清遠(yuǎn)地區(qū)“2019·02·20”降雹天氣過(guò)程特征分析

吳楊，阮楚雯

（1.清遠(yuǎn)市氣象局，廣東清遠(yuǎn) 511500；2.連州市氣象局，廣東連州 513400）

冰雹是堅(jiān)硬的球狀、錐狀或者形狀不規(guī)則的固體降水物，發(fā)生在中小尺度的對(duì)流云系或者單體對(duì)流云中，具有持續(xù)時(shí)間短、影響面積小、強(qiáng)度強(qiáng)、破壞力大的特點(diǎn)，是廣東省多發(fā)的強(qiáng)對(duì)流類(lèi)型災(zāi)害性天氣之一。冰雹常造成人員受傷、農(nóng)作物減產(chǎn)、供電設(shè)施受損等嚴(yán)重災(zāi)害。氣候統(tǒng)計(jì)顯示，廣東省西北部（粵西北）是廣東省冰雹多發(fā)的主要地區(qū)之一，春季冰雹災(zāi)害多發(fā)［1］。近年來(lái)，很多業(yè)內(nèi)學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)冰雹天氣特征做了大量研究［2-9］。而連州雷達(dá)作為清遠(yuǎn)地區(qū)唯一一部投入使用的S波段雙線偏振雷達(dá)，獲取偏振觀測(cè)結(jié)果，積累更多的雷達(dá)資料應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。本研究采用清遠(yuǎn)連州雙偏振雷達(dá)探測(cè)資料、清遠(yuǎn)探空資料和地面觀測(cè)資料，對(duì)2019年2月20日發(fā)生在清遠(yuǎn)陽(yáng)山、連山、連南、連州的冰雹天氣過(guò)程的特征和發(fā)生機(jī)制進(jìn)行分析，了解冰雹云的雷達(dá)回波和雙偏振特征，以期為此類(lèi)冰雹天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 強(qiáng)對(duì)流實(shí)況

2019年 2月 20日 15：00—22：00（北京時(shí)，下同），受強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)影響，清遠(yuǎn)地區(qū)連州、連山、連南、陽(yáng)山出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水，局部還有7～10級(jí)的雷雨大風(fēng)和冰雹，最大小時(shí)雨量出現(xiàn)在陽(yáng)山七拱鎮(zhèn)為42 mm，最大陣風(fēng)出現(xiàn)在連州九陂鎮(zhèn)白石村獅子山為25.8 m/s（10級(jí)）和陽(yáng)山南服務(wù)區(qū)23.1 m/s（9級(jí)）。其中，陽(yáng)山七拱鎮(zhèn) 18：16、連南金坑鎮(zhèn) 21：30、連山禾洞鎮(zhèn) 21：30、連州市區(qū)21：53出現(xiàn)冰雹，冰雹直徑可達(dá)2 cm左右，近1元硬幣大小。

2 環(huán)流背景

2019年2月20 日20：00，從200 hPa散度場(chǎng)（圖略）上看，正散度中心位于粵西北，高空輻散，有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展與加強(qiáng)。由中尺度環(huán)境場(chǎng)（圖1a）分析可知，500 hPa歐亞大陸中高緯地區(qū)為兩槽一脊的高空環(huán)流形勢(shì)，低緯度地區(qū)是一南支槽，槽前有旺盛的西南暖濕氣流輸送，副高主體位于20°N以南的海面上，呈東西向分布。850 hPa湖南中部為明顯的冷式切變，兩廣之間存在一西南急流，風(fēng)速達(dá)16 m/s，清遠(yuǎn)北部位于低空急流的左前方。而近地面925 hPa在粵西北一帶有一條近乎東西分布的切變線，冷暖交匯、水汽和風(fēng)速輻合為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生蓄積了足夠的不穩(wěn)定能量。垂直大氣環(huán)境方面，通過(guò)20日清遠(yuǎn)探空曲線（圖1b）可知，當(dāng)天的對(duì)流有效位能CAPE值從08：00的0 J/kg，經(jīng)過(guò)白天的增溫（最高氣溫增加到25.5℃）后，20：00劇增到1 089.2 J/kg，對(duì)流抑制能量較低（僅為26.4 J/kg），抬升凝結(jié)高度為973.6 m，假相當(dāng)位溫隨著高度減小后又增大，顯示中低層是不穩(wěn)定層結(jié)，高層為穩(wěn)定層結(jié)，濕度也呈上干下濕結(jié)構(gòu)（近地面有厚度約4 km的濕層，700 hPa以上為干層），有助于雷暴云中較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的強(qiáng)烈上升氣流的形成。而連州市的風(fēng)廓線雷達(dá)（圖略）也顯示，從下午起垂直風(fēng)切變明顯增大，有助于維持斜升氣流。在強(qiáng)對(duì)流發(fā)生期間風(fēng)隨高度一直是順時(shí)針切變，由低層的偏北風(fēng)變?yōu)楦邔拥奈髂掀黠L(fēng)，1.2 km以上風(fēng)速超過(guò)10 m/s。

綜上所述，該次冰雹過(guò)程天氣發(fā)生在南支槽加深東移，西南低空急流發(fā)展和低層切變線南壓的大尺度環(huán)流背景下，地面低槽觸發(fā)使其對(duì)流發(fā)生。此外強(qiáng)對(duì)流落區(qū)附近桂西到粵西北一帶屬于典型的“上干下濕”大氣層結(jié)結(jié)構(gòu)，0℃層高度在3.7～4.2 km、-20℃層高度在6.8～7.1 km，適宜的高度保證了冰雹在降落的過(guò)程中不會(huì)因?yàn)榈蛯优瘜舆^(guò)暖而被融化成雨滴，且低層有弱逆溫層存在，有利于能量聚集迸發(fā)，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展十分有利。

圖1 2019年2月20日20：00中尺度環(huán)境場(chǎng)分析（a）和清遠(yuǎn)探空曲線（b）

3 雷達(dá)常規(guī)參量分析

雷達(dá)基本反射率可以明顯看出冰雹云的水平和垂直特征。從20日17：00起，桂東北到粵西北一帶（925 hPa切變線附近）接連不斷地有多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的對(duì)流單體生成，在向東北移動(dòng)過(guò)程中逐漸發(fā)展，當(dāng)移入清遠(yuǎn)境內(nèi)時(shí)有2塊對(duì)流風(fēng)暴迅速發(fā)展（按照時(shí)間順序，分別稱(chēng)為A和B），并接連在陽(yáng)山、連山、連南、連州造成短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹天氣。

3.1 降雹風(fēng)暴的多普勒雷達(dá)特征

雷達(dá)基本反射率可以明顯看出超級(jí)單體的水平和垂直特征。從20日17：12開(kāi)始，在西南偏南方向（方位角203°）距離雷達(dá)站大約65 km處有風(fēng)暴生成，并向東北方向移動(dòng)，在移入陽(yáng)山的過(guò)程中不斷發(fā)展壯大，在18：00達(dá)到成熟階段，中心強(qiáng)度高達(dá)70 dBz，回波頂發(fā)展至9 km。18：06反射率因子圖（圖2a）呈現(xiàn)出典型的超級(jí)單體的鉤狀回波結(jié)構(gòu)和有界弱回波區(qū)特征，且在2.4°到6.0°仰角上可見(jiàn)三體散射長(zhǎng)釘，3.3°仰角上長(zhǎng)釘?shù)拈L(zhǎng)度為18 km。在相應(yīng)的垂直剖面圖（圖略）上可以看到有穹窿和回波懸垂結(jié)構(gòu)，說(shuō)明存在很強(qiáng)的上升氣流，而且大于50 dBz強(qiáng)回波區(qū)已擴(kuò)展到超過(guò)-20℃等溫線以上高度（此為產(chǎn)生冰雹的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴顯著的特征之一）。另外，從17：48首先觀測(cè)到強(qiáng)雷暴對(duì)應(yīng)的中氣旋，到中氣旋消失（18：24），中氣旋共持續(xù)了近36 min。圖2b為中氣旋最強(qiáng)時(shí)刻徑向速度圖，18：06在距離雷達(dá)大約55 km處可以觀察到有界弱回波區(qū)對(duì)應(yīng)的中氣旋特征（旋轉(zhuǎn)速度為26 m/s），而在低層上升氣流的下方主要是以中氣旋（轉(zhuǎn)動(dòng)速度為11 m/s）和輻合區(qū)相結(jié)合的形式存在，高層風(fēng)暴頂輻散強(qiáng)烈。從地面自動(dòng)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，陽(yáng)山南服務(wù)區(qū)地面氣象自動(dòng)站錄得最大瞬時(shí)風(fēng)力9級(jí)。超級(jí)單體的有界弱回波區(qū)特征維持6個(gè)體掃后消失，18：36反射率因子圖上三體散射長(zhǎng)釘消失，19：00移入英德后回波強(qiáng)度明顯減弱。

從20日20：00開(kāi)始，在距離連州約90 km的廣西賀州境內(nèi)有反射率因子強(qiáng)度＞35 dBz的對(duì)流風(fēng)暴B生成，并以約50 km/h的速度向東北方向移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中對(duì)流單體逐漸發(fā)展。21：06，當(dāng)單體B移入連山禾洞鎮(zhèn)時(shí)呈現(xiàn)出典型的超級(jí)單體鉤狀回波結(jié)構(gòu)，在2.4°仰角的反射率因子圖上觀測(cè)到“V”型缺口，回波中心強(qiáng)度迅速增大至71 dBz（高度在7.2 km），回波頂發(fā)展到10.2 km，發(fā)展至成熟階段。21：12起回波強(qiáng)中心逐漸降低，并陸續(xù)在禾洞、金坑和連州基本氣象觀測(cè)站降下冰雹。而且在21：00單體B進(jìn)入連山前低層已經(jīng)可以觀測(cè)到與鉤狀回波區(qū)對(duì)應(yīng)的中氣旋，接著在21：18的1.5°仰角反射率因子圖和徑向速度圖（圖2c和圖2d）上，明顯觀測(cè)到轉(zhuǎn)動(dòng)速度15 m/s的中氣旋和低層輻合區(qū)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，但隨著超級(jí)單體B接近雷達(dá)站時(shí)，因?yàn)榻嚯x雷達(dá)探測(cè)資料的缺測(cè)（雷達(dá)近距離探測(cè)盲區(qū)的存在），導(dǎo)致風(fēng)暴結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)不完整，故著重分析對(duì)流單體A的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)和雙偏振特征。

圖2 2019年2月20日18：06 3.3°仰角（a、b）和21：18 1.5°仰角（c、d）反射率因子（a、c）（單位：dBz）和徑向速度（b、d）（單位：m/s）

3.2 經(jīng)過(guò)陽(yáng)山降雹單體的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)

通過(guò)風(fēng)暴結(jié)構(gòu)圖（圖3a）和垂直累積液態(tài)水含量VIL值的變化曲線（圖3b）可以看到，降雹風(fēng)暴的回波底、回波頂、最大反射率因子高度和VIL值隨時(shí)間的變化，能直觀地看到其三維空間結(jié)構(gòu)和發(fā)展過(guò)程。17：54，降雹風(fēng)暴進(jìn)入陽(yáng)山七拱鎮(zhèn)，風(fēng)暴頂和風(fēng)暴底高度分別為9.0和0.5 km，最大反射率因子高度5.8 km，垂直累積液態(tài)水含量VIL值為42 kg/m2。在風(fēng)暴移動(dòng)過(guò)程中，在17：42到 17：48風(fēng)暴經(jīng)過(guò)起徽山脈（海拔為1.5～1.6 km）時(shí)，最大反射率因子高度在1.4～2.3 km，說(shuō)明低層回波發(fā)展較強(qiáng)。18：00，VIL值和風(fēng)暴最大反射率因子（70 dBz）的高度分別躍增至59 kg/m2和5.5 km，此時(shí)風(fēng)暴發(fā)展旺盛，高層懸垂回波強(qiáng)于低層，對(duì)應(yīng)風(fēng)暴頂高為9 km，說(shuō)明風(fēng)暴進(jìn)入陽(yáng)山時(shí)就處于風(fēng)暴發(fā)展極其強(qiáng)盛的階段，該階段一直維持到18：30后風(fēng)暴頂下降，VIL值明顯下降，風(fēng)暴有了減弱趨勢(shì)。在風(fēng)暴發(fā)展到減弱期間，VIL值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)和最大反射率因子的強(qiáng)度，也就是和風(fēng)暴強(qiáng)度的變化趨勢(shì)成正比。

圖3 2019年2月20日風(fēng)暴頂和風(fēng)暴底、最大反射率因子所在高度（a）和垂直累積液態(tài)水含量變化曲線（b）

4 雙偏振雷達(dá)觀測(cè)特征

雙偏振雷達(dá)是識(shí)別冰雹的重要工具之一，特別是相關(guān)系數(shù)和差分反射率對(duì)于冰雹的觀測(cè)具有很好的指示作用。差分反射率值與粒子形狀密切相關(guān)。如圖4所示，在18：06風(fēng)暴發(fā)展強(qiáng)盛階段，位于七拱鎮(zhèn)的冰雹落區(qū)對(duì)應(yīng)的是水平反射率因子的極大值中心，差分反射率和相關(guān)系數(shù)為極小值中心，其中心值分別為68 dBz、0 dB和0.8。冰雹落區(qū)同樣具有水平反射率因子高、差分反射率低（-1～0.5 dB）、相關(guān)系數(shù)較低（0.8～0.94）的特征。這是因?yàn)楸⒘Ｗ咏朴凇扒蛐巍?，差分反射率的值接近? dB，其周?chē)写罅枯^小的濕雹和雨滴，差分反射率值則相對(duì)較高，所以形成了以冰雹落區(qū)為中心的差分反射率低值中心。相關(guān)系數(shù)與降水粒子相態(tài)的復(fù)雜性有關(guān)，而雨和冰雹的混合導(dǎo)致了相關(guān)系數(shù)的下降（＜0.9）。18：36風(fēng)暴單體有減弱趨勢(shì)，反射率強(qiáng)度減小，對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)和差分反射率也有所升高。

圖4 2019年2月20日18：06 1.5°仰角基本反射率（單位：dBz）（a）、差反射率因子Z DR（單位：dB）（b）和相關(guān)系數(shù)分布（c）

5 結(jié)論

1）該次發(fā)生在粵西北陽(yáng)山、連山、連南、連州地區(qū)的降雹天氣過(guò)程，發(fā)生在南支槽加深東移，西南低空急流發(fā)展和低層切變線南壓的大尺度環(huán)流背景下，地面低槽觸發(fā)使其對(duì)流發(fā)生。“上干下濕”大氣層結(jié)結(jié)構(gòu)、低層的弱逆溫層以及適宜的0℃層高度和-20℃層高度，都對(duì)冰雹、短時(shí)雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展提供了十分有利的條件。

2）2019年2 月20日在清遠(yuǎn)陽(yáng)山、連山、連南、連州地區(qū)發(fā)生冰雹的雷達(dá)回波判據(jù)為：在回波強(qiáng)度大于50 dBz區(qū)域中，有明顯的三體散射、氣旋式輻合、回波懸垂和有界弱回波區(qū)等特征。

3）陽(yáng)山降雹單體的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)顯示，VIL值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與風(fēng)暴強(qiáng)度的變化趨勢(shì)呈正比。

4）在18：06風(fēng)暴發(fā)展強(qiáng)盛階段，位于七拱鎮(zhèn)的冰雹落區(qū)對(duì)應(yīng)的是水平反射率因子的極大值中心，差分反射率和相關(guān)系數(shù)為極小值中心，其中心值分別為68 dBz、0 dB和0.8。冰雹落區(qū)同樣具有水平反射率因子高、差分反射率低（-1～0.5 dB）、相關(guān)系數(shù)較低（0.8～0.94）的典型特征。