昭通一次多單體風暴冰雹災害診斷分析

秦 瑞，曾清川，張發平

(1.云南省昭通市氣象局，云南 昭通 657000；2.云南省彝良縣氣象局，云南 彝良 657600)

0 引言

冰雹是從發展強盛的積雨云中降落到地面的堅硬的球狀、錐形或不規則的固體降水，是一種季節性明顯、局地性強，且來勢兇猛、持續時間短，以機械性傷害為主的災害性天氣[1]。冰雹出現時常常伴有陣性強降雨和大風，具有很大的破壞力，對人民群眾的生命財產危害巨大，一場強烈的降雹天氣可對當地的農業、畜牧業、交通、通信等造成破壞性的災害，尤其是對烤煙、水果等經濟作物的危害最為嚴重。因冰雹具有局地性、突發性和強烈性等特征，對冰雹的預報和預警一直是短臨預報中的難點，近年來隨著加密地面氣象觀測網和全國新一代天氣雷達網的建設，國內氣象工作者在利用新一代天氣雷達產品對冰雹等強對流天氣的監測和分析方面取得了不少的成果[2-5]。但是，針對四川盆地向云貴高原抬升過渡地帶的昭通市冰雹形成機理的研究十分少見，僅馬紅等對2012年昭通雷達探測到的4次冰雹過程進行了綜合分析[6]。昭通市地處云貴川三省結合部，金沙江下游沿岸，坐落在四川盆地向云貴高原抬升的過渡地帶，地勢南高北低，境內山高谷深，地貌復雜多樣，冰雹等強對流災害性天氣頻發。為加強對昭通冰雹天氣的認識和研究，積累昭通冰雹預報和防雹經驗，本文利用NCEP/NCAR再分析資料、高空探測資料、昭通多普勒天氣雷達觀測資料，對2018年8月20日發生在彝良縣龍街苗族彝族鄉境內的冰雹天氣過程，從環流形勢、環境場特征、雷達回波參數特征和防雹作業等方面進行分析。

1 環流及環境場特征

1.1 環流形勢

8月20日08時，在500 hPa高度上，昭通處在短波槽后的西北氣流控制下(圖1a)；在700 hPa高度上，來自孟加拉灣風暴外圍的偏南氣流受到青藏高原的阻擋轉為偏西氣流影響云南，影響昭通的偏西氣流轉為西南氣流后進入四川盆地(圖1b)。14時，500 hPa短波槽因受南海的熱帶氣旋阻擋在昭通附近減弱，700 hPa青海中部的流場輻合中心向東南移動到川西高原，重慶附近閉合的反氣旋減弱，四川盆地轉為偏南氣流控制，風向切變在昭通附近加大(圖略)。

雖然大尺度系統可以提供中小尺度天氣系統形成的條件和環境場，但中小尺度系統才是直接造成暴雨、冰雹等強對流劇烈天氣的系統。許多學者[7-8]根據濾波原理，設計了一些從常規觀測資料中提取中尺度信息的濾波方案，濾波器能有效的吸收某些波長的波動能量，卻幾乎不吸收其它波長的波動能量。因此，為分析此次冰雹災害的中小尺度天氣系統，本文利用9點帶通濾波器對500 hPa和700 hPa的流場進行濾波，發現8月20日08—14時，500 hPa川滇黔三省交界處被一閉合的低渦中心控制(圖1c)；14時，受南海的熱帶氣旋影響，低渦減弱西退，中心從三省交界處附近移至昭通東部。8月20日08—14時，昭通700 hPa上空一直處在鞍型場的控制下(圖1d)，風向不連續導致大氣的對流和輻合，產生了強對流天氣。

圖1 2018年8月20日08時形勢場(a為500 hPa流場，b為700 hPa流場，c為500 hPa中尺度帶通濾波后流場，d為700 hPa中尺度帶通濾波后流場)Fig.1 Synoptic situation at 8∶00 on August 20,2018(a,streamline of 500 hPa.b,streamline of 700 hPa.c, mesoscale bandpass filtered streamline of 500 hPa.d, mesoscale bandpass filtered streamline of 700 hPa)

1.2 環境場特征

由于冰雹發生地在昭通市彝良縣與貴州省威寧縣交界處附近，因為昭通市沒有探空站，故利用威寧站的探空資料來分析此次冰雹天氣的大氣環境場特征。8月20日08時，威寧站0 ℃層高度為5.4 km、-20 ℃層高度為8.7 km，與秦瑞等的研究成果一致[9]。沙氏指數(SI)為-1.6 ℃，對流有效位能(CAPE)為798 J/kg、對流抑制有效位能(CIN)為0.2 J/kg，云中最大上升速度(Wm)達到39.9 m/s，大氣存在不穩定和明顯的上升氣流。從溫濕層結上看，在700 hPa和500 hPa附近均有淺薄的逆溫層存在，有利于能量的積累，逆溫層上層溫度露點差明顯增大，溫濕層結上表現出 “上干冷、下暖濕”的喇叭口分布，同時在700 hPa和500 hPa附近還存在明顯的垂直風切變(圖2)，逆溫層、喇叭口和垂直風切變有利于強對流的發生發展。利用14時的氣壓、溫度、露點資料，通過修正抬升點的方法進行訂正，發現CAPE值增大到2 081.6 J/kg，大氣有效位能急劇增加后，大氣對流不穩定度增加，導致強對流天氣發生增強。

圖2 2018年8月20日08時威寧站探空圖Fig.2 Sounding map of Weining station at 8∶00 on August 20,2018

2 雷達回波特征分析

2.1 對流風暴回波反射率因子和徑向速度特征

由圖3看出，從20日13時58分—15時25分，彝良縣境內的混合型回波向東移動，但對流風暴在彝良縣的東南側不斷向西北方向發展。13時58分貴州省威寧縣境內對流風暴發展明顯，在彝良縣與威寧縣交界處已開始有多個單體對流風暴發展，最強單體風暴中心最大回波強度為57.0 dBz；14時10分交界處的對流風暴已發展并移到彝良縣境內，最強單體風暴中心最大回波強度達66.0 dBz；14時16分對流風暴快速發展，彝良縣東南側出現北—南兩個強單體風暴，中心最大回波強度分別為62.9 dBz和64.2 dBz，在之后的5 min內，對流風暴強度出現短時減弱，即14時21分北—南兩個單體風暴中心最大回波強度減弱到58.1 dBz和54.9 dBz；14時27分北側單體風暴中心最大回波強度減弱至49 dBz，但南側單體風暴不斷向西北方向發展并增強至56.8 dBz；14時39分南側的強單體風暴發展到彝良縣龍街苗族彝族鄉尖山作業點附近(圖3中△處，下同)，其中心最大回波強度快速增強至67.1 dBz，尖山作業點附近開始出現降雹，在之后20多分鐘的時間里風暴中心最大回波強度均在60 dBz以上，即14時44分為65.5 dBz、14時50分為63.7 dBz、14時56分為66.8 dBz和15時02分為61.7 dBz；15時08分對流風暴開始進入減弱消亡階段，強回波結構開始變得松散，中心最大回波強度減弱至55 dBz以下；15時13分尖山作業點附近的對流風暴中心最大回波強度減弱至45 dBz以下；15時25分尖山作業點附近的對流風暴減弱消亡，雷達上表現為以穩定降水為主的層狀云回波。

分析20日14時21分—15時08分這個時間段對流風暴的徑向速度(見圖4)，發現單體風暴再次加強時在徑向速度圖上有一個逆速度區伴隨，逆速度區與強回波區相對應，在單體風暴發展強盛時段風暴中心最大回波強度出現在逆速度區的折角處。

圖3 2018年8月20日對流風暴反射率因子不同時次的變化趨勢Fig.3 Trends of convective storm reflectivity factors at different times on August 20,2018

圖4 2018年8月20日不同時次對流風暴徑向速度分布Fig.4 Radial velocity distribution of convective storms at different times on August 20,2018

2.2 對流風暴回波垂直特征

沿雷達徑向通過最強反射率因子核心作垂直剖面，對20日南側單體風暴中心最大回波強度最強的14時33分—14時56分進行垂直剖面特征分析(見圖5)。圖中14時33分風暴的回波頂高達11 km，回波頂上有3 km左右高度的假尖頂回波，45 dBz以上的強回波頂高達9 km(-20 ℃層高度為8.7 km)，并有弱回波區存在；14時39分風暴快速發展，回波頂高發展至16 km，45 dBz以上的強回波頂高維持在9 km以上；14時44分風暴中心最大回波強度依然維持在65.5 dBz，但回波頂高減弱至14 km，45 dBz以上的強回波頂高減弱至8 km以下；14時50分風暴的回波頂高維持在14 km左右，45 dBz以上的強回波垂直結構變得散亂；14時56分風暴中心最大回波強度增強至66.8 dBz，但45 dBz以上的強回波頂高已經減弱至5 km，14時56分之后單體風暴的回波強度和回波頂高均開始迅速減弱。

圖5 2018年8月20日不同時次對流風暴垂直剖面圖Fig.5 Vertical profile of convective storm at different times on August 20,2018

2.3 垂直累積液態含水量(VIL)特征

垂直累積液態含水量VIL在計算中被定義為單位面積上空氣柱液態水混合比的垂直積分(單位kg/m2)，VIL的大小反映了風暴發展的強弱，最大單體VIL值為此次冰雹天氣過程中雷達探測到的單體VIL的極大值。分析14—15時的最大單體VIL值變化(見圖6)，發現降雹時段風暴的最大單體VIL值分別為24.4 kg/m2、32 kg/m2、26.3 kg/m2。降雹開始前最大單體VIL值隨著風暴的發展從14時27分的13 kg/m2躍增到14時33分的24.4 kg/m2，到14時39分躍增到此次冰雹天氣過程的最大值，即為32 kg/m2；在12 min時間里，VIL值躍增了19 kg/m2。降雹后VIL值又從14時44分的26.3 kg/m2陡降至14時50分的16.6 kg/m2。

圖6 2018年8月20日最大單體垂直累積液態含水量變化曲線Fig.6 Curve of maximum monomer vertical cumulative liquid water content on August 20,2018

3 防雹作業分析

2018年8月20日，從14時08分開始，彝良縣的奎香、尖山、梭嘎炮站(圖3中◇自東向西分別為奎香、尖山、梭嘎)先后開展高炮防雹作業7點次，作業總用彈260發(見表1)，14時08分奎香炮站作業，14時13分、14時35分、14時40分尖山炮站作業，14時47分尖山炮站和奎香炮站同時作業，14時58分梭嘎炮站作業。由作業前后的雷達回波參數特征(見圖7)可以看出，作業后雷達回波的回波強度、回波頂高、45 dBz以上的強回波頂高、垂直累積液態含水量均明顯減弱。14時47分尖山炮站和奎香炮站同時作業后，14時50分單體風暴中心45 dBz以上強回波的垂直結構變得散亂(見圖4)，14時50—56分最大回波強度從63.7 dBz增強至66.8 dBz，但回波頂高從14 km減弱至12 km，45 dBz以上的強回波頂高從6 km減弱至5 km，最大單體VIL值從16.6 kg/m2降低至13.8 kg/m2。14時13—35分，由于空勤等原因沒有開展作業，導致14時00分和14時13分兩次作業后受到抑制的單體風暴在20多分鐘的時間內又快速發展起來，風暴中心最大回波強度從54.8 dBz增強至67.1 dBz，回波頂高從11 km快速發展至16 km，45 dBz以上的強回波頂高從5 km發展至9 km，最大單體VIL值從8.1 kg/m2躍增至32 kg/m2。此次冰雹天氣過程在降雹前后作業點均有開展作業，從作業前后雷達回波參數的變化可以看出，在降雹前的作業效果明顯好于降雹后的作業效果，降雹后的作業只能加快單體風暴減弱，縮短降雹時間，避免大冰雹的出現。

表1 2018年8月20日彝良縣各炮站作業情況Tab.1 Operation of operating stations in Yiliang on August 20,2018

圖7 2018年8月20日彝良縣各炮站作業前后雷達回波參數變化曲線圖(a為最大單體垂直累積液態含水量變化曲線，b為回波最大強度變化曲線，c為回波頂高和強回波頂高變化曲線)Fig.7 Variation curves of radar echo parameters before and after operation of operating stations in Yiliang on August 20,2018 (a, variation curve of maximum monomer vertical cumulative liquid water content. b, maximum echo intensity variation curve. c, variation curves of echo crest height and strong echo crest height)

4 結論

①此次冰雹天氣是一次多單體風暴造成的局地性強對流天氣，經過中尺度帶通濾波后的流場揭示出此次冰雹天氣是受500 hPa低渦和700 hPa鞍型場共同作用形成的，中尺度帶通濾波對冰雹等強對流天氣分析有很好的參考意義。

②此次冰雹天氣發生前大氣層結極不穩定，探空圖上表現出逆溫層、喇叭口和垂直風切變等特征，08—14時CAPE值增大達1 000 J/kg以上。

③此次天氣過程中雷達回波表現出假尖頂回波、弱回波區等特征，單體風暴中心最大回波強度67.1 dBz，回波頂高16 km，45 dBz以上的強回波頂高達到9 km，超過-20 ℃層高度。

④冰雹云的垂直累積液態含水量(VIL)最大值達到了32 kg/m2，并在降雹前后表現出躍增和陡降特征。

⑤防雹作業對對流風暴發展有抑制減弱效果，但抓住合理的作業時機是取得防雹成敗的關鍵。