基于多源數據的湘北地區春季一次冰雹過程的觀測分析

朱家亮，潘江萍，邱麗靜，呂 淵

(1.湖南省長沙市氣象局，湖南 長沙 410006；2.氣象防災減災湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410000；3.湖南省邵陽縣氣象局，湖南 邵陽 422100;4.湖南省邵陽市氣象局，湖南 邵陽 422000)

0 引言

進入二十一世紀以來，冰雹、雷暴、大風、龍卷等極端強對流天氣因突發性強、致災嚴重而備受關注，如何提升強對流天氣的預報能力已經成為氣象工作者關注的重點之一[1]。冰雹往往與對流風暴相聯系，目前冰雹天氣的臨近預報主要是基于天氣雷達和氣象衛星資料，綜合對流風暴臨近預報、強對流天氣識別和實況觀測進行[2]。隨著高分辨率數值模式和同化技術的發展，高分辨數值模式與雷達回波外推融合極大提高了冰雹預報的精細化水平并延長預報時效[3]。然而，當前對于冰雹的短期預報還處于概率預報和危險等級預報階段，學界對冰雹形成的物理機制還不十分清楚，強對流天氣系統的觸發和發展機制、小尺度的結構特征仍是冰雹天氣研究中的難點問題[2]。在國內，多普勒雷達當前是冰雹云識別及預警的強有力工具[4]。隨著新型探測設備的發展，尤其是風廓線雷達、地基微波輻射計等設備的應用，為冰雹天氣研究提供了新的方向。近年來，研究人員通過對風廓線雷達、地基微波輻射計資料的研究應用，在暴雨[5-6]、臺風[7]、雨雪天氣[8-9]、大霧[10-11]等天氣研究方面取得了一定成果。特別是在強對流天氣預報中，新型探測資料作為常規探測資料的補充，有著較好的應用前景[12]。風廓線雷達水平風資料可以反映出風場垂直結構和變化特點，從而判斷天氣系統的過境情況[13]。另外，風廓線雷達資料還可以用于診斷強降水天氣，分析低空急流脈動與強降水的關系，負垂直速度與降水強度密切對應[14-15]。研究發現，通過風廓線雷達資料能夠反演出冷暖平流的分布形勢，進而預測強對流的發展趨勢[16-17]。基于風廓線雷達資料的特性和優點，美國強風暴中心通過風廓線雷達監測上游地區強風和垂直風切變，從而判斷下游地區出現有組織的超級單體的可能性[18-19]。微波輻射計通過監測云中的溫度、濕度、液態水含量廓線，從而了解一些對流云的微物理變化特征。Revercomb et al[20]綜述了美國ARM(Atmospheric Radiation Measurement)實驗中使用微波輻射計探測有關水汽的研究背景與前景。微波輻射計資料還可以和閃電資料聯合估算對流性天氣中的降水量，且估算的降水量比僅用地閃資料估算準確[21]。冰雹天氣研究中發現，地基微波輻射計探測到對流層內溫度、水汽急劇變化特征可作為診斷強對流系統劇烈發展的參考依據[22]；利用地基微波輻射計資料計算出的大氣不穩定指數，對強對流天氣有很好的指示[23]；地基微波輻射計探測的溫度廓線顯示，降水時段，云內與環境平均溫差呈現出低層溫度遠低于無降水環境的特點[24]。可見，地基微波輻射計資料在研究冰雹云微物理特征方面具有獨特優勢。此外，還有學者結合風廓線雷達資料與地基微波輻射計資料研究冰雹天氣，為新型探測資料應用于冰雹監測預警提供了經驗[25-28]。

多普勒天氣雷達、風廓線雷達、地基微波輻射計具有連續獲取資料、數據時空分辨率高、自動化程度高等優點，在強對流天氣研究中各有優勢。以上研究多是基于某種探測資料，本文基于常規氣象資料、多普勒雷達、風廓線雷達、地基微波輻射計等資料，通過分析2020年3月21日夜間湘北地區春季一次降雹過程的雷達回波演變、環境風場變化和溫濕不穩定特征，歸納冰雹天氣的短臨預報因子，探討冰雹形成的物理機制在新型探測資料中的體現，為今后冰雹天氣的預報預警和相關研究提供參考。

1 資料和數據檢驗

數據資料包括長沙綜合氣象觀測基地風廓線雷達、地基微波輻射計、長沙新一代天氣雷達、湘潭新一代天氣雷達資料以及常規高空地面觀測資料。

由于強對流天氣發生前，風廓線雷達所在測站無降水發生，高層大氣濕度小，3.5 km以上高度數據缺測，這里只對21日08時和20時3.5 km以下風廓線雷達風向、風速數據與長沙探空數據進行對比檢驗。21日08時(圖略)，風向誤差<20 °的數據占比87.5%，風速誤差<3 m·s-1的數據占比75%。21日20時(圖1)，風向誤差<20 °的數據占75%，風速誤差<3 m·s-1的數據占75%；500 m高度以上，風廓線數據與探空數據的偏差很小。兩個時次誤差偏大的層次高度均為650 m以下，主要是受低層大氣湍流與探空漂移影響。因此，長沙站風廓線雷達資料具有較高可靠性。

圖1 3月21日20時長沙探空資料與風廓線雷達資料風向(a)、風速(b)對比Fig.1 Comparison of wind direction (a) and wind speed (b) between Changsha sounding data and wind profile radar data at 20:00 on March 21

2 天氣形勢

2.1 環流背景

2020年3月21日19時—22日05時，湘北地區的懷化、常德、益陽、岳陽、長沙等地13個縣市出現較大范圍冰雹、雷雨大風、短時強降水等強對流天氣，冰雹直徑2～3 cm，最大瞬時風速達29.2 m·s-1，最大小時雨強為60.4 mm，降雹持續時間長，冰雹直徑大，破壞性強。風雹天氣影響長沙時段為22日03時—04時。

21日08時，500 hPa中高緯為 “兩槽一脊”型環流，貝加爾湖以西至華北為脊前西北氣流，冷空氣隨西北氣流南下，南支槽活躍，江南大部為槽前暖濕西南氣流控制；同時，700～925 hPa江南大部西南急流旺盛，四川盆地東部有暖低渦，切變輻合區主要位于低渦東部川東—湘西北一線；地面圖上，貝加爾湖西南部有一冷高壓，冷鋒位于河套北部，盆地東部西南暖低壓發展，湖南大部處于低壓環流中。21日20時，南支槽分裂淺槽東出；700 hPa急流有所減弱，850～925 hPa急流加強；700～925 hPa切變線位于滇北—湘西—鄂東一線，輻合增強；冷空氣南下侵入地面倒槽，與暖濕偏南氣流在湘中以北地區形成輻合線。此外，當日地面明顯升溫降壓，長沙站08—14時6 h變溫、變壓分別為10.2 ℃、-3.5 hPa。長沙站20時探空圖顯示(圖3)，溫濕曲線表現出典型的“上干下濕”喇叭口特征。20時前后，有對流單體在地面輻合線附近生成，湘北地區風雹天氣開始。

圖3 3月21日20時長沙站探空圖Fig.3 The air sounding curve of Changsha station at 20:00 on March 21, 2020

2.2 環境條件分析

結合環流背景和探空資料可知，21日20時湘北地區具備產生強對流天氣的多個有利條件。一是冷空氣南下，與南支槽前暖濕空氣交匯，受低空急流與切變線共同影響，水汽、動力條件好；二是地面暖低壓發展，增溫、降壓，冷空氣侵入倒槽，增強了大氣不穩定性；三是低空急流強，垂直風切變大， 0～6 km垂直風切變達28 m·s-1，強的垂直風切變環境有利于強對流風暴的產生和發展；四是大氣存在很強的不穩定能量與產生強對流的潛勢，長沙站20時CAPE值達1927.6 J·kg-1,K指數為38.3 ℃，SI指數為-2.9 ℃，T850-T500=27.3 ℃，有發生強雷暴的可能性。因此，對流風暴在地面輻合線附近觸發產生后，在上述有利環境中獲得強烈發展。另外，干球溫度0 ℃層高度為4.2 km，-20 ℃層高度為7.2 km，適宜湘北地區降雹；670～400 hPa存在明顯干層，使得濕球溫度0 ℃層高度WBZ為3.8 km，明顯低于干球溫度0 ℃層高度，顯著降低了冰雹的融化層高度[29]。

圖2 3月21日20時高空影響系統綜合圖(實線為500 hPa等位勢高度線，紅色虛線為500 hPa等溫線，棕色線為500 hPa槽線，風向桿為850 hPa水平風場，紅色雙實線為850 hPa切變線，藍色箭頭為850 hPa急流)Fig.2 Comprehensive diagram of the high system affecting the time at 20:00 on March 21 (the solid line is equipotential height line of 500 hPa，the red dotted line is an isotherm of 500 hPa，the brown line is trough line of 500 hPa ,the wind direction pole is horizontal wind field of 850 hPa，The red double solid line is shear line of 850 hPa，The blue arrow is southwest jet stream of 850 hPa)

3 雷達回波分析

3.1 雷達回波演變

根據雷達回波演變發現，此次影響長沙的強對流天氣過程主要有3個階段，第1、第2階段為超級單體風暴影響，伴有風雹、短時強降水，第3階段為積層混合云降水，對流較弱。本節將從雷達反射率因子的變化，探究第1、第2階段對流風暴的演變。

第1階段對流風暴于21日19時10分在懷化北部生成，單體生成后以較快速度向東移動并發展。19時29分單體強回波中心呈圓形，強度達74 dBz，以圖4中A、B表示。20時32分，B減弱，A進一步發展，強度增強，并出現明顯的“三體散射”回波特征。“三體散射”特征從20時26分—21時17分持續近50 min，對降雹具有很好的指示。21時52分，A從寧鄉北部自西向東影響長沙地區，此時對流風暴分離為兩個中心，強度減弱，進入消散階段。22時43分，A向東影響望城的過程中進一步減弱，先后進入長沙縣、瀏陽，于23時46分在瀏陽北部消散。A從初生至消散持續4 h左右，發展成熟階段位于安化、桃江境內，致使影響地區出現風雹天氣，進入長沙境內時已至減弱消散階段，以雷雨天氣為主。

圖4 第1階段風暴雷達回波演變(長沙雷達站基本反射率，1.5°仰角)Fig.4 Evolution of radar echoes in the first stage of storm wether (basic reflectivity of Changsha radar station, 1.5 ° elevation angle)

第2階段(圖5)對流風暴C于22時在張家界南部生成，風暴D于22日00時在常德南部生成。C進入常德西部時快速增強，00時41分出現“三體散射”特征，D增強。01時01分，C在常德南部發展成為具有顯著“三體散射”特征的超級單體。C、D向東移動，致使常德南部、益陽西部南部出現風雹天氣。02時27分，D至寧鄉北部時，強度明顯增強，C結構松散，強度減弱。02時50分，C在寧鄉境內再次加強，D后側出現“V型缺口”。03時24分，C在影響寧鄉東部的過程中強度進一步增強，再次降雹；D進入長沙縣北部，強度有所減弱。03時47分，C影響長沙市區，帶來風雹天氣，D進入瀏陽西部，造成該地出現冰雹。04時27分，D繼續減弱，C強度有所增強。之后C、D向東偏南方向移動過程中減弱合并，于05時13分進入江西境內。從風暴的發展演變可以看出，風暴生命史5～7 h，C東移過程中經歷了二次加強，在成熟階段均伴有風雹天氣，D的成熟階段從益陽至瀏陽西部，風暴連續降雹時間長達2 h。

圖5 第2階段風暴雷達回波演變(長沙雷達站基本反射率，1.5°仰角)Fig.5 Evolution of radar echoes in the second stage of storm wether (basic reflectivity of Changsha radar station, 1.5 ° elevation angle)

3.2 典型回波特征

從上文中可知，在第1、第2階段的風雹天氣過程中，對流風暴A、C均表現出典型的“三體散射”特征，對冰雹預警具有很好的指示。如圖6a所示，21日21時06分風暴A在桃江境內時，雷達回波形態呈現出“三體散射”特征，并且在強回波中心南側有旁瓣回波。沿圖6a中直線作垂直剖面得到圖6b，從圖中可以看出，強回波結構密實緊湊，伸展至9 km以上高度，對流發展強烈，強回波已經接地，表明此時正在下冰雹，剖面圖上還出現回波墻，強回波頂下方有弱回波區。徑向速度圖上(圖6c)，探測到氣旋性“中氣旋”，最大旋轉速度達17 m·s-1。該時刻垂直累積液態含水量達60 kg·m-2(圖6d)，異常偏大的 VIL也反映了云中含有大冰雹。

圖6 21日21時06分長沙雷達站雷達綜合圖(a：1.5°仰角基本反射率，b：基本反射率剖面，c：1.5°仰角徑向速度，d：垂直累積液態含水量)Fig.6 Comprehensive radar map of Changsha radar station at 21:06 on the 21st (a: basic reflectance at 1.5 ° elevation angle, b: basic reflectance profile, c: radial velocity at 1.5 ° elevation angle, d: vertical cumulative liquid water content)

超級風暴成熟階段，在其后部常有一支干空氣卷入，受其影響，風暴后部雨滴蒸發，在雷達回波上表現為一個“V型缺口”，因而“V型缺口”也常作為冰雹預警的有效參考指標。22日02時50分，風暴D影響望城，基本反射率圖上，強回波后側出現“V型缺口”(圖7a)；垂直剖面圖顯示，強回波接地，存在回波墻與弱回波區，由于風暴距離雷達較近，風暴上部靠近雷達一側為靜錐區(圖7b)；對應時刻同仰角的徑向速度上，風暴后部有一支后入急流與 “V型缺口”對應，中心風速達20 m·s-1，后側入流強(圖7c)；降雹概率曲線顯示，大小冰雹的概率均為100%(圖7d)，垂直累積液態含水量超過60 kg·m-2(圖略)，綜合多種數據均指示風暴已出現大冰雹。

圖7 22日02時50分長沙雷達站雷達綜合圖(a：3.4°仰角基本反射率，b：基本反射率剖面，c：3.4°仰角徑向速度，d：降雹概率)Fig.7 Comprehensive radar map of Changsha radar station at 02:50 on the 22nd (a: basic reflectance at 3.4° elevation angle, b: basic reflectance profile, c: radial velocity at 3.4 ° elevation angle, d: hail probability)

此次風雹過程的一個特點是出現較大范圍的大風，長沙城區大風出現時間為22日03時27—56分。由于長沙雷達站海拔高度為636.2 m，湘潭雷達站海拔高度為200.1 m，距離長沙城區小于50 km，因此使用湘潭雷達低仰角徑向速度產品監測長沙城區可能出現的大風更為準確。03時01分，0.5～3.4°仰角在望城出現一個大于20 m·s-1的大風速核。圖8顯示，03時12—41分低仰角大風速核自西北向東南方向影響長沙，隨著高空動量下傳，導致地面出現大風。可見，此次大風天氣，根據低仰角徑向大風速核預警地面大風，提前量為0.5～1 h。

圖8 22日03時12—41分湘潭雷達站0.5°仰角徑向速度圖Fig.8 Xiangtan Radar Station's radial velocity diagram at elevation angle of 0.5 ° from 03:12 to 03:41 on the 22nd

4 風廓線雷達

4.1 水平風場

風廓線雷達的優勢之一是可以連續進行自動觀測，進而獲得測站上空的風場演變。21日08時—22日02時30分，500～1000 m有超低空急流，急流強度有階段性變化。具體變化為：08時—11時30分，超低空急流最大風速達24 m·s-1，11時30分—17時30分，超低空急流有所減弱(圖略)；17時30分—22日00時(圖9中橢圓范圍)，超低空急流再次加強至20 m·s-1以上；00時至風暴影響測站前，超低空急流減弱至10～12 m·s-1；風暴影響及之后，超低空急流消失。另外，中層風場在風暴演變過程中也表現出一定特征，22時，3.5 km高空有一支西北氣流，表明中層有干侵入，至風暴影響前，干侵入從3.5 km高度向下傳遞至2 km高度(圖9中箭頭)，為降雹提供有利條件。風暴影響過程中(圖9中方框處)，風場零亂，并出現較多數據缺測。風暴移出后，數據回歸完整，2 km高度以下為一致的偏北風，地面鋒面過境。可見，超低空急流在風暴影響前的再次加強，加強了水汽的輸送與不穩定能量，對風暴的加強發展有重要貢獻；風暴影響前，超低空急流減弱，中層干侵入向低層傳導較風暴提前1.5 h，可為此次風雹的臨近預報提供參考。

圖9 21日16時—22日08時長沙站風廓線雷達水平風場演變Fig.9 Evolution of wind profile radar horizontal wind field in Changsha from 16:00 on the 21st to 08:00 on the 22nd

4.2 垂直速度

在有云或降水時，風廓線雷達探測到的垂直速度是云中粒子或降水粒子與大氣的垂直運動速度之和。楊明引等[12]研究發現，風廓線雷達資料反演的垂直速度大小隨高度波動大時，說明在大氣不同層次之間熱力或動力差異較大，預示著此對流風暴可能伴有龍卷或冰雹等強對流天氣。22日02時36分—05時，垂直速度隨高度的波動比較大，其余時段無明顯波動。風暴影響前(02時36分—03時)，垂直速度在0.5～1.5 km高度出現波動，最大速度差為1.7 m·s-1。風暴影響測站至降雹前(03時—03時30分)，波動上升至4～5.5 km高度，最大速度差增大至4.5 m·s-1，低層波動減弱；降雹階段(03時30—42分)，4.5～5.5 km維持較大波動，4.5 km高度以下低層出現較多數據缺失，整層最大速度差達7.5 m·s-1；降雹結束至風暴影響結束(03時42分—05時)，主要波動位于3 km以下，最大速度差達7.3 m·s-1，高層波動減弱，波動最后在2 km高度消失。據此，風暴影響前0.5 h低層垂直速度出現波動，并向上傳導可以作為強對流天氣預報的參考。

5 地基微波輻射計

5.1 溫度剖面

地基微波輻射計監測顯示(圖10)，21日12—16時，2 km以下大氣顯著增溫，夜間整層大氣溫度呈緩慢下降趨勢，至風雹發生前40 min等溫線降至最低。風暴影響階段，由于冰雹云中上升氣流強盛，將底層空氣的感熱和潛熱向上輸送，導致等溫線向上凸起。風雹結束后整層大氣溫度又降至風暴影響前的狀態，22日08—10時雖然有一定對流發展，溫度曲線仍然有所下降，是由于冷空氣的侵入造成。

圖10 21日12時—22日12時長沙站地基微波輻射計高空溫度曲線Fig.10 The high-altitude temperature curve of the microwave radiometer in Changsha from 12:00 on the 21st to 12:00 on the 22nd

5.2 相對濕度

從相對濕度的變化上看(圖11)，21日18時開始，2 km高度存在一個較大濕度帶，22時前大氣維持上干下濕的特征，23時濕度帶向上擴展至3 km高度，濕度進一步增大。風雹開始前相對濕度出現躍升，風雹過程中90%相對濕度區伸展至8 km高度，6 km高度有100%水汽飽和中心，水汽向上輸送強烈。在風雹過后，近地面濕度維持飽和狀態，高空濕度迅速下降。在第3階段影響過程中，高空相對濕度出現另一個波峰，水汽飽和區出現在4～10 km高度。另外，22日03時前后3～6 km高度相對濕度曲線有一個顯著向下波動時段，也指示中層有干侵入。

圖11 21日12時—22日12時長沙站地基微波輻射計高空相對濕度曲線Fig.11 High altitude relative humidity curve of microwave radiometer in Changsha from 12:00 on the 21st to 12:00 on the 22nd

5.3 不穩定指數

大氣不穩定是對流發展的重要條件，地基微波輻射計反演的大氣狀態指數的變化顯示，K指數與TT指數(總指數)呈同趨勢變化(圖12)。21日14—22時處于低值階段，22時后開始上升，K指數在風雹影響前1 h出現躍升，從28 ℃上升至32 ℃，風雹開始時刻出現第2次躍升，從32 ℃躍升至36 ℃，風雹過程中處于峰值，K指數突降時刻比風暴結束時刻晚1 h。總指數只在風雹過程中出現1次躍升，風暴過后下降不明顯，對強對流天氣預警的靈敏度低于K指數。

圖12 21日12時—22日12時長沙站地基微波輻射計K指數與TT指數Fig.12 K index and TT index of microwave radiometer in Changsha from 12:00 on the 21st to 12:00 on the 22nd

6 小結

①此次強對流天氣是發生在南下冷空氣與南支槽前暖濕空氣交匯的背景下，中低層的急流與切變線提供有利的水汽及動力條件，地面暖低壓發展，偏南風加強情況下，增溫增濕明顯，積蓄了充足的不穩定能量，地面輻合線觸發產生對流。

②強對流天氣過程主要有3個階段，第1、第2階段為超級單體風暴影響，伴有風雹、短時強降水，第3階段為積層混合云降水。對流風暴發展演變過程中表現中典型的“三體散射”“V型缺口”特征；徑向速度圖上，成熟階段有中氣旋與之相伴；垂直累積液態含水量、低仰角大風速核對冰雹和大風的預警有很好的指示。

③風廓線雷達反演了風暴過程中的風場變化，風暴影響前，超低空急流增強并在風暴臨近時減弱，中層有干侵入，利于風暴的加強；風暴影響前0.5 h低層垂直速度開始出現波動，并向上傳導，降雹階段垂直速度波動達到最大。

④地基微波輻射計監測顯示，風暴影響階段高空等溫線向上隆起，相對濕度、大氣不穩定指數出現躍升和突降；風暴影響前4 h，1.5～3 km高度濕度增大，與超低空急流的增強相聯系；K指數與TT指數的變化趨勢接近一致，K指數在風暴影響前出現第2次躍升，預警靈敏度高于TT指數。