2020年“3·24”重慶城區冰雹天氣形成原因與雷達回波演變特征

陳紅梅， 劉洪良

(重慶市合川區氣象局， 重慶 401520)

冰雹是從發展強盛的積雨云中降落到地面的冰球，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氣象災害[1]。冰雹常常伴隨狂風、暴雨等其他天氣現象，會給農林牧業、通信交通、房屋建筑物以及人民生命安全等造成嚴重的損失。冰雹天氣的預報和預警一直是短臨預報的難點，是氣象工作者研究的熱點與難題，也是提高氣象防災減災能力的迫切需要。近年來，針對冰雹等強對流天氣，國內外學者做了大量的研究，并取得了一定的進展與成果。有研究表明，降雹一般發生在低空急流前部與高空急流垂直投影相交的區域[2]，垂直累積液態水含量(VIL)對冰雹的存在有著較好的指示作用[3]，回波強度、回波頂高、冰雹指數、VIL等是對判別冰雹云有較高應用價值的特征指數[4]。隨著觀測網絡的建設和探測技術的快速發展，利用新一代天氣雷達產品對冰雹等強對流的監測和分析取得了越來越多的研究成果[5-7]，揭示了冰雹形成的機理和其演變的規律，為冰雹的監測和預報預警服務發揮了重要作用。為進一步提高防災減災能力，減輕或避免因冰雹造成的災害損失，筆者以2020年3月24日(3·24)夜間發生在重慶城區的冰雹天氣為例，利用重慶市永川多普勒雷達資料，結合天氣形勢、物理量場診斷資料，深入分析冰雹天氣的形成原因與雷達回波演變特征，為重慶今后類似強對流天氣的潛勢預報、臨近預警提供參考。

1 天氣實況

2020年3月24日22:30至25日08時，重慶城區受到強對流天氣影響，出現雷雨天氣，雷雨時伴有6～7級陣性大風、短時強降水和冰雹，最大小時雨量達45.3 mm，25日01時出現在渝北石坪(圖1)，中心城區大部分地方出現罕見的冰雹，直徑普遍在1 cm左右。由于此次冰雹天氣出現在重慶中心城區，造成的影響相對較大。

2 環流形勢

從3月24日20時的中尺度分析(圖2)看出，200 hPa上存在明顯的西南高空急流，重慶地區位于高空急流的左側。500 hPa上四川盆地中東部有高空槽東移，重慶處于高空槽前，隨著高空槽發展，槽后冷平流加強并擴散到槽前，槽前的正渦度平流有利于低空低值系統的發展。700 hPa上西南急流位于重慶的東南部，此次冰雹天氣主要出現在700 hPa以下強烈發展的暖濕平流中，從強對流概念模型看屬于低層暖平流強迫類[8]。高低空急流的耦合造成強烈的垂直上升運動，形成較強的風垂直切變，有利于熱力不穩定增長、水汽條件的輸送。850 hPa上重慶中心城區的左側有切變線存在，溫度脊位置接近切變線，地面到850 hPa為熱低壓控制，空氣暖濕且不穩定顯著。中低層上重慶大部分地區處于濕區，中心城區在濕區的邊緣，濕度條件相對較好。

3 物理量特征

3.1 探空分析

分析低層和中層溫差，可以判斷溫度層結導致的熱力不穩定。通過3月24日20時沙坪壩探空圖(圖3)分析可知，850 hPa和500 hPa溫差達29℃，大于25℃的閾值，垂直溫度梯度較大，熱力不穩定條件較好。從探空層結穩定度參數看，3月24日20時SI指數為—1.99℃，K指數為31.3℃，△Qse850～500達8.09℃，CAPE值608 J/kg，顯示存在強對流潛勢。并且0℃高度為4.1 km，—20℃高度為6.7 km，0℃與—20℃高度差為2.6 km，適宜的高度和兩者間的厚度差達到降雹的參數條件。

從圖3還可以看出，低層的垂直風切變較強，925 hPa東北風為4 m/s，700 hPa時為西南風為18 m/s，垂直風切變達22 m/s，高低空強的垂直風切變和強烈的上升運動有利于不穩定傾向加大。低層風隨高度的順轉，說明低層有暖平流；500 hPa以上風向變化不大，稍逆轉，但風速隨高度的增加逐漸增大，說明上層有冷平流。上干冷下暖濕的不穩定層結條件，加上垂直風切變大，有利于熱力不穩定層結的形成和加強。

3.2 地面觸發機制

大量觀測和研究表明，邊界層輻合線是觸發對流天氣的重要中尺度系統，對流天氣傾向于在邊界層輻合線附近發生[5]。由3月24日22:10沙坪壩區域站風場和溫度場(圖4)看出，在重慶渝北有一條地面輻合線，低層輻合使不穩定能量得以釋放，為此次冰雹天氣提供了很好的觸發機制，隨后即22:17開始，對流在渝北南部觸發出來，并在輻合線附近發展。

4 雷達資料

在冰雹發生階段，最顯著的回波特征就是多單體風暴組成線狀對流。從6月24日23:54對流回波與低空急流(圖5)看出，線狀對流位于低空急流出口區左側，與低空急流平行，隨低空急流東移而移動，兩者具有很好的對應關系。對流單體首先在渝北生成，然后向西南方向傳播，在引導氣流作用下再向東偏北方向移動，傳播與移動方向相互抵消，促成對流成清楚的線狀，并長時間維持在主城附近。雖然單體尺度較小，但發展較快，1個體掃就達50 dBz，強度最大達65 dBz。

多普勒雷達具有較高的時間和空間分辨率，根據觀測到的實時雷達回波發展趨勢及強度，可以及時發布預警，做好短臨服務。由3月24日22:18—48雷達回波演變(圖6)看出，對流單體A，首先于22:18在渝北東邊發展，從剖面圖上可以看出回波單體從東邊開始發展，并且強度較強，達35 dBz。22:24單體A向上向下伸展，在其后部又有一個單體B生長，B也是先從東邊開始發展。22:30單體A基本發展成型，后面又有單體迅速發展。22:36單體A和單體B趨于合并，單體A質心有明顯下降，55 dBz強回波處于接地狀態，此時冰雹處于降落過程。22:42單體E又發展到45 dBz，22:48單體E和D進一步發展加強，冰雹持續降落。

VIL值表示將反射率因子轉換為等價的液態水值，是假設所有反射率因子返回都是液態水引起，通過經驗關系得出。VIL可以用于判別強對流天氣造成的暴雨、冰雹等災害性天氣。VIL躍增是冰雹獨特的特征，VIL的躍升對冰雹臨近預報具有一定的指示意義。此次冰雹等強對流天氣發生前，在冰雹出現的代表站沙坪壩站VIL值快速升高，在3月24日15:20—44，VIL值由20 kg/m2躍增到60 kg/m2。

5 小論

通過2020年3·24重慶城區冰雹天氣分析表明：1) 本次強對流天氣屬于低層暖平流強迫類，主要影響系統為500 hPa低槽，700 hPa西南急流，地面至850 hPa熱低壓和850 hPa溫度脊。2) 探空CAPE、K、SI等指數指示意義較好，不穩定能量的積聚，適宜的0℃層、—20℃層高度以及地面輻合線的觸發，有利于冰雹的形成。3) 此過程線狀對流與700 hPa西南急流對應較好，呈東北-西南向，位于低空急流左側，且與低空急流平行。4) 此次過程冰雹多發生在多單體風暴階段，最大反射率因子超過65 dBz，且50 dBz回波擴展到—20℃層以上的高度。5) VIL垂直液態水含量從20 kg/m2躍增到60 kg/m2，VIL躍升對冰雹臨近預報具有一定的指示意義。