一次春季雹灾的多普勒雷达产品特征分析*

李冬梅，柳　琼，刘婉莉，周　涛，李斯荣

(1．运城市气象局，山西 运城 044000；2. 山西省气象台，山西 太原030006)

超级单体、多单体风暴常产生冰雹、雷雨大风、短时强降水等强对流天气，为气象学家研究和重视，俞小鼎等[1]比较系统地研究了中国的超级单体、多单体风暴特征，超级单体具有深厚的中气旋，超级单体、多单体风暴有超强的反射率因子及低层弱回波特征是产生冰雹的必要条件；郑媛媛等[2]对发生在皖北地区典型的超级单体风暴进行研究；苗爱梅等[3]对夏季发生在山西榆次超级单体风暴的演变和结构特征进行分析；刁秀光等[4]对VIL和VIL密度在冰雹云判据中的应用进行研究，上述研究和结论[5-8]对开展强对流天气成因研究、指导强对流天气预报预警具有重要意义，但目前关于山西春季的强对流风暴特征研究很少。2016年4月27日下午运城市出现冰雹直径较大、雹粒密集、范围较广的强对流天气，当地农作物受灾严重。本文利用高空常规观测资料、地面加密观测资料及三门峡多普勒雷达资料对此次冰雹形成原因进行分析，以期提高对山西春季强对流天气的预报预警水平。

1　冰雹实况与灾情

2016年4月27日12 - 17时，山西运城7个县(市)出现冰雹灾害，冰雹路径具有明显的“雹打一条线”特征，其中一条雹带(图1中A移动路径)发生在临猗、永济、芮城之间，由超级对流单体风暴造成，最大冰雹直径永济1.8 cm；另一条雹带(图1中B移动路径)发生在新绛、闻喜、绛县、垣曲之间，由多单体对流风暴造成，最大冰雹直径新绛2.0 cm，同时绛县16时出现19 mm的短时强降水，闻喜15：49出现17.4 m/s瞬时大风。此次单站冰雹持续最长时间20 min，且雹粒密集。受冰雹影响，小麦麦穗打折、颗粒掉落，玉米叶子打成条絮状，苹果、桃、山楂被打伤、打落，农作物受灾严重。

图1　2016年4月27日超级对流单体风暴A，多单体对流风暴B移动路径

2　环流背景场分析

2.1　环流形势

27日08时，500 hPa高纬度为一宽广低槽区，中纬度青藏高原东部高压脊发展，渤海湾为一低槽，山西运城受一支风速≥16 m/s的西北气流影响，高纬度冷空气沿西北气流下滑在河套形成明显的冷温槽，-20℃线南压至延安，延安站24 h变温为-6℃，且△T500-850为-32℃，形成强烈的对流不稳定；200 hPa处于高空急流出口区左侧，高空强辐散加强低层垂直上升运动；同时强对流发生前12 h山西南部有降水，运城各站比湿≥10 g/kg，低层增湿，高层干冷，加大层结不稳定，高空冷平流强迫产生强对流天气。

2.2　整层大气结构特征分析

分析上游延安、西安站的V-3θ图、T-lnP图，对整层大气的不稳定、水汽、动力条件进行分析。

T-lnP探空图上，27日08时延安站(图2c)低层850 hPa以下，西安站(图2d)900 hPa以下有逆温层，而且600 hPa以下T与Td 平行，湿层较厚，500 hPa以上T与Td呈“上喇叭口”形状，大气层结维持低层逆温，下湿上干结构，有利于冰雹等强对流天气发展。但08时对流有效位能CAPE值较小，延安站180 J/kg，西安站37 J/kg，随着午后气温上升，用地面14：00温度订正后，对流有效位能CAPE延安站达到2 000 J/kg，西安站达到914 J/kg，不稳定能量有利于强对流发展。

图2　2016年4月27日08：00延安(53845)、 西安(57131)探空资料

3　地面中尺度分析

影响运城的强对流回波，沿地面2条中尺度辐合线A、B生成、发展，并分别加强为超级对流单体和多单体对流风暴。

11时(图3a)运城西南部永济、芮城—临猗、运城间存在SW与SE风的辐合线A，在500 hPa西北气流作用下，对流单体沿引导气流南下，在中尺度辐合线附近加强为超级单体，造成临猗、永济、芮城出现冰雹。地面中尺度辐合线较强对流天气发生提前1 h。

14时(图3b)由于上游对流系统前沿的下击气流作用，在运城东北部生成NW与SE风的辐合线B，同时冷池与环境场暖池之间温差达6℃，产生中尺度锋生，15时(图3c)NW、NE、SW，3股气流在运城东北部形成辐合中心，中尺度辐合线B演变为人字形的辐合线，新生对流单体在辐合线附近生成、加强为多单体风暴，造成新绛、绛县、垣曲、闻喜出现冰雹、大风、短时强降水。

4　多普勒雷达资料分析

4.1　超级对流单体风暴

27日11时在黄河以西有对流单体发展，12：22对流单体沿500 hPa引导气流移至黄河上空，由于河面湿度大，低层增湿使对流单体不断加强并沿引导气流偏右30°向南移动，12：58加强为钩状回波特征的超级单体，进入永济境内，沿(图3a)中尺度辐合线A发展，向东南方向移动。该超级单体12：22生成，12：58发展，13：23成熟加强，15：30减弱，维持时间2 h 40 min。

图3　2017年4月27日地面中尺度辐合线

图4　2016年4月27日三门峡雷达站观测到的超级对流单体风暴注：2.4°仰角基本反射率R(单位：dBz)，沿超级单体低层入流方向垂直剖面RCS(单位：dBz),2.4°仰角径向速度V(单位：m/s)(红圈为中气旋)

图5　2016年4月27日三门峡雷达站观测到的多单体对流风暴注：2.4°仰角基本反射率R(单位：dBz)，沿多单体风暴移动方向垂直剖面RCS(单位：dBz)，不同仰角径向速度V(单位：m/s)(红圈为中气旋，蓝圈为中气旋风暴顶辐散，蓝色箭头为后侧入流)

初生阶段：12:22(图4a)对流单体移近黄河河面，低层湿度加大，回波加强为结构密实的强对流单体，0.5°仰角最强回波35 dBZ，2.4°仰角最强回波53 dBZ，低层为弱回波区，在5.5 km 高度上有中气旋发展(图4e)，最大旋转速度14 m/s ，中气旋处有冰雹降落，12：30-12:42临猗沿黄河的东张、角杯2个乡镇观测到冰雹，最大冰雹直径0.5 cm。

发展阶段：12：58(图4b) 强对流单体加强为具有钩状回波的超级单体，其中0.5°～2.4°仰角上钩状回波特征明显， 3.4°仰角回波表现为结构密实的块状回波。径向速度图上1.5°～2.4°仰角(图4f)有15 m/s的中气旋，0.5°仰角有5 m/s 的前侧入流，回波强度38 dBZ，后侧有17 m/s入流。

成熟阶段：13：23钩状回波(图4c)特征维持,回波单体强度加强为63 dBZ,VIL由28 kg/m2跃增为49 kg/m2，沿低层入流方向作垂直剖面(图4d)，可以看到低层有弱回波区，50 dBZ强回波高度9.2 km，超过-20℃层(5.9 km)高度。气旋式辐合的中气旋(图4g)维持，在上升气流作用下，冰水混合粒子碰并增长，产生直径较大的冰雹，至14：17超级单体一直处于成熟期，并由钩状回波演变为结构密实的块状回波，中心强度一直维持在63 dBZ，永济测站观测到最大直径1.8 cm冰雹。

减弱阶段：14:23超级单体移入芮城境内，至14：36强回波中心仍维持在60 dBZ以上，但VIL值由61 kg/m2降低为37 kg/m2，造成芮城大王、古魏2乡镇出现最大直径0.5 cm冰雹。15：00在强回波单体的左、右两侧分别有2个新单体生成，至此超级单体演变为多单体风暴，15：12移出运城进入河南三门峡境内。

4.2　多单体对流风暴

27日13：41在新绛西部生成强对流单体，15：18发展为多单体风暴，至16：38移出垣曲，在运城持续时间近4 h。多单体对流风暴沿(图3C)中的人字形辐合线B生成、发展。

14：23在新绛西部，汾河下垫面上有对流单体生成，14：30(图5a)对流单体迅速加强，最大强度53 dBZ,低层有气旋式辐合(图5f)，辐合上升使该对流单体进一步发展，14：36在对流单体出流方向有新单体生成。

15：12(图5b)多单体风暴右侧的强回波中心发展为63dBZ,VIL由36 kg/m2跃增为42 kg/m2，密度为4.2 kg/m3，沿其移动方向作垂直剖面(图5c)，可以看到：50 dBZ强回波高度8.7 km，超过-20℃层所在高度，低层弱回波区(WER)较超级单体宽广，覃靖[12]等指出中低层宽阔WER反映上升运动强，是强冰雹云重要特征。速度图上0.5°～2.4°仰角(图5g)均有气旋式辐合，高层6.0°仰角(图5h)出现21 m/s的风暴顶辐散，高空辐散抽吸作用使上升气流加强，在多单体的强风暴中有大冰雹下落，新绛站观测到最大直径2 cm的冰雹。

15：18(图5d)沿中尺度辐合线有4个对流风暴生成发展，最左侧的对流风暴由上游移至运城境内加强，在其后侧2.2 km(图5i)高度有24 m/s的后侧入流，造成绛县冰雹、大风、短时强降水。15：37多单体回波减弱，闻喜、绛县为分散对流单体。

15：43(图5e)闻喜测站附近有53 dBZ对流单体，2 km高度处(图5j)有10 m/s的中气旋，中空辐合造成14：49分闻喜地面大风。

16：13在垣曲境内沿西阳河流域，减弱后的对流单体在湿的下垫面上再次加强为多单体风暴，强回波中心63 dBZ,造成垣曲境内最大直径0.5 cm的冰雹。16：38多单体对流风暴减弱移出运城。

5　两条雹带对比分析

此次冰雹所经区域农作物受灾严重，其原因是冰雹密集且直径较大，对农作物砸伤力强，但超级单体冰雹直径(1.8 cm)小于多单体风暴(2.0 cm)，从冰雹形成的环境场、物理机制进行分析。

5.1　冻结层

0℃～ -20℃层厚度被称为冻结层，当厚度大于3.5 km时，有利于2 cm以上大冰雹形成。将探空资料0℃、-20℃层高度内插到运城上空，26日20时0℃层高度3.5 km，-20℃层高度6.3 km，冻结层厚度2.8 km, 27日08时0℃层高度3.1 km，-20℃层高度5.9 km，冻结层厚度2.7 km，远小于3.5 km，是超级对流单体风暴形成冰雹直径偏小的主要原因。同时春季气候背景下，冻结层内厚度小、不稳定强，云中冰晶(冰粒)含量大于水滴，冰水混合碰并增长高度有限，利于形成密集的冰雹降落。

5.2　反射率因子

超级单体、多单体风暴在初生阶段均迅速加强为结构密实的对流单体，超级单体最强回波在60～65 dBZ，中低层为钩状回波、有弱回波特征，但没有形成穹窿状，说明倾斜的上升气流不强，为弱的超级单体，因此最大冰雹直径仅为1.8 cm；多单体最强回波在55～63 dBZ，发展过程中右移风暴加强，中低层弱回波区(WER)较超级单体宽广，说明上升气流较超级单体强，故而产生2.0 cm的大冰雹。

5.3　中气旋

超级单体伴有的中气旋从12：22 - 13：53维持11个体扫，旋转速度在10～15 m/s之间，发展高度在3.3～7.2 km，风暴顶没有辐散，属弱的中气旋，说明超级单体风暴中上升气流弱，造成冰雹直径较小、雹粒密集；多单体风暴15:12发展为强的对流风暴，低层有气旋式辐合，高层风暴顶辐散速度21 m/s,属中等强度的中气旋，高层辐散使上升气流加强，在有中气旋的强单体中产生2.0 cm大冰雹。

6　总结与讨论

(1)此次春季雹灾发生在高空冷平流强迫作用下，△T500-580为-32℃，差动温度平流产生强位势不稳定，同时高空急流辐散有利于低层辐合上升运动，地面中尺度辐合线触发超级单体、多单体风暴发展。

(2)强风暴发生前大气结构V-3θ图上，对流层顶有超低温层、对流层中有不稳定层，利于对流云发展，水汽分布呈现上下干、中间湿的 “蜂腰状”，T-lnP图上订正后的CAPE值达到2 000 J/kg，风场上大气结构为“顺滚流”，正的涡度平流有利于对流发展；并且低层风矢曲率较大，高层入流强，有利于超级单体和多单体风暴发展。

(3)湿的下垫面有利于对流风暴加强，对流单体经过黄河河面时加强为超级单体，中低层形态酷似钩状回波，钩状回波顶端观测到中气旋维持11个体扫，但旋转速度在10～15 m/s，为弱中气旋；多单体风暴沿中尺度锋区在汾河河面生成发展，风暴分裂时右移加强、左移减弱，在移到垣曲西阳河面上再次加强为多单体风暴。

(4)冻结层厚度小，春季对流云中冰晶(冰粒)含量多，超级单体伴有中气旋弱，多单体风暴移动快，对流风暴中倾斜的上升气流不强，冰雹碰冰增长有限，是造成此次强对流天气冰雹直径较大、雹粒密集的主要原因。