“2021.05.10”新余冰雹超级单体风暴回波分析

李栩婕，马中元，李欢欢，袁 春，肖 云

( 1. 新余市气象局，338000，江西，新余；2. 江西省气象科学研究所，330046，南昌)

0 引言

强对流天气包括：冰雹、雷暴大风、短时强降水、强雷电等天气现象。强对流天气具有突发性、强度大、局地性强等特点，往往造成严重的人员伤亡和经济损失。冰雹的产生主要与风暴中强烈的上升气流有关，而雷暴大风主要由强对流风暴(超级单体或多单体风暴)或与飑线、与锋面有关的带状对流中处于成熟阶段单体的下沉气流在近地面处向水平方向扩散形成的辐散性阵风而产生[1]。

国内许多气象工作者对冰雹和雷暴大风天气已经开展了很多研究[2-12]。例如：金米娜等[2]利用常规观测资料和卫星、雷达、自动站等非常规观测资料以及NCEP再分析资料，对2013年3月19日江西省大范围冰雹天气过程形成原因进行分析，指出0 ℃层高度一般在600 hPa上下，约4 km高，有利于冰雹的产生。李聪等[8]利用地基微波辐射计、风廓线雷达和雨滴谱仪等观测资料分析了南京的一次冰雹过程，指出较大的对流不稳定能量和相对强的深层垂直风切变构成了强冰雹产生的有利环境条件。李丽丽等[5]分析指出，单体回波在发展和降雹阶段均可见明显的回波悬垂，在强雷暴单体的PPI图上还可见“V”型缺口和钩状回波特征。陆飞等[11]利用常规观测资料、地面加密资料、卫星云图、微波辐射计及雷达探测资料等对2021年7月15日江苏省一次强冰雹过程进行分析，指出多单体风暴中组合反射率60以上且回波顶高超过17 km区域与冰雹发生地较吻合。这些研究成果对本文有指导作用。

2021年5月10日下午新余东部发生一次强对流天气过程，期间出现雷暴大风和大冰雹，引起公众和媒体高度关注，中国天气网等媒体均对该过程有相关报道。本文利用常规观测资料、多普勒天气雷达资料和地面加密观测站资料等，分析了新余此次强对流天气的环境场及其雷达回波特征，期望为今后预报此类强天气并及时发布相关预警信息提供参考。

1 资料来源与天气实况

1.1 资料来源

风速资料来源于江西省查询系统平台国家站和区域站风速数据；天气图资料来源于MICAPS系统平台中分析方法；探空资料T-lnP 图来源于MICAPS系统平台；雷达资料来源于江西WebGIS雷达拼图和吉安SA雷达产品。

1.2 天气实况

2021年5月10日16:00—17:00，新余东部出现一次暖区对流天气过程，随着对流单体自南向北逐渐移过，新余东部出现局地冰雹、雷暴大风和强雷电等强对流天气，如图1(a)所示，新余站出现6站次雷暴大风，最大为南岗站的23.4 m/s，在16:12左右新余市罗坊、姚圩、鹄山、北岗和水西等地突降直径2 cm左右的冰雹。图1(b)中新余总雷电次数共计853次，其中正闪423次，负闪430次。新余市罗坊、南岗、马洪16:00-17:00每5 min温度变化趋势图(图略)可得，在16:10—16:20，新余罗坊由31.1 ℃降至23.4 ℃、南岗由32.5 ℃降至23.5 ℃、马洪由33.7 ℃降至26.6 ℃，这3个站在10 min内快速降温7～8 ℃，与冰雹天气发生时段一致。可见此次对流过程具有持续时间较短、强天气剧烈、影响范围较局地等特点。

图1 5月10日极大风速图(a)和雷电分布图(b)

2 天气形势和物理量分析

2.1 天气形势

从5月10日08:00天气形势配置图(图略)可以看出，500 hPa上贵州西部有一个南支槽不断东移并有温度槽落后使之不断加深。700 hPa在重庆南部和湖南北部有低涡切变并伴有一只西南急流，同时武汉和安徽南部有露点锋存在，850 hPa和925 hPa有一支西南急流向江西输送水汽和能量并伴有低涡切变，T850-500为25～28 ℃，925 hPa暖脊发展与850 hPa上Td为15 ℃的高湿区在赣北叠加，与500 hPa干区形成上干冷下湿暖层结，地面有西南倒槽从重庆贵州北部、湖南中北部伸向赣西北，热低压发展，造成局地冰雹、雷暴大风和强雷电等强天气发生。

2.2 物理量分析

从5月10日08:00冰雹、大风发生前的探空图上(图略)看，SI指数低于-3 ℃，风暴强度指数SSI超过了300，订正后南昌站对流有效位能CAPE数值超过了2 000 J/kg，表明大气层结为不稳定状态且不稳定能量较强，抬升凝结高度LCL低，湿球0°层高度WBZ为3.57 km，-20 ℃等温线高度为7.74 km，这些指数特征有利于产生冰雹大风天气。从5月10日08:00的露点温度Td以及比湿Q值(图略)来看，850 hPa江西、湖南境内Td、Q在15 ℃和13 g/kg以上，近地面层为暖平流，600 hPa以上为弱的冷平流，且当日午后地面温度高达32.8 ℃，低层的高温、高湿的持续导致不稳定能量持续积累，而700 hPa的Td和Q分别只有3～4 ℃和8 g/kg，700～400 hPa之间为干层，表明江西境内湿层不深厚，具有明显的上干下湿结构，这不利于产生大范围暴雨天气，而对冰雹、大风等强对流天气发生有利。0～3 km和0～6 km的风矢量差为9 m/s和8 m/s，俞小鼎[13]指出有时虽然0～6 km风矢量差不大，但期间某一层具有很强的垂直风切变，也往往可以发生有组织程度的强对流，5月10日08:00时700 hPa垂直风切达12 m/s，对新余超级单体冰雹的产生起到重要的作用。

由此可见，不稳定能量的建立、明显的上干下湿结构、南支槽不断东移加深、中低层切变、中低层西南急流、地面倒槽和热低压发展以较强风暴强度指数SSI、较大的对流有效位能 CAPE以及较低的抬升凝结高度LCL等多个有利条件共同影响，是构成新余局部冰雹、雷暴大风和强雷电天气的环境条件。

3 雷达回波特征分析

3.1 雷达拼图回波特征

在雷达拼图组合反射率CR产品上，5月10日14:10分(图略)，3块回波单体在吉安县生成，并不断发展且向东北移动；15:00时(图2(a))，其中2块强单体合并，于15:20合并形成超级单体(图2(b))，中心强度达到70以上；15:40(图2(c))，超级单体在进入新余的过程中受山体阻挡，回波强度有所减弱为65；16:00进入新余后(图2(d))，60强回波面积明显扩大，新余市部分乡镇开始出现冰雹；16:20超级单体回波强度达到最强(图2(e))，中心最大回波强度达到70以上，给新余市东部多个乡镇带来了雷暴大风、冰雹等强对流天气；16:30超级单体移出新余(图2(f))，强度比较强，并继续对下游地区产生影响。

(a)15：00；(b)15:20；(c)15:40；(d)16:00；(e)16:20；(f)16:40图2 2021年5月10日雷达拼图组合反射率CR演变图(单位/dBZ)

3.2 冰雹雷达回波剖面

2021年5月10日新余冰雹大风主要集中在16:00-17:00(约1 h)，为了说明其雷达回波和径向速度特征，使用吉安SA多普勒雷达16:10的数据，制作不同仰角反射率因子BR、径向速度BV、回波顶高ET、垂直积分液态水含量VIL、垂直累积液态含水量密度VILD等产品图进行分析。

2021年5月10日16:10(图3(a))，雷达拼图组合反射率图，此时超级单体风暴位于罗坊、姚圩镇，由于三体散射长钉回波较弱，在雷达拼图组合反射率CR图中被覆盖。从吉安雷达不同仰角反射率因子图(图3(b)、(c)、(d)、(e)、(f))，三体散射特征明显。1.5°、2.3°仰角(图3(b)、(c))罗坊、姚圩镇附近出现伸出超级单体强回波区的“指状”回波，“指状”回波表明与强烈暖湿入流伴随的上升运动有助于冰雹生成和发展[14]，“指状”回波一侧反射率因子回波梯度较大；高仰角(图3(d)、(e)、(f))，伸出超级单体的回波上方为强反射率因子核心区，同时，4.3°仰角上强回波的北侧，径向方向上出现了明显的三体散射回波(吉安雷达站位于其西南偏南方向)，三体散射回波预示着冰雹的出现。

(a) 雷达拼图组合反射率CR； (b) 吉安雷达 1.5°仰角反射率因子； (c)吉安雷达 2.4°仰角反射率因子； (d)吉安雷达 3.4°仰角反射率因子； (e)吉安雷达 4.3°仰角反射率因子； (f)吉安雷达 6.0°仰角反射率因子；单位/dBZ图3 2021年5月10日16:10 雷达拼图组合反射率CR和16:08吉安雷达产品图

2021年5月10日16:10，吉安雷达4.3°仰角反射率因子图(图4(a))，此时雷达回波中心强度高达74 ，属于典型的超级单体风暴结构。沿垂直剖面线的反射率因子垂直剖面RCS(图4(b))，50强回波顶高达到11.1 km，超过-20 ℃等温线高度(7.7 km)，70 强回波悬垂中高空，冰雹累积区较大。4.3°仰角径向速度图上(图4(c))，白圆圈处出现辐合型速度对，存在中层径向辐合；6°仰角径向速度图上(图4(d))，白圆圈处出现辐散型速度对，表明高层有径向辐散，高层径向速度辐散和中低层径向速度辐合有利于风暴的发展和维持。

(a)组合反射率CR单位/dBZ；(b)沿剖线反射率因子垂直剖面RCS；(c)4.3°径向速度；(d)6.0°径向速度图4 2021年5月10日 16:08吉安雷达产品图

超级单体回波顶高ET(图略)发展至12～15 km，超级单体中心垂直积分液态水含量VIL(图略)其值高达70 kg/m2，表明云中含有较大的雹胚增长，垂直累积液态含水量密度VILD(图略)，达12 kg/m3；雷达冰雹探测算法导出的强冰雹概率(POSH)达 90%以上，这些产品特征均预示出现大冰雹的可能性很大。

上述分析表明，超级单体风暴中组合反射率CR达到70以上、50强回波顶高11.1 km超过-20 ℃等温线高度7.7 km、有明显的回波悬垂以及三体散射回波结构；产生冰雹的超级单体具有垂直积分累积含水量VIL和密度VILD的值很大达到上限，中层有径向速度辐合，高层有径向速度辐散，有利于风暴的发展和维持。

4 结论与讨论

经过以上分析，得到以下结果。

1)南支槽不断东移加深、中低层切变、中低层西南急流、地面倒槽和热低压发展等多个有利条件的共同影响，是构成新余局部冰雹、雷暴大风的天气背景。

2)各项探空资料环境参数均预示了强对流的发生，具有明显特征的是该次强对流天气过程发生前具有具有较强风暴强度指数SSI、较大的对流有效位能 CAPE以及较低的抬升凝结高度LCL。

3)超级单体回波组合反射率CR达到70以上、50强回波顶高11.1 km超过-20 ℃等温线高度7.7 km、有明显的回波悬垂以及三体散射回波结构。

4)产生冰雹的超级单体具有垂直积分累积含水量VIL和密度VILD的值很大达到上限，中层有径向速度辐合，高层有径向速度辐散，有利于风暴的发展和维持。

上述通过研究环境场和雷达回波特征，对新余“5.10”风雹天气过程进行了分析，初步得到上述几点结论，为强对流天气识别与短时预报业务提供技术支撑。但此次过程回波由西南朝东北方向移动，这与旺盛的西南急流关系密切。随着其它观测设备的增加和探测手段的完善，提高在该天气背景下出现的超级单体风暴的预报能力，为灾害性天气的监测和预警提供更多参考依据。