2022年3月14日江西及周邊地區冰雹回波特征分析*

田 白 馬中元 陳鮑發 段和平 劉懿樞 岳 旭

1 江西省氣象服務中心,南昌 330096 2 江西省氣象科學研究所,南昌 330046 3 江西省景德鎮市氣象局,景德鎮 333000 4 江西省氣象災害防御技術中心,南昌 330046 5 江西省鷹潭市氣象局,鷹潭 335001

提 要: 為更好地開展對江西冰雹天氣的監測預警工作,使用MICAPS數據、自動站數據、雷達拼圖數據、雷達PUP產品數據、雙多普勒雷達反演風場數據、冰雹災情照片視頻和微信冰雹信息反饋等資料,采用天氣學、雷達氣象學等原理與方法,對2022年3月14日江西及周邊省份冰雹回波特征進行分析,結果表明:3月14日,江西及周邊省份多地出現冰雹,20個區域站出現≥17.2 m·s-1的大風,24個區域站出現≥50.0 mm的降水,且雷暴大風和冷空氣大風混合出現。200 hPa高空出流區、500 hPa南支槽和風速切變、850 hPa低渦和切變線、地面輻合線和西南倒槽是冰雹天氣主要系統;南昌訂正后較大的CAPE、較強逆溫層、中層干區和低層濕區為冰雹天氣發生提供了環境條件。冰雹以超級單體回波為主,有時孤立存在,有時存在于回波群、回波帶之中;回波強度≥60 dBz,強回波面積最小≥18 km2,最大≥180 km2;30～60 dBz強回波梯度距離≤6 km,具有明顯的云砧前伸回波;冰雹回波生命史多數在2 h以上。在冰雹回波識別中,垂直積分液態水含量(VIL)是一個很重要的特征。江西冰雹單部雷達VIL在35～60 kg·m-2,雷達拼圖上VIL為35～50 kg·m-2。在冰雹回波2.5 km CAPPI圖上,冰雹回波強度均≥60 dBz,最大可達65 dBz;在雙多普勒雷達反演風場上多數回波中心具有中渦旋結構、側面輻合風場、南北風場輻合等特征;有些個例風場比較凌亂。上述分析結果為江西冰雹天氣的監測預警提供了分析依據。

引 言

2022年2—10月,江西天氣過程出現較多且復雜,如大雪、冰雹、大暴雨、雷暴大風、混合型大風、雷擊、汛期連續性大暴雨、城市內澇、副熱帶高壓邊緣局地冰雹和高溫、干旱天氣等等。3月14日,江西及周邊地區(湖南、湖北、安徽、浙江等)出現冰雹,其范圍較廣、站數較多,但雹徑大多都≤2 cm,過程以中等超級單體或微型超級單體影響為主。

國內外學者對冰雹天氣研究頗多,例如:超級單體反射率因子垂直剖面呈現出典型的有界弱回波區(穹窿)、回波懸垂和回波墻。最大的回波強度出現在沿著回波墻的一個豎直的狹長區域,其值超過70 dBz (鄭媛媛等,2004)。超級單體內有一個垂直渦度約為8×10-2s-1的龍卷式渦旋(tornadic vortex signature,TVS),高層懸掛回波下是有界弱回波區(bounded weak echo region,BWER)。超級單體的類型主要有經典超級單體、強降水超級單體以及強降水超級單體組成的復合風暴(吳芳芳等,2010;2013)。超級單體在雷達速度圖上表現出明顯的中氣旋特征,反射率因子圖存在鉤狀回波,相應的垂直剖面具有回波懸垂、三體散射等特征(湯興芝等,2022);垂直積分液態水含量(vertical integrated liquid,VIL)突增時,可以預示降雹開始;當回波強度≥50 dBz 時,回波出現合并現象,強回波水平尺度較大,具有“指狀”或“弓狀”等回波結構,而當VIL超過50 kg·m-2時,最易發生強對流天氣(李浚河等,2016;楊淑華等,2014;敖澤建等,2017;馬中元等,2009b;尹麗云等,2021)。颮線移動前方不斷產生具有“前伸”、TBSS 和假象回波結構的超級單體回波群,這些超級單體是產生冰雹災害的主要回波系統(馬中元等,2014)。局地冰雹回波產品特征包括:中心強度達到60～65 dBz,回波頂ET達到9～12 km,VIL達到40～60 kg·m-2。冰雹主要有三種回波形式:帶上超級單體、帶上強單體和超級單體(陳鮑發和馬中元,2019)。在雷達拼圖回波上,副熱帶高壓邊緣局地熱雷雨發展、合并形成回波短帶,或是弓形回波帶等短帶回波,雷暴大風就發生在回波短帶凸出部位前沿(高建平等,2019;鄭麗君等,2022;段和平等,2021;Keene and Schumacher,2013;馬中元等,2009a;2011;夏文梅等,2021;黃中根等,2022)。回波產生初期為局地對流單體回波,通過不斷新生單體和單體合并等方式,形成南北走向的回波短帶,這種合并形成的回波短帶發展旺盛時,會產生多站冰雹和雷暴大風天氣。對2022年3月14日江西及周邊地區冰雹天氣進行分析,旨在為江西冰雹天氣的監測預警提供更多分析依據。

1 資料來源

天氣圖資料來源于氣象信息綜合處理系統(MICAPS),地面氣象站資料來源于江西氣象信息內網平臺;雷達回波資料來源于江西WebGIS雷達拼圖平臺[審圖號:GS(2021)6375號,底圖無修改];單部雷達PUP產品來源于江西及周邊雷達基數據;雷達風場反演使用中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室的“多型天氣雷達顯示分析平臺”反演軟件;災情照片通過微信群、信息員、調查報告等渠道收集并利用雷達回波特征進行驗證。

2 天氣實況

2022年3月14日,江西及周邊地區出現入春以來首場冰雹天氣過程,江西多地出現冰雹。由于冰雹天氣尺度小,很難被記錄到,因此大部分冰雹信息是通過當地信息員反饋和微信視頻、照片得到,只有江西安義站(老觀測站)記錄到冰雹(圖略)。這些信息和照片經過雷達回波強度、面積、梯度等對比分析確認。在一些人煙稀少的地方,難免存在漏記錄冰雹的現象。也就是說由于觀測的限制,一些地方冰雹沒有被記錄到。14日08:00(北京時,下同)至15日08:00,江西20個區域站出現≥17.2 m·s-1的大風天氣,其中各有2個站出現≥20.8 m·s-1、≥24.5 m·s-1的大風天氣。14日08:00至15日08:00,江西24個區域站出現≥50.0 mm的降水,其中,4個站出現≥70.0 mm的降水。

3月14日,鋒前暖區的雷暴大風和鋒后冷空氣大風混合比較明顯。14:00(圖1a),長江河谷九江口無冷空氣活動,鋒前暖區多地出現冰雹和雷暴大風天氣。16:00(圖1b),隨著冷空氣的南壓,冰雹和雷暴大風天氣有所南壓,九江口開始出現冷空氣大風。18:00(圖1c),冷空氣繼續南下,但風力不大,冷空氣大風侵入與贛北雷暴回波帶大風混合。20:00(圖1d),雷暴回波帶東移并減弱,冷空氣大風沿贛江灌入贛北贛中,萍鄉又有冰雹回波發展。

圖1 2022年3月14日江西雷達拼圖組合反射率產品(填色)與極大風速(風羽)疊加圖Fig.1 Overlay of Jiangxi radar puzzle CR product (colored) and maximum wind speed (barb) on 14 March 2022

江西溫度鋒區形成原因較多且復雜,主要包括兩種情況:一種是西南氣流強盛,午后太陽輻射增溫,江西北部有小股冷空氣南下或北部有較大面積降水時,在江西北部會形成較大尺度溫度鋒區;另一種是在西南氣流中和午后增溫情況下,暖區出現熱雷雨,有時發展旺盛,造成地面較強降水時,降水冷卻降溫而形成尺度較小的溫度鋒區。溫度鋒區有利于對流回波的不斷產生和回波系統的維持。

2022年3月14日10:00—22:00,江西閃電較密集,閃電維持時間長達12 h(圖2)。閃電維持時間里出現6次高峰,正好對應13:00—20:00的江西冰雹過程:①修水,②安義、浮梁,③浮梁,④婺源,⑤玉山,⑥萍鄉。16:00左右閃電進入最高峰(10 min閃電次數超過300次),而52次·(10 min)-1是這次過程閃電次數均值,冰雹回波的閃電次數均超過均值。負閃次數與總閃次數基本一致,正閃次數較少。

圖2 2022年3月14—15日江西省10 min閃電次數分布Fig.2 Distribution of 10-min lightning frequency in Jiangxi Province from 14 to 15 March 2022

3 天氣形勢與探空數據分析

由2022年3月14日08:00中尺度天氣系統分析圖(圖3a)可見,500 hPa高空低槽呈階梯狀,分別在湖北西北部、贛西邊界各有一個短波槽,槽前安徽中部至贛西北有一個溫度槽,冷溫槽超前于高度槽有利于強天氣的發生。地面冷鋒呈東西向,位于長江中下游附近,鋒面附近的浙江、江蘇、安徽、湖北中南部、江西北部500 hPa為顯著干區(T-Td≥27℃),與700 hPa江南大范圍濕區在贛北交匯,在贛北形成顯著“上干下濕”的結構。同時贛北低層為暖中心,與500 hPa冷槽在贛北重疊。20:00(圖3b),冷鋒南壓、濕區東移,500 hPa低槽移入贛東北,與位于贛東北上空的700 hPa、850 hPa切變線相交或重疊,0～6 km垂直風切變明顯加大至16.5 m·s-1,有利于冰雹等強對流天氣發生。

圖3 2022年3月14日(a,c)08:00和(b,d)20:00(a,b)中尺度天氣系統與(c,d)南昌探空Fig.3 (a, b) Synoptic system analysis and (c, d) Nanchang T-lnp at (a, c) 08:00 BT and (b, d) 20:00 BT 14 March 2022

由14日08:00南昌探空(圖3c)可見,中層500～600 hPa有顯著干層,與700 hPa附近及以下的水汽飽和區形成典型“喇叭口”結構,850 hPa和500 hPa溫差為27.4℃,地面露點溫度為18℃,對流有效位能(CAPE)達211.6 J·kg-1,對流抑制位能(CIN)為229.9 J·kg-1,最大抬升指數(BLI)為-3.1℃,K指數為37.4℃,沙氏指數為-2.18℃,表明層結處在極不穩定狀態,上下層溫差大,低層水汽條件好并伴有一定強度的不穩定能量。冰雹融化層高度(濕球溫度0℃到地面的高度)為3449 m,0℃層為3509 m,-20℃層為7052 m,各指標有利于冰雹形成。20:00(圖3d),隨著地面冷鋒的南壓,中低層切變線南壓,午后冰雹能量釋放,濕區東移和抬升,冰雹天氣逐漸結束。

4 雷達拼圖回波特征

4.1 16次冰雹回波特征

2022年3月14日,江西及周邊地區出現了一次較大范圍冰雹天氣過程。針對此次過程的16次冰雹信息,截取江西及周邊24部雷達拼圖回波特征(圖4)進行分析。

注:圓圈:超級單體。圖4 2022年3月14日江西及周邊地區冰雹雷達拼圖組合反射率回波特征Fig.4 Composite refectively echo characteristics of the hail radar mosaic in Jiangxi and surrounding areas on 14 March 2022

江西冰雹主要以超級單體為主,其主要特征包括:存在≥60 dBz的回波,有些典型超級單體中心還有≥65 dBz的回波核(圖4a,4b,4d,4e,4h,4j,4l,4n,4p),最強可達73 dBz(圖4g,4m),最小值為61 dBz,平均值為66 dBz。60 dBz回波面積平均值為63 km2,最大為184 km2(圖4b),最小(微型超級單體)為 18 km2(圖4c);65 dBz回波面積平均值為17 km2,最大為51 km2(圖4b),最小為0 km2(圖4c);70 dBz回波面積平均值為1 km2,最大為12 km2(圖4b),最小為0 km2(圖4c)。30～60 dBz 強回波梯度距離最大值為5.66 km,最小值為1 km,平均值為3 km。云砧前伸回波,回波中心30 dBz線的面積直徑與到回波邊緣10 dBz之間距離的比值,最大為1∶3.23,最小為0,均值為1∶1。

4.2 安義冰雹回波演變

2022年3月14日13:40—13:50,江西安義站(老觀測站)觀測到直徑≤2 cm的冰雹(圖略)。冰雹維持時間較短(2個雷達拼圖時間≤20 min),回波形態由強回波單體演變為微型超級單體;經歷了回波單體合并,單體發展加強形成微型超級單體,降雹后回波迅速減弱等階段。13:00(圖5a),在江西的西北部(修水—安義),有一條對流單體排列不連續的雷暴回波帶,帶上至少存在5～7個45 dBz及以上強度的對流單體,其中在修水縣城附近的強回波中識別出微型超級單體,回波強度≥60 dBz,強回波面積達到34 km2,修水縣溪口鎮出現冰雹。安義西北側是正在發展中的強回波,強度達到55 dBz。整條回波帶上空被西北偏西氣流覆蓋,云砧回波朝偏東方向伸展。13:10(圖5b),修水識別出2處強回波,一處在邊界上,回波強度≥60 dBz,強回波面積只有23 km2,有可能出現冰雹(無信息可證);另一處在修水縣城附近溪口鎮,為上個時次冰雹的繼續,回波強度≥60 dBz,強回波面積達到37 km2。13:20(圖5c),識別出來的2處強回波維持少變(冰雹維持),回波強度≥60 dBz,強回波面積分別達到15 km2、24 km2,比上個時次有所減小。13:30(圖5d),修水縣冰雹結束,回波強度下降到≤55 dBz,但回波帶保持近似東西走向,這與850 hPa和700 hPa切變線位置相關,云砧前伸回波也與200 hPa和100 hPa風向一致。此時安義受55 dBz強回波單體影響。13:40(圖5e),安義縣城強回波發展成為微型超級單體,回波強度≥60 dBz,強回波面積達到18 km2,江西安義站(老觀測站)記錄到冰雹,從照片上看,冰雹直徑≤2 cm。13:50(圖5f),安義冰雹回波強度保持在60 dBz,強回波面積減小到10 km2,安義縣冰雹停止?；夭◣掀渌胤椒謩e出現強回波,但沒有冰雹信息。14:00—14:10(圖5g,5h),回波帶上回波強度有所減弱,在55 dBz內,冰雹回波移出安義縣。14:20—14:30(圖5i,5j),回波帶上西端(修水縣境內、湖南境內)又有多個微型超級單體發展,對于是否出現冰雹尚無信息論證。

圖5 2022年3月14日江西安義冰雹回波演變Fig.5 Evolution of hail echo at Anyi Station in Jiangxi Province on 14 March 2022

由上可見,3月14日冰雹在回波識別時存在以下特點:回波強度均≥60 dBz,強盛時超過60 dBz;強回波面積的大小關系到是否降冰雹,此次修水2次冰雹和安義冰雹的強回波面積分別為34、24、18 km2,最小為18 km2。說明江西3月冰雹起點比較低,在有利天氣形勢和環境條件下,非常容易形成冰雹。根據回波強度、強回波面積對冰雹生成進行判斷比較快捷實用,在短時臨近預報中還需考慮利用強回波梯度和云砧回波的伸展比值等做綜合分析。

4.3 雷達組合反射率回波強度分析

2022年3月14日,由江西及周邊地區16次冰雹雷達回波組合反射率10 min間隔的最大反射率值(圖6)可見,冰雹發生在60 dBz及以上回波中,有些回波可以達到65 dBz或70 dBz,最大為73 dBz;冰雹回波的生命史多數在2 h左右,少數為3 h,其中一次達4 h,沒有出現5 h生命史;以產生冰雹基準時間為中心,之前出現≥60 dBz回波較少,之后則較多,說明冰雹出現后能維持數小時;冰雹的回波強度都有緩慢上升和下降的過程,尤其是2 h生命史的冰雹回波,上升和下降曲線比較密集。

圖6 2022年3月14日江西冰雹個例10 min回波強度演變Fig.6 The evolution of 10-min echo intensity of hail in Jiangxi Province on 14 March 2022

由此可見,此次江西冰雹以超級單體回波為主,超級單體回波有時孤立存在,有時又存在于回波群、回波帶之中。超級單體回波強度≥60 dBz,有時≥70 dBz;強回波(≥60 dBz)面積較大,均在≥18 km2及以上,最大可以達180 km2及以上;都具有強回波梯度,30～60 dBz距離≤6 km;回波發展高度都超過12 km,具有明顯的云砧回波結構,當周圍有其他回波產生時,云砧回波往往被遮擋。冰雹發生在≥60 dBz回波中,生命史多數在2 h以上,冰雹產生之前的回波強度較少出現≥60 dBz,之后出現≥60 dBz回波較多,冰雹回波的強度值都有緩慢上升和下降的過程。

5 雷達PUP產品特征

5.1 部分PUP參數

雷達PUP參數是識別冰雹回波的重要指標與特征,列舉2022年3月14日6次個例(主要為江西范圍的冰雹)PUP產品,統計參數的最大值、最小值和平均值(表1),這些指標對識別和判斷江西冰雹回波有重要意義。

表1 2022年3月14日部分冰雹雷達PUP參數統計Table 1 Statistical table of radar PUP parameters of some hails on 14 March 2022

表1中組合反射率平均值均大于等于60 dBz,ET都在9 km以上,VIL平均值為60 kg·m-2,基本徑向速度處于-19～19 m·s-1,這些參數有利于識別冰雹回波。

5.2 垂直積分液態水含量(VIL)

在冰雹回波識別中,VIL的大小反映了回波中是否存在冰雹顆粒,江西冰雹回波基本為35 kg·m-2≤VIL<60 kg·m-2,且具有較大面積。VIL大小(強度和面積)代表著不同冰雹的大小。一般來說,VIL≥60 kg·m-2,伴隨較大冰雹(直徑≥5 cm);35 kg·m-2≤VIL<45 kg·m-2,冰雹較小(直徑≤2 cm);而45 kg·m-2≤VIL<60 kg·m-2,冰雹直徑適中(圖7)。江西很少存在冰雹VIL<35 kg·m-2的個例。

注:圓圈:超級單體。圖7 2022年3月14日江西及周邊地區冰雹個例垂直積分液態水含量回波特征Fig.7 Echo characteristic of vertically integrated liquid water content for hail in Jiangxi and surrounding areas on 14 March 2022

5.3 反射率因子垂直剖面(RCS)

通過RCS可觀測冰雹回波的垂直結構(圖8)。16次冰雹的垂直回波除第一次回波(修水溪口鎮)為55 dBz外,其余15次回波中心反射率因子都達到60 dBz 以上,有多次回波強度達到65 dBz。55 dBz回波頂高大多數在6 km以上,最高達8.8 km(浙江上甘鄉),最低為4 km(安徽七都鎮),平均為6.1 km。有多處冰雹回波伴有“虛假旁瓣尖頂回波”,這時冰雹的強散射使雷達電磁波的旁瓣探測到回波。多數冰雹回波沒有出現懸掛、穹窿等結構,表現為直上直下的強回波墻,個別回波可以分析出懸掛、回波墻等特征。這次冰雹過程垂直結構特征并不明顯,主要與發展并不十分旺盛(只產生一些小冰雹)和早春熱對流偏弱等因素有關。從圖8可見,只有少部分超級單體具有中氣旋結構,大部分超級單體中氣旋結構并不明顯。

圖8 2022年3月14日江西及周邊地區冰雹個例反射率因子垂直剖面回波特征Fig.8 Echo characteristic of reflectivity factor vertical profile for hail in Jiangxi and surrounding areas on 14 March 2022

綜上所述,在冰雹回波識別中,VIL是一個很重要的特征。江西冰雹單部雷達VIL在35～65 kg·m-2(多為60 kg·m-2);雷達拼圖上VIL基本≥35 kg·m-2,并且VIL需要具有一定面積。雷達拼圖的VIL為多站平均值,比單部雷達VIL偏弱;回波強度均在≥55 dBz及以上,甚至達到65 dBz;55 dBz 回波頂高大多數在6 km以上,平均為6.1 km;冰雹回波伴有“虛假旁瓣尖頂回波”,多數冰雹回波沒有出現懸掛、穹窿等回波結構,反射率因子表現為直上直下強回波墻。

6 冰雹回波雙多普勒雷達風場分析

2022年3月14日,江西及周邊地區16次冰雹收集到10次雙多普勒雷達反演風場圖片(圖9)。這10次雙多普勒雷達風場(每500 m一層)圖中,2.5 km 等高平面顯示CAPPI高度比較有代表性。13:10(圖9a),湖北五廟鄉冰雹回波強度達65 dBz,回波中心具有中渦旋結構;13:41(圖9b),江西安義站(老觀測站)冰雹回波強度達65 dBz,回波中心側面具有輻合風場,中渦旋結構不明顯;14:03(圖9c),安徽七都鎮冰雹回波強度達60 dBz,回波存在于南北風場輻合氣流之中;14:49(圖9d),安徽藍田鎮冰雹回波強度達65 dBz,回波中心具有弱中渦旋結構;14:53(圖9e),江西浮梁西湖鄉冰雹回波強度達60 dBz,回波中心具有弱中渦旋結構;15:02(圖9f),浙江上甘鄉冰雹回波強度達65 dBz,回波中心側面具有弱中渦旋結構;15:18(圖9g),江西浮梁峙灘鄉冰雹回波強度達60 dBz,回波區具有輻合風場結構;15:21(圖9h),安徽獨山鎮冰雹回波強度達65 dBz,回波區有中渦旋風場結構;15:28(圖9i),安徽瑤山鄉冰雹回波強度達60 dBz,回波區風場較凌亂;16:00(圖9j),湖南梅仙鎮冰雹回波強度達60 dBz,回波中心移動前方有較弱的輻合。

注:圓圈:超級單體。圖9 2022年3月14日江西及周邊地區10次冰雹個例雙多普勒雷達反演風場(風矢)和反射率因子(填色)特征Fig.9 Characteristic of double multiple wind field (wind vector) and reflectivity factor (colored) for 10 hailstorms in Jiangxi and the surrounding areas on 14 March 2022

由圖9可見,冰雹回波雙多普勒雷達反演風場和2.5 km CAPPI圖上,冰雹回波強度都≥60 dBz,最大可達65 dBz;多數回波中心具有中渦旋結構、側面輻合風場、南北風場輻合等特征;個別風場比較凌亂。

7 結論與討論

2022年3月14日,江西及周邊地區出現入春以來首場冰雹天氣過程。江西多地出現冰雹,有20個區域站出現≥17.2 m·s-1的大風天氣,24個區域站出現≥50.0 mm的降水。鋒前暖區的雷暴大風和鋒后冷空氣大風混合(同時出現)比較明顯。200 hPa為一致的偏西氣流,高空出流明顯;500 hPa南支槽前江西中北部形成較強的風速切變;850 hPa有低渦、切變線,無急流;地面的輻合線、西南倒槽、地面增溫明顯,有冷空氣活動。在南昌探空圖上:CAPE較大,經過訂正后達到1320 J·kg-1;630 hPa存在較強逆溫層;650～470 hPa為較干區,650 hPa以下為濕區;0～6 km垂直風切變較弱。

江西冰雹以超級單體回波為主,超級單體回波有時孤立存在,有時存在于回波群、回波帶之中。超級單體回波強度≥60 dBz,有時≥70 dBz;≥60 dBz的回波面積較大,均在18 km2及以上,最大可在180 km2及以上。

江西冰雹單部雷達VIL在35～65 kg·m-2(多為60 kg·m-2);雷達拼圖上VIL基本在35 kg·m-2及以上。RCS上,回波強度均在55 dBz及以上,甚至達到65 dBz;55 dBz回波頂高大多數在6 km 以上,平均為6.1 km;冰雹回波伴有“虛假旁瓣尖頂回波”,多數冰雹回波沒有出現懸掛、穹窿等回波結構,反射率因子表現為直上直下強回波墻。

冰雹回波雙多普勒雷達反演風場和2.5 km CAPPI圖上,回波強度均在60 dBz及以上,最大可達65 dBz;多數回波中心具有中渦旋結構、側面輻合風場、南北風場輻合等特征;個別風場比較凌亂。

2022年3月14日江西及周邊地區冰雹范圍比較廣,涉及多個省份,重要特征均由超級單體(弱超級單體)產生。在江南3月春季,微型超級單體常常產生直徑≤2 cm的冰雹,與經典超級單體相比較,回波識別難度更大,有待于更多個例的檢驗和探索。