湘西北一次強冰雹天氣雷達回波特征分析

易文軍，石興瓊，何炳文，梁 可

(1.張家界市氣象局，湖南張家界 427000；2.石棉縣氣象局，四川石棉 625400；3.常德市氣象局，湖南常德 415000)

湘西北山區是我國南方多雹災地區，也是湖南省春季冰雹的易發區，由于其特殊的地形和氣候特征，春季冰雹多發，雹災較重。冰雹是一種具有突發性、范圍小、持續時間短、破壞性強的災害性天氣，短時間內可以對農業、交通、電力、建筑和人民生命財產造成重大損失。近年來，國內外有關冰雹天氣的研究已有很多重要成果。廖玉芳等[1]詳細地討論了我國S波段多普勒天氣雷達三體散射的統計特征。朱敏華等[2]分析了強烈雹暴三體散射的多普勒天氣雷達基本反射率因子的形成機制。湯興芝等[3]歸納總結得出利用45 dBz雷達回波高度可較好地識別冰雹云。劉嘉慧敏等[4]通過商南地區一次強雹暴天氣的環境條件和雷達回波結構特征分析，得出垂直積分液態含水量密度(VILD)躍增能更好地提前指示大冰雹。張昆等[5]對懷化地區近15年降雹時空分布以及環境參量特征分析總結，得出高架對流類是懷化地區降雹最主要的天氣形勢，且多發生在2—3月的午后或傍晚，冰雹直徑較小。鮑向東等[6]對河南省冰雹天氣環境參量特征分析統計，得出一些適合河南地區的降雹參量閾值。劉兵等[7]對張家界多個冰雹個例進行了分析，給出了冰雹預警的幾個實用指標。本文利用常規觀測資料和張家界多普勒雷達監測資料，對2020年3月21日晚—22日凌晨(北京時，下同)湘西北冰雹天氣個例開展研究，著重分析三體散射(TBSS)、旁瓣回波、垂直積分液態含水量(VIL)和VIL密度等特征，以期為湘西北冰雹預警提供參考依據。

1 降雹實況和環流背景

1.1 降雹實況

2020年3月21日20時—22日02時湘西北地區出現了強冰雹天氣過程，并伴有短時強降雨、雷暴大風天氣，其具有移速快、局地性強、冰雹顆粒大小分布不均的特點(圖1a)。桃源縣沙坪鎮附近冰雹直徑45 mm，永順縣郎溪鄉、沅陵縣五強溪鎮和桃源縣竹園村冰雹直徑30 mm，持續時間9～18 min。此外，永定區城區和慈利縣高橋鎮均出現直徑小于20 mm的小冰雹，持續時間約5～8 min。

1.2 環流背景

從3月21日20時環流背景形勢場的綜合分析(圖1b)可以看出，500 hPa上有一短波槽位于四川中部一帶，在24 h內將快速東移影響湘北地區，850 hPa上湘北至貴北一帶存在南北風向的切變線，該切變線以南西南急流發展旺盛，急流核最大風速達18 m/s。地面場上整個湘北地區受暖低壓控制，鄂南一帶有冷空氣侵入暖低壓，冷暖交匯加劇了不穩定能量的釋放，此外，在850 hPa切變線附近有地面輻合線，有利于觸發強對流天氣。綜合來看，湘西北地區在21日20時處于高溫高濕場中，大氣層結不穩定，在地面輻合線和冷空氣的觸發下，引發了此次強對流天氣。

圖1 2020-03-21T20：00—22T08：00強天氣實況分布圖(a)和2020-03-21T20：00環流背景綜合分析(b)

圖2為懷化、恩施3月21日20時的探空曲線。湘西北地區整層都是“上干下濕”的喇叭口層結特征，非常有利于強對流天氣的發生。懷化站探空顯示CAPE值1 180 J/kg，K指數38.4 ℃，SI指數-2.76 ℃，0 ℃層高度4.6 km，-20 ℃層高度7.0 km，0～6 km垂直風切達18 m/s，700 hPa以下為暖平流，中高層為冷平流，低層暖濕高層干冷，大氣層結不穩定。恩施探空顯示CAPE值611.3 J/kg，K指數36.4 ℃，SI指數-0.25 ℃，0 ℃層高度3.7 km，-20 ℃層高度6.8 km，0～6 km垂直風切達30 m/s。綜合來看，0～6 km垂直風切變屬于強垂直風切變，可以增強中層干冷空氣的吸入，加強風暴中下沉氣流和低層冷空氣外流[8]；“上干下濕”的層結不穩定，0 ℃層高度約4.2 km，-20 ℃層高度約6.9 km，適宜湘西北地區冰雹天氣發生。環境條件有利于超級單體風暴的形成和發展以及大冰雹和雷暴大風的產生。

圖2 2020-03-21T20溫度對數壓力圖(a 懷化；b 恩施)

2 多普勒雷達特征

2.1 雷達回波演變

21日21：34永順縣大壩鄉附近對流風暴開始發展，21：52最強反射率因子達63 dBz，回波頂高達11 km，從風暴開始發展到回波達到60 dBz用時僅18 min，可見該風暴發展非常迅速且強烈，在極短時間內發展成為超級單體風暴。21：52在2.4°、3.4°、4.3°仰角上均出現了三體散射“長釘”(TBSS)(圖3a)，風暴發展到22：16，在3.4°和4.3°仰角上出現了旁瓣回波(圖3b)。23：16，該超級單體風暴分裂為兩個超級單體風暴A和B，A風暴位于永定區后坪鎮附近，B風暴位于永順縣和沅陵縣交界處。A、B風暴最大回波強度均超過60 dBz，且B風暴比A風暴更強盛。A、B風暴移動路徑的區域內均出現了不同程度的冰雹，并伴有雷雨大風天氣。

圖3 2020-03-21張家界雷達反射率因子(單位為dBz；a 2.4°，b 3.4°)

A風暴東移過程中略有發展后便迅速減弱，23：34在永定城區南部發展到最強，地面在23：56左右出現小冰雹，持續時間約5～8 min，22日00：04該風暴減弱。A風暴減弱消散以后，一個體掃內，在其消散地附近又有多個小尺度強風暴對流發展，最強回波超過65 dBz，22日01：13左右在慈利縣高橋鎮附近出現小冰雹。降雹后，風暴減弱消散。分析A風暴東移減弱消散的原因，一是地形因素，A風暴軌跡區域多為峽谷平原，而非利于降雹的丘陵山地；其次是降雹天氣系統偏南，中低層切變線和地面輻合線更靠近B風暴東移路徑。

B風暴從主體風暴分裂以后繼續東移發展加強。該風暴沿著沅陵縣北部東移，22日00：28，B風暴迅速加強，在2.4°、3.4°、4.3°和6.0°仰角上均出現了三體散射“長釘”和旁瓣回波(圖4a～圖4d)，TBSS和旁瓣回波呈現加強的趨勢，且維持時間達47 min。從風暴徑向速度圖上看，在桃源縣西南部還出現了強中氣旋(圖4d)，核區直徑約6 km，旋轉速度≥27 m/s。沅陵縣五強溪附近冰雹直徑達30 mm，桃源縣沙坪鎮附近冰雹直徑達45 mm，并伴有7～9級大風。B風暴在22日01:：33左右移出桃源縣。

2.2 三體散射(TBSS)

2.2.1 超級單體風暴分裂前 21：52，2.4°仰角上首次出現TBSS(圖3a)，而在6.0°仰角上并未看到TBSS(圖略)，說明此時冰雹云正在對流發展。隨著超級單體風暴的不斷發展，22：16，3.4°仰角上出現了明顯的三體散射和旁瓣回波(圖3b)。以≤15 dBz反射率因子計算，“長釘”長度為14 km，最大反射率因子超過了60 dBz。23：10，超級單體風暴發展到最強盛階段，6.0°仰角出現了強的三體散射，最大反射率因子達72 dBz，“長釘”長度達23 km。TBSS的長度越長，表明反射率因子核心越大，高反射率因子的區域面積也越大[1]。23：18左右永順縣郎溪鄉出現了直徑30 mm的大冰雹。由于冰雹落地較快，從發現TBSS到地面降雹時間間隔較短，這給冰雹預警增加了難度。

23：16，超級單體風暴分裂為兩個超級單體風暴A、B，三體散射迅速消失，從首次出現TBSS特征到結束，三體散射持續時間達84 min。A風暴在東移過程中并未加強，在永定區南部出現直徑小于20 mm冰雹后，其迅速減弱消散，而B風暴繼續保持超級單體結構東移。

2.2.2 超級單體風暴分裂后 B風暴沿著沅陵縣北部山區維持70 dBz的最強回波東移，22日00：28，2.4°～6.0°仰角均出現了三體散射，在風暴移動的右后側還出現了旁瓣回波(圖略)，而在低仰角0.5°和1.5°上，由于風暴徑向外側存在大于25 dBz的真實回波，無法清晰監測到三體散射。B風暴發展到此時，其超級單體風暴結構特征較分裂前更加明顯和突出。

00：34，6.0°仰角上TBSS特征最清楚(圖4a)。以≤15 dBz反射率因子計算，“長釘”長度達26 km，60 dBz的回波高度達9.1 km，在-30 ℃層高度以上，當≥50 dBz的回波高度超過-20 ℃層高度以上，有利于大冰雹的產生。00：52，2.4°～4.3°仰角上TBSS特征明顯，6.0°仰角上“長釘”已經消失，只能看到旁瓣回波，此時TBSS特征最強盛，出現在4.3°仰角上(圖4b)，“長釘”長度達32 km，60 dBz的回波高度達8.5 km。00：57,最強反射率因子達74 dBz，在3.4°仰角上TBSS特征最明顯(圖4c)，60 dBz的回波高度達8.7 km，“長釘”長度達47 km，這是本次降雹過程出現的最長“長釘”，在湘西北地區十分罕見，表明強反射率因子面積和反射率因子核心均達到了最強盛時期。01：03，在6.0°仰角徑向速度圖上出現了風暴頂強輻散(圖略)，正負速度差值達63 m/s。對比分析來看，“長釘”長度越長，冰雹直徑越大?！伴L釘”特征隨時間由高層向低層呈現，60 dBz的回波高度也隨時間降低，反映了一個典型強烈超級單體風暴降雹的過程。

在速度圖上監測到一個深厚持久的強中氣旋，該中氣旋持續了約58 min，00：52在3.4 °仰角上中氣旋顯示最強(圖4d)。中氣旋距離雷達約90 km，核區直徑約6 km，旋轉速度≥27 m/s，屬于強中氣旋。與此相應，00：50—01：30在桃源縣西南部多個鄉鎮出現了7～9級大風。

從00：58反射率因子剖面圖(圖4e)可以看出，風暴呈現出典型的強烈超級單體風暴結構特征。反射率因子核強度超過了70 dBz，回波頂高達到16 km；強回波區結構密實緊湊，大于60 dBz的反射率因子伸展高度達到9 km，存在明顯的回波穹窿和其上強大的懸垂回波；弱回波區右側出現了回波墻以及狹長的反射率因子高值區，反射率高值區從9 km高度一直伸展到低層，表明地面即將出現冰雹。22日01：15左右，桃源縣西南部出現了直徑45 mm的大冰雹。此外，三體散射造成的回波假象在圖中強回波區的上部也清晰可見。綜合以上分析來看，B風暴呈現了一個典型的強烈超級單體風暴結構，受其影響多個鄉鎮造成了冰雹、雷雨大風和短時強降雨等災害性天氣。

圖4 2020-03-21張家界雷達不同時刻不同仰角反射率因子(單位為dBz；a 6.0°；b 4.3°；c 3.4°)、00：52徑向速度(單位為m/s；d 3.4 °；黑圓圈為中氣旋)和00：58反射率因子垂直剖面(單位為dBz；e)

2.3 旁瓣回波

旁瓣回波也是大冰雹的一個預警指標[9]。從表1可以看出：不同仰角上首次出現旁瓣回波的時間基本一致，高仰角上旁瓣回波持續時間比低仰角更短；旁瓣回波最大切向長度達46 km，最大徑向寬度達17 km，其出現時最強反射率因子≥73 dBz，表明風暴核反射率因子面積大，強雹暴對流發展旺盛；旁瓣回波出現時的高度為1.9～11.5 km，表明旁瓣回波在每個層次均可出現。由于低仰角上強反射率因子徑向外側有真實回波存在，TBSS特征并不清晰，而旁瓣回波卻很明顯，這就為冰雹預警提供了另一個可供參考的特征指標，即在強反射率因子徑向外側有真實回波存在時，可以依據旁瓣回波發布冰雹預警。

表1 湘西北2020-03-22凌晨B風暴旁瓣回波特征統計

2.4 垂直積分液態含水量(VIL)

垂直積分液態含水量(VIL)和VIL密度均是較好的冰雹預警指標。劉兵等[7]總結出湘西北大冰雹的VIL和VIL密度閾值分別為VIL≥43 kg/m2，VIL密度≥4.0 g/m3。圖5給出了此次湘西北降雹過程中當VIL≥43 kg/m2時的最大VIL變化曲線及對應的VIL密度變化曲線?？梢钥闯?，21日22：46 VIL達54 kg/m2，VIL密度為4.3 g/m3，22日00：57 VIL達68 kg/m2，VIL密度為5.2 g/m3，均滿足湘西北大冰雹的預警指標，在之后18～32 min地面出現30～45 mm大冰雹。值得注意的是，21日23：58 VIL達56 kg/m2，而VIL密度卻僅為3.0 g/m3。超級單體風暴此時已減弱分裂為A、B兩個風暴，地面亦無相應降雹報告，三體散射、旁瓣回波均未出現，說明冰雹預警不能僅看VIL≥43 kg/m2這個指標，而要更加注重VIL密度≥4.0 g/m3的判定指標。分析其原因，可能與雹胚成長有關。23：58的風暴頂高度達到了18.6 km，遠超-40 ℃的高度，此時雹胚在充分增長之前就很快的被強上升氣流抬升到-40 ℃高度以上，而-40 ℃高度以上沒有過冷水滴，不存在有利于冰雹增長的環境[10]，故而不會降冰雹。因此在實際業務工作中，尤其要關注VIL密度，它對大冰雹有更好的預警作用。

圖5 2020-03-21—22湘西北最大VIL變化曲線(a)、VIL密度變化曲線(b)(黑圓點處表示VIL值雖很大但未降雹；黑三角處表示VIL和VIL密度最大值)

3 結論與討論

(1)“上干下濕”的喇叭口層結特征，低層高溫高濕和不穩定能量輸送，配合適宜的0 ℃層高度4.2 km，-20≥層高度6.9 km，在地面冷空氣和輻合線的觸發下，有利于冰雹、雷暴大風、短時強降雨等強對流天氣的發生。此次降雹過程是典型的強超級單體風暴造成的，其具有明顯的三體散射“長釘”、旁瓣回波等特征，以及較大的VIL和VIL密度，這些特征對冰雹天氣有很好的預警作用。

(2)三體散射在不同仰角上均有出現，且持續時間長，TBSS最強反射率因子≥63 dBz，“長釘”長度達47 km，在其后的12～41 min內地面有大冰雹降落，TBSS特征可作為判定大冰雹的預警指標。三體散射特征越明顯，表明強反射率因子面積越大、反射率因子核心越大。

(3)旁瓣回波在不同仰角上比TBSS出現的時間更長、更清晰，旁瓣回波出現時的最強反射率因子≥60 dBz，最大切向長度達46 km，最大徑向寬度達17 km。旁瓣回波也是判定冰雹天氣的預警指標，特別是當強反射率因子外側有真實回波而TBSS特征不清晰時，旁瓣回波的預警作用更好。

(4)VIL≥43 kg/m2和VILD≥4.0 g/m3是冰雹天氣的有效預警指標，當風暴對流厚度超過-40 ℃高度時，VIL密度能更好地判定冰雹。