基于多源數(shù)據(jù)的湘北地區(qū)春季一次冰雹過程的觀測分析

朱家亮，潘江萍，邱麗靜，呂 淵

(1.湖南省長沙市氣象局，湖南 長沙 410006；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室，湖南 長沙 410000；3.湖南省邵陽縣氣象局，湖南 邵陽 422100;4.湖南省邵陽市氣象局，湖南 邵陽 422000)

0 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，冰雹、雷暴、大風(fēng)、龍卷等極端強(qiáng)對流天氣因突發(fā)性強(qiáng)、致災(zāi)嚴(yán)重而備受關(guān)注，如何提升強(qiáng)對流天氣的預(yù)報能力已經(jīng)成為氣象工作者關(guān)注的重點(diǎn)之一[1]。冰雹往往與對流風(fēng)暴相聯(lián)系，目前冰雹天氣的臨近預(yù)報主要是基于天氣雷達(dá)和氣象衛(wèi)星資料，綜合對流風(fēng)暴臨近預(yù)報、強(qiáng)對流天氣識別和實(shí)況觀測進(jìn)行[2]。隨著高分辨率數(shù)值模式和同化技術(shù)的發(fā)展，高分辨數(shù)值模式與雷達(dá)回波外推融合極大提高了冰雹預(yù)報的精細(xì)化水平并延長預(yù)報時效[3]。然而，當(dāng)前對于冰雹的短期預(yù)報還處于概率預(yù)報和危險等級預(yù)報階段，學(xué)界對冰雹形成的物理機(jī)制還不十分清楚，強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)的觸發(fā)和發(fā)展機(jī)制、小尺度的結(jié)構(gòu)特征仍是冰雹天氣研究中的難點(diǎn)問題[2]。在國內(nèi)，多普勒雷達(dá)當(dāng)前是冰雹云識別及預(yù)警的強(qiáng)有力工具[4]。隨著新型探測設(shè)備的發(fā)展，尤其是風(fēng)廓線雷達(dá)、地基微波輻射計等設(shè)備的應(yīng)用，為冰雹天氣研究提供了新的方向。近年來，研究人員通過對風(fēng)廓線雷達(dá)、地基微波輻射計資料的研究應(yīng)用，在暴雨[5-6]、臺風(fēng)[7]、雨雪天氣[8-9]、大霧[10-11]等天氣研究方面取得了一定成果。特別是在強(qiáng)對流天氣預(yù)報中，新型探測資料作為常規(guī)探測資料的補(bǔ)充，有著較好的應(yīng)用前景[12]。風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)資料可以反映出風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)和變化特點(diǎn)，從而判斷天氣系統(tǒng)的過境情況[13]。另外，風(fēng)廓線雷達(dá)資料還可以用于診斷強(qiáng)降水天氣，分析低空急流脈動與強(qiáng)降水的關(guān)系，負(fù)垂直速度與降水強(qiáng)度密切對應(yīng)[14-15]。研究發(fā)現(xiàn)，通過風(fēng)廓線雷達(dá)資料能夠反演出冷暖平流的分布形勢，進(jìn)而預(yù)測強(qiáng)對流的發(fā)展趨勢[16-17]。基于風(fēng)廓線雷達(dá)資料的特性和優(yōu)點(diǎn)，美國強(qiáng)風(fēng)暴中心通過風(fēng)廓線雷達(dá)監(jiān)測上游地區(qū)強(qiáng)風(fēng)和垂直風(fēng)切變，從而判斷下游地區(qū)出現(xiàn)有組織的超級單體的可能性[18-19]。微波輻射計通過監(jiān)測云中的溫度、濕度、液態(tài)水含量廓線，從而了解一些對流云的微物理變化特征。Revercomb et al[20]綜述了美國ARM(Atmospheric Radiation Measurement)實(shí)驗中使用微波輻射計探測有關(guān)水汽的研究背景與前景。微波輻射計資料還可以和閃電資料聯(lián)合估算對流性天氣中的降水量，且估算的降水量比僅用地閃資料估算準(zhǔn)確[21]。冰雹天氣研究中發(fā)現(xiàn)，地基微波輻射計探測到對流層內(nèi)溫度、水汽急劇變化特征可作為診斷強(qiáng)對流系統(tǒng)劇烈發(fā)展的參考依據(jù)[22]；利用地基微波輻射計資料計算出的大氣不穩(wěn)定指數(shù)，對強(qiáng)對流天氣有很好的指示[23]；地基微波輻射計探測的溫度廓線顯示，降水時段，云內(nèi)與環(huán)境平均溫差呈現(xiàn)出低層溫度遠(yuǎn)低于無降水環(huán)境的特點(diǎn)[24]?？梢?，地基微波輻射計資料在研究冰雹云微物理特征方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。此外，還有學(xué)者結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)資料與地基微波輻射計資料研究冰雹天氣，為新型探測資料應(yīng)用于冰雹監(jiān)測預(yù)警提供了經(jīng)驗[25-28]。

多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、地基微波輻射計具有連續(xù)獲取資料、數(shù)據(jù)時空分辨率高、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在強(qiáng)對流天氣研究中各有優(yōu)勢。以上研究多是基于某種探測資料，本文基于常規(guī)氣象資料、多普勒雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、地基微波輻射計等資料，通過分析2020年3月21日夜間湘北地區(qū)春季一次降雹過程的雷達(dá)回波演變、環(huán)境風(fēng)場變化和溫濕不穩(wěn)定特征，歸納冰雹天氣的短臨預(yù)報因子，探討冰雹形成的物理機(jī)制在新型探測資料中的體現(xiàn)，為今后冰雹天氣的預(yù)報預(yù)警和相關(guān)研究提供參考。

1 資料和數(shù)據(jù)檢驗

數(shù)據(jù)資料包括長沙綜合氣象觀測基地風(fēng)廓線雷達(dá)、地基微波輻射計、長沙新一代天氣雷達(dá)、湘潭新一代天氣雷達(dá)資料以及常規(guī)高空地面觀測資料。

由于強(qiáng)對流天氣發(fā)生前，風(fēng)廓線雷達(dá)所在測站無降水發(fā)生，高層大氣濕度小，3.5 km以上高度數(shù)據(jù)缺測，這里只對21日08時和20時3.5 km以下風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)與長沙探空數(shù)據(jù)進(jìn)行對比檢驗。21日08時(圖略)，風(fēng)向誤差<20 °的數(shù)據(jù)占比87.5%，風(fēng)速誤差<3 m·s-1的數(shù)據(jù)占比75%。21日20時(圖1)，風(fēng)向誤差<20 °的數(shù)據(jù)占75%，風(fēng)速誤差<3 m·s-1的數(shù)據(jù)占75%；500 m高度以上，風(fēng)廓線數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)的偏差很小。兩個時次誤差偏大的層次高度均為650 m以下，主要是受低層大氣湍流與探空漂移影響。因此，長沙站風(fēng)廓線雷達(dá)資料具有較高可靠性。

圖1 3月21日20時長沙探空資料與風(fēng)廓線雷達(dá)資料風(fēng)向(a)、風(fēng)速(b)對比Fig.1 Comparison of wind direction (a) and wind speed (b) between Changsha sounding data and wind profile radar data at 20:00 on March 21

2 天氣形勢

2.1 環(huán)流背景

2020年3月21日19時—22日05時，湘北地區(qū)的懷化、常德、益陽、岳陽、長沙等地13個縣市出現(xiàn)較大范圍冰雹、雷雨大風(fēng)、短時強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣，冰雹直徑2～3 cm，最大瞬時風(fēng)速達(dá)29.2 m·s-1，最大小時雨強(qiáng)為60.4 mm，降雹持續(xù)時間長，冰雹直徑大，破壞性強(qiáng)。風(fēng)雹天氣影響長沙時段為22日03時—04時。

21日08時，500 hPa中高緯為 “兩槽一脊”型環(huán)流，貝加爾湖以西至華北為脊前西北氣流，冷空氣隨西北氣流南下，南支槽活躍，江南大部為槽前暖濕西南氣流控制；同時，700～925 hPa江南大部西南急流旺盛，四川盆地東部有暖低渦，切變輻合區(qū)主要位于低渦東部川東—湘西北一線；地面圖上，貝加爾湖西南部有一冷高壓，冷鋒位于河套北部，盆地東部西南暖低壓發(fā)展，湖南大部處于低壓環(huán)流中。21日20時，南支槽分裂淺槽東出；700 hPa急流有所減弱，850～925 hPa急流加強(qiáng)；700～925 hPa切變線位于滇北—湘西—鄂東一線，輻合增強(qiáng)；冷空氣南下侵入地面倒槽，與暖濕偏南氣流在湘中以北地區(qū)形成輻合線。此外，當(dāng)日地面明顯升溫降壓，長沙站08—14時6 h變溫、變壓分別為10.2 ℃、-3.5 hPa。長沙站20時探空圖顯示(圖3)，溫濕曲線表現(xiàn)出典型的“上干下濕”喇叭口特征。20時前后，有對流單體在地面輻合線附近生成，湘北地區(qū)風(fēng)雹天氣開始。

圖3 3月21日20時長沙站探空圖Fig.3 The air sounding curve of Changsha station at 20:00 on March 21, 2020

2.2 環(huán)境條件分析

結(jié)合環(huán)流背景和探空資料可知，21日20時湘北地區(qū)具備產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣的多個有利條件。一是冷空氣南下，與南支槽前暖濕空氣交匯，受低空急流與切變線共同影響，水汽、動力條件好；二是地面暖低壓發(fā)展，增溫、降壓，冷空氣侵入倒槽，增強(qiáng)了大氣不穩(wěn)定性；三是低空急流強(qiáng)，垂直風(fēng)切變大， 0～6 km垂直風(fēng)切變達(dá)28 m·s-1，強(qiáng)的垂直風(fēng)切變環(huán)境有利于強(qiáng)對流風(fēng)暴的產(chǎn)生和發(fā)展；四是大氣存在很強(qiáng)的不穩(wěn)定能量與產(chǎn)生強(qiáng)對流的潛勢，長沙站20時CAPE值達(dá)1927.6 J·kg-1,K指數(shù)為38.3 ℃，SI指數(shù)為-2.9 ℃，T850-T500=27.3 ℃，有發(fā)生強(qiáng)雷暴的可能性。因此，對流風(fēng)暴在地面輻合線附近觸發(fā)產(chǎn)生后，在上述有利環(huán)境中獲得強(qiáng)烈發(fā)展。另外，干球溫度0 ℃層高度為4.2 km，-20 ℃層高度為7.2 km，適宜湘北地區(qū)降雹；670～400 hPa存在明顯干層，使得濕球溫度0 ℃層高度WBZ為3.8 km，明顯低于干球溫度0 ℃層高度，顯著降低了冰雹的融化層高度[29]。

圖2 3月21日20時高空影響系統(tǒng)綜合圖(實(shí)線為500 hPa等位勢高度線，紅色虛線為500 hPa等溫線，棕色線為500 hPa槽線，風(fēng)向桿為850 hPa水平風(fēng)場，紅色雙實(shí)線為850 hPa切變線，藍(lán)色箭頭為850 hPa急流)Fig.2 Comprehensive diagram of the high system affecting the time at 20:00 on March 21 (the solid line is equipotential height line of 500 hPa，the red dotted line is an isotherm of 500 hPa，the brown line is trough line of 500 hPa ,the wind direction pole is horizontal wind field of 850 hPa，The red double solid line is shear line of 850 hPa，The blue arrow is southwest jet stream of 850 hPa)

3 雷達(dá)回波分析

3.1 雷達(dá)回波演變

根據(jù)雷達(dá)回波演變發(fā)現(xiàn)，此次影響長沙的強(qiáng)對流天氣過程主要有3個階段，第1、第2階段為超級單體風(fēng)暴影響，伴有風(fēng)雹、短時強(qiáng)降水，第3階段為積層混合云降水，對流較弱。本節(jié)將從雷達(dá)反射率因子的變化，探究第1、第2階段對流風(fēng)暴的演變。

第1階段對流風(fēng)暴于21日19時10分在懷化北部生成，單體生成后以較快速度向東移動并發(fā)展。19時29分單體強(qiáng)回波中心呈圓形，強(qiáng)度達(dá)74 dBz，以圖4中A、B表示。20時32分，B減弱，A進(jìn)一步發(fā)展，強(qiáng)度增強(qiáng)，并出現(xiàn)明顯的“三體散射”回波特征。“三體散射”特征從20時26分—21時17分持續(xù)近50 min，對降雹具有很好的指示。21時52分，A從寧鄉(xiāng)北部自西向東影響長沙地區(qū)，此時對流風(fēng)暴分離為兩個中心，強(qiáng)度減弱，進(jìn)入消散階段。22時43分，A向東影響望城的過程中進(jìn)一步減弱，先后進(jìn)入長沙縣、瀏陽，于23時46分在瀏陽北部消散。A從初生至消散持續(xù)4 h左右，發(fā)展成熟階段位于安化、桃江境內(nèi)，致使影響地區(qū)出現(xiàn)風(fēng)雹天氣，進(jìn)入長沙境內(nèi)時已至減弱消散階段，以雷雨天氣為主。

圖4 第1階段風(fēng)暴雷達(dá)回波演變(長沙雷達(dá)站基本反射率，1.5°仰角)Fig.4 Evolution of radar echoes in the first stage of storm wether (basic reflectivity of Changsha radar station, 1.5 ° elevation angle)

第2階段(圖5)對流風(fēng)暴C于22時在張家界南部生成，風(fēng)暴D于22日00時在常德南部生成。C進(jìn)入常德西部時快速增強(qiáng)，00時41分出現(xiàn)“三體散射”特征，D增強(qiáng)。01時01分，C在常德南部發(fā)展成為具有顯著“三體散射”特征的超級單體。C、D向東移動，致使常德南部、益陽西部南部出現(xiàn)風(fēng)雹天氣。02時27分，D至寧鄉(xiāng)北部時，強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，C結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度減弱。02時50分，C在寧鄉(xiāng)境內(nèi)再次加強(qiáng)，D后側(cè)出現(xiàn)“V型缺口”。03時24分，C在影響寧鄉(xiāng)東部的過程中強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，再次降雹；D進(jìn)入長沙縣北部，強(qiáng)度有所減弱。03時47分，C影響長沙市區(qū)，帶來風(fēng)雹天氣，D進(jìn)入瀏陽西部，造成該地出現(xiàn)冰雹。04時27分，D繼續(xù)減弱，C強(qiáng)度有所增強(qiáng)。之后C、D向東偏南方向移動過程中減弱合并，于05時13分進(jìn)入江西境內(nèi)。從風(fēng)暴的發(fā)展演變可以看出，風(fēng)暴生命史5～7 h，C東移過程中經(jīng)歷了二次加強(qiáng)，在成熟階段均伴有風(fēng)雹天氣，D的成熟階段從益陽至瀏陽西部，風(fēng)暴連續(xù)降雹時間長達(dá)2 h。

圖5 第2階段風(fēng)暴雷達(dá)回波演變(長沙雷達(dá)站基本反射率，1.5°仰角)Fig.5 Evolution of radar echoes in the second stage of storm wether (basic reflectivity of Changsha radar station, 1.5 ° elevation angle)

3.2 典型回波特征

從上文中可知，在第1、第2階段的風(fēng)雹天氣過程中，對流風(fēng)暴A、C均表現(xiàn)出典型的“三體散射”特征，對冰雹預(yù)警具有很好的指示。如圖6a所示，21日21時06分風(fēng)暴A在桃江境內(nèi)時，雷達(dá)回波形態(tài)呈現(xiàn)出“三體散射”特征，并且在強(qiáng)回波中心南側(cè)有旁瓣回波。沿圖6a中直線作垂直剖面得到圖6b，從圖中可以看出，強(qiáng)回波結(jié)構(gòu)密實(shí)緊湊，伸展至9 km以上高度，對流發(fā)展強(qiáng)烈，強(qiáng)回波已經(jīng)接地，表明此時正在下冰雹，剖面圖上還出現(xiàn)回波墻，強(qiáng)回波頂下方有弱回波區(qū)。徑向速度圖上(圖6c)，探測到氣旋性“中氣旋”，最大旋轉(zhuǎn)速度達(dá)17 m·s-1。該時刻垂直累積液態(tài)含水量達(dá)60 kg·m-2(圖6d)，異常偏大的 VIL也反映了云中含有大冰雹。

圖6 21日21時06分長沙雷達(dá)站雷達(dá)綜合圖(a：1.5°仰角基本反射率，b：基本反射率剖面，c：1.5°仰角徑向速度，d：垂直累積液態(tài)含水量)Fig.6 Comprehensive radar map of Changsha radar station at 21:06 on the 21st (a: basic reflectance at 1.5 ° elevation angle, b: basic reflectance profile, c: radial velocity at 1.5 ° elevation angle, d: vertical cumulative liquid water content)

超級風(fēng)暴成熟階段，在其后部常有一支干空氣卷入，受其影響，風(fēng)暴后部雨滴蒸發(fā)，在雷達(dá)回波上表現(xiàn)為一個“V型缺口”，因而“V型缺口”也常作為冰雹預(yù)警的有效參考指標(biāo)。22日02時50分，風(fēng)暴D影響望城，基本反射率圖上，強(qiáng)回波后側(cè)出現(xiàn)“V型缺口”(圖7a)；垂直剖面圖顯示，強(qiáng)回波接地，存在回波墻與弱回波區(qū)，由于風(fēng)暴距離雷達(dá)較近，風(fēng)暴上部靠近雷達(dá)一側(cè)為靜錐區(qū)(圖7b)；對應(yīng)時刻同仰角的徑向速度上，風(fēng)暴后部有一支后入急流與 “V型缺口”對應(yīng)，中心風(fēng)速達(dá)20 m·s-1，后側(cè)入流強(qiáng)(圖7c)；降雹概率曲線顯示，大小冰雹的概率均為100%(圖7d)，垂直累積液態(tài)含水量超過60 kg·m-2(圖略)，綜合多種數(shù)據(jù)均指示風(fēng)暴已出現(xiàn)大冰雹。

圖7 22日02時50分長沙雷達(dá)站雷達(dá)綜合圖(a：3.4°仰角基本反射率，b：基本反射率剖面，c：3.4°仰角徑向速度，d：降雹概率)Fig.7 Comprehensive radar map of Changsha radar station at 02:50 on the 22nd (a: basic reflectance at 3.4° elevation angle, b: basic reflectance profile, c: radial velocity at 3.4 ° elevation angle, d: hail probability)

此次風(fēng)雹過程的一個特點(diǎn)是出現(xiàn)較大范圍的大風(fēng)，長沙城區(qū)大風(fēng)出現(xiàn)時間為22日03時27—56分。由于長沙雷達(dá)站海拔高度為636.2 m，湘潭雷達(dá)站海拔高度為200.1 m，距離長沙城區(qū)小于50 km，因此使用湘潭雷達(dá)低仰角徑向速度產(chǎn)品監(jiān)測長沙城區(qū)可能出現(xiàn)的大風(fēng)更為準(zhǔn)確。03時01分，0.5～3.4°仰角在望城出現(xiàn)一個大于20 m·s-1的大風(fēng)速核。圖8顯示，03時12—41分低仰角大風(fēng)速核自西北向東南方向影響長沙，隨著高空動量下傳，導(dǎo)致地面出現(xiàn)大風(fēng)?？梢姡舜未箫L(fēng)天氣，根據(jù)低仰角徑向大風(fēng)速核預(yù)警地面大風(fēng)，提前量為0.5～1 h。

圖8 22日03時12—41分湘潭雷達(dá)站0.5°仰角徑向速度圖Fig.8 Xiangtan Radar Station's radial velocity diagram at elevation angle of 0.5 ° from 03:12 to 03:41 on the 22nd

4 風(fēng)廓線雷達(dá)

4.1 水平風(fēng)場

風(fēng)廓線雷達(dá)的優(yōu)勢之一是可以連續(xù)進(jìn)行自動觀測，進(jìn)而獲得測站上空的風(fēng)場演變。21日08時—22日02時30分，500～1000 m有超低空急流，急流強(qiáng)度有階段性變化。具體變化為：08時—11時30分，超低空急流最大風(fēng)速達(dá)24 m·s-1，11時30分—17時30分，超低空急流有所減弱(圖略)；17時30分—22日00時(圖9中橢圓范圍)，超低空急流再次加強(qiáng)至20 m·s-1以上；00時至風(fēng)暴影響測站前，超低空急流減弱至10～12 m·s-1；風(fēng)暴影響及之后，超低空急流消失。另外，中層風(fēng)場在風(fēng)暴演變過程中也表現(xiàn)出一定特征，22時，3.5 km高空有一支西北氣流，表明中層有干侵入，至風(fēng)暴影響前，干侵入從3.5 km高度向下傳遞至2 km高度(圖9中箭頭)，為降雹提供有利條件。風(fēng)暴影響過程中(圖9中方框處)，風(fēng)場零亂，并出現(xiàn)較多數(shù)據(jù)缺測。風(fēng)暴移出后，數(shù)據(jù)回歸完整，2 km高度以下為一致的偏北風(fēng)，地面鋒面過境。可見，超低空急流在風(fēng)暴影響前的再次加強(qiáng)，加強(qiáng)了水汽的輸送與不穩(wěn)定能量，對風(fēng)暴的加強(qiáng)發(fā)展有重要貢獻(xiàn)；風(fēng)暴影響前，超低空急流減弱，中層干侵入向低層傳導(dǎo)較風(fēng)暴提前1.5 h，可為此次風(fēng)雹的臨近預(yù)報提供參考。

圖9 21日16時—22日08時長沙站風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場演變Fig.9 Evolution of wind profile radar horizontal wind field in Changsha from 16:00 on the 21st to 08:00 on the 22nd

4.2 垂直速度

在有云或降水時，風(fēng)廓線雷達(dá)探測到的垂直速度是云中粒子或降水粒子與大氣的垂直運(yùn)動速度之和。楊明引等[12]研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)廓線雷達(dá)資料反演的垂直速度大小隨高度波動大時，說明在大氣不同層次之間熱力或動力差異較大，預(yù)示著此對流風(fēng)暴可能伴有龍卷或冰雹等強(qiáng)對流天氣。22日02時36分—05時，垂直速度隨高度的波動比較大，其余時段無明顯波動。風(fēng)暴影響前(02時36分—03時)，垂直速度在0.5～1.5 km高度出現(xiàn)波動，最大速度差為1.7 m·s-1。風(fēng)暴影響測站至降雹前(03時—03時30分)，波動上升至4～5.5 km高度，最大速度差增大至4.5 m·s-1，低層波動減弱；降雹階段(03時30—42分)，4.5～5.5 km維持較大波動，4.5 km高度以下低層出現(xiàn)較多數(shù)據(jù)缺失，整層最大速度差達(dá)7.5 m·s-1；降雹結(jié)束至風(fēng)暴影響結(jié)束(03時42分—05時)，主要波動位于3 km以下，最大速度差達(dá)7.3 m·s-1，高層波動減弱，波動最后在2 km高度消失。據(jù)此，風(fēng)暴影響前0.5 h低層垂直速度出現(xiàn)波動，并向上傳導(dǎo)可以作為強(qiáng)對流天氣預(yù)報的參考。

5 地基微波輻射計

5.1 溫度剖面

地基微波輻射計監(jiān)測顯示(圖10)，21日12—16時，2 km以下大氣顯著增溫，夜間整層大氣溫度呈緩慢下降趨勢，至風(fēng)雹發(fā)生前40 min等溫線降至最低。風(fēng)暴影響階段，由于冰雹云中上升氣流強(qiáng)盛，將底層空氣的感熱和潛熱向上輸送，導(dǎo)致等溫線向上凸起。風(fēng)雹結(jié)束后整層大氣溫度又降至風(fēng)暴影響前的狀態(tài)，22日08—10時雖然有一定對流發(fā)展，溫度曲線仍然有所下降，是由于冷空氣的侵入造成。

圖10 21日12時—22日12時長沙站地基微波輻射計高空溫度曲線Fig.10 The high-altitude temperature curve of the microwave radiometer in Changsha from 12:00 on the 21st to 12:00 on the 22nd

5.2 相對濕度

從相對濕度的變化上看(圖11)，21日18時開始，2 km高度存在一個較大濕度帶，22時前大氣維持上干下濕的特征，23時濕度帶向上擴(kuò)展至3 km高度，濕度進(jìn)一步增大。風(fēng)雹開始前相對濕度出現(xiàn)躍升，風(fēng)雹過程中90%相對濕度區(qū)伸展至8 km高度，6 km高度有100%水汽飽和中心，水汽向上輸送強(qiáng)烈。在風(fēng)雹過后，近地面濕度維持飽和狀態(tài)，高空濕度迅速下降。在第3階段影響過程中，高空相對濕度出現(xiàn)另一個波峰，水汽飽和區(qū)出現(xiàn)在4～10 km高度。另外，22日03時前后3～6 km高度相對濕度曲線有一個顯著向下波動時段，也指示中層有干侵入。

圖11 21日12時—22日12時長沙站地基微波輻射計高空相對濕度曲線Fig.11 High altitude relative humidity curve of microwave radiometer in Changsha from 12:00 on the 21st to 12:00 on the 22nd

5.3 不穩(wěn)定指數(shù)

大氣不穩(wěn)定是對流發(fā)展的重要條件，地基微波輻射計反演的大氣狀態(tài)指數(shù)的變化顯示，K指數(shù)與TT指數(shù)(總指數(shù))呈同趨勢變化(圖12)。21日14—22時處于低值階段，22時后開始上升，K指數(shù)在風(fēng)雹影響前1 h出現(xiàn)躍升，從28 ℃上升至32 ℃，風(fēng)雹開始時刻出現(xiàn)第2次躍升，從32 ℃躍升至36 ℃，風(fēng)雹過程中處于峰值，K指數(shù)突降時刻比風(fēng)暴結(jié)束時刻晚1 h?？傊笖?shù)只在風(fēng)雹過程中出現(xiàn)1次躍升，風(fēng)暴過后下降不明顯，對強(qiáng)對流天氣預(yù)警的靈敏度低于K指數(shù)。

圖12 21日12時—22日12時長沙站地基微波輻射計K指數(shù)與TT指數(shù)Fig.12 K index and TT index of microwave radiometer in Changsha from 12:00 on the 21st to 12:00 on the 22nd

6 小結(jié)

①此次強(qiáng)對流天氣是發(fā)生在南下冷空氣與南支槽前暖濕空氣交匯的背景下，中低層的急流與切變線提供有利的水汽及動力條件，地面暖低壓發(fā)展，偏南風(fēng)加強(qiáng)情況下，增溫增濕明顯，積蓄了充足的不穩(wěn)定能量，地面輻合線觸發(fā)產(chǎn)生對流。

②強(qiáng)對流天氣過程主要有3個階段，第1、第2階段為超級單體風(fēng)暴影響，伴有風(fēng)雹、短時強(qiáng)降水，第3階段為積層混合云降水。對流風(fēng)暴發(fā)展演變過程中表現(xiàn)中典型的“三體散射”“V型缺口”特征；徑向速度圖上，成熟階段有中氣旋與之相伴；垂直累積液態(tài)含水量、低仰角大風(fēng)速核對冰雹和大風(fēng)的預(yù)警有很好的指示。

③風(fēng)廓線雷達(dá)反演了風(fēng)暴過程中的風(fēng)場變化，風(fēng)暴影響前，超低空急流增強(qiáng)并在風(fēng)暴臨近時減弱，中層有干侵入，利于風(fēng)暴的加強(qiáng)；風(fēng)暴影響前0.5 h低層垂直速度開始出現(xiàn)波動，并向上傳導(dǎo)，降雹階段垂直速度波動達(dá)到最大。

④地基微波輻射計監(jiān)測顯示，風(fēng)暴影響階段高空等溫線向上隆起，相對濕度、大氣不穩(wěn)定指數(shù)出現(xiàn)躍升和突降；風(fēng)暴影響前4 h，1.5～3 km高度濕度增大，與超低空急流的增強(qiáng)相聯(lián)系；K指數(shù)與TT指數(shù)的變化趨勢接近一致，K指數(shù)在風(fēng)暴影響前出現(xiàn)第2次躍升，預(yù)警靈敏度高于TT指數(shù)。