營口一次百年一遇大冰雹天氣過程分析

張 晶，姚 文，何曉東，陳海濤，白 楊，楊 明

(營口市氣象局，遼寧營口 115001)

近些年來，氣象工作者圍繞冰雹天氣產生的背景、觸發(fā)機制、中尺度特征、雷達特征等作了大量的科學研究[1-3]，為冰雹等強對流預報提供了參考依據(jù)。強對流天氣是營口地區(qū)5—9月較為嚴重的災害性天氣，其發(fā)展迅速、生命史短、破壞性強，尤其是其產生的冰雹對大田作物、果樹等造成嚴重災害。2014年6月營口地區(qū)連續(xù)發(fā)生了6次冰雹過程，造成農作物損失嚴重，張晶等[4]對其中災害嚴重的三次過程作了詳細分析。2013年6月3日09：00—11：35，營口大石橋南部和蓋州北部地區(qū)遭受雹災襲擊，降雹最長時間持續(xù)20 min左右，最大冰雹直徑近50 mm，雹粒密度較大、持續(xù)時間長，地面有積雹現(xiàn)象，冰雹期間陣風風力達到6級，農作物受災嚴重。經綜合評定，此次冰雹災害為嚴重冰雹等級，屬于百年一遇大冰雹事件。利用常規(guī)氣象資料，衛(wèi)星、多普勒天氣雷達等資料對產生冰雹的強對流風暴過程進行分析，重點討論產生冰雹的強對流風暴的雷達產品特征，希望對未來的短臨預報工作提供參考依據(jù)。

1 天氣形勢背景和環(huán)境條件

1.1 形勢場分析

3日08：00， 500～850 hPa上存在一較為深厚的冷渦系統(tǒng)(圖1)。500 hPa上冷渦中心位于吉林與內蒙交界，與之配合的冷中心向南伸展；850 hPa上冷渦中心位于吉林西部，其底部槽前有暖脊存在，營口地區(qū)位于上冷下暖的不穩(wěn)定層結中。地面圖上營口處于低壓中心的底部，存在風向的氣旋式切變。

圖2 2013-06-03T08錦州探空圖

1.2 環(huán)境場分析

3日08：00時錦州(距離營口最近的探空站)探空圖(圖2，見第14頁)上顯示存在不穩(wěn)定能量(CAPE值為26.5 J/kg)；露點溫度隨高度降低迅速升高，近地面層(925 hPa以下)露點溫度較高，存在明顯的濕層，高空露點溫度較低，為干空氣；900 hPa以下存在逆溫層；0 ℃層高度位于3.5 km，-20 ℃層高度位于6.2 km左右；0～3 km的垂直風切變大約為20 m/s，0～6 km的垂直風切變大約為32 m/s。

a：500 hPa；b：700 hPa；c：850 hPa。圖1 2013-06-03T08高度場(實線，單位為dagpm)和溫度場(虛線，單位為℃)

綜合形勢場和環(huán)境場分析，可以看出 3日08：00營口地區(qū)處于上冷下暖的熱力不穩(wěn)定條件下，而逆溫層的存在為不穩(wěn)定能量的儲存提供了有利條件，同時上層干、低層濕的層結結構更有利于強冰雹天氣的發(fā)生[5]；較強的垂直風切變是判斷有利于強冰雹天氣發(fā)生的關鍵因子之一，較強的垂直風切變能使上升氣流傾斜并增強中層干冷空氣的吸入，有利于組織完好的對流風暴如強烈多單體風暴和超級單體風暴的發(fā)展[6]。此次天氣形勢屬于典型的不穩(wěn)定天氣形勢，有利于大冰雹的產生。

2 云圖分析

從可見光云圖(圖3)上可以看到，08：00遼寧東部存在一些對流單體，渤海北部海面及營口地區(qū)存在一些低云；09：00在渤海海面到遼寧中部地區(qū)有一系列處于發(fā)展階段的對流單體產生；10：00對流單體發(fā)展旺盛，雷暴單體頂部已經伸展到對流層頂，可以看到在上風方向有比較整齊的邊界，在下風方向云砧向東南擴散，同時渤海上空有新的對流單體生成；11：00云砧向下風方向伸展，對流發(fā)展到遼東地區(qū)。

3 雷達分析

3日08：00—11：00有多個對流風暴影響營口地區(qū)，僅針對產生大冰雹的對流風暴進行分析。

3.1 對流風暴的合并與加強過程

影響營口地區(qū)產生大冰雹的風暴單體于08：35生成于營口西部渤海海面上(位于營口雷達西南方向36 km處)；09：29在該對流風暴后側有新單體生成；09：35—09：41新單體加強并靠近風暴單體；09：47新單體與該風暴單體合并，此時合并后的風暴單體位于青石嶺南部，影響其南部鄉(xiāng)村；09：53風暴單體有所加強；09：59又有一個發(fā)展中的對流單體向該風暴單體靠近；10：11兩個對流單體開始合并，合并后風暴單體進一步加強，此時風暴單體主體正好影響高屯地區(qū)。該風暴單體整個生命史約4 h，其中影響營口地區(qū)的時間約1 h 40 min(圖略)，新單體的生成、風暴的合并是對流風暴能夠維持較長時間的原因。

圖2 2013-06-03T08—11可見光云圖

3.2 對流風暴單體隨時間變化

3日08：35營口S波段多普勒雷達6.0°和9.9°仰角上，風暴單體的回波高度為5～8 km，回波強度較弱為23 dBz(圖略)；08：53風暴單體回波向下伸展到0.5°仰角上，單體質心高度和最大反射率因子所在的高度均在6 km以上，最強反射率因子達50 dBz ,此時按照雷達的算法產生一般冰雹的概率是100%，產生強冰雹的概率是40%,之后風暴質心和最大反射率因子所在高度均開始下降；09：05風暴底逐漸接地，最大反射率因子超過60 dBz，產生冰雹和強冰雹的概率均達到100%，這兩個特征一直持續(xù)到11：17； 09：17開始風暴頂逐漸升高，10：05風暴頂高達到12 km以上，其間受對流風暴與雷達距離的影響，個別時段風暴頂較低，但總體都在9 km以上。風暴頂維持在較高的高度上表明對流發(fā)展非常旺盛，風暴內部有較強的上升氣流，且維持較長的時間，可以促使冰雹增長到較大的直徑。

3.3 反射率因子

對流風暴在10：10—10：30發(fā)展最為旺盛，圖4給出了10：29不同仰角上反射率因子分布情況(圖4a-c)，以及沿圖4b中黃線所示位置的反射率因子剖面圖(圖4d)，可以看到高空存在高懸的強回波，50 dBz的反射率因子垂直擴展到-20 ℃等溫線(6.2 km)以上，強回波區(qū)擴展到-20 ℃等溫線之上，有利于出現(xiàn)強降雹；9.9°仰角上強回波區(qū)位于低層反射率因子梯度大值區(qū)上，即在高層強回波下方有弱回波區(qū)的存在，風暴具有弱回波區(qū)及其上方的強反射率因子核，有利于大冰雹或強降雹的發(fā)生；1.5°仰角上呈現(xiàn)出鉤狀回波的形態(tài)，鉤狀回波的存在表明可能有中氣旋的發(fā)生，其前側V型缺口表明強的入流氣流進入上升氣流；在剖面圖上可以比較清楚地看到回波墻、弱回波區(qū)、前懸回波等結構。這些特征均表明該對流風暴屬于較強的非超級單體雹暴或超級單體強雹暴。

圖4 營口雷達2013-06-03T10:29不同仰角反射率因子(a-c)及沿圖4b中黃線所示位置的反射率因子剖面圖

3.4 基本徑向速度

按照圖4b中黃線所示位置做基本徑向速度剖面圖(圖5a)，可以看到在3～9 km高度上存在徑向速度輻合，其中4～6 km高度上尤為明顯；在10 km以上存在明顯的風暴頂輻散，預示著風暴發(fā)展。在6.0°仰角10：23和10：29兩個體掃的徑向速度圖上均可以看到一個24 m/s和-7 m/s的最大速度對，相應時刻的風暴相對平均徑向速度圖上分別可以看到17 m/s和-12 m/s速度對(圖5b)，12 m/s和-12 m/s的速度對(圖5c)，核區(qū)直徑小于10 km，從切變、持續(xù)性、垂直范圍上可以判斷存在弱的中氣旋[6]。在髙懸的強回波條件下，中氣旋的出現(xiàn)增加了產生強冰雹的概率。中氣旋的出現(xiàn)表明該對流風暴可能是一個超級單體強雹暴。

圖5 2013-06-03徑向速度剖面(沿圖4b黃線所示位置；a：10:29)和相對平均徑向速度圖(b ：10:23；c：10:29；)

3.5 三體散射特征

三體散射是大冰雹存在的充分條件。本次過程中對流風暴初次出現(xiàn)三體散射現(xiàn)象的時間是09：05，并不明顯，但從09：17開始到09：41，在反射率因子(圖6a，見第14頁)和徑向速度圖(圖6b)上都可以看到較明顯的三體散射回波，09：41之后由于風暴頂發(fā)展較高，云頂在對流層頂向下風方向平鋪，回波面積變大，三體散射回波無法辨別。首次出現(xiàn)三體散射現(xiàn)象的時間是09：05，地面觀測到降雹的時間大約是09：30，即三體散射首次出現(xiàn)后的30 min內有大冰雹的降落[6]，表明S波段雷達三體散射的出現(xiàn)可以作為大冰雹預報的重要依據(jù)。

3.6 垂直累積液態(tài)水含量(VIL)

垂直累積液態(tài)水含量(VIL)是用來判斷對流風暴強度的一個十分有用的參量。研究表明，突然增大的VIL值可能與冰雹有關，同時如果VIL密度(VIL與風暴頂高之比為VIL密度)超過4 g/m3，則風暴會產生直徑超過2 cm的大冰雹[6]。風暴單體的VIL在09：53之后迅速增大，10：47達到最大為76 kg/m2。在對流風暴發(fā)展過程中，VIL密度均超過4 g/m3，最大值為6 g/m3。根據(jù)VIL大值區(qū)的分布可以判斷冰雹的出現(xiàn)位置和時間。

圖6 2013-06-03T09:17 9.9°仰角反射率因子(a)和徑向速度圖(b)的三體散射特征

4 結論

(1)本次強冰雹天氣過程發(fā)生在高空東北冷渦的環(huán)流背景下，高層干冷、低層暖濕的層結配置形成了大氣層結不穩(wěn)定，較強的垂直風切變和適宜的0 ℃、-20 ℃層高度有利于強冰雹天氣的發(fā)生。

(2)強冰雹風暴單體雷達回波除了具有三體散射現(xiàn)象以及弱回波區(qū)、強回波懸垂結構、鉤狀回波等特征外，基本徑向速度圖上的風暴頂輻散、中層徑向輻合都顯示了風暴發(fā)展的強烈程度，特別是中氣旋特征的出現(xiàn)可以進一步判斷出產生大冰雹的對流風暴是一個超級單體強雹暴，同時較高的VIL及其密度也預示了大冰雹的出現(xiàn)。

致謝：感謝中國氣象局干部培訓學院熊廷南老師為本文提供了衛(wèi)星資料。

參考文獻：

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