基于雷達(dá)三維顯示的一次多單體風(fēng)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(zhǎng)春市氣象局，吉林長(zhǎng)春130000）

冰雹災(zāi)害雖然范圍小、時(shí)間短，但是強(qiáng)度大、來(lái)勢(shì)猛，常伴隨狂風(fēng)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(lái)對(duì)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(gè)新的一維時(shí)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?？追测橻3-5]首次在國(guó)內(nèi)成功地建立了包含較詳細(xì)的冰相微物理過程的三維冰雹云模式,并進(jìn)行了一系列的冰雹云數(shù)值模擬。

本文利用逐小時(shí)地面加密自動(dòng)站觀測(cè)資料和長(zhǎng)春多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)資料，對(duì)2014年7月23日發(fā)生在德惠的多單體降雹過程進(jìn)行中尺度和雷達(dá)三維顯示分析，并對(duì)人工防雹的作業(yè)時(shí)機(jī)和作業(yè)部位進(jìn)行討論，為強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)、人工防雹作業(yè)決策和作業(yè)指標(biāo)提取提供科學(xué)依據(jù)和積極的氣象保障作用。

1 天氣背景和實(shí)況

2014年7月23日08時(shí)，亞歐大陸中高緯在500hPa上呈兩槽一脊形勢(shì)，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(nèi)蒙古東部大興安嶺一帶，長(zhǎng)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(gè)經(jīng)距，至20時(shí)基本移動(dòng)到長(zhǎng)春地區(qū)和吉林地區(qū)交界處，長(zhǎng)春地區(qū)轉(zhuǎn)為受槽后西北氣流控制。此次強(qiáng)對(duì)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(fēng)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(diào)轉(zhuǎn)呈西北東南向繼續(xù)合并消亡并于17:00完全移出長(zhǎng)春境內(nèi)進(jìn)入吉林市，5個(gè)小時(shí)內(nèi)，長(zhǎng)春市普降大到暴雨，其中降雹時(shí)間為12:30～13:30，出現(xiàn)在德惠市境內(nèi)。

2 中尺度結(jié)構(gòu)特征和發(fā)生發(fā)展

2.1 多單體風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展

由長(zhǎng)春地區(qū)多普勒天氣雷達(dá)2014年7月23日反射率因子的演變（2.4°仰角）可見，11：59分長(zhǎng)春西北部農(nóng)安縣有零散的對(duì)流單體生成（圖1a），并不斷向東北方向移動(dòng)，12:15分運(yùn)動(dòng)方向左側(cè)的對(duì)流單體逐漸消亡，右側(cè)的單體迅速發(fā)展，12:20分合并成一個(gè)強(qiáng)對(duì)流單體，中心強(qiáng)度為60dBZ以上（圖1b）；與此同時(shí)，在該單體左側(cè)及右前方又有新的對(duì)流單體生成，12:41分兩塊強(qiáng)的對(duì)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(dòng)，造成了此次冰雹災(zāi)害。同時(shí)刻6.0°仰角上（圖1d）單體A最大回波中心強(qiáng)度大于65dBZ，單體B最大回波中心強(qiáng)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(jié)構(gòu)和有界弱回波區(qū)并呈現(xiàn)出弓型回波，最大回波強(qiáng)度65dBZ的高度在5km以上，單體B最大回波強(qiáng)度60dBZ的高度也在5km以上，兩塊單體都是高質(zhì)心的雹暴結(jié)構(gòu)，兩個(gè)對(duì)流單體發(fā)展旺盛。

圖1 2014年7月23日長(zhǎng)春CC雷達(dá)多單體風(fēng)暴反射率因子

2.2 多單體風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)特征

低層徑向速度（圖2a）上生成兩塊對(duì)流單體，運(yùn)動(dòng)方向左側(cè)的單體表現(xiàn)為純氣旋式流場(chǎng)，右側(cè)為氣旋式輻合流場(chǎng)，在單體隨氣流移動(dòng)的同時(shí)，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(cè)單體已經(jīng)消亡，右側(cè)單體發(fā)展旺盛，在風(fēng)暴前進(jìn)方向的右側(cè)，低空氣流輻合，高空氣流輻散，有利于新雷暴單體在右前側(cè)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(gè)明顯的風(fēng)場(chǎng)輻合，由于雷達(dá)的椎體掃描特征，該單體表現(xiàn)為靠近雷達(dá)處的低層輻合和遠(yuǎn)離雷達(dá)處的高層輻散，有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生、發(fā)展提供有利的動(dòng)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(shí)其周圍有新的單體生成，都伴有氣旋式輻合流場(chǎng)和“逆風(fēng)區(qū)”，單體進(jìn)一步成熟，圖2d為9.9°仰角的對(duì)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(chǎng)，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(dá)站西北側(cè)，可以看出此次多單體風(fēng)暴發(fā)生在鋒面未過境的背景下。此種情況下，由于局地?zé)崃l件、水汽等因素，容易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣，根據(jù)對(duì)流云的情況，多數(shù)產(chǎn)生冰雹。

圖2 2014年7月23日長(zhǎng)春CC雷達(dá)多單體風(fēng)暴徑向速度圖

圖3 35dBZ雷達(dá)反射率因子等值面的三維云結(jié)構(gòu)及40dBZ回波頂高的三維圖

3 多單體風(fēng)暴的三維云特征

冷鋒背景下的多單體風(fēng)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(qiáng)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(dá)反射率因子等值面的三維云結(jié)構(gòu)圖，及對(duì)應(yīng)時(shí)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(nèi)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(fēng)暴具有統(tǒng)一的垂直環(huán)流。云系運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镾W-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(jié)構(gòu)利于底部吸入空氣抬升，使得對(duì)流繼續(xù)發(fā)展和維持。此時(shí)單體B在體積上雖不如A龐大，但其回波頂高度已達(dá)到9km，大于單體A的8km，傾斜和云砧、云洞結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shuō)明該單體開始消亡。分析前一時(shí)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(zhǎng)越來(lái)越重，云內(nèi)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(zāi)情報(bào)告資料，13:00開始降雹，與分析對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)，說(shuō)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(dá)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(gè)新的風(fēng)暴群移出德惠內(nèi)。

3.2 三維水汽條件

多普勒天氣雷達(dá)提供的垂直液態(tài)含水量（VIL）可以直觀顯示風(fēng)暴的水汽含量，也可以用來(lái)判斷對(duì)流強(qiáng)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(dá)到44kg/m2，到12:41分出現(xiàn)明顯躍增現(xiàn)象為 65kg/m2，13:02分?jǐn)?shù)值下降到35 kg/m2，德惠地區(qū)也是在VIL躍增到最大時(shí)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(jìng)爭(zhēng)”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(cè)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(jìn)入“穴道”都經(jīng)歷著循環(huán)運(yùn)行增長(zhǎng)，其軌跡是相互交叉的，因而可以實(shí)現(xiàn)平等“競(jìng)爭(zhēng)”?！把ǖ馈钡拇嬖诤臀恢糜闪鲌?chǎng)特征決定。段英[7]等模擬雹云增長(zhǎng)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(shí)間越長(zhǎng)，可長(zhǎng)成的冰雹越大。可形成大雹的雹胚初始出發(fā)區(qū)與胚胎大小有關(guān)，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(dá)等值面可以看到傾斜結(jié)構(gòu)和入流區(qū)即“云洞”，結(jié)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(shí)機(jī)。作業(yè)部位即在云洞位置，作業(yè)時(shí)機(jī)應(yīng)在降雹之前，選擇回波頂高度較高，云頂起伏明顯的時(shí)刻。同時(shí)多單體雹云每個(gè)單體的成雹方式是獨(dú)立的，冰雹總是在各自的環(huán)流圈內(nèi)運(yùn)行，防雹作業(yè)需要對(duì)每個(gè)單體逐一催化作業(yè)。

5 結(jié)論與討論

本文綜合利用逐小時(shí)地面加密自動(dòng)站觀測(cè)資料、長(zhǎng)春多普勒雷達(dá)探測(cè)資料，對(duì)2014年7月23日發(fā)生在德惠的多單體降雹過程進(jìn)行中尺度和三維云場(chǎng)分析，并對(duì)人工防雹的作業(yè)時(shí)機(jī)和作業(yè)部位進(jìn)行討論，得到如下主要結(jié)論：

該多單體風(fēng)暴在500hPa上呈兩槽一脊形勢(shì)，長(zhǎng)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(zhǎng)春地區(qū)轉(zhuǎn)為受槽后西北氣流控制。此次強(qiáng)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(zāi)害的對(duì)流系統(tǒng)是多單體風(fēng)暴中的兩塊，兩塊單體成熟時(shí)間不同，但具有相同的結(jié)構(gòu)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(qiáng)的風(fēng)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(dá)回波顯示發(fā)生冰雹前云體體積龐大，上寬下窄、嚴(yán)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?yàn)槿斯け⑴咧灰M(jìn)入“穴道”就可以與自然雹胚實(shí)現(xiàn)平等“競(jìng)爭(zhēng)”，因而作業(yè)部位應(yīng)選擇等值體上的“云洞”，作業(yè)時(shí)機(jī)應(yīng)在降雹之前，選擇回波頂高度較高，云頂起伏明顯的時(shí)刻。

盡管本文分析結(jié)果部分揭示了2014年7月23日多單體風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)特征，給出了人工防雹作業(yè)時(shí)機(jī)和作業(yè)部位等一些重要事實(shí)。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(yàn)手段進(jìn)一步研究。