宜春北部一次冰雹過程雷達回波特征分析

宋 雄，馬中元，王 璇，洪麗霞，辛瑋琪，范小軍

(1.江西省氣象科學研究所，330046，南昌；2.宜豐縣氣象局，336300，江西，宜豐；3.上饒市氣象局，334000，江西，上饒)

0 引言

冰雹天氣是江西春季主要的強對流天氣之一。冰雹在雷達回波上具有超級單體、颮線回波帶上超級單體和強單體等回波形態，冰雹回波的垂直剖面、徑向速度、中氣旋等雷達回波產品特征，有利于冰雹回波的識別。多部雷達拼圖擴大了單部雷達探測范圍，減弱了單部雷達盲區擋角、距離衰減、地球曲率等因素造成的影響，能夠更好地表示中尺度回波系統的全貌。另一方面，雷達拼圖是網頁產品，隨時隨地可以通過手機、電腦等設備訪問，彌補了雷達PUP終端少的缺陷。雷達回波特征的研究對開展冰雹天氣的監測預警和預報服務有重要的意義。

國內專家學者對冰雹、雷暴大風等強對流天氣進行了大量研究與分析，取得了豐碩研究成果。例如：丁小劍[1]等分析春季冰雹天氣得出，前期形勢均為500 hPa西風槽以階梯槽的形勢影響湖南，槽前配合有冷鋒南下，鋒前的西南倒槽明顯發展，低槽、切變以及冷空氣是其主要影響天氣系統。王研峰[2-5]等分析指出降雹對流單體最大回波強度出現在低層，為63 dBZ；反射率因子垂直剖面呈對流單體有界弱回波區和其上的回波懸垂，相應的徑向速度垂直剖面呈中低層徑向風有明顯的輻合特征，高層轉為輻散。徐芬[6-12]等研究得出強降雹超級單體除具有三體散射現象、入流缺口等雷達回波中尺度特征外，持久深厚的中氣旋存在造成了顯著的有界弱回波區和高懸垂強回波區。春夏季冰雹云回波強度至少為55 dBZ，多數為60～70 dBZ；單體VIL至少為30 kg/m2，多數為40～80 kg/m2。陳鮑發[13]等研究得出江西WebGIS雷達拼圖上對冰雹的預報著眼點：1)60～65 dBZ回波范圍大于10×10 km2，回波形狀呈橢圓形；2)30 dBZ回波界線與60 dBZ回波界線梯度大；3)60 dBZ回波中心有65～70 dBZ回波“核”；4)強回波下風向有“前伸”回波結構。劉艷杰[14-15]等指出冰雹回波有塊狀單體和颮線兩種結構，回波中心強度普遍大于60 dBZ，垂直結構上均有懸垂回波，速度場為逆風區或旋轉速度 ≥12 m/s的弱切變。冰雹回波系統為中α尺度，“弓”形回波結構明顯，同時有雷暴出流邊界。馬中元[16-18]等研究指出颮線移動前方不斷產生具有“前伸”、TBSS和虛假回波結構的局地雹云超級單體回波群，這些颮前中小尺度系統是產生此次冰雹災害的主要回波系統。副熱帶高壓邊緣產生的雷暴大風天氣過程，超級單體回波具有55～60 dBZ塊狀回波結構，垂直液態水含量VIL達到60 kg/m2；相對風暴速度SRM和垂直徑向速度RHI_V圖上，都具有相鄰的正負速度對和達到中等以上中氣旋標準。副高邊緣雷達回波特征主要有2種：一是南北向短帶回波，有時會發展為弓狀回波；二是強回波單體，超級單體和復合單體回波。何文[19-21]等分析指出雷電強度和雷達回波強度有很好的對應關系，產生強雷電的回波要具備強度大于50 dBZ、強回波中心密實、強回波邊緣梯度大等條件。研究成果為監測預警江西冰雹天氣提供理論依據。

本文使用天氣圖和雷達數據等資料，對2021年3月30—31日江西罕見大冰雹天氣過程中雷達回波特征進行分析，為縣站監測預警冰雹天氣和預報服務提供分析依據，努力提高對冰雹天氣的預報能力。

1 資料來源和天氣實況

1.1 資料

雨量資料來源于江西省自動氣象站顯示平臺，天氣資料、探空數據和衛星云圖數據來源于MICAPS平臺，雷達拼圖資料來源于江西WebGIS雷達拼圖平臺，單部雷達產品數據來源于宜春SA雷達基數據。

1.2 實況

2021年3月30—31日，江西出現罕見的大冰雹天氣。冰雹自西向東橫掃銅鼓、宜豐、上高、高安、奉新、新建、南昌、進賢、余干、樂平、景德鎮、婺源等地，其中銅鼓、南昌等地還出現罕見大冰雹，最大雹徑超過 10 cm，呈放射狀，普通雹徑也在 20～50 mm(圖1)。這次江西大冰雹事件，無論是超級單體回波之強、維持時間之長、影響范圍之廣和冰雹直徑之大都是歷史罕見的。

圖1 2021年3月30—31日江西大冰雹部分實況圖

2 天氣背景與雷達拼圖回波演變

2.1 天氣背景

2021年3月30日20:00(圖略)，高空低槽位于重慶至貴州西部，槽前有明顯的西南急流，500 hPa長沙西南風26 m/s，南昌30 m/s；700 hPa長沙西南風23 m/s，南昌20 m/s；850 hPa長沙西南風14 m/s，3層急流在江西西北部匯合，南昌位于匯合區附近。匯合區上空贛北200 hPa有分流區。低層850 hPa在江西中北部及其以東地區有明顯偏東南氣流，925 hPa南昌東南風12 m/s，即伴有超低空急流。低層的明顯偏東氣流與急流一方面把東海上空水汽輸送至對流區上空，另一方面與西部的西南急流、北部偏東急流產生劇烈輻合，同時在垂直方向上隨高度增加東南風轉西南風形成明顯的暖平流，為上升運動提供了支撐。850 hPa切變線位于湖南中部至贛北，切變線上有西南風與東南風的劇烈輻合，是對流觸發的重要天氣系統，切變線以南在700 hPa有一急流軸從湖南南部伸向贛西北。低層暖濕，850 hPa以下為飽和區，700 hPa開始變干，500 hPa湖南中部有明顯干區，長沙T-Td= 38 ℃，隨著槽前西南急流東移，干區移至贛北、贛中上空，“上干下濕”結構為冰雹等強對流發生提供了有利條件。低層(850～925 hPa)有暖脊發展，暖脊從廣西經湖南南部伸向贛北、贛中，南昌上空T850-500= 28 ℃，低層溫度偏高，且高低空溫差大，為強對流的發生提供了重要熱力條件與觸發機制。此時，850 hPa南昌的Td=16 ℃，比濕為14 g/kg，表明水汽條件充沛。

由此可見，本輪強對流天氣的重要天氣系統有中低層多層西南急流、地面倒槽、低層切變線，同時伴有低層暖脊、“上干下濕”等有利于強天氣發生的溫、濕條件。水汽條件充沛、大氣層結不穩定且伴有較強的不穩定能量。但與3—4月江西典型強對流天氣不同的是沒有明顯冷空氣入侵背景，強對流發生時高空低槽也沒有明顯東移，強對流的發生、發展與中低層切變線附近輻合、低層暖脊發展、西南急流脈動有關，是典型暖區強對流型結構。因此，只要滿足水汽、不穩定、抬升三大基本條件，在強的層結不穩定、強不穩定能量、強輻合觸發等作用下，冰雹、雷暴大風等強對流天氣就能發生、發展。

2.2 雷達拼圖回波

雷達拼圖回波能有效彌補單部雷達探測距離、近距離擋角、天線掃描盲區、地球曲率、遠距離衰減等缺陷，更加有效地揭示強天氣全貌。

2021年3月3月30—31日，江西WebGIS雷達拼圖回波(圖2(a))，3月30日22:10的雷達拼圖上，影響銅鼓的回波呈孤立團狀結構，形狀接近橢圓形；結構密實，西南側30 dBZ回波界線與60 dBZ回波界線反射率因子梯度明顯；強回波中心最大反射率因子值達到了70 dBZ以上，其回波特征符合陳鮑發[13]等研究得出的江西WebGIS雷達拼圖上對冰雹的預報著眼點。

(a)30日22:10超級單體 (b)31日19:00回波帶上超級單體

3月31日19:00(圖2(b))，影響贛北的雷達回波組織結構較為明顯，呈東北—西南的帶狀分布，回波帶上西南側的雷達反射率因子存在3個強中心，中心強度位于65～70 dBZ之間，符合江西預報冰雹的回波強度條件。

綜上所述，造成3月30—31日銅鼓、宜豐冰雹的回波中心強度均大于65 dBZ；不同之處是回波組織結構不同，30日超級單體回波形態呈孤立橢圓狀，31日是回波帶上的超級單體。

3 江西冰雹雷達產品特征

雷達PUP產品包括：組合反射率CR、回波頂ET、垂直積分液態水含量VIL、中氣旋M、龍卷渦旋結構TVS和風暴跟蹤信息STI共6種。雷達垂直剖面產品包括：反射率因子垂直剖面RCS(Reflectivity Cross Section)、徑向速度垂直剖面VCS(Velocity Cross Section)2種，垂直剖面沿徑向和切向兩個方向進行。

3.1 銅鼓、宜豐超級單體回波

2021 年3月30日22:08，宜春SA雷達(9795)基數據反演的PUP產品圖中，銅鼓西部地區孤立回波的組合反射率中心值達到了65 dBZ(圖3(a))，0 dBZ強度的雷達回波高度ET達到了17 km(圖3(b))，對應垂直液態水含量VIL中心值為60 kg/m2，符合江西春夏季一般情況下冰雹云對應的回波強度、回波頂高、VIL值的特征(圖3(c))。在中氣旋產品M和龍卷渦旋TVS產品中，顯示出了該對流單體可能存在中氣旋和TVS(圖3(d)、圖3(e))，證明了此時位于銅鼓西部的對流單體為超級單體。STI產品可以看出(圖3(f))，30日22:08位于銅鼓西部的超級單體回波未來將穿過銅鼓地區向東北方向移動，并在銅鼓產生冰雹。

(a)CR；(b)ET；(c)VIL；(d)M；(e)TVS；(f)STI

圖4(a)～(d)分別是2021年3月30日22:08 宜春SA雷達沿雷達切向、徑向的反射率及速度垂直剖面圖。從反射率因子切向垂直剖面(圖4(a))上可以看出，位于銅鼓西部的超級單體回波強度最大達到了65 dBZ以上，60 dBZ回波伸展高度達到11 km，與單純強降水回波直上直下的結構不同，此回波結構存在明顯的傾斜，證明該風暴中傾斜式上升氣流的存在。大于55 dBZ的雷達回波即將接地，說明冰雹即將下落。從反射率因子徑向垂直剖面(圖4(b))上也可以看出，該超級單體60 dBZ頂高達到了10 km以上，風暴發展旺盛，且存在明顯的有界弱回波區(BWER)和回波懸垂，證明風暴內有強的上升氣流。速度切向垂直剖面(圖4(c))上，可以看到5 km以下距離雷達25 km處有一正速度中心，中心值達到27 m/s，距離雷達35 km處有一負速度中心，中心值達到-19 m/s，說明低層有氣旋式旋轉。速度徑向速垂直剖面(圖4(d))上，可以看到6 km以下有明顯的27 m/s的正速度中心和10 m/s的負速度中心，說明此處有風的輻合。風暴低層風既有氣旋式旋轉，又有風的輻合，證明了風暴中存在中氣旋結構。

(a)切向RCS；(b)徑向RCS；(c)切向VCS；(d)徑向VCS

3.2 銅鼓、宜豐回波帶上超級單體回波

2021 年3月31日19:03，宜春SA雷達(9795)基數據反演的PUP產品圖中，宜春北部回波呈帶狀，影響宜豐北部產生冰雹的超級單體位于回波帶上。此回波帶上超級單體達到了65 dBZ(圖5(a))；0 dBZ強度的雷達回波高度ET值達到了18 km(圖5(b))，略高于30日孤立超級單體ET值；對應垂直液態水含量VIL中心值為55 kg/m2，較30日VIL值小(圖5(c))，但其特征也符合江西春夏季一般情況下產生冰雹對流系統的回波強度、回波頂高、VIL值的特征。在中氣旋產品M和龍卷渦旋TVS產品中(圖5(d)、圖5(e))，也顯示出了該超級單體風暴可能存在中氣旋和TVS，證明了此時位于宜豐北部的對流單體也為超級單體。從STI產品可以看出(圖5(f))，前一小時此超級單體向東東北方向移動，未來仍將繼續此方向移動，宜豐地區產生冰雹。

(a)CR；(b)ET；(c)VIL；(d)M；(e)TVS；(f)STI

圖6(a)～(d)分別是2021年3月31日18:58宜春SA雷達沿雷達切向、徑向的反射率及速度垂直剖面圖。從反射率因子切向垂直剖面(圖6(a))上可以看出，位于宜豐北部的超級單體回波強度最大達到了65 dBZ以上，60 dBZ回波伸展高度達到10 km，存在明顯的懸掛結構回波。從反射率因子徑向垂直剖面(圖6(b))上也可以看出，該超級單體60 dBZ頂高達到了10 km以上，存在明顯的虛假旁瓣回波頂，風暴發展旺盛。速度切向垂直剖面(圖6(c))上，可以看到強回波對應區域6 km以下有-27 m/s的負速度中心和10 m/s的正速度中心，說明低層風的氣旋式旋轉特征。速度徑向速垂直剖面(圖6(d))上，可以看到4 km以下有明顯的-10 m/s的負速度層，4 km以上存在10 m/s的正速度層。

(a)切向RCS；(b)徑向RCS；(c)切向VCS；(d)徑向VCS

由此可見，3月30日和31日造成銅鼓、宜豐冰雹的風暴均為超級單體風暴，風暴CR中心值可達65 dBZ，0 dBZ強度的雷達回波高度ET達到了17 km以上，對應垂直液態水含量VIL中心值為55～60 kg/m2，且均可識別出中氣旋和TVS。從雷達垂直剖面特征來看，3月30日銅鼓西部的孤立超級單體存在明顯的有界弱回波區(BWER)、回波懸垂和中氣旋特征；3月31日宜豐北部的回波帶上超級單體存在明顯的懸掛結構回波和虛假旁瓣回波頂，低層旋轉特征明顯，輻合輻散特征不明顯，存在上正下負速度層。

4 結論

通過對2021年3月30—31日江西罕見大冰雹天氣過程中雷達回波特征進行分析，得到以下幾點結論。

1)這次強對流天氣的天氣系統主要有中低層西南急流、地面倒槽、低層切變線和“上干下濕”等有利于強天氣發生的條件。

2)雷達拼圖上：造成3月30—31日銅鼓、宜豐冰雹的超級單體回波中心強度均大于65 dBZ；不同之處主要為回波組織結構的不同，30日回波形態呈孤立橢圓狀，而31日主要是帶狀回波上的超級單體產生的冰雹。

3)單部雷達PPI產品上：造成銅鼓、宜豐冰雹的風暴均為超級單體風暴，組合反射率CR達65 dBZ，回波頂高ET達17 km，垂直積分液態水含量VIL為55～60 kg/m2；超級單體識別出中氣旋M和龍卷渦旋結構TVS。

4)單部雷達RHI產品上：反射率因子垂直剖面RCS特征，3月30日銅鼓西部的孤立超級單體存在明顯的有界弱回波區(BWER)、回波懸垂和中氣旋特征；3月31日宜豐北部的回波帶上超級單體存在明顯的懸掛結構回波和虛假旁瓣回波頂；徑向速度垂直剖面VCS特征，存有中氣旋結構和低層旋轉特征明顯，存在上正下負速度層。