2021-03-31婺源冰雹雷達回波特征分析

邱雯婷，馬中元，彭維明，王漢根 ，張曉芳

(1.江西省氣象科學研究所，南昌 330046；2.婺源縣氣象局，婺源 333200)

0 引言

冰雹災害是中國嚴重的自然災害之一，屬于強對流天氣類型，是縣級基層臺站綜合業務中的預報難點和重點。冰雹是指球狀或形態不規則的固態降雨。婺源冰雹每年都會出現，具有突發性強、來勢兇猛、局地性強等特點，但很少出現在婺源國家站，主要分布在鄉鎮村。由于冰雹災害常伴隨雷暴大風、短時強降水和強雷電現象，經常造成雹災、風災、城市積澇等氣象災害，嚴重影響人們的生活與生產活動。因此，對婺源冰雹天氣和雷達回波特征進行分析，有助于提高婺源冰雹識別能力和監測預警能力。

國內不少專家學者從各個方面對冰雹天氣進行了研究。陳鮑發[1]等研究得出局地冰雹常由超級單體回波所為，具有典型的超級單體回波特征；冰雹還發生在弓狀回波帶上強單體或超級單體回波上。盧秋芳[2]等研究得出冰雹發生在颮線回波帶上，并伴有短時強降水，冰雹回波強度達到65～70 dBz。劉獻耀[3]等研究得出冰雹和雷雨大風有明顯的月際變化，冰雹站次峰值在3—4月，占總數的79.1%。雷雨大風站次有2個峰值，分別在7—8月和4—5月，占總數的44.3% 和31.7%。支樹林[4]等研究得出正負閃頻數比增大時，相應的冰雹直徑也增大，即正閃比例的變化與冰雹成長過程有較好的關聯；降雹后負閃頻數會減小，而正閃頻數會有所增大。龍余良[5]等研究得出冰雹季節變化呈單峰型，3—5月最容易出現冰雹，4月份最多。郭艷[6]研究得出利用TBSS預報大冰雹的時間提前量最大達到77 min，TBSS特征可以作為大冰雹的有效判據。吳楊[7]等研究得出上干下濕的典型大氣層結結構和適宜的溫度層高度(0 ℃層高度在3.7～4.2 km，-20 ℃層高度在6.8～7.1 km)，有利于能量聚集產生冰雹。林琴[8]等研究得出典型的上干下濕的大氣結構有利于產生降雹，孤立的對流單體合并處有利于產生冰雹，強中心可達71 dBz，中氣旋和VIL極大值區域對應冰雹落區。這些研究成果，為婺源冰雹天氣的監測預警提供了理論依據[8-10]。

文章使用常規天氣圖、婺源雨量、雷達拼圖和雷達基數據等資料，對2021-03-31婺源兩次局地性冰雹過程進行分析，試圖總結出婺源冰雹天氣的雷達回波特征，并應用于短臨預報和監測預警服務之中。

1 資料來源與天氣系統概況

1.1 資料來源

天氣資料來源于MICAPS平臺，主要有常規天氣圖、地面要素、探空等資料；地面雨量資料來源于江西自動氣象站雨量檢索平臺；雷達拼圖資料來源于江西WebGIS雷達拼圖平臺；雷達產品資料來源于景德鎮SA天氣雷達基數據反演。

1.2 天氣系統概況

2021-03-31T08：00，500 hPa高空低槽位于湖南西部，槽前有明顯的西南急流，急流在江西西北部匯合，婺源位于匯合區附近，匯合區上空有200 hPa分流區，低層850 hPa在江西中北部及江西以東地區有明顯偏東南氣流，即伴有超低空急流存在。低層明顯偏東氣流與急流一方面將東海上空水汽輸送至江西北部上空，另一方面與西部的西南急流、北部偏東急流產生劇烈輻合運動，同時在垂直方向上隨高度增加，東南風轉西南風形成明顯的暖平流，為對流上升運動提供支撐。

850 hPa切變線位于湖南中部至贛北，切變線上西南風與東南風的劇烈輻合，是對流觸發的重要天氣系統。低層暖濕，850 hPa以下為飽和區，700 hPa開始變干，500 hPa湖南中部有明顯干區，隨著槽前西南急流東移，干區移至贛北、贛中上空，“上干下濕”結構為贛北冰雹發生提供了有利條件。低層(850～925 hPa)有暖脊發展，暖脊從廣西經湖南南部伸向贛北、贛中，低層溫度偏高，且高低空溫差大，為冰雹天氣的發生提供了熱力條件與觸發機制。

2021-03-31T08：00天氣系統與其他強對流天氣過程相比有兩點不同：一是500 hPa高空低槽一直位于湖南以西，沒有明顯東移；二是地面冷空氣還在蒙古，江南大部分地區受低壓環流影響，從廣西經湖南至贛北為明顯地面倒槽發展。

2 冰雹雷達回波演變過程

2.1 雷達拼圖回波廓線分析

將雷達拼圖按照20 min間隔描繪出回波廓線，根據回波廓線反映回波系統的演變過程。2021-03-31，婺源冰雹有兩個回波系統：一是05：00—06：40回波短帶上超級單體回波；二是07：20—11：20回波短帶上超級單體回波。這兩個超級單體回波系統，都產生于回波短帶上的強單體回波，分別造成婺源縣境內賦春、中云、紫陽(縣城)、秋口、江灣等鄉鎮，出現不同程度的雷暴大風和冰雹天氣(小冰雹)，并伴有較強雷電活動。

回波短帶上超級單體回波05：00(圖1a)，東北—西南走向的回波短帶在景德鎮以西和波陽一線，回波帶中段有強回波單體發展，中心強度達到60 dBz，向偏東方向移動；05：20，回波短帶上強回波單體發展成為超級單體回波，強度達到60～65 dBz，進入樂平境內，地面開始出現冰雹；05：40，超級單體回波繼續發展加強，中心強度達到65～70 dBz，樂平北部鄉鎮出現較大范圍冰雹、雷暴大風和強雷電天氣；06：00，超級單體回波有所減弱，強度達到60 dBz，開始進入婺源南部，部分鄉鎮出現小冰雹和8級以上雷暴大風；06：20—06：40，超級單體減弱至60 dBz以下，并從婺源南部和德興北部東移出江西。

圖1 2021-03-31回波短帶上超級單體回波演變廓線

回波短帶上超級單體回波07：20—08：00(圖1b)，在景德鎮以西和波陽一帶，有一條東西走向的較強回波短帶發展，回波強度為50～55 dBz，向偏東方向移動；08：20，回波進入婺源并發展成為超級單體回波，強度達到55～60 dBz，此時婺源境內鄉鎮出現小冰雹和雷暴大風天氣；08：40，超級單體回波繼續東移，強度達到55～60 dBz，婺源維持冰雹天氣；09：00，超級單體發展旺盛，中心強度達到60～65 dBz，并東移出婺源，進入福建境內；09：20—11：20，超級單體繼續發展，向偏東(110°方位)方向移動，移速達到100 km/h；影響福建的超級單體回波強度在10：40發展加強達到70～75 dBz，造成福建沿途冰雹和雷暴大風天氣，極大風速達9級，同時，伴有較強雷電天氣和短時強降水天氣。

由此可見，婺源冰雹回波系統主要是由前期回波短帶中的強回波單體不斷發展成為超級單體回波所致，雷達拼圖上具有典型的超級單體回波特征[11-13]。回波移動方向偏東(90°～110°)，移動速度在70～100 km/h；超級單體回波伴有冰雹、8級以上雷暴大風、強雷電和短時強降水；超級單體生命史較長(近2～4 h)，但影響婺源的時間為30～60 min。

2.2 組合反射率CR與最強回波下方雨量分布

回波強度與雨量之間存在著很好的相關性。3月31日婺源兩次冰雹天氣過程，選取最強回波下方覆蓋面積中的最大10 min雨量，制作曲線圖(圖2)，可見，05：00—06：40樂平、婺源冰雹過程，組合反射率CR與雨量之間的關系呈正相關，配合較好(圖2a)。雨量隨著回波強度的增大而增大，回波強度減小雨量也減小。07：20—11：20婺源、福建冰雹過程，組合反射率CR與雨量之間相關性不是很好，部分點出現負相關，但整體存在回波強度增大雨量增大和雨量隨著回波強度減小而減小的關系(圖2b)。這種個別點出現負相關現象，可能與山區雨量監測點稀少，不能正確反映回波強度與雨量之間的關系有關。

圖2 2021-03-31組合反射率CR(dBz)與最強回波下方雨量(mm)分布曲線

由此可見，組合反射率CR與對應地面雨量呈正相關，雨量隨著回波強度增大而增大回波強度減小而減小。5 mm/10 min的雨量，CR強度均≥55 dBz；10 mm/10 min的雨量，CR強度均≥60 dBz。

3 雷達回波特征

3.1 雷達拼圖CR產品特征

雷達回波特征是識別冰雹回波的關鍵，尤其是在網頁版江西WebGIS雷達拼圖(http：//10.116.32.81)和手機版江西雷達拼圖(http：//wx.weather.cn)上，可以方便快捷地進行冰雹回波識別。

3月31日婺源兩次冰雹回波特征表現為超級單體結構，由前期回波短帶中強單體回波發展演變形成(圖3)。在江西WebGIS雷達拼圖上，超級單體結構有4個特征：1)回波中心強度≥60 dBz的面積；2)存在≥65 dBz以上的強回波核；3)30～60 dBz強回波梯度；4)具有明顯的云砧形成的“前伸”回波結構。這是在雷達拼圖上僅憑組合反射率CR產品快速識別冰雹回波的有效方法[14]。

3月31日05：50(圖3a)，江西東北部多條短帶回波發展，其中樂平與婺源之間發展成為超級單體回波，回波中心強度達到60～70 dBz，60 dBz回波面積≥20 km×20 km；在60 dBz回波中存有65 dBz以上的強回波核；30～60 dBz距離很短，最小距離≤10 km，表明強回波梯度很大；在超級單體回波的下風方(東北方向)是寬廣的“前伸”回波，由于“前伸”回波中存在其他強回波，完整的“前伸”回波結構沒有顯示出來。

圖3 2021-03-31婺源兩次冰雹過程江西WebGIS雷達拼圖回波特征

3月31日08：30(圖3b)，回波形態和結構類似于圖3(a)，只是回波中心的“核”略小，強回波梯度略大。盡管如此，婺源不少鄉鎮仍出現小冰雹和8級以上雷暴大風。福建境內也有超級單體回波發展。

3.2 單部雷達產品分析

單部雷達PUP產品有多種，針對3月31日兩次婺源冰雹過程使用組合反射率(CR)、回波頂(ET)、垂直液態水含量(VIL)、徑向速度(V)、反射率因子垂直剖面(RHIz)和徑向速度垂直剖面(RHIv)6種常用產品進行分析；中氣旋(M)和龍卷渦旋(TVS)等產品由于不明顯被省略。

3月31日05：51(圖4)，景德鎮(Z9798)SA天氣雷達觀測到超級單體回波，組合反射率CR強度在60～65 dBz，強回波面積較大(圖4a)，回波頂ET達到11 km(圖4b)，垂直液態水含量VIL達到60 kg/m2(圖4c)，徑向速度V 為-5～13 m/s(圖4d)，符合超級單體回波基本特征標準。從反射率因子垂直剖面RHIz(圖4e)上看，冰雹云回波具有傾斜性，55 dBz強回波頂高達到6 km，強回波上方出現旁瓣造成的虛假回波頂。徑向速度垂直剖面RHIv(圖4f)，強回波附近出現-5～13 m/s的正負“速度對”，雖然達不到中氣旋的標準，但弱切變輻合特征十分明顯。

圖4 2021-03-31T05：51 景德鎮SA雷達產品特征

3月31日08：32(圖5)，景德鎮(Z9798)SA天氣雷達觀測到超級單體回波，組合反射率CR強度在60～65 dBz，強回波面積較大(圖5a)，回波頂ET達到11 km(圖5b)，垂直液態水含量VIL達到60 kg/m2(圖5c)，徑向速度V為-5～13 m/s(圖5d)，符合超級單體回波基本特征標準。從反射率因子垂直剖面RHIz(圖5e)上看，冰雹云回波具有傾斜性，55 dBz強回波頂高接近7 km，強回波上方出現旁瓣造成的虛假回波頂。徑向速度垂直剖面RHIv(圖5f)，強回波附近出現5～27 m/s的正“速度對”，雖然沒有負速度的輻合，但在正速度區出現超大值速度切變特征十分明顯。

圖5 2021-03-31T08：32 景德鎮SA雷達產品特征

4 結束語

文章利用常規天氣資料和雷達回波資料，對2021-03-31婺源兩次冰雹過程進行了分析，分析得出婺源雷暴冰雹歸根結底是產生強降水的對流單體，無論什么形態的回波系統，最后還是靠對流單體影響而產生雷暴大風、冰雹。因此，密切監測對流單體回波的來源和發展趨勢，是做好婺源冰雹監測預警的關鍵。