“2021.05.10”新余冰雹超級單體風暴回波分析

李栩婕，馬中元，李歡歡，袁 春，肖 云

( 1. 新余市氣象局，338000，江西，新余；2. 江西省氣象科學研究所，330046，南昌)

0 引言

強對流天氣包括：冰雹、雷暴大風、短時強降水、強雷電等天氣現象。強對流天氣具有突發性、強度大、局地性強等特點，往往造成嚴重的人員傷亡和經濟損失。冰雹的產生主要與風暴中強烈的上升氣流有關，而雷暴大風主要由強對流風暴(超級單體或多單體風暴)或與颮線、與鋒面有關的帶狀對流中處于成熟階段單體的下沉氣流在近地面處向水平方向擴散形成的輻散性陣風而產生[1]。

國內許多氣象工作者對冰雹和雷暴大風天氣已經開展了很多研究[2-12]。例如：金米娜等[2]利用常規觀測資料和衛星、雷達、自動站等非常規觀測資料以及NCEP再分析資料，對2013年3月19日江西省大范圍冰雹天氣過程形成原因進行分析，指出0 ℃層高度一般在600 hPa上下，約4 km高，有利于冰雹的產生。李聰等[8]利用地基微波輻射計、風廓線雷達和雨滴譜儀等觀測資料分析了南京的一次冰雹過程，指出較大的對流不穩定能量和相對強的深層垂直風切變構成了強冰雹產生的有利環境條件。李麗麗等[5]分析指出，單體回波在發展和降雹階段均可見明顯的回波懸垂，在強雷暴單體的PPI圖上還可見“V”型缺口和鉤狀回波特征。陸飛等[11]利用常規觀測資料、地面加密資料、衛星云圖、微波輻射計及雷達探測資料等對2021年7月15日江蘇省一次強冰雹過程進行分析，指出多單體風暴中組合反射率60以上且回波頂高超過17 km區域與冰雹發生地較吻合。這些研究成果對本文有指導作用。

2021年5月10日下午新余東部發生一次強對流天氣過程，期間出現雷暴大風和大冰雹，引起公眾和媒體高度關注，中國天氣網等媒體均對該過程有相關報道。本文利用常規觀測資料、多普勒天氣雷達資料和地面加密觀測站資料等，分析了新余此次強對流天氣的環境場及其雷達回波特征，期望為今后預報此類強天氣并及時發布相關預警信息提供參考。

1 資料來源與天氣實況

1.1 資料來源

風速資料來源于江西省查詢系統平臺國家站和區域站風速數據；天氣圖資料來源于MICAPS系統平臺中分析方法；探空資料T-lnP 圖來源于MICAPS系統平臺；雷達資料來源于江西WebGIS雷達拼圖和吉安SA雷達產品。

1.2 天氣實況

2021年5月10日16:00—17:00，新余東部出現一次暖區對流天氣過程，隨著對流單體自南向北逐漸移過，新余東部出現局地冰雹、雷暴大風和強雷電等強對流天氣，如圖1(a)所示，新余站出現6站次雷暴大風，最大為南崗站的23.4 m/s，在16:12左右新余市羅坊、姚圩、鵠山、北崗和水西等地突降直徑2 cm左右的冰雹。圖1(b)中新余總雷電次數共計853次，其中正閃423次，負閃430次。新余市羅坊、南崗、馬洪16:00-17:00每5 min溫度變化趨勢圖(圖略)可得，在16:10—16:20，新余羅坊由31.1 ℃降至23.4 ℃、南崗由32.5 ℃降至23.5 ℃、馬洪由33.7 ℃降至26.6 ℃，這3個站在10 min內快速降溫7～8 ℃，與冰雹天氣發生時段一致。可見此次對流過程具有持續時間較短、強天氣劇烈、影響范圍較局地等特點。

圖1 5月10日極大風速圖(a)和雷電分布圖(b)

2 天氣形勢和物理量分析

2.1 天氣形勢

從5月10日08:00天氣形勢配置圖(圖略)可以看出，500 hPa上貴州西部有一個南支槽不斷東移并有溫度槽落后使之不斷加深。700 hPa在重慶南部和湖南北部有低渦切變并伴有一只西南急流，同時武漢和安徽南部有露點鋒存在，850 hPa和925 hPa有一支西南急流向江西輸送水汽和能量并伴有低渦切變，T850-500為25～28 ℃，925 hPa暖脊發展與850 hPa上Td為15 ℃的高濕區在贛北疊加，與500 hPa干區形成上干冷下濕暖層結，地面有西南倒槽從重慶貴州北部、湖南中北部伸向贛西北，熱低壓發展，造成局地冰雹、雷暴大風和強雷電等強天氣發生。

2.2 物理量分析

從5月10日08:00冰雹、大風發生前的探空圖上(圖略)看，SI指數低于-3 ℃，風暴強度指數SSI超過了300，訂正后南昌站對流有效位能CAPE數值超過了2 000 J/kg，表明大氣層結為不穩定狀態且不穩定能量較強，抬升凝結高度LCL低，濕球0°層高度WBZ為3.57 km，-20 ℃等溫線高度為7.74 km，這些指數特征有利于產生冰雹大風天氣。從5月10日08:00的露點溫度Td以及比濕Q值(圖略)來看，850 hPa江西、湖南境內Td、Q在15 ℃和13 g/kg以上，近地面層為暖平流，600 hPa以上為弱的冷平流，且當日午后地面溫度高達32.8 ℃，低層的高溫、高濕的持續導致不穩定能量持續積累，而700 hPa的Td和Q分別只有3～4 ℃和8 g/kg，700～400 hPa之間為干層，表明江西境內濕層不深厚，具有明顯的上干下濕結構，這不利于產生大范圍暴雨天氣，而對冰雹、大風等強對流天氣發生有利。0～3 km和0～6 km的風矢量差為9 m/s和8 m/s，俞小鼎[13]指出有時雖然0～6 km風矢量差不大，但期間某一層具有很強的垂直風切變，也往往可以發生有組織程度的強對流，5月10日08:00時700 hPa垂直風切達12 m/s，對新余超級單體冰雹的產生起到重要的作用。

由此可見，不穩定能量的建立、明顯的上干下濕結構、南支槽不斷東移加深、中低層切變、中低層西南急流、地面倒槽和熱低壓發展以較強風暴強度指數SSI、較大的對流有效位能 CAPE以及較低的抬升凝結高度LCL等多個有利條件共同影響，是構成新余局部冰雹、雷暴大風和強雷電天氣的環境條件。

3 雷達回波特征分析

3.1 雷達拼圖回波特征

在雷達拼圖組合反射率CR產品上，5月10日14:10分(圖略)，3塊回波單體在吉安縣生成，并不斷發展且向東北移動；15:00時(圖2(a))，其中2塊強單體合并，于15:20合并形成超級單體(圖2(b))，中心強度達到70以上；15:40(圖2(c))，超級單體在進入新余的過程中受山體阻擋，回波強度有所減弱為65；16:00進入新余后(圖2(d))，60強回波面積明顯擴大，新余市部分鄉鎮開始出現冰雹；16:20超級單體回波強度達到最強(圖2(e))，中心最大回波強度達到70以上，給新余市東部多個鄉鎮帶來了雷暴大風、冰雹等強對流天氣；16:30超級單體移出新余(圖2(f))，強度比較強，并繼續對下游地區產生影響。

(a)15：00；(b)15:20；(c)15:40；(d)16:00；(e)16:20；(f)16:40圖2 2021年5月10日雷達拼圖組合反射率CR演變圖(單位/dBZ)

3.2 冰雹雷達回波剖面

2021年5月10日新余冰雹大風主要集中在16:00-17:00(約1 h)，為了說明其雷達回波和徑向速度特征，使用吉安SA多普勒雷達16:10的數據，制作不同仰角反射率因子BR、徑向速度BV、回波頂高ET、垂直積分液態水含量VIL、垂直累積液態含水量密度VILD等產品圖進行分析。

2021年5月10日16:10(圖3(a))，雷達拼圖組合反射率圖，此時超級單體風暴位于羅坊、姚圩鎮，由于三體散射長釘回波較弱，在雷達拼圖組合反射率CR圖中被覆蓋。從吉安雷達不同仰角反射率因子圖(圖3(b)、(c)、(d)、(e)、(f))，三體散射特征明顯。1.5°、2.3°仰角(圖3(b)、(c))羅坊、姚圩鎮附近出現伸出超級單體強回波區的“指狀”回波，“指狀”回波表明與強烈暖濕入流伴隨的上升運動有助于冰雹生成和發展[14]，“指狀”回波一側反射率因子回波梯度較大；高仰角(圖3(d)、(e)、(f))，伸出超級單體的回波上方為強反射率因子核心區，同時，4.3°仰角上強回波的北側，徑向方向上出現了明顯的三體散射回波(吉安雷達站位于其西南偏南方向)，三體散射回波預示著冰雹的出現。

(a) 雷達拼圖組合反射率CR； (b) 吉安雷達 1.5°仰角反射率因子； (c)吉安雷達 2.4°仰角反射率因子； (d)吉安雷達 3.4°仰角反射率因子； (e)吉安雷達 4.3°仰角反射率因子； (f)吉安雷達 6.0°仰角反射率因子；單位/dBZ圖3 2021年5月10日16:10 雷達拼圖組合反射率CR和16:08吉安雷達產品圖

2021年5月10日16:10，吉安雷達4.3°仰角反射率因子圖(圖4(a))，此時雷達回波中心強度高達74 ，屬于典型的超級單體風暴結構。沿垂直剖面線的反射率因子垂直剖面RCS(圖4(b))，50強回波頂高達到11.1 km，超過-20 ℃等溫線高度(7.7 km)，70 強回波懸垂中高空，冰雹累積區較大。4.3°仰角徑向速度圖上(圖4(c))，白圓圈處出現輻合型速度對，存在中層徑向輻合；6°仰角徑向速度圖上(圖4(d))，白圓圈處出現輻散型速度對，表明高層有徑向輻散，高層徑向速度輻散和中低層徑向速度輻合有利于風暴的發展和維持。

(a)組合反射率CR單位/dBZ；(b)沿剖線反射率因子垂直剖面RCS；(c)4.3°徑向速度；(d)6.0°徑向速度圖4 2021年5月10日 16:08吉安雷達產品圖

超級單體回波頂高ET(圖略)發展至12～15 km，超級單體中心垂直積分液態水含量VIL(圖略)其值高達70 kg/m2，表明云中含有較大的雹胚增長，垂直累積液態含水量密度VILD(圖略)，達12 kg/m3；雷達冰雹探測算法導出的強冰雹概率(POSH)達 90%以上，這些產品特征均預示出現大冰雹的可能性很大。

上述分析表明，超級單體風暴中組合反射率CR達到70以上、50強回波頂高11.1 km超過-20 ℃等溫線高度7.7 km、有明顯的回波懸垂以及三體散射回波結構；產生冰雹的超級單體具有垂直積分累積含水量VIL和密度VILD的值很大達到上限，中層有徑向速度輻合，高層有徑向速度輻散，有利于風暴的發展和維持。

4 結論與討論

經過以上分析，得到以下結果。

1)南支槽不斷東移加深、中低層切變、中低層西南急流、地面倒槽和熱低壓發展等多個有利條件的共同影響，是構成新余局部冰雹、雷暴大風的天氣背景。

2)各項探空資料環境參數均預示了強對流的發生，具有明顯特征的是該次強對流天氣過程發生前具有具有較強風暴強度指數SSI、較大的對流有效位能 CAPE以及較低的抬升凝結高度LCL。

3)超級單體回波組合反射率CR達到70以上、50強回波頂高11.1 km超過-20 ℃等溫線高度7.7 km、有明顯的回波懸垂以及三體散射回波結構。

4)產生冰雹的超級單體具有垂直積分累積含水量VIL和密度VILD的值很大達到上限，中層有徑向速度輻合，高層有徑向速度輻散，有利于風暴的發展和維持。

上述通過研究環境場和雷達回波特征，對新余“5.10”風雹天氣過程進行了分析，初步得到上述幾點結論，為強對流天氣識別與短時預報業務提供技術支撐。但此次過程回波由西南朝東北方向移動，這與旺盛的西南急流關系密切。隨著其它觀測設備的增加和探測手段的完善，提高在該天氣背景下出現的超級單體風暴的預報能力，為災害性天氣的監測和預警提供更多參考依據。