張丹梅

摘要：冰雹等強對流天氣是遼寧省阜新市夏季預報和服務的重點，針對2009年發(fā)生在阜新市的兩次強冰雹天氣，利用常規(guī)氣象資料和多普勒天氣雷達資料進行對比分析。結(jié)果表明，兩次過程都具有突發(fā)性強、持續(xù)時間長的特點，高低空急流配置、能量、風的垂直切變和0 ℃層等環(huán)境場條件更有利于冰雹的形成。通過雷達產(chǎn)品對比發(fā)現(xiàn)，6月29日是一次颮線過程，7月20日是一次超級單體過程，產(chǎn)生冰雹的風暴回波強度都達到了50 dBz以上，最強達65 dBz，徑向速度圖出現(xiàn)逆風區(qū)，成熟的低層和中層輻合、高層輻散的對流結(jié)構(gòu)特征，垂直液態(tài)水含量在降雹前都有一個躍增的過程，其值大于40 kg/m2，對冰雹的監(jiān)測預警和臨近預報具有指示意義。

關(guān)鍵詞：冰雹；急流；多普勒天氣雷達；超級單體；颮線；阜新市

中圖分類號：P458.1+21.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）07-0048-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.07.011

Comparative Analysis of Two Hail Processes Based on Doppler Weather Radar Products in Fuxin City in 2009

ZHANG Dan-mei

（Fuxin Meteorological Bureau， Fuxin 123000， Liaoning， China）

Abstract： It is crucial to well forecast severe convective weather like hail and provide better service during summer in Fuxin city，Liaoning province. Two severe hailstorms in Fuxin were compared by using conventional observation datas and doppler radar datas. The result showed that they occurred abruply，lasted longly. And the coupled upper and lower jet flows，energy condition，the vertical wind shear and the height of zero temperature conduced more to the occurrence of the hail event. The results of comparation by using doppler radar data showed that，the process on June，29th was a strong squall line process，while the process on July，20th was a typical supper-cell process. Two hail process which storm reflectivity was larger than 50 dbz，while the largest was 65 dbz，and there were an adverse wind area，as well as lower level convergence and upper level divergence. The vertically integrated liquid （VIL） value before the hail falling all had a sudden process，and the value was larger than 40 kg/m2，which had a significant indicating function on hails of monitoting and waring as well as forcassting.

Key words： hail； jet low； doppler weather radar； super cell； squall line； Fuxin city

冰雹是遼寧省阜新市夏季的主要氣象災害之一。冰雹與系統(tǒng)性大風、暴雨相比不僅范圍小，而且持續(xù)時間短。但因來勢猛、強度大，瞬間即能給農(nóng)業(yè)造成較大危害。尤其是冰雹與短時暴雨、雷雨大風同時出現(xiàn)時，不僅危害農(nóng)業(yè)、林業(yè)，而且對工業(yè)、通訊、交通等也會造成極大的危害。由于冰雹具有時空尺度小、突發(fā)性強的特點，利用常規(guī)天氣資料預報具有一定的難度，因此也成為預報工作的難點。近幾年隨著全國新一代雷達網(wǎng)的建設，國內(nèi)在利用新一代天氣雷達產(chǎn)品對冰雹等強對流天氣監(jiān)測和分析方面的研究已經(jīng)有不少成果。如趙俊榮[1]分析了天山北坡一次致災冰雹的多普勒天氣雷達回波特征；吳建坤等[2]介紹了強冰雹天氣的多普勒天氣雷達探測和預警技術(shù)；鄭媛媛等[3]對一次典型超級單體風暴的多普勒天氣雷達進行分析；伍志方等[4]探討了一次強對流天氣的多普勒特征；刁秀廣等[5]分析了3次超級單體風暴雷達產(chǎn)品特征及氣流結(jié)構(gòu)差異性；王令等[6]研究了多普勒天氣雷達徑向速度圖上的雹云特征；俞小鼎等[7]對安徽一次強烈龍卷的多普勒天氣雷達進行了深入探討。以上分析均得出了較好的結(jié)論，為冰雹等災害性天氣的監(jiān)測和預警提供了參考。

但是類似冰雹事件的中小尺度災害性天氣仍是當前預報技術(shù)的難點[8]。2009年6月29日中午前后，阜新市遭冰雹襲擊，受災人口5 598人，農(nóng)作物受災面積2 805 hm2，絕收作物633 hm2，雹災共造成直接經(jīng)濟損失2 610萬元。7月20日午后，冰雹再度襲擊阜新市，冰雹對玉米、大豆、烤煙等造成了不同程度的危害，直接經(jīng)濟損失3 000余萬元。本研究利用常規(guī)觀測資料和新一代天氣雷達資料對造成這兩次降雹的環(huán)境場條件和中尺度特征進行分析，尋找監(jiān)測預警和臨近預報的雷達產(chǎn)品特征，更好地利用新一代天氣雷達為冰雹的監(jiān)測預警和臨近預報提供依據(jù)，對阜新市防災減災也具有重要指導意義。

1 資料與方法

利用常規(guī)觀測資料、探空資料和營口C波段多普勒雷達產(chǎn)品，應用天氣學、大氣物理學和雷達氣象學方法探討了2009年6月29日和7月20日發(fā)生在阜新市的兩次冰雹天氣過程的環(huán)流形勢、垂直結(jié)構(gòu)和多普勒雷達回波演變特征，找出兩次天氣過程的相同點和不同點。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩次冰雹天氣過程的主要特點

2009年6月29日11：30～14：30和7月20日13：30～16：30，阜新市大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)雷雨天氣，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)大風、冰雹天氣。其中，6月29日有11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受雹災，市區(qū)出現(xiàn)大風次生災害；最大冰雹直徑約3～4 cm，持續(xù)時間10～20 min。7月20日有5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受雹災，最大冰雹直徑約2～3 cm，持續(xù)時間5～15 min。對比發(fā)現(xiàn)這兩次過程都具有突發(fā)性強、持續(xù)時間長的特點，但是6月29日的冰雹天氣比7月20日強度大、范圍廣。

2.2 天氣形勢對比

兩次冰雹天氣過程都是在歐亞環(huán)流經(jīng)向度比較大、有高空冷渦配合的環(huán)流背景下產(chǎn)生的，但是冷渦的位置、副高的位置、主要影響系統(tǒng)以及地面形勢場有明顯不同。6月29日副高脊線位于30°N，高空圖上蒙古國東部為深厚的冷渦系統(tǒng)，阜新市處于該低渦的東南向限，對應地面有蒙古低壓冷鋒東移影響阜新市。7月20日副高的脊線明顯偏南，位于35°N，500 hPa低渦位于遠東地區(qū)，42°N沿低渦底部偏西氣流有低槽東移，主要的影響系統(tǒng)是內(nèi)蒙古自治區(qū)東部至河北省的切變線，切變線前部從山東省到吉林省為一支偏南低空急流，地面圖上阜新市處于蒙古低壓底部的弱氣壓場中，但過程中有輻合線系統(tǒng)移過阜新市。

2.3 急流在冰雹過程中的作用

冰雹云的發(fā)展與較大的風速垂直切變有密切的關(guān)系。強的風速垂直切變一般出現(xiàn)在有高空急流通過的地方[9]。低空西南風急流對形成冰雹天氣也是有利的。Polston[10]的分析表明，降雹一般發(fā)生在低空急流前部與高空急流垂直相交的區(qū)域。

分析發(fā)現(xiàn)，降雹日8：00阜新市的東南象限都有中低空（500～850 hPa）急流，但是高空（200 hPa）急流的空間配置不同。6月29日200 hPa上（圖1a），在河套中部至山東半島有一支西北風急流，阜新市位于低空急流中心的左前方，高空副熱帶急流出口區(qū)的左側(cè)。這種配置使阜新市處于大尺度強迫抬升區(qū)，高空形成水平輻散和對流層中層的正渦度平流輸送造成明顯的上升運動，同時造成對流層中下層的溫度差動平流，加強層結(jié)不穩(wěn)定，從而具備形成冰雹的動力和熱力條件。7月20日200 hPa上（圖1b），內(nèi)蒙古自治區(qū)中部至遼寧省的東部有一支西北風急流，低空急流軸的位置基本相同，副熱帶急流軸明顯偏北，阜新市正好位于兩支急流軸垂直投影相交點附近，造成強垂直風切變，高層輻散疊加在低層輻合區(qū)的上方，形成貫穿性上升運動，提供強對流天氣暴發(fā)的條件。

2.4 T-logp圖分析

由于阜新市沒有探空資料，而錦州市處在阜新市的西南方，所以分析錦州站的探空資料具有一定的參考意義。由錦州市6月29日8：00和7月20日8：00的T-logp圖（圖2）溫、濕、風的特征可以分析出兩個有利于強對流天氣發(fā)展的因素：一個是低層700～925 hPa為暖平流（風隨高度順轉(zhuǎn)），500～700 hPa為冷平流（風隨高度逆轉(zhuǎn)），大氣上冷下暖的結(jié)構(gòu)非常明顯，中低層暖平流，高層冷平流，高層西北風輸送的干冷空氣與低層偏南暖濕氣流在阜新市西南部疊加，大氣層結(jié)不穩(wěn)定加劇，為強對流天氣的發(fā)生、發(fā)展提供了較大的不穩(wěn)定能量、水氣條件和觸發(fā)條件；二是風由低層的南風、西南風順時針方向逐漸轉(zhuǎn)為西風，低層垂直風切變明顯強于中層，最大風切變在0～700 hPa，風矢端圖的曲率也較大，有利于有組織的強對流風暴的產(chǎn)生和發(fā)展。

分析強對流活動區(qū)附近錦州探空站上空6月29日8：00和7月20日8：00的各強對流參數(shù)，結(jié)果見表1。

在探空分析中，首先要注意的就是0 ℃層和-20 ℃層高度[9]。一般來說冰雹都發(fā)生在0 ℃層和-20 ℃層高度適宜的情況下。適宜降雹的0 ℃層一般在600 hPa等壓面高度左右，-20 ℃層在400 hPa等壓面高度附近或以下。另外，-20 ℃層高度較低，表明高空有冷空氣進入，層結(jié)趨于不穩(wěn)定，有利于降雹。-20 ℃層與0 ℃層之間的厚度較小，表明中層較不穩(wěn)定，也有利于降雹。在6月29日和7月20日8：00探空圖上，錦州市0 ℃層高度約為640 hPa和620 hPa附近，對應高度為3 725.5 m和3 983.6 m，-20 ℃層在440 hPa和380 hPa附近，對應高度為6 580.4 m和 8 129.4 m，-20 ℃層高度和0 ℃層高度以及兩層之間的厚度適宜，該形勢有利于形成冰雹，因而，在觸發(fā)了不穩(wěn)定能量釋放，引起對流發(fā)生后，導致阜新市出現(xiàn)強降雹天氣。

K指數(shù)、沙氏指數(shù)（SI）和對流不穩(wěn)定能量（CAPE）可以作為大氣穩(wěn)定度的判定指標。K指數(shù)越大，SI指數(shù)越小，大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。通常當

-60表明不穩(wěn)定能量在增加，數(shù)值越大，大氣越趨于不穩(wěn)定。6月29日和7月20日8：00時錦州站K指數(shù)分別為22 ℃和39 ℃，SI指數(shù)為-0.18 ℃和-2.55 ℃，CAPE為1 392.7 J/kg和512.9 J/kg，均大于對流抑制能量（CIN），有利于對流發(fā)展甚至雷暴的形成，屬潛在不穩(wěn)定層結(jié)。這種不穩(wěn)定層結(jié)為強對流天氣的發(fā)生提供了必要的不穩(wěn)定條件。

從圖2還發(fā)現(xiàn)，由于7月20日8：00的不穩(wěn)定能量，即CAPE偏小，這樣就對下午是否具有發(fā)生強對流天氣的判斷有一定的影響，對于是否有冰雹的發(fā)生指示意義不明顯，究其原因是因為探空站的時空分辨率太低，空間間距在200 km左右，時間間隔為12 h，而大氣對流穩(wěn)定度的時空變化是很大的，尤其是對大氣對流有很大影響的水氣的時空變率特別大。有研究指出，在大氣邊界層內(nèi)的對流的上升和下沉區(qū)，雖然相隔只有20～30 km，但由于其濕度相差較大，相應的CAPE可以相差很遠[11]。所以，根據(jù)常規(guī)的探空資料計算判斷是否發(fā)生強對流天氣，其指示性有一定的局限性。

2.5 雷達回波特征分析

2.5.1 反射率回波隨時間變化 6月29日10：47在內(nèi)蒙古自治區(qū)的青龍山和遼寧省的北票市之間開始有孤立的對流單體出現(xiàn)，此后，雷達回波不斷發(fā)展加強并向東偏南方向移動；11：37在福興地鎮(zhèn)的北部回波強度達到了60 dBz；11：55對流單體分別進入阜新蒙古族自治縣的西部和北部，均迅速發(fā)展成強回波單體，2個強回波單體趨向于東北西南向的排列；12：26該風暴系統(tǒng)已發(fā)展成由多個對流風暴連成一片尺度在80 km左右的中尺度對流系統(tǒng)； 12：33該中尺度對流系統(tǒng)中有3個發(fā)展比較強盛的對流風暴，其中左側(cè)的對流風暴最強，最大反射率因子為55 dBz；12：45左側(cè)的對流單體更加強盛，其前進方向的右后側(cè)出現(xiàn)突出物，開始顯現(xiàn)出超級單體低層回波特征；12：57風暴呈現(xiàn)出典型的超級單體鉤狀回波結(jié)構(gòu)，對應的速度圖上出現(xiàn)“逆風區(qū)”（圖3）。沿入流方向穿過最強回波位置的反射率因子垂直剖面圖顯現(xiàn)出弱回波區(qū)結(jié)構(gòu)，表明超級單體將繼續(xù)發(fā)展；13：03超級單體強度達到峰值，風暴右后側(cè)的典型鉤狀回波的反射率因子變得更強，0.5°仰角的最大反射率因子超過65 dBz。該超級單體風暴掃過阜新市的11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，對應的實況是阜新蒙古族自治縣的舊廟鎮(zhèn)、福興地鎮(zhèn)、平安地鎮(zhèn)、化石戈鄉(xiāng)、新民鎮(zhèn)5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)雹災，最大冰雹直徑約4 cm，最長持續(xù)時間20 min，冰雹給這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的玉米、大豆、烤煙等作物造成了不同程度的經(jīng)濟損失。彰武縣有6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，由于雹粒較小，農(nóng)作物沒有受到明顯災害。13：16超級單體風暴開始向普通單體風暴演變，多單體風暴中的各個對流單體趨向于線性排列，該超級單體風暴減弱為多單體強風暴，此時0.5°仰角反射率因子降低，但仍然超過了60 dBz；13：22對流風暴呈現(xiàn)出明顯的颮線結(jié)構(gòu)，相應的速度圖上顯示出颮線前沿云底以上的輻合特征，表現(xiàn)出地面大風的強烈潛勢；15：47颮線變得很直，強度大大減弱，隨后風暴繼續(xù)向東移動；16：07多單體風暴移出阜新市。

7月20日12：18，普通的單體風暴在內(nèi)蒙古自治區(qū)的庫倫旗南部生成，此后，雷達回波不斷發(fā)展加強并向東西兩側(cè)擴展；13：01該風暴系統(tǒng)已發(fā)展成由多個對流單體連成一片尺度在30 km左右的中尺度對流系統(tǒng)；13：07該中尺度對流系統(tǒng)中有3個發(fā)展比較強盛的對流單體，其中左側(cè)的對流單體最強，最大反射率因子為65 dBz；14：03對流風暴在南下的過程中強度雖有所減弱，但卻不斷有新單體生成，普通單體風暴已經(jīng)發(fā)展成團狀的多單體風暴，其影響范圍也不斷擴大。15：23小的對流單體合并后迅速加強，多單體風暴逐漸演變?yōu)?個強盛的對流單體，左側(cè)的對流單體更加強盛，表現(xiàn)出典型的超級單體風暴特征：0.5°仰角的反射率因子圖上出現(xiàn)鉤狀回波，對應的速度圖上出現(xiàn)了明顯的速度模糊（圖4），反映出徑向風場具有很強的氣旋性風切變特征；15：29風暴右后側(cè)的典型鉤狀回波的反射率因子變得更強，0.5°仰角的最大反射率因子超過65 dBz。該超級單體風暴掃過阜新市，對應的實況是阜新市大部分地區(qū)普降雷陣雨，阜新蒙古族自治縣的紅帽子鄉(xiāng)、王府鎮(zhèn)、大板鎮(zhèn)、大固本鎮(zhèn)、泡子鎮(zhèn)5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)雹災，最大冰雹直徑約3 cm，最長持續(xù)時間15 min，冰雹給這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)作物造成了不同程度的經(jīng)濟損失，甚至有部分農(nóng)作物絕收。16：00超級單體迅速失去其特征，相應的鉤狀回波特征消失，超級單體風暴開始向普通單體風暴演變，此時0.5°仰角反射率因子降低，但仍然超過了60 dBz；16：38普通單體風暴移出阜新市。

2.5.2 徑向速度產(chǎn)品特征 6月29日，從13：10的不同仰角徑向速度可以看出，均存在逆風區(qū)，逆風區(qū)的周圍存在中小尺度的氣旋性（或反氣旋性）輻合（或輻散）。0.5°仰角有個20 m/s的正速度中心，表明低空急流明顯。1.5°仰角速度圖上（圖5a），3塊正速度區(qū)域?qū)霈F(xiàn)3塊小尺度負速度區(qū)，負速度區(qū)對應強回波區(qū)，其中左側(cè)負速度區(qū)與超級單體位置一致。表明颮線前沿的中低層出現(xiàn)了強的中低層輻合，其位置和強度與颮線上強反射率因子相對應，表明颮線前部有明顯的上升氣流；2.4°仰角速度圖上，左側(cè)的負速度區(qū)與周圍的正中心形成一個中尺度徑向輻合。強回波中心運動的前方有大片的逆風區(qū)，說明在該高度區(qū)間存在風的垂直切變和強的輻合氣流，逆風區(qū)與其西南方向的相對速度中心組成了輻合氣旋式速度對。3.4°仰角速度圖上（圖5b），呈現(xiàn)輻散的結(jié)構(gòu)，正負速度差約為35 m/s。這種低層和中層輻合、高層輻散的結(jié)構(gòu)，是成熟超級單體明顯結(jié)構(gòu)特征，也可說明此時的對流風暴已經(jīng)發(fā)展為成熟的超級單體階段，未來會很快減弱。

7月20日，從15：23的不同仰角徑向速度可以看出，均存在逆風區(qū)。0.5°仰角的速度圖上，大范圍的正速度區(qū)中出現(xiàn)小范圍負速度區(qū)（逆風區(qū)），并且伴隨著速度模糊區(qū)（存在風速的突變引起），反映出低層有系統(tǒng)性的輻合帶，方向是朝向雷達移動，東南側(cè)也有入流邊界，對應為輻合線。1.5°仰角也出現(xiàn)了明顯的速度模糊（圖6a），反映出徑向風場具有很強的氣旋性風切變特征。超級單體特征顯著，清晰可見。超級單體后側(cè)下沉氣流產(chǎn)生的出流邊界（陣風鋒）離開超級單體向雷達方向移動，低層入流沿著陣風鋒的前沿進入風暴的有界弱回波區(qū)成為上升氣流。2.4°仰角相應位置是一個尺度為20 km 左右的輻散式氣旋。3.4°仰角呈現(xiàn)以反射率因子強度核心為中心的強烈輻散（圖6b），正負速度差值達25 m/s，可以看出存在著風從低空到高空的順轉(zhuǎn)。由于冰雹云距探測站較遠，徑向速度場的邊緣部分已經(jīng)出現(xiàn)速度模糊現(xiàn)象，其最大風速大于25 m/s。

當冰雹云發(fā)展很強時，在低層可以看到一近似與距離圈平行的速度密集帶，它是冰雹云成熟階段云體中強烈的下沉氣流所形成的。這些都是典型的冰雹云回波特征，所產(chǎn)生的變化預示著強對流天氣的發(fā)生。

2.5.3 垂直液態(tài)水含量產(chǎn)品 垂直液態(tài)水含量（VIL）是在4 km×4 km底面上垂直氣柱內(nèi)液態(tài)水總量的分布產(chǎn)品，它的算法是假定垂直氣柱中所有反射率因子由液態(tài)水形成，對氣柱內(nèi)含水量求和，求得垂直累積液態(tài)水含量，它是判別強對流天氣造成的暴雨、暴雪和冰雹等災害性天氣有效的工具之一。

對6月29日降雹過程颮線上位于福興地鎮(zhèn)和阜新市區(qū)的超級單體風暴的VIL進行分析。11：06的超級單體風暴在福興地鎮(zhèn)生成，11：24 VIL最大值為40 kg/m2，11：37降雹前VIL 13 min增加15 kg/m2，11：37～12：08風暴處于發(fā)展旺盛階段，持續(xù)5個體掃，VIL維持在55 kg/m2。12：26以后風暴的反射率明顯減弱，VIL 18 min減少25 kg/m2。阜新市區(qū)的超級單體風暴12：26生成，12：57 VIL最大值為35 kg/m2，13：03降雹前VIL 6 min增加20 kg/m2， 13：03～13：23風暴處于發(fā)展旺盛階段，持續(xù)3個體掃，VIL維持在55 kg/m2。13：34以后風暴迅速減弱，VIL 11 min減少25 kg/m2。由此可見，颮線風暴VIL在降雹前有個躍增，降雹過程伴隨VIL遞減過程。

7月20日降雹過程強對流單體風暴的VIL都在40～55 kg/m2，降雹前1～2個體掃VIL都有一個躍增現(xiàn)象，增量約為10～20 kg/m2不等。VIL在50 kg/m2或以下的一般為小于2 cm的冰雹，大于50 kg/m2時即可降2～7 cm的大雹。當單體的VIL呈跳躍性的增長時就有可能出現(xiàn)冰雹，VIL越大、持續(xù)時間越長，則冰雹直徑就越大，降雹范圍也越廣[12]。

3 結(jié)論

1）兩次冰雹天氣都是在高空冷渦環(huán)流背景下產(chǎn)生的，地面中尺度輻合線觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放。

2）兩次冰雹天氣均有高低空急流耦合，但是高空急流軸的位置明顯不同。在有高低空急流耦合的情況下，特別是在高空急流出口區(qū)的高低空急流耦合常常有利于強對流風暴的發(fā)生和發(fā)展，在這種形勢下，低層低空急流造成暖濕空氣輸送，高空急流則造成干冷空氣平流，從而加強了大氣潛在不穩(wěn)定。而且高低空急流產(chǎn)生的次級環(huán)流上升將觸發(fā)潛在不穩(wěn)定能量釋放，激發(fā)強對流天氣產(chǎn)生。

3）通過觀察T-logp圖上的不同高度風場的配置，0 ℃層和-20 ℃層對應高度，結(jié)合大氣熱力動力物理指數(shù)，對于強對流天氣的發(fā)生可以有一個潛勢預報，但要注意，由于探空站的時空分辨率太低，其指示性有一定的局限性。

4）當根據(jù)天氣圖資料分析具備有產(chǎn)生冰雹天氣的天氣背景和不穩(wěn)定條件時，應密切注意反射率、徑向速度及垂直液態(tài)水含量等雷達回波的特征。在這兩次過程中，產(chǎn)生冰雹的風暴回波強度都達到了50 dBz以上，最強達65 dBz，徑向速度圖出現(xiàn)逆風區(qū)，出現(xiàn)成熟的低層和中層輻合、高層輻散的對流結(jié)構(gòu)特征，垂直液態(tài)水含量在降雹前都有一個躍增的過程，VIL大于40 kg/m2，對冰雹的監(jiān)測預警和臨近預報具有指示意義。

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