贵州一次典型冰雹云单体回波多阶跃增特征分析

曾 勇，李丽丽，李 迪，张淑霞，杨 哲，曹 水

(1.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550001；2.贵州省气象灾害防御技术中心，贵州 贵阳 550001；3.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550001)

0 引言

贵州地处云贵高原东侧，属典型的山区省份。特殊的地理环境和地形地貌，造成冷暖空气交汇活动频繁，气象灾害频发，冰雹灾害尤为严重。冰雹灾害是贵州春夏常发生的对农业生产危害较大的灾害性天气之一[1-3]。冰雹灾害是一种中小尺度天气现象，具有明显的季节性、地域性特点，还与降雹发生地域内的大气层结和下垫面有很大关系，主要体现在冰雹强度、出现频次和移动路径等方面[4]。贵州特殊的地形地貌使冰雹云对流云团持续发展，其演变可持续1～3小时。

王昂生等[5]在20世纪80年代针对冰雹云与雷雨云开展相关研究，发现冰雹云单体在降雹之前云内的某些参量如回波强度、回波顶高急速增长，尤其以闪电频次急速增长更为突出。雷达观测结果也表明回波强度和回波顶高在降雹前呈现明显的急速增长现象。近年来，国内外专家利用天气雷达识别冰雹云开展了大量研究，揭示了冰雹云回波特征参量随对流云不同发展阶段变化特征，建立本地化的冰雹云雷达识别指标体系[6-7]。王若升等[8]对甘肃平凉地区冰雹天气的气候特征和雷达回波进行分析，得到平凉地区冰雹气候时空分布特征和冰雹云雷达回波强度、回波顶高及垂直液态含水量指标。张磊等[9]利用常规气象资料和CINRAD/CC雷达资料对34个冰雹天气个例进行统计分析，归纳出南疆阿克苏冰雹天气发生前的环境条件和判别冰雹云的雷达指标。覃靖等[10]利用柳州SB多普勒雷达产品和冰雹灾情资料，对2008年至2016年5月柳州及相邻地区20块冰雹云进行分析，得出桂北地区强冰雹的风暴顶高、50 dBz强回波伸展高、冰化区厚度等临近预警指标。贵州气象工作者针对区域冰雹个例开展了相关研究，如陈军等[11]、刘小艳等[12]分别对贵州铜仁和安顺地区冰雹云个例进行统计分析，获得本地化判别冰雹云雷达指标。上述研究主要基于冰雹个例雷达资料的统计分析，对多次降雹雹云单体整体演变特征分析较少，针对冰雹云回波多阶跃增特性的研究几乎没有。

图1 2018年4月21日19∶00—22∶00累积降水与降雹分布(红色三角形表示5 mm≤冰雹直径<10 mm，橙色三角形表示10 mm≤冰雹直径<20 mm，黑色三角形表示冰雹直径≥20 mm)Fig.1 Distribution of accumulated precipitation and hail from 19∶00 BT to 22∶00 BT on Apr.21, 2018 (red triangle indicates 5 mm < hail diameter < 10 mm, orange triangle indicates 10 mm < hail diameter < 20 mm, black triangle indicates hail diameter ≥ 20 mm)

贵州冰雹云具有较为固定的初生源地，部分冰雹云从贵州西部高原生成并向贵州中东部发展，给中东部地区带来风暴灾害。因山高谷深，地形遮挡使得部分新一代天气雷达存在探测盲区，对山区局地强对流天气分析判断产生一定影响，特别是多站次降雹冰雹云的演变，不能以一次降雹判定雹云单体的消亡，上游降雹可能只是雹云发展的开始，因此有必要对多站降雹雹云单体回波特征进行系统性分析，揭示多阶跃增冰雹云发展演变特征。本文对2018年4月21日发生在贵州中西部一次典型冰雹云单体造成的多站次降雹冰雹云回波演变特征进行分析，旨在揭示此类多站次降雹雹云单体回波演变特征，为冰雹云实时监测预警、上下游冰雹联防、人工防雹提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料

雷达资料来源于贵阳CINRAD/CD雷达，该雷达采用VCP21体扫模式，约6 min完成一次9层仰角(0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°、19.9°)的立体扫描，有效探测距离为150 km。探空资料采用贵阳探空站L波段探空雷达8时和20时探空数据。闪电数据来自贵州省VLF/LF三维闪电监测网。降雹资料采用地面天气报文与人影作业站点地面观测记录。

1.2 方法

采用双线性插值技术把极坐标形式下的体扫基数据内插到笛卡尔坐标系下，生成需要的雷达基数据图形产品，按照方位、距离和高度格点数据，利用冰雹云雷达回波特征参数提取技术，实现对0 dBz、5 dBz、10 dBz等直到最大回波强度的回波强度衰减提取，有效追踪雹云单体，可获得冰雹云雷达回波最大强度、方位、距离信息与不同强度对应回波顶高信息，最终得到冰雹云雷达回波强度和高度时间序列变化特征。基于提取获得雷达回波强度、高度信息，利用数理统计方法对冰雹云演变过程回波特征时序变化进行统计分析。

2 天气实况与环境场分析

2.1 天气实况

图1给出了2018年4月21日19∶00— 22∶00(北京时，下同)累积降水与降雹分布。2018年4月21日17∶00—22∶00贵州自行向东出现冰雹、雷雨天气过程，雹云回波于17∶17在毕节厍东关生成并快速发展，于19∶00—20∶00先后在毕节市大方县小屯乡、羊场镇、黄泥塘镇降雹，之后雹云回波继续发展加强并向中部移动，于21∶00—22∶00先后在贵阳清镇市新店、卫城、王庄降雹，最大冰雹直径20 mm。表1给出具体降雹统计信息。

表1 2018年4月21日冰雹天气过程降雹信息表

图2 2018年4月21日8时500 hPa风场、温度场分布(a)和700 hPa风场分布(b)(红色短线条为500 hPa等温度线，棕色实线为700 hPa显著流线，黑色实线为588线)Fig.2 The distributions of 500 hPa wind field and temperature field (a) and 700 hPa wind field (b) at 8∶00 BT on Apr.21, 2018 (the red short lines represent 500 hPa isotherm, the brown solid lines represent 700 hPa significant streamline, the black solid line represents 588 line)

2.2 环境场分析

图2给出了2018年4月21日8时500 hPa风场、温度场分布和700 hPa风场分布。8时500 hPa亚洲中高纬为多槽脊形势，贝加尔湖西侧和河套西侧多短波槽东移，副热带高压(简称副高)在20°N附近贯穿阿拉伯海-孟加拉湾-南海-西太平洋呈东西带状分布。贵州处于副高北侧，河套西侧至川西高原的短波槽沿横断山脉至贵州的西北气流南下引导弱冷空气影响贵州；700 hPa巴塘附近的西南涡在高空槽带动下自西向东移动，在贵州北部加深，使得850 hPa在贵州北部形成切变线；海平面气压场上我国西南地区到西北地区直至江南地区为庞大的热低压控制。这种形势配置以及下暖上冷的结构为强对流天气的发生提供了有利的环流背景条件。

由于冰雹落区位于威宁、贵阳两个探空站之间，且直径大于20 mm的降雹点距离贵阳探空站100 km以内，又因冰雹出现在20时前后，直径大于20 mm的冰雹均出现在21时以后，所以可以用贵阳20时探空分析大气垂直状态。图3给出了2018年4月21日20时贵阳站探空T-LnP图。

图3 2018年4月21日20时阳站探空T-lnP图Fig.3 The T-LnP diagram of Guiyang station at 20∶00 BT on Apr.21, 2018

从图3可以看出，20时前后贵阳附近660 hPa到550 hPa之间有条件不稳定层结存在，且660 hPa到365 hPa之间有潜在不稳定能量(CAPE)积聚，CAPE值达到358 J·kg-1，而660 hPa到750 hPa之间相对湿度大于93%，在西南涡触发下贵阳附近大气中层积聚的CAPE会使得对流发展为深湿对流，形成强对流天气。由于20时0 ℃层高度在4.5 km(570 hPa)左右，-20 ℃层高度在7.8 km(370 hPa)左右，位于CAPE能量区间，对流发展将使得对流云伸展超过-20 ℃层，有利于冰雹甚至至大冰雹的产生。计算贵阳探空0～6 km垂直风切变为17 m/s，属于中等强度切变，有利于对流云的组织发展，对冰雹天气的形成有促进作用。

3 分析结果

3.1 冰雹云单体回波强度时序变化特征

冰雹云是一种发展较为旺盛的对流云，其发展过程经历积云阶段、成熟阶段和消散阶段。黄美元等[13]通过观测分析研究将冰雹云演变过程细分为发生、跃增、孕育、降雹和消亡5个阶段，这是对积云发展三个阶段的细分。发生阶段对应初始雹云的生成，是对流云生成到云体逐渐发展增强的阶段；跃增阶段是对流云体尺度、强度、高度相对快速增长阶段；孕育阶段是云体经历跃增后进入相对稳定的阶段；降雹阶段是地面出现降雹到降雹结束阶段；消亡阶段是对流云体逐渐减弱消散瓦解阶段。

为了更好地认识多阶跃增冰雹云单体发展演变规律，对2018年4月21日冰雹天气过程从对流云生成发展、孕育降雹和减弱消散整个过程雷达体扫基数据最大回波强度、18 dBz回波顶高进行了提取，制作冰雹云回波强度与18 dBz回波顶高时间序列变化图，如图4所示。所提取回波强度是指冰雹云回波中心核强度最大值Zmax，18 dBz回波顶高的选取主要考虑业务观测中对降水具有指示意义的回波高度，能够反映风暴发展的强烈程度。

图4 2018年4月21日17∶17—22∶47回波强度、18 dBz回波顶高时间演变(竖线箭头表示降雹时间)Fig.4 The evolution of echo intensity and 18 dBz echo top height from 17∶17 BT to 22∶47 BT on Apr.21, 2018 (The vertical arrow indicates the hail time)

梯度用来表示物理量在一定时间内的最大变化。本文回波强度梯度和高度梯度的计算主要基于以下公式：

▽Z=△Z/△T

(1)

▽H=△H/△T

(2)

式中，△Z为回波强度变化值(dBz)；△H为回波高度变化值(km)；△T为变化值持续时间(min)；▽Z和▽H分别为回波强度梯度(dBz·min-1)和回波高度梯度(km·min-1)。基于冰雹云的5个阶段特征，结合图4最大回波强度和18 dBz回波顶高演变及站点观测到的降雹时间，对此次冰雹云发展演变过程划分为7个阶段,如表2所示。

表2 2018年4月21日冰雹云回波7个阶段回波强度和高度变化

图5 2018年4月21日主要时次雷达回波组合反射率与垂直剖面图(贵阳雷达)Fig.5 The radar echo combination reflectivity (unit:dBz) and vertical sectional of echo intensity on Apr.21, 2018 (Guiyang radar)

图5给出了2018年4月21日主要时次的雷达回波强度组合反射率以及RHI组合图，RHI为最大回波强度所在镜像的垂直剖面。从图5可以看出，回波单体沿着雷达径向方向(西北—东南)移动，单体形状呈圆形，结构密实，中心梯度较大，移动速度达到60 km·h-1。18∶33单体经历一次跃增，最大回波强度达65 dBz，回波发展旺盛，运动方向上有界弱回波区(BWER)已有显现，并不断加强，回波强度≥45dBZ的回波高度刚刚达到-20℃层高度。19∶06—19∶49产生一次降雹，冰雹直径较小，之后在19∶49—21∶15单体二次跃增，最大回波强度达到76 dBz，，回波强度≥45dBZ的回波顶高稳定在8 km左右，运动方向上有界弱回波区。

邹书平等[14]对贵州山区冰雹云回波特征开展研究，基于雷达回波强度和高度梯度对冰雹云跃增特征进行了分类，即强度梯度<3 dBz·min-1，高度梯度<0.1 km·min-1为波动型增长；强度梯度>6 dBz·min-1，高度梯度<0.3 km·min-1为跃增型增长，介于两者之间为递增型增长。结合上述两次跃增阶段回波强度和高度梯度变化特征，一次跃增阶段属于递增型增长，二次跃增阶段属于波动型增长，一次跃增回波强度和高度梯度大于一次跃增阶段。

3.2 冰雹云回波高度时序变化特征

为了认识整个过程云体垂直发展状况，提取雷达体扫时间序列对应18 dBz、30 dBz、45 dBz回波顶高，制作18 dBz、30 dBz、45 dBz回波顶高时序变化图(见图6)。从图6可以看出，3个回波顶高具有一致性波动变化特征，主要特征反映在第一阶段降雹过程3个回波顶高没有表现出减小趋势，反而呈现波动增加，然而在经过二次增长降雹后3个回波顶高逐渐减小，这与常规降雹后回波顶高变化吻合。结合表2中雹云单体演变过程阶段划分，18 dBz、30 dBz回波顶高更能直观反映雹云单体各阶段特征。总体上，3个回波高度变化呈现多阶跃增特点。

图6 2018年4月21日冰雹云18 dBz、30 dBz、45 dBz回波高度时间序列变化(竖线箭头表示降雹时间)Fig.6 The time series variation of hail cloud echo height variation of 18 dBz, 30 dBz and 45 dBz on Apr.21, 2018 (The vertical arrow indicates the hail time)

樊鹏等[15]对风暴剖面45 dBz强回波识别冰雹云进行了研究，发现在0 ℃层以下出现45 dBz的强回波时，该回波区域内主要出现由中数体积直径大小为0.4 cm以上的大雨滴组成，45 dBz的强回波出现在0 ℃层以上，该强回波区域内由大于0.4 cm的水粒子和冰粒子混合组成。Witt等[16]提出相应反射率因子越强，相对高度越高，产生强冰雹的可能性和严重性越大。将45 dBz回波高度分别与2018年4月21日20时0 ℃层高度和-20 ℃层高度作减法运算，即对应的负温区厚度(H45dBz-H0℃)和冰化区厚度(H45dBz-H-20℃)，得到负温区和冰化区厚度时间序列变化曲线见图7。时间起点选取为17∶50，雹云单体处于一次跃增阶段，此时回波强度开始出现大于45 dBz强度值。从图7可以看出，45 dBz强回波高度与0 ℃高度差始终大于零，随时间发展高度差增大，且一次跃增阶段高度差增长幅度小于二次跃增阶段，说明云体内上升气流在不断增强，二次跃增阶段45 dBz强回波高度与0 ℃高度差的迅速增长为地面降落大冰雹提供了冰相粒子发展基础。H45dBz-H-20℃>0主要集中在19∶22—20∶54时段内，对应一次降雹阶段和二次跃增阶段，最大高度差为1.1 km，而在一次跃增阶段45 dBz回波高度完全处于-20 ℃层高度以下，说明一次跃增阶段冰雹云垂直方向发展不如二次跃增阶段，二次跃增阶段云体内上升气流发展极为旺盛，小冰相粒子在强上升气流作用下在深厚的冰化区翻滚增长，为大冰雹形成创造有利条件。根据降雹观测记录，前3次降雹直径均为5 mm左右，最后3次降雹最大冰雹直径为20 mm，最小10 mm，冰雹直径相差较大。因此，一次降雹阶段后45 dBz强回波在冰化区厚度的增加为后续生成大冰雹创造有利条件。

图7 2018年4月21日冰雹云45 dBz强回波顶高度与0 ℃、-20 ℃层高度差(竖线箭头表示降雹时间)Fig.7 The height difference between 45 dBz echo top height of hail cloud and 0 ℃, -20 ℃ layers on Apr.21, 2018 (The vertical arrow indicates the hail time)

3.3 垂直累积液态含水量演变特征

垂直累积液态含水量(VIL)是假定反射率因子强度来自于液态水滴，应用一定算法生成每个网格点上任意仰角的液态水含量，然后再对每个网格点进行垂直积分后得到。在业务工作中更多关注的是VIL最大值，为了认识此次多阶跃增冰雹天气过程VIL变化特征，提取雷达体扫时间对应VIL最大值(VILmax)，制作VILmax时间序列变化曲线，如图8所示。

图8 2018年4月21日冰雹云VILmax时间序列变化(竖线箭头表示降雹时间)Fig.8 The time series variation of hail cloud VILmax on Apr.21, 2018 (The vertical arrow indicates the hail time)

对每个体扫时间VILmax与最大回波强度作皮尔逊(Pearson)相关分析，得到相关系数为0.651，通过0.05的显著性水平校验，说明整个过程VILmax与回波强度之间具有较好相关性。从图8 中VILmax总体变化曲线可以看出， VILmax变化特征分为4个阶段：

(1)初生发展阶段。17∶17—18∶06为VIL初生发展阶段，VIL从1 kg·m-2增加至20 kg·m-2，此阶段VIL增加主要源于发展云体内粒子数浓度逐渐增加，回波强度逐渐增强。

(2)跃增阶段。18∶06—19∶16为VIL跃增阶段。VIL呈现阶梯递增，从20 kg·m-2跃增至40 kg·m-2，增幅20 kg·m-2，此阶段VIL跃增主要是随着云体对流高度发展加强，云体内粒子直径增大，粒子后向散射由瑞利散射转为米散射，回波强度迅速增大，VIL计算值随之增大。VILmax在跃增阶段的变化总体呈现阶梯“跃增”特性。

(3)稳定维持阶段。19∶11—20∶54为VIL维持阶段。此阶段VIL值维持在40 kg·m-2与50 kg·m-2之间，维持时间近103min，雹云单体从上游向下游发展。在维持阶段结束21 min开始降雹。

(4)减小阶段。20∶54—22∶15VIL值逐渐减小，从40 kg·m-2减少至20 kg·m-2，期间先后清镇新店、王庄和卫城产生降雹。

张正国、刁秀广等[17-18]对广西冰雹云VIL演变特征进行了研究，获得了VIL变化的总体特征，与上述变化特征不同之处在于其稳定维持阶段出现在跃增阶段之前，而本次过程VIL跃增阶段在前，稳定维持阶段在后。造成此现象原因主要为冰雹云生成发展的天气背景和下垫面地理环境不同。贵州地形西高东低，中西部属云贵高原斜坡过渡带，冰雹云自西部生成后在天气系统和地形的配合下从西部向中部发展，在发展移动过程中VIL值不断积累，在降雹之前存在一个稳定维持阶段，为大冰雹形成创造条件。此次过程前3次降雹主要出现在VIL值稳定维持阶段，冰雹直径较小，没有对VIL产生过大的消耗，而后3次降雹出现在VIL值减弱阶段，冰雹直径大，大冰雹的降落使VIL值减小。总之，冰雹云经历上游的发展，积累了较大的VIL值，在上游发展过程中降小冰雹没有消耗VIL值而继续增长，为下游降大冰雹提供了较大的VIL值。

4 结论与讨论

(1)此次多站次降雹冰雹过程是在有利环境背景下，由西南涡和地面辐合线共同触发，生成于贵州西部的对流单体沿地面辐合线移动快速增长并向中部发展，造成多地降雹。

(2)冰雹云发展演变过程存在两次跃增阶段，区别于以往一次跃增阶段降雹冰雹云，一次跃增阶段属于递增型增长，二次跃增阶段属于波动型增长。

(3)雹云发展过程雷达回波移动较快，形态密实，边缘强度梯度大、具有有界弱回波区，雷达中心回波强度一直维持在60 dBZ以上。18 dBz、30 dBz和45dBz回波高度演变能直观反映雹云单体发展各阶段特征；45 dBz回波高度始终处于0 ℃层高度之上，与-20 ℃层高度差大于零时间维持92 min，为下游大大冰雹增长创造条件。

(4)垂直累积液态含水量最大值VILmax经历发生、跃增、稳定维持、减小四个阶段，跃增阶段出现阶梯递增特征。一次弱降雹阶段对VIL没有过度消耗，二次强降雹出现在VILmax稳定维持阶段后21 min，二次强降雹阶段对应VILmax显著减小。

此次冰雹过程持续时间长达5小时左右，具有典型性。贵州西高东低的山地地形再加之有利的天气系统配合，为冰雹云提供了能量补充，进而为冰雹云持续发展创造条件，产生二次跃增和多站点降雹，今后将继续对此类多阶跃增冰雹过程开展详细研究，揭示此类多阶跃增冰雹云演变特征。