基于雷達三維顯示的一次多單體風暴特征分析

劉建朝 ，尚 博，蘇 杭

（1.吉林省人工影響天氣辦公室；2.長春市氣象局，吉林長春130000）

冰雹災害雖然范圍小、時間短，但是強度大、來勢猛，常伴隨狂風給農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、交通、通信、城市建筑等造成巨大損失。近幾十年來對冰雹的研究有了很大的發(fā)展。許煥斌[1-2]引入了雨水、凍雨和冰雹濃度連續(xù)方程，并重新給定了凍雨和冰雹的粒子譜形式，建立了一個新的一維時變參數(shù)化模式，該模式較好地描述了各種不同類型的水凝物粒子間的相互作用。孔凡鈾[3-5]首次在國內成功地建立了包含較詳細的冰相微物理過程的三維冰雹云模式,并進行了一系列的冰雹云數(shù)值模擬。

本文利用逐小時地面加密自動站觀測資料和長春多普勒天氣雷達探測資料，對2014年7月23日發(fā)生在德惠的多單體降雹過程進行中尺度和雷達三維顯示分析，并對人工防雹的作業(yè)時機和作業(yè)部位進行討論，為強對流天氣的預報、人工防雹作業(yè)決策和作業(yè)指標提取提供科學依據(jù)和積極的氣象保障作用。

1 天氣背景和實況

2014年7月23日08時，亞歐大陸中高緯在500hPa上呈兩槽一脊形勢，暖高壓脊位于烏拉爾山到貝加爾湖一帶，貝加爾湖以東為大范圍槽區(qū)，槽線位于內蒙古東部大興安嶺一帶，長春地區(qū)位于槽前，低空850hPa受西南氣流控制，具備較好的暖濕空氣輸送，為此次過程提供水汽、不穩(wěn)定能量等條件。23日白天，高空槽東移約5個經(jīng)距，至20時基本移動到長春地區(qū)和吉林地區(qū)交界處，長春地區(qū)轉為受槽后西北氣流控制。此次強對流天氣發(fā)生在高空槽東移過境，槽后干冷空氣替換槽前暖濕空氣的過程中。

此次多單體風暴于12:00開始發(fā)生發(fā)展，由西南向東北經(jīng)過合并消亡后，方向調轉呈西北東南向繼續(xù)合并消亡并于17:00完全移出長春境內進入吉林市，5個小時內，長春市普降大到暴雨，其中降雹時間為12:30～13:30，出現(xiàn)在德惠市境內。

2 中尺度結構特征和發(fā)生發(fā)展

2.1 多單體風暴的發(fā)生發(fā)展

由長春地區(qū)多普勒天氣雷達2014年7月23日反射率因子的演變（2.4°仰角）可見，11：59分長春西北部農(nóng)安縣有零散的對流單體生成（圖1a），并不斷向東北方向移動，12:15分運動方向左側的對流單體逐漸消亡，右側的單體迅速發(fā)展，12:20分合并成一個強對流單體，中心強度為60dBZ以上（圖1b）；與此同時，在該單體左側及右前方又有新的對流單體生成，12:41分兩塊強的對流單體共同影響德惠地區(qū)（圖1c），并繼續(xù)向東北方向移動，造成了此次冰雹災害。同時刻6.0°仰角上（圖1d）單體A最大回波中心強度大于65dBZ，單體B最大回波中心強度在50dBZ以上，有一V型缺口。沿兩塊單體做垂直剖面圖（圖1f）可以明顯看到單體A的懸垂結構和有界弱回波區(qū)并呈現(xiàn)出弓型回波，最大回波強度65dBZ的高度在5km以上，單體B最大回波強度60dBZ的高度也在5km以上，兩塊單體都是高質心的雹暴結構，兩個對流單體發(fā)展旺盛。

圖1 2014年7月23日長春CC雷達多單體風暴反射率因子

2.2 多單體風暴的結構特征

低層徑向速度（圖2a）上生成兩塊對流單體，運動方向左側的單體表現(xiàn)為純氣旋式流場，右側為氣旋式輻合流場，在單體隨氣流移動的同時，前方不斷生成新單體而原單體不斷衰減消亡，12:20分（圖2b）左側單體已經(jīng)消亡，右側單體發(fā)展旺盛，在風暴前進方向的右側，低空氣流輻合，高空氣流輻散，有利于新雷暴單體在右前側不斷形成。12:20分發(fā)展旺盛的單體在德惠縣西南方向50km處有一個明顯的風場輻合，由于雷達的椎體掃描特征，該單體表現(xiàn)為靠近雷達處的低層輻合和遠離雷達處的高層輻散，有利于上升運動的發(fā)展，為強對流天氣的發(fā)生、發(fā)展提供有利的動力條件。12:41分低層2.4°仰角（圖2c）該單體繼續(xù)發(fā)展，同時其周圍有新的單體生成，都伴有氣旋式輻合流場和“逆風區(qū)”，單體進一步成熟，圖2d為9.9°仰角的對流單體頂部，可以看出頂部前方反氣旋式輻散和后部的純輻散流場，使得上升氣流得以維持。在12:41分和13:02分（圖2e和2f）速度上零線呈現(xiàn)出NE-SW折向NW-SE的折角，折角位于雷達站西北側，可以看出此次多單體風暴發(fā)生在鋒面未過境的背景下。此種情況下，由于局地熱力條件、水汽等因素，容易產(chǎn)生強對流天氣，根據(jù)對流云的情況，多數(shù)產(chǎn)生冰雹。

圖2 2014年7月23日長春CC雷達多單體風暴徑向速度圖

圖3 35dBZ雷達反射率因子等值面的三維云結構及40dBZ回波頂高的三維圖

3 多單體風暴的三維云特征

冷鋒背景下的多單體風暴是否降雹還需要分析云體的自身特征。大冰雹是在具有一支強的斜升氣流，回波頂高度較高，液態(tài)水的含量很充沛的雷暴云中產(chǎn)生的。

3.1 等值體和回波頂高特征

圖3分別給出了 12:20、12:41、13:02分 35dBZ雷達反射率因子等值面的三維云結構圖，及對應時間40dBZ回波頂高的三維顯示圖。從圖3（a1）可看出12:20單體A云體龐大猶如云墻，上寬下窄、略微傾斜，呈現(xiàn)懸垂型，回波頂圖3（b1）發(fā)展較高在8km以上，單體B亦呈現(xiàn)略有傾斜的懸垂型，但其云體體積較單體A小很多，40dBZ回波頂高只有很小的一塊，該單體處于初生發(fā)展階段。12:41分（圖a2、b2）可清晰看到兩塊單體頂層寬厚向外延伸形成云砧，底部狹窄向內凹陷形成“云洞”，傾斜角度加大，都朝東北方向（圖片右上角羅盤可指示方向和方位，紅色為正北），表明多單體風暴具有統(tǒng)一的垂直環(huán)流。云系運動方向為SW-NE，云洞即為入流口，氣流經(jīng)云體上升后，在高層向外輻散形成云砧，此種傾斜結構利于底部吸入空氣抬升，使得對流繼續(xù)發(fā)展和維持。此時單體B在體積上雖不如A龐大，但其回波頂高度已達到9km，大于單體A的8km，傾斜和云砧、云洞結構明顯，是塊發(fā)展十分旺盛的雹云。

圖a3和b3顯示13:02兩塊單體35dBZ的云體積仍然十分龐大，傾斜結構符合成熟雹云特征，但是單體B回波頂高驟降到7km以下，且云頂平滑沒有起伏，說明該單體開始消亡。分析前一時刻12:57分（圖略）的40dBZ回波頂高的三維顯示圖，單體B回波頂高大于9km的范圍比12:41分有所增加，云頂呈現(xiàn)突起形狀，處于成熟階段的頂峰。綜合35dBZ云體等值面和40dBZ回波頂高度圖分析，在12:57～13:02分云中雹胚循環(huán)增長越來越重，云內上升氣流支撐不住其重量，于是地面開始降雹，云體開始消亡。根據(jù)德惠災情報告資料，13:00開始降雹，與分析對應一致。單體A在13:02分盡管仍有回波頂高大于9km，但其云體前部已經(jīng)塌陷，頂高不足6km，等值體圖也不具有傾斜結構，說明云已經(jīng)處于消亡階段或云體即將分裂形成新單體，13:28分雷達反射率因子（圖略）顯示單體A和B已經(jīng)同前方新生成單體合并成為一個新的風暴群移出德惠內。

3.2 三維水汽條件

多普勒天氣雷達提供的垂直液態(tài)含水量（VIL）可以直觀顯示風暴的水汽含量，也可以用來判斷對流強度與冰雹出現(xiàn)的可能性。圖4給出了垂直累積液態(tài)含水量的三維顯示圖。從12:20～13:05分的VIL演變可以看到，12:20VIL數(shù)值達到44kg/m2，到12:41分出現(xiàn)明顯躍增現(xiàn)象為 65kg/m2，13:02分數(shù)值下降到35 kg/m2，德惠地區(qū)也是在VIL躍增到最大時開始降雹的。

4 人工防雹分析

許煥斌[6]等研究人工雹胚與自然雹胚的“利益競爭”可以知道，在雹云中存在著冰雹“穴道”，它位于主上升氣流區(qū)邊側及零線下的入流區(qū)，其體積約為雹云總體積的6%或更小，不論自然雹胚或是人工雹胚，只要進入“穴道”都經(jīng)歷著循環(huán)運行增長，其軌跡是相互交叉的，因而可以實現(xiàn)平等“競爭”?！把ǖ馈钡拇嬖诤臀恢糜闪鲌鎏卣鳑Q定。段英[7]等模擬雹云增長得出可形成大雹的雹胚初始出發(fā)區(qū)是在上升氣流主入流區(qū)的零線附近，越靠近主上升氣流軸線和零線，滯留時間越長，可長成的冰雹越大?？尚纬纱蟊⒌谋⑴叱跏汲霭l(fā)區(qū)與胚胎大小有關，但不敏感，出發(fā)位置比胚胎大小更重要。

從圖3中給出的三維雷達等值面可以看到傾斜結構和入流區(qū)即“云洞”，結合回波頂高度可以得到人工防雹的作業(yè)部位和作業(yè)時機。作業(yè)部位即在云洞位置，作業(yè)時機應在降雹之前，選擇回波頂高度較高，云頂起伏明顯的時刻。同時多單體雹云每個單體的成雹方式是獨立的，冰雹總是在各自的環(huán)流圈內運行，防雹作業(yè)需要對每個單體逐一催化作業(yè)。

5 結論與討論

本文綜合利用逐小時地面加密自動站觀測資料、長春多普勒雷達探測資料，對2014年7月23日發(fā)生在德惠的多單體降雹過程進行中尺度和三維云場分析，并對人工防雹的作業(yè)時機和作業(yè)部位進行討論，得到如下主要結論：

該多單體風暴在500hPa上呈兩槽一脊形勢，長春地區(qū)位于槽前，低空850hPa受西南氣流控制，具備較好的暖濕空氣輸送。23日白天，長春地區(qū)轉為受槽后西北氣流控制。此次強天氣發(fā)生在高空槽東移過境，槽后干冷空氣替換槽前暖濕空氣的過程中。

造成德惠縣冰雹災害的對流系統(tǒng)是多單體風暴中的兩塊，兩塊單體成熟時間不同，但具有相同的結構特征，弓型回波、低層弱回波區(qū)；低層主要表現(xiàn)為輻合特征，高層有很強的風暴頂輻散。

圖4 垂直累積液態(tài)含水量的三維顯示

三維雷達回波顯示發(fā)生冰雹前云體體積龐大，上寬下窄、嚴重傾斜，呈現(xiàn)懸垂型，有云砧和云洞，40dBZ回波頂大于9km，起伏不平。開始降雹后云體體積不變，但回波頂明顯降低，云頂平滑。

因為人工雹胚只要進入“穴道”就可以與自然雹胚實現(xiàn)平等“競爭”，因而作業(yè)部位應選擇等值體上的“云洞”，作業(yè)時機應在降雹之前，選擇回波頂高度較高，云頂起伏明顯的時刻。

盡管本文分析結果部分揭示了2014年7月23日多單體風暴的結構特征，給出了人工防雹作業(yè)時機和作業(yè)部位等一些重要事實。但作業(yè)的用彈量和作業(yè)效果這些問題有待于今后通過更深入的分析和引入人工雹胚的數(shù)值試驗手段進一步研究。