湘西北一次強(qiáng)冰雹天氣雷達(dá)回波特征分析

易文軍，石興瓊，何炳文，梁 可

(1.張家界市氣象局，湖南張家界 427000；2.石棉縣氣象局，四川石棉 625400；3.常德市氣象局，湖南常德 415000)

湘西北山區(qū)是我國南方多雹災(zāi)地區(qū)，也是湖南省春季冰雹的易發(fā)區(qū)，由于其特殊的地形和氣候特征，春季冰雹多發(fā)，雹災(zāi)較重。冰雹是一種具有突發(fā)性、范圍小、持續(xù)時間短、破壞性強(qiáng)的災(zāi)害性天氣，短時間內(nèi)可以對農(nóng)業(yè)、交通、電力、建筑和人民生命財產(chǎn)造成重大損失。近年來，國內(nèi)外有關(guān)冰雹天氣的研究已有很多重要成果。廖玉芳等[1]詳細(xì)地討論了我國S波段多普勒天氣雷達(dá)三體散射的統(tǒng)計特征。朱敏華等[2]分析了強(qiáng)烈雹暴三體散射的多普勒天氣雷達(dá)基本反射率因子的形成機(jī)制。湯興芝等[3]歸納總結(jié)得出利用45 dBz雷達(dá)回波高度可較好地識別冰雹云。劉嘉慧敏等[4]通過商南地區(qū)一次強(qiáng)雹暴天氣的環(huán)境條件和雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)特征分析，得出垂直積分液態(tài)含水量密度(VILD)躍增能更好地提前指示大冰雹。張昆等[5]對懷化地區(qū)近15年降雹時空分布以及環(huán)境參量特征分析總結(jié)，得出高架對流類是懷化地區(qū)降雹最主要的天氣形勢，且多發(fā)生在2—3月的午后或傍晚，冰雹直徑較小。鮑向東等[6]對河南省冰雹天氣環(huán)境參量特征分析統(tǒng)計，得出一些適合河南地區(qū)的降雹參量閾值。劉兵等[7]對張家界多個冰雹個例進(jìn)行了分析，給出了冰雹預(yù)警的幾個實(shí)用指標(biāo)。本文利用常規(guī)觀測資料和張家界多普勒雷達(dá)監(jiān)測資料，對2020年3月21日晚—22日凌晨(北京時，下同)湘西北冰雹天氣個例開展研究，著重分析三體散射(TBSS)、旁瓣回波、垂直積分液態(tài)含水量(VIL)和VIL密度等特征，以期為湘西北冰雹預(yù)警提供參考依據(jù)。

1 降雹實(shí)況和環(huán)流背景

1.1 降雹實(shí)況

2020年3月21日20時—22日02時湘西北地區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)冰雹天氣過程，并伴有短時強(qiáng)降雨、雷暴大風(fēng)天氣，其具有移速快、局地性強(qiáng)、冰雹顆粒大小分布不均的特點(diǎn)(圖1a)。桃源縣沙坪鎮(zhèn)附近冰雹直徑45 mm，永順縣郎溪鄉(xiāng)、沅陵縣五強(qiáng)溪鎮(zhèn)和桃源縣竹園村冰雹直徑30 mm，持續(xù)時間9～18 min。此外，永定區(qū)城區(qū)和慈利縣高橋鎮(zhèn)均出現(xiàn)直徑小于20 mm的小冰雹，持續(xù)時間約5～8 min。

1.2 環(huán)流背景

從3月21日20時環(huán)流背景形勢場的綜合分析(圖1b)可以看出，500 hPa上有一短波槽位于四川中部一帶，在24 h內(nèi)將快速東移影響湘北地區(qū)，850 hPa上湘北至貴北一帶存在南北風(fēng)向的切變線，該切變線以南西南急流發(fā)展旺盛，急流核最大風(fēng)速達(dá)18 m/s。地面場上整個湘北地區(qū)受暖低壓控制，鄂南一帶有冷空氣侵入暖低壓，冷暖交匯加劇了不穩(wěn)定能量的釋放，此外，在850 hPa切變線附近有地面輻合線，有利于觸發(fā)強(qiáng)對流天氣。綜合來看，湘西北地區(qū)在21日20時處于高溫高濕場中，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，在地面輻合線和冷空氣的觸發(fā)下，引發(fā)了此次強(qiáng)對流天氣。

圖1 2020-03-21T20：00—22T08：00強(qiáng)天氣實(shí)況分布圖(a)和2020-03-21T20：00環(huán)流背景綜合分析(b)

圖2為懷化、恩施3月21日20時的探空曲線。湘西北地區(qū)整層都是“上干下濕”的喇叭口層結(jié)特征，非常有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生。懷化站探空顯示CAPE值1 180 J/kg，K指數(shù)38.4 ℃，SI指數(shù)-2.76 ℃，0 ℃層高度4.6 km，-20 ℃層高度7.0 km，0～6 km垂直風(fēng)切達(dá)18 m/s，700 hPa以下為暖平流，中高層為冷平流，低層暖濕高層干冷，大氣層結(jié)不穩(wěn)定。恩施探空顯示CAPE值611.3 J/kg，K指數(shù)36.4 ℃，SI指數(shù)-0.25 ℃，0 ℃層高度3.7 km，-20 ℃層高度6.8 km，0～6 km垂直風(fēng)切達(dá)30 m/s。綜合來看，0～6 km垂直風(fēng)切變屬于強(qiáng)垂直風(fēng)切變，可以增強(qiáng)中層干冷空氣的吸入，加強(qiáng)風(fēng)暴中下沉氣流和低層冷空氣外流[8]；“上干下濕”的層結(jié)不穩(wěn)定，0 ℃層高度約4.2 km，-20 ℃層高度約6.9 km，適宜湘西北地區(qū)冰雹天氣發(fā)生。環(huán)境條件有利于超級單體風(fēng)暴的形成和發(fā)展以及大冰雹和雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生。

圖2 2020-03-21T20溫度對數(shù)壓力圖(a 懷化；b 恩施)

2 多普勒雷達(dá)特征

2.1 雷達(dá)回波演變

21日21：34永順縣大壩鄉(xiāng)附近對流風(fēng)暴開始發(fā)展，21：52最強(qiáng)反射率因子達(dá)63 dBz，回波頂高達(dá)11 km，從風(fēng)暴開始發(fā)展到回波達(dá)到60 dBz用時僅18 min，可見該風(fēng)暴發(fā)展非常迅速且強(qiáng)烈，在極短時間內(nèi)發(fā)展成為超級單體風(fēng)暴。21：52在2.4°、3.4°、4.3°仰角上均出現(xiàn)了三體散射“長釘”(TBSS)(圖3a)，風(fēng)暴發(fā)展到22：16，在3.4°和4.3°仰角上出現(xiàn)了旁瓣回波(圖3b)。23：16，該超級單體風(fēng)暴分裂為兩個超級單體風(fēng)暴A和B，A風(fēng)暴位于永定區(qū)后坪鎮(zhèn)附近，B風(fēng)暴位于永順縣和沅陵縣交界處。A、B風(fēng)暴最大回波強(qiáng)度均超過60 dBz，且B風(fēng)暴比A風(fēng)暴更強(qiáng)盛。A、B風(fēng)暴移動路徑的區(qū)域內(nèi)均出現(xiàn)了不同程度的冰雹，并伴有雷雨大風(fēng)天氣。

圖3 2020-03-21張家界雷達(dá)反射率因子(單位為dBz；a 2.4°，b 3.4°)

A風(fēng)暴東移過程中略有發(fā)展后便迅速減弱，23：34在永定城區(qū)南部發(fā)展到最強(qiáng)，地面在23：56左右出現(xiàn)小冰雹，持續(xù)時間約5～8 min，22日00：04該風(fēng)暴減弱。A風(fēng)暴減弱消散以后，一個體掃內(nèi)，在其消散地附近又有多個小尺度強(qiáng)風(fēng)暴對流發(fā)展，最強(qiáng)回波超過65 dBz，22日01：13左右在慈利縣高橋鎮(zhèn)附近出現(xiàn)小冰雹。降雹后，風(fēng)暴減弱消散。分析A風(fēng)暴東移減弱消散的原因，一是地形因素，A風(fēng)暴軌跡區(qū)域多為峽谷平原，而非利于降雹的丘陵山地；其次是降雹天氣系統(tǒng)偏南，中低層切變線和地面輻合線更靠近B風(fēng)暴東移路徑。

B風(fēng)暴從主體風(fēng)暴分裂以后繼續(xù)東移發(fā)展加強(qiáng)。該風(fēng)暴沿著沅陵縣北部東移，22日00：28，B風(fēng)暴迅速加強(qiáng)，在2.4°、3.4°、4.3°和6.0°仰角上均出現(xiàn)了三體散射“長釘”和旁瓣回波(圖4a～圖4d)，TBSS和旁瓣回波呈現(xiàn)加強(qiáng)的趨勢，且維持時間達(dá)47 min。從風(fēng)暴徑向速度圖上看，在桃源縣西南部還出現(xiàn)了強(qiáng)中氣旋(圖4d)，核區(qū)直徑約6 km，旋轉(zhuǎn)速度≥27 m/s。沅陵縣五強(qiáng)溪附近冰雹直徑達(dá)30 mm，桃源縣沙坪鎮(zhèn)附近冰雹直徑達(dá)45 mm，并伴有7～9級大風(fēng)。B風(fēng)暴在22日01:：33左右移出桃源縣。

2.2 三體散射(TBSS)

2.2.1 超級單體風(fēng)暴分裂前 21：52，2.4°仰角上首次出現(xiàn)TBSS(圖3a)，而在6.0°仰角上并未看到TBSS(圖略)，說明此時冰雹云正在對流發(fā)展。隨著超級單體風(fēng)暴的不斷發(fā)展，22：16，3.4°仰角上出現(xiàn)了明顯的三體散射和旁瓣回波(圖3b)。以≤15 dBz反射率因子計算，“長釘”長度為14 km，最大反射率因子超過了60 dBz。23：10，超級單體風(fēng)暴發(fā)展到最強(qiáng)盛階段，6.0°仰角出現(xiàn)了強(qiáng)的三體散射，最大反射率因子達(dá)72 dBz，“長釘”長度達(dá)23 km。TBSS的長度越長，表明反射率因子核心越大，高反射率因子的區(qū)域面積也越大[1]。23：18左右永順縣郎溪鄉(xiāng)出現(xiàn)了直徑30 mm的大冰雹。由于冰雹落地較快，從發(fā)現(xiàn)TBSS到地面降雹時間間隔較短，這給冰雹預(yù)警增加了難度。

23：16，超級單體風(fēng)暴分裂為兩個超級單體風(fēng)暴A、B，三體散射迅速消失，從首次出現(xiàn)TBSS特征到結(jié)束，三體散射持續(xù)時間達(dá)84 min。A風(fēng)暴在東移過程中并未加強(qiáng)，在永定區(qū)南部出現(xiàn)直徑小于20 mm冰雹后，其迅速減弱消散，而B風(fēng)暴繼續(xù)保持超級單體結(jié)構(gòu)東移。

2.2.2 超級單體風(fēng)暴分裂后 B風(fēng)暴沿著沅陵縣北部山區(qū)維持70 dBz的最強(qiáng)回波東移，22日00：28，2.4°～6.0°仰角均出現(xiàn)了三體散射，在風(fēng)暴移動的右后側(cè)還出現(xiàn)了旁瓣回波(圖略)，而在低仰角0.5°和1.5°上，由于風(fēng)暴徑向外側(cè)存在大于25 dBz的真實(shí)回波，無法清晰監(jiān)測到三體散射。B風(fēng)暴發(fā)展到此時，其超級單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征較分裂前更加明顯和突出。

00：34，6.0°仰角上TBSS特征最清楚(圖4a)。以≤15 dBz反射率因子計算，“長釘”長度達(dá)26 km，60 dBz的回波高度達(dá)9.1 km，在-30 ℃層高度以上，當(dāng)≥50 dBz的回波高度超過-20 ℃層高度以上，有利于大冰雹的產(chǎn)生。00：52，2.4°～4.3°仰角上TBSS特征明顯，6.0°仰角上“長釘”已經(jīng)消失，只能看到旁瓣回波，此時TBSS特征最強(qiáng)盛，出現(xiàn)在4.3°仰角上(圖4b)，“長釘”長度達(dá)32 km，60 dBz的回波高度達(dá)8.5 km。00：57,最強(qiáng)反射率因子達(dá)74 dBz，在3.4°仰角上TBSS特征最明顯(圖4c)，60 dBz的回波高度達(dá)8.7 km，“長釘”長度達(dá)47 km，這是本次降雹過程出現(xiàn)的最長“長釘”，在湘西北地區(qū)十分罕見，表明強(qiáng)反射率因子面積和反射率因子核心均達(dá)到了最強(qiáng)盛時期。01：03，在6.0°仰角徑向速度圖上出現(xiàn)了風(fēng)暴頂強(qiáng)輻散(圖略)，正負(fù)速度差值達(dá)63 m/s。對比分析來看，“長釘”長度越長，冰雹直徑越大?！伴L釘”特征隨時間由高層向低層呈現(xiàn)，60 dBz的回波高度也隨時間降低，反映了一個典型強(qiáng)烈超級單體風(fēng)暴降雹的過程。

在速度圖上監(jiān)測到一個深厚持久的強(qiáng)中氣旋，該中氣旋持續(xù)了約58 min，00：52在3.4 °仰角上中氣旋顯示最強(qiáng)(圖4d)。中氣旋距離雷達(dá)約90 km，核區(qū)直徑約6 km，旋轉(zhuǎn)速度≥27 m/s，屬于強(qiáng)中氣旋。與此相應(yīng)，00：50—01：30在桃源縣西南部多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了7～9級大風(fēng)。

從00：58反射率因子剖面圖(圖4e)可以看出，風(fēng)暴呈現(xiàn)出典型的強(qiáng)烈超級單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征。反射率因子核強(qiáng)度超過了70 dBz，回波頂高達(dá)到16 km；強(qiáng)回波區(qū)結(jié)構(gòu)密實(shí)緊湊，大于60 dBz的反射率因子伸展高度達(dá)到9 km，存在明顯的回波穹窿和其上強(qiáng)大的懸垂回波；弱回波區(qū)右側(cè)出現(xiàn)了回波墻以及狹長的反射率因子高值區(qū)，反射率高值區(qū)從9 km高度一直伸展到低層，表明地面即將出現(xiàn)冰雹。22日01：15左右，桃源縣西南部出現(xiàn)了直徑45 mm的大冰雹。此外，三體散射造成的回波假象在圖中強(qiáng)回波區(qū)的上部也清晰可見。綜合以上分析來看，B風(fēng)暴呈現(xiàn)了一個典型的強(qiáng)烈超級單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)，受其影響多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)造成了冰雹、雷雨大風(fēng)和短時強(qiáng)降雨等災(zāi)害性天氣。

圖4 2020-03-21張家界雷達(dá)不同時刻不同仰角反射率因子(單位為dBz；a 6.0°；b 4.3°；c 3.4°)、00：52徑向速度(單位為m/s；d 3.4 °；黑圓圈為中氣旋)和00：58反射率因子垂直剖面(單位為dBz；e)

2.3 旁瓣回波

旁瓣回波也是大冰雹的一個預(yù)警指標(biāo)[9]。從表1可以看出：不同仰角上首次出現(xiàn)旁瓣回波的時間基本一致，高仰角上旁瓣回波持續(xù)時間比低仰角更短；旁瓣回波最大切向長度達(dá)46 km，最大徑向?qū)挾冗_(dá)17 km，其出現(xiàn)時最強(qiáng)反射率因子≥73 dBz，表明風(fēng)暴核反射率因子面積大，強(qiáng)雹暴對流發(fā)展旺盛；旁瓣回波出現(xiàn)時的高度為1.9～11.5 km，表明旁瓣回波在每個層次均可出現(xiàn)。由于低仰角上強(qiáng)反射率因子徑向外側(cè)有真實(shí)回波存在，TBSS特征并不清晰，而旁瓣回波卻很明顯，這就為冰雹預(yù)警提供了另一個可供參考的特征指標(biāo)，即在強(qiáng)反射率因子徑向外側(cè)有真實(shí)回波存在時，可以依據(jù)旁瓣回波發(fā)布冰雹預(yù)警。

表1 湘西北2020-03-22凌晨B風(fēng)暴旁瓣回波特征統(tǒng)計

2.4 垂直積分液態(tài)含水量(VIL)

垂直積分液態(tài)含水量(VIL)和VIL密度均是較好的冰雹預(yù)警指標(biāo)。劉兵等[7]總結(jié)出湘西北大冰雹的VIL和VIL密度閾值分別為VIL≥43 kg/m2，VIL密度≥4.0 g/m3。圖5給出了此次湘西北降雹過程中當(dāng)VIL≥43 kg/m2時的最大VIL變化曲線及對應(yīng)的VIL密度變化曲線?？梢钥闯觯?1日22：46 VIL達(dá)54 kg/m2，VIL密度為4.3 g/m3，22日00：57 VIL達(dá)68 kg/m2，VIL密度為5.2 g/m3，均滿足湘西北大冰雹的預(yù)警指標(biāo)，在之后18～32 min地面出現(xiàn)30～45 mm大冰雹。值得注意的是，21日23：58 VIL達(dá)56 kg/m2，而VIL密度卻僅為3.0 g/m3。超級單體風(fēng)暴此時已減弱分裂為A、B兩個風(fēng)暴，地面亦無相應(yīng)降雹報告，三體散射、旁瓣回波均未出現(xiàn)，說明冰雹預(yù)警不能僅看VIL≥43 kg/m2這個指標(biāo)，而要更加注重VIL密度≥4.0 g/m3的判定指標(biāo)。分析其原因，可能與雹胚成長有關(guān)。23：58的風(fēng)暴頂高度達(dá)到了18.6 km，遠(yuǎn)超-40 ℃的高度，此時雹胚在充分增長之前就很快的被強(qiáng)上升氣流抬升到-40 ℃高度以上，而-40 ℃高度以上沒有過冷水滴，不存在有利于冰雹增長的環(huán)境[10]，故而不會降冰雹。因此在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中，尤其要關(guān)注VIL密度，它對大冰雹有更好的預(yù)警作用。

圖5 2020-03-21—22湘西北最大VIL變化曲線(a)、VIL密度變化曲線(b)(黑圓點(diǎn)處表示VIL值雖很大但未降雹；黑三角處表示VIL和VIL密度最大值)

3 結(jié)論與討論

(1)“上干下濕”的喇叭口層結(jié)特征，低層高溫高濕和不穩(wěn)定能量輸送，配合適宜的0 ℃層高度4.2 km，-20≥層高度6.9 km，在地面冷空氣和輻合線的觸發(fā)下，有利于冰雹、雷暴大風(fēng)、短時強(qiáng)降雨等強(qiáng)對流天氣的發(fā)生。此次降雹過程是典型的強(qiáng)超級單體風(fēng)暴造成的，其具有明顯的三體散射“長釘”、旁瓣回波等特征，以及較大的VIL和VIL密度，這些特征對冰雹天氣有很好的預(yù)警作用。

(2)三體散射在不同仰角上均有出現(xiàn)，且持續(xù)時間長，TBSS最強(qiáng)反射率因子≥63 dBz，“長釘”長度達(dá)47 km，在其后的12～41 min內(nèi)地面有大冰雹降落，TBSS特征可作為判定大冰雹的預(yù)警指標(biāo)。三體散射特征越明顯，表明強(qiáng)反射率因子面積越大、反射率因子核心越大。

(3)旁瓣回波在不同仰角上比TBSS出現(xiàn)的時間更長、更清晰，旁瓣回波出現(xiàn)時的最強(qiáng)反射率因子≥60 dBz，最大切向長度達(dá)46 km，最大徑向?qū)挾冗_(dá)17 km。旁瓣回波也是判定冰雹天氣的預(yù)警指標(biāo)，特別是當(dāng)強(qiáng)反射率因子外側(cè)有真實(shí)回波而TBSS特征不清晰時，旁瓣回波的預(yù)警作用更好。

(4)VIL≥43 kg/m2和VILD≥4.0 g/m3是冰雹天氣的有效預(yù)警指標(biāo)，當(dāng)風(fēng)暴對流厚度超過-40 ℃高度時，VIL密度能更好地判定冰雹。