遼寧建平地區(qū)一次突發(fā)性強冰雹天氣的中尺度特征分析

劉 靜，任 川，牛 丹，時 倩

（1遼寧省氣象災害監(jiān)測預警中心，沈陽110166；2遼寧省氣象信息中心，沈陽110166）

0 引言

遼寧省地形概貌大體是“六山一水三分田”，溫帶大陸性季風氣候，天氣復雜多變且氣象災害頻發(fā)。冰雹是重要的強對流天氣之一，在遼寧省西部地區(qū)屬于頻發(fā)的災害性天氣，其突發(fā)性強、破壞性大的特點，給遼寧西部地區(qū)設施農業(yè)、交通以及人民生命財產(chǎn)安全帶來很大的損失，分析冰雹發(fā)生發(fā)展的中尺度特征，可以提高冰雹預報預警的準確率和提前時間。

遼寧省冰雹天氣多發(fā)生在東北冷渦背景下[1-2]，多普勒天氣雷達資料（時間分辨率為6 min）在強對流（冰雹）的監(jiān)測預警中具有重要意義，并且發(fā)揮了顯著的作用。近年來，諸多學者多利用衛(wèi)星云圖、多普勒天氣雷達資料對強對流天氣進行研究[3-6]。應用多普勒天氣雷達數(shù)據(jù)進行強冰雹特征分析的研究最為廣泛[7-11]，雷達回波特征分析在遼寧地區(qū)強對流天氣過程（冰雹和短時強降水）中也有較好的應用[12-13]。常規(guī)的衛(wèi)星云圖產(chǎn)品（時間分辨率為30 min）在冰雹分析中也有舉足輕重的地位[14-15]。在冰雹發(fā)生的背景場判識上，國內外學者多采用物理量判識，在物理量場中對流有效位能(CAPE)是與環(huán)境聯(lián)系最密切的熱力學變量[16]。

2016年6月22日16時（北京時，下同）左右，建平縣共計7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)26個自然村遭受了不同程度的雹災,最大冰雹直徑超過4 cm。一般認為，降落到地面上直徑超過2 cm的冰雹為強冰雹[17]。本次雹災受災農作物共計3226 hm2，受災人口共計17757人，造成直接經(jīng)濟損失726萬元。

對這次突發(fā)性冰雹的短時預報是不理想的，即使事后分析，也很難在6月22日早晨確定大冰雹發(fā)生的征兆和跡象。本研究以高時空分辨率的多普勒天氣雷達及葵花8號衛(wèi)星資料作為主要手段進行強雹暴觸發(fā)機制分析，并利用臨近探空及NCEP資料中的物理量變化來揭示強冰雹發(fā)生前環(huán)境場的變化特征。重點解決如下一些問題：（1）這次突發(fā)性冰雹在早晨（8時）實況中有何征兆，預報不成功的主要原因，（2）該雹暴系統(tǒng)的中尺度特征，（3）利用高分辨率葵花衛(wèi)星及多普勒天氣雷達資料可以將冰雹的準確預報時間提前時長。

1 資料與方法

1.1 資料來源

采用Himawari-8靜止氣象衛(wèi)星產(chǎn)品、多普勒天氣雷達資料、美國國家環(huán)境預測中心(NCEP)下發(fā)的FNL資料(1°×1°)及加密自動站觀測資料，對此次天氣過程的中尺度特征進行詳細分析。

日本新一代靜止氣象衛(wèi)星葵花-8號(Himawari-8)始于美國的GOES系列衛(wèi)星，可見光2個通道加上紅外和近紅外14個通道共16個通道，可見光最高分辨率0.5 km，其具有先進的葵花成像儀(AHI)，AHI具有高時間頻次全盤和區(qū)域掃描的特點，能夠在10 min內完成全盤掃描，特別指出的是該系列衛(wèi)星首次提出的圖像定位配準技術，通過復雜的標定和補償，使衛(wèi)星指向預期目標的定位精度達到1 km級別[18]。

1.2 研究方法

根據(jù)6月22日遼寧省常規(guī)觀測資料及NCEP再分析資料，對冰雹發(fā)生日早晨（8時）的環(huán)境場進行分析，找出冰雹發(fā)生的有利/不利條件；利用高時空分辨率的Himawari-8靜止氣象衛(wèi)星產(chǎn)品中的可見光及紅外圖像追蹤強雹暴云團的發(fā)展，結合多普勒天氣雷達資料中的基本反射率、垂直累計液態(tài)水含量密度等條件分析強雹暴超級單體的落區(qū)和強度；提出能夠準確預報冰雹發(fā)生的提前時間。

2 環(huán)流形勢

遼寧省建平市位于遼寧省西北部，燕山山脈向遼沈平原的過渡地帶，屬于半干旱半濕潤易旱地區(qū)。建平市建平縣是遼寧省冰雹發(fā)生頻率最高的地區(qū)。

利用遼寧省常規(guī)觀測資料對冰雹發(fā)生前的環(huán)流形勢進行分析。2016年6月22日8時，500 hPa高空在45°—55°N、108°—124°E范圍內存在東北冷渦，冷渦后部有冷空氣南下，使氣旋加深和發(fā)展，500 hPa西北氣流和850 hPa西南氣流風向切變＞90°；850 hPa在上述范圍內存在冷暖平流，冷槽和暖脊交匯，交角＞60°，建平地區(qū)位于交匯處附近西北方向，850、925 hPa低空/超低空切變線經(jīng)過遼寧，建平位于切變線西南側；地面受東北—西南狹長低壓帶控制，43°—45°N、116°—124°E有閉合低壓中心，地面輻合線由東北緩慢向西南方向移動。

利用美國國家環(huán)境預測中心(NCEP)下發(fā)的FNL(1°×1°)及遼寧省重建探空資料（8、14時）對冰雹發(fā)生時刻的物理量進行診斷，結果表明：整層大氣較干，500 hPa相對濕度是20%，925 hPa相對濕度是70%；700 hPa與500 hPa之間的溫度差＞20℃，850 hPa與500 hPa之間的溫度差＞26℃，K指數(shù)＞28℃，建平地區(qū)大氣層結不穩(wěn)定。

遼寧省探空站（沈陽、大連、錦州、丹東）分布距離建平較遠，因此分析此次雹暴過程采用內蒙古赤峰(118.97°E，42.27°N)探空站數(shù)據(jù)，使用建平站8時、14時的地面氣壓、溫度和露點值對探空資料進行訂正。冰雹發(fā)生時間為午后16時左右，采用建平縣8、14時地面溫度和露點溫度（分別為23、15，30、17℃）結合8時赤峰站探空圖重新計算了環(huán)境參數(shù)，繪制8時（圖1a）、14時（圖1b）建平探空圖。從探空圖1(a)中可以看出，早晨近地面存在淺薄逆溫層，有利于不穩(wěn)定能量的儲存，但是整層水汽條件差。

浮力能的增加有助于維持強烈的上升運動。早晨的沙氏指數(shù)(SI)是0.1℃，午后降為-4.7℃，大氣層結從穩(wěn)定狀態(tài)轉為不穩(wěn)定，且程度逐漸加深。垂直風切變有助于維持雹暴內強烈的上升氣流，午后0～6 km的垂直風切變達到11.67 m/s，具有適宜的特征層高度（0、-20、-30℃高度分別為4083、6704、7994 km），此時靜力不穩(wěn)定、抬升觸發(fā)機制、深層垂直風切變和適宜的特征層高度都滿足冰雹發(fā)生的需要，但產(chǎn)生強雷暴還需要適宜的水汽條件，因此單憑環(huán)境場數(shù)據(jù)很難提前預報冰雹的發(fā)生。

應用遼寧省加密區(qū)域自動站資料分析6月22日8時(a)、14時(b)地面水汽通量散度、風場、溫度和露點（見圖1）。8時，建平縣水汽通量散度為正，水汽在流失；午后（14時），建平縣水汽在積聚，濕度條件有助于雷暴的產(chǎn)生。午后風場出現(xiàn)了幅合，有助于強烈的上升運動，溫度露點差＞10℃，空氣不飽和。

圖1 2016年6月22日朝陽重建T-lop圖和風廓線

圖2 2016年6月22日地面水汽通量散度疊加風場、溫度和露點

3 中尺度特征分析

3.1 強冰雹天氣的衛(wèi)星云圖特征分析

圖3顯示的是日本氣象廳葵花-8號(Himawari-8)靜止氣象衛(wèi)星10 min產(chǎn)品，其中可見光分辨率是0.5 km，紅外云圖分辨率是2 km。圖中圓圈處為建平地區(qū)（下同）。

圖3 2016年6月22日葵花衛(wèi)星可見光云圖

將冰雹云團的生命史分為初生、發(fā)展、成熟和消亡4個階段，冰雹通常發(fā)生在對流云團發(fā)展至成熟階段初期[19]。6月22日上午前后零散對流云在遼寧上游地區(qū)產(chǎn)生，不斷向下游發(fā)展、合并。圖3顯示的是對流云團發(fā)展時刻的可見光云圖，該冰雹云團為輻射加熱不均勻產(chǎn)生的積云，邊界光滑，色調明亮。從圖3(a)可以看出，在15:30，該云系還處于初生向發(fā)展過渡階段，云團初生時表現(xiàn)為邊界十分光滑，具有明顯長軸的橢圓形，表明出現(xiàn)在強垂直風切變下，長軸與強垂直風切變走向基本一致；午后15:00左右，對流云團發(fā)展，在東北—西南方向尺度約350～400 km，屬于中α尺度強對流云團；在圖3(b～d)15:40—16:00中，冰雹云系逐漸成熟，頭部凸起寬廣，尾部云帶尖窄，渦旋中心處有尖點，云團的上風邊界十分光滑整齊，下風邊界出現(xiàn)長的卷云氈，拉長的卷云氈從活躍的風暴核前部流出，強天氣出現(xiàn)在云團西南方向的上風一側（建平縣所在位置）。該對流云系尺度較?。s1個緯距），對流云系呈東北—西南向分布，建平地區(qū)位于對流云系西南一側，形狀狹小，屬于該對流云系的尾部，該處位于強的渦度平流區(qū)，容易激發(fā)強烈上升運動[20]。冰雹發(fā)生前40 min，如圖3(a～c)紋理越來越清晰，3d和3e出現(xiàn)明顯的暗影（箭頭處）。建平發(fā)生冰雹區(qū)域為對流云系的上風一側，暗影出現(xiàn)時，產(chǎn)生強冰雹，因此風向、紋理及暗影可以給冰雹預報預警帶來大于30 min的提前量。

圖4是冰雹發(fā)生臨近時刻的長波紅外圖像，冰雹發(fā)生區(qū)域在對流云團偏西邊緣一側。紅外云圖實際上是一幅亮度溫度(TBB)分布圖。

建平冰雹發(fā)生區(qū)域5個時次圖4(a～e)的亮度溫度分別為-50.54、-49.65、-51.7、-50.73、-50.67℃，10 min變化量分別為0.89、2.05、0.97、0.06℃，可以看出，冰雹發(fā)生后，TBB變化量減小。

強對流通常發(fā)生在對流云團的邊緣附近，也就是TBB梯度的大值區(qū)，因此認為TBB梯度相對TBB本身，對冰雹有更好的指示意義。圖4e(16:10)中藍色線條所示點的TBB梯度值為3.37℃/0.05°，16:30 TBB梯度值降為1.43℃/0.05°，冰雹發(fā)生后TBB梯度值迅速減小。

圖4 2016年6月22日葵花衛(wèi)星紅外云圖

3.2 強冰雹天氣的雷達產(chǎn)品特征分析

遼寧地區(qū)共有4部雷達：分別位于沈陽、大連、營口、朝陽。此次建平冰雹過程采用朝陽雷達(SC)數(shù)據(jù)進行分析。影響遼寧建平地區(qū)的強雷暴系統(tǒng)14:00由內蒙古赤峰地區(qū)發(fā)展，緩慢向東移動，進入遼寧西部建平地區(qū)后分裂(14:42)，強回波分成3塊，15:06回波強度增加，雷達回波基本反射率中心強度為50 dBZ以上，15:30迅速發(fā)展成為超級單體，50 dBZ以上強反射率區(qū)域增加，中心強度達到60 dBZ，16:00回波發(fā)展成為一個強超級單體，超過60 dBZ的區(qū)域加大。此次超級單體過境給建平地區(qū)帶來了一次強冰雹天氣過程，下文重點分析造成強冰雹時段的超級單體特征。從不同仰角雷達反射率、垂直剖面、液態(tài)水含量、回波頂高等角度分析此次強冰雹天氣過程的雷達回波中尺度特征。

3.2.1 雷達組合反射率 強對流天氣生成發(fā)展后，在赤峰地區(qū)（遼寧建平西南方向）形成了弓狀回波，之后向東南方向移動。圖5(a～c)分別顯示的是0.5°、1.5°、2.4°仰角的組合反射率，箭頭所示為V型缺口（下同），強對流系統(tǒng)出現(xiàn)了典型的雹暴特征，組合反射率因子核心區(qū)的極值為55 dBZ。

3.2.2 垂直剖面特征分析 為觀測降雹時超級單體內部垂直結構，對雷達回波反射率做垂直剖面（圖6）,該剖面橫穿強回波中心區(qū)域。

當強回波擴展到-20℃等溫線高度之上時，對強冰雹的潛勢貢獻最大[21]。從圖6可見-20℃等溫線垂直高度以上有55 dBZ的反射率因子。且55 dBZ的反射率因子高度達到9 km，50 dBZ的反射率因子高度達到17 km。在垂直剖面（圖6）的前側0℃層高度下存在入流缺口，水平尺度約為10 km左右，有界弱回波區(qū)高度為4 km左右，上空對應強回波懸垂。水平寬度約5 km，垂直高度約2.6 km的55 dBZ反射率因子區(qū)域在0℃和-20℃之間，極易產(chǎn)生強冰雹。

3.2.3 徑向輻合 圖7(a～c)分別是0.5°、1.5°、2.4°仰角的基本速度。雖然建平地區(qū)存在速度模糊，但是仍然可以看出，最大出流中心更靠近雷達并且最大入流中心位于雷達左側，朝陽（建平）區(qū)域為氣旋式輻合流場。圖7a中，最大入流為23 m/s，以2.4°仰角觀測(3c)，入流大于20 m/s的區(qū)域加大，輻合明顯，下方風力更大。

圖5 2016年6月22日16:08朝陽雷達不同仰角基本反射率因子

3.2.4 液態(tài)水含量分析 假設反射率因子完全是由液態(tài)水反射得到的，液態(tài)水含量(VIL)表示的是將反射率因子數(shù)據(jù)轉換成等價的液態(tài)水值。VIL方程如(1)所示。

圖6 2016年6月22日16:08朝陽雷達反射率因子垂直剖面

式中，M為液態(tài)水含量（液態(tài)水含量密度：g/m3），Z為雷達反射率因子(mm6/mm3)。垂直累計液態(tài)水含量單位是kg/m2。

如圖8a所示，垂直累計液態(tài)水含量極值超過60 kg/m2。遼寧地區(qū)6月份液態(tài)水含量30 kg/m2是產(chǎn)生冰雹的閾值。如此高的液態(tài)水含量勢必有利于冰雹粒子的發(fā)展。為了規(guī)避液態(tài)水含量的局限性，Amburn和Wolf定義VIL與風暴頂高度之比為VIL密度。此次雹暴回波頂高＞14 km（圖8b），對應的VIL密度＞4.29 g/m3。Amburn和Wolf的研究表明：如果VIL密度超過4 g/m3，則風暴產(chǎn)生直徑超過2 cm大冰雹的概率很大[22]，此次建平地區(qū)產(chǎn)生了最大直徑為4 cm的強冰雹。

圖7 2016年6月22日16:08朝陽雷達不同仰角徑向速度圖

4 結論

利用遼寧省加密區(qū)域氣象觀測資料、高分辨率葵花衛(wèi)星、多普勒天氣雷達、NCEP/FNL等資料，對發(fā)生在遼寧西部建平地區(qū)的一次強冰雹天氣過程的環(huán)流形勢及中尺度特征進行了詳細分析。結果表明：

（1）此次冰雹過程發(fā)生在有利的環(huán)境條件下：較強的風切變，850 hPa與500 hPa之間的溫度差＞26℃，大氣層結不穩(wěn)定，并且有切變觸發(fā)，500 hPa冷槽與850 hPa暖脊交匯。

（2）由可見光云圖可以看出，該冰雹云團為輻射加熱不均勻產(chǎn)生的積云，邊界光滑，色調明亮。隨著冰雹發(fā)生時刻的臨近，紋理和暗影逐漸清晰。紅外云圖上亮度溫度在建平地區(qū)較長時間維持在-50℃以下，且冰雹發(fā)生后，亮度溫度(TBB)梯度值迅速減小，應用葵花衛(wèi)星產(chǎn)品可以提前30～40 min甚至更長時間預報冰雹的發(fā)生。

（3）雹暴超級單體回波呈弓狀，核心區(qū)的極值為55 dBZ。在反射率因子垂直剖面圖上呈現(xiàn)出顯著的回波懸垂。反射率因子核心(＞55 dBZ)高度伸展到-20℃以上，徑向速度風場特征顯示建平地區(qū)存在氣旋式輻合流場。液態(tài)水含量密度＞4 g/m3。在適宜的特征層高度和能量配合下，超級單體內部渦旋特征，共同促進空中大冰雹的增長。

圖8 2016年6月22日16:08朝陽雷達液態(tài)水含量(a)和回波頂高(b)