一次局地性強冰雹天氣的環境背景及雷達產品特征分析

曾 妮，鄧 安，方 鵬，王興菊，何莉陽，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害性天氣之一，具有突發性強、局地性強及破壞力強等特點，由于貴州多山地和丘陵，地形復雜，利于冰雹的形成，所以每年3—5月貴州多冰雹天氣過程發生[1]，強的降雹天氣常常使農作物受損，打壞房屋和車輛，造成人員傷亡，給人民的生命財產帶來嚴重威脅。由于冰雹的突發性和局地性強，導致冰雹的預報難度大，預報提前量短，近年來許多氣象工作者[2-8]對冰雹天氣過程的中尺度特征、環境條件、雷達回波特征等進行分析和研究；羅菊英等[9]對一次早春局地強冰雹過程分析發現，山區“喇叭口”地形的抬升作用更易激發強對流的發展；張微等[10]發現在對流單體或多單體的初始階段就提前防雹作業，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]對銅仁一次罕見大范圍冰雹過程分析，找出了有利于銅仁降雹的指標。近年來，安順降雹天氣過程較多，對近5 a安順的降雹天氣進行統計發現，安順冰雹天氣最早出現于1月，最晚結束于5月，且易造成局地性災害。2020年4月17日安順市南部局地出現強降雹天氣，使當地房屋和農作物等嚴重受損，本文利用常規氣象觀測資料、多普勒雷達資料和FNL 再分析資料等，對此次冰雹天氣過程進行分析，找出此次過程的環境背景條件、觸發機制、物理量變化特征和雷達回波特征等，為今后安順的短臨預報和預警提供一定的參考指標。

1 天氣實況和災情

2020年4月17日15時—17日19時20分，貴州省安順市南部出現局地性強降雹天氣，安順南部3縣共5個鄉鎮降雹，冰雹直徑普遍在5～20 mm，其中鎮寧縣六馬鎮和紫云縣火花鄉出現大冰雹，冰雹直徑普遍在20 mm左右，最大冰雹直徑達50 mm，降雹密度達100粒·m-2，造成嚴重雹災，據統計此次降雹天氣過程共造成26 304人受災，農作物受災面積達5 850 hm2，因災直接經濟損失37 667萬元。

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

圖1 2020年4月17日15—20時安順市降水空間分布及冰雹落區(紅框內)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 環境背景分析

2.1 天氣形勢

對強對流天氣發生前的天氣形勢進行分析，4月17日08時500 hPa高原上有短波槽東移(圖2)，槽前正渦度平流為強對流的發生提供天氣尺度的系統性上升運動；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，切變線的南側為顯著的西南風；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 ℃的濕區中，且安順附近的T-Td=1 ℃近飽和，同時貴州中部偏西及以東地區500 hPa的T-Td>12 ℃為干舌控制，安順處于“上干下濕”的不穩定層結中，安順南部各鄉鎮白天的最高氣溫升至28 ℃以上，且出現大冰雹的兩個鄉鎮最高氣溫超過30 ℃，為能量的積累提供了有利條件。此次強對流天氣過程無冷空氣影響，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中，對流云團在地面輻合線附近生成發展。

圖2 2020年4月17日08時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，此次局地性強冰雹過程發生在地面輻合線附近的不穩定層結中，高原短波槽、中低層切變線和低空急流是導致此次強對流天氣的主要影響系統，地面輻合線是觸發此次強對流天氣的重要機制。

2.2 能量和對流不穩定條件

由貴陽探空站17日08時的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”結構，0～3.0 km為暖平流，3.0～4.5 km為冷平流；08時對流有效位能CAPE=656.6 J·kg-1、K指數=36.7 ℃、SI指數=-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)看出午后對流有效位能CAPE和K指數分別升高到2 310.9 J·kg-1和38.4 ℃，SI指數降低到-2.0 ℃，朱乾根等[13]的研究指出，當K指數>35 ℃時會出現成片雷暴，-3 ℃

以上分析表明，在強對流發生前，大氣為上干冷，下暖濕的“喇叭口”結構，并且能量條件好，層結不穩定，具備適當的H0和H-20，有利于冰雹天氣的產生。

2.3 水汽和垂直運動條件

水汽條件是強對流天氣發生的基本條件之一，俞小鼎等[15]的研究指出，風暴常形成于低層濕舌區或強水汽輻合區，強對流發生前(17日14時)，850 hPa上貴州南部的比濕在15 g·kg-1以上(圖3a)，安順南部(冰雹發生區)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，強對流云團在貴州西部生成，并向東南方向移動發展；對發生大冰雹的站點(鎮寧縣六馬站)做時間—高度剖面圖(圖3b)，結果顯示，在降雹期間(17時28分—17時35分)從近地面到750 hPa附近平均相對濕度在85%左右，700 hPa以上濕度迅速降低，到650 hPa平均相對濕度已低于60%，為明顯的“上干下濕”結構；從垂直速度的分布來看，垂直上升運動是從17時以后才發展起來，到20時達到最強，但20時低層水汽明顯降低，中層有濕空氣侵入，破壞了“上干下濕”的結構，而在17時28分—17時35分期間，雖然垂直運動不是最強，但配合適當的水汽條件和能量條件等，產生了直徑為20 mm的大冰雹。

圖3 2020年4月17日14時850 hPa比濕(單位：g·kg-1)和風場(單位：m·s-1)(a)鎮寧縣六馬站相對濕度(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 雷達回波特征分析

3.1 強對流回波演變特征

4月17日15時16分對流單體在黔西南州興仁縣西北部生成，15時32分東移進入安順市關嶺縣境內，15時32分—16時32分對流單體在關嶺縣境內緩慢東移，且大于50 dBz的強回波區范圍不斷擴大，16時32分強回波中心增加到60 dBz以上,并且開始出現“三體散射長釘”(TBSS)(圖4a)，16時40分—16時45分關嶺縣普利鄉降雹，冰雹直徑5 mm；16時32分—17時32分對流單體逐漸向東南方向移動，TBSS長度不斷增加，所經之地花江鎮和沙子鄉出現5～10 mm的小冰雹，由于貴州使用的是C波段雷達，在這一波段，小冰雹也可產生TBSS現象[15]，因此要判斷是否會產生大冰雹還要結合其他條件；17時27分有明顯的前側入流缺口出現(圖4b)，且入流缺口持續2個體掃，表明有強的入流氣流進入上升氣流中，有利于大冰雹的增長[16]，17時27分—17時35分鎮寧縣六馬鎮出現直徑普遍在20 mm左右的大冰雹，造成嚴重雹災；17時32分以后TBSS逐漸減弱消失，對流單體繼續東移進入紫云縣，強回波中心維持在60 dBz以上，17時54分—18時04分紫云縣火花鄉再次出現直徑20 mm的大冰雹。

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

3.2 對流單體垂直結構

由以上分析看出產生大冰雹的兩個階段(以下簡稱為第1階段和第2階段)對流單體的反射率因子特征有明顯的不同，第1階段伴有TBSS和前側入流缺口，第2階段沒有這兩個特征，下面對這兩個階段對流單體的垂直結構進行分析。

研究表明，當強回波區(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，對強降雹的貢獻潛勢最大[15]，由反射率因子剖面圖(圖5a)看出，大于50 dBz的強回波伸展到9 km附近，大于60 dBz的強回波伸展到7.8 km附近，超過-20 ℃層高度(H-20=7.62 km)，且第2階段的強回波中心伸展高度更高(圖5b)，大于65 dBz的強回波中心伸展到7 km附近，有利于大冰雹的產生；另外，兩個階段均存在強回波懸垂和低層弱回波區，且第2階段更明顯，以上這些特征均表征了冰雹的產生。

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 垂直累積液態含水量變化

垂直累積液態含水量VIL代表了風暴的綜合強度，VIL的大值區是判斷強降雹潛勢的指標之一[14-15]。圖6為2020年4月17日安順降雹前到降雹后VIL的時間變化曲線，表1為降雹情況統計，將圖6和表1進行對比分析發現：VIL的4個峰值區出現的時間與降雹時間對應，而降雹間歇期與VIL的低值區對應，且發生降雹前1～2個體掃VIL有躍增現象；在降雹的6個時間段VIL≥40 kg·m-2，其中在出現大冰雹的兩個時間段(17時28分—17時35分、17時54分—18時04分)VIL≥50 kg·m-2，在降雹前(16時38分前)VIL呈增加趨勢，降雹后(18時后)VIL呈迅速減小趨勢，且這兩個階段VIL均小于30 kg·m-2；將冰雹直徑與VIL進行對比分析發現：冰雹直徑與VIL值成正比，在此次過程中即使是在降小冰雹的階段VIL的最小值為38 kg·m-2，遠超過劉小艷等[14]研究得出的15 kg·m-2的閾值，表明此次強對流天氣過程的風暴強度較強，這是造成嚴重雹災的主要原因之一。

圖6 垂直累積液態含水量(VIL)時間變化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計Tab.1 The statistics of hail in Anshun on April 17, 2020

4 結論

①此次局地性強冰雹過程發生在地面輻合線附近“上干下濕”的不穩定層結中，高原短波槽、中低層切變線和低空急流是導致此次強對流天氣的主要影響系統，地面輻合線是觸發此次強對流天氣的重要機制。

②在強對流發生前，850 hPa比濕在15 g/kg以上，冰雹出現在850 hPa濕舌的頂端和地面高溫中心附近；當中層有濕空氣侵入時，破壞了“上干下濕”的結構，不利于冰雹的產生。

③C波段雷達的反射率因子圖上TBSS和前側入流缺口的共同出現，表征了大冰雹的產生，反射率因子垂直剖面圖上強回波懸垂和低層弱回波區，大于50 dBz的強回波伸展到9 km附近，遠超過-20 ℃層高度(H-20=7.62 km)，表明了風暴在垂直方向強烈發展，利于大冰雹的產生。

④垂直累積液態含水量VIL值在降雹前到降雹后有明顯的變化，降雹前1～2個體掃VIL有躍增現象，降雹期間VIL≥30 kg·m-2，且在出現大冰雹時VIL≥50 kg·m-2，而在降雹結束后，VIL值迅速減小。