龙岩一次冰雹的雷达回波特征分析

苏 蕾 沈华平 杨晓凤

(民航厦门空管站，福建 厦门 361006)

冰雹是我国分布最广的一种对流性灾害天气。据统计，近十年来，龙岩市每年均有冰雹出现，最多14次，最少1次，平均每年约有4次冰雹；冰雹主要出现在3～5月，尤其以4月最多(占全年的39.5%)[1]。2020年4月21日上午，龙岩雷达上出现了极强的对流回波，自西向东影响龙岩、漳平、泉州。根据实况反馈，龙岩新罗区10点15分出现冰雹，漳平城区10点30分左右出现冰雹，泉州安溪县于11点多也监测到冰雹，直径约1～2cm，对当地的农作物、交通等都造成了一定影响。本文利用模式探空资料和多普勒天气雷达产品，对本次强对流过程进行分析，寻找监测预警和临近预报的雷达回波产品特征，为提高多普勒天气雷达的技术应用水平和监测冰雹天气的能力提供参考。

1 天气背景

从2020年4月20日20点到21日08点(北京时)，500hPa上5880m等高线位于华南沿海(图略)，福建省位于副热带高压北侧偏西急流中；850hPa上华南一带有条暖式横切发展东伸至福建，在福建中西部有较弱的低涡切变存在。21日08点，上述低涡切变位于龙岩西部，随后缓慢南压；地面位于倒槽暖区中。整层大气在形势场上未发现明显的冷空气南侵，只是在中高层干燥的空气叠加在低层的暖湿空气上。

2 对流潜势分析

俞小鼎等指出，预报当天强冰雹潜势的主要思路是从较大的对流有效位能、较强的深层垂直风切变和不太大的0℃层到地面高度这三个方面来考虑[2]。由于龙岩站没有探空资料，图1为数值预报21日08时由周边探空站插值获得的模式探空，具有一定的参考价值。由图1可以看到，700hPa高度以下的t-td均小于1℃，低层大气处于高湿状态，高层为干区，表现为上干下湿。08时CAPE值为206J/kg，由于前一天夜里在龙岩及附近已经有对流发展，消耗了一定的对流有效位能，因此对流有效位能不是很大。t850hPa-t500hPa>22℃，大气处于不稳定状态。自由对流高度(LFC)很低，表明气层抬升达到饱和以及强迫气块上升到自由对流高度所需的外力抬升要求小。0℃和-20℃层高度分别为4.5km和8km(约400hPa)，冰雹融化层高度的高低是决定冰雹大小甚至降雹与否的主要因子之一[3]，当日合适的0℃和-20℃层高度有利于冰雹的发生。从垂直位温(V-3θ)分析来看，21日08时龙岩站在1000～500hPa之间，θsed和θ*出现不同程度的折拐，说明此时气层处于不稳定状态。而3条θ曲线在400～150hPa之间没有明显左倾，即在V-3θ图中未体现对流层顶有“超低温”现象，可能是与模式对较高层次的要素模拟误差较大有关。从垂直风场配置上表现为地面偏南风，低层西南风，高层偏西风的顺滚流配置，存在强的垂直风切变，0～6km之间的风矢量差超过20m/s，属于中到强的垂直风切变，高层强偏西风的抽吸作用有利于对流运动的发展。

图1 2020年4月21日08时龙岩站的t-logp图(左)及V-3θ图(右)

3 多普勒天气雷达资料分析

3.1 冰雹演变过程

2020年4月21日凌晨04:00左右在长汀南部到永春开始有分散的弱对流(图略)，06:00缓慢南移至连城东南部，07∶00连城以西至赣县区也开始有分散的对流单体发展，07∶30连成东西向带状，08∶00多块单体回波加强，整个带状云系位置少动。08∶30,在带状对流的东西两侧可分辨出两个相互分离的强单体(图2)，在其北面伴有大片的降水回波，随引导气流向偏东方向移动；从径向速度图可见，在大片负速度区中包围了一小块正速度区，逆风区的出现说明在该高度区间存在风向剧烈变化，产生强烈垂直风切变和强的辐合气流，反射率最大值的区域与逆风区相配合，云体将进一步发展加强。09∶00，回波加强，西部的强回波移速较快，逐渐靠近东部的强回波，并在龙岩雷达的西南侧触发了一块小的对流单体；在径向速度图上与强回波区对应有一个直径10km的涡旋在发展(图中橘色圆圈)，旋转速度约为11m/s，维持多个体扫，表明一个弱中气旋已经生成。09∶30，上述两块强单体合并，向东南方向的雷达站靠近，移动路径出现了“右旋”，同时移速增快；从径向速度图可见，强回波移动方向前沿有一条辐合线，推断是由沿着回波前沿的上升气流与回波主体降水以及中层干空气夹卷进入降水区蒸发冷却形成的下沉气流之间的辐合形成的。10∶00，强回波移到龙岩上空，组织密实，系统强烈发展，形态由最初的东西向带状演变为南北向的长轴“椭圆”形，强中心面积扩大，中心强度达到71dBz；在径向速度图上有旋转性气旋存在，半径大于10km。10∶30，回波的北部前侧(漳平)出现相对较弱的入流回波区，南部在移动前沿演变成圆弧状，后侧也出现相对弱回波区，表明后侧下沉气流正在加强，形态演变为“S”形。11∶00，演变为南北向弓状，云体北部逐渐衰减，南部中心仍然较强，随后强中心面积逐渐减小；径向速度图上辐合特征已不明显，出现了较强的正速度，表明雹暴单体逐渐为下沉气流所控制，强度逐渐减弱。整个强回波自西向东先后影响多个县级市，暴雹生命史超过1h。

(a)08∶30 (b)09∶00 (c)09∶30

(d)10∶00 (e)10∶30 (f)11∶00图2 2020年4月21日强对流天气龙岩雷达组合反射率(第1、3行，单位：dBz)和2.4°仰角径向速度(第2、4行，单位：m/s)演变图

3.2 对流单体垂直结构

图3为10∶02龙岩雷达0.5°、3.4°、6.0°不同仰角的反射率因子和径向速度图，用来进一步确定暴雹的垂直结构和强弱。从图3可以看出，各仰角在对流云回波的后方出现了顶点指向雷达的“V”形缺口，事实上在09∶51就首次出现有不太明显的“V”形缺口，与开始降雹的时间差为24min。低仰角在雷暴入流一侧有强的反射率因子梯度，在6.0°仰角上，回波强度达到最强，且受高空偏西气流的影响下，在雷暴顶上空伸展出约60km的云砧，这是由强烈上升气流到达对流层顶后水平伸展形成的，表明云中对流旺盛，为形成冰雹提供了重要条件。另外，根据各仰角回波对比分析，发现低层在回波移向的前侧有入流缺口(箭头位置，注意到双箭头指示同样的地理位置)，而在6.0°仰角上，箭头前面是超过60dBz的强回波中心，高反射率因子区从低仰角到高仰角向入流一侧(东侧)倾斜，有一个强回波悬垂结构。所有这些特征一致表明该强单体是一个雹暴，它具有一个雹暴的雷达回波特征。

(a)0.5°仰角 (b)3.4°仰角 (c)6.0°仰角 图3 2020年4月21日10:02龙岩雷达不同仰角基本反射率因子(单位：dBz)和径向速度图(单位：m/s)

从径向速度图可见，距离龙岩雷达站西北方向约8km、高度约1.8 km处出现24m/s的负速度大风区，低空急流的存在使上升气流得以加强和维持，对冰雹云的发展有利。在同高度上，正速度中心大小仅有12m/s,负速度值远大于正速度值；同时在30km的等距离圆中，负速度区的面积也远大于正速度区，表明此地的辐合上升极强。

3.3 强回波核高度特征和垂直液态积分水含量分析

刘君等[1]指出，当回波强度超过60dBz、强回波核高度超过5.8km、回波顶高超过8km和垂直积分液态含水量超过25kg/时，龙岩出现冰雹的可能性就非常大。这些数据可以作为判断冰雹是否出现的阈值。通过分析发现，09∶30(降雹前45min)对流回波的以上几项阈值均已达到：回波强度最大65dBz、最强回波核高度超过5.9km、回波顶高11km、垂直积分液态含水量28kg/(图略)，说明发生冰雹的概率很大，作为预判的指标，对冰雹的预报具有一定指示意义。

3.4 垂直风廓线(VWP)产品分析

由图4可以看出，在1.8km以上的垂直高度层里，风向随高度顺转，风速逐渐增大，在约4.5km高度有明显的小波动，09∶23在此高度层出现了较强的西北风，伴有“ND”，即干区。这种中低层暖平流及垂直风的切变有利于对流的发展，加上中层干冷空气的入侵，造成对流不稳定的层结，是激发强对流天气产生的重要环境场条件之一[4]。

图4 2020年4月21日垂直风廓线变化情况

4 结论

①本次有利于冰雹生成的环境条件是层结不稳定、较强的垂直风切变和不太高的0℃层高度。

②强回波的形态先后呈现出椭圆形、“S”形，最后演变为弓形回波，具有回波强度强、强回波区面积大、维持时间长等特点。

③在多普勒径向速度场中，冰雹发生前约1.5h可识别出逆风区和中气旋，可提前预警强对流天气发生；低空急流的存在使上升气流得以加强和维持。

④基本反射率因子呈现有明显的“V”形缺口，且首次出现“V”形缺口与降雹的时间有25min提前量；并出现低层强的反射率因子梯度、入流缺口和其上的强回波悬垂等回波特征。

⑤回波顶高、垂直积分液态水含量和强回波高度等指标对此次降雹也有较好的指示意义。

⑥在垂直风廓线产品中，中层西北风入侵和“ND”的出现是雹云得以剧烈发展的重要原因之一。