山東半島一次冰雹天氣的雷達特征分析?

孫 貞，徐天洋，黃樹華

(1.青島市氣象局青島市氣象災害防御技術中心，山東 青島 266003；2.山東財經(jīng)大學計算機學院，山東 濟南 250014)

春夏之交是山東冰雹多發(fā)季節(jié)。2020年5月17日18時(北京時，下同)前后到22時，在高空冷渦影響下，山東濰坊、青島等多個地區(qū)，先后出現(xiàn)冰雹、強雷雨和8～11級陣風。其中，青島城陽、平度、萊西等地區(qū)局地大冰雹直徑4～6 cm，給當?shù)卦斐闪溯^大經(jīng)濟損失。近些年，采用風廓線雷達和多普勒雷達分析和研究冰雹天氣的成果逐漸增多，得出大量有意義的研究結論。張小雯等[1]指出，風廓線雷達探測產(chǎn)品能夠監(jiān)測中小尺度天氣系統(tǒng)的結構和演變。李聰?shù)萚2]利用風廓線雷達和多普勒雷達資料分析一次冰雹天氣過程，得出降雹前6 km高度高空急流有利于上空形成有利的輻散形勢。李彥良等[3]利用風廓線雷達計算了風暴相對螺旋度(SRH，Storm Relative Helicity)，分析了一次冰雹天氣過程，指出冰雹發(fā)生前 0～1 h，低層相對螺旋度迅速增大；冰雹天氣發(fā)生前，近地層為一致暖平流。周志敏等[4]討論了冰雹天氣風廓線雷達資料特征，指出風廓線雷達能清楚地分析出冷暖平流的分布形勢。

但冰雹這類強對流天氣仍然是目前天氣預報的難點之一。以往研究[5-10]多為利用單部風廓線雷達和多普勒雷達等資料分析強對流天氣，利用多部風廓線雷達、多普勒雷達分析冰雹過程文獻還不多見。本文使用青島、濰坊、蓬萊的風廓線雷達和青島、濰坊的多普勒雷達資料以及探空、自動氣象站、GPS/Met等資料，對2020年5月17日發(fā)生在青島、濰坊的冰雹天氣過程進行分析。

1 天氣概況

2020年5月17日08時在內(nèi)蒙中東地區(qū)500 hPa上空存在強大的高空冷渦，低槽從冷渦中心伸向華北平原西部，呈南北向，冷中心在500 hPa低渦中心以西5個經(jīng)度左右。山東半島地區(qū)有淺槽東移；850 hPa山東南部有20 ℃的暖中心，暖脊從魯東南部向半島東北方向鋪開。在5月17日08時地面分析圖上，東北中東部和華北中南部處在西南-東北向的大范圍熱低壓帶中，地面冷鋒位于低壓西部與蒙古高壓之間，在華北平原北部呈西南-東北的走向。在5月17日14時山東地面自動氣象站的探測資料中可以看到存在多個氣溫高于30 ℃的高溫區(qū)域,并存在多條輻合線。

2 環(huán)境條件分析

冰雹天氣發(fā)生須具備特定的環(huán)境條件。通過對比2020年5月16日08時—17日20時青島站的探空T-logP圖及其計算的物理量，發(fā)現(xiàn)沙氏指數(shù)(SI)從16日08時的2.41 ℃逐步減小到17日08時的-1.22 ℃，到17日20時減小為-7.61 ℃；K指數(shù)從16日08時的19 ℃增大到17日08時的31 ℃，到17日20時略減小為27 ℃；總指數(shù)從16日08時的46 ℃開始逐步增加，到17日20時增大為59 ℃；強天氣威脅指數(shù)(SWEAT)從16日08時的86.5，到17日08時突然增強，達到231.6，到17日20時更是增大為629.1。這些物理量均反映了半島地區(qū)在17日白天時處于有利于較強對流天氣發(fā)生的環(huán)境條件。從5月17日08時青島T-logP圖(見圖1(a))可知，青島上空600 hPa以下相對濕度在51%～100%之間，604 hPa為59%，而596 hPa則降為10%，556 hPa以上的相對濕度在2%～7%之間，這是明顯的“上干下濕”，是典型的冰雹天氣的高空相對濕度特征[11-12]。對于對流有效位能(cape)，雖然17日08時的cape數(shù)值不大，僅為47.6 J·kg-1，但是經(jīng)過14時訂正后計算得到的cape為1 522.5 J·kg-1(見圖1(b))，具備了發(fā)生強對流天氣的潛勢條件。另外，17日08時青島0 ℃層、-20 ℃層分別為3 776和6 515 m，到17日20時0 ℃層、-20 ℃層分別為3 805和6 565 m。需要注意的是濕球溫度零度層的高度從17日08時的約3 280 m到20時降為2 895 m，介于2 000～3 000 m之間，對產(chǎn)生大冰雹極為有利[13]。

圖1 2020年5月17日(a)08時青島站的探空T-logP圖及(b)經(jīng)14時地面資料訂正后的探空T-logP圖

圖 2為根據(jù)GPS/Met反演的大氣可降水量分布圖。圖中可以看到，5月17日中午12時在山東境內(nèi)降水量從東部沿海的26 mm向內(nèi)陸逐漸降低到18 mm，沿海附近降水量最大。到18時山東中部出現(xiàn)32 mm的大值中心，青島沿海增大到28 mm。到20時，山東中部降水量最大達35 mm，青島增大到34 mm，增長率為1.25 mm·h-1。到18日04時隨著天氣系統(tǒng)東移出海，山東西部降水量降低到12～16 mm，青島附近已經(jīng)減少到20～26 mm。可以看到，在強對流天氣影響前，青島及上游地區(qū)大氣層內(nèi)可降水量在不斷增大，為強對流天氣發(fā)生提供了有利的水汽條件[14]。

圖2 2020年5月17日(a)12時、(b)18時、(c)20時和(d)18日04時GPS/Met反演大氣可降水量

3 風廓線雷達計算的物理量特征分析

3.1 溫度平流

溫度平流是重要的天氣系統(tǒng)發(fā)展的動力學因子之一。以往研究中較少見利用風廓線雷達資料計算溫度平流分析冰雹天氣，多為定性分析風向隨高度的變化[8-9]。利用風廓線雷達風的資料計算風隨高度的變化，從而可以定量分析風廓線雷達測站上空的冷暖溫度平流。根據(jù)天氣學原理，在熱成風假定下，當風向隨高度順時針旋轉時為暖平流，逆時針旋轉時為冷平流[15]。利用單站風廓線資料計算溫度平流公式如下[16]：

由于溫度平流公式中需要用到各高度上的氣壓，而風廓線雷達測得數(shù)據(jù)所在高度以米為單位，因此還需要利用高度與位勢高度、位勢高度和氣壓的相互轉換關系(公式略)，將風廓線所測數(shù)據(jù)的高度轉為溫度平流公式要用的氣壓，再計算得到溫度平流。

圖3(a)和3(b)為利用青島風廓線雷達和濰坊風廓線雷達計算的溫度平流。圖3(a)中可以清楚地看到5月17日19:40之前，在強對流天氣系統(tǒng)影響測站前，7 000 m左右以上的高空由于干燥濕度較小，風廓線雷達探測不到，故無數(shù)據(jù)。強對流天氣系統(tǒng)影響測站后探測高度最高可達13 000 m。圖中暖色調為正值代表暖平流，冷色調為負值代表冷平流。

圖3(a)可見，5月17日下午14:35—19:35，暖平流逐漸從4 000 m左右向下擴展，到17:30以下都轉為暖平流。到19時,2 500和1 000 m分別出現(xiàn)暖平流中心，1 000 m的暖平流中心大于2 500 m，而在3 000 m以上為冷平流，說明暖平流厚度較大，低層暖平流要大于上層。暖平流增大表明高空槽和地面低壓系統(tǒng)不斷移近，根據(jù)準地轉位渦方程和準地轉ω方程，下層暖平流，上層冷平流，有利于相對渦度增加，也有利于氣流的上升運動[17]。

5月17日19:40，強對流云團到達風廓線測站。對照雷達回波圖，強對流云團在19:40—22:00期間為強對流云團影響期間。這個期間，7 000～2 000 m之間冷平流和暖平流交替出現(xiàn)，而在2 000 m以下主要為暖平流。22時以后高空主要為冷平流影響，18日02時前后3 000 m短時將出現(xiàn)暖平流，01時到02時1 000 m以下出現(xiàn)暖平流。18日02:15分左右以后高空都為冷平流控制。

圖3(b)為利用濰坊風廓線雷達計算的溫度平流。和青島的相似之處是，強對流天氣系統(tǒng)影響測站前，5 000 m左右以上的高空由于濕度較小，風廓線雷達無數(shù)據(jù)，最高探測高度達到了13 000 m。5月17日14時前4 000～2 000 m為暖平流，14時在5 000 m出現(xiàn)暖平流，16時至20時從4 000 m以下都為暖平流，20時以后受對流云團影響冷暖平流交替出現(xiàn)，從21:30分后測站上空的冷平流明顯增多，暖平流明顯減少減弱。

圖3 利用(a)青島、(b)濰坊風廓線雷達資料計算的2020年5月17日8:00—18日7:55溫度平流

上面兩圖分析表明，在強對流天氣發(fā)生前都有較為深厚的低層暖平流，為強對流天氣的發(fā)生積累了不穩(wěn)定能量，這對強對流天氣預報有一定的指示意義。

3.2 散度和渦度分析

常規(guī)探空天氣資料一天只有早晚兩次，無法滿足中小尺度天氣的診斷分析。利用三部風廓線雷達組成區(qū)域風廓線雷達觀測網(wǎng)，可采用三角法或有限元法計算出各時次各層次的散度和渦度[16]。這樣計算出來的散度和渦度時間在空間上和時間上的密度都比較高，可以用于中小尺度系統(tǒng)分析。本文利用青島、濰坊和蓬萊風廓線雷達，采用有限元法分別計算散度和渦度。在計算之前首先對這三部不同海拔高度、不同時刻的風廓線雷達的原始資料進行了高度和時間插值，使所有測風資料都歸一化到同一高度和時間上。散度(D)和渦度(ζ)的具體計算公式如下[16]:

式中：ui,vi,(i=1,2,3)是三部風廓線雷達某一層次的風速分量；xi,yi,(i=1,2,3)是三部風廓線雷達相對于任一坐標系的位置坐標。

圖4(a)為計算的2020年5月17日08:00—18日07:54散度圖。冷色調為輻合區(qū)，暖色調為輻散區(qū)。圖中可見，17日14時至18時，在2 000～4 000 m為輻合，最大輻合中心在3 000 m附近。18時至22時,5 000 m以下為輻合。在19時至22時，5 000 m以上出現(xiàn)較強輻散。這種底部強輻合，高層強輻散的結構，有利于強對流天氣的發(fā)展。

圖4(b)為計算的2020年5月17日08時-18日07:54渦度圖。圖中可見，17日14時至20時，4 000～2 000 m為負渦度，2 000 m以下為正渦度。正負渦度的轉換高度低于濕球溫度零度，更低于0 ℃高度，這是否是對流風暴發(fā)生發(fā)展的普遍特征還有待于進一步統(tǒng)計分析。20時至22時，從高層到低層基本為正渦度，表明氣旋式旋轉有利于強對流天氣的發(fā)展。對比圖5(a)散度圖，20時至22時期間低層為氣旋式旋轉輻合，高層為氣旋式輻散，這種結構有利于產(chǎn)生較強的上升氣流，有利于對流風暴的維持發(fā)展。

圖4 利用青島、濰坊、蓬萊風廓線雷達資料計算的2020年5月17日8:00—18日07:55散度(a)及渦度(b)

3.3 風暴相對螺旋度分析

風暴相對螺旋度(SRH)是強對流風暴的一個動力診斷參數(shù)，即水平相對速度和水平渦度的積,用來衡量一定氣層厚度內(nèi)風暴入流氣流及沿入流方向水平渦度分量的大小，其定義式如下[18]：

由風暴相對螺旋度的定義可知，SRH不僅表征了環(huán)境場的旋轉程度，而且還表示輸入到天氣系統(tǒng)中環(huán)境渦度的多少。SRH的大值區(qū)與對流風暴的運動、發(fā)展增強有很好的相關性。本文利用青島、濰坊風廓線資料，計算3 km的SRH(見圖5)。從圖5(a)中可以看到，5月17日10時開始，SRH逐漸升高到150 m2·s-2左右，14:00—16:20下降到0線附近，隨后于16:20開始迅速增大，至19:40增大為491 m2·s-2。對比圖5(a)可以看到這段時期恰好對應著暖平流逐漸向下擴展到2 km以下的時期。20時以后SRH開始劇烈波動，于21時達到最高值1 035 m2·s-2，22:30降為負值，后又于18日02:00快速升高至416 m2·s-2，以后迅速下降為負值。

圖5(b)為濰坊風廓線計算的SRH,10時至12時平均約為190 m2·s-2，12時短暫的下降到0線附近，從15時開始升高，到17:24為510.8 m2·s-2，之后逐步下降，22時短暫降為負值后，18日02時前基本為200～100 m2·s-2，18日02時之后降為0線附近震蕩。兩個SRH計算表明，在強對流系統(tǒng)發(fā)展前期存在較強的持續(xù)性的環(huán)境入流渦度，大于150 m2·s-2有利于風暴發(fā)生[18]，對預報強對流天氣發(fā)生有一定的預報指示意義。

圖5 利用(a)青島、(b)濰坊風廓線雷達資料計算的2020年5月17日08:00—18日07:55風暴相對螺旋度

4 多普勒雷達特征

4.1 強對流云團反射率因子特征

在本次冰雹過程中，從雷達回波生成和分布看，對流風暴可以分為南北兩個部分。本文利用青島和濰坊多普勒雷達從南北回波中各選出一個強對流風暴的回波進行分析。南部對流風暴生成于青島膠州西部，北部對流風暴的生成于濰坊西部。兩個強對流云團都造成了沿途冰雹和大風天氣。下面對南北兩個對流風暴分別分析。

4.1.1 南部對流風暴 南部回波首次從18:49在青島膠州西部開始出現(xiàn)，到21:05從嶗山東部移出陸地到海上，共在陸地持續(xù)了2 h 15 min左右，移動距離約106 km，每小時移動速度約為47 km。其中20:04前移動方向為東北，之后逐漸轉為偏東方向。

18:49在青島膠州西部約5 km高度出現(xiàn)19.5 dBZ的回波，對照當天20時探空資料，該高度溫度約-10 ℃,高于0 ℃的3 805 m高度。到18:54時，該時刻最強回波35.5 dBZ出現(xiàn)在5.78 km(見圖6(a1)、(a2))，該高度溫度約-15 ℃。到19:00時，在8.96 km高度上最強回波為45.5 dBZ,高于-20 ℃的6 565 m高度。對流風暴在初生階段最強回波高度超過了0 ℃層高度，同時大于45 dBZ強回波高度大于-20 ℃層高度，有利于大冰雹的生成及積累[13]。

在19:23對流風暴發(fā)展后出現(xiàn)60 dBZ以上強度回波,同時在回波中層開始出現(xiàn)弱的中氣旋，切變速度16.75 m·s-1。19:34在9.79° 仰角上出現(xiàn)了首次三體散射回波，預示著冰雹發(fā)生[13,19]。此后，在回波的9.79°仰角上一直出現(xiàn)三體散射并持續(xù)到20:54。19:46時，強回波60 dBZ主體層現(xiàn)垂直分布狀態(tài)，向上伸展到 9 km，5.95°仰角上的中氣旋切變速度為20.25 m·s-1，屬于中等強度的中氣旋。19:57水平反射率圖上回波呈現(xiàn)東西分布特征，移動方向偏東北，60 dBZ強回波主體垂直伸展高度達11 km，為本次過程最高(見圖6(b1)、(b2))。圖6(a2)中還可以看到在5和8 km分別出現(xiàn)大于65 dBZ的強回波。

圖6(c1)為20:03水平反射率因子14.49°仰角分布圖。圖中可見三體散射現(xiàn)象，并在回波右側出現(xiàn)入流缺口，圖6(c2)的剖面圖中可見60 dBZ回波墻主體依然保持垂直伸展狀態(tài)，高度達到9 km。需要注意的是60 dBZ中出現(xiàn)了大于65 dBZ 垂直回波墻，最強回波達到70 dBZ。這個大于60 dBZ的垂直回波墻在2.5～8.5 km左右，厚度約6 km，最低高度已經(jīng)低于0 ℃的3 805 m的高度，高度超過了-20 ℃的6 565 m高度，形成了深厚的強度較大的回波墻，這是大冰雹才能產(chǎn)生的回波墻。此時刻的中氣旋向下延伸到 1.44°，強度為中等中氣旋。分析對流風暴頂?shù)乃俣葓D可知，正負速度差值為60.5 m·s-1，表明存在很強的風暴頂輻散，說明上升氣流較強，非常有利于產(chǎn)生大冰雹[13]。

((a1)18:54 5.9°,(b1)19:57 1.4°,(c1)20:03 14.4°,(d1)20:31,3.2°仰角雷達反射率因子,(a2)、(b2)、(c2)、(d2)同時刻沿紅線的反射率剖面;(e1)20:14、(e2)20:31 3.2°仰角徑向速度。(a1)18:54 with elevation at 5.9°,(b1)19:57 with elevation 1.4°,(c1)20:03 with elevation 14.4°,(d1)20:31 with elevation 3.2°.(a2)(b2)(c2)and(d2)illustrate the cross-sections of the reflectivity along the respective red lines.(e1)and(e2)illustrate the radial velocity at 20:14 and 20:31 with elevation at 3.2°.)

圖6(d1)、(d2)為20:31的反射率和剖面圖。此時20:31開回波移動方面已轉為偏東方向移動，回波向南伸出的鉤形回波強度雖然不強，但是對應著圖6(d2)的速度圖中的中氣旋位置，造成地面出現(xiàn)陣性大風。該時刻對流風暴頂?shù)乃俣日撍俣炔钪禐?1.0 m·s-1，表明風暴頂輻散依然很強，有利于大冰雹的產(chǎn)生，而事實是在該時刻嶗山出現(xiàn)了直徑約4～6 cm的大冰雹。

分析南部回波徑向速度圖可知，中氣旋首次在19:23中層出現(xiàn)，高度約為4 km，半個小時之后19:57中氣旋向高層和低層擴展，之后一直持續(xù)到20:48, 在20:25發(fā)展為中等強度氣旋。圖6(e1)、(e2)分別是20:14、20:31 的3.19°仰角的徑向速度圖。20:14在中氣旋經(jīng)過的地面上出現(xiàn)7級大風，20:31中氣旋經(jīng)過的地面上出現(xiàn)了8級大風。從中氣旋運行軌跡及地面大風實況來看，這個回波中的中氣旋是造成地面大風的主要原因。

4.1.2 北部強對流回波特征 北部回波從18:30開始出現(xiàn)，到22:02移出陸地到海上，共在陸地持續(xù)了約3.5 h，移動距離約210 km，平均移動速度約60 km·h-1。其中20:04前移動方向為偏東方向，之后轉為東偏南方向。

北部回波從18:30開始出現(xiàn)，回波中強度最大為23 dBZ，出現(xiàn)在4.21 km上，高于0 ℃的3 805 m高度。到下一個時刻18:36，最強回波38.5 dBZ出現(xiàn)在5.69 km上(見圖7(a1)、(a2))。對照當天20時探空資料，該高度溫度約-14 ℃。15 min后到18:59時，強度已迅速增大到62.5 dBZ，并首次在14.59°仰角出現(xiàn)了三體散射，三體散射一直持續(xù)直到19:29消失。圖7(b1)、(b2)為19:11的4.31°仰角發(fā)射率因子及其剖面圖。圖中可見，45 dBZ高度達8 km，超過了-20 ℃的6 565 m高度，在剖面圖上首次出現(xiàn)65 dBZ垂直分布的回波，高度約為3～6 km(見圖7(b2))。

圖7(c1)為19:29組合反射率因子圖，回波前端出現(xiàn)了入流缺口,圖中可見明顯的三體散射，表明冰雹可能已經(jīng)產(chǎn)生。剖面圖上(見圖7(c2))60 dBZ以上開始向下擴展到近地面，形成深厚的強回波墻，在其右側出現(xiàn)寬度達8～9 km的有界弱回波區(qū)和其上較強的回波懸垂，表明具有降大冰雹的潛勢，同時也說明入流氣流非常旺盛。在該對流系統(tǒng)后續(xù)發(fā)展東移中，有界弱回波區(qū)一直持續(xù)出現(xiàn)，直到21:30消失。在此過程中分析該對流風暴的頂部速度圖(圖略)可知，風暴頂輻散一直維持較大的正負速度差達60.0～63.0 m·s-1，而強大的風暴頂輻散表明，上升氣流很強，也對應著大冰雹的產(chǎn)生[13]。

到 20:27時該對流風暴出現(xiàn)了鉤狀回波(見圖7(d1))，剖面圖上(見圖7(d2))還可見旁瓣回波，表明回波中冰雹形成區(qū)較強。圖7(e2)為20:27對應圖7(d1)的速度圖，可以看出在鉤狀回波底部中氣旋，對應地面則出現(xiàn)了7級大風。之后這個對流風暴逐漸東移減弱入海。

((a1)18:36 9.7°,(b1)19:11 4.3°,(c1)19:29 9.7°,(d1)20:27,1.4°仰角雷達反射率因子。(a2)、(b2)、(c2)、(d2)同時刻沿紅線的反射率因子剖面;(e1)19:17、(e2)20:27 3.3°仰角徑向速度。(a1)18:36 with elevation at 9.7°,(b1)19:11 with elevation 4.3°,(c1)19:29 with elevation 9.7°,(d1)20:27 with elevation 1.4°。(a2)(b2)(c2)and(d2)illustrate the cross-sections of the reflectivity along the respective red lines.(e1)and(e2)illustrate the radial velocity at 19:17 and 20:27 with elevation at 3.3°.)

分析該對流風暴的中氣旋可知，在18:47回波剛生成時，在約高層6～8 km出現(xiàn)較強的中氣旋，最強中心出現(xiàn)在7 km，切變速度為33.5 m·s-1。18:53 中高層中氣旋開始向低層發(fā)展延伸，圖7(e1)、(e2)為19:17和20:27 的3.39°仰角的徑向速度圖。圖7(d1)中最大切變段15.8 m·s-1，強度為弱中氣旋。圖7(e2)為20:27鉤狀回波底部中氣旋，范圍已明顯縮小。之后開始中氣旋逐漸減弱，高度降低到4 km以下，直至消失。

上述分析表明，在本次強對流系統(tǒng)中，南北兩個風暴起始回波中的最強回波約為20 dBZ左右，發(fā)生高度都在0 ℃層以上，并且在一個體掃后都迅速躍增到-15 ℃左右的高度，強度也迅速增大35 dBZ以上。起始回波的這種躍增變化對這類冰雹強對流天氣的發(fā)展具有可參考價值。之后強對流回波強度繼續(xù)迅速增大超過60 dBZ。在長時間的中低層中氣旋輻合和風暴頂強輻散的配置下，造成了本次強對流天氣冰雹過程持續(xù)時間長、冰雹尺度較大的特點。

4.2 垂直累積液態(tài)水含量VIL、VIL密度和60 dBZ反射率因子高度特征分析

圖8(a1)、(b1)為南北兩個對流云團VIL和最大反射率因子圖，圖中柱狀線為回波經(jīng)過的最大陣風風速。

由VIL的定義可知，對液態(tài)水混合比M=3.44×10-3Z4/7(Z為雷達發(fā)射率因子，單位dBZ)進行垂直積分可得到VIL。VIL表示的是將反射率因子轉換成等價的液態(tài)水值，并假定反射率因子完全由液態(tài)水反射得到[18]。當冰雹生成時，粒子散射將由瑞利散射變?yōu)槊咨⑸洌虼薞IL出現(xiàn)快速增大是因為回波中有冰雹生成。當VIL值迅速降低，則意味著冰雹從回波體中降落，也意味著地面大風的發(fā)生。因此VIL常用來判斷對流風暴中冰雹的生成和大風的發(fā)生[13,20]。

從圖8(a1)、(b1)中可以看到，南北兩個VIL都是在發(fā)展初期迅速增大到最大值，南部的VIL最大達到68.3 kg·m-2，北部的VIL最大達到55.9 kg·m-2，南部的VIL最大躍增值達18.0 kg·m-2，北部的VIL最大躍增值達16.8 kg·m-2。較大的VIL及較高的VIL躍增值非常利于產(chǎn)生大冰雹[20]。北部回波的VIL小于南部的原因可能是由于VIL是計算的垂直方向的累積，而北部回波傾斜度更大，移動速度更快，因此計算的VIL要低于南部的VIL。

圖8 2020年5月17日18:49—21:22南部(a1)、18:36—22:08北部(b1)對流風暴VIL(虛線，單位:kg·m-2)、最大反射率因子(實線，單位:dBZ)、地面最大陣風風速(柱狀線，單位:m·s-1)，南部(a2)、北部(b2)對流風暴VIL密度(單位:g·m-3)及南部(a3)、北部(b3)對流風暴60 dBZ反射率因子高度(單位: km)

從圖8圖(a1)、(b1)中還可以看到，北部最大反射率因子在20 min內(nèi)迅速增大到超過60 dBZ，南部則是在1 h左右才達到60 dBZ，北部增大的更快。北部最大回波強度先達到62.5 dBZ，約40 min后，相應VIL才增長到最大值。而南部兩者幾乎是同時達到最大值。圖8中還可見，南北的地面陣風大風出現(xiàn)在VIL和最大反射率因子在高位維持階段，并且更多出現(xiàn)在VIL劇烈變化階段。

VIL與風暴頂高度之比為VIL密度，圖8(a2)、(b2)為南北兩個對流風暴的VIL密度。如果VIL密度超過4 g·m-3，則對流風暴產(chǎn)生的冰雹直徑將大于2 cm[13,20]。如圖8所示，南部對流風暴從19:40開始到入海這個階段，VIL密度基本在4 g·m-3之上；北部對流風暴在19:30和20:30分別有兩個大于4 g·m-3的峰值階段。以上VIL密度特征有利于南北兩個對流風暴產(chǎn)生的冰雹直徑大且持續(xù)時間長，這與實況是吻合的。

圖8(a3)、(b3)為60 dBZ南北兩個對流云團反射率因子的高度。從圖8(a3)、(b3)中可見，南北兩個對流風暴的60 dBZ以上強回波主體，高度超過了-20 ℃ 高度，形成了深厚的高強度回波墻，這是大冰雹產(chǎn)生的有利條件。

南部回波出現(xiàn)60 dBZ以上的時間要長于北部回波，南部回波達到8.75 km的高度約1 h，達到12 km，約1 h 10 min。而北部回波從生成后迅速增高達到8.75 km，不到1 h達到最高高度達9.27 km。這兩個回波都在生命史中長時間維持60 dBZ以上強回波主體，其中65 dBZ回波體也存在了較長時間，中氣旋的維持時間也基本與60 dBZ反射率因子時間相同。強回波主體長時間維持，同時強度較強，這是造成長時間冰雹和大風的主要原因。

5 結論

(1)此次冰雹過程發(fā)生在有利的環(huán)境條件中：SI指數(shù)、K指數(shù)、總指數(shù)、強天氣威脅指數(shù)、濕球溫度零度層高度、cape等各物理量均處于有利于冰雹發(fā)生的數(shù)值范圍，同時高空為明顯的“上干下濕”，是典型的冰雹天氣的高空相對濕度特征。青島及上游地區(qū)大氣可降水量在不斷增大，為強對流天氣發(fā)生提供了有利的水汽條件。

(2)利用青島、濰坊單站風廓線雷達資料計算的溫度平流、SRH能指示出強對流天氣發(fā)生前，低層存在較強的暖平流，且SRH持續(xù)增大，具有一定的指示意義。

(3)利用青島、濰坊和蓬萊三部風廓線雷達聯(lián)合計算的散度表明，在強對流天氣發(fā)生前，中低層輻合不斷增大，在強對流天氣影響期間低層輻合高層輻散，有利于強對流風暴的發(fā)展維持；計算的渦度表明，在強對流天氣發(fā)生前中低層為正渦度，而中層為負渦度。強對流天氣影響期間，從高層到低層基本為正渦度，同時結合散度分析表明，低層為氣旋式旋轉輻合，中高層為氣旋式輻散，這種結構有利于產(chǎn)生較強的上升氣流，有利于對流風暴的維持發(fā)展。

(4)多普勒雷達資料分析表明，南北兩個對流風暴都具備生成大冰雹的條件：深厚的60 dBZ以上回波墻結構、三體散射回波、旁瓣回波、較強的中氣旋和較大的風暴頂輻散，北部對流風暴回波還有寬廣的有界弱回波區(qū)、懸浮回波。強對流風暴的起始回波發(fā)生高度在0 ℃層高度以上，并且在短時間內(nèi)迅速躍增達到-15 ℃左右高度。起始回波的這種躍增變化對這類冰雹天氣的發(fā)展具有可參考價值。

(5)南北兩個對流風暴的VIL及躍增值都很大，非常利于產(chǎn)生大冰雹。VIL密度長時間在4 g·m-3之上，以及強回波主體長時間維持，有利于產(chǎn)生持續(xù)時間長且直徑較大的冰雹。地面大風出現(xiàn)在VIL和最大反射率因子在高位維持階段，并且更多出現(xiàn)在VIL劇烈變化階段。