孤立單體中雹胚生長(zhǎng)物理過程分析

趙梓利， 周筠珺,2*， 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.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 210044； 3.貴州省人工影響天氣辦公室， 貴陽 550081)

冰雹是一種強(qiáng)對(duì)流條件下發(fā)生的固體降水現(xiàn)象，具有局地性強(qiáng)，歷時(shí)短，受地形影響顯著，強(qiáng)度大的特點(diǎn)，常伴隨著狂風(fēng)、暴雨等天氣過程。貴州威寧位于云貴高原和斜坡過渡帶的核心地域，地形和地理位置的特殊造成冷暖空氣在此交匯頻繁，冰雹災(zāi)害頻發(fā)，每年給農(nóng)業(yè)、交通等方面帶來巨大的損失。

大量研究表明，90%以上的冰雹過程發(fā)生在對(duì)流云中，貴州地區(qū)對(duì)流云有混合相云特征，具有高層為冰晶和雪，中層為云水和霰粒子，低層為雨水的微物理結(jié)構(gòu)[1-5]。因強(qiáng)烈的上升氣流，暖性液態(tài)粒子從低層被帶至中層及以上，形成過冷云雨水[6]。過冷云雨水因溫度降低而被凍結(jié)，形成的凍滴和霰粒子是雹胚的主要來源[7]。因雹暴的發(fā)展階段中霰粒子的生成速度大于凍滴的生成速度，故約79%的雹胚為霰粒子，霰粒子多在冰雹關(guān)鍵區(qū)的下層大量形成冰雹[8-11]。在霰粒子的形成中，除了極為重要的云滴淞附[12-13]，過冷雨滴的碰凍、霰粒子對(duì)云雨滴的碰并也是主要的方式[14]。

雹暴內(nèi)部的微物理特征及其動(dòng)力過程緊密相關(guān)，且與地面降雹分布有著直接影響。目前，已有眾多學(xué)者對(duì)雹胚演變等微物理特征進(jìn)行了相關(guān)研究。利用三維冰雹云模式對(duì)冰雹天氣進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出冰雹的微物理過程以霰粒子的轉(zhuǎn)化增長(zhǎng)為主[15-16]。采用中尺度數(shù)值模式對(duì)浙江省的一次冰雹天氣過程數(shù)值模擬，得出霰粒子及冰雹的產(chǎn)生和增長(zhǎng)與雹云內(nèi)的過冷雨水累積帶密切相關(guān)[17]。實(shí)例中對(duì)貴州一次強(qiáng)冰雹天氣過程進(jìn)行分析，表明識(shí)別到冰雹落區(qū)與實(shí)際降雹落區(qū)基本一致，但沒有完整的微物理過程分析[18]。

上述研究主要利用模式模擬雹暴中雹胚的演變研究較為廣泛，對(duì)實(shí)例中雹胚的演變及分布特征研究相對(duì)較少。實(shí)例中的分析研究也主要是對(duì)強(qiáng)回波雹暴某個(gè)階段，對(duì)孤立單體中霰粒子等水成物粒子在三個(gè)階段里的連續(xù)變化的大小及分布等特征的研究則更為不足。

針對(duì)上述問題，利用2018年貴州威寧的X波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)，結(jié)合探空數(shù)據(jù)和ERA5逐小時(shí)再分析數(shù)據(jù)，使用模糊邏輯相態(tài)識(shí)別算法，探測(cè)實(shí)例中雹暴內(nèi)部的垂直結(jié)構(gòu)，對(duì)孤立單體的水成物粒子特別是霰粒子的演變進(jìn)行更為全面的分析，以探討在復(fù)雜地形背景下孤立單體中霰粒子的演變特征，為防雹作業(yè)中能準(zhǔn)確識(shí)別到霰粒子和冰雹提供理論支撐。

1 數(shù)據(jù)

采用貴州省威寧縣雪山鎮(zhèn)(27.05°N，104.08°E)的雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)，雷達(dá)采用雙發(fā)雙收的模式，可得到包含75 km內(nèi)反射率ZH、徑向速度V、差分反射率ZDR、差分傳播相移率KDP和零延遲相關(guān)系數(shù)ρHV等數(shù)據(jù)，單個(gè)體掃時(shí)間為6 min。

2 方法

在使用雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行粒子識(shí)別前，進(jìn)行退折疊、濾波以及衰減訂正等預(yù)處理[19-20]。模糊邏輯算法中選擇ZH、ZDR、KDP、ρHV4個(gè)偏振參數(shù)以及由海平面高度代替的溫度參數(shù)T，采用不對(duì)稱T型函數(shù)和最大集成法來對(duì)水成物粒子進(jìn)行識(shí)別[21-22]，識(shí)別結(jié)果可分為毛毛雨(DZ)、雨(RN)、聚合物(AG)、冰晶(CR)、低密度霰(LDG)、高密度霰(HDG)、冰雹(RH)，其中低密度霰粒子密度為大于0.25 g/cm3和不大于0.55 g/cm3，高密度霰粒子密度為大于0.55 g/cm3和小于0.9 g/cm3。因霰粒子的直徑為大于0.5 mm和小于5 mm，小冰雹的直徑為大于5 mm和小于20 mm，兩種粒子相似的特性使得數(shù)據(jù)區(qū)分較為不易，故將霰粒子和小冰雹兩種粒子歸為一類[23]。

為更好地了解雹暴在垂直方向上的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)雹暴進(jìn)行剖面分析，但缺少RHI數(shù)據(jù)，使用了Barnes插值方法對(duì)14層雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值[24]。冰雹多出現(xiàn)在強(qiáng)反射率區(qū)域，選取剖面時(shí)考慮組合反射率最強(qiáng)的方向。

3 實(shí)例分析

在0 ℃和-20 ℃層高度較為適宜時(shí)，冰雹更容易發(fā)生在這區(qū)域內(nèi)。從2018年貴州威寧地區(qū)18個(gè)雹暴實(shí)例中選取5個(gè)孤立單體實(shí)例，從探空數(shù)據(jù)中得到的實(shí)例具體溫度對(duì)應(yīng)高度層，以雷達(dá)天線海拔高度作為地面海拔高度，插值可得到0 ℃和-20 ℃溫度層對(duì)應(yīng)海拔高度，5個(gè)孤立單體實(shí)例基本信息及插值得到的溫度對(duì)應(yīng)高度層如表1所示。孤立單體0 ℃層高度在4.06～5.16 km，低層水汽到達(dá)此高度后為冰雹的形成提供水汽條件。-20 ℃層高度分布在7.27～8.52 km，可得到0～-20 ℃層厚度為3.08～3.36 km，為降雹提供了較為適宜的條件。

2018年3月30日的0 ℃層高度為4.06 km，是5個(gè)孤立單體實(shí)例中0 ℃層高度中最低的一個(gè)實(shí)例，0～-20 ℃層厚度也較為適中，雹暴過程中也識(shí)別出較多冰雹，因此，接下來對(duì)3月30日的個(gè)例進(jìn)行霰粒子在3個(gè)階段的演變特征分析。

表1 威寧孤立單體溫度層對(duì)應(yīng)高度層Table 1 Temperature layer corresponding to altitude layer of isolated monomer in Weining

3.1 背景場(chǎng)分析

2018年3月30日雪山雷達(dá)站東北部有一個(gè)對(duì)流單體形成并向東發(fā)展，于16：55—17：06降雹。由2018年03月30日威寧20:00的T-lnp(T為溫度，p為氣壓)圖[圖1(a)]可知，抬升指數(shù)(LI)為-3.64 ℃，濕對(duì)流有效位能(CAPE)為441.99 J/kg，氣層不穩(wěn)定性增加，存在產(chǎn)生對(duì)流天氣的環(huán)境潛在能量。由500 hPa環(huán)流形勢(shì)圖[圖1(b)]可知，威寧西部存在一低壓，高原地區(qū)小槽東移，觸發(fā)威寧對(duì)流發(fā)展，穩(wěn)定的冷空氣輸送使小槽維持并發(fā)展。750 hPa中威寧西部有西南低渦，高層冷空氣與底層暖濕空氣交匯，為形成不穩(wěn)定層結(jié)提供有利條件。

紅點(diǎn)為雪山雷達(dá)站位置；等值線表示500 hPa位勢(shì)高度圖1 2018年3月30日威寧站20:00的T-lnp圖以及 16:00的500 hPa環(huán)流形勢(shì)圖Fig.1 T-lnp diagram at 20:00 and 500 hPa circulation pattern diagram at 16:00 at Weining Station on March 30, 2018

近地面(777 hPa)的2.236 km海拔高度處溫度為12.8 ℃，對(duì)流層中層(500 hPa)5.78 km海拔高度處溫度為-11.5 ℃，300 hPa海拔高度為9.53 km，溫度為-32.3 ℃，對(duì)流層高層(200 hPa)12.25 km海拔高度處溫度為-55.3 ℃，具體溫度層海拔高度和離地高度如表2所示。

表2 2018年3月30日溫度層對(duì)應(yīng)高度Table 2 Corresponding altimeter of temperature layer on March 30, 2018

2018年3月30日雪山雷達(dá)站東北部有一單體于16：27時(shí)刻生成，并逐漸向東發(fā)展，其雹暴演變過程如圖2所示。其中，16：38時(shí)刻單體內(nèi)高反射率區(qū)域分布更加集中，16：49時(shí)刻單體內(nèi)出現(xiàn)大于45 dBZ區(qū)域。16：55時(shí)刻單體內(nèi)出現(xiàn)了大于55 dBZ的大值區(qū)域，開始降雹，在降雹過程中，單體內(nèi)組合反射率仍然較高。17：12時(shí)刻，組合反射率也較成熟時(shí)期降低，單體開始衰減。17：29時(shí)刻，高反射率區(qū)域體積進(jìn)一步減小，單體移出威寧。

頻率調(diào)制(FM)是角度調(diào)制的一種，用低頻調(diào)制信號(hào)調(diào)整載波的瞬時(shí)頻率，即載波的瞬時(shí)頻率攜帶低頻調(diào)制信號(hào)信息。FM 最常用于廣播和電視。事實(shí)上，工作在88MHz 到108MHz 的FM 廣播就是使用FM 調(diào)制方式傳輸音頻信號(hào)。模擬電視也使用了FM 調(diào)制。0～72 頻道的電視臺(tái)使用了從54MHz 到825MHz 的不同頻帶。這些頻帶將用于各種技術(shù)，其中也包括FM 廣播。

3.2 雹暴過程分析

3.2.1 發(fā)展階段

雹暴發(fā)展階段為16：44時(shí)刻和16：49時(shí)刻，其反射率剖面、粒子剖面和徑向速度圖如圖3所示。在16：44時(shí)刻，X波段雷達(dá)測(cè)得該單體內(nèi)距雷達(dá)約18 km，最大回波強(qiáng)度(MEI)為43.6 dBZ，單體內(nèi)反射率大于40 dBZ區(qū)域出現(xiàn)在高度1～4 km。0 ℃高度層以下多為RN和DZ，0 ℃～-20 ℃高度層內(nèi)多分布AG，其數(shù)量為3 154庫。SWA遇到AG會(huì)在其表面形成冰層，不斷累積，形成HDG，HDG數(shù)量為283庫，分布在高度1～2 km處。在溫度更低的-20 ℃高度層以上，冰核粒子通過吸附過冷云滴增長(zhǎng)，形成CR，其數(shù)量為4 126庫，分布在高度4～7 km處。CR部分通過貝吉龍過程形成AG，部分淞附過冷云滴形成LDG，其數(shù)量為915庫，分布在高度3～6 km。

圖2 2018年3月30日雹暴單體的演變過程Fig.2 Evolution process of hailstorm cells on March 30, 2018

在16：49時(shí)刻，MEI為54.2 dBZ，0 ℃溫度層以上出現(xiàn)了大于50 dBZ的區(qū)域，高反射率區(qū)域明顯向上延伸。近地面氣流輻合上升，過冷水增多較為明顯，AG數(shù)量減少13%，SWA遇AG形成的HDG增長(zhǎng)較快，其數(shù)量為700庫，SWA有一累積區(qū)[圖3(d)黑框]，分布于0～-10 ℃高度層。LDG數(shù)量緩慢增長(zhǎng)19%，分布區(qū)域較為集中，此時(shí)刻有微量RH生成，其數(shù)量為78庫，分布在高度2～4 km。

3.2.2 成熟階段

雹暴成熟階段為16：55時(shí)刻、17：01時(shí)刻和17：06時(shí)刻，其反射率剖面、粒子剖面和徑向速度圖如圖4所示。在16：55時(shí)刻，MEI為61.6 dBZ，大于40 dBZ的回波頂高達(dá)到6 km，反射率大于55 dBZ的區(qū)域增多，強(qiáng)反射率區(qū)域位置進(jìn)一步向上延伸。地面輻合梯度增大，上升氣流增強(qiáng)。LDG的增長(zhǎng)83%，分布于高度3～7 km處。該時(shí)刻有識(shí)別出較多的RH，其數(shù)量為721庫，分布于0～6 km高度處。部分HDG轉(zhuǎn)化為RH，部分HDG落入0 ℃以下，在降落過程中融化成雨，因此HDG數(shù)量增加緩慢，其數(shù)量為787庫，分布于0～2 km高度。

在17：01時(shí)刻，MEI為55.4 dBZ，反射率大于55 dBZ的區(qū)域明顯減少，強(qiáng)反射率區(qū)域位置也有所回縮。HDG減少40%，表明HDG轉(zhuǎn)化成RH的消耗速率大于HDG的生成速率。SWA累積區(qū)依舊存在，分布在0 ℃和-10 ℃層高度間。LDG消耗速率小于增加速率，其數(shù)量增長(zhǎng)為2 360庫，消耗LDG形成RH，RH形成后通過碰并SWA以及吸附AG、CR等水成物粒子進(jìn)行增長(zhǎng)，其數(shù)量減少為499庫。

在17：06時(shí)刻，MEI為55.7 dBZ，大于50 dBZ的反射率區(qū)域略有增加。HDG緩慢增長(zhǎng)，降落時(shí)融化成雨造成的降雨進(jìn)一步增強(qiáng)。CR減少15%，同時(shí)LDG略有減少，表明CR的變化對(duì)LDG的形成有一定影響。RH數(shù)量達(dá)到675庫，分布于0～5 km高度。

圖3 2018年3月30日16：44、16：49時(shí)刻反射率和粒子識(shí)別結(jié)果剖面圖(25°、27°)以及1.45°和10°仰角徑向速度圖Fig.3 Reflectance and particle recognition results profiles (25°, 27°) and radial velocity diagrams of elevation angles of 1.45° and 10° at 16:44 and 16:49 on March 30, 2018

圖4 2018年3月30日16：55、17：01、17：06時(shí)刻反射率和粒子識(shí)別結(jié)果剖面圖(29°、32°、33°)以及1.45°和10°仰角的徑向速度圖Fig.4 Reflectance and particle recognition results profiles (29°, 32°, 33°) at 16:55, 17:01, 17:06 on 30 March 2018, as well as radial velocity diagrams at elevation angles of 1.45°and 10°

3.2.3 消散階段

雹暴消散階段為17：12時(shí)刻和17：18時(shí)刻，其反射率剖面、粒子剖面和徑向速度圖如圖5所示。在17：12時(shí)刻，MEI為57.4 dBZ，大于50 dBZ的反射率區(qū)域較小，高反射率區(qū)域回縮，大于40 dBZ的回波頂高降至約4 km，近地面輻合減弱。RH減少，其數(shù)量為579庫，消耗LDG的速度減緩，造成LDG堆積，LDG數(shù)量增加一層。生成HDG的AG減少15%，生成的HDG略大于消耗的HDG，HDG其數(shù)量有所增加，為736庫。

在17：18時(shí)刻，反射率大于30 dBZ的區(qū)域減少，分布在0～5 km高度。LDG數(shù)量減少四成，分布于高度3～5 km。HDG略有減少，其數(shù)量為659庫，RH減少71%。

4 雹暴微物理分析

對(duì)3個(gè)階段的關(guān)鍵粒子數(shù)量分層統(tǒng)計(jì)并取平均值，求得4種關(guān)鍵粒子在3個(gè)階段的高度分布，如圖6所示。LDG分布于3～7 km，在3個(gè)階段數(shù)量都較多，其中發(fā)展階段較其他兩個(gè)階段少，數(shù)量最大值位于略低于-20 ℃高度。HDG分布于0～3 km，發(fā)展階段的數(shù)量少于其他兩個(gè)階段，其最大值位于0 ℃高度。SWA分布于1～4 km，發(fā)展階段的數(shù)量少于其他兩個(gè)階段，其最大值位于0～-10 ℃高度層內(nèi)。

3個(gè)階段中RH的分布高度有所不同，在發(fā)展階段分布2～5 km，數(shù)量較少。在成熟階段，RH分布于0～6 km，在3～4 km分布數(shù)量較多，這表示RH或生成于該高度層，或被上升氣流帶至此。在消散階段，RH也分布于0～6 km，在2～3 km分布數(shù)量較多，數(shù)量較多區(qū)域高度較成熟階段有所下降。

圖5 2018年3月30日17：12、17：18時(shí)刻反射率、粒子識(shí)別結(jié)果剖面圖(35°、37°)和1.45°、10°仰角的徑向速度Fig.5 Reflectance and particle recognition results profiles (35°, 37°) and radial velocity diagrams of elevation angles of 1.45° and 10° at 17:12 and 17:18 on March 30, 2018

圖6 雹暴3個(gè)階段關(guān)鍵粒子高度分布Fig.6 Height distribution of key particles at three stages of hailstorm

本次雹暴過程中部分水成物粒子隨時(shí)間的變化如圖7所示。當(dāng)RH大幅增加時(shí)，HDG增長(zhǎng)減緩，LDG增長(zhǎng)較快。16：55時(shí)刻，HDG由增多轉(zhuǎn)為減少時(shí)，RH數(shù)量達(dá)到最大值。至17：01時(shí)刻，生成RH的HDG消耗速率大于HDG生成速率時(shí)，RH降落地面產(chǎn)生降雹。至17：06時(shí)刻，LDG消耗速率大于LDG生成速率時(shí)，LDG略有減少，RH持續(xù)降落。進(jìn)入消散階段后，生成RH這一過程減慢，單體對(duì)流減弱。

淺綠、淺灰、淺粉的背景色調(diào)分別表示雹暴的發(fā)展階段、 成熟階段和消散階段圖7 2018年3月30日雹暴過程中部分水成物粒子隨 時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.7 Variation trend of hydrometeors in the middle of hailstorm on March 30, 2018 with time

以本次雹暴第一個(gè)時(shí)刻作為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算雹暴過程中其他時(shí)刻關(guān)鍵粒子的每分鐘變化率，如圖8所示。在16：49—17：01，HDG的變化率減小，LDG的變化率增大，表明在該時(shí)間段內(nèi)，HDG對(duì)RH的生成有其貢獻(xiàn)。而17：55—17：06，LDG的變化率減小，HDG的變化率增大，表明LDG也對(duì)RH的生成有一定影響。但從整個(gè)降雹階段分析，LDG數(shù)量整體上呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而HDG數(shù)量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，所以本次雹暴過程HDG為RH的主要來源。

圖8 2018年3月30日雹暴過程中關(guān)鍵粒子每分鐘變化率Fig.8 Change rates of key particles per minute during the hail storm on March 30, 2018

結(jié)合反射率以及水成物粒子識(shí)別剖面圖，分析可得雹暴各個(gè)階段的特征。發(fā)展階段：有少量RH存在，RH下方即為SWA累積區(qū)，HDG和LDG圍繞著RH和SWA累積區(qū)。成熟階段：回波頂升高，RH關(guān)鍵區(qū)和SWA累積區(qū)對(duì)應(yīng)著反射率高值區(qū)，LDG迅速增加，上升氣流將HDG帶往SWA累積區(qū)形成RH是本次過程成雹的主要機(jī)制。消散階段：回波頂與反射率高值區(qū)都回縮，SWA累積區(qū)高度降至0 ℃高度，HDG、LDG和RH下降融化。

通過對(duì)本次雹暴微物理分析，可得出孤立單體的水成物粒子在垂直方向上的分布與Dolan等[25]的研究結(jié)果基本一致[25]。結(jié)合雹暴過程中的微物理特征，可建立孤立單體雹暴過程中3個(gè)階段的概念模型，如圖9所示。

圖9 雹暴概念模型Fig.9 Conceptual model of hailstorm

5 結(jié)論

利用探空數(shù)據(jù)、再分析數(shù)據(jù)，結(jié)合雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)，使用模糊邏輯相態(tài)識(shí)別算法，對(duì)2018年3月30日雹暴過程進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

(1)5個(gè)孤立單體實(shí)例的0 ℃層高度高至5.16 km，低至4.06 km，0～-20 ℃層厚度分布在3.08～3.36 km，低層液態(tài)粒子易到達(dá)此0 ℃高度層，為冰雹的形成提供適宜的水汽條件。

(2)在2018年3月30日雹暴中識(shí)別水成物粒子，在發(fā)展階段有一過冷水累積區(qū)存在，且該累積區(qū)范圍在成熟階段進(jìn)一步擴(kuò)大，維持至消散階段。該累積區(qū)位于0～-10 ℃高度層間。

(3)本次單體雹暴中，低密度霰分布于3～7 km，高密度霰分布于0～3 km，過冷水分布于1～4 km。冰雹分布于0～6 km。高密度霰和低密度霰對(duì)冰雹的生成都有貢獻(xiàn)，但從整個(gè)降雹階段分析，高密度霰為本次雹暴中冰雹的主要來源。

(4)冰雹區(qū)和過冷水累積區(qū)對(duì)應(yīng)著反射率高值區(qū)，上升氣流將高密度霰帶往過冷水累積區(qū)形成冰雹是本次過程成雹的主要機(jī)制。通過對(duì)威寧地區(qū)雹暴機(jī)制的分析，建立了孤立單體的概念模型。

綜上所述，綜合前人研究的模糊邏輯相態(tài)識(shí)別算法，對(duì)2018年3月30日雹暴過程中水成物粒子分布及連續(xù)演變有了初步的分析。但因使用插值的方法代替缺乏的RHI數(shù)據(jù)，水成物粒子識(shí)別結(jié)果仍會(huì)存在一定的誤差，而且2018年降雹的孤立單體個(gè)例數(shù)量較少，因此僅是初步的研究，這些難點(diǎn)仍是今后需要攻克的問題。