觀測到的雷達回波受到衰減和仰角的限制，回波強度偏弱，形狀大小也會發(fā)生誤差；而貴陽市城區(qū)處于清鎮(zhèn)雙偏振雷達觀測的最佳距離內(nèi)，是多普勒天氣雷達資料很好的補充。選取清鎮(zhèn)雙偏振雷達觀測到3個時間點的資料與對應時刻的都勻多普勒天氣雷達資料作對比，如圖7-圖9。

圖7 清鎮(zhèn)雙偏振雷達2017年4月5日粒子相態(tài)識別產(chǎn)品 (a：21時06分,b：21時12分,c：21時22分)Fig.7 The hydrometeor classification products of X-band polarimetric doppler radar at Qingzheng Station at different times of BT 5 April 2017(a 21∶06,b 21∶12,c 21∶22)

圖8 同圖7，但為最大回波強度產(chǎn)品(單位：dBz)Fig.8 Same as Fig.7,but for the maximum echo intensity products(unit:dBz)

雹云識別的產(chǎn)品主要是對云內(nèi)粒子相態(tài)的識別結(jié)果，4月5日21時06分在貴陽西部有一塊較大的雹云，中心達到中雹的強度，清鎮(zhèn)城區(qū)東部也有較小的一點區(qū)域強度達到中雹級別。從圖8a最大回波強度分布來看與雹云的位置和中心較為吻合。21時12分—21時22分回波中心移至貴陽城區(qū)中心，達到中雹級別的范圍擴大，期間多普勒天氣雷達的組合反射率因子中心位置相較雙偏振雷達偏東，強度偏弱，大小偏小。綜上，清鎮(zhèn)雙偏振雷達在21時06分之后的觀測效果較好，但同時存在運行不穩(wěn)定和資料不連續(xù)的問題，今后需加強雷達的維護和資料質(zhì)量控制方面的工作，以更好的發(fā)揮其對冰雹災害的預測預警方面的優(yōu)勢。

圖9 同圖7，但為都勻雷達站組合反射率因子產(chǎn)品(單位：dBz)Fig.9 Same as Fig.7,but for the composite reflectivity of Duyun Radar(unit:dBz)

5 結(jié)論

①此次過程是南支槽和低空切變共同影響的有利天氣背景條件下，省西部的納雍和織金兩地陸續(xù)生成的雷暴單體沿著兩條主要的路線近乎平行的東移，造成下游沿途清鎮(zhèn)市和貴陽市多地的冰雹災害。

②此次冰雹的偏北路徑和偏南路徑與貴州省主要冰雹路徑圖中省中部的兩條路徑走向一致性較高，因此具有典型性。

③幾個雷暴單體的雹云特征明顯，在發(fā)展和降雹階段的剖面圖上均有回波懸垂特征，在強雷暴單體的PPI圖上還有“V”型缺口和鉤狀回波特征，表明此次過程演變中的雷暴單體發(fā)展很強，這是造成此次雷暴、冰雹和大風天氣過程的主要原因。

④清鎮(zhèn)雙偏振雷達在21時06分之后經(jīng)過貴陽城區(qū)時的觀測效果較好，相態(tài)識別產(chǎn)品也在降雹區(qū)域附近識別出了雹云結(jié)構，能夠補充貴陽多普勒天氣雷達的不足，但同時還存在諸多問題，今后需加強雷達的維護和資料質(zhì)量控制方面的工作，以更好的發(fā)揮其在冰雹災害的預測預警方面的優(yōu)勢。

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