“2021-3-30”江西大冰雹超级单体的回波结构与关键机制分析

张晓芳，马中元，王立志，陈鲍发，邱雯婷

( 1.婺源县气象局，江西 上饶 333200；2.江西省气象科学研究所，江西 南昌 330046；3.中国科学院大气物理研究所，北京 100029；4.景德镇市气象局，江西 景德镇 333000)

1 引 言

冰雹的发生往往造成严重的生命、财产的损失，江西冰雹天气发生的频率较高，大冰雹也时有发生，而冰雹的出现一般都有初生、发展和减弱的过程，通过研究2021 年3 月30—31 日江西的大冰雹天气过程，找出冰雹发生发展阶段的雷达回波、强回波面积、雨量等变化的规律，试图找到它们之间的内在联系和发展规律，从而更好地做好预报服务。

国内外的一些专家学者从事冰雹研究，取得了一些成果。陈鲍发等[1]得出在江西WebGIS 雷达拼图上冰雹的预报着眼点：①60～65 dBZ（粉红色）回波范围大于10×10 km2，回波形状呈椭圆形；②30 dBZ（黄）回波界线与60 dBZ 回波界线梯度大；③60～65 dBZ 回波中心有65～70 dBZ（紫色）回波“核”；④强回波下风向有“前伸”回波结构。王研峰等[2-14]研究得出降雹对流单体低层反射率因子呈现“V”型缺口，最大回波强度63 dBZ 出现在低层，反射率因子垂直剖面呈有界弱回波区和回波悬垂；相应的径向速度垂直剖面呈中低层辐合高层辐散特征。最大反射率因子达到60 dBZ，中等强度以上中气旋，VIL值和VIL密度分别达到60 kg/m2和5.0 g/m3，50 dBZ 以上强回波区伸展到-30 ℃层高度以上。王莎等[15]利用36 个冰雹个例，得出冰雹发生时，基于风暴的最大基本反射率因子、风暴顶高、垂直累积液态水含量平均值分别为62 dBZ、9.9 km、51.6 kg/m2。江慧远等[16]分析福建漳州冰雹的回波特征，发现在降雹过程中，最强回波达69 dBZ，三体散射回波径向长度达16 km，旁瓣回波切向宽达20 km，低层的钩状回波与入流缺口明显。文献[17-19]得出大冰雹风暴单体发展非常旺盛，最大反射因子超过65 dBZ，其高度都达到5 km 以上；0 ℃和-20 ℃层高度上的最大反射率因子均超过54 dBZ。李晓霞等[20]得出中尺度对流系统MCS，是造成冰雹等强天气的主要影响系统，且强对流区主要位于云顶亮温TBB低值区的后部和南部。文献[21-24]研究得出闪电5 min 频次分布呈现规律变化，在降雹前4～97 min 出现频次大于20 fl/(5 min)的峰值，降雹发生前，闪电活动主要分布在对流系统的后部，闪电数较少，且以负地闪活动为主；降雹期间，闪电频数显著增加，云闪（intra cloud lightning，IC）及正地闪活动明显加强。

相关研究揭示中层干冷气流叠加在低层暖湿气流上形成对流不稳定层结，以及低层逆温为不稳定能量积聚提供了有利条件；中等强度垂直风切变有利于强对流有组织发展和维持；地形抬升是冰雹发生的主要触发机制[25-31]。相关研究对一次飑线冰雹天气过程进行分析，总结了飑线过境前后，气象要素变化比较明显，风向突变、风力猛增、气压涌升、气温急降、相对湿度上升[32-33]。张文海等[34]研究机器学习技术开发了一种冰雹识别和临近预报的人工智能算法，发现人工智能对冰雹这类非线性强天气过程具有较强的识别能力。这些研究成果对江西冰雹天气的监测预警有重要的指导意义。

利用江西WebGIS 雷达拼图平台、江西省ADTD 二维闪电监测定位系统、江西省自动气象站雨量检索平台和MICAPS 系统平台资料，对江西2021年3月30—31日冰雹天气过程和超级单体的结构特征进行分析，旨在为江西冰雹的监测预警提供理论依据。

2 资料与方法

2.1 资 料

雷达拼图数据来源于江西WebGIS 雷达拼图平台；雷电数据来源于江西省ADTD 二维闪电监测定位系统；雨量数据来源于江西省自动气象站雨量检索平台；TBB 云图来源于MICAPS 系统平台。

采用数理统计、相关性分析和统计学等分析方法，得出回波强度、强回波面积、雨量、闪电频数、冰雹大小等五要素之间的关系。收集回波强度、强回波面积、雨量、闪电数据；对收集获取的冰雹数据进行数值量化处理，划分为：无（0）、小（1）、中（2）、大（3）四种类型，并对雷达拼图冰雹回波特征、TBB云图超级单体亮温特征等进行分析。

2.2 方 法

2.2.1 操作流程

打开江西WebGIS雷达拼图平台，选取左上角的雷达拼图图标，右侧项目栏设置：资料选取分钟，站点类型选取国家站和自动站，关注的区域选取省际区域（注：以江西省为中心及周边6 省部分区域称为：省际区域），站点统计信息选取10 min，日期时间选取需要查找的雨量数据。右下角浮动窗口设置：选择地图简易图，去除数值和等值面选项，保留市界、县界、站点选项。拖动左上角地图放大和缩小的图标，将地图大小控制在8.00 位置。左下角的日期时间选项选择需要查找的回波数据，注意选取的日期时间必须和右侧选取的雨量时间一致。跟踪一块强回波单体的移动路径，记录最强的回波大小、回波强度大于45 dBZ 的面积和对应的最大的10 min雨量。

2.2.2 五要素规范

（1）回波强度。在江西WebGIS 雷达拼图上选取最强回波为回波强度，（2）强回波面积（σ）。选取最强回波强度周边45 dBZ 以上覆盖范围计算强回波面积（以雷达拼图左下角的比例尺为标准，回波面积= 长× 宽）。（3）雨量。对应强回波面积之下的国家站（区域站）10 min 最大雨量值。（4）闪电次数（Lf），根据江西省ADTD 二维闪电监测定位系统读取强回波面积覆盖及周边闪电数据，以1 小时为单位。（5）冰雹大小（Hi），在江西WebGIS 雷达拼图上划分为四种：无冰雹（地面无固态降水）回波强度≤60 dBZ，数值量化为0；小冰雹（雹径≤5 mm）回波强度60～65 dBZ，数值量化为1；中冰雹（雹径5～20 mm）回波强度65～70 dBZ，数值量化为2；大冰雹（雹径≥20 mm）回波强度≥70 dBZ，数值量化为3。为了在图上直观显示，冰雹的数值单位扩大10倍。

3 天气实况与天气背景

3.1 天气实况

2021 年3 月30—31 日，江西出现罕见的大冰雹天气过程。冰雹自西向东横扫铜鼓、宜丰、上高、高安、奉新、新建、南昌、进贤、余干、乐平、景德镇、婺源等地，其中铜鼓、南昌市等地还出现罕见大冰雹，最大雹径超过80 mm，呈放射状，普通雹径也在20～50 mm（图1）。这次江西大冰雹事件，无论是超级单体回波之强、维持时间之长、影响范围之广和冰雹直径之大都是历史罕见的。

图1 2021年3月30—31日江西大冰雹实况图

2021 年3 月30—31 日，江西出现的雷暴大风较少且小。30 日20 时—31 日20 时（图略，北京时间，下同），大冰雹所经之地，国家站记录极大风速≥17.2 m/s 有7 站，最大风速23.3 m/s（南昌市）；区域站记录极大风速≥17.2 m/s 有33 站，最大风速23.3 m/s（南昌市）。这次过程最大风速发生在赣州市信丰（28.0 m/s），但远离大冰雹发生地。

2021年3月30 —31日江西出现的降水较少且小。30 日20 时—31 日20 时（图略）大冰雹所经之地，国家站记录雨量≥30.0 mm/（24 h）的有9 站，最大雨量91.1 mm/（24 h）（景德镇）；区域站记录雨量≥30.0 mm/（24 h）的 有183 站，最 大 雨 量103.0 mm/（24 h）（景德镇市官庄村）。

这次大冰雹过程主要影响赣北和赣中北部，维持时间很长。一是超级单体的生命史很长；二是冰雹天气维持时间很长。从2021 年3 月30 日20 时—4 月1 日凌晨，江西北部和中部受到多次冰雹回波系统影响。表1 是回波面积与雨量对照关系统计表。

表1 回波面积与雨量对照关系统计表

由此可见，2021 年3 月30—31 日大冰雹天气过程，雷暴大风和降水比江西春季历史上出现的强对流天气过程较少且小，但冰雹站数、影响范围、维持时间、冰雹直径和回波强度都超过历史上其它强对流天气个例，冰雹出现时次普遍有强回波面积范围大、雨量小的特征。

3.2 五要素动态曲线图

2021 年3 月30—31 日江西连续两天出现大冰雹天气过程，是由超级单体和带上超级单体所致（图2）。五要素包含：回波强度、强回波面积（σ）、雨量、闪电次数（Lf）和冰雹直径（Hi）。

图2 2021年3月30日20时—31日23时江西冰雹五要素统计分析图

由图2可以看出五要素基本上成正相关，冰雹出现时回波中心大于60 dBZ；强回波面积增大，最大超过4 000 km2；闪电次数普遍超2 000 fl/h；10 min雨量偏小（普遍小于20 mm），但与冰雹情况成正相关（图2中冰雹曲线扩大10倍）。

3.3 天气背景

2021 年3 月30 日20 时（图3），高空低槽位于重庆至贵州西部，槽前有明显的西南急流，500 hPa 长沙西南风26 m/s，南昌风速为30 m/s；700 hPa 长沙西南风风速为23 m/s，南昌20 m/s；850 hPa 长沙西南风风速为14 m/s，三层急流在江西西北部汇合，南昌位于汇合区附近。汇合区上空赣北200 hPa有分流区，高空辐散意味着加强上升气流的抽吸，加强近地面辐合，除了动力抽吸作用，温度分布的特点是：低温区（图3a，图3b）。低层850 hPa 在江西中北部及其以东地区有明显偏东南气流，925 hPa 南昌东南风风速为12 m/s，即伴有超低空急流。低层的明显偏东气流与急流一方面把东海上空水汽输送至对流区上空，另一方面与西部的西南急流、北部偏东急流产生剧烈辐合，同时在垂直方向上随高度增加东南风转西南风形成明显的暖平流，为上升运动提供了支撑。850 hPa 切变线位于湖南中部至赣北，切变线上有西南风与东南风的剧烈辐合，是对流触发的重要天气系统，切变线以南在700 hPa有一急流轴从湖南南部伸向赣西北。低层暖湿，850 hPa 以下为饱和区，700 hPa 开始变干，500 hPa 湖南中部有明显干区，长沙T-Td= 38℃，随着槽前西南急流东移，干区移至赣北、赣中上空，“上干下湿”结构为冰雹等强对流发生提供了有利条件。低层（850～925 hPa）有暖脊发展，暖脊从广西经湖南南部伸向赣北、赣中，南昌上空T850-500hPa= 28 ℃，低层温度偏高，且高低空温差大，为强对流的发生提供了重要热力条件与触发机制。此时，850 hPa 南昌的Td为16 ℃，比湿为14 g/kg，表明水汽条件充沛。

从探空图上看到（图3c，图3d），此次大冰雹过程，在500 hPa 有明显干层侵入或发展，受长沙等地干区东移影响，南昌T-Td从30 日晚20 时的8 ℃增至31 日08 时22 ℃。中层急流非常强盛，30 日20 时600 hPa 西南急流强度达28 m/s，500 hPa 达30 m/s，与底层偏东风构成了强风垂直切变，0～5 km 的风垂直切变超过30 m/s。同时，SI 指数异常偏 小，30 日 晚20 时 为-5.94 ℃、31 日08 时 为-4.74 ℃，达到或超过冰雹等强对流天气发生的阈值。K 指数从30 日晚20 时的35 ℃增至31 日08时39.1 ℃，表明不稳定能量等条件也异常偏强。CAPE(对流有效位能)中等，31 日08 时经过订正，南昌CAPE值为848.5 J/kg。

由此可见，本轮强对流天气的重要天气系统有中低层多层西南急流、地面倒槽、低层切变线，同时伴有低层暖脊、“上干下湿”等有利于强天气发生的温、湿条件。水汽条件充沛、大气层结不稳定，且伴有较强的不稳定能量。但与3—4 月江西典型强对流天气不同的是没有明显冷空气入侵背景，强对流发生时高空低槽也没有明显东移，强对流的发生、发展与中低层切变线附近辐合、低层暖脊发展、西南急流脉动有关，是典型暖区强对流型结构。因此，只要满足水汽、不稳定、抬升三大基本条件，在强的层结不稳定、强不稳定能量、强辐合触发等作用下，冰雹、雷暴大风等强对流天气就能发生发展。

4 回波系统廓线演变与五要素动态曲线图

2021 年3 月30 日，江西出现一次罕见的大冰雹天气过程，南昌冰雹超过历史记录，多地出现≥50 mm 的大冰雹。产生强烈冰雹天气的回波系统是由湖南东南部产生并移入江西的超强超级单体回波系统所致（图4a）；伴随超级单体回波的五要素动态曲线，体现出超级单体五要素曲线在高位上运行（图4b）。

20:00，湖南境内生成对流回波单体，沿500 hPa高空风向东北偏东方向移动。20:40，湖南对流单体回波发展加强，最强回波达到60 dBZ。21:00，对流回波发展过程中分裂成两个回波单体：A1 回波系统向东北方向移动，期间有所发展加强，但没有影响江西，于22:40 减弱消散；A 回波是影响江西的主要回波系统，22:00，在向东移动过程中发展成为强烈的超级单体回波系统，22:00，A 超级单体回波影响铜鼓，回波强度达到70 dBZ以上，强回波面积较大，造成铜鼓出现较大尺寸冰雹。22:40，回波强度有所减弱，影响宜丰北部，出现小冰雹。之后，A 超级单体回波强度保持在60 dBZ 左右约40 min。23:20，A 超级单体回波重新发展起来，中心强度达到65 dBZ。23:40，A超级单体回波猛烈发展起来，中心强度达到70 dBZ，强回波面积不断扩大，一直保持在3 月31 日01:00，连续80～100 min 维持超强超级单体回波结构，造成沿途大范围出现大冰雹天气，其中，南昌冰雹尺度超过80 mm。23:20—01:00，A 超级单体回波还有一个明显特征：形成南北走向的“盾”型回波结构，即超级单体的云砧向北竖起来，像古代盾牌一样。这种“盾”型回波结构，在江西其它冰雹个例中，但凡强烈一些的冰雹回波经常出现。

A 超级单体回波系统从铜鼓进入江西境内，回波强度（维持在60 dBZ 以上）、强回波面积（超过10×10 km2）、10 min 雨量（20～30 mm/h）、闪电次数（维持在3 000 fl/h 高位）和冰雹大小曲线（两个高峰区）基本成正比关系。

2021 年3 月31 日，江 西 出 现5 次不同强度不同回波系统影响的冰雹天气过程（其中3次出现较大冰雹，2次出现较小冰雹）。这些冰雹回波系统，一是由湖南与江西交界处产生；二是在江西宜春北部山区产生。5 次冰雹回波系统由超级单体和回波带上超级单体两种形式所致，与3 月30 日超级单体大冰雹个例有相同之处，受到篇幅限制，3月31日的5次冰雹过程描述省略。

由此可见，3 月30 日江西大冰雹过程的雷达回波系统具有以下几点特征：一是回波强度超强，基本上维持在60 dBZ以上，大冰雹发生在70 dBZ回波中；二是强回波面积超大，大冰雹发生与超大强回波面积紧密相关；三是超级单体发展旺盛时出现“盾”型回波特征。四是超级单体回波强度、强回波面积、10 min 雨量、闪电次数和冰雹大小曲线成正相关。

5 冰雹回波典型特征

5.1 雷达拼图典型回波特征与统计

5.1.1 超级单体和带上超级单体回波特征

3 月30 日16 时40 分—31 日23 时50 分，江西境内陆续出现16 次冰雹回波（图5），主要由超级单体回波（7 次）和回波带上超级单体或弱超级单体回波（9次）组成。

图5 2021年3月30—31日 雷达拼图典型冰雹回波特征图

超级单体回波中心强度65～75 dBZ，具有明显的强回波核（≥70 dBZ）；强回波面积750～4 000 km2；强回波梯度较大1～5 km；下风方向有大片中等以下强度的“前伸”云砧回波（图5a～5f，图5k）。

回波带上超级单体或弱超级单体回波中心强度65～70 dBZ，有些个例具有明显的强回波核（≥70 dBZ）；强回波面积750～1 500 km2；强回波梯度较大2～5 km；下风方向有大片“前伸”云砧回波，由于叠加在其他强回波上而显现不出。

5.1.2 回波特征参数统计

通过对回波系统的回波强度、强回波面积、强回波梯度和回波形态的描述，16 次冰雹个例统计见表2。

表2 2021年3月30—31日江西16个冰雹个例回波参数统计表

由此可见，2021年3月30—31日，江西连续两天出现冰雹天气，局部地区出现≥50 mm 的大冰雹，影响的回波系统主要有超级单体和带上超级单体回波所致。超级单体回波系统是造成江西冰雹天气的重要的回波系统类型，它的回波中心强度≥65 dBZ，中心出现≥70 dBZ的回波核；60 dBZ回波面积都≥10×10 km2；30～60 dBZ 强回波梯度（最密集区域）都≤6 km；超级单体具有深厚延的云砧形成的“前伸”回波结构，带上超级单体的“前伸”回波，由于受到其它强回波的影响被遮挡。

5.2 超级单体TBB云图亮温和雷达拼图特征

5.2.1 TBB云图亮温特征

超级单体回波在TBB云图上显示为中尺度对流系统MCS（图6），A 和B 超级单体MCS 比较经典，最低亮温达到-109 ℃；MCS 西南端亮温梯度线十分密集，与超级单体雷达回波的强回波梯度相对应；MCS 表现的云砧结构与超级单体雷达回波的“前伸”回波相对应。

图6 2021年3月30—31日TBB云图亮温特征 a.30日21时；b.30日22时；c.30日23时；d.31日00时。

A 超级单体MCS 发生在江西南部，B 超级单体MCS 发生在江西北部，在TBB 云图上，AB 两个MCS形态、亮温强度基本差不多，但产生的天气却不同。A-MCS 只是产生一些雷暴大风和短时强降水天气，B-MCS却出现了罕见的大冰雹事件，最大冰雹直径达到100 mm。

5.2.2 TBB云图亮温与雷达拼图对比

超级单体MCS 在TBB 云图上显示（图7a、7b），两个不同时刻AB 超级单体MCS 具有相似的亮温结构，甚至可以看出A 超MCS 亮温略低于B超，但是，AB 超级单体MCS 却产生不同天气。用相同时间的江西WebGIS 雷达拼图来对比AB 超级单体MCS，可见，尽管都具有超级单体结构，但在雷达拼图上明显存在回波强度的不同（图7c、7d）。

图7 2021年3月30—31日TBB云图和雷达拼图对比图 a.30日21时TBB云图；b.31日00时TBB云图c.30日21时雷达拼图；d.31日00时雷达拼图。

3 月30 日21 时（图7c），江西南部A 超级单体回波强度只有55 dBZ；31 日00 时（图7d），江西北部B 超级单体回波强度却达到70 dBZ，00:20 回波强度甚至超过70 dBZ，回波强度比南部A 超级单体高出三个量级（1 级/5 dBZ）。雷达拼图回波特征很好地揭示了超级单体强度结构，弥补了TBB云图亮温带来的误差。从江西冰雹历史个例分析得知，江西冰雹雷达拼图回波强度要在≥60 dBZ（粉红色）才会出现冰雹，大冰雹回波强度要超过70 dBZ。表3 给出这次过程TBB 云图亮温与雷达拼图回波强度的对比关系。

表3 2021年3月30—31日江西冰雹TBB云图亮温与雷达拼图回波强度的对比

由此可见，冰雹超级单体TBB 云图MCS 有“前伸”云砧结构，亮温低（-100 ℃左右）、梯度线密集等特征，但这些特征还需要结合雷达拼图回波来揭示超级单体强度结构。南北地域差异是导致TBB 云图亮温指示冰雹误差的原因之一；也有可能雷暴大风和短时强降水天气。

6 结论与讨论

利用江西WebGIS 雷达拼图平台、江西省ADTD 二维闪电监测定位系统、江西省自动气象站雨量检索平台和MICAPS 系统平台资料，对江西2021年3月30—31日大冰雹超级单体组合反射率CR 回波强度、地面雨量、TBB 云图与ADTD 雷电信息等特征进行分析，试图为江西大冰雹超级单体的监测预警提供理论依据。

（1）2021 年3 月30—31 日大冰雹天气过程，雷暴大风和降水比江西春季历史上出现的强对流天气过程较少且小，但冰雹站数、影响范围、维持时间、冰雹直径和回波强度都超过历史上其它强对流天气个例。汇合区上空赣北200 hPa 有分流区，高空辐散意味着加强上升气流的抽吸，加强近地面辐合，除了动力抽吸作用，温度分布的特点是低温区。

（2）此次过程中最强回波、10 min 雨量与冰雹大小成正比；10 min 雨量变化提前于冰雹的出现；强回波面积和雷电次数普遍正相关。

（3）超级单体回波系统是造成江西冰雹天气的重要的回波系统类型。超级单体回波中心强度≥60 dBZ，中心出现≥70 dBZ的回波核；60 dBZ回波面积都≥10×10 km2；30～60 dBZ 强回波梯度（最密集区域）≤6 km；超级单体具有深厚和蔓延云砧形成的“前伸”回波的盾形结构。

（4）冰雹超级单体在TBB 云图上具有中尺度对流系统MCS 结构，MCS 西南侧亮温最低（-100 ℃左右），梯度线密集，MCS 东北侧有云砧形成的云系等特征；在TBB云图上，超级单体云系基本差不多，但这些TBB 云系是否会出现冰雹？还需要结合雷达拼图用回波来揭示超级单体结构。

江西冰雹分为几个类型：初春季节的冷区和暖区冰雹，这个时期的冰雹回波强度不一定很强，有时55 dBZ回波即可出现降雹；进入3月份后，江西地面气温开始增温，在强对流天气条件下的暖区中，极易形成超级单体回波，或在外来飑线回波带影响下，江西容易出现较大范围的冰雹天气；有时5—8 月，在一些发展十分旺盛，回波顶高超过18 km的超级单体中，也会出现冰雹。这些有待进一步收集资料开展研究工作。