2018年陜西商洛一次罕見強(qiáng)雹暴環(huán)境條件及雷達(dá)特征分析

劉嘉慧敏，鄭 然，梁 綿，張煦庭，婁盼星

(1.陜西省氣象臺，西安 710014；2. 四川省氣候中心，成都 610072；3.陜西省氣象科學(xué)研究所，西安 710014)

冰雹因其具有局地性、突發(fā)性和強(qiáng)烈性等特征，常常給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重危害，一直以來都備受國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。充足水汽、不穩(wěn)定層結(jié)、抬升機(jī)制和合適的0 ℃層高度等是雹暴發(fā)生發(fā)展需要滿足的基本條件[1]。同時，天氣尺度和中小尺度等系統(tǒng)對雹暴有綜合影響，其中天氣尺度系統(tǒng)對其發(fā)展有直接制約和影響作用[2]，故雹暴往往是在一些有利天氣尺度背景條件下發(fā)生發(fā)展起來的[3-4]。

隨著地面加密氣象觀測網(wǎng)的建設(shè)，新一代天氣雷達(dá)成為冰雹等強(qiáng)對流天氣最主要的探測手段[5-7]。鄭媛媛等[8]和俞小鼎等[9]分別對一次雷暴大風(fēng)伴隨冰雹的經(jīng)典超級單體風(fēng)暴雷達(dá)觀測特征和一次伴隨極強(qiáng)龍卷的強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴進(jìn)行了全面深入分析。肖艷姣等[10]在研究一次切變線暴雨中尺度系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)資料時發(fā)現(xiàn)低層切變線上的擾動與地面降水加強(qiáng)關(guān)系密切，切變線上的中尺度輻合線附近往往有中尺度回波形成，是造成暴雨的主要系統(tǒng)。朱君鑒等[11]分析出新一代天氣雷達(dá)的冰雹指數(shù)、中氣旋、垂直積分液態(tài)含水量(VIL)等產(chǎn)品及多普勒特征對冰雹有較好的識別和預(yù)報能力。前人研究表明當(dāng)有強(qiáng)雹暴發(fā)生時，雷達(dá)反射率回波會伴有鉤狀回波、有界弱回波區(qū)、懸垂回波結(jié)構(gòu)和三體散射特征等[12-13]。大量氣象學(xué)者通過收集多年降雹資料和相應(yīng)的雷達(dá)探測資料，建立了超級單體的流場概念模型和中氣旋模型，總結(jié)得出許多本地化預(yù)警指標(biāo)[14-15]。這都為冰雹等災(zāi)害性天氣監(jiān)測和預(yù)警發(fā)揮了重要作用。另外，由于具有對強(qiáng)天氣的識別跟蹤功能，近年來多普勒天氣雷達(dá)提供的VIL產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)80年代末，VIL就應(yīng)用在美國的WSR-88D多普勒雷達(dá)中，成為有效判別降水及其降水潛力、強(qiáng)對流天氣造成的暴雨、暴雪和冰雹等災(zāi)害性天氣使用率較高的工具之一[16]。根據(jù)美國400多個冰雹事件統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，冰雹直徑隨著VIL值增大而增大，VIL在45 kg/m2以上的風(fēng)暴一般可產(chǎn)生1.9 cm以上的冰雹，55 kg/m2以上的一般可產(chǎn)生3 cm以上的冰雹[17]，因此一旦臨界值被確定，可用于判別帶有大冰雹的風(fēng)暴。在國內(nèi)，眾多氣象學(xué)者將VIL值的躍增作為雹暴天氣的預(yù)警指標(biāo)。付雙喜等[18-19]把VIL作為判別冰雹的工具之一，在甘肅人工防雹作業(yè)中進(jìn)行了應(yīng)用。王煒等[20]運(yùn)用VIL對天津地區(qū)的強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行了分析總結(jié)，并利用多元回歸的方法建立了預(yù)報方程。李薇等[21]提出了VIL分層，并對各種天氣上下層的VIL分布進(jìn)行了分析，這些研究在實際應(yīng)用中均取得了不錯的效果。

西北地區(qū)是我國冰雹的多發(fā)區(qū)，據(jù)近41 a的資料統(tǒng)計表明，西北地區(qū)的平均冰雹日數(shù)在0～20 d之間[22]。特別是在1970—2015年期間，西北地區(qū)和青藏高原地區(qū)區(qū)域平均單次降雹持續(xù)時間均呈現(xiàn)顯著的上升趨勢[23]，這無疑給強(qiáng)對流預(yù)報帶來了巨大挑戰(zhàn)。王若升等[24]研究指出在干旱半干旱地區(qū)，“潰變理論”和V-3θ圖預(yù)報工具對冰雹天氣具有一定的預(yù)報能力，可作為短期預(yù)報一個可靠的參考工具，但冰雹的臨近預(yù)報預(yù)警仍然是強(qiáng)對流業(yè)務(wù)中面臨的重要難點和挑戰(zhàn)之一。另外，西北地區(qū)地勢復(fù)雜，對于不同海拔，冰雹在環(huán)境方面的特征及其差異大小、演變機(jī)制仍然不甚清楚，以上這些均是迫切需要解決的問題。

2018年5月15日下午，陜西商洛市商南縣遭受強(qiáng)對流風(fēng)暴的襲擊。強(qiáng)對流開始于14時左右，商南縣持續(xù)40 min左右強(qiáng)降水。14:40—14:55，城區(qū)突降特大冰雹，降雹量大，觀測到的冰雹直徑最大為55 mm，達(dá)近十年之最，實屬罕見，部分站點還出現(xiàn)短時強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)。受強(qiáng)對流天氣影響，據(jù)初步統(tǒng)計，有5 700多戶群眾不同程度受災(zāi)，災(zāi)害造成經(jīng)濟(jì)作物受災(zāi)面積610 hm2，商南直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千萬元。此次強(qiáng)烈雹暴天氣出現(xiàn)在距離商洛雷達(dá)東南側(cè)約100 km。本文通過分析此次強(qiáng)雹暴的發(fā)生發(fā)展演變特征，研究其產(chǎn)生的環(huán)境條件和雷達(dá)特征參數(shù)變化，以期提高陜西強(qiáng)冰雹天氣臨近預(yù)報預(yù)警能力。

1 資料和方法

本文使用的資料：(1)2018年5月15日地面、高空常規(guī)氣象觀測資料，加密觀測資料；(2)NCEP/NCAR逐日4次1°×1°的FNL全球再分析資料；(3)商洛新一代多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品?；谔鞖鈱W(xué)分析、物理量診斷和時滯相關(guān)分析方法，以期總結(jié)預(yù)報著眼點，為此類特殊強(qiáng)對流天氣的預(yù)報提供參考。

2 天氣背景及環(huán)境條件分析

2.1 環(huán)流形勢

此次強(qiáng)雹暴天氣是在大、中尺度天氣系統(tǒng)和中、高緯環(huán)流相互作用的背景下產(chǎn)生的。強(qiáng)雹暴發(fā)生前，15日08時，200 hPa(圖略)上商洛處于急流出口區(qū)左側(cè)，具備有利于強(qiáng)對流發(fā)生發(fā)展的高空輻散條件。500 hPa(圖1a)河套東部有一寬廣的低槽，在陜西中部形成低渦，對應(yīng)-8 ℃冷中心，陜西商洛處于低渦底前部西南氣流中。700 hPa(圖略)商洛處于低空急流左前方，增強(qiáng)低層動力抬升，同時暖濕水汽不斷向這里輸送，商南溫度露點差小于3 ℃，空氣接近飽和。850 hPa(圖略)上商洛為24 h正變溫區(qū)，正好對應(yīng)500 hPa上24 h負(fù)變溫區(qū)，850 hPa與500 hPa溫差達(dá)27 ℃，溫度直減率較大，冷平流疊加在暖平流之上，形成了上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)。同時，850 hPa商洛存在顯著濕區(qū)，商南比濕達(dá)到12 g/kg。

午后14時(圖1b)，500 hPa河套低渦仍然維持，商南處于低渦底部，不斷受到其底部弱冷空氣擾動影響，有利于加大大氣不穩(wěn)定度。地面圖上(圖1c)，陜西大部處于內(nèi)蒙東部氣旋南側(cè)暖區(qū)中，商洛上空并未有明顯的天氣尺度輻合抬升。地面升溫明顯，14時商南站的氣溫已升至31 ℃(圖1d)，表明不穩(wěn)定能量在不斷積累，低層強(qiáng)烈加熱和高空干冷大氣使得上空不穩(wěn)定層結(jié)加劇。

圖1 2018-05-15 500 hPa形勢場(實線為等高線，單位為dagpm；虛線為等溫線，單位為℃；a 08時,b 14時)、海平面氣壓場(c 14時，單位為hPa)和商南站氣溫逐時演變(d)(黑色實心圓為商南位置)

2.2 環(huán)境條件

2.2.1 不穩(wěn)定條件 大氣穩(wěn)定度和熱力條件對雷暴能否發(fā)展有著十分重要的作用。由于商洛站沒有探空資料，選取08時距其最近的盧氏站(商南東北側(cè)，距離商南站約100 km)探空資料(圖2a)可見，近地面存在逆溫，有利于進(jìn)一步加聚不穩(wěn)定能量的積累。從風(fēng)暴各項對流參數(shù)來看，08時K指數(shù)、SI指數(shù)已分別達(dá)到41 ℃和-5.48 ℃，(K>32 ℃，SI指數(shù)在-4～0 ℃之間)，850 hPa與500 hPa假相當(dāng)位溫差為-17.07 ℃，均指示大氣具有較強(qiáng)的不穩(wěn)定性。CAPE值為378 J/kg，雖然強(qiáng)度不大，但根據(jù)實況午后商洛站氣溫升高至31.6 ℃，將其對08時探空資料進(jìn)行訂正后，CAPE驟增至2 626.4 J/kg。同時從14時850 hPa與500 hPa溫度差分布(圖2b)可見，商南地區(qū)二者溫差可達(dá)30 ℃以上，說明白天的熱力不穩(wěn)定性顯著增大，有利于對流發(fā)展。反映動力條件的最大上升速度達(dá)到28 m/s，強(qiáng)烈持久的上升氣流對產(chǎn)生冰雹非常有利。前人研究指出，發(fā)展旺盛的雹暴多出現(xiàn)在中等到強(qiáng)的垂直風(fēng)切變環(huán)境下，08時盧氏站0～6 km垂直風(fēng)切變強(qiáng)度為14 s-1，為中等強(qiáng)度，且700～300 hPa風(fēng)向幾乎一致，有利于積雨云的上升氣流和下沉氣流變成有組織的兩股對峙的傾斜上升氣流和下沉氣流，形成持久的組織化風(fēng)暴。另外，強(qiáng)冰雹的產(chǎn)生還需要有合適的0 ℃層和-20 ℃層高度。08時0 ℃層高度為4.3 km，-20 ℃層高度為7.5 km，這也為冰雹的生長提供了非常有利的環(huán)境條件。

2.2.2 水汽和動力條件 水汽是強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展的重要條件。從850 hPa水汽通量及其散度場(圖3)上可以看出，強(qiáng)雹暴發(fā)生前，08時(圖3a)水汽主要是從孟加拉灣經(jīng)云貴高原向江淮地區(qū)輸送，商洛大部水汽通量散度輻合不強(qiáng)。到了14時(圖3b)，水汽通道偏北分量增強(qiáng)，商洛水汽通量輻合強(qiáng)度迅速增大，輻合中心值達(dá)-3×10-5g/(cm2·hPa·s)以上，水汽條件較08時明顯轉(zhuǎn)好。

圖2 2018-05-15T08 盧氏站探空圖(a)、2018-05-15T14 850 hPa與500 hPa溫度差(b,單位為℃)

圖3 2018-05-15 850 hPa水汽通量(箭頭，單位為g/(cm·hPa·s)；陰影為散度，單位為10-5 g/(cm2·hPa·s)；黑色實心圓為商南位置；a 08時，b 14時)

從強(qiáng)雹暴區(qū)(33.4°N)垂直速度的高度-經(jīng)度垂直剖面(圖4)可以看出，14時強(qiáng)雹暴發(fā)生區(qū)上空幾乎整層為一致上升運(yùn)動(除500 hPa附近呈弱下沉運(yùn)動)，最大上升運(yùn)動區(qū)在700～600 hPa之間，垂直上升速度可達(dá)-40 Pa/s以上，強(qiáng)雹暴發(fā)生前動力條件非常好。同時，注意到在近地面層也存在很強(qiáng)的上升運(yùn)動，這對強(qiáng)雹暴的觸發(fā)提供非常有利的條件。

圖4 2018-05-15T14垂直速度沿緯向剖面33.4°N剖面(單位為Pa/s)

2.3 近地面層觸發(fā)條件

以上分析表明商南上空熱力條件和不穩(wěn)定條件較好，具有很好的對流發(fā)生發(fā)展的環(huán)境和產(chǎn)生冰雹的潛勢，而強(qiáng)對流的發(fā)生發(fā)展需要外強(qiáng)迫觸發(fā)。從地面加密資料(圖5a)分析來看，在強(qiáng)冰雹發(fā)生前，午后太陽直射山區(qū)增溫明顯，14時商南地區(qū)大部地面氣溫迅速升至30 ℃以上，由于海拔相對周邊較高，植被較少，太陽輻射強(qiáng)，商南中部氣溫達(dá)到最大，中心值達(dá)32 ℃以上。從商南站08—14時24 h變溫演變(圖5b)來看，由于夜間輻射冷卻作用，商南上空大氣出現(xiàn)明顯逆溫，08時商南站相較前一日08時氣溫偏高5 ℃。此后隨著太陽輻射加強(qiáng)，逆溫逐漸減弱消失，但商南站24 h變溫仍呈正值，特別是在13—14時24 h變溫存在小幅度回升，表明雷暴發(fā)生前局地增溫顯著，這將加速不穩(wěn)定能量積累。

結(jié)合商南地區(qū)12—14時逐小時風(fēng)場(圖6a-c)和08—14時商南站3 h變壓演變(圖6d)來看，09時商南站3 h變壓呈弱上升，之后顯著下降。在12時商南中部就存在一條地面輻合線，隨著3 h變壓不斷下降，13時商南中部的地面輻合線仍穩(wěn)定維持。到了14時，商南站3 h變壓降至最低，達(dá)-1.8 hPa，輻合線兩側(cè)1 h風(fēng)速也明顯加強(qiáng)，氣流輻合強(qiáng)度加大，因而在該地面輻合線輻合最強(qiáng)的青油河一帶觸發(fā)了對流風(fēng)暴A生成，配合高空引導(dǎo)氣流沿輻合線東移，并迅速加強(qiáng)發(fā)展為超級單體。該地面中尺度輻合線較強(qiáng)對流發(fā)生前2 h左右就已存在，之后兩側(cè)風(fēng)速加強(qiáng)，氣流輻合強(qiáng)度加強(qiáng)，從而觸發(fā)了對流不穩(wěn)定能量的釋放，產(chǎn)生強(qiáng)對流。

圖5 2018-05-15T14時商南地區(qū)氣溫(a，單位為℃)、08—14時商南站24 h變溫演變(b)

圖6 2018-05-15商南地區(qū)12時(a)、13時(b)、14時(c)風(fēng)場分布(單位：m/s，五角星為風(fēng)暴A初生地)、08—14時商南站3 h變壓演變(d)

3 地形作用

強(qiáng)風(fēng)暴的形成與發(fā)展和局地地形有重要關(guān)系。商南境內(nèi)地勢西南部和北部較高，中東部較低，呈掌狀扇形向東南方傾斜的“喇叭口”地形，偏南暖濕氣流所帶來的水汽和熱量在西部迎風(fēng)坡堆積，導(dǎo)致其上空對流不穩(wěn)定性增強(qiáng)，中尺度輻合線附近出現(xiàn)小尺度擾動。陳雙等[25]進(jìn)行復(fù)雜地形條件下雷暴下山增強(qiáng)機(jī)制研究表明，由于地形抬高了冷池出流高度，冷池出流疊加在低層暖空氣之上使對流不穩(wěn)定增強(qiáng)，同時冷池出流形成的負(fù)渦度與低層切變產(chǎn)生的正渦度達(dá)到近似平衡狀態(tài)，有利于雷暴的下山增強(qiáng)。這在圖7得以驗證，風(fēng)暴A在清油河一帶生成(如圖7a)，該處地勢海拔相較四周高，之后風(fēng)暴A沿輻合線下山向商南城區(qū)移動，隨著地勢逐漸降低，風(fēng)暴A組合反射率(CR)不斷增大(圖7b)，強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，直至下山至河谷地帶(14:12附近)，CR增至最大，達(dá)到68 dBz。加之午后顯著升溫，在不穩(wěn)定層結(jié)和較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變作用下迅速發(fā)展為強(qiáng)雹暴，可見地形的下坡有利于風(fēng)暴A的加強(qiáng)發(fā)展。

圖7 商南地形分布(a，五角星為風(fēng)暴A初生地)、2018-05-15風(fēng)暴A下山時段組合反射率隨時間演變(b)

4 風(fēng)暴演變過程中的雷達(dá)回波分析

強(qiáng)對流天氣具有尺度小、突發(fā)性等特點，在大尺度分析和預(yù)報中，很難準(zhǔn)確把握局地強(qiáng)對流天氣的發(fā)生和發(fā)展。前文分析指出，本次商洛市商南縣強(qiáng)對流受高空天氣尺度系統(tǒng)影響外，受到下墊面局地?zé)崃蛣恿l件的影響更為關(guān)鍵。以下進(jìn)一步探討雷暴發(fā)展中雷達(dá)回波演變特征。

4.1 風(fēng)暴演變過程

由地面輻合線觸發(fā)的風(fēng)暴A生成后不斷加強(qiáng)發(fā)展東移，同時受到出流邊界的影響，在風(fēng)暴A移動前側(cè)不斷有新雷暴生成。由圖8可見，14:18風(fēng)暴A超過55 dBz的回波面積較前一時次明顯增大，鉤狀回波已初步形成。14:24強(qiáng)回波面積繼續(xù)增大，回波中心強(qiáng)度已達(dá)60 dBz。14:29風(fēng)暴A回波的鉤狀結(jié)構(gòu)已非常明顯，對應(yīng)后側(cè)入流，回波中心強(qiáng)度已達(dá)65 dBz，此時商南地區(qū)還未開始降雹。14:35風(fēng)暴A中心最大強(qiáng)度達(dá)65 dBz以上，最大反射率因子面積較前一時次明顯加大，風(fēng)暴迅速發(fā)展，同時伴隨明顯的三體散射長釘，已發(fā)展為超級單體風(fēng)暴，商南城區(qū)附近已出現(xiàn)降雹，其北側(cè)有B、C對流單體生成。之后風(fēng)暴A三體散射特征繼續(xù)維持，回波中心強(qiáng)度并無衰減，中心強(qiáng)度最大依舊為65 dBz以上，14:41雹云回波頂高達(dá)12 km，鉤狀回波特征明顯，風(fēng)暴A強(qiáng)度達(dá)到最大，發(fā)展相當(dāng)旺盛，城區(qū)降大冰雹。此時，風(fēng)暴A北側(cè)的B、C對流單體迅速加強(qiáng)發(fā)展，C對流單體最大反射率因子較前一時刻驟增至50 dBz，并逐漸與B單體合并。14:46二者合并后中心回波強(qiáng)度迅速升至60 dBz以上，這造成了商南北部曹營站短時強(qiáng)降水，10 min降水量達(dá)9.4 mm。直至14:58風(fēng)暴A東移移出商南境內(nèi)(圖略)，至此商南境內(nèi)降雹結(jié)束。在速度圖上(圖9)，14:29對應(yīng)風(fēng)暴A鉤狀回波處可以明顯看到一支后側(cè)入流，其與出流氣流形成氣旋性旋轉(zhuǎn)的正負(fù)速度對，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)20 m/s。14:35入流徑向速度加大，氣旋性旋轉(zhuǎn)輻合加強(qiáng)，中心旋轉(zhuǎn)速度增至25 m/s，表明風(fēng)暴A中上升氣流開始加強(qiáng)，呈類似中氣旋特征，維持了兩個體掃，同時伴有明顯的三體散射特征。之后，14:58風(fēng)暴A入流強(qiáng)度明顯減弱，旋轉(zhuǎn)速度強(qiáng)度減小，三體散射特征消失，風(fēng)暴A移出商南境內(nèi)。

綜上可見，造成商南強(qiáng)冰雹的對流風(fēng)暴正是強(qiáng)對流風(fēng)暴A，中心最大反射率因子長時間維持，整個降雹過程持續(xù)了約20 min。在此期間，對流層平均層風(fēng)向為西南向，風(fēng)暴A的移動風(fēng)向介于雷暴傳播方向與平均層風(fēng)向之間。

圖8 2018-05-15商洛雷達(dá)1.5°仰角的反射率因子分布

圖9 2018-05-15商洛雷達(dá)1.5°仰角的基本速度分布

4.2 風(fēng)暴垂直結(jié)構(gòu)

為了深入分析風(fēng)暴A的發(fā)展演變，在風(fēng)暴A發(fā)展旺盛時段進(jìn)行剖面，分析風(fēng)暴A的垂直結(jié)構(gòu)。由圖10可見，在反射率因子剖面圖上，可以清楚地看到風(fēng)暴A存在回波穹窿，與低層鉤狀回波入流缺口的有界弱回波區(qū)相對應(yīng)，說明有強(qiáng)上升氣流存在。風(fēng)暴前側(cè)對應(yīng)著明顯回波懸垂，且中層回波中心超過65 dBz，55 dBz回波高度伸展9～12 km，遠(yuǎn)高于當(dāng)天-20 ℃層高度(7.6 km)，甚至-30 ℃層的高度(9 km)，說明在冰雹增長層-30～-10 ℃存在豐富的過冷卻水滴，非常有利于大冰雹的產(chǎn)生。從徑向速度垂直剖面可以看到，在風(fēng)暴入流一側(cè)存在一支很強(qiáng)的斜升氣流，并從上部流出，這支強(qiáng)烈的上升氣流為風(fēng)暴輸送水汽，維持風(fēng)暴的發(fā)展，并且其托舉作用能夠使小冰粒長成大冰雹；另外有一支干冷的下沉氣流從風(fēng)暴后部中層流入，從風(fēng)暴的底部流出，形成地面雷暴高壓和冰雹落區(qū)。前側(cè)強(qiáng)上升和后側(cè)下沉氣流錯開，互不妨礙又相互促進(jìn)，這是風(fēng)暴流場自組織的一種機(jī)制或自維持結(jié)構(gòu)，兩股氣流在3 km附近強(qiáng)烈輻合，有利于強(qiáng)上升氣流發(fā)展。從垂直液態(tài)積分水含量(VIL)來看(圖11)，剛開始降雹時風(fēng)暴A 中VIL中心已迅速增至65 kg/m2，在風(fēng)暴A發(fā)展最強(qiáng)盛時中心強(qiáng)度增至70 kg/m2，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過商洛地區(qū)冰雹預(yù)報指標(biāo)，表明降大冰雹的可能性很大。

進(jìn)一步，圖12給出了商南站上空風(fēng)暴A在發(fā)展最強(qiáng)時刻(14:46)反射率因子垂直分布廓線，以及商南站上空22 min(14:24—14:46)平均反射率因子垂直分布廓線。由于商南站距離商洛雷達(dá)有近100 km，因而在雷達(dá)0.5°仰角上商南站最低探測到的回波高度為2.4 km。由圖可見，在風(fēng)暴A發(fā)展最強(qiáng)時刻(14:46)，反射率因子在垂直方向上呈先增大后減小分布。在低層反射率因子已達(dá)45 dBz以上，隨著高度增加回波強(qiáng)度繼續(xù)增大，在7 km附近存在回波極大值，最大反射率因子達(dá)65 dBz以上，之后回波強(qiáng)度開始減小，直至18.3 km高度處，反射率因子仍有13 dBz，可見風(fēng)暴A發(fā)展是相當(dāng)旺盛的。從商南站上空22 min平均反射率因子垂直分布廓線來看，其分布型與前者基本一致，在7 km附近也存在回波極大值區(qū)，回波強(qiáng)度達(dá)到近60 dBz，回波伸展高度高，表明強(qiáng)風(fēng)暴A發(fā)展迅速，維持時間較長。

圖10 2018-05-15T14:46商洛雷達(dá)反射率因子(a，沿雷達(dá)徑向128°)、徑向速度(b，沿雷達(dá)徑向115°，箭頭代表氣流方向)剖面

圖11 2018-05-15商洛雷達(dá)垂直液態(tài)積分水含量(a 14:41,b 14:46)

圖12 2018-05-15T14:46商南站上空反射率因子垂直分布廓線(實線)、2018-05-15T14:24—14：46平均反射率因子垂直分布廓線(虛線)

5 強(qiáng)風(fēng)暴特征參數(shù)演變

前文分析表明，隨著強(qiáng)雹暴的迅速發(fā)展，其各項特征指數(shù)呈現(xiàn)出獨有的特征。其中，由大量觀測實踐驗證，VIL躍增對大冰雹有較好的指示作用。由圖13可以看出，隨著最大反射率因子(DBZM下簡稱Zm)增大，VIL也在增大。出現(xiàn)冰雹之前，VIL值有兩次明顯的躍增。13:38風(fēng)暴發(fā)展初期VIL僅為2 kg/m2，此時風(fēng)暴高度還不到3 km，經(jīng)過5個體掃后VIL值迅速增至56 kg/m2，風(fēng)暴頂高度迅速向上伸展至9 km。經(jīng)過一個體掃后風(fēng)暴VIL值又迅速增至70 kg/m2，反映了云體內(nèi)冰雹粒子在生長區(qū)正迅速碰并長大。此后VIL值緩慢增長，維持在70～80 kg/m2，風(fēng)暴發(fā)展高度達(dá)到10～12 km，雹云發(fā)展非常旺盛，雹云內(nèi)的冰粒已經(jīng)充分長大，對應(yīng)商南地區(qū)特大冰雹。直至15:00左右，VIL值突然下降到60 kg/m2，云內(nèi)水汽含量急劇下降，商南降雹趨于結(jié)束。由此可見，降雹前約10～15 min，商南地區(qū)VIL值一個體掃內(nèi)躍增量達(dá)20 kg/m2，這為冰雹的預(yù)警提供了有價值的信息。而VIL值出現(xiàn)多次躍增是由于雹塊降落后上升氣流又占據(jù)主導(dǎo)地位，使得生長區(qū)較小的冰雹得到進(jìn)一步增長，使VIL值有所增大，這也是雹云得以長時間維持的重要原因。

近幾年有研究指出，相較于VIL，VIL密度的演變更能細(xì)致地反映雹云的快速增長過程。Amburn and Wolf[26]定義VIL密度為VIL與風(fēng)暴頂高度之比，以提醒預(yù)報員大冰雹與周圍氣塊的特性密切相關(guān)，VIL密度增大時，冰雹核會增大，風(fēng)暴變得更劇烈，并指出90%雹暴的VIL密度≥3.5 g/m3，而幾乎所有VIL密度≥4.0 g/m3的風(fēng)暴都會產(chǎn)生直徑≥2 cm的冰雹。Hart[27]等證實了VIL密度對預(yù)報大冰雹天氣有較好的指示作用。目前國內(nèi)也有不少氣象工作者通過分析VIL密度躍增的閾值來作為大冰雹的臨近預(yù)報指標(biāo)[28-29]，但其與VIL在極端強(qiáng)雹暴發(fā)展演變過程中的具體對比和判據(jù)優(yōu)勢研究較少，在西北地區(qū)強(qiáng)對流天氣中的應(yīng)用研究也相對較少。就此次過程，本文發(fā)現(xiàn)伴隨VIL值兩次明顯的躍增，VIL密度變化幾乎與之同步(圖13)。第一次躍增時VIL密度達(dá)到6.1 g/m3，略有減弱后又迅速增至7.2 g/m3，達(dá)到最大，此后VIL密度維持在7 g/m3左右，直至降雹結(jié)束而減弱。本文在風(fēng)暴A整個發(fā)展演變過程(13:38—16:41)中將VIL和VIL密度分別與最大反射率因子Zm做時滯相關(guān)(圖14)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在同期時，二者均與Zm呈顯著正相關(guān)關(guān)系，VIL與Zm相關(guān)系數(shù)達(dá)0.88，略高于VIL密度與Zm相關(guān)系數(shù)。而在提前6 min、12 min、18 min、24 min時，雖然二者與Zm相關(guān)系數(shù)均在減小，但VIL密度與Zm相關(guān)性明顯要高于VIL與Zm相關(guān)性，即在超前不同時刻，VIL密度與Zm的相關(guān)系數(shù)都高于后者。特別是在提前24 min時，VIL密度與Zm的相關(guān)系數(shù)為0.45，仍通過了0.01信度檢驗，這表明相較VIL的躍增，VIL密度的變化能更好地提前指示大冰雹，可作為商南大冰雹一個超前的顯著預(yù)警指標(biāo)。由于此次突降大冰雹在商南地區(qū)較為罕見，前人總結(jié)的商洛地區(qū)冰雹各項潛勢預(yù)報指標(biāo)具有一定局限性，因而可用VIL密度值明顯躍增至5.5 g/m3提前24 min預(yù)警大冰雹。

為了進(jìn)一步驗證VIL密度閾值的預(yù)警效果，選取了陜西2015年以來不同強(qiáng)度的冰雹過程。由表1可見，對于不同強(qiáng)度的的冰雹過程，雹暴最大反射率因子幾乎都超過60 dBz，VIL值幾乎都超過45 kg/m2，VIL密度幾乎均在5.0 g/m3以上。特別是對于佳縣和安塞的大冰雹過程，最大VIL密度均超過6.0 g/m3，對于清澗和神木中等強(qiáng)度冰雹過程，最大VIL值分別僅為31 kg/m2和34 kg/m2，VIL密度卻有很好的指示作用。因此，VIL密度躍增對于不同強(qiáng)度的冰雹過程有較好的指示作用。同時，可結(jié)合強(qiáng)風(fēng)暴反射率因子中心值超過60 dBz，VIL值超過45 kg/m2加以補(bǔ)充和完善陜西冰雹預(yù)警指標(biāo)。

圖13 風(fēng)暴A的VIL、VIL密度、回波頂高度(TOP)、最大反射率因子(DBZM)隨時間的演變

圖14 風(fēng)暴A的VIL、VIL密度與最大反射率因子同時刻、超前相關(guān)系數(shù)

6 結(jié)論與討論

(1)此次發(fā)生在商南地區(qū)的強(qiáng)冰雹天氣，其有利的環(huán)境背景是500 hPa河套東部低槽與地面氣旋暖區(qū)相配置，上下層熱力平流的差異使原來上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)更加不穩(wěn)定，加強(qiáng)了地面輻合以及不穩(wěn)定能量的積累。地面中尺度輻合線的加強(qiáng)觸發(fā)了對流，高空急流的強(qiáng)輻散作用有利于低層的輻合上升運(yùn)動，較強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變使得對流云團(tuán)發(fā)展成超級單體風(fēng)暴。

表1 2015-2017年陜西6次冰雹天氣過程雷達(dá)參數(shù)特征

(2)有利的地形、地面中尺度輻合線的動力抬升作用是超級單體風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展和維持的重要原因。

(3)此次強(qiáng)對流風(fēng)暴發(fā)展迅速，中心最大反射率因子長時間維持在65 dBz以上，呈鉤狀回波，并伴有三體散射長釘。雹暴發(fā)展非常旺盛，最大VIL值高達(dá)77 kg/m2，回波伸展高度至12 km左右，遠(yuǎn)超過當(dāng)天-20 ℃高度，冰雹增長層存在豐富的過冷卻水滴，有利于大冰雹的產(chǎn)生。強(qiáng)雹暴在3 km附近強(qiáng)烈輻合，中心存在氣旋性旋轉(zhuǎn)的正負(fù)速度對，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)25 m/s，有利于強(qiáng)上升氣流發(fā)展。

(4)VIL值和VIL密度的躍增可用作大冰雹的預(yù)警指標(biāo)，但相較VIL的躍增，VIL密度的變化能更好地提前指示大冰雹，可用VIL密度值明顯躍增至5.5 g/m3提前24 min預(yù)警大冰雹，作為商南大冰雹一個超前的顯著預(yù)警指標(biāo)。同時，可結(jié)合強(qiáng)風(fēng)暴反射率因子中心值超過60 dBz，VIL值超過45 kg/m2補(bǔ)充完善預(yù)警指標(biāo)，進(jìn)一步提升陜西冰雹預(yù)警能力。

(5)值得注意的是，商洛地區(qū)地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此次大冰雹過程罕見，突發(fā)性、致災(zāi)性很強(qiáng)，本文對于地形對強(qiáng)風(fēng)暴影響的分析，只給出了初步定量分析，后期有待進(jìn)一步深入研究。