贵州一次暖区飑线大风与大冰雹的雷达结构特征分析

许 可，杜小玲，周文钰，齐大鹏，顾天虹

(贵州省气象台，贵州 贵阳 550002)

0 引言

飑线是由若干排列成行的雷暴单体或雷暴群所组成的风向、风速发生突变的狭窄的强对流天气带。飑线过程中伴随的雷暴大风是指雷暴与大风相伴的天气现象，当观测出现≥17 m/s以上的大风，即确定为雷暴大风(飑线大风)。冰雹是由强对流天气系统引起的一种剧烈的天气现象，大冰雹是指降落到地面时直径超过20 cm的冰雹[1]。近年来，国内外有关飑线大风和大冰雹的预报预警方法和监测识别技术的研究已有很多成果。周长青等[2]分析发现风暴天气均出现在大气层结不稳定区(T850-500≥25 ℃，T700-500≥15 ℃、上干下湿)与干线、地面辐合线重叠的区域。陈云辉等[3]研究表明风廓线雷达产品1 km以下大风速区提前雷暴大风30 min出现，对临近预警有一定参考价值。康红等[4]利用多部多普勒天气雷达资料反演飑线风场结构，发现飑线后方入流最早出现在系统后部的层状区中,在飑线中段的中尺度涡旋对和地面冷池的共同作用下,后方入流向前延伸并穿过对流区下沉到达地面。贵州近几年来积极开展对大冰雹和雷暴大风的研究，研究主要集中在产生这两种强对流天气的大尺度天气背景、层结不稳定条件、水汽条件、抬升触发条件等，取得了一定的进展。李力等[5]统计了贵州雷暴大风时空分布特征, 建立多指标叠套雷暴大风落区预报方法，结果表明预报落区与雷暴大风实际发生区域有较好的一致性,但仍然需要预报员根据环境条件做出订正。王君军等[6]对贵阳一次飑线天气过程进行中尺度特征和雷达分析，发现飑线回波前沿的反射率因子梯度大,强回波质心高度下降、后侧伴有入流急流、中层径向辐合等特征对大风预报具有一定的预示作用。万雪丽等[7]利用贵州2000—2012年春季的气象资料,依据强对流天气发生的动力条件和层结稳定情况,将贵州春季强冰雹事件进行不同类型的分类研究。但是与其它省份比较，贵州对飑线大风和大冰雹的研究还是比较少，由于飑线大风和大冰雹具有突发性、局地性、持续时间短、破坏性强等特点，对社会经济、人民生命财产安全造成很大危害，目前仍然是短临预报业务和研究的重点和难点。因此，开展大冰雹和雷暴大风天气过程个例分析和预报预警技术研究，减少大冰雹和飑线大风对社会经济、人民生命财产安全造成的损失具有重要意义。

2020年3月23日贵州省一次飑线大风和冰雹天气过程给贵州中西部和南部地区二十多个县市造成了严重影响，其中直接经济损失在8 914万元以上，主要包括农作物受灾2 376.98 hm2、绝收294.19 hm2，农户房屋遇袭受损1 373间，部分农业生产基础设施以及车辆受损等。本文主要从强对流产生的环境背景场和雷达回波两方面探讨有利于本次大冰雹、飑线大风过程的有利预报预警信息，以期对贵州飑线大风和大冰雹天气预报预警提供更多参考。

1 资料来源

本文分析资料来自于日常业务常规高空和地面探测、观测资料，地面加密自动站分钟数据资料，榕江站、贵阳站C波段多普勒天气雷达逐6 min探测资料。

2 天气实况

2020年3月23日13—23时(北京时，下同)贵州省中西部及南部地区出现了大范围冰雹天气，并伴有局地雷暴大风，贵州南部地区出现飑线大风天气。本次过程有23市县出现降雹，有23市县出现雷暴大风(图1)，其中黔南州长顺县鼓扬镇最大冰雹直径35 mm，黔西南州望谟县油迈乡最大风速30.6 m/s。

图1 3月23日08时—24日08时冰雹(a)、极大风(b)分布图

3 环流形势和环境背景场分析

分析3月23日08时和20时 500 hPa形势场可以看出，亚洲中高纬地区是两槽一脊，南支槽在95°E附近维持，贵州受南支槽前西南气流影响，西南风16 m/s，在川南有弱高空槽东移影响贵州，从涡度平流分析，贵州处于正涡度平流区，有利于抬升；从700 hPa形势场分析，08时贵州受西南气流影响，贵阳西南风10 m/s，到20时贵阳西南气流增强到12 m/s,水汽维持在5～6 g/kg之间；从850 hPa形势场分析，08时贵州南部地区受切变影响，广西北部偏南风2 m/s，中南部地区水汽在9～12 g/kg之间，夜间偏南气流增强到6～12 m/s，切变线北抬到贵州西北部地区，中南部地区水汽在7～13 g/kg之间，中部地区水汽有所下降，南部地区小幅增强，总体上贵州地区中层较干，低层水汽充沛；省的中南部地区 08时T850-500≥27 ℃，T700-500≥19 ℃，20时T850-500≥29 ℃，T700-500≥19 ℃,说明贵州中南部地区总体处于层结不稳定状态；从海平面气压场分析，中心位于云南西部的热低压发展，东北伸展影响到贵州西南部地区，增强贵州西南部地区的不稳定层结状态，从23日02时起贵州西北部辐合线维持，午后云南东部的辐合线随着热低压的发展北上进入贵州，为强对流发生发展提供有利触发条件(图2)。

图2 3月23日08时(a)和20时(b)500 hPa形势场

分析3月23日08时贵阳、广西河池、百色的探空来看，贵州中部边界层下层逆温，有干暖盖存在，省南部地区上干下湿，垂直风切变较大，有利于风暴的发展，可以增强中层干冷空气的吸入，加强风暴中下层气流和低层冷空气外流，同时风随高度顺时针旋转有利于强风暴的产生，低层云南省到贵州中西部地区的暖脊为强对流天气的发生提供能量条件，其中接近贵州南部的广西百色和河池两站的CAPE分别达到327 J·kg-1和1 038.2 J·kg-1，SI指数分别是-4.79 ℃和-3.28 ℃，百色站0～3 km和0～6 km垂直风切变分别是8.1 m/s和20.1 m/s，河池站0～3 km和0～6 km垂直风切变分别是7.6 m/s与16.6 m/s，与全省0 ℃和-20 ℃平均高度分别为3 900 m和6 900 m左右相比(在贵州省预报员手册(第二版)关于冰雹的章节中总结到贵州省适宜冰雹生成的0 ℃和-20 ℃高度分别在3 800 m和7 000 m左右)，23日的0 ℃和-20 ℃高度是适合贵州省产生冰雹的高度。到20时分析以上3个观测站的探空资料，发现贵州中部地区不稳定能量已经释放，接近贵州南部的广西百色和河池两站的CAPE分别是1 606.2 J·kg-1和1346.8 J·kg-1，SI指数分别是-4.32 ℃和-6.02 ℃，0 ℃和-20 ℃平均高度分别为4 200 m和7 300 m左右，0～3 km垂直风切变分别是12 m/s和11 m/s，0～3 km垂直风切变分别是21 m/s和11 m/s，说明贵州南部地区仍然有较强的不稳定能量。综上分析可以看出，贵州中西部及南部地区适宜冰雹和雷暴大风天气的生成发展(图3)。

图3 3月23日08时和20时贵阳(a、d)、百色(b、e)、河池(c、f)探空图

4 多普勒雷达特征分析

本文利用榕江、贵阳(直线距离长顺县60 km左右)两部C波段多普勒天气雷达资料，分析在3月23日午后到夜间出现在黔东南州榕江县的飑线大风和黔南州长顺县的大冰雹，探讨雷达资料在冰雹及飑线大风识别和短临预警中的应用。

4.1 长顺县大冰雹雷达特征分析

从3月23日13时开始，逐渐有雷暴单体在贵州西部和西北部地区发展，回波形态主要呈分散块状回波，中心最大强度45 dBz，回波最大顶高5 km，有雷雨天气出现(图略)；到16时，随着对流系统沿东西向地面辐合线发展以及多个雷暴单体的合并发展,对流系统逐渐加强,此时在毕节市、安顺市、六盘水市、黔西南州等地的回波形态主要呈紧密块状、团状回波，中心最大强度60 dBz，回波最大顶高在12 km，由于西南风强盛,可以看到云飐在雷达回波拼图上表现明显的向东北伸展,强对流系统经过的金沙、盘州、关岭、安龙等市县相继出现冰雹天气；17时30分强对流系统不断发展东移，主要在毕节市北部及安顺市、黔西南州西部，北部回波呈紧密块状，南部为多单体回波相连呈线状及团状，最强回波位于大方东北部强度达60 dBz，回波最大顶高12 km(图4)。分析强风暴单体在长顺县鼓扬镇3次降雹时间段的雷达回波，17时24分—27分长顺县鼓扬镇第1次降雹，17时23分(图5a)在贵阳雷达基本反射率图0.5°仰角上，可以观测到1个强风暴单体在长顺县鼓扬镇和代化镇之间发展，回波剖面形态呈强对流单体形态，略微向东倾斜，中心最大强度50 dBz，40 dBz强度回波伸展到7 km高度，VIL≥20 kg/m2，ET≥9 km；17时34分—35分长顺县鼓扬镇第2次降雹，17时34分(图5b)从回波剖面明显看到50 dBz以上回波风暴核心区向上伸展到9 km高度，东西向水平伸展增大，高悬的风暴核心区更加向东倾斜，已经形成回波悬垂且核心出现60 dBz以上的强回波反射率因子，VIL≥40 kg/m2，ET≥10 km；17时39分(图5c)，从回波剖面看到高悬的风暴核心区向西倾斜维持且东西向水平伸展继续增大，回波悬垂核心60 dBz以上的强回波水平和垂直方向增大明显，VIL≥60 kg/m2，ET≥15 km；17时45分(图5d)，从回波剖面看到形态上出现典型 “象鼻型”特征，50 dBz以上回波风暴核心区伸展超过9 km以上，60 dBz以上的强回波高悬在5～7 km之间，有界弱回波区正对悬垂下方，VIL≥70 kg/m2，ET≥15 km；17时53分—55分长顺县鼓扬镇第3次降雹，17时56分(图5e)，强回波呈紧密块状，回波西南方向强度梯度大，中心最大强度60 dBz，从回波剖面看到50 dBz以上回波风暴核心区下降到8 km左右且范围收缩明显，60 dBz以上的强回波高度下降到4 km以下到接地，悬垂结构不再明显，有界弱回波区消失，VIL≥40 kg/m2，ET下降到12 km，该强风暴单体进入消亡阶段。

图4 3月23日16时(a)、17时30分(b)组合反射率产品雷达拼图及最强回波剖面

图5 3月23日17时23分—56分雷达反射率因子和垂直剖面、垂直积分液态水含量、回波顶高

4.2 榕江县飑线大风雷达特征分析

本次飑线大风过程在贵州西南部地区生成并逐渐东移到贵州东南部地区减弱消亡，主要影响贵州南部地区，最大瞬时风速出现在黔西南州望谟县油迈乡，达到30.6 m/s，次最大瞬时风速出现在榕江县计划乡27.3 m/s，但是能探测到望谟县的雷达由于地形遮挡等不利因素的影响导致回波在大风发生地明显衰减，因此本文仅分析榕江县出现的飑线大风。

从榕江雷达基本反射率产品上看(图略)，21时17分贵州省三都县西面出现一条南北向的线状回波，随后线状回波逐渐演变成南北向的弓状回波，其东移过程中形状、强度少变，移速约40 km/h，造成黔南州南部和黔东南州南部多站10级以上雷暴大风。强回波主体在东移过程中逐渐合并演变为南北向线状回波，并在21时49分逐渐演变增强为南北向的飑线，飑线弓形特征明显，其尺度增大，强回波面积增大，强度维持在50 dBz以上，强中心超过60 dBz，并向东移动，飑线所经之地出现8～10级雷暴大风。本文重点分析飑线通过榕江县计划乡观测站前后的回波特征，23日22时，分别在基本反射率产品0.5°、1.5°、2.4°仰角上可以看到一条明显的弓形带状回波形成；22时05分，飑线即将通过榕江县计划观测站，分别从0.5°仰角的基本反射率产品和径向速度产品可以看到后侧入流缺口区(RIN)且径向速度在20 m/s以上(图略)；22时11分，飑线到达计划观测站(图中红点处)，分别从0.5°仰角的基本反射率产品和径向速度产品可以看到弓形回波前端反射率梯度最大部位刚刚抵达计划观测站点，径向速度图上速度零线穿过计划观测站，从基本反射率产品1.5°、2.4°仰角上可以看到飑线弓形形态完整(图6)；22时16分，从0.5°仰角的基本反射率产品看到飑线已经通过计划观测站，观测站位于后侧入流区顶端区域。分析22时—22时22分时段的径向速度产品过计划站的剖面图，可以看到该飑线中层径向辐合后侧大风区下传和大风接地的过程，以及速度零线通过观测站后，后侧大风加速的过程(图7)。通过分析榕江雷达21时06分—23时风廓线产品可以看到，在22时前平均高度在4.5 km，风速≥20 m/s的大风区在22时27分下降至3 km左右，是空气动量下传的表现(图8)。

图6 3月23日22时11分0.5°(a)、1.5°(b)、2.4°(c)仰角基本反射率和0.5°仰角径向速度(d)

图7 3月23日22时(a)、22时11分(b)、22时16分(c)、22时22分(d)过计划站径向速度剖面图

图8 3月23日榕江雷达21时06分—23时风廓线产品

5 结论和讨论

综上所述，2020年3月23日傍晚到夜间的强对流天气，500 hPa高空有南支槽，贵州处于南支槽前西南气流影响；700 hPa中层有干舌，低层有湿区，上干下湿结构；中低空有切变线；地面有热低压发展影响，风雹天气均出现在大气层结不稳定区域与地面辐合线重叠区域，水汽条件、动力条件和热力条件均较好，为本次风雹天气的发生提供了有利的环境条件。

在强对流天气发生的潜势已具备的条件下，进行短临预警时，对飑线大风天气，应重点关注低仰角速度大值区、中层径向辐合和弓形带状回波生成后移动发展对下游地区的影响；对大冰雹天气，应重点关注大于50 dBz强回波垂直扩展的高度、VIL和ET高值区的维持等。因此综合利用多种雷达产品资料能够较好地了解对流风暴的生成发展、强度、移动路径以及三维空间结构特征，对提高产生大冰雹和飑线大风的强对流天气的识别和预警水平具有十分重要的作用。