李根 吳福浪 鄭怡

(1 中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局山東分局，濟(jì)南 250031； 2 中國民用航空寧波空中交通管理站，寧波 315154； 3 山東省氣象臺，濟(jì)南 250031)

引言

超級單體雹暴是具有深厚中氣旋的強(qiáng)對流風(fēng)暴，常伴隨有冰雹、大風(fēng)、短時強(qiáng)降水等災(zāi)害性天氣[1]，是預(yù)報預(yù)警工作中的難點。華北地區(qū)在冷渦影響下，極容易因地面中尺度輻合線的觸發(fā)而產(chǎn)生冰雹、短時強(qiáng)降雨等強(qiáng)對流天氣[2-4]。不少學(xué)者對冷渦背景下超單體雹暴的雷達(dá)特征進(jìn)行分析，指出在雷達(dá)上表現(xiàn)為鉤狀回波、有界弱回波、中高層回波懸垂、中氣旋等超級單體的典型特征；徑向速度在低層氣旋性輻合、中層純氣旋性旋轉(zhuǎn)、高層輻散有利于維持旋轉(zhuǎn)上升氣流，有利于冰雹生成[5-6]。但是多普勒雷達(dá)產(chǎn)品分析多用于臨近預(yù)報，且在認(rèn)識雹云微物理結(jié)構(gòu)方面的作用有限。隨著中尺度數(shù)值模式的發(fā)展，逐漸有學(xué)者從雹云結(jié)構(gòu)和演變特征、云微物理的角度對華北冷渦背景下冰雹天氣過程進(jìn)行研究，以彌補(bǔ)再分析資料、雷達(dá)資料在認(rèn)識雹云微物理結(jié)構(gòu)上的不足。蔡雪薇等[7]對同一冷渦背景下華北北部為短時強(qiáng)降雨而華北南部為冰雹的天氣過程進(jìn)行模擬，指出高層干冷空氣、地面冷池均有利于對流組織化發(fā)展并形成冰雹。付燁等[8]、況祥等[9]對冰雹強(qiáng)對流過程的水成物進(jìn)行分析，指出雪晶和過冷雨滴的碰凍過程有利于霰粒子的增長。目前，使用中尺度數(shù)值模式對華北冷渦背景下山東地區(qū)雹云結(jié)構(gòu)以及冰雹形成機(jī)制的研究還較少。因此，本文使用WRF模式從雷達(dá)回波特征、冰雹發(fā)生的環(huán)境條件以及云微物理的角度，對華北冷渦背景下山東中部一次超級單體雹暴過程進(jìn)行分析，以期為山東冰雹天氣的預(yù)報預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)提供理論參考。

1 過程概述

2018年6月13日，河北、天津、山東等地先后出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。11:00—17:00(北京時，下同)聊城、德州、濱州、東營、淄博和濟(jì)南等地還相繼出現(xiàn)大范圍的冰雹天氣(圖1)，對山東省麥?zhǔn)?、農(nóng)業(yè)設(shè)施、果蔬等造成了不小的影響。本文研究的超單體雹暴最初于山東西北部形成，之后逐漸向東南方向移動，在其成熟階段相繼給濟(jì)南市濟(jì)陽區(qū)的多個街鎮(zhèn)帶來冰雹和短時強(qiáng)降雨天氣，最大冰雹直徑達(dá)40 mm，損壞大棚千余座，造成13000余畝農(nóng)田受災(zāi)，經(jīng)濟(jì)損失數(shù)千萬元。同時，濟(jì)陽區(qū)濟(jì)南機(jī)場15:09—15:20受冰雹天氣影響，造成26架次航班延誤，停場航空器和各類設(shè)備不同程度受到損傷。

圖1 2018年6月13日11:00—17:00山東省冰雹、 短時強(qiáng)降雨站點分布 (△為冰雹站點、+為短時強(qiáng)降雨站點)

由6月13日08:00環(huán)流形勢可以看出，200 hPa急流位于35°N附近(圖2a)，急流中心最大風(fēng)速超過50 m·s-1，山東處于高空急流出口左前側(cè)，在非地轉(zhuǎn)效應(yīng)影響下，有利于高空輻散的發(fā)展。500 hPa華北地區(qū)北側(cè)為冷渦影響。冷渦中心位于內(nèi)蒙古與蒙古上空，中心西側(cè)有明顯的橫槽。850 hPa河北中部配合高空冷渦存在輻合較強(qiáng)的氣旋(圖2b)。850～700 hPa(圖略)高空槽系統(tǒng)傾斜度較大，有利于垂直風(fēng)切變的發(fā)展和維持[10]。山東大部處于高空槽前部和入海高壓環(huán)流后部的共同影響，西南風(fēng)較大，最大達(dá)到14 m·s-1。溫度場上，氣旋后部有冷槽。山東大部受暖脊的影響，高空弱冷空氣滲透南下有利于條件性靜力不穩(wěn)定增強(qiáng)[11]。綜上分析，本次雹暴天氣是典型的華北冷渦系統(tǒng)影響下產(chǎn)生的。

圖2 2018年6月13日08:00環(huán)流形勢:(a)200 hPa風(fēng)速(陰影)及500 hPa風(fēng)場(風(fēng)羽，單位：m/s)、 溫度場(紅色等值線，單位：℃),(b)850 hPa風(fēng)場(風(fēng)羽，單位：m/s)、溫度場(紅色等值線，單位：℃)

使用6月13日14:00的溫度和露點對08:00濟(jì)南章丘站的探空曲線進(jìn)行訂正(圖3)可知，CAPE值達(dá)到2965 J·kg-1，CIN為 99 J·kg-1，K指數(shù)達(dá)到34.7 ℃，具有較高的不穩(wěn)定能量。露點曲線上，從近地面層至對流層中低層并非整層相對濕度均較高，而是僅在900～800 hPa之間維持較高的濕度。在溫度和露點溫度廓線上表現(xiàn)為“X”形[12]。至對流層中高層溫度露點差則明顯增大，說明在對流層中高層有干冷空氣入侵。500 hPa以下風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流，500～400 hPa，風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，有弱冷平流。0～3 km平均每1 km切變?yōu)?.3 s-1，屬于強(qiáng)風(fēng)切變，有利于出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣[13-15]。

圖3 2018年6月13日14:00訂正后章丘站探空曲線

2 雷達(dá)特征分析

連續(xù)跟蹤濟(jì)南站多普勒雷達(dá)1.5°仰角的基本反射率變化(圖4)可知，本次雹云發(fā)展可以分為4個時段:①11:06開始，魯西北自東北至西南出現(xiàn)了側(cè)向排列的多個孤立的對流單體快速向東南偏東方向移動。在移動的過程中。東南側(cè)對流單體逐漸消亡減弱，西北側(cè)又有多個孤立對流單體生成。其中造成本次冰雹天氣的雹云于12:55生成，雹云進(jìn)入初生發(fā)展階段(圖4a)。②13:07—14:16，多個孤立對流單體在移動過程中逐漸發(fā)展形成兩條東北—西南走向的較強(qiáng)帶狀回波(圖4b)?；夭◣在向東南移動過程中逐漸減弱消散，回波帶B則持續(xù)發(fā)展，對應(yīng)雹云進(jìn)入發(fā)展加強(qiáng)階段。③14:16—14:56，雹云逐漸發(fā)展成熟(圖4c)。14:56，帶狀回波發(fā)展至最強(qiáng)，回波中心反射率超過65 dBz。結(jié)合過最大反射率中心作的反射率垂直剖面(參見圖8a)可以看出此時回波頂高已經(jīng)超過14 km，超過35 dBz的強(qiáng)回波接近12 km，最強(qiáng)回波超過60 dBz，位于6 km高度附近。由于強(qiáng)回波距離濟(jì)南雷達(dá)較近，徑向速度分析選取濱州雷達(dá)。從1.5°徑向速度可以看出14:56在強(qiáng)回波右前側(cè)存在一個明顯的中氣旋，正負(fù)速度對距離濱州雷達(dá)75 km、轉(zhuǎn)動速度達(dá)27 m·s-1，屬于中等強(qiáng)度中氣旋的上限(圖5)。④15:02之后，雹云進(jìn)入降雹階段(圖4d)，濟(jì)陽區(qū)和濟(jì)南機(jī)場相繼出現(xiàn)冰雹天氣?；夭ㄔ诮当r有所增強(qiáng)，之后逐漸減弱東移。

圖4 2018年6月13日濟(jì)南站雷達(dá)1.5°仰角基本反射率:(a)12:55,(b)13:07,(c)14:56,(d)15:02

圖5 2018年6月13日14:56濱州雷達(dá) 1.5°仰角相對徑向速度

3 數(shù)值模擬

3.1 模式設(shè)計

為更好地分析此次雹暴過程的形成機(jī)制和云微物理特征，利用WRF模式(3.6版本)對此次過程進(jìn)行模擬。采用三重雙向嵌套模擬，模式的初始場和邊界條件使用FNL再分析資料(1°×1°)。模擬區(qū)域的中心位置為(37°N，117°E)，采用蘭伯特投影，第1層網(wǎng)格格點數(shù)為350×350，格距9 km，第2層網(wǎng)格格點數(shù)為451×478，格距為3 km，第3層網(wǎng)格點數(shù)為436×463，格距1 km；垂直方向為32層；積分時間為6月13日02:00至14日02:00共24 h；第1層每3 h輸出1次模擬結(jié)果，第2層每1 h輸出1次模擬結(jié)果，第3層每10 min輸出1次模擬結(jié)果。模式所采用的物理過程參數(shù)為：第1層采用WSM6云物理過程，第2層和第3層均采用NSSL雙參云微物理過程[16]；RRTM長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案，每10 min調(diào)用1次輻射方案；第1層和第2層Kain-Fritsch積云對流方案，第3層不使用對流方案；Noah陸面模式方案；Monin-Obukhov近地面層模式方案以及YSU行星邊界層方案。

3.2 模擬結(jié)果檢驗

對比13日11:00—17:00實況和模擬的降雨量分布(圖6)，可以看出模擬的降雨帶與實況基本吻合，山東西北部和山東中部沿海的2個強(qiáng)降雨中心在模擬降雨中也得到體現(xiàn)，只是模擬的雨強(qiáng)和強(qiáng)降水范圍較實況略小。數(shù)值模式對山東中西部的降水模擬效果總體較好。

圖6 2018年6月13日11:00-17:00 山東省6 h累計降雨量:(a)自動站,(b)模擬

對比模擬與實況雹暴云演變過程，模擬結(jié)果自10:20開始，出現(xiàn)側(cè)向排列的孤立對流單體并向東南偏東方向移動，對應(yīng)雹云的初生發(fā)展(圖7a)。11:20孤立對流單體逐漸加強(qiáng)并匯聚成帶狀對流回波，對應(yīng)雹云的發(fā)展加強(qiáng)階段(圖7b)。至11:50，雹云進(jìn)入成熟階段，強(qiáng)回波中心接近60 dBz(圖7c)。12:20之后，隨著雹云進(jìn)入降雹階段，強(qiáng)回波逐漸減弱消散。沿最強(qiáng)回波中心所在緯度作剖面(圖8b)。

圖8 2018年6月13日實況和WRF模式模擬雷達(dá)反射率剖面:(a)14:56沿圖4c實線的實況反射率剖面, (b)11:50沿圖7c實線模擬的反射率剖面(陰影)、風(fēng)場(流線,單位：m/s)以及0 ℃(紅色實線)、 20 ℃(紅色虛線)等溫線

從反射率分布可知，模擬的雷達(dá)反射率回波頂高達(dá)到14 km，雹云右側(cè)存在有界弱回波以及回波懸垂結(jié)構(gòu)，具有典型的超級單體回波特征。超過40 dBz的雷達(dá)回波達(dá)到12 km，-20 ℃等溫線雷達(dá)回波接近50 dBz，0 ℃等溫線距離地面小于4.5 km表明有利于出現(xiàn)強(qiáng)冰雹。對比實況雷達(dá)反射率和模擬的雷達(dá)反射率可以看出，本次模擬的回波范圍、走向、最大回波強(qiáng)度與實況基本一致，較好的再現(xiàn)了超級單體的形成、發(fā)展、成熟和消亡的演變。與實況不同的是模擬的超級單體較實況提2 h。

綜合以上降雨、雹暴云發(fā)展過程對比，WRF模式基本能夠刻畫此次超級單體雹暴過程的整體演變，可用于進(jìn)一步的研究分析。

4 超級單體雹暴觸發(fā)與維持機(jī)制分析

4.1 觸發(fā)機(jī)制

大多數(shù)風(fēng)暴起源于邊界層輻合線附近[17]。根據(jù)模擬的地面風(fēng)場(圖9)可以看出13日上午山東西北部一直維持一條近東西走向的中尺度輻合線。結(jié)合上述層結(jié)穩(wěn)定度分析可知山東西北部具有較高的不穩(wěn)定能量[18]。在中尺度輻合線的觸發(fā)作用下，10:20，輻合線上開始出現(xiàn)側(cè)向排列的分散對流云團(tuán)，并在之后逐漸發(fā)展成為超級單體雹暴。

圖9 WRF模式模擬的2018年6月13日09:30地面風(fēng)場 (黑色虛線為地面輻合線)

4.2 維持機(jī)制

對于超級單體風(fēng)暴，僅靠最初的抬升觸發(fā)機(jī)制無法形成最終的強(qiáng)上升氣流，需要一定的維持機(jī)制[19]。結(jié)合模擬的地面風(fēng)場和地面1 h變溫[20]分析超級單體雹暴的維持機(jī)制(圖10)。10:20，在中尺度輻合線上開始出現(xiàn)對流云團(tuán)。受云團(tuán)降雨的蒸發(fā)冷卻影響，對流云團(tuán)所在范圍內(nèi)開始出現(xiàn)降溫(圖10a)。11:20，隨著對流云團(tuán)的發(fā)展，地面輻合線在向東南偏東方向移動的過程中，南側(cè)風(fēng)速輻合有所增強(qiáng)，雹云進(jìn)入發(fā)展階段(圖10b)。此時，地面1 h最大降溫達(dá)4 ℃。與之相對應(yīng)，在冷池中心前側(cè)的強(qiáng)變溫梯度區(qū)出現(xiàn)了風(fēng)速大于12 m·s-1的強(qiáng)地面風(fēng)。11:50，雹云進(jìn)入成熟階段(圖10c)。地面1 h降溫達(dá)8 ℃，強(qiáng)變溫梯度區(qū)附近最大風(fēng)速達(dá)到24 m·s-1。之后，超級單體隨著地面降雹逐漸減弱消散，地面冷池相繼減弱(圖10d)。由此可以看出本次超級單體在其初生發(fā)展階段產(chǎn)生降水。在降水的蒸發(fā)冷卻作用下，地面隨即形成冷池。同時，隨著冷池的增強(qiáng)，冷池淺層強(qiáng)溫度梯度造成的輻散出流與西南風(fēng)環(huán)境風(fēng)場形成強(qiáng)輻合，一方面有利于本次超級單體的發(fā)展和維持，另一方面使得輻合線逐漸向東南方向移動。

從垂直流場結(jié)構(gòu)分析(圖8b)，雹云主體為明顯的上升運(yùn)動。雹云左側(cè)0～4 km之間為反氣旋環(huán)流，伴隨降雨形成中尺度雷暴高壓。雹云左側(cè)4 km以上的入流一部分在高層與輻散出流形成反氣旋，進(jìn)一步加強(qiáng)高層輻散；另一部分入流在下降的過程中受雹云主體的影響，逐漸再一次轉(zhuǎn)為上升氣流。同時，在-20～0 ℃之間回波懸垂的區(qū)域，也存在著上升→下沉→上升運(yùn)動的轉(zhuǎn)換，有助于各水成物粒子在這一高度上長時間、反復(fù)運(yùn)動，進(jìn)而有助于冰雹粒子的碰并增長。在上升運(yùn)動的頂部，即13 km處，上升運(yùn)動轉(zhuǎn)為向雹云左側(cè)和右側(cè)的輻散出流。這種高層輻散、低層輻合的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加強(qiáng)了上升運(yùn)動的發(fā)展。在高層8～12 km之間，上升運(yùn)動有一部分隨著高空的西風(fēng)環(huán)流向東側(cè)流出，形成了云砧。

5 冰雹形成微物理過程分析

圖11為模擬的雹云發(fā)展、成熟和降雹階段的各水成物分布?？梢钥闯鲈诎l(fā)展階段(a1、b1、c1)，云水主要集中在4～8 km高度的上升運(yùn)動區(qū)，以過冷云水的形式存在。云冰位于7～11 km的高度，與云頂高相對應(yīng)。雪晶位于6～11 km高度，存在多個大值中心，每個大值中心均與上升運(yùn)動區(qū)、過冷云水高值區(qū)頂部以及云冰高值區(qū)底部相對應(yīng)，說明雪晶是由過冷云水和云冰碰并生成。霰粒子較初生階段(圖略)出現(xiàn)了明顯的增長，高值區(qū)位于上升運(yùn)動區(qū)上部和雪晶的低值區(qū)，中心位于雪晶2個高值區(qū)之間，這充分說明霰粒子是由雪晶增長而來。而此時雹粒子尚未形成。至成熟階段(a2、b2、c2)云水范圍，尤其是過冷云水范圍較之前顯著增長。雨水高度抬升并出現(xiàn)過冷雨水。此時在上升區(qū)(4～8 km高度)存在過冷水累積帶，當(dāng)有霰粒子和雹粒子經(jīng)過時，將有利于其通過淞附作用增長。雪晶存在2個大值中心，分別位于主上升區(qū)的兩側(cè)。霰粒子不論從含量還是范圍均顯著增長。8～11 km霰粒子所在區(qū)域?qū)?yīng)著雪晶低值區(qū)再一次印證了霰粒子是由雪晶增長而來。在過冷水累積帶和霰粒子增長的共同影響下，此階段雹粒子開始出現(xiàn)，大值區(qū)位于4～8 km之間，中心最大含量為1.2 g·kg-1，在垂直方向上略高于過冷水累積帶。雹粒子大值區(qū)左側(cè)為下沉氣流，結(jié)合流場分布可以看出，在這一高度上為下沉氣流—上升氣流的轉(zhuǎn)換區(qū)，有利于霰粒子和雹粒子在這一區(qū)域循環(huán)反復(fù)增長。至降雹階段(a3、b3、c3)上升運(yùn)動整體有所減弱，尤其是在近地面層，下沉運(yùn)動逐漸替代上升運(yùn)動。過冷云水、過冷雨水范圍和含量均有所降低，說明此時過冷水累積帶逐漸減弱，霰粒子和雹粒子后續(xù)也隨之持續(xù)減弱。此階段，雹粒子在上升運(yùn)動減弱的影響下逐漸接地，對應(yīng)地面開始降雹。

6 結(jié)論

(1)本次冰雹天氣過程是在華北冷渦背景下產(chǎn)生的，冷渦底部弱冷空氣滲透南下與低層暖濕空氣疊加、低層強(qiáng)垂直風(fēng)切為冰雹形成提供了有利的熱力和動力條件。

(2)此次過程中的超級單體具有典型的有界弱回波和回波懸垂特征，并出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)27 m·s-1的中氣旋。成熟階段雹云的0 ℃高度位于4 km，超過40 dBz的回波高度達(dá)到12 km。

圖11 WRF模式模擬的2018年6月13日11:20(a1、b1、c1)、11:50(a2、b2、c2)和12:20(a3、b3、c3)各雹云發(fā)展階段 水成物含水量(等值線，單位：g/kg)、垂直速度剖面(陰影)和等溫線(單位：℃) (圖a1～a3中云水含量(黑實線，間隔0.5 g/kg),云冰含量(黑虛線，間隔0.5 g/kg),等溫線(紅線);圖b1～b3中雨水含量(黑實線，間隔 0.5 g/kg),雪晶含量(黑虛線，間隔0.5 g/kg);圖c1～c3中雹含水量(黑實線，間隔0.2 g/kg),霰含水量(黑虛線，間隔0.5 g/kg))

(3)地面中尺度輻合線觸發(fā)對流產(chǎn)生，降雨和下沉氣流引發(fā)的地面冷池進(jìn)一步增強(qiáng)了地面輻合。成熟階段的雹云在流場上主體為上升運(yùn)動，上升運(yùn)動兩側(cè)存在上升→下沉→上升運(yùn)動的轉(zhuǎn)換，有利于冰雹的碰并增長。雹云頂端強(qiáng)輻散出流的抽吸作用有利于進(jìn)一步加強(qiáng)上升運(yùn)動的發(fā)展。

(4)自雹云初生至發(fā)展、成熟階段，雹云以上升運(yùn)動為主，有利于過冷水的增長。雪晶由過冷云水、云冰碰并生成，之后通過碰并過冷水轉(zhuǎn)化為霰粒子。過冷水累積帶對霰粒子和雹粒子的生成和增長至關(guān)重要。霰粒子和雹粒子在上升運(yùn)動的帶動下反復(fù)經(jīng)過雹云中的過冷水累積帶有利于自身不斷增長并轉(zhuǎn)化形成大冰雹。