黔西山區(qū)小槽觸發(fā)類雹暴的診斷方法研究*

向淑君 周筠珺 鄒書平 楊 哲 曾 勇

1 成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225

2 貴州省氣候中心，貴陽 550002

3 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044

4 貴州省人工影響天氣辦公室，貴陽 550081

提 要： 利用探空資料、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心0.5°×0.5°逐6小時(shí)再分析資料、X波段雙偏振雷達(dá)觀測(cè)資料對(duì)小槽觸發(fā)的雹暴過程進(jìn)行診斷分析。針對(duì)其發(fā)生發(fā)展特征，提煉出具有代表性的預(yù)報(bào)指標(biāo)閾值構(gòu)建針對(duì)小槽觸發(fā)的雹暴診斷方法。利用此方法對(duì)雹暴多發(fā)地黔西山區(qū)，小槽觸發(fā)下3次雹暴過程進(jìn)行診斷分析，驗(yàn)證診斷方法對(duì)各類小槽觸發(fā)的雹暴過程的預(yù)報(bào)效果。結(jié)果表明：根據(jù)多個(gè)個(gè)例降雹前的環(huán)境條件特征，選取濕熱力垂直螺旋度大于0.8×10-3 Pa·m3·K·kg-1·s-2和水汽垂直螺旋度大于0.8×10-5 kg-1·m3·Pa·s-2作為指標(biāo)閾值，在雹暴發(fā)展初期可診斷出個(gè)例的降雹潛勢(shì)；針對(duì)強(qiáng)風(fēng)切變、單體合并過程將促進(jìn)強(qiáng)雹暴發(fā)展的特性，利用熱力切變平流參數(shù)絕對(duì)值大于3×10-8 K·Pa-1·s-1的大值中心區(qū)域與降雹地的對(duì)應(yīng)關(guān)系和45 dBz回波頂高與0℃高度關(guān)系閾值，可診斷雹暴單體發(fā)展成強(qiáng)雹暴的可能性；利用以上方法對(duì)3個(gè)降雹過程診斷檢驗(yàn)時(shí)，此方法能系統(tǒng)全面地診斷出降雹潛勢(shì)和強(qiáng)雹暴過程。

引 言

雹暴是常見的災(zāi)害天氣之一，常對(duì)農(nóng)作物造成危害，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響人們的生活、危及生命財(cái)產(chǎn)安全；對(duì)于雹暴的研究一直是貴州災(zāi)害天氣研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)我國(guó)各區(qū)域多次雹暴過程進(jìn)行環(huán)境條件分析，發(fā)現(xiàn)不同環(huán)流背景下雹暴過程的觸發(fā)維持機(jī)制、對(duì)流結(jié)構(gòu)特征不同(馮晉勤等,2017；蘇永玲等,2018；公衍鐸等,2019；張小娟等，2019)。邊界層輻合線、地形、海陸分布、重力波等中小尺度天氣系統(tǒng)都是對(duì)流活動(dòng)的觸發(fā)抬升機(jī)制(侯淑梅等,2018b；張桂蓮等,2018)。雹暴自組織建立的正反饋機(jī)制、干冷空氣入侵、垂直風(fēng)切變、高低空急流的耦合都是維持對(duì)流持續(xù)發(fā)展的重要條件(陳關(guān)清等,2016；王迪等,2020)?；趯?duì)雹暴單體的對(duì)流結(jié)構(gòu)特征分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)流單體之間的相互作用將會(huì)促進(jìn)雹暴單體進(jìn)一步發(fā)展、變化(傅佩玲等,2018；羅輝等，2020)。單體合并后，上游單體可促進(jìn)下游單體上升運(yùn)動(dòng)使得新舊單體迭代，也是促進(jìn)對(duì)流系統(tǒng)增長(zhǎng)持久的重要因素(侯淑梅等,2018a；易笑園等,2017)。Doswell Ⅲ et al(1996)提出可根據(jù)環(huán)境條件要素進(jìn)行預(yù)報(bào)，主要以天氣形勢(shì)結(jié)合不穩(wěn)定、水汽、抬升條件的環(huán)境場(chǎng)診斷分析對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行潛勢(shì)預(yù)報(bào)。美國(guó)風(fēng)暴預(yù)報(bào)中心通過對(duì)各種對(duì)流參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)各類強(qiáng)對(duì)流天氣中的指示參數(shù)分布特征，并確定判斷強(qiáng)對(duì)流天氣類型的閾值(Weisman and Rotunno,2000)。國(guó)內(nèi)學(xué)者根據(jù)水汽、熱力和不穩(wěn)定條件相關(guān)物理量差異，總結(jié)出了對(duì)冰雹發(fā)生具有良好指示意義的指標(biāo)(曹艷察等,2018)。周永水等(2013)針對(duì)貴州春季冰雹選取相關(guān)對(duì)流參數(shù)作為預(yù)報(bào)因子用指標(biāo)疊加法得到較高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。利用雷達(dá)回波診斷分析雹暴過程時(shí)，主要利用粒子的相態(tài)識(shí)別(Kumjian et al,2016)、降水量估測(cè)等(Brandes et al,2003)分析了解雹暴發(fā)展過程特征,利用相關(guān)雷達(dá)參數(shù)特征分析雹云動(dòng)力結(jié)構(gòu)(Snyder et al,2015)。通過對(duì)不同強(qiáng)對(duì)流單體的分析發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同地域環(huán)境下強(qiáng)對(duì)流單體回波特征存在一定差異(方翀等,2017；趙慶云等,2017；馮晉勤等,2018)。劉小艷等(2017)基于安順冰雹的回波特征總結(jié)了一些能有效指導(dǎo)防雹工作的識(shí)別指標(biāo)。除此之外，國(guó)外學(xué)者Donavon and Jungbluth(2007)使用50 dBz回波高度和融化層高度(MLT)作為美國(guó)強(qiáng)雹暴的預(yù)警指標(biāo)之一。樊鵬(1994)利用45 dBz 強(qiáng)回波中心高度與0℃層的高度差作為山西雷暴的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。

以上研究針對(duì)不同環(huán)境背景下的雹暴過程發(fā)展特征選取了有指示意義的環(huán)境物理量閾值或回波特征參數(shù)用于雹暴預(yù)報(bào)預(yù)警。對(duì)貴州雹暴多發(fā)區(qū)域的診斷研究中，多是提煉單一、普適性的環(huán)境物理量進(jìn)行診斷分析，對(duì)各類型的雹暴診斷正確率不高，具有較高的漏報(bào)率。在雹暴預(yù)報(bào)中缺乏針對(duì)不同強(qiáng)度雹暴過程的更加全面的診斷方法。黔西地區(qū)雹暴過程中，小槽觸發(fā)系統(tǒng)是其典型觸發(fā)機(jī)制。可針對(duì)其發(fā)生發(fā)展特征選取不同類型的預(yù)報(bào)指標(biāo)診斷個(gè)例降雹潛勢(shì)與強(qiáng)雹暴過程，構(gòu)建具有針對(duì)性的小槽觸發(fā)的雹暴診斷方法，為雹暴的短期預(yù)報(bào)提供一定參考。

1 資料與方法

本文選取黔西地區(qū)2018—2019年發(fā)生的具有詳細(xì)記錄的19個(gè)雹暴日進(jìn)行研究分析，利用降雹地附近威寧站的常規(guī)觀測(cè)資料、探空資料、NECP(0.5°×0.5°)逐6 h再分析資料，根據(jù)模糊邏輯算法、自適應(yīng)衰減訂正法等對(duì)X波段雙偏振雷達(dá)觀測(cè)資料進(jìn)行處理分析后，運(yùn)用NCL、MATLAB等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。以此研究小槽觸發(fā)雹暴過程的各尺度特征，了解其發(fā)生發(fā)展機(jī)制；根據(jù)其發(fā)展特性提煉出針對(duì)小槽觸發(fā)雹暴過程的多個(gè)物理量閾值與回波特征閾值用于雹暴預(yù)報(bào)預(yù)警。

通過研究分析黔西地區(qū)雹暴發(fā)展的各尺度特征，根據(jù)其環(huán)境條件特征等提取預(yù)報(bào)指標(biāo)，利用多指標(biāo)閾值識(shí)別預(yù)警方法，在雹暴發(fā)展初期初步診斷出具有降雹潛勢(shì)的個(gè)例?；趶?qiáng)雹暴發(fā)展過程中強(qiáng)風(fēng)切變、單體合并影響，選取相關(guān)物理量閾值，診斷具有降雹潛勢(shì)個(gè)例發(fā)展成強(qiáng)雹暴過程的可能性。同時(shí)，以3個(gè)個(gè)例檢測(cè)該診斷方法的實(shí)用性。

2 雹暴天氣概況

受局地氣候、特殊地形地貌等影響，黔西山區(qū)是我國(guó)西南地區(qū)的雹暴災(zāi)害多發(fā)區(qū)。威寧是黔西地區(qū)的降雹重點(diǎn)區(qū)域，位于貴州西北部低緯高海拔山區(qū)，地處云貴高原東部地區(qū)烏蒙山脈，北臨四川盆地，西北方為青藏高原。威寧處于特殊地形地勢(shì)下，平均海拔達(dá)2 200 m。其位置為26°30′～27°25′N、103°36′～104°45′E。威寧地區(qū)冰雹發(fā)生發(fā)展過程具有一定的代表性和典型性，其中小槽觸發(fā)過程為典型背景條件，這些小槽多位于云貴川等地區(qū)。

本文利用表1中19個(gè)個(gè)例(小槽觸發(fā)雹暴過程)中的2018年3月12日、2018年4月17日、2019年6月11日共3次雹暴過程作為示例，展示以其余16個(gè)雹暴過程特征總結(jié)而得的小槽觸發(fā)雹暴診斷方法。2018年3月12日為一次颮線過程，17:45—17:55威寧縣幺站鎮(zhèn)發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降雹，降雹密度為700～1 000 ?！-2。2018年4月17日17:05—17:10威寧縣云貴鄉(xiāng)發(fā)生多單體降雹過程，降雹密度為300～500 ?！-2。2019年6月11日15:20—15:25威寧縣城發(fā)生單體降雹過程，降雹密度較小(20 ?！-2左右)。這3次過程中，冰雹平均直徑均達(dá)到10 mm。

表1 19個(gè)雹暴個(gè)例基本情況Table 1 Basic information of 19 hailstorm cases

3 雹暴的觸發(fā)及相關(guān)物理量參數(shù)

小槽觸發(fā)的雹暴過程都具有相似的環(huán)境場(chǎng)特征。通過分析觸發(fā)雹暴過程的環(huán)境場(chǎng)特征，提取與中尺度觸發(fā)維持系統(tǒng)相關(guān)且具有指示意義的環(huán)境物理量進(jìn)行降雹趨勢(shì)分析。從小槽觸發(fā)下熱力、動(dòng)力條件顯著這一特征著手，選取能體現(xiàn)熱力、動(dòng)力和水汽特征的相關(guān)物理量診斷個(gè)例降雹潛勢(shì)。

3.1 觸發(fā)雹暴的環(huán)境條件特征

小槽觸發(fā)的雹暴過程中環(huán)流形勢(shì)多具有相似的特征。高空冷渦和高空脊等大尺度系統(tǒng)的穩(wěn)定存在，使得不斷有小槽東移，并引導(dǎo)極地冷空氣沿平直西風(fēng)帶向我國(guó)輸送促進(jìn)小槽發(fā)展，東移至云貴川等地區(qū)的小槽觸發(fā)降雹過程(圖1a～1c)。槽后冷空氣促進(jìn)高空干冷空氣與低層暖濕空氣交匯有利于切變線的生成。切變線與地面干線、輻合線觸發(fā)低層對(duì)流產(chǎn)生，加強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)垂直發(fā)展(圖1d～1f)。天氣尺度小槽既依賴于大尺度環(huán)流的穩(wěn)定發(fā)展，又促進(jìn)著中尺度觸發(fā)系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展。在穩(wěn)定的大尺度環(huán)流系統(tǒng)和天氣尺度小槽影響下，其雹暴過程都具有中低層熱力、動(dòng)力條件顯著的特征，并且水汽、抬升條件也是主要在中低層發(fā)展。如圖2所示降雹地上空存在θse隨高度快速遞減的氣層，存在對(duì)流不穩(wěn)定形勢(shì)。3月12日由于高低空急流的耦合為對(duì)流提供了良好的動(dòng)力背景，促進(jìn)中低層具有更強(qiáng)的垂直運(yùn)動(dòng)，輻合上升運(yùn)動(dòng)達(dá)到500 hPa(圖2a)。4月17日與6月11日在小槽、切變線共同作用下，垂直運(yùn)動(dòng)主要在中低層發(fā)展(圖2b,2c)。其熱力、動(dòng)力條件特征與其他強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)在強(qiáng)度、發(fā)展區(qū)域等方面存在一定差異，因此可針對(duì)其發(fā)展特性選取相關(guān)物理量的合適閾值用于識(shí)別雹暴過程。

圖1 (a,d)2018年3月12日、(b,e)2018年4月17日、(c,f)2019年6月11日(a,b,c)500 hPa和(d,e,f)700 hPa天氣分析圖(紅色線為等高線，單位:dagpm；黑色矢量箭頭為風(fēng)矢，單位:m·s-1；紅色短實(shí)線為槽線；黃色線所示區(qū)域?yàn)楦蓞^(qū)；紅色雙實(shí)線為切變線；紅色箭頭為低空急流；藍(lán)色線所示區(qū)域?yàn)闈駞^(qū))Fig.1 Weather analysis charts for (a, b, c) 500 hPa and (d, e, f) 700 hPa on (a, d) 12 March 2018, (b, e) 17 April 2018, (c, f) 11 June 2019(red line: contour line, unit: dagpm; black vector arrow: wind vector, unit: m·s-1; solid red line: trough line; yellow area: dry area; double red solid line: shear line; red arrow: low-level jet; blue area: wet area)

圖2 (a,d)2018年3月12日、(b,e)2018年4月17日、(c,f)2019年6月11日(a,b,c)θse(單位：K)和(d,e,f)垂直速度(黑線，單位：m·s-1)和水汽通量散度(填色，單位：g·s-1·hPa-1·cm-2)沿104°E剖面Fig.2 Profile of (a, b, c) θse (unit: K)， (d, e, f) vertical velocity (black line, unit: m·s-1) and water vapor flux divergence (colored, unit: g·s-1·hPa-1·cm-2) along 104°E on (a, d) 12 March 2018, (b, e) 17 April 2018, (c, f) 11 June 2019

3.2 濕熱力垂直螺旋度

從小槽觸發(fā)下熱力、動(dòng)力條件著手，可利用濕熱力垂直螺旋度作為雹暴潛勢(shì)判定指標(biāo)。螺旋度與垂直運(yùn)動(dòng)有關(guān)，當(dāng)螺旋度與廣義位溫相結(jié)合時(shí)，利用濕熱力垂直螺旋度(Hθse)可分析不穩(wěn)定條件、輻合抬升條件、水汽垂直分布情況，也可間接體現(xiàn)不穩(wěn)定能量的積累等(張培昌等，2001；Witt et al,1998)。濕熱力垂直螺旋度(Hθse)表達(dá)式經(jīng)化簡(jiǎn)為:

式中：w，u，v分別為等壓坐標(biāo)系中的速度分量，ρ為密度，θ*為廣義位溫。通過統(tǒng)計(jì)分析可知小槽觸發(fā)雹暴過程中濕熱力垂直螺旋度大值中心與降雹地存在良好對(duì)應(yīng)關(guān)系，16個(gè)小槽觸發(fā)降雹過程中有81.25%的過程在降雹前6 h內(nèi)，濕熱力垂直螺旋度大值中心都大于 0.8×10-3Pa·m3·K·kg-1·s-2，因此可將此閾值范圍作為降雹潛勢(shì)判定指標(biāo)之一。3個(gè)個(gè)例中，3月12日、4月17日過程分別是在冷平流、高空急流的影響下，對(duì)流運(yùn)動(dòng)主要在中高層發(fā)展，濕熱力垂直螺旋度中心都大于0.8×10-3Pa·m3·K·kg-1·s-2(表2,圖3)；6月11日過程是在低層熱低壓影響下，對(duì)流運(yùn)動(dòng)維持機(jī)制主要促進(jìn)低層垂直上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，濕熱力垂直螺旋度中心為0.8×10-3Pa·m3·K·kg-1·s-2。

圖3 (a)2018年3月12日、(b)2018年4月17日、(c)2019年6月11日14時(shí)濕熱力垂直螺旋度沿104°E剖面(單位：10-3 Pa·m3·K·kg-1·s-2)Fig.3 Vertical cross-section of wet heat vertical helicity along 104°E at 14:00 BT on (a) 12 March 2018, (b) 17 April 2018, (c) 11 June 2019 (unit: 10-3 Pa·m3·K·kg-1·s-2)

表2 濕熱力垂直螺旋度分布特征(單位：10-3 Pa·m3·K·kg-1·s-2)Table 2 Vertical helicity of humid heat force distribution characteristics (unit： 10-3 Pa·m3·K·kg-1·s-2)

3.3 水汽垂直螺旋度

由于濕熱力垂直螺旋度中含有的水汽因子對(duì)溫度的修正量級(jí)小，對(duì)水汽條件的靈敏度較低，需要結(jié)合水汽垂直螺旋度(Hq)等對(duì)水汽分布更為靈敏的物理量進(jìn)行診斷(楊帥等，2013)。小槽觸發(fā)的雹暴過程，水汽多積聚在低層，中低層水汽垂直螺旋度負(fù)值異常值顯著，16個(gè)個(gè)例中水汽垂直螺旋度中心值多達(dá)到0.8×10-5kg-1·m3·Pa·s-2。3月12日過程在高低空急流耦合等影響下，水汽垂直輸送加強(qiáng)，水汽垂直螺旋度中心值達(dá)到3.5×10-5kg-1·m3·Pa·s-2，水汽垂直螺旋度負(fù)值區(qū)域與水汽通量散度負(fù)值區(qū)域的重合，促進(jìn)中低層水汽輻合上升運(yùn)動(dòng)和濕度大值區(qū)的形成(圖4a)。6月11日過程受低層熱低壓影響暖濕空氣在低層積聚、向上輸送，水汽的垂直輸送中心位于700 hPa附近，達(dá)到3×10-5kg-1·m3·Pa·s-2(圖4b)。4月17日過程沒有低空急流帶來水汽及促進(jìn)上升運(yùn)動(dòng)，水汽輸送主要以水平輸送為主(圖4c)。將2個(gè)物理量結(jié)合診斷的方法能高效靈敏地診斷出3個(gè)個(gè)例皆存在降雹潛勢(shì)。

圖4 同圖3，但為水汽垂直螺旋度(單位：10-5 kg-1·m3·Pa·s-2)Fig.4 Same as Fig.3, but for the vertical helicity of water vapor (unit: 10-5 kg-1·m3·Pa·s-2)

4 強(qiáng)雹暴的維持發(fā)展與診斷

4.1 強(qiáng)垂直風(fēng)切變對(duì)雹暴的維持作用

在小槽觸發(fā)的強(qiáng)雹暴過程中，強(qiáng)風(fēng)切變?cè)趯?duì)流發(fā)展過程中明顯增強(qiáng)，有利于水平渦度轉(zhuǎn)為垂直渦度，增強(qiáng)風(fēng)暴內(nèi)旋轉(zhuǎn)性，促進(jìn)對(duì)流組織化發(fā)展，使強(qiáng)對(duì)流結(jié)構(gòu)更緊密,進(jìn)一步促進(jìn)雹暴發(fā)展成強(qiáng)雹暴過程(吳海英等，2017)。根據(jù)強(qiáng)雹暴過程的發(fā)展特征選取相應(yīng)物理量參數(shù)和回波閾值，可診斷具有降雹潛勢(shì)的個(gè)例發(fā)展成強(qiáng)雹暴的過程。熱力切變平流參數(shù)(J)綜合表征雹暴過程風(fēng)場(chǎng)垂直切變所帶來的具體影響及與低層輻合、高層輻散的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)特征(齊彥斌等，2010)，其可用于強(qiáng)雹暴過程診斷，表達(dá)式為：

式中：u，v分別為等壓坐標(biāo)系中X方向、Y方向的速度分量，θ*為廣義位溫，J1，J2為J的分量：

雹暴發(fā)展過程中J1，J2垂直梯度增大，熱力切變平流參數(shù)大值中心有所增大時(shí)，說明在垂直風(fēng)切變作用下對(duì)流不斷發(fā)展。由16個(gè)雹暴個(gè)例統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)切變影響下的強(qiáng)雹暴過程，對(duì)流層中低層500 hPa以下J的絕對(duì)值為3×10-8K·Pa-1·s-1。2018年3月12日達(dá)到閾值具有強(qiáng)雹暴潛勢(shì)(圖5g)，聯(lián)系徑向速度圖發(fā)現(xiàn)雹暴發(fā)展初期垂直方向入流與出流共存，垂直風(fēng)切變?cè)趯?duì)流層中低層對(duì)流分布不均的情況下增強(qiáng)了中層的輻合強(qiáng)度和旋轉(zhuǎn)特征促使雹暴單體強(qiáng)烈發(fā)展(圖6d,6j)。4月17日、6月11日個(gè)例J的絕對(duì)值未達(dá)到閾值(圖5h,5i)。根據(jù)熱力切變平流參數(shù)分布特征判定只有3月12日個(gè)例具有強(qiáng)降雹潛勢(shì)。

圖5 (a，d，g)2018年3月12日、(b，e，h)2018年4月17日、(c，f，i)2019年6月11日的(g，h，i)熱力切變平流參數(shù)J及其分量(a，b，c)J1、(d，e，f)J2沿104°E剖面(單位：10-8 K·Pa-1·s-1)Fig.5 Thermal shear advection parameters (g， h， i) J and their components (a， b， c) J1, (d， e， f) J2 along 104°E on (a， d， g) 12 March 2018, (b， e， h) 17 April 2018 and (c， f， i) 11 June 2019 (unit: 10-8 K·Pa-1·s-1)

圖6 2018年(a～f)3月12日、(g～l)4月17日(a～c，g～i)0.5°仰角徑向速度及(d～f，j～l)各單體中心沿徑向剖面(圖6a和6g中的黑色直線為剖面)(a，d)17：46，(b，e)17：57，(c，f)18：03；(g，j)16：40，(h，k)16：51，(i，l)17：08Fig.6 (a-c， g-i) Radial velocity diagram at 0.5° elevation on (a-f) 12 March, (g-l) 17 April 2018 and (d-f， j-l) the radial cross-sections of the center of each cell(black line in Figs.6a, 6g： profile)(a, d) 17:46 BT, (b, e) 17:57 BT, (c, f) 18:03 BT; (g, j) 16:40 BT, (h, k) 16:51 BT, (i, l) 17:08 BT

4.2 單體合并過程的促進(jìn)作用

4.2.1 單體合并過程

除了強(qiáng)風(fēng)切變影響，小槽觸發(fā)的雹暴過程中單體合并過程是雹暴發(fā)展成強(qiáng)雹暴過程的重要因素。單體合并過程的上游回波為下游回波的發(fā)展提供了豐富的水汽、下沉出流等，促進(jìn)下游回波發(fā)展(侯淑梅等，2018b)。在強(qiáng)風(fēng)切變區(qū)域的單體合并有利于中低層對(duì)流運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)與向上發(fā)展(徐燕等，2018)。如圖7可知，整體的合并過程主要在合并前中期階段促進(jìn)降雹單體強(qiáng)回波中心向上發(fā)展，進(jìn)一步發(fā)展成為強(qiáng)雹暴過程。3月12日、4月17日個(gè)例具有單體合并現(xiàn)象。3月12日17：46合并中期，單體A、B、C外圍30 dBz回波已合并(圖8g)，整體以颮線形勢(shì)發(fā)展增強(qiáng)后，單體B、C在強(qiáng)風(fēng)切變區(qū)域的合并促進(jìn)著中低層對(duì)流運(yùn)動(dòng)發(fā)展，促使降雹單體C回波中心范圍增大、強(qiáng)度增強(qiáng)到55 dBz。4月17日是多個(gè)單體合并成強(qiáng)單體降雹的過程。16：51合并中期，強(qiáng)回波中心迅速發(fā)展，高度達(dá)到4 km(圖9e)，其余回波的下沉出流在主體回波后部形成入流，不同氣流的結(jié)合促進(jìn)主體對(duì)流的發(fā)展。17：08合并后期，降雹單體強(qiáng)回波中心可達(dá)到55 dBz(圖9h)。

圖7 2018年3月12日單體(a)A、(b)B、(c)C的40、45、50 dBz回波頂高隨時(shí)間變化Fig.7 Variations of the 40, 45, 50 dBz echo top heights of the individual (a) A, (b) B, (c) C with time on March 12 2018

4.2.2 單體合并過程雹暴回波特征

通過回波分析發(fā)現(xiàn)單體合并的影響主要體現(xiàn)在發(fā)展中期促進(jìn)雹暴進(jìn)一步發(fā)展階段，使得最終雹暴強(qiáng)度不同(表3)。利用較為穩(wěn)定發(fā)展的中后期雹暴回波特征提取的診斷指標(biāo)更具有代表性與適用性。3月12日發(fā)展中期，中高層輻散的抽吸作用加強(qiáng)上升氣流，17：34雹云向上伸展至-20℃以上，水成物粒子在-20℃～0℃高度左右不斷增長(zhǎng)，高空回波增強(qiáng)(圖8d,圖9d)。0.5°仰角上粒子識(shí)別圖中已觀察到低層存在霰粒子生成發(fā)展(圖10d)。成熟階段，合并過程為多單體的發(fā)展提供了能量，回波存在弱回波區(qū)等冰雹天氣發(fā)生的典型特征。粒子識(shí)別圖中也可看到雹云中有冰雹粒子的存在(圖10g)。4月17日16:51發(fā)展中期，3個(gè)塊狀回波合并成具有多個(gè)中心的單體繼續(xù)發(fā)展。氣旋式環(huán)流的形成促進(jìn)著強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，粒子識(shí)別圖中低層有雨和霰粒子的生成，有利于冰雹粒子的生成發(fā)展，在0℃以上強(qiáng)回波中心范圍迅速擴(kuò)張(圖8e,圖9e,圖10e)。6月11日15:01的發(fā)展中期，回波中心范圍、強(qiáng)度增強(qiáng)至55 dBz，在中低層小槽、切變、熱低壓共同影響下低層對(duì)流強(qiáng)烈發(fā)展，垂直方向上回波中心從低層向上發(fā)展(圖8f,8i；圖9f,9i)。由于0℃層高度較高，只有少量冰相粒子輸送至0℃以上發(fā)展生成冰雹粒子。粒子識(shí)別圖中低層大部分為雨，少量冰晶(圖10f)。如3個(gè)個(gè)例所示0℃ 以上的強(qiáng)回波特征與強(qiáng)降雹過程密切相關(guān)，可利用強(qiáng)回波中心與0℃層的關(guān)系診斷強(qiáng)雹暴個(gè)例。

圖8 (a，d，g，j)2018年3月12日、(b，e，h，k)2018年4月17日和(c，f，i，l)2019年6月11日各階段組合反射率Fig.8 Composite reflectivity graphs on (a， d， g， j) 12 March 2018, (b， e， h， k) 17 April 2018 and (c， f， i， l) 11 June 2019

圖9 同圖8，但為各階段反射率因子剖面(沿圖8中黑色直線)Fig.9 Same as Fig.8, but for reflectivity factor profiles (black lines in Fig.8) at various stages

圖10 同圖8，但為0.5°仰角粒子識(shí)別(RH：雨夾雹，HDG：高密度霰，LDG：低密度霰，CR：冰晶，AG：冰晶混合物，RN：雨，DZ：毛毛雨)Fig.10 Same as Fig.8, but for particle identification diagram of 0.5° elevation(RH:rain and hail, HDG:high-density hail, LDG:low-density hail, CR:ice crystal, AG:ice crystal mixture, RN:rain, DZ:drizzle)

表3 雹暴過程反射率因子特征Table 3 Characteristics of reflectivity factors during hailstorm

4.2.3 回波頂高與特殊層之間的特征

0℃層高度以上的強(qiáng)回波現(xiàn)象體現(xiàn)了上升氣流的強(qiáng)度，診斷強(qiáng)雹暴潛勢(shì)時(shí)考慮0℃高度與強(qiáng)回波的關(guān)系可有利于強(qiáng)雹暴的識(shí)別。這樣即使對(duì)流在發(fā)展后期強(qiáng)烈發(fā)展成強(qiáng)雹暴過程也能被準(zhǔn)確識(shí)別，并且不局限于單體合并促進(jìn)的強(qiáng)雹暴過程。當(dāng)根據(jù)貴州實(shí)際情況具體分析0℃層高度與強(qiáng)回波頂高的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)0℃層高度具有一定的季節(jié)變化。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)強(qiáng)回波頂高度隨著0℃層高度變化時(shí)，在0℃高度位于2 500 m時(shí)有明顯分段情況。利用小槽觸發(fā)的雹暴過程發(fā)展中后期強(qiáng)回波頂高(45～55 dBz)與0℃層高度相關(guān)性的分析得出45 dBz回波頂高度與0℃層高度顯著相關(guān)性更高，達(dá)到53.5%。因此在考慮強(qiáng)回波頂高度與0℃層高度關(guān)系時(shí)以0℃層高度是否超過2 500 m為界，45 dBz回波頂高度與0℃層高度關(guān)系得出相關(guān)診斷方法(表4)。當(dāng)H0≤2 500 m時(shí)，根據(jù)45 dBz回波頂高度與0℃層高度線性關(guān)系計(jì)算得出的線性方程，作為小槽觸發(fā)強(qiáng)雹暴過程的判據(jù)準(zhǔn)確性更高。當(dāng)H0>2 500 m時(shí)，回歸方程判斷強(qiáng)雹暴的正確率較低，此時(shí)可運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析得出的0℃層高度與45 dBz回波頂高度的差值來判別強(qiáng)雹暴過程。3個(gè)個(gè)例在通過上文中降雹潛勢(shì)判定后，利用表4中方法診斷只有3月12日個(gè)例滿足H45 dBz>Y，可判定其為強(qiáng)雹暴過程，診斷結(jié)果與實(shí)況一致。

表4 45 dBz回波頂高度與0℃層高度預(yù)警方法Table 4 Early warning methods of 45 dBz echo top height and 0℃ layer height

5 結(jié)論與討論

針對(duì)黔西山區(qū)小槽觸發(fā)的雹暴過程構(gòu)建了具有針對(duì)性的雹暴診斷方法，利用此方法對(duì)3個(gè)雹暴個(gè)例進(jìn)行分析，主要得出如下結(jié)論：

(1)確定個(gè)例為小槽觸發(fā)背景后，利用濕熱力垂直螺旋度大于0.8×10-3Pa·m3·K·kg-1·s-2的大值中心和水汽垂直螺旋度大于0.8×10-5kg-1·m3·Pa·s-2的大值中心與降雹地的對(duì)應(yīng)關(guān)系可初步確定強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)的降雹潛勢(shì)。在判定具有降雹潛勢(shì)后，利用熱力切變平流參數(shù)、45 dBz回波頂高度與0℃高度層關(guān)系閾值，可識(shí)別出強(qiáng)雹暴過程。

(2)從雹暴熱力、動(dòng)力條件著手識(shí)別，可避免將其他強(qiáng)對(duì)流過程看作是雹暴過程。對(duì)下午、晚上的雹暴過程在發(fā)展初期就可利用大尺度環(huán)流形勢(shì)特征和相關(guān)物理量閾值識(shí)別出具有降雹潛勢(shì)的個(gè)例。根據(jù)單體合并影響下的強(qiáng)雹暴過程回波特征，所選取回波指標(biāo)閾值對(duì)其他小槽觸發(fā)強(qiáng)雹暴過程同樣適用。

(3)此種診斷方法適用于貴州地區(qū)小槽觸發(fā)的雹暴過程，能準(zhǔn)確診斷出3個(gè)個(gè)例的降雹潛勢(shì)，并且識(shí)別出3月12日為強(qiáng)雹暴過程。對(duì)于診斷我國(guó)西南地區(qū)小槽觸發(fā)的雹暴過程也具有一定借鑒意義。

(4)本文主要針對(duì)小槽觸發(fā)雹暴進(jìn)行診斷分析，后續(xù)還將針對(duì)更多的雹暴類型對(duì)診斷方法進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)補(bǔ)充，以對(duì)不同雹暴過程更全面地診斷分析。文中在判別是否為小槽觸發(fā)雹暴過程時(shí)以主觀判別為主，今后將進(jìn)一步開展利用雹暴概念模型自動(dòng)判別雹暴環(huán)境條件特征的研究。