安義一次微型超級單體冰雹回波特征分析

于澤華,馬中元,熊 楚

(1.安義縣氣象局,330500,南昌;2.江西省氣象科學研究所,330096,南昌)

0 引言

江西春季,往往會出現強雷電、強降水、雷暴大風、冰雹等劇烈的強對流天氣,尤其是3—4月,大冰雹往往造成災害損失或人員傷亡。

俞小鼎等[1]介紹了對流風暴的分類和冰雹等強對流天氣的預警技術。江西冰雹主要發生在超級單體回波中,具有典型的回波特征[2-3]。直徑d≤2 cm的冰雹發生在組合反射率(Composite Reflectivity, CR)回波強度超過60 dBZ并且強回波面積超過100 km2的回波中,當CR強度超過65 dBZ并且強回波面積超過300 km2時,容易出現d≥5 cm的大冰雹[4]。超級單體風暴的雷達回波PPI上有“V”形缺口,垂直結構RHI有弱回波區或有界弱回波區。有界弱回波區或弱回波區面積越大、弱回波區上部回波越強、弱回波區高度越高,則冰雹越強,多單體風暴和單體風暴雷達回波的主要產品值明顯小于超級單體[5]。超級單體回波強度為65～70 dBZ,垂直累積液態水含量VIL≥60 kg/m2,徑向速度圖上具有明顯的速度對、中氣旋,并伴有反射率因子的懸掛、穹窿和回波墻等特征[6-10]。這些文獻研究結果,為冰雹特征分析和預報服務提供了理論支撐與參考依據。

1 資料來源

天氣資料來源于micaps高空、地面、探空等常規資料,雷達資料來源于江西雷達拼圖,地面資料來源于江西區域自動站觀測數據,雷電資料來源于江西雷達監測平臺,雷達PUP產品來源于南昌SA雷達資料。全文使用北京時間(BT)。

2 天氣實況與天氣系統

2.1 天氣實況

2022年3月14日(圖1),受弱冷空氣與強盛西南暖濕氣流共同影響,江西中北部出現大范圍冰雹、雷電、強降水、雷暴大風等強對流天氣,其中安義出現小冰雹(冰雹直徑1 cm左右)。14時(圖1(a)、(b))、15時(圖1(c)、(d)),江西極大風速和空氣溫度與雷達回波CR疊加,可以看到,14—15時安義冰雹發生時,雷達回波強度達55 dBZ以上,并伴有明顯的7級以上雷暴大風,且冰雹出現在顯著的溫度鋒區之中,安義至南昌的溫度差達8～10 ℃。

圖1 2022年3月14日江西極大風速、空氣溫度與雷達拼圖CR回波疊加圖

2022年3月14日10:00—22:00,江西省逐10 min正負閃電次數曲線圖(圖2),3條曲線分別為正閃次數、負閃次數與總閃次數,可以看到本次過程伴有顯著的強雷電,雷電以負閃為主,并伴有少量的正閃,但正閃與負閃呈正相關,負閃多時正閃也最多。密集閃電主要有6個高峰期,分別出現在12時、14時、15時、16時、18時、19時,以16時最強,達300 次/10min以上,其次是15時,閃電密度達250 次/10min以上。安義冰雹發生在14時第2個雷電高峰期附近,閃電密度達150 次/10 min左右。當天全省30 mm/h或以上強降水主要出現在14—20時,以16至17時強降水的站點最多,強度最強,其中景德鎮蓮花塘小時雨強達61.4 mm/h、景德鎮國家站60.6 mm/h,即密集閃電與強降水有較好的對應關系,閃電越密集,強降水的強度也越強。但從總體上看,強雷電密度達到頂峰時,強降水才開始出現,即強降水出現時間落后于強雷電時間。

圖2 2022年3月14日江西省正負閃電次數曲線圖

2.2 天氣系統

圖3為2022年3月14日08時天氣形勢和南昌T-lnP圖,可以看到850 hPa河套以南的陜西、甘肅有一小高壓,高壓東北方向河套以東至渤海灣為顯著西北氣流帶動冷空氣向南侵入(圖3(a))。地面圖上(圖3(b)),重慶至貴州以西有低渦,沿低渦向東有倒槽伸展,贛北處倒槽之中。此時地面冷鋒與低層切變線還在江西北面。T-lnP圖上(圖3(c)),600至500 hPa有顯著干層,與底層濕區形成“上干下濕”典型的喇叭口結構,且700至600 hPa有逆溫層,空氣層結極不穩定,并伴有顯著不穩定能量,最大抬升指數(BLI)-5.3 ℃、沙氏指數-2.18 ℃,對流有效位能(CAPE)1 319.6 J/kg,逆溫層在一定程度上抑制對流發展,造成低層對流能量不斷積累。隨著冷空氣南下,北方冷空氣進入贛北,冷暖氣團劇烈交匯,對流強烈發展沖出逆溫層,大量對流有效位能釋放,造成贛北劇烈的強對流天氣。

圖3 2022年3月14日08時 天氣形勢和T-lnP圖

3 安義冰雹回波特征

圖4為2022年3月14日13:40雷達拼圖產品圖,可以看到,從通城至安義有排列成一行的準東西向多個對流強單體,其中,安義達微型超級單體,中心強度達60～65 dBZ,并在單體東南一側有較明顯的強回波梯度,強對流回波單體有顯著的向東伸展的云砧(圖4(a)),基本達到江西冰雹概念模型的各個指標。垂直積分液態水含量VIL雷達拼圖(圖4(b))顯示,與強回波單體對應強度達(綠色)12 kg/m2以上,其中安義達40 kg/m2以上。

(a)組合反射率CR雷達拼圖;(b)垂直積分液態水含量VIL雷達拼圖

2022年3月14日13:42,沿安義強回波(圖5(b))自西南向東北做垂直剖面,形成雷達拼圖垂直剖面圖(圖5(a))。可以看到在安義附近,55 dBZ以上強回波的伸展高度達8 km,達到了-20 ℃層以上,非常有利于雹坯的形成與壯大。

(a)反射率因子垂直剖面RCS;(b)組合反射率CR

圖6為2022年3月14日13:41南昌雷達PUP產品圖,可以看到安義冰雹發生時,組合反射率CR達60 dBZ以上(圖6(a)),回波頂ET達9～10 km(圖6(b)),垂直積分液態水含量VIL為45～50 kg/m2(圖6(c))。V0.5° 徑向速度圖上(圖6(d)),安義附近沿雷達徑向二邊有正負速度大值區,左負右正,表明氣流呈氣旋式旋轉。反射率因子垂直剖面(RCS)上(圖6(e)),55 dBZ以上強回波呈傾斜結構,60 dBZ強回波頂高5 km。徑向速度垂直剖面(VCS)上(圖6(f))底層有正負速度對。

(a)組合反射率CR;(b)回波頂ET;(c)垂直積分液態水含量VIL;(d)徑向速度V0.5;(e)反射率因子垂直剖面RCS;(f)徑向速度垂直剖面VCS

由此可見,安義冰雹回波強度達60～65 dBZ,伴有顯著的前伸回波與前側回波梯度,垂直剖面上顯示,55 dBZ以上強回波的伸展高度達8 km、60 dBZ強回波頂高5 km,垂直積分液態水含量VIL達45～50 kg/m2,達到冰雹發生閾值。反射率因子與徑向速度垂直剖面上顯示,55 dBZ以上強回波呈傾斜結構,并伴有正負速度對,各項特征有利于冰雹產生。

4 結論與討論

1)本次過程強對流特征明顯,強雷電、強降水、雷暴大風均有發生,安義還出現小冰雹。閃電密集程度與強降水密切相關,即閃電越密集,強降水越強,強雷電密度達到頂峰時,最強強降水開始出現。

2)空氣極不穩定且伴有強大的不穩定能量與“上冷下暖”“上干下濕”等顯著特征,在地面冷鋒、低槽、切變線等輻合系統抬升作用下,對流觸發,導致大風、冰雹等強對流天氣的發生、發展。

3)安義冰雹回波強度達60～65 dBZ,伴有顯著的前伸回波與前側回波梯度,強回波呈傾斜結構,55 dBZ強回波頂高達8 km、60 dBZ強回波頂高5 km,垂直積分液態水含量VIL達45～50 kg/m2,并伴有正負速度對,各項特征達到冰雹發生閾值,有利于冰雹產生。