隴東黃土高原一次超級單體降雹演化機制研究

趙玉娟

(慶陽市氣象局，甘肅慶陽 745000)

冰雹是對流風暴成熟階段的產物，常伴有雷暴大風和短時強降水，突發性強、破壞力大，造成的災害性天氣較為嚴重，對農業生產、人類生活和生態系統等帶來嚴重的影響，冰雹的出現常伴有超級單體，國內外學者對超級單體降雹進行了較多的研究。如吳劍坤等對強冰雹過程的有利環境背景條件及多普勒雷達特征識別進行了研究，王易等對徐州一次降雹天氣超級單體結構特征進行了研究，還有學者對福建、同仁、臺州降雹過程中超級單體風暴特征進行了研究，大量的研究表明，大冰雹多由超級單體風暴產生。

20世紀60年代Browning首次提出了超級單體的概念，他認為超級單體風暴是對流風暴中組織化程度最高的一種，如鉤狀回波、中空弱回波區、有界弱回波區等是超級單體風暴的典型特征，與其他風暴最本質的區別是超級單體風暴有一個深厚持久的中氣旋存在。超級單體風暴作為組織程度最高的風暴，造成的雹災往往更為嚴重。隨著高分辨率雷達資料的廣泛應用，國內外學者對超級單體風暴的結構及動力機制不斷深入了解。王昂生等研究指出，懸垂回波、回波墻和有界弱回波區是超級單體的典型特征；劉術艷等研究發現，在雹云發展階段，有組織的斜升氣流貫穿于云體上下，陳秋萍等研究顯示在超級單體過程中中氣旋的重要性。近年來，大量學者對不同地區超級單體降雹過程的物理量特征進行了研究，結果發現，三體散射長釘(TBSS)、垂直積分液態水含量(VIL)躍增、有界弱回波區、中氣旋、回波墻、懸垂回波都可作為大冰雹的預警指標。雖然學者對降雹天氣研究較多，但是對慶陽市出現的雹暴天氣而言，除了張天峰等對慶陽一次大冰雹雷達特征進行研究、徐燕等分析了一次局地冰雹的天氣特征外，并沒有深入的研究。慶陽市地形地貌復雜，加之近年來隨著氣候變化，慶陽市極端天氣事件多發，由超級單體風暴引起的強風暴天氣時有發生，給民眾生活和設施農業帶來了較大的災害。筆者針對2021年10月1日慶陽市一次風暴天氣展開了詳細的研究，以期提高本地的預報預警能力。

1 天氣過程

2021年10月1日16：00—20：00，受高空冷平流影響，慶陽市自西北向東南有多個回波單體生成并移動演變。在有利的環境背景下演變成為超級單體風暴，生命史長達4 h，在慶陽市造成西峰區、環縣、鎮原、慶城、寧縣5個縣(區)受災，此次過程以直徑小于2 cm的小冰雹為主，最大冰雹直徑5 cm，達到強冰雹標準，最大降水量16 mm(南湖)，最大風力7級(巴家咀19 m/s)。此次過程降雹時間長、影響范圍廣，造成的災情嚴重，經市應急管理局統計共造成17個鄉鎮、125個村、851個組、18 459戶、75 732人不同程度受災，災害造成直接經濟損失9 209.22萬元。

2 天氣形勢分析

從2021年10月1日08：00大尺度形勢場(圖1a)可以看出，200 hPa慶陽市處在高空急流軸附近；500 hPa高空圖上，歐亞中高緯度為多波動的環流形勢控制，甘肅河西有一溫度槽存在，慶陽市主要受西北氣流影響，強的西北氣流引導冷空氣下滑進入慶陽市境內；700 hPa甘肅河西為溫度脊。這種高層溫度槽、低層溫度脊的配置為對流的發展提供了較好的不穩定層結條件。地面圖(圖1b)顯示，慶陽市西部有地面輻合線存在，為對流的發展提供了動力抬升條件。

注：a1.500 hPa；a2.700 hPa；a3.200 hPa圖1 2021年10月1日08：00環流形勢(a)和17：00地面圖(b)Fig.1 Circulation situation at 08：00(a)and 17：00 ground map(b)on October 1，2021

3 探空特征分析

從2021年10月1日08：00崆峒站訂正的探空(圖2)分析得出，對流有效位能(CAPE)為1 392.5 J/kg，超過了本地大冰雹的閾值，并且有一定的對流抑制能量存在，對流抑制能量利于能量儲存，當對流沖破抑制能量時有強對流天氣發生；0 ℃層高度在4 411.400 km，-20 ℃層高度為6 966.154 km，這種特殊層的高度利于冰雹的產生及增長；850～700 hPa風隨高度順轉，700～500 hPa風隨高度逆轉，根據熱成風原理低層為暖平流，高層為冷平流，利于不穩定層結的建立；850～700 hPa為條件不穩定層結；0～6 km的垂直風切變(SHR)為24.8，說明風暴有一定的旋轉性。

圖2 2021年10月1日08：00崆峒站T-lnP(a)和假相當位溫(b)Fig.2 T-lnP(a)and pseudoequivalent potential temperature(b)of Kongtong Station at 08：00 on October 1，2021

4 物理量場

從2021年10月1日08：00比濕(圖3)分析可以看出，從四川盆地向甘肅河東有一個明顯的濕舌伸入，為冰雹的產生提供了水汽條件，且比濕為4 g/kg達到了慶陽市產生冰雹天氣的閾值。

從2021年10月1日08：00 700 hPa假相當位溫(圖4a)分析可以看出，從四川盆地到甘肅河東有一個明顯的能量舌存在，慶陽市位于能量舌的頂端，為風雹的產生提供了能量條件。慶陽市700和500 hPa溫差均不低于21 ℃(圖4b)，超過了慶陽市產生冰雹的閾值，為冰雹的產生提供了較好的層結不穩定條件。

圖3 2021年10月1日08：00比濕Fig.3 Specific humidity at 08：00 on October 1，2021

圖4 2021年10月1日08：00假相當位溫(a)以及700和500 hPa溫差(b)Fig.4 False equivalent potential temperature(a)and temperature difference between 700 hPa and 500 hPa (b)at 08：00 on October 1，2021

5 雷達特征

選取2021年10月1日西峰站雷達回波隨時間變化(圖5)進行分析，從雷達回波強度分析發現，16：15慶陽市的西北部環縣與鎮原有45 dBz的塊狀回波發展，回波頂的高度為6.85 km；17：10回波強度發展至60 dBz，范圍增大成片狀，頂高增加至9.90 km；17：40—18：10強回波范圍增大，出現鉤狀特點，頂高增至11 km以上；從18：15開始鉤狀特點逐漸消失，回波向東南方向移動減弱，直至20：05，回波向東偏南移動至寧縣，范圍減小，強度減弱，強對流天氣結束。

經分析，2021年10月1日17：40回波發展成鉤狀結構，單體持續時間較長，達6個體掃(17：40—18：10)，18：00鉤狀結構特征最清楚。從10月1日18：00西峰站雷達不同仰角的反射率因子(圖6a)可以看出，前側入流槽口明顯，且6.0°仰角回波強度達60 dBz，這種高聳強回波的存在說明單體發展的高度較高；分析2.4°仰角的徑向速度(圖6b)可以看出，在鉤狀回波弱回波區有明顯的氣旋式輻合與之對應，氣旋式輻合持續4個體掃，基本判斷出該單體為超級單體。

VIL是判斷冰雹云的重要指標之一，對冰雹特別敏感。它往往會在降雹前產生躍增，作為冰雹臨近預報的一個依據。從圖7可以看出，10月1日16：00—16：45 VIL值進行了第一次躍變，VIL值增加至40 kg/m，環縣合道出現零星冰雹，16：50—17：20 VIL值減少至18 kg/m；17：25 VIL值突增至41 kg/m，出現明顯的躍變特征，這時鎮原三岔出現2～3 cm的大冰雹；17：25—18：10 VIL值基本維持在34 kg/m以上，回波向東南方向移動，鎮原、西峰西部等地出現大冰雹；18：10—20：10 VIL值逐漸減小至0，強對流天氣結束。

6 云圖特征

分析紅外云圖(圖8a～d)可以看出，2021年10月1日區域性風暴天氣過程主要由局地產生的對流云團發展移動而引發的。10月1日17：00慶陽市西北部的環縣有小塊的對流云團產生，到18：00范圍變大，強度變強，且向東南方向移至慶陽市中部，主要對鎮原、慶城有較大的影響，鎮原、慶城分別產生冰雹天氣，19：00對流云團出現了明顯的“V”字型結構，慶陽市西峰、寧縣等地出現風雹天氣，到20：00強對流云團基本移出慶陽減弱消散。從可見光云圖(圖8e)可以看出，10月1日17：00慶陽市中北部的對流云團有明顯的暗影存在，有上沖云頂存在，對流云發展旺盛；從18：00 衛星相當黑體亮溫(圖8f)可以看出，慶陽市對流云團的相當黑體亮溫較低，最小值為104 K，對流云團發展的高度較高對流發展旺盛。

圖5 2021年10月1日雷達回波隨時間的演變Fig.5 Evolution of radar echo over time on October 1，2021

圖6 2021年10月1日18：00 0.5°、2.4°、6.0°仰角的反射率因子(a)和2.4°仰角的徑向速度(b)Fig.6 Reflectance factor of 0.5°，2.4°，6.0° elevation(a)and radial velocity diagram of 2.4° elevation(b)at 18：00 on October 1，2021

圖7 2021年10月1日16：00—20：10垂直積分液態水含量變化Fig.7 Variation of vertical liquid water content(VIL)with time at 16：00-20：10 on October 1，2021

注：a.16：00紅外云圖；b.18：00紅外云圖；c.19：00紅外云圖；d.20：00紅外云圖；e.17：00可見光云圖；f.18：00衛星相當黑體亮溫 Note：a.16：00 infrared cloud image；b.18：00 infrared cloud image；c.19：00 infrared cloud image；d.20：00 infrared cloud image；e.17：00 visible cloud image；f.18：00 satellite fairly black body brightness temperature圖8 2021年10月1日衛星云圖Fig.8 Satellite cloud image on October 1，2021

7 小結

利用常規資料、西峰CD雷達資料、云圖資料對慶陽市2021年10月1日風暴過程進行分析，得出以下結論：

(1)此次風暴天氣主要受500 hPa強西北氣流引導冷空氣下滑影響，且甘肅河西高層溫度槽、低層溫度脊配合較好，產生了較好的不穩定層結條件。

(2)此次過程發生前期有較大的位勢不穩定能量，并且0 ℃層高度在4 411.400 km，-20 ℃層的高度為6 966.154 km，利于冰雹的產生及增長。0～6 km的垂直風切變(SHR)為24.8，風暴有一定的旋轉性。

(3)從物理量條件分析來看，此次風暴過程的水汽條件基本滿足慶陽市產生冰雹的閾值，能量條件較好，風暴天氣產生于能量舌的頂端。

(4)衛星云圖得出，此次過程主要由局地產生的對流云團自西北向東南方向移動發展而引發的，對流云團發展到最強出現了明顯的“V”字型結構，可見光云圖上對流云團有明顯的暗影存在，對流云團的相當黑體亮溫較低，其發展的高度較高對流發展旺盛。

(5)雷達圖分析得出，此次風暴天氣受超級單體影響，超級單體持續時間較長從2021年10月1日17：40持續到18：00，單體發展的高度較高，頂高達11.43 km，鉤狀回波和前側入流槽口特征明顯，徑向速度輻合特征明顯，并且垂直積分液態水含量(VIL)的躍變特征較為突出。