杜牧云，趙嫻婷，周伶俐，杜九三，茍阿寧，崔春光，肖艷姣

(1.中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430205；2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.宜昌市氣象局，宜昌 443000；4.武漢中心氣象臺(tái)，武漢 430074)

引 言

雖然局地強(qiáng)對(duì)流天氣影響范圍小，持續(xù)時(shí)間短；但其突發(fā)性強(qiáng)，發(fā)展迅速，伴隨的短時(shí)強(qiáng)降水、地面大風(fēng)、冰雹、雷電等災(zāi)害性天氣往往造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。近年來(lái)，眾多氣象學(xué)者在強(qiáng)天氣過(guò)程診斷分析、概念模型建立、氣候特征統(tǒng)計(jì)、預(yù)報(bào)預(yù)警和數(shù)值模擬等方面開展了廣泛的研究(俞小鼎等，2012；蘇愛芳等，2013；陳明軒等，2016；李文娟等，2018；許彬等，2019；馬曉玲等，2020)。但由于局地強(qiáng)對(duì)流較小的時(shí)空尺度和較快的演變速度，仍然是當(dāng)前短臨預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)(鄭永光等，2015)。

得益于廣泛而密集布設(shè)的新型探測(cè)設(shè)備，如：多普勒天氣雷達(dá)、微波輻射計(jì)、風(fēng)廓線雷達(dá)、微雨雷達(dá)、閃電定位儀等，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣有了更高時(shí)空分辨率的探測(cè)能力，從而能更好地發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)其生消演變和物理機(jī)制，進(jìn)一步提升強(qiáng)天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。近些年，上述新型探測(cè)資料也越來(lái)越多地出現(xiàn)在強(qiáng)對(duì)流天氣的分析、監(jiān)測(cè)和預(yù)警研究中。鄭祚芳等(2009)在分析一次夜間局地強(qiáng)對(duì)流過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)，微波輻射計(jì)資料對(duì)降水的發(fā)生具有較好的指示意義，液態(tài)含水量的急劇增大(減少)預(yù)示著降水即將出現(xiàn)(消亡)。唐仁茂等(2012)運(yùn)用地基微波輻射計(jì)探測(cè)資料分析湖北咸寧的一次冰雹天氣過(guò)程時(shí)，討論了云降水粒子的固、液、氣三態(tài)動(dòng)態(tài)變換過(guò)程，驗(yàn)證了過(guò)冷云系統(tǒng)中混合相態(tài)的貝吉隆過(guò)程理論。楊引明和陶祖鈺(2003)利用邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析短時(shí)強(qiáng)降水、龍卷等局地強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)，邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)能有效揭示常規(guī)天氣資料難以分析的一些大氣動(dòng)力和熱力特征，在短時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)中有較好的業(yè)務(wù)應(yīng)用前景。周志敏等(2010)利用風(fēng)廓線雷達(dá)全天候不間斷觀測(cè)的大氣風(fēng)場(chǎng)等要素的時(shí)空變化分析了一次冰雹過(guò)程，指出風(fēng)廓線雷達(dá)能早于天氣圖獲知冷空氣入侵時(shí)間，并精細(xì)地分析出槽脊過(guò)境、冷暖平流等天氣系統(tǒng)。張小雯等(2017)介紹了風(fēng)廓線雷達(dá)單站和組網(wǎng)資料在強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)和業(yè)務(wù)中的應(yīng)用情況。除此之外，雨滴譜儀資料也被應(yīng)用于降雨、降雪等天氣過(guò)程的降水粒子微物理特征分析中(李德俊等，2013；周黎明等，2017)。近年來(lái)，微雨雷達(dá)作為一種可對(duì)雨滴譜垂直分布進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)的儀器，在降水微物理結(jié)構(gòu)研究中受到關(guān)注(崔云揚(yáng)等，2019；Zhou et al.，2020)。利用閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)的探測(cè)數(shù)據(jù)開展強(qiáng)天氣的分析研究也日益增多(馮桂力等，2008；鄭棟等，2010；曾勇等，2020)。而雷達(dá)作為強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警最為有效的工具，在中尺度特征分析、特征識(shí)別和監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用(王俊等，2007；王莎等，2019；王研峰等，2019，阮悅等，2021)。

目前，綜合利用多源觀測(cè)資料開展局地強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的分析研究還相對(duì)較少。崔春光等(2013)運(yùn)用多種加密觀測(cè)資料(多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計(jì)、GBS探空等)和NCEB再分析資料對(duì)2010年7月14日咸寧一次非線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)引發(fā)的短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行了機(jī)理分析，結(jié)果表明高時(shí)空分辨率探測(cè)資料對(duì)MCS演變過(guò)程有較好的分析能力。李聰?shù)?2017)利用地基微波輻射計(jì)、風(fēng)廓線雷達(dá)和雨滴譜儀等觀測(cè)資料分析了南京的一次冰雹過(guò)程，探討了新型探測(cè)資料在冰雹監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用。孫偉等(2019)針對(duì)2018年3月4日蘇州地區(qū)冬末春初的一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，運(yùn)用S波段多普勒天氣雷達(dá)、C波段雙偏振雷達(dá)、閃電定位儀和雨滴譜儀等資料進(jìn)行中尺度特征分析，結(jié)果表明綜合利用各種新型探測(cè)資料對(duì)分類強(qiáng)對(duì)流監(jiān)測(cè)預(yù)警有一定作用。本文利用地面自動(dòng)氣象站、探空、多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、微雨雷達(dá)、二維視頻雨滴譜儀和三維閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)等多源探測(cè)資料，對(duì)2020年2月14日發(fā)生在鄂西南的一次早春強(qiáng)對(duì)流過(guò)程進(jìn)行了中小尺度特征綜合分析，并運(yùn)用武漢暴雨研究所研發(fā)的分類強(qiáng)天氣識(shí)別預(yù)警算法進(jìn)行了效果檢驗(yàn)，以期為利用新型多源探測(cè)資料開展強(qiáng)天氣的特征分析與監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。

1 資料與方法

本文使用的多源探測(cè)資料主要包括強(qiáng)對(duì)流事件發(fā)生當(dāng)天的地面天氣圖，恩施站的探空資料，秭歸站的風(fēng)廓線雷達(dá)、二維視頻雨滴譜儀和微雨雷達(dá)資料，宜昌站的多普勒天氣雷達(dá)資料以及湖北省三維閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)資料。各種探測(cè)設(shè)備的位置分布詳見圖1。

圖1 觀測(cè)設(shè)備和冰雹落區(qū)的位置分布以及雹暴單體的移動(dòng)軌跡Fig.1 The geographical distribution of meteorological detection instruments and hail areas with the trajectories of hailstorms.

秭歸站風(fēng)廓線雷達(dá)為固定式L波段邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，采用全固態(tài)全相參有源相控陣脈沖多普勒體制，可實(shí)現(xiàn)測(cè)站上空大氣三維風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)(需配備RASS系統(tǒng))信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其最低探測(cè)高度為100 m，最高探測(cè)高度≥3 km，高度分辨率為30—240 m，風(fēng)速和風(fēng)向的探測(cè)精度(RMS)分別為1.5 m·s-1和10°。

二維視頻雨滴譜儀(2DVD)是由奧地利JOAN?NEUM RESEARCH公司研發(fā)生產(chǎn)的一款先進(jìn)的降水粒子測(cè)量設(shè)備，其水平和垂直分辨率都小于0.2 mm，垂直速度精度小于4%(垂直速度＜10 m·s-1)，掃描區(qū)域約為100×100 mm2。除了可以實(shí)時(shí)測(cè)量單個(gè)降水粒子(包括雨、雪、雹等)的大小、形狀、聚合狀態(tài)、取向和降落速度等，還可以反演計(jì)算降水率、降水量和降水粒子譜等。

微雨雷達(dá)(MRR-Bro型)為K波段(頻率24.23 GHz)垂直指向雷達(dá)，根據(jù)獲得的多普勒功率譜，結(jié)合降水粒子下落速度與直徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算得到測(cè)站上空不同高度的垂直雨滴譜，根據(jù)雨滴譜進(jìn)一步反演出不同雨滴譜參量隨時(shí)間的空間變化。其時(shí)間分辨率為30 s，高度分辨率為50 m，垂直方向共128個(gè)庫(kù)，即探測(cè)范圍為0.05—6.40 km。

湖北省三維閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)是由19臺(tái)VLF/LF閃電定位儀組成，于2015年1月布設(shè)完成。該儀器由中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用中心研制，采用三維時(shí)差定位(又稱為雙曲線定位)方法定位閃電，除了云地閃(Cloud-to-Ground)以外，還能探測(cè)云內(nèi)閃(In?tra-Cloud)，觀測(cè)要素主要包括時(shí)間、經(jīng)緯度、高度、強(qiáng)度、陡度、誤差和定位方式等。

2 實(shí)況與天氣背景

2020年2月14日午后，鄂西南出現(xiàn)了一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程。其中，宜昌秭歸、恩施巴東和建始等多地出現(xiàn)了冰雹天氣，由當(dāng)?shù)貫?zāi)民提供的圖片及視頻資料初步判斷最大冰雹直徑超過(guò)50 mm；另外，多縣市出現(xiàn)了大范圍中等強(qiáng)度降水，局地伴有雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣，湖北加密自動(dòng)氣象站測(cè)得最大陣風(fēng)風(fēng)速達(dá)8級(jí)(17.2 m·s-1)，最大小時(shí)降水(22.6 mm·h-1)出現(xiàn)在鶴峰馬家。恩施咸豐地區(qū)自動(dòng)站累計(jì)雨量超過(guò)40 mm。此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程主要由先后發(fā)展起來(lái)的兩個(gè)雹暴單體引發(fā)，兩個(gè)單體自西向東移動(dòng)過(guò)程中不斷發(fā)展加強(qiáng)(強(qiáng)回波中心的移動(dòng)軌跡如圖1所示)，伴隨出現(xiàn)的局地強(qiáng)冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水和瞬時(shí)大風(fēng)造成恩施州巴東縣、建始縣，宜昌市秭歸縣等多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)(冰雹落區(qū)如圖1所示)，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、交通、通信、經(jīng)濟(jì)等造成了巨大損失。而從湖北省冰雹日數(shù)分布(圖略)來(lái)看，2月發(fā)生如此強(qiáng)的冰雹天氣實(shí)屬罕見。

由2020年2月14日08∶00(北京時(shí)，下同)的綜合天氣圖(圖2a)可見，湖北省位于500 hBa華北低槽前部的西南暖濕氣流中，700 hBa切變線位于四川至陜西一線，850 hBa和925 hBa低渦位于川東、重慶、貴州交界，西南暖濕氣流發(fā)展旺盛，鄂西南處在低渦前部暖式切變線輻合上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，850 hBa西南低空急流加強(qiáng)到14 m·s-1以上，為鄂西南輸送了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量。由于恩施地區(qū)高海拔山區(qū)阻擋，冷鋒南下較慢，08∶00宜昌北部處在冷鋒前部的暖倒槽中，大部地區(qū)為偏東風(fēng)，氣溫上升較快。14∶00冷鋒緩慢南壓至宜昌地區(qū)北側(cè)，恩施本站仍處在暖倒槽控制之中(如圖2b所示)。根據(jù)逐10 min風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，17∶30宜昌秭歸和恩施建始、巴東等地逐漸轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，且氣溫快速下降，表明冷鋒已南下至鄂西南地區(qū)。在這期間上述地區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)冰雹，根據(jù)冷鋒演變位置推測(cè)，強(qiáng)雹暴出現(xiàn)在冷鋒附近靠暖區(qū)一側(cè)，與冷鋒侵入暖倒槽形成的強(qiáng)烈觸發(fā)抬升有關(guān)。采用恩施本站14∶00的地面溫度(16℃)和露點(diǎn)溫度(12℃)對(duì)其08∶00的探空曲線進(jìn)行了訂正，訂正后對(duì)流有效位能(Convective Avail?able Botential Energy,CABE)為218.2 J·kg-1，恩施站上空呈上干下濕的層結(jié)結(jié)構(gòu)(圖2b)，不穩(wěn)定能量得到一定的增強(qiáng)。華北低槽、850 hBa低渦北部的暖式切變線和地面冷鋒在鄂西南交匯形成上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)；中低層西南暖氣流沿著低層強(qiáng)鋒區(qū)爬升，850 hBa低層切變線和地面冷鋒配合是此次早春強(qiáng)對(duì)流發(fā)展加強(qiáng)的主要原因。

圖2 2020年2月14日08∶00綜合分析圖(a,棕色實(shí)線:500 hPa槽線;棕色、紅色雙實(shí)線:700 hPa、850 hPa切變線;棕色箭頭:700 hPa西南氣流;紅色箭頭:850 hPa西南低空急流;白色實(shí)線:14∶00地面等壓線;彩色圖:16∶00紅外云圖)和恩施站探空T-ln p圖(b,經(jīng)14∶00地面溫度訂正)Fig.2 Comprehensive analysis chart(a,brown solid line:500 hPa trough line;brown and red double solid line:700 hPa and 850 hPa shear line,respectively;brown arrow:700 hPa southwesterly flow;red arrow:850 hPa southwesterly low-level jet;white solid line:ground isobaric contour;and color map:infrared cloud image at 16∶00 BT),and T-ln p chart at Enshi station(b,corrected by the surface temperature at 14∶00 BT)at 08∶00 BT on 14 February 2020.

3 多源探測(cè)資料分析

3.1 風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析

風(fēng)廓線雷達(dá)能獲得測(cè)站上空全天候的風(fēng)場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)變化。圖3為冰雹發(fā)生過(guò)程中秭歸站風(fēng)廓線雷達(dá)的時(shí)間演變圖，其中6 km高度以上出現(xiàn)了一定時(shí)間段的資料缺失(12∶04—15∶58和18∶58—20∶04)，導(dǎo)致繪圖中出現(xiàn)了部分空白區(qū)域。由秭歸站風(fēng)廓線雷達(dá)資料可見，鄂西南出現(xiàn)對(duì)流活動(dòng)之前(13∶00以前)，地面受暖倒槽控制，秭歸站低層0—2 km高度為一致的偏東風(fēng)，而2 km高度以上開始轉(zhuǎn)為一致的西南風(fēng)，即風(fēng)向隨高度順時(shí)針變化，表明秭歸站上空為暖平流控制，且風(fēng)速隨高度逐漸增大，3 km以上的西南急流輸送暖濕空氣明顯，表明此時(shí)中層有西南暖濕氣流在發(fā)展，且西南暖濕氣流向上擴(kuò)展較高，濕層深厚。13∶00左右開始，鄂西南仍處在冷鋒前部暖區(qū)中，由于冷鋒前部不斷有冷空氣滲入，1 km左右高度出現(xiàn)風(fēng)向風(fēng)速輻合，不穩(wěn)定能量急劇增強(qiáng)，配合暖濕氣流發(fā)展；14∶00左右，建始縣境內(nèi)開始有對(duì)流單體生成并快速東移發(fā)展；14∶40—15∶30，1—2 km的水平風(fēng)速逐漸增大，垂直風(fēng)切變也由2.06×10-2s-1增強(qiáng)到6.32×10-2s-1，在此時(shí)段內(nèi)建始、巴東的多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)局地冰雹。由于恩施地形遮擋，冷鋒南下緩慢，主體仍處在宜昌北部。隨著冷鋒逼近，在15∶00左右1 km以下開始轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，而到了16∶20，底層垂直風(fēng)增強(qiáng)，1 km高度的風(fēng)向一致性遭到破壞，17∶00—17∶24宜昌秭歸多地出現(xiàn)降雹，17∶50冷空氣勢(shì)力加強(qiáng)，1.0—2.5 km轉(zhuǎn)為明顯的東北氣流控制。冷鋒主體直至19∶20抵達(dá)鄂西南，2.5 km下墊面快速轉(zhuǎn)為偏北氣流。需要說(shuō)明的是，秭歸站位于降雹區(qū)下游，且探測(cè)的風(fēng)廓線變化僅代表其附近的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)，故其表現(xiàn)的天氣系統(tǒng)變化具有一定的滯后性。

圖3 2020年2月14日12∶00—20∶00秭歸站風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)垂直結(jié)構(gòu)的時(shí)間演變Fig.3 Vertical distribution of wind profile radar data at Zigui station from 12∶00 BT to 20∶00 BT on 14 February 2020.

3.2 雨滴譜資料分析

雨滴譜特征參量(粒子直徑和數(shù)濃度)以及反演量(含水量和降水強(qiáng)度)可以客觀反映出降水過(guò)程的微物理特征(周黎明等，2017)。圖4a、b分別為滴譜分布和降水率的時(shí)間演變圖，其中，粒子等效體積直徑D代表降水粒子的大小，而降水率則直接反應(yīng)降水的強(qiáng)度。從圖中可知，此次降水主要可分為三個(gè)部分：18∶00左右為主要降水時(shí)段，也是秭歸多地出現(xiàn)降雹的時(shí)段，此時(shí)段降水強(qiáng)度最大，且出現(xiàn)了兩個(gè)峰值(見圖4b)，正好與粒子數(shù)濃度的兩個(gè)大值區(qū)(見圖4a)相對(duì)應(yīng)，最大小時(shí)雨強(qiáng)超過(guò)50 mm·h-1，為明顯的對(duì)流性降水；雨滴譜寬也最寬，粒子最大直徑接近6 mm，且持續(xù)時(shí)間也最長(zhǎng)，但以小粒子為主，直徑大多在1 mm以內(nèi)，粒子濃度的最大值集中在0.4—0.5 mm左右。隨后兩個(gè)時(shí)次(20∶00和21∶00)的降水強(qiáng)度、雨滴譜寬和降水持續(xù)時(shí)長(zhǎng)都呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)，即：20∶00的小粒子(D＜1 mm)數(shù)濃度較之18∶00顯著減少，大雨滴的數(shù)量占比增大明顯，雨強(qiáng)也顯著減弱，小于5 mm·h-1；21∶00的降水強(qiáng)度最弱，基本為毛毛雨(＜1 mm·h-1)。這是由雨滴數(shù)密度顯著減小和雨滴譜寬的明顯收窄共同引起的。由于冰雹并未發(fā)生在雨滴譜儀所在測(cè)站，故雨滴譜數(shù)據(jù)上并沒有探測(cè)到冰雹粒子信息。

圖4 2020年2月14日17∶00—22∶00秭歸站雨滴譜(a)和降水率(b)的時(shí)間演變Fig.4 Time evolution of(a)raindrop size distribution and(b)rain rate at Zigui station from 17∶00 BT to 22∶00 BT on 14 February 2020.

3.3 微雨雷達(dá)資料分析

為進(jìn)一步研究此次冰雹過(guò)程中降水微物理結(jié)構(gòu)隨時(shí)間和高度的演變情況，對(duì)微雨雷達(dá)探測(cè)的滴譜特征量隨時(shí)間和高度的變化進(jìn)行了分析。圖5為當(dāng)日17∶00—22∶00時(shí)段的反射率因子Z(dBz)、雨強(qiáng)R(mm·h-1)、液體水含量LWC(g·m-3)和雨滴總數(shù)濃度N0(log10m-3)隨時(shí)間和高度的變化。從上述各參量的垂直變化可見，與雨滴譜儀的探測(cè)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，微雨雷達(dá)同樣探測(cè)到了三個(gè)相同降水時(shí)段(18∶00、20∶00和21∶00)。其中，在地面降水發(fā)生前(17∶30)，各個(gè)參量隨高度降低逐漸減小，近地面的參量值很低，尤其是雨滴數(shù)濃度明顯減小，此時(shí)地面未探測(cè)到降水，這也表明降水前期雨滴在下落過(guò)程中蒸發(fā)作用的影響較大。隨后，在17∶30—18∶10時(shí)間段內(nèi)，雨強(qiáng)逐漸增大并超過(guò)30 mm·h-1(17∶55—18∶05時(shí)段有所減弱)，2 km以下出現(xiàn)強(qiáng)回波，同時(shí)雨滴數(shù)濃度在空中減小，表明雨滴在近地層發(fā)生碰并增長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的Z和LWC隨高度降低而增加，并在17∶45—17∶50出現(xiàn)了極大值(Z＞45 dBz，LWC＞2 g·m-3)，但微雨雷達(dá)在空中的反演數(shù)據(jù)由于速度模糊問題而出現(xiàn)缺測(cè)。18∶15—18∶45時(shí)間段內(nèi)LWC和N0在空中迅速減小，表明在環(huán)境濕度較低(地面相對(duì)濕度為60%)時(shí)蒸發(fā)作用明顯，小雨滴在下落過(guò)程中迅速蒸發(fā)。對(duì)于雨強(qiáng)小于2 mm·h-1的弱降水，反射率隨高度變化較小。第二個(gè)時(shí)段降水強(qiáng)度相對(duì)更弱，由Z和R可知，僅在20∶05—20∶15時(shí)段內(nèi)有顯著降水，對(duì)應(yīng)的反射率垂直變化不大，整體低于35 dBz，平均雨強(qiáng)也小于5 mm·h-1，N0在近地面出現(xiàn)減小表明存在一定的雨滴碰并增長(zhǎng)作用，也可能存在小雨滴的蒸發(fā)作用。第三個(gè)時(shí)段的降水強(qiáng)度最弱，基本為毛毛雨，雨滴總數(shù)濃度先減少后增加，可能與小雨滴的蒸發(fā)和大雨滴的破碎作用相關(guān)，此時(shí)的反射率、液態(tài)水含量和雨強(qiáng)隨高度變化很小。

圖5 2020年2月14日17∶00—22∶00秭歸站微雨雷達(dá)探測(cè)參量(a.Z;b.R;c.L WC;d.N0)隨時(shí)間和高度的變化Fig.5 Time-height variations of(a)Z,(b)R,(c)L WC,and(d)N0 of micro rain radar at Zigui station from 17∶00 BT to 22∶00 BT on 14 February 2020.

3.4 閃電資料分析

冰雹等強(qiáng)天氣發(fā)生發(fā)展過(guò)程中常伴隨著劇烈的雷電活動(dòng)，作為強(qiáng)對(duì)流天氣的“指示器”，閃電資料在強(qiáng)對(duì)流天氣的分析研究中越來(lái)越受到重視?；诤笔∪S閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)的探測(cè)資料，對(duì)此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的閃電活動(dòng)情況及其變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

圖6為兩個(gè)雹暴單體(如圖7所示)發(fā)展過(guò)程中閃電隨時(shí)間的演變情況。為了更好地匹配雷達(dá)回波，本文以雷達(dá)數(shù)據(jù)的分辨率(6 min)為時(shí)間單位，對(duì)雹暴單體強(qiáng)回波中心10 km范圍內(nèi)發(fā)生的所有閃電(云閃+地閃)進(jìn)行閃電頻次統(tǒng)計(jì)。從圖中可見，隨著對(duì)流單體的快速發(fā)展(強(qiáng)度超過(guò)35 dBz)，特別是大于40 dBz以后，對(duì)流單體附近開始出現(xiàn)閃電活動(dòng)，閃電頻次與對(duì)流強(qiáng)度基本呈現(xiàn)正相關(guān)，即閃電隨著對(duì)流活動(dòng)的增強(qiáng)而增多，且閃電頻次的峰值稍滯后于回波強(qiáng)度的最大值。相較而言，單體B的閃電活動(dòng)要顯著強(qiáng)于單體A，前者的閃電頻次峰值約為后者的6倍，而冰雹災(zāi)情的統(tǒng)計(jì)結(jié)果也表明單體B的雹災(zāi)強(qiáng)于單體A。隨后，由于降雹導(dǎo)致單體內(nèi)能參與放電的冰相粒子顯著減少，閃電的發(fā)生也隨之減少，而兩個(gè)雹暴單體均未能獲得能量補(bǔ)充，故閃電頻次沒能出現(xiàn)二次增長(zhǎng)，整體呈現(xiàn)單峰分布特征。最終，閃電活動(dòng)伴隨著雹暴單體的衰弱消亡而逐漸停止。

圖6 2020年2月14日13∶00—16∶30雹暴單體A(a)和15∶00—19∶00雹暴單體B(b)的閃電頻次與回波強(qiáng)度的時(shí)間演變Fig.6 Evolution of lightning frequency and radar reflectivity of hailstorm A during 13∶00-16∶30 and hailstorm B during 15∶00—19∶00.

為了深入分析此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的閃電特征，分別統(tǒng)計(jì)了兩個(gè)雹暴單體生命期內(nèi)平均正閃比(POB=正地閃/總閃)、負(fù)閃比(NOB=負(fù)地閃/總閃)、云閃比(IOB=云閃/總閃)和云閃比率(Z=云閃/地閃)，詳細(xì)說(shuō)明見曾勇等(2020)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。從表1可知，兩個(gè)雹暴單體發(fā)生的地閃主要以負(fù)地閃為主，正地閃較少，平均正閃比都遠(yuǎn)低于山東地區(qū)冰雹天氣過(guò)程中的正閃比統(tǒng)計(jì)值(馮桂力等，2008)，特別是單體B，其負(fù)閃比為正閃比的9倍多。從Z值結(jié)果來(lái)看，兩個(gè)雹暴單體存在顯著差異，即：雹暴單體A主要是云閃占優(yōu)，而單體B則正好相反，地閃多于云閃。兩個(gè)雹暴單體的初次地閃分別提前于降雹時(shí)間約30 min和33 min。上述結(jié)果僅基于這次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程分析得到，湖北地區(qū)雹暴過(guò)程的閃電氣候特征還有待收集更多的個(gè)例開展統(tǒng)計(jì)分析。

表1 2020年2月14日鄂西南強(qiáng)對(duì)流過(guò)程閃電特征統(tǒng)計(jì)量Table 1 Statistics of lightning characteristic during the convective weather event in southwest of Hubei on 14 February 2020.

3.5 多普勒雷達(dá)資料分析

多普勒天氣雷達(dá)憑借其高時(shí)空分辨率的特點(diǎn)，一直是開展強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)的主要手段。冰雹云在雷達(dá)圖上常呈現(xiàn)出(有界)弱回波區(qū)、旁瓣回波等典型回波特征也被視為雷達(dá)識(shí)別預(yù)警冰雹的關(guān)鍵指標(biāo)。圖7為宜昌S波段多普勒天氣雷達(dá)在此次鄂西南強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中的探測(cè)結(jié)果(雷達(dá)位于圖右側(cè)中間位置，子圖為紅色字體標(biāo)注對(duì)流單體的徑向速度圖)。從圖中可見，當(dāng)日下午14∶00左右，對(duì)流單體A在恩施州建始縣境內(nèi)生成(圖7a)。經(jīng)過(guò)十幾分鐘的發(fā)展，單體A的強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，中心強(qiáng)度首次超過(guò)50 dBz(圖略)。隨后，單體A進(jìn)一步增強(qiáng)，強(qiáng)回波(＞45 dBz)伸展到10.5 km以上高度，此時(shí)速度圖上顯示中低層有中氣旋在發(fā)展(見圖7b)。到了14∶48，強(qiáng)回波穩(wěn)定維持在10 km高度以上，而強(qiáng)中心(＞60 dBz)高度更是超過(guò)了7.6 km，中氣旋同樣維持發(fā)展并增強(qiáng)，回波形態(tài)也呈現(xiàn)出一定的勾狀回波特征(圖7c)；與此同時(shí)，其后部的奉節(jié)縣境內(nèi)出現(xiàn)新生對(duì)流單體B。在隨后的2~3個(gè)體掃時(shí)間里，伴隨著冰雹的降落，單體A的強(qiáng)度有所減弱，最大值由63 dBz減小到57 dBz，回波中心高度也逐漸降低到5.3 km；而單體B進(jìn)一步發(fā)展，中心強(qiáng)度突破50 dBz(圖略)。然而，得益于中氣旋的穩(wěn)定維持，單體A并未就此減弱消亡，而是再次發(fā)展增強(qiáng)。在15∶18左右(圖7d)，單體A的最強(qiáng)回波達(dá)到了64 dBz，發(fā)展高度超7.7 km。如圖7e所示，隨著降雹的出現(xiàn)單體A再次減弱，回波中心強(qiáng)度降到50 dBz以下，高度也快速降低；伴隨的中氣旋強(qiáng)度同樣減弱，高度降低，此時(shí)單體B強(qiáng)度穩(wěn)定，而在單體A和B之間又有對(duì)流單體C新生。盡管單體B持續(xù)發(fā)展了一個(gè)多小時(shí)，并出現(xiàn)了中氣旋特征(圖7f)，但由于中氣旋并未持續(xù)發(fā)展，故單體B沒能進(jìn)一步演變?yōu)楸⒃疲炊尸F(xiàn)出減弱趨勢(shì)。此時(shí)單體A已基本消亡，而單體C在東移過(guò)程中逐漸與單體B的南支部分合并，并在16∶54(圖7g)融合增強(qiáng)為一個(gè)獨(dú)立的強(qiáng)對(duì)流單體，單體B也隨之進(jìn)入衰亡階段；而由速度圖可知，單體C的中氣旋也已生成。隨著中氣旋的穩(wěn)定維持單體C得到進(jìn)一步發(fā)展，強(qiáng)回波面積也逐漸增大，高度超過(guò)了7 km，其中心強(qiáng)度大于62 dBz，回波形態(tài)逐漸演變成弓形(圖7h)。約半小時(shí)后，伴隨著冰雹的發(fā)生，弓形回波并未繼續(xù)增強(qiáng)形成颮線，而是減弱到50 dBz以下，并逐漸轉(zhuǎn)變成混合性降水回波(圖7i)。最后，混合回波中內(nèi)嵌的對(duì)流單體也未能進(jìn)一步維持和發(fā)展，逐漸分散減弱成層狀降水(圖略)。

為了進(jìn)一步分析雹暴單體的垂直結(jié)構(gòu)，分別沿圖7d、g中紅色虛線做垂直剖面(雷達(dá)位于圖中右側(cè))。由雷達(dá)反射率因子剖面(圖8a)可知，單體A的回波頂高已伸展到14 km，除了高懸的強(qiáng)回波中心(＞60 dBz)，強(qiáng)回波懸垂、回波區(qū)前側(cè)的回波墻(EW)以及回波墻右側(cè)的(有界)弱回波區(qū)(BWER/WER)等特征也清晰可見。由徑向速度剖面(圖8c)可知，單體A內(nèi)部出現(xiàn)了中層徑向輻合(MARC)特征，頂部則存在速度輻散。受環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的影響，雖然單體B的回波區(qū)整體向移動(dòng)方向前側(cè)傾斜，但回波墻、弱回波區(qū)等特征依然可見；此時(shí)的冰雹生長(zhǎng)過(guò)程顯著，強(qiáng)回波中心(＞60 dBz)發(fā)展高度超過(guò)了6 km(圖8b)。徑向速度(圖8d)上同樣存在中層徑向輻合，而高層受高空風(fēng)影響出現(xiàn)了速度模糊，排除環(huán)境風(fēng)影響因素，此處應(yīng)該為輻散區(qū)。

圖7 2020年2月14日不同時(shí)刻宜昌雷達(dá)2.4°仰角反射率因子(雷達(dá)位于右側(cè)中間位置)和1.5°、2.4°、3.4°仰角徑向速度局部放大圖(圖中右下角方框標(biāo)示):(a)14∶00 BT;(b)14∶30 BT;(c)14∶48 BT;(d)15∶18 BT;(e)15∶48 BT;(f)16∶30 BT;(g)16∶54 BT;(h)17∶18 BT;(i)17∶48 BTFig.7 Base reflectivity at elevation 2.4°(the radar site is in the middle of right side)and radial velocity at elevation 1.5°,2.4°or 3.4°(the zoom image is in the box at the right corner of the figure)：(a)14∶00 BT,(b)14∶30 BT,(c)14∶48 BT,(d)15∶18 BT,(e)15∶48 BT,(f)16∶30 BT,(g)16∶54 BT,(h)17∶18 BT,and(i)17∶48 BT

圖8 2020年2月14日15∶18(a,c)和16∶54(b，d)宜昌雷達(dá)反射率因子(a,b)和徑向速度(c,d)剖面圖(a,c和b,d分別對(duì)應(yīng)圖7d和圖7g中虛線剖面，雷達(dá)位于右側(cè))Fig.8 Cross sections of base reflectivity(a,b)and base radial velocity(c,d)of Yichang radar at 15∶18(a,c)and 16∶54(b,d)on 14 February 2020 along the dotted line in Fig.7d(a,c)and Fig.7g(b,d).The radar is located on the right side.

依托科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“災(zāi)害性天氣資料同化與短臨預(yù)報(bào)系統(tǒng)開發(fā)”的開展，中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所完成了分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別預(yù)警技術(shù)的開發(fā)。在改進(jìn)速度退模糊算法的基礎(chǔ)上，開發(fā)了風(fēng)暴識(shí)別追蹤、冰雹指數(shù)計(jì)算、中層徑向輻合特征和中氣旋識(shí)別、下?lián)舯┝髯R(shí)別與預(yù)報(bào)等算法，綜合上述算法完成了風(fēng)暴單體30多個(gè)特征參量的自動(dòng)提取。使用大量下?lián)舯┝?、龍卷和冰雹個(gè)例，統(tǒng)計(jì)分析了產(chǎn)生這些災(zāi)害天氣的風(fēng)暴單體雷達(dá)特征量，以此建立分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別預(yù)警系統(tǒng)。此處利用該系統(tǒng)對(duì)2020年2月14日鄂西南這次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程進(jìn)行了效果檢驗(yàn)。如圖9所示，結(jié)果顯示該系統(tǒng)成功對(duì)兩個(gè)雹暴單體進(jìn)行了識(shí)別預(yù)警；其中，系統(tǒng)在14∶24首次對(duì)單體A進(jìn)行了冰雹預(yù)警(圖9a中藍(lán)色三角標(biāo)識(shí)，下同)；隨后，在單體A東移的過(guò)程中沿途多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)均報(bào)告出現(xiàn)冰雹災(zāi)情，冰雹信號(hào)也一直維持到15∶30結(jié)束，剛好對(duì)應(yīng)了單體A發(fā)展增強(qiáng)—降雹減弱—再發(fā)展增強(qiáng)的全過(guò)程。同樣地，對(duì)于單體B，系統(tǒng)在16∶48進(jìn)行了首次冰雹預(yù)警(圖9b)，隨后在秭歸多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)降雹，并有相應(yīng)的圖片和視頻資料記錄，冰雹信號(hào)一直持續(xù)到17∶18，基本覆蓋了整個(gè)降雹過(guò)程。

圖9 2020年2月14日分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別預(yù)警系統(tǒng)對(duì)單體A(a)和單體B(b)的冰雹識(shí)別預(yù)警結(jié)果(色斑表示反射率因子，藍(lán)色三角為冰雹識(shí)別位置，紅色數(shù)字為識(shí)別時(shí)間)Fig.9 Results of the classified severe convective weather identification and warning system of two hailstorms(a.A;b.B)on 14 February 2020(Shaded represents reflectivity,the blue triangle represents the hail location,and the red number represents the recognition time).

4 結(jié)論

利用多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、微雨雷達(dá)、二維視頻雨滴譜儀、三維閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)等多源探測(cè)資料，結(jié)合常規(guī)觀測(cè)資料，對(duì)2020年2月14日發(fā)生在鄂西南一次早春強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的中小尺度特征進(jìn)行了綜合分析，主要結(jié)論如下：

(1)此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程是在華北低槽、850 hBa低渦北部的暖式切變線和地面冷鋒系統(tǒng)配合的有利天氣背景下，鄂西南建始縣境內(nèi)先后生成的兩個(gè)對(duì)流單體東移發(fā)展加強(qiáng)，分別在建始、巴東和秭歸等多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雹，并伴有局地雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水。前一個(gè)單體的發(fā)展相對(duì)獨(dú)立，后一個(gè)單體在東移過(guò)程中與北面一個(gè)開始減弱的單體合并加強(qiáng)為強(qiáng)雹暴單體。后者的閃電活動(dòng)更加活躍，閃電頻次峰值更高。

(2)風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析結(jié)果表明，秭歸站上空受暖平流控制，3 km以上西南急流發(fā)展增強(qiáng)，濕層深厚；隨著南下冷鋒前部冷空氣的不斷滲入，不穩(wěn)定能量急劇增加，配合暖濕氣流發(fā)展，強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)開始發(fā)生發(fā)展。隨著冷鋒主體的抵達(dá)，冷空氣勢(shì)力加強(qiáng)，2.5 km以下迅速轉(zhuǎn)為偏北氣流控制。

(3)由于冰雹并未降落在測(cè)站，雨滴譜儀沒能直接觀測(cè)到冰雹粒子，但完整記錄了雹暴單體的降水微物理特征，即雨滴譜整體呈現(xiàn)單峰分布，以直徑小于1 mm的粒子為主，最大雨滴平均直徑可達(dá)6 mm。

(4)由微雨雷達(dá)探測(cè)的雨滴譜垂直分布特征可知，降水前期環(huán)境濕度低，蒸發(fā)作用明顯，反射率因子、雨強(qiáng)、液態(tài)水含量和雨滴總數(shù)濃度都隨高度降低而減小。在較強(qiáng)降水時(shí)段，反射率因子和液態(tài)水含量在低層隨高度降低而增大，近地面雨滴碰并增長(zhǎng)作用明顯。隨著降水的減弱，各參量垂直方向的變化較小。

(5)三維閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)的閃電分布結(jié)果顯示，閃電頻次的變化與雹暴單體的強(qiáng)度變化呈正相關(guān)，閃電頻次的峰值稍滯后于回波強(qiáng)度的最大值，且兩個(gè)雹暴單體的初次地閃分別超前于降雹時(shí)間約30 min和33 min。

(6)多普勒天氣雷達(dá)在兩個(gè)雹暴單體中均探測(cè)到典型冰雹回波特征，即(有界)弱回波區(qū)、勾狀回波、回波墻等，并伴隨著中低層的中氣旋、中層徑向輻合與高層輻散區(qū)。

武漢暴雨研究所研發(fā)的分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別預(yù)警系統(tǒng)對(duì)此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的服務(wù)效果令人滿意，不僅對(duì)兩個(gè)雹暴單體進(jìn)行了成功地冰雹識(shí)別與預(yù)警，且持續(xù)的冰雹信號(hào)基本覆蓋了整個(gè)降雹過(guò)程。該系統(tǒng)可為強(qiáng)天氣識(shí)別與短時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。

致謝：中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所王玨、付志康、冷亮、孫京同志為完成本文給予了多源資料處理技術(shù)指導(dǎo)，謹(jǐn)致謝忱。