昭通一次多单体风暴冰雹灾害诊断分析

秦 瑞，曾清川，张发平

(1.云南省昭通市气象局，云南 昭通 657000；2.云南省彝良县气象局，云南 彝良 657600)

0 引言

冰雹是从发展强盛的积雨云中降落到地面的坚硬的球状、锥形或不规则的固体降水，是一种季节性明显、局地性强，且来势凶猛、持续时间短，以机械性伤害为主的灾害性天气[1]。冰雹出现时常常伴有阵性强降雨和大风，具有很大的破坏力，对人民群众的生命财产危害巨大，一场强烈的降雹天气可对当地的农业、畜牧业、交通、通信等造成破坏性的灾害，尤其是对烤烟、水果等经济作物的危害最为严重。因冰雹具有局地性、突发性和强烈性等特征，对冰雹的预报和预警一直是短临预报中的难点，近年来随着加密地面气象观测网和全国新一代天气雷达网的建设，国内气象工作者在利用新一代天气雷达产品对冰雹等强对流天气的监测和分析方面取得了不少的成果[2-5]。但是，针对四川盆地向云贵高原抬升过渡地带的昭通市冰雹形成机理的研究十分少见，仅马红等对2012年昭通雷达探测到的4次冰雹过程进行了综合分析[6]。昭通市地处云贵川三省结合部，金沙江下游沿岸，坐落在四川盆地向云贵高原抬升的过渡地带，地势南高北低，境内山高谷深，地貌复杂多样，冰雹等强对流灾害性天气频发。为加强对昭通冰雹天气的认识和研究，积累昭通冰雹预报和防雹经验，本文利用NCEP/NCAR再分析资料、高空探测资料、昭通多普勒天气雷达观测资料，对2018年8月20日发生在彝良县龙街苗族彝族乡境内的冰雹天气过程，从环流形势、环境场特征、雷达回波参数特征和防雹作业等方面进行分析。

1 环流及环境场特征

1.1 环流形势

8月20日08时，在500 hPa高度上，昭通处在短波槽后的西北气流控制下(图1a)；在700 hPa高度上，来自孟加拉湾风暴外围的偏南气流受到青藏高原的阻挡转为偏西气流影响云南，影响昭通的偏西气流转为西南气流后进入四川盆地(图1b)。14时，500 hPa短波槽因受南海的热带气旋阻挡在昭通附近减弱，700 hPa青海中部的流场辐合中心向东南移动到川西高原，重庆附近闭合的反气旋减弱，四川盆地转为偏南气流控制，风向切变在昭通附近加大(图略)。

虽然大尺度系统可以提供中小尺度天气系统形成的条件和环境场，但中小尺度系统才是直接造成暴雨、冰雹等强对流剧烈天气的系统。许多学者[7-8]根据滤波原理，设计了一些从常规观测资料中提取中尺度信息的滤波方案，滤波器能有效的吸收某些波长的波动能量，却几乎不吸收其它波长的波动能量。因此，为分析此次冰雹灾害的中小尺度天气系统，本文利用9点带通滤波器对500 hPa和700 hPa的流场进行滤波，发现8月20日08—14时，500 hPa川滇黔三省交界处被一闭合的低涡中心控制(图1c)；14时，受南海的热带气旋影响，低涡减弱西退，中心从三省交界处附近移至昭通东部。8月20日08—14时，昭通700 hPa上空一直处在鞍型场的控制下(图1d)，风向不连续导致大气的对流和辐合，产生了强对流天气。

图1 2018年8月20日08时形势场(a为500 hPa流场，b为700 hPa流场，c为500 hPa中尺度带通滤波后流场，d为700 hPa中尺度带通滤波后流场)Fig.1 Synoptic situation at 8∶00 on August 20,2018(a,streamline of 500 hPa.b,streamline of 700 hPa.c, mesoscale bandpass filtered streamline of 500 hPa.d, mesoscale bandpass filtered streamline of 700 hPa)

1.2 环境场特征

由于冰雹发生地在昭通市彝良县与贵州省威宁县交界处附近，因为昭通市没有探空站，故利用威宁站的探空资料来分析此次冰雹天气的大气环境场特征。8月20日08时，威宁站0 ℃层高度为5.4 km、-20 ℃层高度为8.7 km，与秦瑞等的研究成果一致[9]。沙氏指数(SI)为-1.6 ℃，对流有效位能(CAPE)为798 J/kg、对流抑制有效位能(CIN)为0.2 J/kg，云中最大上升速度(Wm)达到39.9 m/s，大气存在不稳定和明显的上升气流。从温湿层结上看，在700 hPa和500 hPa附近均有浅薄的逆温层存在，有利于能量的积累，逆温层上层温度露点差明显增大，温湿层结上表现出 “上干冷、下暖湿”的喇叭口分布，同时在700 hPa和500 hPa附近还存在明显的垂直风切变(图2)，逆温层、喇叭口和垂直风切变有利于强对流的发生发展。利用14时的气压、温度、露点资料，通过修正抬升点的方法进行订正，发现CAPE值增大到2 081.6 J/kg，大气有效位能急剧增加后，大气对流不稳定度增加，导致强对流天气发生增强。

图2 2018年8月20日08时威宁站探空图Fig.2 Sounding map of Weining station at 8∶00 on August 20,2018

2 雷达回波特征分析

2.1 对流风暴回波反射率因子和径向速度特征

由图3看出，从20日13时58分—15时25分，彝良县境内的混合型回波向东移动，但对流风暴在彝良县的东南侧不断向西北方向发展。13时58分贵州省威宁县境内对流风暴发展明显，在彝良县与威宁县交界处已开始有多个单体对流风暴发展，最强单体风暴中心最大回波强度为57.0 dBz；14时10分交界处的对流风暴已发展并移到彝良县境内，最强单体风暴中心最大回波强度达66.0 dBz；14时16分对流风暴快速发展，彝良县东南侧出现北—南两个强单体风暴，中心最大回波强度分别为62.9 dBz和64.2 dBz，在之后的5 min内，对流风暴强度出现短时减弱，即14时21分北—南两个单体风暴中心最大回波强度减弱到58.1 dBz和54.9 dBz；14时27分北侧单体风暴中心最大回波强度减弱至49 dBz，但南侧单体风暴不断向西北方向发展并增强至56.8 dBz；14时39分南侧的强单体风暴发展到彝良县龙街苗族彝族乡尖山作业点附近(图3中△处，下同)，其中心最大回波强度快速增强至67.1 dBz，尖山作业点附近开始出现降雹，在之后20多分钟的时间里风暴中心最大回波强度均在60 dBz以上，即14时44分为65.5 dBz、14时50分为63.7 dBz、14时56分为66.8 dBz和15时02分为61.7 dBz；15时08分对流风暴开始进入减弱消亡阶段，强回波结构开始变得松散，中心最大回波强度减弱至55 dBz以下；15时13分尖山作业点附近的对流风暴中心最大回波强度减弱至45 dBz以下；15时25分尖山作业点附近的对流风暴减弱消亡，雷达上表现为以稳定降水为主的层状云回波。

分析20日14时21分—15时08分这个时间段对流风暴的径向速度(见图4)，发现单体风暴再次加强时在径向速度图上有一个逆速度区伴随，逆速度区与强回波区相对应，在单体风暴发展强盛时段风暴中心最大回波强度出现在逆速度区的折角处。

图3 2018年8月20日对流风暴反射率因子不同时次的变化趋势Fig.3 Trends of convective storm reflectivity factors at different times on August 20,2018

图4 2018年8月20日不同时次对流风暴径向速度分布Fig.4 Radial velocity distribution of convective storms at different times on August 20,2018

2.2 对流风暴回波垂直特征

沿雷达径向通过最强反射率因子核心作垂直剖面，对20日南侧单体风暴中心最大回波强度最强的14时33分—14时56分进行垂直剖面特征分析(见图5)。图中14时33分风暴的回波顶高达11 km，回波顶上有3 km左右高度的假尖顶回波，45 dBz以上的强回波顶高达9 km(-20 ℃层高度为8.7 km)，并有弱回波区存在；14时39分风暴快速发展，回波顶高发展至16 km，45 dBz以上的强回波顶高维持在9 km以上；14时44分风暴中心最大回波强度依然维持在65.5 dBz，但回波顶高减弱至14 km，45 dBz以上的强回波顶高减弱至8 km以下；14时50分风暴的回波顶高维持在14 km左右，45 dBz以上的强回波垂直结构变得散乱；14时56分风暴中心最大回波强度增强至66.8 dBz，但45 dBz以上的强回波顶高已经减弱至5 km，14时56分之后单体风暴的回波强度和回波顶高均开始迅速减弱。

图5 2018年8月20日不同时次对流风暴垂直剖面图Fig.5 Vertical profile of convective storm at different times on August 20,2018

2.3 垂直累积液态含水量(VIL)特征

垂直累积液态含水量VIL在计算中被定义为单位面积上空气柱液态水混合比的垂直积分(单位kg/m2)，VIL的大小反映了风暴发展的强弱，最大单体VIL值为此次冰雹天气过程中雷达探测到的单体VIL的极大值。分析14—15时的最大单体VIL值变化(见图6)，发现降雹时段风暴的最大单体VIL值分别为24.4 kg/m2、32 kg/m2、26.3 kg/m2。降雹开始前最大单体VIL值随着风暴的发展从14时27分的13 kg/m2跃增到14时33分的24.4 kg/m2，到14时39分跃增到此次冰雹天气过程的最大值，即为32 kg/m2；在12 min时间里，VIL值跃增了19 kg/m2。降雹后VIL值又从14时44分的26.3 kg/m2陡降至14时50分的16.6 kg/m2。

图6 2018年8月20日最大单体垂直累积液态含水量变化曲线Fig.6 Curve of maximum monomer vertical cumulative liquid water content on August 20,2018

3 防雹作业分析

2018年8月20日，从14时08分开始，彝良县的奎香、尖山、梭嘎炮站(图3中◇自东向西分别为奎香、尖山、梭嘎)先后开展高炮防雹作业7点次，作业总用弹260发(见表1)，14时08分奎香炮站作业，14时13分、14时35分、14时40分尖山炮站作业，14时47分尖山炮站和奎香炮站同时作业，14时58分梭嘎炮站作业。由作业前后的雷达回波参数特征(见图7)可以看出，作业后雷达回波的回波强度、回波顶高、45 dBz以上的强回波顶高、垂直累积液态含水量均明显减弱。14时47分尖山炮站和奎香炮站同时作业后，14时50分单体风暴中心45 dBz以上强回波的垂直结构变得散乱(见图4)，14时50—56分最大回波强度从63.7 dBz增强至66.8 dBz，但回波顶高从14 km减弱至12 km，45 dBz以上的强回波顶高从6 km减弱至5 km，最大单体VIL值从16.6 kg/m2降低至13.8 kg/m2。14时13—35分，由于空勤等原因没有开展作业，导致14时00分和14时13分两次作业后受到抑制的单体风暴在20多分钟的时间内又快速发展起来，风暴中心最大回波强度从54.8 dBz增强至67.1 dBz，回波顶高从11 km快速发展至16 km，45 dBz以上的强回波顶高从5 km发展至9 km，最大单体VIL值从8.1 kg/m2跃增至32 kg/m2。此次冰雹天气过程在降雹前后作业点均有开展作业，从作业前后雷达回波参数的变化可以看出，在降雹前的作业效果明显好于降雹后的作业效果，降雹后的作业只能加快单体风暴减弱，缩短降雹时间，避免大冰雹的出现。

表1 2018年8月20日彝良县各炮站作业情况Tab.1 Operation of operating stations in Yiliang on August 20,2018

图7 2018年8月20日彝良县各炮站作业前后雷达回波参数变化曲线图(a为最大单体垂直累积液态含水量变化曲线，b为回波最大强度变化曲线，c为回波顶高和强回波顶高变化曲线)Fig.7 Variation curves of radar echo parameters before and after operation of operating stations in Yiliang on August 20,2018 (a, variation curve of maximum monomer vertical cumulative liquid water content. b, maximum echo intensity variation curve. c, variation curves of echo crest height and strong echo crest height)

4 结论

①此次冰雹天气是一次多单体风暴造成的局地性强对流天气，经过中尺度带通滤波后的流场揭示出此次冰雹天气是受500 hPa低涡和700 hPa鞍型场共同作用形成的，中尺度带通滤波对冰雹等强对流天气分析有很好的参考意义。

②此次冰雹天气发生前大气层结极不稳定，探空图上表现出逆温层、喇叭口和垂直风切变等特征，08—14时CAPE值增大达1 000 J/kg以上。

③此次天气过程中雷达回波表现出假尖顶回波、弱回波区等特征，单体风暴中心最大回波强度67.1 dBz，回波顶高16 km，45 dBz以上的强回波顶高达到9 km，超过-20 ℃层高度。

④冰雹云的垂直累积液态含水量(VIL)最大值达到了32 kg/m2，并在降雹前后表现出跃增和陡降特征。

⑤防雹作业对对流风暴发展有抑制减弱效果，但抓住合理的作业时机是取得防雹成败的关键。