一次致災(zāi)雹暴大氣垂直結(jié)構(gòu)、閃電活動(dòng)及雷達(dá)回波特征分析

黃 鈺，李 皓，曹 水

(1.貴州省冰雹防控技術(shù)工程中心，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550081；3.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

新一代多普勒天氣雷達(dá)能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)云體結(jié)構(gòu)和發(fā)展演變，是目前強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)重要的工具之一[1-2]。很多研究都表明多普勒雷達(dá)回波強(qiáng)度和回波頂高度的變化、垂直積分液態(tài)水含量等都對(duì)冰雹有很好的識(shí)別作用，并且在出現(xiàn)大冰雹之前雷達(dá)回波會(huì)出現(xiàn)諸如入流缺口、V型缺口、指狀回波等形態(tài)特征[3-6]。除了雷達(dá)資料，也有不少研究者結(jié)合探空資料的特征參數(shù)區(qū)分不同的強(qiáng)對(duì)流天氣類型，并且發(fā)現(xiàn)冰雹、雷暴大風(fēng)一般伴隨著較大的垂直風(fēng)切變，0 ℃與-20 ℃層高度明顯低于暴雨過(guò)程，同時(shí)850 hPa與500 hPa溫差也較大，但是由于各地環(huán)境條件不一，不同類型的冰雹過(guò)程之間也存在差異[7-8]。俞小鼎提出對(duì)流層中層如果有較大干層存在則會(huì)降低冰雹融化層高度，并且直接導(dǎo)致大冰雹的產(chǎn)生[9]。貴州屬于中低緯度高原，典型的喀斯特山地氣候，由于地形因素導(dǎo)致雷達(dá)探測(cè)盲區(qū)的問(wèn)題始終存在。閃電定位系統(tǒng)安裝靈活，探測(cè)精度高，能彌補(bǔ)因山脈阻擋造成的雷達(dá)掃描盲區(qū)。閃電資料對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣有一定的指示作用[10-11]，并且在不同類型的天氣過(guò)程中體現(xiàn)出不同閃電活動(dòng)特征，因不同地理位置、氣象條件和海拔高度均可能引起放電特征的差異[12-15]。本文將雷達(dá)、閃電及探空等多種探測(cè)資料結(jié)合起來(lái)，對(duì)2018年貴州省境內(nèi)一次超級(jí)單體引起的降雹過(guò)程(最大降雹粒徑為5 cm)進(jìn)行垂直結(jié)構(gòu)、閃電活動(dòng)特征分析,以彌補(bǔ)單一資料的不足，并嘗試為強(qiáng)冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 雹暴實(shí)況及垂直結(jié)構(gòu)分析

1.1 降雹分布

2018年4月4日傍晚，貴州北部和西南部分別受到單體雹暴的影響，產(chǎn)生多次降雹，為方便分析，將影響貴州北部的單體命名為單體A，影響貴州西南部的單體命名為單體B。15時(shí)07分單體A從云南鎮(zhèn)雄自西向東移動(dòng)進(jìn)入貴州北部畢節(jié)市境內(nèi)，隨后一路東移，經(jīng)過(guò)貴州畢節(jié)的大方縣、金沙縣和遵義的播州區(qū)，期間產(chǎn)生多次降雹，最大降雹粒徑達(dá)50 mm(畢節(jié)、金沙、嵐頭)。15時(shí)08分，單體B在貴州西南部黔西南州興仁縣境內(nèi)生成初始回波，自西向東偏北移動(dòng)，最后移入安順境內(nèi)，期間產(chǎn)生降雹記錄8次，影響黔西南興仁縣、貞豐縣和安順鎮(zhèn)寧縣，其中最大冰雹直徑達(dá)20 mm(黔西南、貞豐、長(zhǎng)田)，降雹、短時(shí)強(qiáng)降水及閃電分布如下圖1所示，降雹情況詳見(jiàn)表1。

表1 2018年4月4日貴州降雹概況
Tab.1Overview of Hail(2018.04.04)

雹暴降雹區(qū)域所屬縣冰雹出現(xiàn)時(shí)間冰雹直徑/mm雹暴A(畢節(jié)—遵義)長(zhǎng)石大方16∶5030果瓦大方17∶0115太平金沙17∶1530爛壩金沙17∶2310～15太平金沙17∶2520金塔金沙17∶3310～20平壩金沙17∶3320桂花金沙17∶3510大山大方17∶4010金沙縣城金沙17∶5336龍壩金沙18∶1230茶園金沙18∶3015安底金沙18∶3235嵐頭金沙18∶3350木孔金沙18∶4810沙土金沙18∶5012荀江播州區(qū)18∶565三合播州區(qū)19∶005尚嵇播州區(qū)19∶255團(tuán)溪播州區(qū)19∶465回籠習(xí)水20∶553雹暴B(黔西南—安順)潘家莊興仁17∶403大山興仁17∶403回龍興仁17∶5612長(zhǎng)田貞豐18∶0520平街貞豐18∶115北盤江貞豐18∶255良田鎮(zhèn)寧19∶005六馬鎮(zhèn)寧19∶115

1.2 大氣垂直結(jié)構(gòu)分析

該次過(guò)程單體A由云南入貴州境內(nèi)并一路向東發(fā)展，單體B則由黔西南地區(qū)生成，省內(nèi)探空威寧站靠近云南，貴陽(yáng)站位于貴州中部地區(qū)，故結(jié)合貴陽(yáng)、威寧兩地探空資料進(jìn)行分析。一般研究結(jié)果均認(rèn)為較大的CAPE值、較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變、0 ℃層高度適宜，容易產(chǎn)生大冰雹。當(dāng)日的探空資料及相關(guān)計(jì)算參量見(jiàn)表2、圖2。從低層到高層的垂直溫度遞減率大，增大了層結(jié)的不穩(wěn)定性，08時(shí)威寧的CAPE值并不顯著，但隨著午后氣溫上升，用地面14時(shí)溫度進(jìn)行訂正后，威寧站對(duì)流有效位能CAPE達(dá)到2 195 J/kg、貴陽(yáng)站達(dá)到2 323 J/kg，不穩(wěn)定能量十分有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)展。冰雹天氣發(fā)生的0 ℃、-20 ℃層區(qū)域?yàn)檫^(guò)冷水累積區(qū)，當(dāng)兩者之間厚度越小時(shí)，過(guò)冷水濃度越大，越有利于冰雹的形成，當(dāng)日兩站探空得到干球0 ℃層(英文縮寫DBZ)的高度均在4.5 km左右，600 hPa附近，干球-20 ℃層高度均在7 km上下，400 hPa附近，這種高度適于冰雹生長(zhǎng)。同時(shí)兩處在700 hPa附近均存在逆溫層，并且低層風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，為暖平流；中層風(fēng)向(500～700 hPa)隨高度逆轉(zhuǎn),為冷平流，深層(0～6 km)風(fēng)矢量差分別為12.8 m/s、14.6 m/s，存在一定強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變，有組織成較強(qiáng)的多單體或者超級(jí)單體的條件。從水汽分布來(lái)看，兩站點(diǎn)大致呈上干下濕的狀態(tài)，并且中層均為明顯干層，干冷空氣被夾卷進(jìn)入下沉氣流，使得冰雹在該層表面溫度會(huì)降到0 ℃以下而重新凍結(jié)，直到降落到大約濕球溫度0 ℃層(英文縮寫WBZ)附近冰雹才開(kāi)始真正的融化[9]，通過(guò)估算冰雹融化層溫度，均比干球溫度 0 ℃層低了0.6 km、1.7 km左右，顯著的降低了冰雹的融化層高度。此外，干空氣的侵入還會(huì)進(jìn)一步降低WBZ和地面間的平均溫度，這是因?yàn)樵趯?duì)流中層產(chǎn)生了更強(qiáng)更冷的下沉氣流，使得冰雹在下落過(guò)程中更不容易融化，這可能是此次超級(jí)單體引起了大冰雹產(chǎn)生的原因之一。

表2 探空資料特征參量(2018-04-04 08時(shí))Tab.2 Partial Sounding data(2018-04-04 0800)

注：Shear 代表0～6 km風(fēng)矢量差，表征垂直風(fēng)切變，0 km采用高空觀測(cè)最低層值，3 km采用鄰近700 hPa觀測(cè)值，6 km采用鄰近500 hPa觀測(cè)值；ΔT85為500 hPa和850 hPa溫差，威寧海拔較高，以高空觀測(cè)最低層值；ΔT75為500 hPa和700 hPa溫差。

圖2 4月4日08時(shí)威寧(左)和貴陽(yáng)(右)T-lnP圖Fig.2 T-lnp diagram of Weining (left) and Guiyang (right) (2018.04.04 08∶00)

2 多普勒雷達(dá)資料分析

2.1 雷達(dá)回波強(qiáng)度及發(fā)展高度

對(duì)于單體A，初始發(fā)展時(shí)刻回波中強(qiáng)度為25 dBz，回波頂高超8 km，回波自西向東以約35 km/h的移速不斷移動(dòng)增強(qiáng)，雷達(dá)回波頂高增高，回波中心強(qiáng)度增大，45 dBz及以上強(qiáng)度回波面積增大。圖3a給出了雹暴A16時(shí)12分—19時(shí)57分之間0 dBz、45 dBz發(fā)展高度及回波最大強(qiáng)度隨時(shí)間的演變，降雹之前最大回波強(qiáng)度有躍增，降雹前維持62.5 dBz較長(zhǎng)時(shí)間，并在整個(gè)降雹階段都維持高值，45 dBz回波高度在降雹階段維持在8 km以上，超過(guò)了-20 ℃層高度，在降雹結(jié)束后呈明顯下降趨勢(shì)。回波頂高在降雹階段保持高值，隨降雹后明顯回落，在17時(shí)45分接近20 km，說(shuō)明對(duì)流十分旺盛，此時(shí)正好對(duì)應(yīng)地面最大粒徑降雹(嵐頭，50 mm)。結(jié)合圖3b可以看到，單體呈現(xiàn)顯著的“V”缺口特征，對(duì)流單體已發(fā)展為十分成熟的冰雹云，而雹暴A最早引起降雹是在16時(shí)50分，粒徑達(dá)30 mm，這與旺盛的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，較大的CAPE、垂直風(fēng)切變，融化層高度(WBZ)較低均有密不可分的關(guān)系。對(duì)于單體B，回波自西向東北移動(dòng)，移速約為40 km/h，圖3c給出了雹暴B17時(shí)00分—19時(shí)15分之間0 dBz、45 dBz發(fā)展高度及回波最大強(qiáng)度隨時(shí)間的演變，降雹之前最大回波強(qiáng)度也存在躍增，回波強(qiáng)度超過(guò)了60 dBz，并在整個(gè)降雹階段維持，回波頂高在降雹階段維持在8 km以上，也是超過(guò)-20 ℃層高度，45 dBz回波高度在降雹階段維持在6 km以上，最大降雹點(diǎn)(20 mm)發(fā)生時(shí)間也對(duì)應(yīng)著最強(qiáng)的回波發(fā)展，但是較雹暴A而言，對(duì)流發(fā)展相對(duì)較弱。整體上兩個(gè)單體的大面積強(qiáng)回波中心所處高度均在6 km左右，均對(duì)應(yīng)對(duì)流中層干層，大量的過(guò)冷水累積區(qū)。

圖3 雹暴A 16時(shí)12分—19時(shí)57分0 dBz、45 dBz發(fā)展高度及回波最大強(qiáng)度隨時(shí)間的演變(a)；16時(shí)44分畢節(jié)雷達(dá)探測(cè)出的“V”型缺口(b)；雹暴B 16時(shí)48分—19時(shí)15分0 dBz、45 dBz發(fā)展高度及回波最大強(qiáng)度隨時(shí)間的演變(c)Fig.3 Evolution of 0 dBz, 45 dBz development height and maximum echo intensity of hailstorm A(16∶12—19∶57) (a); "V" notch detected by bijie radar(16∶44) (b); Evolution of 0 dBz, 45 dBz development height and maximum echo intensity of hailstorm B(16∶48—19∶15)(c)

2.2 垂直液態(tài)水含量及垂直液態(tài)水含量密度

垂直液態(tài)水含量VIL的閾值會(huì)隨著地形、季節(jié)、個(gè)例特性的變化而改變，Amburn[16]提出垂直累積液態(tài)含水量密度 VILD，即垂直累積液態(tài)水含量與回波頂高度之比，經(jīng)過(guò)大量個(gè)例研究得出當(dāng)VILD值>3.5 g/m3對(duì)應(yīng)強(qiáng)冰雹的可能性為90%，如果VILD超過(guò)4 g/m3，一般會(huì)產(chǎn)生直徑超過(guò)20 mm的大冰雹。劉曉璐等也發(fā)現(xiàn)VILD、VIL的演變特征對(duì)于冰雹云的形成與衰減有較好的指示作用[17]。由圖4可知，此次過(guò)程雹暴A、B在降雹前VIL、VILD都存在著明顯的躍增，VILD峰值分別靠近10 g/m3及5 g/m3，均大于4 g/m3，實(shí)際也都產(chǎn)生了粒徑>20 mm的降雹(雹暴A導(dǎo)致的降雹粒徑最大50 mm，雹暴B對(duì)應(yīng)為20 mm)。VIL在降雹階段基本保持在60 kg/m2及40 kg/m2以上，雹暴A較B而言VILD整體上都維持著大于4 g/m3，并且VIL一直維持著高的水平，這是強(qiáng)降水發(fā)生的重要特征，結(jié)合個(gè)例當(dāng)日的冰雹災(zāi)情信息，雹暴A引起的降雹持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，多地雹粒>20 mm，并且沿著冰雹移動(dòng)路徑多地產(chǎn)生了強(qiáng)降水，而雹暴B并未伴隨強(qiáng)降水，降雹結(jié)束后VILD、VIL都呈明顯的下降趨勢(shì)。兩者對(duì)降雹有一定的指示作用，VIL、VILD躍增后的陡降一般都是對(duì)應(yīng)冰雹的降落，在出現(xiàn)躍增時(shí)可作為冰雹預(yù)警的一個(gè)指標(biāo)，并且VILD值能夠反映對(duì)流發(fā)展的高度，若VIL處于高值，同時(shí)VILD在出現(xiàn)高值后相對(duì)處于低值(但也保持著>3.5 g/m3)的狀態(tài)，此時(shí)對(duì)大冰雹的指示作用將十分突出。

3 閃電活動(dòng)特征

由于當(dāng)日雹暴B并未伴隨明顯的閃電活動(dòng)，所以雹暴過(guò)程的全閃活動(dòng)分析主要針對(duì)雹暴A進(jìn)行，雹暴A主要是在畢節(jié)(大方、織金)及遵義播州地區(qū)，對(duì)兩地的閃電活動(dòng)分別進(jìn)行分析，首先需要指出的是雹暴A在畢節(jié)地區(qū)是降雹之后大概1 h有短時(shí)強(qiáng)降水，而遵義地區(qū)是降雹階段就伴隨著短時(shí)強(qiáng)降水。閃電的活動(dòng)特征統(tǒng)計(jì)特征如表3所示，整體上還是以負(fù)閃為主，并且總閃頻次較大的伴隨著更強(qiáng)的短時(shí)強(qiáng)降水，但其正地閃比率不是很高，遠(yuǎn)低于馮桂力給出的山東地區(qū)冰雹過(guò)程中的正地閃比值57.4%[13]。很多研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，一般伴隨著降水的雹暴有更多的閃電發(fā)生，且以負(fù)地閃為主，這可能和整體云層垂直結(jié)構(gòu)、溫度分布、水汽含量都有關(guān)系，這也在一定程度上揭示了閃電的發(fā)生可能和VIL水平有一定的關(guān)系。同樣對(duì)于同一地區(qū)在不同類型的降雹之間的差異也比較明顯，將此個(gè)例播州地區(qū)的閃電活動(dòng)特征與同地區(qū)2018年4月12日由局地強(qiáng)對(duì)流引起的降雹過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，2018年4月12日的過(guò)程未伴隨降水，產(chǎn)生的冰雹粒徑卻達(dá)30 mm，總閃頻次并不高但是正閃比率卻很高，結(jié)合兩個(gè)個(gè)例推斷，強(qiáng)的獨(dú)立對(duì)流單體、超級(jí)單體比起散的多單體一般更容易產(chǎn)生大冰雹，如果當(dāng)時(shí)的水汽相對(duì)不充沛，即“干降雹”可能對(duì)應(yīng)明顯更高的正閃比率，如若伴隨著強(qiáng)降水則負(fù)閃明顯占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

圖4 雹暴A VIL、VILD隨時(shí)間的演變(a)；雹暴B VIL、VILD隨時(shí)間的演變(b)Fig.4 Evolution of VIL、VILD over time of hailstorm A(a) and hailstorm B(b)

表3 閃電基本活動(dòng)特征Tab.3 Basic activity characteristics of lightning

國(guó)內(nèi)外很多研究者對(duì)冰雹天氣過(guò)程中閃電特征進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為降雹過(guò)程具有較高的正地閃比例，且在雹云快速發(fā)展階段，地閃頻次存在明顯的“躍增”現(xiàn)象，負(fù)地閃峰值出現(xiàn)通常提前0～20 min。圖5給出了雹暴A2018-04-04、2018-04-12個(gè)例與降雹時(shí)刻對(duì)應(yīng)的閃電頻次分布曲線，基于閃電數(shù)據(jù)選取的合理性選取與雷達(dá)體掃時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的閃電頻次的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖中淺紅色柱狀代表首次降雹持續(xù)時(shí)間段，黑色箭頭為降雹開(kāi)始時(shí)間。大方、金沙降雹階段都對(duì)應(yīng)閃電頻次高值，但正閃比率卻是低值，反而在降雹前總正閃比率、正地閃比率都曾出現(xiàn)過(guò)峰值，并且在降雹后正閃比率都有再次增加的趨勢(shì)。播州地區(qū)(2018-04-04)降雹粒徑不大，并伴隨著降水，閃電頻次較高，而2018-04-12是由遵義當(dāng)?shù)鼐值貙?duì)流產(chǎn)生的，發(fā)展很快，消亡很快，并未產(chǎn)生降水，頻次很低。遵義地區(qū)的兩次降雹也在降雹前出現(xiàn)了總正閃比率、正地閃比率的峰值，并在降雹后又呈上升趨勢(shì)，但是降雹階段都對(duì)應(yīng)較低值。此外，閃電頻次每5 min變化對(duì)應(yīng)降雹也具有一定的規(guī)律性，在降雹時(shí)間點(diǎn)前閃電頻次變化均出現(xiàn)不同程度的躍增，有個(gè)小峰值，并在降雹階段呈現(xiàn)高值。不同冰雹天氣過(guò)程閃電躍增幅度不等，但在每次降雹前均出現(xiàn)了正閃比率、正地閃比率的高值，并在降雹后再次增加，反而降雹階段正閃較少，這與目前國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的研究結(jié)果并不一致，但是可以看出降雹前后的確存在著雷暴電荷結(jié)構(gòu)的極性反轉(zhuǎn)，具體電荷結(jié)構(gòu)呈偶極性還是三極性的分布待更多的個(gè)例論證。

圖5 金沙、大方2018-04-04(a)；播州2018-04-04(b)；播州2018-04-12(c)Fig.5 Jinsha、Dafang(a,2018-04-04);Bozhou (b,2018-04-04);Bozhou (c,2018.04.12)

4 總結(jié)與討論

較大的CAPE值，明顯的垂直風(fēng)切變是層結(jié)不穩(wěn)定的表征，高低空的溫差能夠反映對(duì)流層中層不同強(qiáng)度的冷空氣對(duì)對(duì)流天氣過(guò)程形成的影響，上干下濕的水汽分布條件下，中高層干冷空氣的侵入更有利于強(qiáng)冰雹的產(chǎn)生和發(fā)展。此外，多普勒雷達(dá)回波低層PPI上也在降雹前出現(xiàn)了明顯的“V型缺口”特征，降雹前最大回波強(qiáng)度及回波頂高特征參數(shù)值、垂直液態(tài)水含量VIL與垂直液態(tài)水含量密度VILD均對(duì)冰雹預(yù)警具有指導(dǎo)意義，超級(jí)單體VILD對(duì)大冰雹的指示的指示作用十分明顯。

閃電頻次每5 min變化、正閃比率對(duì)應(yīng)降雹過(guò)程呈現(xiàn)較為規(guī)律的變化，并且伴隨強(qiáng)降水的降雹過(guò)程閃電活動(dòng)更為頻繁，降雹前后雹云的確存在電荷極性反轉(zhuǎn)，但在降雹階段并不對(duì)應(yīng)更多的正閃發(fā)生，這與目前國(guó)內(nèi)的主要研究結(jié)果并不一致，可能與貴州獨(dú)特的山地環(huán)境有關(guān)，冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的電荷結(jié)構(gòu)分布可能有著自身的特點(diǎn)，這有待于進(jìn)一步的研究。整體上結(jié)合多源探測(cè)資料對(duì)冰雹的識(shí)別可以彌補(bǔ)單一資料的不足，有重要的研究意義。