浙江“03.21”致災強冰雹的超級單體風暴過程分析

吳福浪 董群 白松竹 肖王星 張晶晶 沈欣

(1.中國民用航空寧波空中交通管理站,浙江 寧波 315154;2.寧波市北侖區氣象局,浙江 寧波 315826;3.新疆哈密市氣象局,新疆 哈密 839000;4.寧波市氣象局,浙江 寧波 315012)

0 引 言

冰雹是浙江地區春夏季主要的災害天氣之一,常給當地農業生產帶來嚴重危害,甚至造成人員傷亡。但因其局地性、突發性強,對冰雹的預報和預警成為短時臨近預報中的難點。近年來,隨著加密地面氣象觀測站網的建設,利用新一代天氣雷達對冰雹等強對流天氣的監測和分析已取得不少成果[1-4]。黃曉龍等[5]對浙江臺州一次大范圍冰雹過程的分析表明,0～6 km垂直風切變較大有利于冰雹類強對流的發生。陳秋萍等[6]對比分析了福建兩次強降雹超級單體的特征,發現降大冰雹前雷達回波上均出現了三體散射長釘回波和弱回波區。戴建華等[7]利用雙風廓線儀對比觀測分析了上海一次颮前強降雹天氣過程,發現在超級單體發展的低空風場環境中具有較大的垂直風切變和風暴相對螺旋度,不同仰角三體散射長釘徑向速度值可用于揭示降雹區、大冰雹增長區、上升氣流分布和強度等重要信息。劉曉璐等[8]基于多普勒雷達產品,對比分析了24塊冰雹云與強對流樣本的雷達回波特征,結果表明，將45 dBz回波頂高超過-10°C層作為川西南山地的冰雹雷達預警指標，具有較好的指示作用。趙俊榮等[9]利用C波段多普勒天氣雷達,詳細分析了石河子一次雹暴的雷達回波演變特征,發現強冰雹發生在有界弱回波區、垂直累積液態水含量大值區和中氣旋重合的區域內,用中氣旋可提前30 min預警短時冰雹。李德俊等[10]詳細對比分析了恩施地區7次強冰雹和8次短時強降水天氣過程的雷達產品特征,并在此基礎上總結出適用于恩施地區的強冰雹和短時強降水預警指標。不少氣象學者從環流形勢、層結條件、抬升機制、雷達回波特征等入手,對浙江地區的冰雹天氣過程進行研究和總結,并提煉出適用于浙江地區強冰雹的臨近預警指標[11-15]。

以上研究都取得了較好的成果,對冰雹等災害性天氣監測和預警發揮了重要作用，但多數研究是基于單部多普勒雷達監測產品,受探測距離以及分辨率的影響,利用單部多普勒雷達監測產品研究大范圍強對流的雷達回波結構特征會存在一定局限性。本文利用區域自動站數據、NCEP再分析資料以及衢州市、杭州市和寧波市3部多普勒雷達監測產品,對2019年3月21日浙江省的一次強雹暴天氣的環境條件和雷達回波結構演變特征進行詳細分析,以期為今后相似天氣背景下強冰雹的臨近預報、預警提供思路和方法。

1 資料來源

該次致災強冰雹的研究采用浙江省區域自動站加密資料、多普勒雷達監測資料和NCEP再分析資料。浙江省自動站加密資料為逐5 min資料,其中還包含交通站、水文站、電力站、水文流域站等數據,天氣要素涵蓋風向、風速、溫度、降水量等。多普勒雷達監測產品采用衢州市(型號CINRAD/SB)、杭州市(型號CINRAD/SA)和寧波市(型號CINRAD/SA)S波段多普勒天氣雷達的體掃基數據,約每6 min掃描一次,最大不模糊速度為27 m·s-1,最大探測距離為460 km。NCEP再分析資料時間分辨率為6 h,空間分辨率為1°×1°,包含71個變量,分為五大部分：(1)等壓面資料7要素;(2)地面資料11要素;(3)地面通量資料39要素;(4)對流層頂資料2要素;(5)其他通量資料12要素。

2 天氣實況及災情

2019年3月21日06時(北京時,下同)開始,浙江省自西向東出現了較大范圍雷雨大風、局地短時強降雨和強冰雹等強對流天氣。06—14時浙江省共有46個站點累計雨量超過50 mm,達到暴雨級別。138個站點出現8級以上雷暴大風(風速≥17 m·s-1),最大風速出現在開化縣城區氣象站,達到12級。開化、義烏、東陽、磐安、新昌、天臺、寧海和象山等先后出現密集冰雹,冰雹最大直徑超過20 mm,達到大冰雹尺度,多地氣象臺發布了冰雹橙色預警。此次強冰雹天氣給浙江省的農業、電力設施、通信、市政、建筑、交通及旅游等帶來了嚴重影響,城鄉多處受災,多個農業大棚設施、民房屋頂等受損,其中衢州市開化縣芹陽辦事處汶山村口一長廊倒塌,造成1人死亡,4人受傷送醫。

3 天氣背景及環境條件分析

3.1 天氣背景

從21日08時的常規資料形勢場分析可知,850 hPa形勢場上長江以南大部分地區為顯著濕區,具備對流天氣發展的基本水汽條件;同時500 hPa上在該區域存在溫度露點差>15°C的干舌區。浙江省的(T850 hPa-T500 hPa)>24°C,上冷下暖,溫度直減率較大。從配置細節上看,浙中南沿海地區為“上干冷下暖濕”的不穩定系統疊加地區,具有較好的不穩定條件。

從抬升及垂直風場條件來看,200 hPa上高空急流軸穿過湖南、江西,浙江中南部地區位于急流軸右側,具備有利于強對流發生發展的高空輻散條件[16]。500 hPa上四川至云南地區有一冷槽,江南地區受槽前西南氣流控制。700 hPa和850 hPa上從江西到浙江一線存在一條西南氣流大風速帶,與500 hPa上南支槽前的西南急流幾乎重疊,表明該地區存在深厚的垂直風切變,在不穩定層結和水汽具備的條件下有利于對流系統的維持和增強;同時850 hPa上江南地區一條準東—西向的切變線與浙江省中部區域東北—西南向的切變線構成一“人”字形切變線,表明浙江省中部低層存在水平輻合,這種高空強烈輻散低空輻合的流場配置使得大氣強烈不穩定,具有較強的垂直風切變和大氣抽吸作用,有利于垂直上升運動的迅速發展。從上述條件來看,浙江地區相比其他地區處于最有利于強風暴發展的天氣形勢下。

3.2 環境條件

隨著西南暖濕氣流加強,各地氣溫持續升高,2019年3月20日浙江省大部分地區最高氣溫突破25°C,刷新2019年入春以來最高紀錄,露點溫度達到21°C,天氣悶熱潮濕。

由于寧波沒有探空資料,因此選取對流移動路徑上鄰近的洪家站來估計浙江省上空的大氣層結狀況。從2019年3月21日08時洪家站探空圖(圖略)可知,850 hPa以下溫度露點差很小,空氣接近飽和,濕度層厚度為1.5 km,大于中國大冰雹平均值厚度[17]。850 hPa以上溫度露點差逐漸變大,特別是500 hPa以上,溫度露點差增大至15～30°C,說明對流層中上層有干空氣入侵,上層干、下層濕的層結配置有利于氣層不穩定性增大。由于21日凌晨至08時,洪家站上游已經有對流發展,消耗了一定的對流有效位能,因此對流有效位能不是很大,DCAPE值達到840.32 J·kg-1,對雷暴大風和冰雹的發生非常有利[18]。在強垂直風切變環境中,動力效應可以加強上升氣流的強度,上升運動能在較小至中等的CAPE值中得以發展。潘曉濱等[19]對冰雹云的研究表明,比較強烈的冰雹云多出現在中等至強的垂直風切變環境中,垂直風切變矢量差為20～30 m·s-1。洪家站0～3 km垂直風切變達到17 m·s-1,屬于中等強度垂直風切變;0～6 km深層垂直風切變超過30 m·s-1,為強垂直風切變。強的深層垂直風切變存在較大的水平渦度,產生風暴內垂直渦度,從而有利于超級單體發展。強冰雹的發生還需要有合適的0°C和-20°C層高度,08時洪家站點0°C和-20°C層距離地面高度分別為3.8 km和7.0 km,是有利于雹云發生和發展的高度。

綜合以上分析表明,3月21日08—12時浙江省大范圍的冰雹天氣過程是在高空急流軸右側和低層切變線相重疊的區域發生和發展的。低空西南急流為對流區輸送暖濕氣流,高空輻散、低空輻合的流場配置有利于位勢不穩定層結的建立,較強的抽吸作用為強對流提供了有利的動力抬升條件;0～6 km強垂直風切變有利于強對流維持和發展。

4 多普勒雷達特征分析

從上述分析可知,此次強冰雹天氣的發生已經具備了有利的環流背景和溫濕條件。對流回波于21日凌晨在江西省境內生成,此后沿著850 hPa切變線自西向東移動,于21日06時左右進入浙江省衢州市。21日06—08時對流系統以颮線形態移動和發展,08時之后對流系統以強對流單體和超級單體形態移動和發展,12時之后超級單體移動至海上減弱,對浙江省影響結束,整個超級單體過程影響時間約為4 h。下面利用杭州和寧波站S波段雷達,著重對發生在金華、紹興、臺州和寧波地區的強冰雹天氣的超級單體多普勒雷達回波演變特征進行分析和探討。

4.1 超級單體演變過程

3月21日08時之后,強對流單體移動進入金華市。08∶36強對流單體加強為超級單體,最大反射率因子達62 dBz,位于杭州雷達站西南約120 km。同時徑向速度圖上(圖略),相應位置開始出現中氣旋,旋轉速度約為16 m·s-1,按照美國國家強風暴實驗室規定的中氣旋判據屬于中等強度中氣旋。08∶47超級單體移動至義烏,最大反射率因子達60 dBz,呈現出“腎狀”結構。08∶58超級單體移動至東陽,最大反射率因子達66 dBz,超級單體前進方向右前側出現弱回波區WER。09∶15超級單體移動至磐安,呈現出弓形回波特征。受超級單體影響,08∶47—09∶15義烏佛堂鎮、東陽市、磐安縣先后出現直徑為5 mm左右的冰雹。

10∶06超級單體進一步發展加強,位于新昌東南約20 km,1.5°仰角60 dBz以上強回波區出現了明顯的鉤狀回波,鉤狀回波是超級單體在PPI圖上常見的特征之一。最大反射率因子出現在鉤狀回波西南側,達68 dBz。超級單體前進方向左前側出現V形缺口,表明有較強的暖濕氣流進入上升氣流區,有利于超級單體的維持和發展。后側出現弱回波通道,表明超級單體后側存在強的下沉后側入流急流,實況為地面出現了破壞性大風。10∶06徑向速度圖上,與超級單體相對應的位置存在尺度約20 km的中氣旋,旋轉速度約為16 m·s-1,距離寧波雷達站位置90 km,屬于中等強度中氣旋。由于超級單體以較快的速度向雷達方向移動,因此中氣旋結構嚴重不對稱。

10∶45超級單體移動至寧波市寧海縣,鉤狀回波和V形缺口清晰可見。沿60 dBz強回波區徑向上出現5～10 dBz的異常回波,即三體散射長釘TBSS,長度約為15 km。寧海氣象站10∶42—10∶44觀測到直徑約為8 mm的冰雹并伴有雷暴大風。根據事后民眾測量數據可知,寧海部分地區冰雹直徑達17.6 mm,接近大冰雹尺度。

11∶02超級單體移動至象山,后側出現明顯V形缺口,表明超級單體后側存在強的下沉氣流,造成象山南韭山、山頭王村、九傾村站點19 m·s-1的災害性大風。此時超級單體最大反射率因子達75 dBz,大于65 dBz強回波區徑向上出現TBSS,長度約為37 km,實況為象山地面出現了直徑約為10～20 mm的冰雹。由此可見, TBSS長度與冰雹直徑成正比。進一步綜合超級單體最強回波(75 dBz)和TBSS長度推斷,象山地面出現了直徑超過20 mm的大冰雹,只是沒有被觀測到。

4.2 超級單體垂直結構

由11∶02寧波雷達1.5°、2.4°、3.4°、4.4°仰角的基本反射率因子和徑向速度圖(圖略)可知，此時超級單體位于象山縣上空,1.5°仰角上超級單體呈現出鉤狀回波特征,相應高度約為1.8 km,最大反射率因子位于鉤狀回波西北部,達75 dBz。在相應的徑向速度圖上表現為氣旋式輻合,核區直徑約為10 km,旋轉速度為15 m·s-1。2.4°仰角的基本反射率因子圖上入流一側存在倒“V”形的弱回波區(WER),該WER位于低層鉤狀回波之上,高度約為3.25 km,最大反射率因子超過70 dBz,反射率因子廓線相對于1.5°仰角向東南擴展,相應的徑向速度圖上中氣旋仍為氣旋式輻合,核區直徑約為5 km,強度維持中等。3.4°仰角的基本反射率因子圖上有界弱回波區(BWER)位于低層1.5°仰角鉤狀回波之上,高度約為4.6 km,相應的徑向速度圖上中氣旋為氣旋式輻合,強度略有減弱。4.4°仰角的基本反射率因子圖上最大反射率因子達70 dBz,相應高度約為6 km,反射率因子廓線相對于2.4°仰角繼續向東南方向擴展,超級單體反射率因子隨高度上升向低層入流一側傾斜,呈現出回波懸垂特征。相應的徑向速度圖上中氣旋表現為氣旋式輻散,正、負速度差值達30 m·s-1,高層輻散遠大于低層輻合,有利于中氣旋的維持,使得超級單體發展并維持,造成象山縣強冰雹天氣。

為了更清楚地顯示超級單體的垂直結構,沿低層暖濕入流穿過弱回波中心作垂直剖面(圖略)。由于寧波沒有探空數據,選取最近的洪家站探空數據進行分析。08時洪家站0℃和-20℃層距離地面高度分別為3.8 km和7.0 km。11∶02垂直剖面圖顯示大于50 dBz的回波伸展至9 km以上,超過-30℃層,呈現出典型的高懸強回波特征。同時中低層的弱回波區、位于其上的回波懸垂以及凹進回波懸垂的有界弱回波區也非常明顯。強反射率因子區(>60 dBz)為沿著BWER左側的一個豎直的狹長區域,從7 km左右高度一直擴展到低層,其中下部代表冰雹下降的區域,最大回波強度為75 dBz。多普勒天氣雷達觀測到高懸的強回波,同時滿足0℃層距地面的高度<4.5 km之后,一旦發現弱回波區和回波懸垂結構,可以發布強冰雹預警;而如果有BWER存在,則發生強冰雹的概率幾乎為100%[20]。再加上之前提到的TBSS和中等強度中氣旋,所有這些特征一致表明該超級單體風暴是一個強烈雹暴,它具有一個強雹暴的所有多普勒天氣雷達回波特征。

4.3 VIL值與大冰雹

1972年Greene和Clark[21]提出了強風暴的一種新的探測方法和預測因子—垂直累積液態水含量(VIL)。VIL是通過雷達測量的反射率因子和雨滴之間的經驗關系進行計算的。20世紀80年代末,VIL被廣泛地應用于美國的WSR-88D多普勒天氣雷達中,成為判別強冰雹等災害性天氣的有效參量之一。謝啟玉等[22]、覃靖等[23]分別總結出適用于我國西寧、柳州地區的VIL指標。連續跟蹤“03.21”VIL數值變化可知,超級單體階段VIL主要經歷了2次突然躍增過程(圖1)。第一次躍增出現在08∶47至08∶53,VIL最大值由33.7 kg·m-2躍增至55.8 kg·m-2,即一個體掃時間增加了22.1 kg·m-2,之后VIL最大值維持在50 kg·m-2以上。實況為08∶47—09∶15期間義烏佛堂鎮、東陽市、磐安縣先后出現直徑約為5 mm的冰雹。冰雹降落后VIL值下降至40～50 kg·m-2之間。第二次躍增出現在10∶00—10∶06,VIL最大值由52.2 kg·m-2突然增大至80.2 kg·m-2,一個體掃時間增加了28.0 kg·m-2,之后VIL最大值維持在70 kg·m-2以上。10∶00之后東陽、天臺出現了5～10 mm冰雹。10∶45之后超級單體徑向出現TBSS,VIL最大值上升至102.4 kg·m-2，并持續增加,11∶02達155.8 kg·m-2。10∶45—11∶02期間,寧海和象山實況出現了8～20 mm冰雹。由此可見,可用VIL值明顯躍增的現象提前6 min預警冰雹,并且VIL值和冰雹直徑大小呈正比關系。

圖1 2019年3月21日最大垂直累積液態水含量VIL時間變化圖(單位：kg·m-2)

5 結 論

本文利用氣象自動站數據、NCEP再分析資料以及多普勒雷達監測產品,較系統地分析了浙江省2019年3月21日強冰雹超級單體的環境條件和雷達特征,總結出其中的環流配置和雷達回波特征,為以后的冰雹預報預警提供一定的參考。主要結論如下。

(1)雹暴發生在850 hPa形勢場上有“人”字形切變線發展、200 hPa形勢場上有高空急流的背景下。同時850 hPa上長江以南為顯著濕區,500 hPa上為干舌區,(T850 hPa-T500 hPa)>24°C,浙中南沿海地區為“上干冷下暖濕”的不穩定層結疊加地區,具有較好的不穩定條件并伴有強垂直風切變,有利于垂直上升運動的迅速發展。對流云團在不穩定層結和強垂直風切變作用下發展為超級單體,導致此次強冰雹天氣過程的發生。

(2)結合杭州和寧波站S波段多普勒天氣雷達監測產品分析發現,基本反射率因子低層超級單體呈現出明顯的鉤狀回波和倒V形缺口。相應的徑向速度圖上中氣旋持續約為2.5 h,旋轉速度約為16 m·s-1。基本反射率因子垂直剖面呈現出典型的高懸強回波、回波懸垂和有界弱回波區,最大回波強度出現在BWER左側的一個豎直的狹長區域,其值達75 dBz,其下部代表冰雹下降的區域。

(3)超級單體反射率因子維持在60 dBz以上,最大VIL值長時間維持在50kg·m-2以上,最大值為155.8kg·m-2。TBSS出現時間超過17min,長度約為15～37 km。冰雹直徑大小與最大VIL值、TBSS長度成正比。最大VIL值在1～2個體掃躍增25 kg·m-2時,地面開始產生冰雹。

(4)在實際業務中,可用最大VIL值明顯躍增來提前6～12 min預警冰雹。