贵州中部一次多单体冰雹天气的雷达回波特征

李丽丽，邹书平,杨 哲,黄 钰,曾 勇

(1.贵州省山地环境气候研究所,贵州 贵阳 550002；2.贵州省冰雹防控技术工程中心,贵州 贵阳 550081；3.贵州省大气探测技术与保障中心,贵州 贵阳 550081；4.贵州省气象灾害防御技术中心,贵州 贵阳 550081)

1 引言

贵州省是全国冰雹灾害最严重的省份之一，每年3—5月为冰雹灾害的高发期[1]，贵州中部处于贵州省主要几条冰雹路径的区域上(从历史降雹资料统计得到)。贵州西部地区存在多个冰雹源地，在有利的天气背景下，生成对流单体，东移过程中加强演变成冰雹云造成下游中部地区的灾害性天气[2]。雷达资料是探测冰雹云的有效手段，目前已有很多运用雷达资料预报预警冰雹的研究成果[3-12]。2017年4月5日傍晚19—22时，贵阳市自北向南出现雷雨大风冰雹天气，是一次多单体过境共同作用造成的灾害天气 ，此次冰雹过程主要降落在清镇市和贵阳城区，虽然平均粒径不算大，但是降落密度大，部分地区积雹严重，造成多地房屋、车辆和户外设施损坏，交通运输和农业等重大经济损失。降雹情况具体为：清镇(县城、响水村、韩坝村、蒋家院村、卫城、新店大麻窝村)，修文县城，白云(牛场乡落刀村)，乌当(百花、水田)，贵阳城区在雷雨中夹降冰雹，最大直径15 mm左右，最大密度在100粒/m2左右，清镇20时出现大风，瞬时最大风速为26 m/s。

2 天气背景分析

从当日(08时)天气形势看，高空槽位于川东地区，24 h内贵州省均受其槽前西南气流控制，700 hPa切变线也位于川东，贵州省处于西南急流的影响区域，低层850 hPa在省的西北部存在明显切变，地面受热低压的影响，且在西部地区有发展现象。综上，主要的影响系统是南支槽和低空切变线。

从当日20时探空资料看，环境场特征有以下几点：①800～530 hPa的中低层有明显的条件不稳定，对流有效位能CAPE值为502.9J/kg，低层有少量的对流抑制能量，0 ℃～20 ℃层位于4.2～7.5 km左右高度；②对流层底部有较浅薄的干层,800～530 hPa之间是显著的湿层，530 hPa以上均为干层，层结曲线自下而上开口形成典型的喇叭状；③500 hPa为20 m/s以上的大风，且随高度升高风速变大，低层为西南风随高度顺时针旋转为西北风，有暖平流，0～6 km垂直风切变达到16 m/s，低层垂直风切变较强；④500～270 hPa左右的层结曲线与干绝热线几乎平行，600 hPa起始下沉对流有效位能较强，为502.9 J/k。⑤在700 hPa湿度较大的情况下， K指数为39，SI指数为-1.61，表明对流层中层和中低层存在热力不稳定层结，经过画图计算得到此时的融化层高度为4.0 km，虽然CAPE的值不算很大，但在中低层均存在不稳定层结，垂直风切变较大和融化层较低几个特征明显的情况下，具备发生冰雹和雷暴大风的热力和动力环境条件。

图1 2017年4月5日20时贵阳站温度对数压力图Fig. 1 The T-logp diagram for Guiyang at 20∶00 BT 5 April 2017

3 多普勒天气雷达回波分析

3.1 雷暴单体的移动特征

此次过程是典型的多单体对流云造成的较大范围的冰雹天气过程。4月5日自贵州西部纳雍县和织金县两地相继生成的雷达回波单体，向东移动过程中不断发展加强，在省中部的贵阳城区及周边区县引起冰雹灾害，此次雷达回波呈波列状生成移动，移动方向均为较为平直的自西向东，波列中大致可分为3个主要单体，根据雷暴单体靠近移向降雹区的时间先后分别编号为A、B、C3个单体，如图2。

根据雷暴单体移动路径和冰雹落区的空间叠加图和时间对应关系，与贵州省冰雹路径图[13]对比发现，3个单体基本位于贵州省冰雹路径的中部路径上，即发源于水城和纳雍区域，并向东经过织金，并在此地可能分为偏北和偏南两条线，分别向清镇市和贵阳地区及平坝、花溪方向东移，因此，可大致将引起冰雹过程的雷暴单体路径分为偏北路径和偏南路径两条路线(如图3)，偏北路径主要由以上定义的A单体和B单体共同作用，对于清镇北部的降雹区而言，前者比后者的过境时间约早1 h左右，B单体平均移动速度约为30 km/h,造成清镇北部的王庄乡、卫城镇、暗流镇的降雹灾害(18时58分—19时14分)，A单体于19时07分—19时11分期间在修文县降雹，然后继续东移，平均移动速度约为35 km/h ,19时30分—20时01分之间造成贵阳北部白云区牛场、落刀和乌当区水田镇附近的冰雹灾害；清镇南部主要受偏南路径的C单体影响，于19时45分左右从西南方向过境向贵阳方向移动并在沿途造成冰雹强风灾害，平均移动速度约为38 km/h，在20时30分—21时00分移至贵阳城区上空造成特大冰雹灾害。

图3 雷暴单体中心4月5日移动路径分布图(黑色矩形块表示降雹地区)Fig.3 The motion paths of the three thunderstorm cells on 5 April 2017(the black rectangles marked the disaster regions)

3.2 雷暴单体雷达回波的回波中心强度及顶高分析

目前研究把冰雹云生命演变分为发生、跃增、孕育、降雹和消亡这5个阶段，结合3个单体生命史各个阶段的雷达回波特征参数的异同可做对比分析。A单体发源于织金东北部(5日16时37分，105.88°E、26.80°N)，生命史约4.5 h，16时37分—17时44分为发生期，回波强度跃增至50.5 dBz,回波顶高(18 dBz)达到8 km以上，17时44分—18时11分为跃增期，回波顶高继续增长，回波强度最大增至70 dBz，18时11分—19时24分最大回波强度达到70.5 dBz，回波顶高达10.8 km，19时24分—20时11分为降雹期，相继引起白云和乌当两地冰雹天气，单体回波强度≥45 dBz持续时间为4 h20 min。

B单体和C单体分布发源于织金北部(5日17时08分，105.74°E、26.76°N)和纳雍中部(5日16时47分，105.26°E、26.74°N)，2个单体移动的轨迹几乎均平行于纳雍—贵阳的连线，最大回波强度都达到70 dBz以上,如图4，其中虚线为进入贵阳雷达静锥区范围内的中心强度值仅供参考。

B单体于17时08分—17时50分发生期发展迅速，40 min左右回波中心强度由27.5 dBz增至60 dBz，回波顶高(18 dBz)很快达到10 km左右，之后约1 h内为孕育期，回波强度增至68 dBz，回波顶高一直维持在8 km以上，降雹时段(18时58分—19时14分)过后回波强度逐渐减小，B单体主要造成清镇北部和东部地区冰雹天气。C单体17时13分—18时00分为发生期，回波强度达到50 dBz，回波顶高(18 dBz)为8.2 km，之后半小时为跃增期，回波顶高伸展至12.5 km，19时55分—21时34分期间分别在清镇西南部、东部和贵阳城区多地降雹，期间回波顶高一直维持在9.5～11.4 km之间，之后东移过程中逐渐减弱消亡。

图4 3个典型雷暴单体的回波中心强度和回波顶高(18 dBz)随时间的变化情况Fig.4 Time series of the echo intensity and echo top height(18 dBz) of three thunderstorm cells

从3个雷暴雹云单体的雷达回波强度和回波顶高(18 dBz)的变化情况，结合贵州山区冰雹云跃增特性的划分方法[14]，A单体和B单体发生阶段均为跃增型，之后很快转为波动型增长，孕育期的回波顶高即达到9 km左右的高度，中心回波强度也在0.5 h内达到了45 dBz以上，在后期的波动过程引起局地降雹，降雹时间短。C单体属于递增型增长，前期回波强度和顶高稳步增长至65 dBz和12.5 km，之后逐渐回落，由于这一阶段单体移动速度较快，达到40 km/h左右，因此在减弱的过程中造成沿途清镇市和贵阳市较大范围的冰雹灾害。

3.3 雷达回波的形态特征

3.3.1 偏北路线特征 分别选取引起清镇和贵阳北部的冰雹灾害的雷暴单体做移动方向上的垂直剖面，如图5，几个剖面图都显示出了回波悬垂的特征，有界弱回波区(BWER)轮廓清晰，回波最强中心均达到70 dBz左右，图5a、5b为贵阳市白云区降雹时间主要集中在19时30分—19时35分，过程中出现冰雹最大直径为10 mm，密度约为130粒/m2,图5a为雷暴单体发展最旺盛阶段，50 dBz回波顶高达到10 km左右，远高于-20 ℃层高度(7.5 km左右)，对应时间点上的最大垂直液态含水量(VIL)为80 kg/m2,表明粒子的碰并增长作用加强。19时45分的径向速度图表现为明显的高低空切变，低层为北风，中高层为西风和西南风，图5b中强回波中心出现断裂，此时回波强度依然很强，但高度下移，有界弱回波区明显，VIL降低至65.8 kg/m2。

图5 贵阳雷达站2017年4月5日的雷暴单体回波垂直剖面(a：19时29分，b：19时40分，c：19时45分，d：20时01分，单位:unit)，仰角3.4°层19时45分的径向速度场(e,单位：unit)和反射率因子(f，单位：dBz)的平面位置显示图Fig.5 The vertical profile of base reflectivity along the direction of movements at different times of BT April 5,2017(a 19∶29 ,b 19∶40，c 19∶45 and 20∶01,Guiyang Radar, unit:dBz),the radial velocity(e, unit:m·s-1)and base reflectivity(f,unit：dBz) at 3.4°elevation angle at 19∶45 BT

根据实地调查了解到4月5日19时50分—19时58分，贵阳市乌当区水田镇发生降雹，冰雹一般直径10 mm，最大直径15 mm，降雹密度100粒/左右，如图5c、5d，为过程前后的垂直剖面的变化特征。回波悬垂特征显著且水平方向延展的距离宽广，45 dBz回波顶高约为9.7 km，对应时间的最大VIL为57 kg/m2，图5c中有界弱回波区明显，根据仰角3.4°的反射率因子PPI显示，回波形态为明显的“钩状”回波，在沿着雷达径向降雹范围后部存在“V”型缺口，表明回波中心强度异常大，易发生大冰雹过程，图5d中回波开始下沉减弱，此时正是降雹时间，6 min后回波强度大幅减弱，45 dBz高度降至6.8 km左右，面积收缩。

图6 贵阳雷达站2017年4月5日雷暴单体回波基本反射率因子的垂直剖面(a:19时45分，b:19时55分，c:20时21分，d:20时32分，单位： dBz)和仰角3.4°20时27分的径向速度场(e,单位：m·s-1)及反射率因子(f，单位：dBz)的平面位置显示图Fig.6 The vertical profile of base reflectivity along the direction of movements at the different times of BT April 5,2017(a 19∶45 ,b 19∶55，c 20∶21 and 20∶32,unit:dBz, Guiyang Radar),the radial velocity(e, unit:m·s-1)and base reflectivity(f,unit：dBz) at 3.4°elevation angle at 20∶27

3.3.2 偏南路线特征 偏南路径于4月5日19时45分左右从西南方向经过清镇并向贵阳移动并在沿途造成冰雹大风灾害。统计各个时刻的特征值，如表1，19时45分—19时55分为造成清镇西南部降雹的雷暴单体发展阶段至降雹阶段，回波顶高明显降低，水平伸展面积扩大，表明单体降雹后还在继续发展，20时27分的径向速度图表现为中高层切变，中层为西南风，高层为西北风，单体回波具有“钩状”回波的特征。强单体20时21分左右移至清镇东部，回波顶高达10.7 km，水平伸展面积达到200 km2，其中强度达到45 dBz的面积占42.6%，垂直液态含水量(VIL)也处于较高值。

表1 雷暴单体4个时次的特征参数对比表Tab.1 The characteristic parameter of thunderstorm cells in the four key times

4 双偏振雷达资料和多普勒天气雷达资料的对比

在此冰雹过程中，贵阳城区降雹区的位置处于贵阳多普勒天气雷达的静锥区，处于都匀多普勒天气雷达的90 km距离圈上，因此观测到的雷达回波受到衰减和仰角的限制，回波强度偏弱，形状大小也会发生误差；而贵阳市城区处于清镇双偏振雷达观测的最佳距离内，是多普勒天气雷达资料很好的补充。选取清镇双偏振雷达观测到3个时间点的资料与对应时刻的都匀多普勒天气雷达资料作对比，如图7-图9。

图7 清镇双偏振雷达2017年4月5日粒子相态识别产品 (a：21时06分,b：21时12分,c：21时22分)Fig.7 The hydrometeor classification products of X-band polarimetric doppler radar at Qingzheng Station at different times of BT 5 April 2017(a 21∶06,b 21∶12,c 21∶22)

图8 同图7，但为最大回波强度产品(单位：dBz)Fig.8 Same as Fig.7,but for the maximum echo intensity products(unit:dBz)

雹云识别的产品主要是对云内粒子相态的识别结果，4月5日21时06分在贵阳西部有一块较大的雹云，中心达到中雹的强度，清镇城区东部也有较小的一点区域强度达到中雹级别。从图8a最大回波强度分布来看与雹云的位置和中心较为吻合。21时12分—21时22分回波中心移至贵阳城区中心，达到中雹级别的范围扩大，期间多普勒天气雷达的组合反射率因子中心位置相较双偏振雷达偏东，强度偏弱，大小偏小。综上，清镇双偏振雷达在21时06分之后的观测效果较好，但同时存在运行不稳定和资料不连续的问题，今后需加强雷达的维护和资料质量控制方面的工作，以更好的发挥其对冰雹灾害的预测预警方面的优势。

图9 同图7，但为都匀雷达站组合反射率因子产品(单位：dBz)Fig.9 Same as Fig.7,but for the composite reflectivity of Duyun Radar(unit:dBz)

5 结论

①此次过程是南支槽和低空切变共同影响的有利天气背景条件下，省西部的纳雍和织金两地陆续生成的雷暴单体沿着两条主要的路线近乎平行的东移，造成下游沿途清镇市和贵阳市多地的冰雹灾害。

②此次冰雹的偏北路径和偏南路径与贵州省主要冰雹路径图中省中部的两条路径走向一致性较高，因此具有典型性。

③几个雷暴单体的雹云特征明显，在发展和降雹阶段的剖面图上均有回波悬垂特征，在强雷暴单体的PPI图上还有“V”型缺口和钩状回波特征，表明此次过程演变中的雷暴单体发展很强，这是造成此次雷暴、冰雹和大风天气过程的主要原因。

④清镇双偏振雷达在21时06分之后经过贵阳城区时的观测效果较好，相态识别产品也在降雹区域附近识别出了雹云结构，能够补充贵阳多普勒天气雷达的不足，但同时还存在诸多问题，今后需加强雷达的维护和资料质量控制方面的工作，以更好的发挥其在冰雹灾害的预测预警方面的优势。

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