吳福浪 楊麗敏 蔣迪 陶俞鋒 陳九齡

(1 中國民用航空寧波空中交通管理站，寧波 315154； 2 西藏自治區(qū)氣象臺，拉薩 850000；3 民航華東地區(qū)空中交通管理局氣象中心，上海 200335)

引言

超級單體雹暴是一類具有持久深厚中氣旋的強對流風暴[1]，常常伴有冰雹、雷暴大風等陣發(fā)性災害天氣過程，具有很強的破壞力，直接威脅人畜的生命安全，導致農作物嚴重受災。由于超級單體雹暴時空尺度小、突發(fā)性強，因此它的預報和預警一直是天氣業(yè)務中的難點。

自20世紀60年代開始，國內外學者對超級單體雹暴的結構和成雹機制等方面進行研究，取得了不少成果[2-5]。隨著多普勒天氣雷達的廣泛使用，許多學者應用雷達監(jiān)測產品來分析超級單體雹暴特征[6-9]。但多普勒雷達探測產品的分析只能用于臨近預報，且在認識冰雹云的微物理特征方面作用非常有限。隨著計算機技術的不斷進步，冰雹云的數值模式得到發(fā)展并用于雹暴天氣過程的模擬分析。如Orville等[10]利用擴充后的體積水參數化冰相微物理過程，結合到二維面對稱加山地積云模式中模擬雹云的生命史。Takahashi[11]在一個二維軸對稱積云動力學模式中詳盡地模擬了幾類冰相質粒，尤其是冰雹的譜演變過程。吳海英等[12]利用三維完全彈性冰雹云模式，模擬分析了一次冰雹云發(fā)展過程的熱力和動力場作用以及微物理過程的變化。隨著數值預報技術的進一步發(fā)展，逐漸有學者使用高分辨率的中尺度數值模式來研究雹暴過程的環(huán)流條件、雹云的雷達回波，并探究冰雹形成的云微物理機制[13-15]。

然而，由于雹暴云團結構的復雜性和產生冰雹天氣形勢的多樣性，利用WRF等中尺度模式研究雹云云物理結構及降水云物理機制方面的工作還略有不足，有待于進一步開展。本文利用WRF數值模式對2019年3月21日發(fā)生在浙江的一次大范圍致災超級單體雹暴過程進行高分辨率的數值模擬試驗，分析雹云的結構演變特征，并從云微物理的角度探討其產生機制，以期為以后相似天氣形勢下冰雹天氣的預報預警提供理論參考。

1 資料來源

本次雹暴過程分析采用的浙江省自動站加密資料為逐5 min資料，其中還包含交通站、水文站、電力站、水文流域站等數據，天氣要素涵蓋風向、風速、溫度、降水量等。多普勒雷達監(jiān)測產品采用杭州市和寧波市(型號CINRAD/SA)S波段多普勒天氣雷達的體掃基數據，約6 min掃描一次。其中杭州雷達站位于圖1a觀瀾社區(qū)的黑色五角星位置，經緯度120.33°E、30.27°N；寧波雷達站位于圖1a達蓬山的黑色五角星位置，經緯度121.50°E、30.07°N。NCEP再分析資料來自美國氣象環(huán)境預報中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合制作的NCEP/FNL再分析資料，時間分辨率6 h，空間分辨率1°×1°。

2 天氣實況和環(huán)流背景

2019年3月21日早上08:00(北京時，下同)開始，受超級單體雹暴云團影響，浙江省自西向東出現了較大范圍雷雨大風、局地短時強降水和強冰雹等災害性天氣。08:00—14:00浙江省共有9個站點累計雨量超過50 mm(圖1b)，達到暴雨級別。109個站點出現8級以上雷暴大風(風速≥17 m·s-1)，最大風速出現在麗水市牛角圩村站點，風力達到10級。義烏、東陽、磐安、新昌、天臺、寧海和象山先后出現密集冰雹(圖1b紅色+號)，冰雹最大直徑超過20 mm，達到大冰雹尺度，多地氣象臺發(fā)布了冰雹橙色預警。此次強冰雹天氣給浙江省的農業(yè)、電力設施、通信、市政、建筑、交通及旅游等帶來了嚴重影響，城鄉(xiāng)多處受災，多個農業(yè)大棚設施、民房屋頂、行道樹等受損，其中芹陽辦事處汶山村村口一長廊倒塌，造成1人死亡，4人受傷送醫(yī)。

通過分析天氣形勢發(fā)現，3月21日02:00強對流發(fā)生前，200 hPa浙江省處在高空急流軸右側，500～700 hPa為西南偏西氣流，850～925 hPa切變線位于浙江南部地區(qū)(圖略)。21日08:00 200 hPa高空急流軸穿過湖南、江西(圖1c陰影區(qū)域，風速50～70 m·s-1)，浙江中南部地區(qū)位于急流軸右側，具備有利于強對流發(fā)生發(fā)展的高空強輻散條件。500 hPa四川至云南地區(qū)有一冷槽，江南地區(qū)受槽前西南氣流控制。700 hPa和850 hPa上中南半島至江西存在一條16～18 m·s-1的西南急流帶(圖1d)，浙江省處在急流帶下游風速輻合區(qū)內。500 hPa槽前的西南急流與低層850 hPa的弱風區(qū)幾乎重疊，表明浙江中部地區(qū)存在深厚的垂直風切變，有利于對流的維持和增強。同時850 hPa上切變線略有北抬并維持在浙江省中部，表明該地區(qū)低層存在水平輻合，在不穩(wěn)定層結和水汽具備的條件下有利于觸發(fā)對流系統(tǒng)。

圖1 2019年3月21日強對流移動軌跡(a)；08:00—14:00累計降水量(填色，單位：mm)和冰雹(紅色+號)分布(b)；08:00 200 hPa的風場(風羽)、溫度場以及等風速線(黑色實線，單位：m·s-1)(c)；08:00 850 hPa的高度場(黑色實線，單位：dagpm)、風場(風羽)以及溫度場(d)(圖c、d中，陰影為風速50～70 m·s-1區(qū)域;紅色虛線為溫度等值線，單位：℃;黑色三角形為浙江省的位置)

選取對流移動路徑附近的洪家站來估計浙江省上空的大氣層結狀況。08:00洪家站探空圖上(圖2)，850 hPa以下溫度露點差很小，空氣接近飽和，濕度層厚度約1.5 km，大于樊李苗等[16]經過中國大量冰雹個例統(tǒng)計得出的平均值。850 hPa以上溫度露點差逐漸變大，500 hPa以上溫度露點差增大至15～30 ℃，說明對流層中上層有干空氣入侵，上層干、下層濕的層結配置有利于氣層不穩(wěn)定性增大。21日凌晨至08:00洪家站上游已經有對流發(fā)展，消耗了一定的對流有效位能，因此對流有效位能CAPE值不高，但下沉對流有效位能DCAPE值達到840.32 J·kg-1，有利于雷暴大風和冰雹的發(fā)展[17]。洪家站0～6 km深層垂直風切變超過30 m·s-1，為強垂直風切變。強的深層垂直風切變存在較大的水平渦度，產生風暴內垂直渦度，從而有利于超級單體雹暴的發(fā)展[18-19]。強冰雹的發(fā)生還需要有合適的0 ℃和-20 ℃層高度，0 ℃在4 km左右，-20 ℃在7.5 km左右有利于降雹[20]。08:00洪家站點0 ℃和-20 ℃層距離地面高度分別為3.8 km和7.0 km，是有利于雹云發(fā)生和發(fā)展的高度。

綜合以上分析表明，3月21日08:00—14:00浙江省大范圍的冰雹天氣過程是在高空急流軸右側和低層切變線相重疊的區(qū)域發(fā)生和發(fā)展的。高空強烈輻散、低空輻合的流場配置具有較強的大氣抽吸作用，為強對流提供有利動力抬升條件；700～850 hPa中南半島至江西不斷增強的西南氣流為強對流區(qū)提供了充足的水汽來源；上層干、下層濕的層結配置有利于氣層不穩(wěn)定性增大。在不穩(wěn)定層結和水汽具備的條件下，對流系統(tǒng)在低層切變線上發(fā)生和發(fā)展。0～6 km強垂直風切變有利于強對流維持和發(fā)展，合適的0 ℃和-20 ℃層高度有利于雹云發(fā)生和發(fā)展。

圖2 2019年3月21日08:00洪家站T-lnp圖(其中綠色虛線、紅色實線，藍色實線分別代表露點、狀態(tài)、層結曲線)

3 模式設計和模擬結果分析

3.1 模擬設計

數值模擬試驗采用的模式為WRFV3.6.1版本，試驗采用Lambert地圖投影的三重雙向嵌套網格(圖3)，網格分辨率為27 km×9 km×3 km，格點數分別為130×112、214×196、322×313，輸出時間分別為60 min、60 min、10 min。數值試驗的d01和d02模擬時間為2019年3月20日20:00至21日20:00，d03模擬時間為3月21日02:00—14:00。d03模擬的開始時間比d01和d02晚，一定程度上實現了熱啟動，減少對流的spin-up時間[21]。積分步長都為180 s，垂直方向均取不等距的35個σ層，模式頂層氣壓50 hPa。d01和d02采用WSM6微物理方案和Kain-Fritsch積云對流方案。d03采用Morrison雙參數微物理方案，并把方案中默認輸出的物理量霰切換為雹。由于d03分辨率小于5 km，故關閉積云對流方案[22-23]。三重網格都采用RRTM長波輻射方案及Dudhia短波輻射方案、Monin-Obukhov近地層方案、YSU邊界層方案和Noah陸面層方案，地形數據選用MODIS_30S。初始場及d01側邊界條件由NCEP/FNL 1°×1°逐6 h再分析資料提供，內層網格的側邊界條件由外網格插值得到。本文采用3 km分辨率(d03區(qū)域)資料作分析。

圖3 模擬試驗的三重嵌套區(qū)域

3.2 模擬結果與實況對比

由圖1b可知，6 h實況累計降水量分布于浙江中西部至東部沿海，強降水中心(55 mm)和冰雹主要位于浙江中東部的金華、紹興、寧波地區(qū)。模擬的6 h累計降水量(圖4)比實況略有偏高，但模擬的降水分布形態(tài)與實況基本一致，并且模擬試驗也成功模擬出了浙江中東部的強降水中心與降雹位置?？偟膩碚f，WRF模式對此次超級單體雹暴過程有較好的模擬能力，資料可靠，可用于進一步的研究分析。

圖4 2019年3月21日模擬的08:00—14:00累計降水量(填色)與降雹區(qū)域(黑色虛線)

3.3 雹暴云團的演變和結構特征

從實況雷達回波分析可知，對流回波于21日凌晨在江西省境內生成，此后沿著850 hPa切變線自西向東移動，于21日06:00左右進入浙江省衢州市，08:00之后對流系統(tǒng)以強對流單體和超級單體形態(tài)移動和發(fā)展(圖1a紅色圓點)，12:00之后超級單體移動至海上減弱，對浙江省影響結束，整個超級單體雹暴過程影響時間約4 h。下面利用雷達監(jiān)測產品以及模擬資料，對超級單體雹暴過程的多普勒雷達回波演變特征進行對比分析和探討。

21日08:00衢州站實況雷達回波圖上對流單體位于金華蘭溪市，最大反射率因子達到60 dBz，徑向速度圖沒有中氣旋，對流單體還未發(fā)展成超級單體(圖略)。08:40實況對流單體加強為超級單體，最大反射率因子達62 dBz，位于杭州雷達站西南約120 km(圖5a1)，徑向速度圖上相應位置出現中氣旋，旋轉速度約16 m·s-1，按照美國國家強風暴實驗室規(guī)定的中氣旋判據屬于中等強度中氣旋。模擬的同時刻雷達回波圖上，超級單體位于杭州雷達站西南約100 km，形態(tài)與實況相似，最大反射率因子為54 dBz(圖5b1)。09:00實況超級單體移動至金華東陽市，最大反射率因子達65 dBz，超級單體后側出現弱回波通道(圖5a2)，表明超級單體后側存在強的下沉入流急流，實況地面出現破壞性大風。模擬的同時刻雷達回波圖上，超級單體位置和形態(tài)與實況相似，后側弱回波通道清晰可見(圖5b2)。在引導氣流作用下，實況超級單體由西向東偏北方向移動，10:10超級單體位于紹興新昌市和臺州天臺市之間(圖5a3)，距離寧波雷達站100 km，最大反射率因子達68 dBz，強回波區(qū)(60 dBz)出現明顯鉤狀回波。10:10模擬的超級單體形態(tài)與實況基本一致，位置略有偏北(圖5b3)。10:50實況超級單體位于寧波雷達站東南偏南約75 km的寧波市寧?？h境內(圖5a4)，鉤狀回波和V形缺口清晰可見，最大反射率因子出現在鉤狀回波西南側，達到69.5 dBz。沿60 dBz強回波區(qū)徑向上出現5～10 dBz的異?；夭?，即三體散射長釘TBSS，長度約15 km，S波段多普勒雷達回波出現TBSS是存在強冰雹的充分非必要條件[24]。10:50模擬的超級單體形態(tài)、位置與實況基本一致，但是沒有模擬出TBSS。受實況超級單體雹暴影響，08:40—10:50義烏佛堂鎮(zhèn)、東陽市、磐安縣、新昌、天臺、寧海等先后出現直徑5～20 mm左右的冰雹。綜上分析可知，相比于實況雹暴強度，模擬的雹暴強度雖然偏小，但位置、形態(tài)分布與實況雹暴相似，并且模擬的雹暴位置與地面降雹位置相對應。由此可見模擬試驗較為成功地模擬出了此次雹暴云團的水平演變過程。

圖5 2019年3月21日實況(a1～a4)和模擬(b1～b4)的1.5°仰角基本反射率分布圖(陰影)(其中a1、a2為杭州站雷達，a3、a4為寧波站雷達)

為了更清楚地顯示超級單體雹云的垂直結構，沿10:50低層暖濕入流穿過強回波中心方向作垂直剖面(圖6)，垂直剖面基線分別如圖5a4、b4紅色線段所示。3月21日08:00實況洪家站0 ℃和-20 ℃層距離地面高度分別為3.8 km和7.0 km(圖6a)。10:50實況垂直剖面圖顯示超級單體雹云中大于50 dBz的強回波伸展至9 km以上，超過-30 ℃層，呈現出典型的高懸強回波特征。中低層的弱回波區(qū)、位于其上的回波懸垂以及凹進回波懸垂的有界弱回波區(qū)(BWER)也非常明顯(圖6a白色箭頭)。強反射率因子區(qū)(60 dBz)為沿著超級單體雹云有界弱回波區(qū)(BWER)左側的一個豎直的狹長區(qū)域，從7 km左右高度一直擴展到低層，其中下部代表冰雹下降的區(qū)域，最大回波強度71.6 dBz。多普勒天氣雷達觀測到高懸的強回波，同時滿足0 ℃層距地面的高度<4.5 km之后，一旦發(fā)現弱回波區(qū)和回波懸垂結構，可以發(fā)布強冰雹預警，如果還有BWER存在，則發(fā)生強冰雹的概率幾乎為100%[25-26]。再考慮到上面提到的TBSS和中氣旋，所有這些特征一致表明該超級單體風暴是一個強烈雹暴，它具有一個強雹暴的所有多普勒天氣雷達回波特征。10:50模擬的雹云發(fā)展旺盛(圖6b)，雹云頂高接近8 km，右側出現懸垂回波和有界弱回波區(qū)，是冰雹發(fā)生時的主要雷達回波特征，與實況(圖6a)雹云垂直結構具有一致性。模擬的0 ℃層高度約3.8 km，使冰雹下落時不至于暖層過厚而融化，-20 ℃層高度約7.2 km，即-20～0 ℃層厚度約3.4 km，合適的0 ℃層和-20 ℃高度以及-20～0 ℃層厚度有利于雹粒的增長。從垂直環(huán)流上看，在雹云的中心前側有非常強的上升氣流，一直延伸到6 km的高度。雹云前側低層2 km以下為顯著的輻合入流，雹云中心后側4 km以下則是強降水和降雹拖曳引起的下沉氣流，而在7 km以上的高層則是出流，這是典型的強對流風暴的內部環(huán)流形態(tài)[27]，與葛潤生等[28]利用多普勒天氣雷達資料對北京地區(qū)雹暴過程研究得到的不同于傳統(tǒng)超級單體雹暴中的氣流結構相似。

圖6 2019年3月21日10:50實況基本反射率垂直剖面(a),模擬的基本反射率垂直剖面和風場(b)

4 各類水成物分布特征

分析各種水成物不同時刻的垂直剖面圖及云中的垂直速度分布圖，可以了解云中各種水凝物在相應流場中分布的高度和演變狀況，進而推斷出云中發(fā)生的各種微物理過程和各種轉化過程。

圖7為模擬的雹云發(fā)展過程中各類水成物的垂直剖面圖。08:00為雹云初生階段，云水中心位于6 km高度以下，主要表現為暖云水，含量達1.2 g·kg-1，垂直上升速度較弱。冰晶主要出現在-20 ℃層以上，由于高空環(huán)境風場較強冰晶擴散形成云砧(圖7a1)，冰晶出現的高度即為云頂高度。冰晶通過其自碰并、自動轉換以及受其接觸擾動的過冷小雨滴凍結產生雪[29]，此時4～9 km高度之間有2個大值中心生成，最大值達2.0 g·kg-1(圖7b1)，位于冰晶含量中心下方。雨水含量中心位于0 ℃層以下，表現為暖云降水，由云水自動轉化產生并通過碰并云水不斷增長。因上升氣流較弱不足以將大量雨水帶入到0 ℃之上，導致此時過冷雨水含量偏低。由于-20 ℃層附近雪向雹粒子轉化[30]，在-20～0 ℃之間出現雹粒子，含量0.7 g·kg-1(圖7b1)。

08:40為模擬的雹云發(fā)展階段，垂直上升氣流加強至7～9 m·s-1，大部分云水在上升氣流輸送下進入-25～0 ℃層之間形成過冷云水，最大值達1.5 g·kg-1(圖7a2)，對冰雹胚胎和冰雹形成與增長十分重要[31-32]。冰晶含量約0.43 g·kg-1，范圍明顯縮小，這與冰晶不斷轉化為雪有關。同時刻由于雪不斷轉化為雹粒子，雹粒子再碰撞收集雪、過冷云水等增長，造成雪含量顯著減小至1.3 g·kg-1，雹粒子含量增加至1.8 g·kg-1，實況浙江地面出現直徑5～10 mm的冰雹。冰雹在降落過程中不斷融化，雨水含量增加至4.3 g·kg-1(圖7b2)，但過冷雨水含量較低。

10:50為模擬的雹云成熟階段，垂直上升氣流維持在8～10 m·s-1，把低層豐富水汽不斷往上輸送，云水含量增加至2.9 g·kg-1，中心位于-20～0 ℃層之間，即過冷云水含量豐富(圖7a3)，有利于冰雹胚胎和冰雹的增長。冰晶含量通過凝華擴散和碰并過程收集過冷云水而不斷增大至1.05 g·kg-1。雹云中心中層至低層由于降水粒子等的重力拖曳作用出現3～5 m·s-1下沉氣流。-20～0 ℃層之間雹粒子通過碰并過冷云水、冰晶、雪而不斷增長(圖7b3)，最大值達4.3 g·kg-1，當雹粒長大到一定尺度后降落到地面，實況為浙江寧海、象山出現直徑10～20 mm的密集冰雹，局部冰雹直徑超過20 mm。

為了更清楚地展示各種水成物的變化過程， 繪制08:40—11:00模擬的雹云范圍內(以超級單體反射率最大值為中心，南北各15 km、東西各15 km的范圍)5類水成物的最大值隨時間的變化圖(圖7c)。已有研究表明[33-35]， 凍滴 ( 過冷雨滴通過核化和受到冰晶、雪接觸時凍結形成的冰粒子)轉化是冰雹形成的主要微物理過程，因此圖7c中雨水混合比選取的是0 ℃(4 km)以上的過冷雨水最大值的變化，其余4類水成物為所有高度上最大值的變化。由圖7c可知雹云發(fā)展開始階段(08:40—09:00)，云水和過冷雨水含量逐漸增加，雪粒子含量不斷減小，可見雹云發(fā)展開始階段雹粒子主要由雪粒子轉化形成。09:00—10:20雹云不斷發(fā)展過程中云水和過冷雨水含量整體呈下降趨勢，即雹粒子主要由云水和過冷雨水轉化形成。雹粒子第一個峰值出現在09:30，含量達7.8 g·kg-1，之后雹粒降落至地面，雹粒子含量在10:20降低至約4 g·kg-1。10:20—11:00雹云成熟階段云水和過冷雨水含量逐漸增加，雪粒子含量逐漸減小，雹粒子主要由雪粒子轉化形成。08:40—11:00期間，冰晶粒子含量低于0.25 g·kg-1。綜合分析此次雹暴過程的各類水成物分布特征可知，在雹云發(fā)展到成熟過程中冰晶粒子含量一直較低，雹粒子主要由云水、過冷雨水和雪粒子轉化形成，再通過碰并過冷云水、冰晶、雪粒子而不斷增長。

圖7 模擬的5類水成物(單位：g·kg-1)垂直剖面：(a1～a3)云水混合比(黑虛線)、冰晶混合比(黑實線)、垂直速度(陰影)及等溫線(紅虛線，單位：℃)；(b1～b3)雨水混合比(黑虛線)、雪混合比(黑實線)、雹粒子數(陰影)及等溫線(紅虛線，單位：℃);(c)5類水成物最大值隨時間變化

5 結論

利用自動站資料、天氣雷達資料、NCEP再分析資料等分析2019年3月21日浙江的一次大范圍致災超級單體雹暴天氣過程，并結合中尺度數值模式WRF進行高分辨率的模擬試驗，主要結論如下：

(1)此次超級單體雹暴過程是在高空急流軸右側和低層切變線相重疊的區(qū)域發(fā)生和發(fā)展的。高空強烈輻散低空輻合的流場配置具有較強的大氣抽吸作用，為強對流提供有利動力抬升條件；700～850 hPa中南半島至江西不斷增強的西南氣流為強對流區(qū)提供了充足的水汽條件；上層干、下層濕的層結配置有利于氣層不穩(wěn)定性增大。在不穩(wěn)定層結和水汽具備的條件下，對流系統(tǒng)在低層切變線上發(fā)生和發(fā)展。0～6 km強垂直風切變有利于強對流維持和發(fā)展。

(2)實況超級單體雹暴是一個強烈雹暴，持續(xù)時間約4 h，雷達回波上呈現出鉤狀回波、持久深厚的中氣旋、典型的高懸強回波、有界弱回波區(qū)和三體散射現象。

(3)模擬試驗成功地模擬出了雹暴云團的水平演變和垂直結構特征。相比于實況雹暴強度，模擬的雹暴強度雖然偏小，但位置、形態(tài)分布與實況雹暴相似，并且模擬的降水和雹暴位置與地面降水和降雹位置相對應。從垂直環(huán)流上看雹云呈現出不同于傳統(tǒng)超級單體雹暴中的氣流結構：雹云前側低層為顯著的輻合入流，雹云中心后側低層為強降水和降雹拖曳引起的下沉氣流，雹云頂部則是一致偏西風出流。

(4)通過對實況以及模擬結果分析可知，0 ℃層高度在4 km左右、-20 ℃層在7 km左右、-20～0 ℃厚度在3.4 km左右有利于冰雹的發(fā)生發(fā)展。

(5)通過分析模擬的各類水成物分布特征，冰雹的形成機制可以歸納為：雹云初期冰晶通過其自碰并、自動轉換以及受其接觸擾動的過冷小雨滴凍結產生雪，雪粒子再轉化為雹粒子。在雹云發(fā)展到成熟過程中雹粒子主要由云水、過冷雨水和雪粒子轉化形成，再通過碰并過冷云水、冰晶、雪粒子而不斷增長，雹粒子增長到一定尺度后降落至地面變?yōu)楸ⅰ?/p>