一次局地性強(qiáng)冰雹天氣的環(huán)境背景及雷達(dá)產(chǎn)品特征分析

曾 妮，鄧 安，方 鵬，王興菊，何莉陽(yáng)，范茂林

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000；2.廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心，廣西 南寧 530000)

0 引言

冰雹是貴州省春季的主要災(zāi)害性天氣之一，具有突發(fā)性強(qiáng)、局地性強(qiáng)及破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)，由于貴州多山地和丘陵，地形復(fù)雜，利于冰雹的形成，所以每年3—5月貴州多冰雹天氣過(guò)程發(fā)生[1]，強(qiáng)的降雹天氣常常使農(nóng)作物受損，打壞房屋和車輛，造成人員傷亡，給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。由于冰雹的突發(fā)性和局地性強(qiáng)，導(dǎo)致冰雹的預(yù)報(bào)難度大，預(yù)報(bào)提前量短，近年來(lái)許多氣象工作者[2-8]對(duì)冰雹天氣過(guò)程的中尺度特征、環(huán)境條件、雷達(dá)回波特征等進(jìn)行分析和研究；羅菊英等[9]對(duì)一次早春局地強(qiáng)冰雹過(guò)程分析發(fā)現(xiàn)，山區(qū)“喇叭口”地形的抬升作用更易激發(fā)強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展；張微等[10]發(fā)現(xiàn)在對(duì)流單體或多單體的初始階段就提前防雹作業(yè)，成功率大；謝清霞等[11]指出貴州的降雹主要分為靜止鋒型、冷鋒型和熱低壓輻合線型；陳軍等[12]對(duì)銅仁一次罕見大范圍冰雹過(guò)程分析，找出了有利于銅仁降雹的指標(biāo)。近年來(lái)，安順降雹天氣過(guò)程較多，對(duì)近5 a安順的降雹天氣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，安順冰雹天氣最早出現(xiàn)于1月，最晚結(jié)束于5月，且易造成局地性災(zāi)害。2020年4月17日安順市南部局地出現(xiàn)強(qiáng)降雹天氣，使當(dāng)?shù)胤课莺娃r(nóng)作物等嚴(yán)重受損，本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、多普勒雷達(dá)資料和FNL 再分析資料等，對(duì)此次冰雹天氣過(guò)程進(jìn)行分析，找出此次過(guò)程的環(huán)境背景條件、觸發(fā)機(jī)制、物理量變化特征和雷達(dá)回波特征等，為今后安順的短臨預(yù)報(bào)和預(yù)警提供一定的參考指標(biāo)。

1 天氣實(shí)況和災(zāi)情

2020年4月17日15時(shí)—17日19時(shí)20分，貴州省安順市南部出現(xiàn)局地性強(qiáng)降雹天氣，安順南部3縣共5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雹，冰雹直徑普遍在5～20 mm，其中鎮(zhèn)寧縣六馬鎮(zhèn)和紫云縣火花鄉(xiāng)出現(xiàn)大冰雹，冰雹直徑普遍在20 mm左右，最大冰雹直徑達(dá)50 mm，降雹密度達(dá)100?！-2，造成嚴(yán)重雹災(zāi)，據(jù)統(tǒng)計(jì)此次降雹天氣過(guò)程共造成26 304人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積達(dá)5 850 hm2，因?yàn)?zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失37 667萬(wàn)元。

從降水空間分布和冰雹落區(qū)(圖1)看出，此次強(qiáng)對(duì)流天氣影響范圍小，降水主要出現(xiàn)在安順市中南部地區(qū)，以小雨為主，大于10 mm的降水與冰雹落區(qū)對(duì)應(yīng)，冰雹局地性強(qiáng)，且直徑和密度較大，這是造成局地災(zāi)情嚴(yán)重的主要原因。

圖1 2020年4月17日15—20時(shí)安順市降水空間分布及冰雹落區(qū)(紅框內(nèi))Fig.1 The precipitation spatial distribution and hailstorm area in Anshun from 15∶00 to 20∶00 on April 17, 2020(In the red box)

2 環(huán)境背景分析

2.1 天氣形勢(shì)

對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前的天氣形勢(shì)進(jìn)行分析，4月17日08時(shí)500 hPa高原上有短波槽東移(圖2)，槽前正渦度平流為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生提供天氣尺度的系統(tǒng)性上升運(yùn)動(dòng)；700 hPa在四川東部和貴州東部切變建立，廣西中部—貴州西南部邊緣急流建立，安順位于急流左側(cè)的上升氣流中；850 hPa在四川東部—貴州西北部有低渦切變線，切變線的南側(cè)為顯著的西南風(fēng)；地面輻合線呈東—西走向，位于貴州中北部一帶；中、低層貴州處于T-Td<4 ℃的濕區(qū)中，且安順附近的T-Td=1 ℃近飽和，同時(shí)貴州中部偏西及以東地區(qū)500 hPa的T-Td>12 ℃為干舌控制，安順處于“上干下濕”的不穩(wěn)定層結(jié)中，安順南部各鄉(xiāng)鎮(zhèn)白天的最高氣溫升至28 ℃以上，且出現(xiàn)大冰雹的兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)最高氣溫超過(guò)30 ℃，為能量的積累提供了有利條件。此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程無(wú)冷空氣影響，從地面圖上看出高原上為熱低壓控制，貴州處于低壓底部的均壓場(chǎng)中，對(duì)流云團(tuán)在地面輻合線附近生成發(fā)展。

圖2 2020年4月17日08時(shí)高空及地面綜合分析Fig.2 The comprehensive analysis of altitude and ground at 08∶00 on April 17, 2020

綜上所述，此次局地性強(qiáng)冰雹過(guò)程發(fā)生在地面輻合線附近的不穩(wěn)定層結(jié)中，高原短波槽、中低層切變線和低空急流是導(dǎo)致此次強(qiáng)對(duì)流天氣的主要影響系統(tǒng)，地面輻合線是觸發(fā)此次強(qiáng)對(duì)流天氣的重要機(jī)制。

2.2 能量和對(duì)流不穩(wěn)定條件

由貴陽(yáng)探空站17日08時(shí)的T-lnp圖(圖略)看出：從近地面到700 hPa為濕層，700 hPa以上為干層，是明顯的“喇叭口”結(jié)構(gòu)，0～3.0 km為暖平流，3.0～4.5 km為冷平流；08時(shí)對(duì)流有效位能CAPE=656.6 J·kg-1、K指數(shù)=36.7 ℃、SI指數(shù)=-0.83 ℃，隨著午后氣溫升高，能量得到積聚，從訂正后的T-lnp圖(圖略)看出午后對(duì)流有效位能CAPE和K指數(shù)分別升高到2 310.9 J·kg-1和38.4 ℃，SI指數(shù)降低到-2.0 ℃，朱乾根等[13]的研究指出，當(dāng)K指數(shù)>35 ℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)成片雷暴，-3 ℃

以上分析表明，在強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前，大氣為上干冷，下暖濕的“喇叭口”結(jié)構(gòu)，并且能量條件好，層結(jié)不穩(wěn)定，具備適當(dāng)?shù)腍0和H-20，有利于冰雹天氣的產(chǎn)生。

2.3 水汽和垂直運(yùn)動(dòng)條件

水汽條件是強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的基本條件之一，俞小鼎等[15]的研究指出，風(fēng)暴常形成于低層濕舌區(qū)或強(qiáng)水汽輻合區(qū)，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前(17日14時(shí))，850 hPa上貴州南部的比濕在15 g·kg-1以上(圖3a)，安順南部(冰雹發(fā)生區(qū))位于濕舌的頂端，具備充足的水汽條件，貴州西部的比濕梯度較大，強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)在貴州西部生成，并向東南方向移動(dòng)發(fā)展；對(duì)發(fā)生大冰雹的站點(diǎn)(鎮(zhèn)寧縣六馬站)做時(shí)間—高度剖面圖(圖3b)，結(jié)果顯示，在降雹期間(17時(shí)28分—17時(shí)35分)從近地面到750 hPa附近平均相對(duì)濕度在85%左右，700 hPa以上濕度迅速降低，到650 hPa平均相對(duì)濕度已低于60%，為明顯的“上干下濕”結(jié)構(gòu)；從垂直速度的分布來(lái)看，垂直上升運(yùn)動(dòng)是從17時(shí)以后才發(fā)展起來(lái)，到20時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，但20時(shí)低層水汽明顯降低，中層有濕空氣侵入，破壞了“上干下濕”的結(jié)構(gòu)，而在17時(shí)28分—17時(shí)35分期間，雖然垂直運(yùn)動(dòng)不是最強(qiáng)，但配合適當(dāng)?shù)乃麠l件和能量條件等，產(chǎn)生了直徑為20 mm的大冰雹。

圖3 2020年4月17日14時(shí)850 hPa比濕(單位：g·kg-1)和風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)(a)鎮(zhèn)寧縣六馬站相對(duì)濕度(填色，單位：%)、垂直速度(黑線，單位：Pa·s-1)及溫度(紅線，單位：℃)的時(shí)間—高度剖面(b)Fig.3 The specific humidity (unit:g·kg-1) and wind field (unit: m·s-1) of 850 hPa at 14∶00 on April 17, 2020(a)，Relative humidity (color filling, unit: %), vertical velocity (black line, unit: Pa·s-1) of Liuma station in Zhenning County And temperature (red line, unit: ℃) time-height profile (b)

3 雷達(dá)回波特征分析

3.1 強(qiáng)對(duì)流回波演變特征

4月17日15時(shí)16分對(duì)流單體在黔西南州興仁縣西北部生成，15時(shí)32分東移進(jìn)入安順市關(guān)嶺縣境內(nèi)，15時(shí)32分—16時(shí)32分對(duì)流單體在關(guān)嶺縣境內(nèi)緩慢東移，且大于50 dBz的強(qiáng)回波區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，16時(shí)32分強(qiáng)回波中心增加到60 dBz以上,并且開始出現(xiàn)“三體散射長(zhǎng)釘”(TBSS)(圖4a)，16時(shí)40分—16時(shí)45分關(guān)嶺縣普利鄉(xiāng)降雹，冰雹直徑5 mm；16時(shí)32分—17時(shí)32分對(duì)流單體逐漸向東南方向移動(dòng)，TBSS長(zhǎng)度不斷增加，所經(jīng)之地花江鎮(zhèn)和沙子鄉(xiāng)出現(xiàn)5～10 mm的小冰雹，由于貴州使用的是C波段雷達(dá)，在這一波段，小冰雹也可產(chǎn)生TBSS現(xiàn)象[15]，因此要判斷是否會(huì)產(chǎn)生大冰雹還要結(jié)合其他條件；17時(shí)27分有明顯的前側(cè)入流缺口出現(xiàn)(圖4b)，且入流缺口持續(xù)2個(gè)體掃，表明有強(qiáng)的入流氣流進(jìn)入上升氣流中，有利于大冰雹的增長(zhǎng)[16]，17時(shí)27分—17時(shí)35分鎮(zhèn)寧縣六馬鎮(zhèn)出現(xiàn)直徑普遍在20 mm左右的大冰雹，造成嚴(yán)重雹災(zāi)；17時(shí)32分以后TBSS逐漸減弱消失，對(duì)流單體繼續(xù)東移進(jìn)入紫云縣，強(qiáng)回波中心維持在60 dBz以上，17時(shí)54分—18時(shí)04分紫云縣火花鄉(xiāng)再次出現(xiàn)直徑20 mm的大冰雹。

圖4 2020年4月17日雷達(dá)組合反射率因子演變Fig.4 The evolution of radar combination reflectivity factor on April 17, 2020

3.2 對(duì)流單體垂直結(jié)構(gòu)

由以上分析看出產(chǎn)生大冰雹的兩個(gè)階段(以下簡(jiǎn)稱為第1階段和第2階段)對(duì)流單體的反射率因子特征有明顯的不同，第1階段伴有TBSS和前側(cè)入流缺口，第2階段沒有這兩個(gè)特征，下面對(duì)這兩個(gè)階段對(duì)流單體的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

研究表明，當(dāng)強(qiáng)回波區(qū)(45～55 dBz)伸展到0 ℃層高度以上，特別是伸展到-20 ℃層高度以上時(shí)，對(duì)強(qiáng)降雹的貢獻(xiàn)潛勢(shì)最大[15]，由反射率因子剖面圖(圖5a)看出，大于50 dBz的強(qiáng)回波伸展到9 km附近，大于60 dBz的強(qiáng)回波伸展到7.8 km附近，超過(guò)-20 ℃層高度(H-20=7.62 km)，且第2階段的強(qiáng)回波中心伸展高度更高(圖5b)，大于65 dBz的強(qiáng)回波中心伸展到7 km附近，有利于大冰雹的產(chǎn)生；另外，兩個(gè)階段均存在強(qiáng)回波懸垂和低層弱回波區(qū)，且第2階段更明顯，以上這些特征均表征了冰雹的產(chǎn)生。

圖5 2020年4月17日反射率因子剖面Fig.5 The reflectivity factor profile on April 17, 2020

3.3 垂直累積液態(tài)含水量變化

垂直累積液態(tài)含水量VIL代表了風(fēng)暴的綜合強(qiáng)度，VIL的大值區(qū)是判斷強(qiáng)降雹潛勢(shì)的指標(biāo)之一[14-15]。圖6為2020年4月17日安順降雹前到降雹后VIL的時(shí)間變化曲線，表1為降雹情況統(tǒng)計(jì)，將圖6和表1進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：VIL的4個(gè)峰值區(qū)出現(xiàn)的時(shí)間與降雹時(shí)間對(duì)應(yīng)，而降雹間歇期與VIL的低值區(qū)對(duì)應(yīng)，且發(fā)生降雹前1～2個(gè)體掃VIL有躍增現(xiàn)象；在降雹的6個(gè)時(shí)間段VIL≥40 kg·m-2，其中在出現(xiàn)大冰雹的兩個(gè)時(shí)間段(17時(shí)28分—17時(shí)35分、17時(shí)54分—18時(shí)04分)VIL≥50 kg·m-2，在降雹前(16時(shí)38分前)VIL呈增加趨勢(shì)，降雹后(18時(shí)后)VIL呈迅速減小趨勢(shì)，且這兩個(gè)階段VIL均小于30 kg·m-2；將冰雹直徑與VIL進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：冰雹直徑與VIL值成正比，在此次過(guò)程中即使是在降小冰雹的階段VIL的最小值為38 kg·m-2，遠(yuǎn)超過(guò)劉小艷等[14]研究得出的15 kg·m-2的閾值，表明此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的風(fēng)暴強(qiáng)度較強(qiáng)，這是造成嚴(yán)重雹災(zāi)的主要原因之一。

圖6 垂直累積液態(tài)含水量(VIL)時(shí)間變化Fig.6 The Vertical accumulation of liquid water content(VIL) time variation

表1 2020年4月17日安順市降雹情況統(tǒng)計(jì)Tab.1 The statistics of hail in Anshun on April 17, 2020

4 結(jié)論

①此次局地性強(qiáng)冰雹過(guò)程發(fā)生在地面輻合線附近“上干下濕”的不穩(wěn)定層結(jié)中，高原短波槽、中低層切變線和低空急流是導(dǎo)致此次強(qiáng)對(duì)流天氣的主要影響系統(tǒng)，地面輻合線是觸發(fā)此次強(qiáng)對(duì)流天氣的重要機(jī)制。

②在強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前，850 hPa比濕在15 g/kg以上，冰雹出現(xiàn)在850 hPa濕舌的頂端和地面高溫中心附近；當(dāng)中層有濕空氣侵入時(shí)，破壞了“上干下濕”的結(jié)構(gòu)，不利于冰雹的產(chǎn)生。

③C波段雷達(dá)的反射率因子圖上TBSS和前側(cè)入流缺口的共同出現(xiàn)，表征了大冰雹的產(chǎn)生，反射率因子垂直剖面圖上強(qiáng)回波懸垂和低層弱回波區(qū)，大于50 dBz的強(qiáng)回波伸展到9 km附近，遠(yuǎn)超過(guò)-20 ℃層高度(H-20=7.62 km)，表明了風(fēng)暴在垂直方向強(qiáng)烈發(fā)展，利于大冰雹的產(chǎn)生。

④垂直累積液態(tài)含水量VIL值在降雹前到降雹后有明顯的變化，降雹前1～2個(gè)體掃VIL有躍增現(xiàn)象，降雹期間VIL≥30 kg·m-2，且在出現(xiàn)大冰雹時(shí)VIL≥50 kg·m-2，而在降雹結(jié)束后，VIL值迅速減小。