一次局地性强冰雹天气的环境背景及雷达产品特征分析

曾 妮，邓 安，方 鹏，王兴菊，何莉阳，范茂林

(1.贵州省安顺市气象局，贵州 安顺 561000；2.广西壮族自治区气象信息中心，广西 南宁 530000)

0 引言

冰雹是贵州省春季的主要灾害性天气之一，具有突发性强、局地性强及破坏力强等特点，由于贵州多山地和丘陵，地形复杂，利于冰雹的形成，所以每年3—5月贵州多冰雹天气过程发生[1]，强的降雹天气常常使农作物受损，打坏房屋和车辆，造成人员伤亡，给人民的生命财产带来严重威胁。由于冰雹的突发性和局地性强，导致冰雹的预报难度大，预报提前量短，近年来许多气象工作者[2-8]对冰雹天气过程的中尺度特征、环境条件、雷达回波特征等进行分析和研究；罗菊英等[9]对一次早春局地强冰雹过程分析发现，山区“喇叭口”地形的抬升作用更易激发强对流的发展；张微等[10]发现在对流单体或多单体的初始阶段就提前防雹作业，成功率大；谢清霞等[11]指出贵州的降雹主要分为静止锋型、冷锋型和热低压辐合线型；陈军等[12]对铜仁一次罕见大范围冰雹过程分析，找出了有利于铜仁降雹的指标。近年来，安顺降雹天气过程较多，对近5 a安顺的降雹天气进行统计发现，安顺冰雹天气最早出现于1月，最晚结束于5月，且易造成局地性灾害。2020年4月17日安顺市南部局地出现强降雹天气，使当地房屋和农作物等严重受损，本文利用常规气象观测资料、多普勒雷达资料和FNL 再分析资料等，对此次冰雹天气过程进行分析，找出此次过程的环境背景条件、触发机制、物理量变化特征和雷达回波特征等，为今后安顺的短临预报和预警提供一定的参考指标。

1 天气实况和灾情

2020年4月17日15时—17日19时20分，贵州省安顺市南部出现局地性强降雹天气，安顺南部3县共5个乡镇降雹，冰雹直径普遍在5～20 mm，其中镇宁县六马镇和紫云县火花乡出现大冰雹，冰雹直径普遍在20 mm左右，最大冰雹直径达50 mm，降雹密度达100粒·m-2，造成严重雹灾，据统计此次降雹天气过程共造成26 304人受灾，农作物受灾面积达5 850 hm2，因灾直接经济损失37 667万元。

从降水空间分布和冰雹落区(图1)看出，此次强对流天气影响范围小，降水主要出现在安顺市中南部地区，以小雨为主，大于10 mm的降水与冰雹落区对应，冰雹局地性强，且直径和密度较大，这是造成局地灾情严重的主要原因。

图1 2020年4月17日15—20时安顺市降水空间分布及冰雹落区(红框内)Fig.1 The precipitation spatial distribution and hailstorm area in Anshun from 15∶00 to 20∶00 on April 17, 2020(In the red box)

2 环境背景分析

2.1 天气形势

对强对流天气发生前的天气形势进行分析，4月17日08时500 hPa高原上有短波槽东移(图2)，槽前正涡度平流为强对流的发生提供天气尺度的系统性上升运动；700 hPa在四川东部和贵州东部切变建立，广西中部—贵州西南部边缘急流建立，安顺位于急流左侧的上升气流中；850 hPa在四川东部—贵州西北部有低涡切变线，切变线的南侧为显著的西南风；地面辐合线呈东—西走向，位于贵州中北部一带；中、低层贵州处于T-Td<4 ℃的湿区中，且安顺附近的T-Td=1 ℃近饱和，同时贵州中部偏西及以东地区500 hPa的T-Td>12 ℃为干舌控制，安顺处于“上干下湿”的不稳定层结中，安顺南部各乡镇白天的最高气温升至28 ℃以上，且出现大冰雹的两个乡镇最高气温超过30 ℃，为能量的积累提供了有利条件。此次强对流天气过程无冷空气影响，从地面图上看出高原上为热低压控制，贵州处于低压底部的均压场中，对流云团在地面辐合线附近生成发展。

图2 2020年4月17日08时高空及地面综合分析Fig.2 The comprehensive analysis of altitude and ground at 08∶00 on April 17, 2020

综上所述，此次局地性强冰雹过程发生在地面辐合线附近的不稳定层结中，高原短波槽、中低层切变线和低空急流是导致此次强对流天气的主要影响系统，地面辐合线是触发此次强对流天气的重要机制。

2.2 能量和对流不稳定条件

由贵阳探空站17日08时的T-lnp图(图略)看出：从近地面到700 hPa为湿层，700 hPa以上为干层，是明显的“喇叭口”结构，0～3.0 km为暖平流，3.0～4.5 km为冷平流；08时对流有效位能CAPE=656.6 J·kg-1、K指数=36.7 ℃、SI指数=-0.83 ℃，随着午后气温升高，能量得到积聚，从订正后的T-lnp图(图略)看出午后对流有效位能CAPE和K指数分别升高到2 310.9 J·kg-1和38.4 ℃，SI指数降低到-2.0 ℃，朱乾根等[13]的研究指出，当K指数>35 ℃时会出现成片雷暴，-3 ℃

以上分析表明，在强对流发生前，大气为上干冷，下暖湿的“喇叭口”结构，并且能量条件好，层结不稳定，具备适当的H0和H-20，有利于冰雹天气的产生。

2.3 水汽和垂直运动条件

水汽条件是强对流天气发生的基本条件之一，俞小鼎等[15]的研究指出，风暴常形成于低层湿舌区或强水汽辐合区，强对流发生前(17日14时)，850 hPa上贵州南部的比湿在15 g·kg-1以上(图3a)，安顺南部(冰雹发生区)位于湿舌的顶端，具备充足的水汽条件，贵州西部的比湿梯度较大，强对流云团在贵州西部生成，并向东南方向移动发展；对发生大冰雹的站点(镇宁县六马站)做时间—高度剖面图(图3b)，结果显示，在降雹期间(17时28分—17时35分)从近地面到750 hPa附近平均相对湿度在85%左右，700 hPa以上湿度迅速降低，到650 hPa平均相对湿度已低于60%，为明显的“上干下湿”结构；从垂直速度的分布来看，垂直上升运动是从17时以后才发展起来，到20时达到最强，但20时低层水汽明显降低，中层有湿空气侵入，破坏了“上干下湿”的结构，而在17时28分—17时35分期间，虽然垂直运动不是最强，但配合适当的水汽条件和能量条件等，产生了直径为20 mm的大冰雹。

图3 2020年4月17日14时850 hPa比湿(单位：g·kg-1)和风场(单位：m·s-1)(a)镇宁县六马站相对湿度(填色，单位：%)、垂直速度(黑线，单位：Pa·s-1)及温度(红线，单位：℃)的时间—高度剖面(b)Fig.3 The specific humidity (unit:g·kg-1) and wind field (unit: m·s-1) of 850 hPa at 14∶00 on April 17, 2020(a)，Relative humidity (color filling, unit: %), vertical velocity (black line, unit: Pa·s-1) of Liuma station in Zhenning County And temperature (red line, unit: ℃) time-height profile (b)

3 雷达回波特征分析

3.1 强对流回波演变特征

4月17日15时16分对流单体在黔西南州兴仁县西北部生成，15时32分东移进入安顺市关岭县境内，15时32分—16时32分对流单体在关岭县境内缓慢东移，且大于50 dBz的强回波区范围不断扩大，16时32分强回波中心增加到60 dBz以上,并且开始出现“三体散射长钉”(TBSS)(图4a)，16时40分—16时45分关岭县普利乡降雹，冰雹直径5 mm；16时32分—17时32分对流单体逐渐向东南方向移动，TBSS长度不断增加，所经之地花江镇和沙子乡出现5～10 mm的小冰雹，由于贵州使用的是C波段雷达，在这一波段，小冰雹也可产生TBSS现象[15]，因此要判断是否会产生大冰雹还要结合其他条件；17时27分有明显的前侧入流缺口出现(图4b)，且入流缺口持续2个体扫，表明有强的入流气流进入上升气流中，有利于大冰雹的增长[16]，17时27分—17时35分镇宁县六马镇出现直径普遍在20 mm左右的大冰雹，造成严重雹灾；17时32分以后TBSS逐渐减弱消失，对流单体继续东移进入紫云县，强回波中心维持在60 dBz以上，17时54分—18时04分紫云县火花乡再次出现直径20 mm的大冰雹。

图4 2020年4月17日雷达组合反射率因子演变Fig.4 The evolution of radar combination reflectivity factor on April 17, 2020

3.2 对流单体垂直结构

由以上分析看出产生大冰雹的两个阶段(以下简称为第1阶段和第2阶段)对流单体的反射率因子特征有明显的不同，第1阶段伴有TBSS和前侧入流缺口，第2阶段没有这两个特征，下面对这两个阶段对流单体的垂直结构进行分析。

研究表明，当强回波区(45～55 dBz)伸展到0 ℃层高度以上，特别是伸展到-20 ℃层高度以上时，对强降雹的贡献潜势最大[15]，由反射率因子剖面图(图5a)看出，大于50 dBz的强回波伸展到9 km附近，大于60 dBz的强回波伸展到7.8 km附近，超过-20 ℃层高度(H-20=7.62 km)，且第2阶段的强回波中心伸展高度更高(图5b)，大于65 dBz的强回波中心伸展到7 km附近，有利于大冰雹的产生；另外，两个阶段均存在强回波悬垂和低层弱回波区，且第2阶段更明显，以上这些特征均表征了冰雹的产生。

图5 2020年4月17日反射率因子剖面Fig.5 The reflectivity factor profile on April 17, 2020

3.3 垂直累积液态含水量变化

垂直累积液态含水量VIL代表了风暴的综合强度，VIL的大值区是判断强降雹潜势的指标之一[14-15]。图6为2020年4月17日安顺降雹前到降雹后VIL的时间变化曲线，表1为降雹情况统计，将图6和表1进行对比分析发现：VIL的4个峰值区出现的时间与降雹时间对应，而降雹间歇期与VIL的低值区对应，且发生降雹前1～2个体扫VIL有跃增现象；在降雹的6个时间段VIL≥40 kg·m-2，其中在出现大冰雹的两个时间段(17时28分—17时35分、17时54分—18时04分)VIL≥50 kg·m-2，在降雹前(16时38分前)VIL呈增加趋势，降雹后(18时后)VIL呈迅速减小趋势，且这两个阶段VIL均小于30 kg·m-2；将冰雹直径与VIL进行对比分析发现：冰雹直径与VIL值成正比，在此次过程中即使是在降小冰雹的阶段VIL的最小值为38 kg·m-2，远超过刘小艳等[14]研究得出的15 kg·m-2的阈值，表明此次强对流天气过程的风暴强度较强，这是造成严重雹灾的主要原因之一。

图6 垂直累积液态含水量(VIL)时间变化Fig.6 The Vertical accumulation of liquid water content(VIL) time variation

表1 2020年4月17日安顺市降雹情况统计Tab.1 The statistics of hail in Anshun on April 17, 2020

4 结论

①此次局地性强冰雹过程发生在地面辐合线附近“上干下湿”的不稳定层结中，高原短波槽、中低层切变线和低空急流是导致此次强对流天气的主要影响系统，地面辐合线是触发此次强对流天气的重要机制。

②在强对流发生前，850 hPa比湿在15 g/kg以上，冰雹出现在850 hPa湿舌的顶端和地面高温中心附近；当中层有湿空气侵入时，破坏了“上干下湿”的结构，不利于冰雹的产生。

③C波段雷达的反射率因子图上TBSS和前侧入流缺口的共同出现，表征了大冰雹的产生，反射率因子垂直剖面图上强回波悬垂和低层弱回波区，大于50 dBz的强回波伸展到9 km附近，远超过-20 ℃层高度(H-20=7.62 km)，表明了风暴在垂直方向强烈发展，利于大冰雹的产生。

④垂直累积液态含水量VIL值在降雹前到降雹后有明显的变化，降雹前1～2个体扫VIL有跃增现象，降雹期间VIL≥30 kg·m-2，且在出现大冰雹时VIL≥50 kg·m-2，而在降雹结束后，VIL值迅速减小。