張婷婷，王培濤，王鳳嬌

(濱州市氣象臺，山東 濱州 256600)

一次長壽命超級單體風暴雷達回波特征分析

張婷婷，王培濤，王鳳嬌

(濱州市氣象臺，山東 濱州 256600)

利用常規(guī)氣象觀測資料、章丘站探空資料及濱州、濟南新一代SA天氣雷達探測資料，對2016年6月14日發(fā)生在山東中部地區(qū)一次強降雹天氣過程進行分析。結果表明：雷暴發(fā)生前大氣不穩(wěn)定能量的明顯增加，較強垂直風切變是有利于強對流天氣發(fā)生的環(huán)境條件；長壽命超級單體沿兩山之間的谷地運動，地形對雹體發(fā)生、發(fā)展起到了抬升和維持作用，對單體的移動起到了導向作用；雷暴發(fā)生前的垂直累積液態(tài)水含量(VIL)躍增對冰雹粒子的形成和增長十分有利；超長的三體散射(TBSS)、深厚而持久的中氣旋、高懸的強反射率中心、有界弱回波區(qū)以及風暴頂強烈輻散都是大冰雹發(fā)生的顯著特征。

大冰雹； 地形作用； 三體散射； 中氣旋； 有界弱回波區(qū)

引言

大冰雹是指降落到地面時直徑≥20 mm的冰雹。長期以來，國內外學者對于冰雹微物理過程及預報預警做了大量研究工作。1970年，Donaldson[1]首次利用多普勒天氣雷達觀測到超級單體的“龍卷氣旋”，也是目前廣泛使用的所謂“中氣旋”；1992年，Johns等[2]研究認為產生冰雹，尤其是強冰雹，要求對流風暴內部具有較強且持續(xù)時間相對長的上升氣流，因而較大的對流有效位能和相對強的深層垂直風切變是有利于強冰雹產生的重要環(huán)境條件；俞小鼎等[3]對一次伴有強烈龍卷的強降水超級單體風暴進行了研究；鄭媛媛等[4]對安徽一次典型超級單體風暴結構和演變進行了仔細分析；刁秀廣等[5]對山東一次長壽命風暴的回波和中氣旋產品特征與流場結構進行了分析；朱敏華等[6]、廖玉芳等[7]對我國冰雹的三體散射長釘進行了統(tǒng)計和分析；李清森[8]分析大量觀測資料認為，山區(qū)多是風暴的“源地”，在一定條件下風暴極易形成或者加強；余志敏[9]研究指出，風暴經常有“繞山沿河”運動的特點，或有由山區(qū)移向平原地區(qū)的特點。

2016年6月14日下午到夜間，魯中山區(qū)北部出現(xiàn)了大范圍的冰雹、雷暴大風、短時強降水等強對流天氣。其中章丘市觀測到了最大直徑20 mm的冰雹；淄博淄川觀測站17：37出現(xiàn)了最大直徑7 mm的冰雹，瞬時極大風速達到21.0 m·s-1；淄博周村商家鎮(zhèn)出現(xiàn)最大直徑20～30 mm的冰雹。該文利用常規(guī)氣象觀測資料、章丘站探空資料及濱州、濟南新一代SA雷達探測資料，對這次罕見的大范圍的降雹天氣過程進行了詳細分析，試圖揭示本次強降雹超級單體的結構特征及其發(fā)生、發(fā)展演變的環(huán)境背景條件，以提高大冰雹的預警能力。

1 天氣背景

此次強降雹天氣過程是在高空冷渦和地面氣旋的共同作用下產生的。前期，東北冷渦始終位于黑龍江地區(qū)維持少動，冷渦后部向蒙古國一帶伸出橫槽，13日白天橫槽南壓并逐漸加強為閉合冷渦，受此影響，13日傍晚到夜間山東中西部大部分地區(qū)出現(xiàn)強對流天氣，局地還出現(xiàn)暴雨。該階段的降水增強了近地面及低層濕度，為14日的強對流天氣的發(fā)生提供了充足的水汽條件。分析14日08時的高空圖(圖1)可見，冷渦移至華北中部地區(qū)，山東處于渦前動力上升區(qū)，另外環(huán)繞魯中、半島、渤海灣一帶，500 hPa、700 hPa及850 hPa都有明顯的風場輻合切變，表明影響天氣系統(tǒng)深厚。14時前后，地面氣旋南壓到黃河中下游，山東大部分地區(qū)處于低壓倒槽中。14日下午到夜間是橫槽轉豎的關鍵時段，觸發(fā)了不穩(wěn)定能量，致使冰雹等強對流天氣發(fā)生。

圖1 2016年6月14日08時500 hPa環(huán)流形勢場及17時海平面氣壓場(藍色實線為500 hPa等高線，褐色實線為海平面等壓線，紅色斷點線為700 hPa風場輻合區(qū)，D處為500 hPa冷渦中心)Fig.1 The 500 hPa height field at 08:00 BST and the sea-level pressure field at 17:00 BST 14 June 2016(blue solid line represents 500 hPa contour line, brown solid line represents the sea level isobars,red breakpoint line represents the 700 hPa wind field convergence area,“D” represents the cold vortex center at 500 hPa)

2 物理量診斷分析

由14日08時章丘探空資料可知，K指數(shù)為25 ℃，SI指數(shù)為0 ℃，CAPE為163 J·kg-1，大氣層結的不穩(wěn)定性并不明顯。為了更準確的判定當時的對流潛勢，使用雷暴發(fā)生前(14日12時)章丘的地面最高溫度(26 ℃)和露點(20 ℃)對其進行訂正，得到了訂正后的探空分析圖(圖略)。CAPE值增加到1 384 J·kg-1，相當于訂正前的8.5倍，指示午后大氣層結是極其不穩(wěn)定的。

雷暴中冰雹增長需在0 ℃層以上，其中，大冰雹增長區(qū)往往達到-20 ℃層附近或者更高[10-11]。14日08時對流發(fā)生之前，章丘附近的干球溫度-20 ℃層高度為7.1 km、干球溫度0 ℃層(DBZ)高度為4.1 km，而實際上冰雹融化層的高度更接近于濕球溫度0 ℃層(WBZ)高度[12]。根據(jù)俞小鼎[12]的研究，當對流層大氣整層相對濕度近乎飽和時，DBZ和WBZ高度幾乎是一樣的，但當對流層大氣尤其是對流中層或中下層存在明顯干層時，WBZ高度明顯低于DBZ高度。從T-logP圖上可以看出，中低層濕度相對較小，因此判斷WBZ的高度低于4.1 km。按照俞小鼎[12]給出的T-logP圖確定WBZ高度的方法估測WBZ高度約為3.6 km，比DBZ高度低了0.5 km?？梢姡敬芜^程冰雹融化層高度較低，這可使大冰雹順利降落到地面。

另外，從濟南雷達站的風廓線資料看，風暴產生前(14時)0～5 km的風速垂直切變達到16 m·s-1，較強的垂直風切變與上升氣流之間的相互作用能夠產生附加的抬升作用，使得風暴進一步加強與維持。

3 雷達回波特征分析

3.1 超級單體移動特征

超級單體R0移動路徑如圖2所示，14日15:15在濟南雷達站東部監(jiān)測到有對流單體開始發(fā)展，迅速加強并編號為R0，19:58結束編號，持續(xù)時間為4 h 45 min，平均移速在50 km·h-1左右。R0生成于濟南雷達站東部，隨后東偏北方向移動，穿越黃河后，單體強度迅速增強，并折向東南移動，進入章丘市。章丘位于山谷之中，南北兩側均有小型山脈，而單體R0恰好穿過兩山之間，繼續(xù)東移至淄川地區(qū)，淄川和青州之間山脈相隔，山脈之間有狹窄山谷，單體沿狹窄山谷東移，移出山脈后，在青州東南部開始分裂減弱，最終于濰坊北消失。整體來看，超級單體R0基本沿兩山之間的谷地移動，這種地形即對單體的發(fā)生和發(fā)展起到了抬升和維持作用，又對單體的移動起到了導向作用。根據(jù)所收集的資料來看，超級單體R0造成多處降雹，章丘、淄博南部多地落下猶如乒乓球大小的冰雹。

圖2 魯中山區(qū)北部地形及強降雹單體移動路徑(白色方塊表示造成災情的大冰雹降落點)Fig.2 Topography of the northern part of Central Mountain Area of Shandong (shaded) and the track (red) of hail monomer (white box shows the position and timing of disastrous large hail events)

3.2 垂直累積液態(tài)水含量特征

經過四個體掃后，R0移至黃河附近，中心強度達到60 dBZ，VIL值也在一個體掃內由20 kg·m-2躍增到45 kg·m-2，隨后一個體掃內，繼續(xù)增強到70 kg·m-2(圖 3)，VIL的躍增意味著云體內部大的粒子增加或粒子濃度的增加，對冰雹粒子的形成和增長十分有利。與此同時，對應單體回波頂來看，也由7.5 km增長到11 km以上，都表明強回波區(qū)的高度有顯著增厚、增高，刁秀廣等[13]研究認為降雹單體在成熟前期會伴有明顯的VIL躍增現(xiàn)象。此后持續(xù)到18:24，VIL中心值都維持在50 kg·m-2以上。另外，從VIL>50 kg·m-2和VIL>60 kg·m-2的面積變化情況來看，也反映出了強雷暴水平尺度的變化特征。雹體成熟階段，強雷暴的水平尺度仍有比較顯著的變化，出現(xiàn)了三次較明顯的增長過程，影響范圍更廣。

圖3 超級單體風暴中心的VIL值與VIL>50 kg·m-2、VIL>60 kg·m-2 的面積演變情況Fig.3 The change curve of VIL of the supercell storm center (dashed line), and the area variations of regions where VIL >50 kg·m-2 (black bars) and VIL >60 kg·m-2 (gray bars)

3.3 風暴參數(shù)及中氣旋參數(shù)演變特征

圖4a為風暴參數(shù)演變,包括最大反射率因子(DBZM)及其所在高度(HT)、單體頂高(TOP)和基于單體的累積液態(tài)水含量(C-VIL)。由圖可知，DBZM大致在45～70 dBZ之間變化，強盛階段DBZM維持在65～72 dBZ左右，但幅度變化不大。C-VIL在風暴初生階段和消亡階段幅度變化較大，其中在15:28—15:45時段的兩個體掃內，C-VIL由22 kg·m-2增至66 kg·m-2，表明單體內部冰相大粒子的迅速增長；18:13—18:30的兩個體掃內，C-VIL由75 kg·m-2減少至19 kg·m-2，表明單體內部冰相粒子的迅速減少，雹體強度減弱(單體距離雷達中心70 km之外，不存在靜錐區(qū)對C-VIL值的低估影響)，其他時段維持在55～75 kg·m-2之間。風雹發(fā)展過程中，TOP和HT變化幅度較大，初生階段TOP在6～8 km左右，15:39風暴TOP迅速抬高至11.2 km，但HT維持在5 km以下，表明風暴發(fā)展強烈且強回波的高度較低；16:09—16:21，TOP穩(wěn)定維持在9 km左右，風暴發(fā)展高度一般，HT由2.6 km迅速增至9 km，隨后在鄒平地區(qū)出現(xiàn)降雹；后續(xù)TOP分別在16：32—16:38，16:44—17:02，17:08—17:25三個時段迅速增至12 km以上，第一次躍增時，HT降至2.4 km，后兩次躍增，HT發(fā)展到6.5～8.5 km，分別在章丘中北部和淄博周村區(qū)出現(xiàn)降雹。以上表明，HT對于冰雹的預報更具指示意義。

產生冰雹需要強盛的上升運動，因此，風暴底的輻合和風暴頂?shù)妮椛⒈夭豢缮俚?。在速度產品中看到了明顯的中氣旋結構(圖略)。16:14，2.4°仰角上R0單體出現(xiàn)了明顯的速度對，并且負速度出現(xiàn)了速度模糊，利用退模糊計算出正負速度差達到了35 m·s-1，但是其發(fā)展厚度不高。16:26中氣旋的厚度逐漸增加，風暴底的輻合和風暴頂?shù)妮椛⒁哺用黠@，2.4°～4.0°仰角上存在速度模糊，訂正后正負速度差分別達到35 m·s-1、50 m·s-1、45 m·s-1；6.0°仰角上，風暴R0質心位于兩個負速度強中心之間，9.9°仰角輻散場速度差達到55 m·s-1，遠遠超出了Witt等[14]給出的風暴頂正負速度差與地面降雹尺寸之間的經驗關系中大冰雹產生的閾值范圍(38 m·s-1)。

圖4 風暴參數(shù)及中氣旋參數(shù)演變情況(a.風暴參數(shù)時序變化，b.中氣旋特性，豎線為中氣旋底高和頂高之間的連線，上中下短橫線分別為中氣旋頂高、最強風切變高度、中氣旋底高)Fig.4 The variations of storm parameters (a) and mesocyclone parameters (b; The upper and bottom strigulas show heights of top and bottom parts of the mesocyclone, and the middle strigula shows the layer with the strongest wind shear)

圖4b為中氣旋參數(shù)的演變(其中16:09、16:15和17:08三個時刻為三維相關切變)，包括底高(M-BASE)、頂高(M-TOP)、最強切變(M-SHEAR)所在高度(HGT)。由圖可知，M-TOP變化幅度較小, 基本維持在6.5～8 km，只在16:44前出現(xiàn)了一次突降現(xiàn)象，同時HGT也隨之下降，16:45位于章丘中北部觀測到直徑2 cm左右的冰雹，這與方翀等[15]、馮晉勤等[16]研究的冰雹出現(xiàn)時在中氣旋特征上的表現(xiàn)一致。M-BASE在1～6.5 km之間變化，17:25和18:07出現(xiàn)了兩次顯著抬升，分別抬升了3 km和5 km，HGT逼近M-BASE，此后淄博周村文昌湖區(qū)和青州部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)降雹。M-BASE的突然升高及HGT逼近底高時，表明中氣旋明顯加強[15]。17:31—18:01時段內出現(xiàn)了連續(xù)的“高頂?shù)偷住钡闹袣庑Y構，厚度很大，平均在5.8 km左右，最大厚度為6.3 km，出現(xiàn)在17:55，遠遠超出了朱君鑒等[17]利用濟南和濱州的15次中氣旋過程研究得到的產生冰雹的中氣旋厚度指標值2.5 km，HGT大多位于中氣旋結構的中上部；18:07—18:13時段內，M-BASE迅速抬升后，呈現(xiàn)“高頂高底”，表明雷暴發(fā)展劇烈，此時C-VIL也出現(xiàn)了躍增現(xiàn)象，一個體掃內由60 kg·m-2增加至75 kg·m-2，達到過程最強。M-SHEAR是風暴內部最大正負速度絕對值的和除以兩點之間的距離，它反映了風暴內部的螺旋擾動情況，是產生上升氣流的重要動力條件。其中，17:37 M-SHEAR突增到34×10-3s-1，此時淄川氣象站及周邊部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了最大直徑30 mm的冰雹，降雹時間持續(xù)10 min左右。

中氣旋維持時間長(1.5 h以上)的超級單體必定產生冰雹[17]。超級單體R0伴有的中氣旋結構維持時間達20個體掃(2 h)左右(不包括三維相關切變)，深厚的強上升運動及其較長時間的存在是大冰雹產生的充分條件。

3.4 三體散射及回波懸垂特征

16:14—17:43雷達圖上，可以看到明顯的三體散射(TBSS)結構特征。其中，3.4°仰角和4.3°仰角上的TBSS存在時間最長且最為明顯，部分時段2.4°仰角和6.0°仰角的TBSS也十分明顯。各個層次的TBSS都出現(xiàn)在強反射率中心的延伸方向上，強核心的反射率在0.5°～6.0°仰角上都超過65 dBZ，對應高度在2.7～9.3 km，說明了大冰雹的所處高度和大致位置，也反映了單體垂直方向發(fā)展深厚。

圖5 16:32三體散射雷達特征(a.4.3°仰角的基本反射率產品(A處為長釘頂端，距離雷達155 km，B處為大冰雹區(qū)域，距離雷達82 km左右，高度為6.8 km左右)，b.沿三體散射的反射率剖面圖)Fig.5 Three-body scattering of radar at 16:32 BST (a.base reflectivity with 4.3° elevation angle (“A” indicates the spike top, which is about 155 km away from the radar; “B” indicates the large hail region, which is about 82 km away from the radar and at the height of 6.8 km), b.the reflectivity profile along the three-body scattering)

根據(jù)廖玉芳等[7]在強雹暴的雷達三體散射統(tǒng)計和個例分析中對TBSS長度的計算方法，大致計算了不同時刻、不同仰角的TBSS長度(表1)，并進行了對比分析。

16:14第一次出現(xiàn)了三體散射，3.4°和4.3°兩個仰角最為明顯。16:32三體散射長釘明顯變長，4.3°仰角上達到66 km以上(圖5a)，6.0°仰角上也達到43 km，表明大冰雹的尺寸和垂直密度分布有明顯的增加。研究表明，冰雹云強度越強，三體散射長度越長，目前國內S波段雷達觀測到的最長TBSS為70 km[9](為2006年4月9日永州雷達監(jiān)測到的6.0°仰角上)，說明此時冰雹云已發(fā)展非常強烈。而隨后兩個體掃中，長釘長度減弱但寬度明顯增加，表明大冰雹區(qū)在雷達方位上的范圍明顯增加。

表1 不同時刻不同仰角的TBSS長度

Table 1 The TBSS length with different elevation angles at different times

時間TBSS長度/km2 4°仰角3 4°仰角4 3°仰角6 0°仰角16：1413 626 218 0—16：2025 825 529 234 816：2629 225 530 327 016：3226 735 566 143 216：3834 140 844 127 616：4436 250 052 526 016：5029 440 729 7—16：55—33 423 7—17：0131 547 235 0—17：0734 235 635 7—17：13—32 955 326 517：19—34 532 555 717：25—35 535 029 117：3132 133 728 8—17：3735 647 645 8—17：4342 947 345 3—

TBSS存在的持續(xù)時間也是強冰雹預警的關鍵因素之一。在廖玉芳等[7]的研究中，對20個TBSS個例進行統(tǒng)計，持續(xù)時間在30～60 min的情況居多，只有1/5的TBSS持續(xù)時間超過90 min，而此次強降雹過程中，TBSS出現(xiàn)的初始時間是16:14，結束時間是17:43，連續(xù)存在時間長達16個體掃(1.6 h)。其中3.4°和4.3°仰角上TBSS始終存在，而6.0°和2.4°仰角部分時段未出現(xiàn)明顯的TBSS；1.5°仰角以下，由于其他回波的遮擋或者高度太低而難以識別，而到高層9.0°仰角上，基本觀察不到TBSS特征，表明高層的上升氣流減弱無法支撐大冰雹的存在。

異常強盛的上升氣流最重要的特征就是比初生階段具有更高更強的風暴反射率中心，具體地講，如果-20 ℃等溫線對應的高度之上有超過50 dBZ的強反射率中心，則有可能產生大冰雹[18]。Witt等[14]指出相應反射率因子核心的值越大，相對高度越高，產生大冰雹的可能性和嚴重程度就越大。因此，在相同的環(huán)境下，上升氣流越強，高懸的反射率因子中心的強度就越強，伸展高度也越高，大冰雹發(fā)生的概率就越大。

圖5b為16:32分沿回波強中心至TBSS方向的反射率垂直剖面圖?？梢钥吹椒浅ｏ@著的TBSS和旁瓣回波，這是大冰雹的顯著特征，同時可以看到，65 dBZ以上的強回波高度接近12 km，遠遠的高于-30 ℃層(8.5 km)高度，其下5 km存在明顯的有界弱回波區(qū)(BWER)，表明風暴內部具有深厚而強烈的上升區(qū)，懸掛的冰雹在降落之前具有一個長時間維持的大范圍的增長區(qū)。

4 結論

1)訂正的雷暴發(fā)生前大氣不穩(wěn)定能量明顯增加，同時較強的垂直風切變利于強對流天氣的發(fā)生；濕球溫度0 ℃層高度較低，顯著降低了冰雹融化層高度；長壽命降雹單體基本沿兩山之間的谷地移動,這種地形對于單體的發(fā)生、發(fā)展起到了抬升和維持作用，同時對單體的移動起到了導向作用。

2)降雹發(fā)生前伴有明顯的VIL躍增現(xiàn)象，雹體成熟階段，VIL強度變化不大，但水平尺度仍有比較顯著的變化；三體散射是此次降雹過程的最明顯特征之一，TBSS持續(xù)時間較長，TBSS長度也較長。超長的TBSS長度及其對應的VIL強度可以預示冰雹的尺寸和分布密度較大。

3)此次過程中深厚而持久的中氣旋結構、高懸的強反射率中心、有界弱回波區(qū)以及速度場上風暴頂強烈輻散是大冰雹發(fā)生的顯著中尺度特征。

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Analysis of radar echo characteristics of a long-life super monomer storm

ZHANG Tingting， WANG Peitao， WANG Fengjiao

(BinzhouMeteorologicalObservatory，Binzhou256600,China)

In this paper, a sever hail event happened in central Shandong province on June 14, 2016 was analyzed based on the conventional observations, sounding data of Zhangqiu station and new generation SA weather radar detections in Binzhou and Jinan. The results show that: The significant increase of atmospheric unstable energy and the strong vertical wind shear are the favorable environmental conditions for generation of strong convection. The long-lived hail monomer moved along the valley between two mountains, which played an important role in air mass uplifting, monomer sustaining, and monomer track leading. The VIL (vertically integrated liquid) leap before the occurrence of thunderstorm is favorable to the formation and growth of hail particles. The long TBSS (three body scatter signature), deep and persistent mesocyclone, overhanging strong reflectivity center, bounded weak echo regions and strong divergence at the top of the storm are significant characteristics of this strong hail event.

large hail; terrain effect; three-body scattering; mesocyclone; bounded weak echo region

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.011. (in Chinese)

2016-07-25；

2017-03-09

山東省氣象局科研項目(2014sdqxm19)；山東省預報員專項(sdyby2012-16，sdyby2016-15)

張婷婷(1990—)，女，本科，助理工程師，主要從事中短期天氣預報和雷達應用方面的研究， bxzhangtingting@qq.com。

P406

A

2096-3599(2017)01-0098-06

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.011

張婷婷，王培濤，王鳳嬌.一次長壽命超級單體風暴雷達回波特征分析[J].海洋氣象學報，2017，37(1)：98-103.

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