龍巖一次冰雹的雷達回波特征分析

蘇 蕾 沈華平 楊曉鳳

(民航廈門空管站，福建 廈門 361006)

冰雹是我國分布最廣的一種對流性災害天氣。據統計，近十年來，龍巖市每年均有冰雹出現，最多14次，最少1次，平均每年約有4次冰雹；冰雹主要出現在3～5月，尤其以4月最多(占全年的39.5%)[1]。2020年4月21日上午，龍巖雷達上出現了極強的對流回波，自西向東影響龍巖、漳平、泉州。根據實況反饋，龍巖新羅區10點15分出現冰雹，漳平城區10點30分左右出現冰雹，泉州安溪縣于11點多也監測到冰雹，直徑約1～2cm，對當地的農作物、交通等都造成了一定影響。本文利用模式探空資料和多普勒天氣雷達產品，對本次強對流過程進行分析，尋找監測預警和臨近預報的雷達回波產品特征，為提高多普勒天氣雷達的技術應用水平和監測冰雹天氣的能力提供參考。

1 天氣背景

從2020年4月20日20點到21日08點(北京時)，500hPa上5880m等高線位于華南沿海(圖略)，福建省位于副熱帶高壓北側偏西急流中；850hPa上華南一帶有條暖式橫切發展東伸至福建，在福建中西部有較弱的低渦切變存在。21日08點，上述低渦切變位于龍巖西部，隨后緩慢南壓；地面位于倒槽暖區中。整層大氣在形勢場上未發現明顯的冷空氣南侵，只是在中高層干燥的空氣疊加在低層的暖濕空氣上。

2 對流潛勢分析

俞小鼎等指出，預報當天強冰雹潛勢的主要思路是從較大的對流有效位能、較強的深層垂直風切變和不太大的0℃層到地面高度這三個方面來考慮[2]。由于龍巖站沒有探空資料，圖1為數值預報21日08時由周邊探空站插值獲得的模式探空，具有一定的參考價值。由圖1可以看到，700hPa高度以下的t-td均小于1℃，低層大氣處于高濕狀態，高層為干區，表現為上干下濕。08時CAPE值為206J/kg，由于前一天夜里在龍巖及附近已經有對流發展，消耗了一定的對流有效位能，因此對流有效位能不是很大。t850hPa-t500hPa>22℃，大氣處于不穩定狀態。自由對流高度(LFC)很低，表明氣層抬升達到飽和以及強迫氣塊上升到自由對流高度所需的外力抬升要求小。0℃和-20℃層高度分別為4.5km和8km(約400hPa)，冰雹融化層高度的高低是決定冰雹大小甚至降雹與否的主要因子之一[3]，當日合適的0℃和-20℃層高度有利于冰雹的發生。從垂直位溫(V-3θ)分析來看，21日08時龍巖站在1000～500hPa之間，θsed和θ*出現不同程度的折拐，說明此時氣層處于不穩定狀態。而3條θ曲線在400～150hPa之間沒有明顯左傾，即在V-3θ圖中未體現對流層頂有“超低溫”現象，可能是與模式對較高層次的要素模擬誤差較大有關。從垂直風場配置上表現為地面偏南風，低層西南風，高層偏西風的順滾流配置，存在強的垂直風切變，0～6km之間的風矢量差超過20m/s，屬于中到強的垂直風切變，高層強偏西風的抽吸作用有利于對流運動的發展。

圖1 2020年4月21日08時龍巖站的t-logp圖(左)及V-3θ圖(右)

3 多普勒天氣雷達資料分析

3.1 冰雹演變過程

2020年4月21日凌晨04:00左右在長汀南部到永春開始有分散的弱對流(圖略)，06:00緩慢南移至連城東南部，07∶00連城以西至贛縣區也開始有分散的對流單體發展，07∶30連成東西向帶狀，08∶00多塊單體回波加強，整個帶狀云系位置少動。08∶30,在帶狀對流的東西兩側可分辨出兩個相互分離的強單體(圖2)，在其北面伴有大片的降水回波，隨引導氣流向偏東方向移動；從徑向速度圖可見，在大片負速度區中包圍了一小塊正速度區，逆風區的出現說明在該高度區間存在風向劇烈變化，產生強烈垂直風切變和強的輻合氣流，反射率最大值的區域與逆風區相配合，云體將進一步發展加強。09∶00，回波加強，西部的強回波移速較快，逐漸靠近東部的強回波，并在龍巖雷達的西南側觸發了一塊小的對流單體；在徑向速度圖上與強回波區對應有一個直徑10km的渦旋在發展(圖中橘色圓圈)，旋轉速度約為11m/s，維持多個體掃，表明一個弱中氣旋已經生成。09∶30，上述兩塊強單體合并，向東南方向的雷達站靠近，移動路徑出現了“右旋”，同時移速增快；從徑向速度圖可見，強回波移動方向前沿有一條輻合線，推斷是由沿著回波前沿的上升氣流與回波主體降水以及中層干空氣夾卷進入降水區蒸發冷卻形成的下沉氣流之間的輻合形成的。10∶00，強回波移到龍巖上空，組織密實，系統強烈發展，形態由最初的東西向帶狀演變為南北向的長軸“橢圓”形，強中心面積擴大，中心強度達到71dBz；在徑向速度圖上有旋轉性氣旋存在，半徑大于10km。10∶30，回波的北部前側(漳平)出現相對較弱的入流回波區，南部在移動前沿演變成圓弧狀，后側也出現相對弱回波區，表明后側下沉氣流正在加強，形態演變為“S”形。11∶00，演變為南北向弓狀，云體北部逐漸衰減，南部中心仍然較強，隨后強中心面積逐漸減小；徑向速度圖上輻合特征已不明顯，出現了較強的正速度，表明雹暴單體逐漸為下沉氣流所控制，強度逐漸減弱。整個強回波自西向東先后影響多個縣級市，暴雹生命史超過1h。

(a)08∶30 (b)09∶00 (c)09∶30

(d)10∶00 (e)10∶30 (f)11∶00圖2 2020年4月21日強對流天氣龍巖雷達組合反射率(第1、3行，單位：dBz)和2.4°仰角徑向速度(第2、4行，單位：m/s)演變圖

3.2 對流單體垂直結構

圖3為10∶02龍巖雷達0.5°、3.4°、6.0°不同仰角的反射率因子和徑向速度圖，用來進一步確定暴雹的垂直結構和強弱。從圖3可以看出，各仰角在對流云回波的后方出現了頂點指向雷達的“V”形缺口，事實上在09∶51就首次出現有不太明顯的“V”形缺口，與開始降雹的時間差為24min。低仰角在雷暴入流一側有強的反射率因子梯度，在6.0°仰角上，回波強度達到最強，且受高空偏西氣流的影響下，在雷暴頂上空伸展出約60km的云砧，這是由強烈上升氣流到達對流層頂后水平伸展形成的，表明云中對流旺盛，為形成冰雹提供了重要條件。另外，根據各仰角回波對比分析，發現低層在回波移向的前側有入流缺口(箭頭位置，注意到雙箭頭指示同樣的地理位置)，而在6.0°仰角上，箭頭前面是超過60dBz的強回波中心，高反射率因子區從低仰角到高仰角向入流一側(東側)傾斜，有一個強回波懸垂結構。所有這些特征一致表明該強單體是一個雹暴，它具有一個雹暴的雷達回波特征。

(a)0.5°仰角 (b)3.4°仰角 (c)6.0°仰角 圖3 2020年4月21日10:02龍巖雷達不同仰角基本反射率因子(單位：dBz)和徑向速度圖(單位：m/s)

從徑向速度圖可見，距離龍巖雷達站西北方向約8km、高度約1.8 km處出現24m/s的負速度大風區，低空急流的存在使上升氣流得以加強和維持，對冰雹云的發展有利。在同高度上，正速度中心大小僅有12m/s,負速度值遠大于正速度值；同時在30km的等距離圓中，負速度區的面積也遠大于正速度區，表明此地的輻合上升極強。

3.3 強回波核高度特征和垂直液態積分水含量分析

劉君等[1]指出，當回波強度超過60dBz、強回波核高度超過5.8km、回波頂高超過8km和垂直積分液態含水量超過25kg/時，龍巖出現冰雹的可能性就非常大。這些數據可以作為判斷冰雹是否出現的閾值。通過分析發現，09∶30(降雹前45min)對流回波的以上幾項閾值均已達到：回波強度最大65dBz、最強回波核高度超過5.9km、回波頂高11km、垂直積分液態含水量28kg/(圖略)，說明發生冰雹的概率很大，作為預判的指標，對冰雹的預報具有一定指示意義。

3.4 垂直風廓線(VWP)產品分析

由圖4可以看出，在1.8km以上的垂直高度層里，風向隨高度順轉，風速逐漸增大，在約4.5km高度有明顯的小波動，09∶23在此高度層出現了較強的西北風，伴有“ND”，即干區。這種中低層暖平流及垂直風的切變有利于對流的發展，加上中層干冷空氣的入侵，造成對流不穩定的層結，是激發強對流天氣產生的重要環境場條件之一[4]。

圖4 2020年4月21日垂直風廓線變化情況

4 結論

①本次有利于冰雹生成的環境條件是層結不穩定、較強的垂直風切變和不太高的0℃層高度。

②強回波的形態先后呈現出橢圓形、“S”形，最后演變為弓形回波，具有回波強度強、強回波區面積大、維持時間長等特點。

③在多普勒徑向速度場中，冰雹發生前約1.5h可識別出逆風區和中氣旋，可提前預警強對流天氣發生；低空急流的存在使上升氣流得以加強和維持。

④基本反射率因子呈現有明顯的“V”形缺口，且首次出現“V”形缺口與降雹的時間有25min提前量；并出現低層強的反射率因子梯度、入流缺口和其上的強回波懸垂等回波特征。

⑤回波頂高、垂直積分液態水含量和強回波高度等指標對此次降雹也有較好的指示意義。

⑥在垂直風廓線產品中，中層西北風入侵和“ND”的出現是雹云得以劇烈發展的重要原因之一。