湯興芝 俞小鼎 熊秋芬 王秀明 王文玉

1 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖北分院,武漢 430074 2 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081

提 要： 利用常規(guī)觀測(cè)資料、多普勒天氣雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)資料，對(duì)一次罕見的鄂西南冬季強(qiáng)冰雹(直徑1～3 cm)天氣過程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：強(qiáng)冰雹產(chǎn)生在上干冷、下暖濕，低空輻合、高空輻散的環(huán)流背景下，地面中尺度輻合和“喇叭口”的有利地形，給冷鋒前暖區(qū)對(duì)流性天氣提供了觸發(fā)機(jī)制；地面冷鋒南下伴隨的垂直風(fēng)切變?cè)鰪?qiáng)有利于已經(jīng)生成的對(duì)流風(fēng)暴的維持和加強(qiáng)。強(qiáng)冰雹分別由孤立的超級(jí)單體和超級(jí)單體復(fù)合體(多單體結(jié)構(gòu)中含有占支配地位的超級(jí)單體)產(chǎn)生。比較而言，孤立的超級(jí)單體發(fā)展更為高大，持續(xù)時(shí)間更長。風(fēng)暴具有中氣旋、高懸的強(qiáng)回波、低層入流、弱回波區(qū)與回波懸垂、中層徑向輻合、風(fēng)暴頂強(qiáng)輻散等超級(jí)單體風(fēng)暴的典型特征；垂直累積液態(tài)含水量及其密度分別較長時(shí)間維持在35 kg·m-2和4 g·m-3以上的冬季高值；新一代天氣雷達(dá)冰雹探測(cè)算法輸出的冰雹指數(shù)產(chǎn)品預(yù)測(cè)到高概率的強(qiáng)冰雹。此次過程出現(xiàn)在冬末，雖然對(duì)流出現(xiàn)之后呈現(xiàn)出典型的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)，可以提前10～30 min做出強(qiáng)冰雹的臨近預(yù)警，但對(duì)于對(duì)流出現(xiàn)之前的提前數(shù)小時(shí)的強(qiáng)冰雹短時(shí)潛勢(shì)預(yù)報(bào)而言，常用做判斷強(qiáng)降雹潛勢(shì)的探空特征(包括對(duì)流有效位能、0～6 km垂直風(fēng)切變以及融化層高度)關(guān)鍵參數(shù)值非常不典型，會(huì)誤導(dǎo)預(yù)報(bào)員忽視冰雹潛勢(shì)的判斷，預(yù)報(bào)員在這種環(huán)境背景下進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流天氣潛勢(shì)分析時(shí)，需要格外慎重和深入分析，才能得到正確預(yù)報(bào)結(jié)果。

引 言

冰雹是由發(fā)展迅速的中小尺度天氣系統(tǒng)造成的一種對(duì)流性災(zāi)害天氣，具有來勢(shì)迅猛、災(zāi)害重、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此成為氣象災(zāi)害防御的重點(diǎn)，同時(shí)也是氣象預(yù)報(bào)預(yù)警的難點(diǎn)。針對(duì)冰雹的成因分析和臨近預(yù)報(bào)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量深入研究，取得了一系列成果。Greene and Clark(1972)提出利用數(shù)字雷達(dá)回波資料計(jì)算的垂直累積液態(tài)含水量(VIL)作為預(yù)報(bào)因子，建立了VIL與強(qiáng)冰雹可能性之間的關(guān)系。Witt and Nelson(1984)探討了10 km高度上徑向輻散氣流速度差及高徑向切變區(qū)與降雹之間的關(guān)系。Amburn and Wolf(1997)研究VIL密度與冰雹的關(guān)系，得到VIL密度值越大，就越可能包含雹核，當(dāng)VIL密度值達(dá)到一定閾值時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)暴，且VIL密度與冰雹大小之間存在一定的關(guān)系。在國內(nèi)，馬曉玲等(2020)、黃曉龍和高麗(2016)、徐芬等(2016)、張小娟等(2019)針對(duì)冰雹的時(shí)空分布特征、中尺度特征及云系發(fā)展演變等開展了研究。陳雙等(2011)、王華和孫繼松(2008)認(rèn)為，山區(qū)的喇叭口地形和迎風(fēng)坡抬升作用對(duì)局地強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生、入境積云的發(fā)展有重要影響；黃榮等(2012)研究表明上游冷池出流邊界(陣風(fēng)鋒)伴有的強(qiáng)溫度梯度和邊界層輻合上升運(yùn)動(dòng)是原有局地新生雷暴顯著增強(qiáng)的主要原因。周小剛等(2015)探討了多普勒雷達(dá)探測(cè)冰雹的算法及業(yè)務(wù)應(yīng)用。張秉祥等(2014)發(fā)展了基于多個(gè)雷暴參數(shù)的模糊邏輯冰雹預(yù)警方法，張文海和李磊(2019)提出了人工智能冰雹識(shí)別及臨近預(yù)報(bào)方法。俞小鼎等(2020；2012；2006)針對(duì)冰雹的基于環(huán)境背景參數(shù)短時(shí)潛勢(shì)預(yù)報(bào)和基于多普勒天氣雷達(dá)的臨近預(yù)警，總結(jié)了強(qiáng)冰雹產(chǎn)生的環(huán)境背景和雷達(dá)回波特征。

國內(nèi)學(xué)者利用新一代天氣雷達(dá)資料、風(fēng)廓線雷達(dá)資料針對(duì)冰雹的雷達(dá)回波特征和相關(guān)參數(shù)應(yīng)用開展了廣泛研究，范皓等(2019)利用多種觀測(cè)資料，從強(qiáng)對(duì)流單體出現(xiàn)的天氣背景、降雹特征、雷達(dá)回波演變、大冰雹的形成機(jī)制及動(dòng)力結(jié)構(gòu)等方面對(duì)太行山東麓的一次強(qiáng)對(duì)流單體降雹天氣過程進(jìn)行了分析。潘佳文等(2020)利用雙偏振雷達(dá)資料結(jié)合雙雷達(dá)風(fēng)場反演技術(shù)和粒子相態(tài)識(shí)別算法剖析了大冰雹超級(jí)單體的動(dòng)力結(jié)構(gòu)云物理機(jī)制及其演變。楊吉等(2020)利用南京雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)分析了2019年3月20日冰雹過程發(fā)展、成熟和降雹階段的觀測(cè)特征及微物理過程，探究冰雹和三體散射的雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)特征；黃海迅等(2021)對(duì)X波段雙線偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)做退折疊、濾波、自適應(yīng)衰減訂正后，系統(tǒng)分析了威寧縣的兩次典型雹暴過程，探究了貴州省威寧地區(qū)雹暴過程中雹胚粒子的演變特征。同時(shí)其他學(xué)者也取得了不少新成果(李聰?shù)龋?017；林文等，2020；王莎等，2019；覃靖等，2017；王秀明等，2009；胡鵬等，2019)。

雖然很多學(xué)者對(duì)冰雹的形成機(jī)理和雷達(dá)回波特征進(jìn)行了大量研究，但主要集中在春夏秋三季的降雹過程，冬季冰雹出現(xiàn)情況稀少，對(duì)冬季強(qiáng)冰雹的研究就更為少見。鄂西南是湖北省冰雹天氣的高發(fā)區(qū)，其地形復(fù)雜，這種局地性的強(qiáng)冰雹預(yù)報(bào)難度很大。為了提高冰雹災(zāi)害性天氣預(yù)警服務(wù)水平，羅菊英和譚江紅(2019)、李德俊等(2010；2011)、單興佑等(2010)對(duì)冰雹天氣的多普勒天氣雷達(dá)回波特征及臨近預(yù)警進(jìn)行了初步研究，但由于沒有細(xì)分預(yù)警指標(biāo)，其業(yè)務(wù)應(yīng)用存在局限。

2020年2月14日鄂西南發(fā)生了一次罕見的局地強(qiáng)冰雹天氣過程，利用高空、地面常規(guī)觀測(cè)資料、風(fēng)廓線雷達(dá)資料、多普勒天氣雷達(dá)資料對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期為鄂西南地區(qū)建立本地臨近預(yù)警指標(biāo)積累樣本并提供參考，也為鄂西南盡早識(shí)別強(qiáng)冰雹潛勢(shì)、提前預(yù)警并及時(shí)開展防雹工作提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

本文應(yīng)用2020年2月14日08—18時(shí)(北京時(shí)，下同)高空、地面常規(guī)觀測(cè)資料、5 min區(qū)域站觀測(cè)資料、秭歸固定式L波段邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)資料，經(jīng)MICAPS4.0自帶的探空資料分析顯示系統(tǒng)進(jìn)行T-lnp圖訂正后，重點(diǎn)分析了此次對(duì)流過程發(fā)生發(fā)展的環(huán)境背景和觸發(fā)原因，利用宜昌多普勒天氣雷達(dá)13—18時(shí)逐6 min體掃資料詳細(xì)分析了雷達(dá)回波隨時(shí)間的演變特征。

2 過程概況

2020年2月14日下午到晚上，鄂西南自西南向東北出現(xiàn)了雷雨大風(fēng)、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水天氣，其中建始、巴東、秭歸出現(xiàn)了直徑為1～3 cm的冰雹和15 m·s-1的大風(fēng)(圖1)。本次冰雹災(zāi)害共造成建始、巴東、秭歸3 個(gè)縣(市)23個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))3.5萬人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積達(dá)2 311 hm2，成災(zāi)面積達(dá)1 088 hm2，絕收面積達(dá)197 hm2；因?yàn)?zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失約為1 907 萬元(含當(dāng)晚因雪致災(zāi)損失)。

圖1 2020年2月14日14—20時(shí)湖北省6 h降水量(≥0.1 mm,數(shù)字)、冰雹落區(qū)()和大風(fēng)分布Fig.1 Distribution of the 6 h rainfall (≥0.1 mm, number), hail area () and strong wind in Hubei Province from 14：00 BT to 20：00 BT 14 February 2020

3 對(duì)流發(fā)生發(fā)展的環(huán)境背景分析

3.1 環(huán)流形勢(shì)及主要影響系統(tǒng)

2月14日08時(shí)環(huán)流形勢(shì)(圖2)，500 hPa為一槽一脊型，在閬中—宜賓一線有小槽，鄂西南處于槽前西南氣流中，介于兩個(gè)溫度槽之間，安康到濟(jì)南一線存在西南急流，鄂西南位于急流軸入口右側(cè)的顯著分流區(qū)。850 hPa低渦切變線位于鄂西南西部與重慶交界，鄂西南位于西北、東北和偏南三支不同氣流的輻合區(qū)，百色至武漢一帶存在12 m·s-1的低空急流，鄂西南位于溫度脊前，暖平流強(qiáng)，濕度大，比濕為7～8 g·kg-1。700 hPa鄂西南北部有冷空氣入侵，12 h降溫達(dá)6℃，其西南貴州中部有個(gè)暖中心，鄂西南位于冷暖交匯區(qū)。200 hPa鄂西南位于高空急流核上游的輻散區(qū)，風(fēng)速達(dá)40 m·s-1。整個(gè)高低空形勢(shì)配置為低層暖濕、高層干冷，低層輻合、高空輻散，環(huán)境背景中存在明顯的垂直上升運(yùn)動(dòng)，該垂直上升運(yùn)動(dòng)結(jié)合低層暖濕條件有利于對(duì)流層中低層條件不穩(wěn)定層結(jié)的產(chǎn)生，形成一定大小的對(duì)流有效位能(CAPE)，并且有利于對(duì)流抑制能量(CIN)的減小，從而有利于對(duì)流天氣的形成。海平面氣壓場上東北—西南走向的地面冷鋒位于廊坊—太原—商洛一線并向南移動(dòng)，鄂西南處于鋒前的暖低壓帶中，風(fēng)力較小，濕度大，有輕霧，邊界層靜力穩(wěn)定，14日上午冰雹發(fā)生地以少云天氣為主，受太陽輻射影響，鄂西南14時(shí)最高溫度達(dá)到18 ℃，6 h升溫接近10℃，地面的快速升溫增加了對(duì)流層中低層的條件不穩(wěn)定，從而使得CAPE增加，CIN減小，大大增加了深厚濕對(duì)流發(fā)生的概率。14時(shí)鋒面移至開封—南陽—安康一線。

圖2 2020年2月14日08時(shí)環(huán)境場條件中尺度分析及14時(shí)冷鋒Fig.2 The mesoscale analysis at 08:00 BT and cold front at 14:00 BT 14 February 2020

3.2 熱力條件和對(duì)流不穩(wěn)定能量

由2月14日08時(shí)恩施探空曲線(圖3)可見，左側(cè)棕色曲線表示從地面起始絕熱氣塊的狀態(tài)曲線，其CAPE為零；將氣塊起始高度訂正至最不穩(wěn)定層755 hPa后，得到最不穩(wěn)定對(duì)流有效位能(MUCAPE)為437 J·kg-1(圖3中藍(lán)色網(wǎng)格)，集中在高空550～280 hPa； CIN較小，只有0.7 J·kg-1。

圖3 2020年2月14日08時(shí)恩施站T-lnp圖(藍(lán)線：溫度，綠線：露點(diǎn)溫度)Fig.3 T-lnp of Enshi Station at 08:00 BT 14 February 2020(blue line: temperature, green line: dew-point temperature)

圖3中的溫度和露點(diǎn)溫度曲線呈“喇叭口”形狀，670 hPa以下濕度大，T-Td<3℃；670 hPa以上T-Td迅速增大，濕度迅速減??；850～500 hPa溫度直減率大，溫差達(dá)26.6℃。這種“上干冷、下暖濕”的層結(jié)有利于冰雹、雷暴大風(fēng)的發(fā)生(俞小鼎等，2020)。溫度曲線還顯示在937～920 hPa及663～647 hPa高度上存在兩處逆溫，且663～647 hPa逆溫強(qiáng)，溫差達(dá)6.2℃，強(qiáng)逆溫的存在一方面阻止了上下層水汽和能量的交換，有利于低層積累不穩(wěn)定能量；另一方面抑制了下方對(duì)流向上發(fā)展，使對(duì)流局限在大氣低層，不易形成深對(duì)流。但當(dāng)上升氣流足夠強(qiáng)，或強(qiáng)逆溫層被削弱，具有一定上升速度的氣塊就能穿透逆溫層，使高低層的不穩(wěn)定能量結(jié)合，加速深對(duì)流的發(fā)展。秭歸站固定式L波段邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)到的風(fēng)場變化特征可以較好地解釋逆溫層被削弱的過程。圖4顯示，14日10時(shí)之前，在3 km高度上以西南風(fēng)為主，最大風(fēng)速為8 m·s-1；10時(shí)風(fēng)速增加到12 m·s-1，達(dá)到急流標(biāo)準(zhǔn)，其高度與強(qiáng)逆溫層所在高度基本一致；此后，急流進(jìn)一步加強(qiáng)，13時(shí)風(fēng)暴生成時(shí)，風(fēng)速增加到16 m·s-1。與此同時(shí)，急流向上向下擴(kuò)展，厚度增厚，從西南輸送過來的暖濕空氣使鄂西南上空長時(shí)間增溫，逐步削弱了強(qiáng)逆溫層結(jié)狀態(tài)，為深對(duì)流的形成減輕了障礙。另外訂正后的自由對(duì)流高度(LFC)較低，距地高度約為2.6 km，低層氣塊較易抬升到這個(gè)高度產(chǎn)生強(qiáng)的上升速度從而形成深對(duì)流。

圖4 2020年2月14日08—16時(shí)秭歸站的6 min垂直風(fēng)廓線Fig.4 The vertical profile of wind every 6 min of Zigui Station from 08：00 BT to 16：00 BT 14 February 2020

2月14日08時(shí)(表1)鄂西南上空濕球0℃層高度(WBZ)為3.0 km，-20℃層高度為6.0 km，屬于有利于產(chǎn)生強(qiáng)冰雹的高度。衡量大氣層結(jié)穩(wěn)定度的重要判別指標(biāo)K指數(shù)為34℃，0～6 km垂直風(fēng)切變(WSR0～6 km)為12.4 m·s-1，SI為-1.3℃，顯示出有深厚對(duì)流發(fā)展的潛勢(shì)。

表1 2020年2月14日08時(shí)恩施站主要探空參數(shù)Table 1 The main sounding parameters of Enshi Station at 08:00 BT 14 February 2020

根據(jù)垂直上升速度(Wmax)與CAPE之間的關(guān)系(Markowski and Richardson，2010),即Wmax=(2CAPE)0.5，可計(jì)算出上升速度為29.6 m·s-1。大多數(shù)無組織風(fēng)暴上升氣流的垂直速度通常是Wmax的1/2，而對(duì)于結(jié)構(gòu)完整的風(fēng)暴其上升氣流核的垂直速度接近于Wmax，根據(jù)這一關(guān)系估算，風(fēng)暴一旦形成，其最大可能上升速度在14.8～29.6 m·s-1，根據(jù)冰雹增長理論中上升速度與冰雹直徑之間的關(guān)系：風(fēng)暴內(nèi)上升氣流與冰雹下落末速度需要大致相當(dāng)，對(duì)于直徑為1～2 cm的冰雹，至少需要15 m·s-1的強(qiáng)上升氣流使得冰雹粒子在空中停留足夠長時(shí)間(俞小鼎等，2020)。這與當(dāng)天實(shí)際產(chǎn)生了直徑為1～3 cm的冰雹實(shí)況基本一致。

3.3 觸發(fā)條件

鄂西南屬于云貴高原的延伸部分，海拔高差懸殊，溝壑縱橫，地形地貌總體呈倒V形喇叭狀。受太陽輻射影響，白天山區(qū)盛行谷風(fēng)。地面加密觀測(cè)資料顯示，2月14日12時(shí)，在萬州北—建始東部一線的山脊上形成了和山脈走向近乎垂直的地面輻合線(圖5中紅色虛線)。當(dāng)從西南方向輸送過來的暖濕空氣進(jìn)入山谷之后，其因地形收縮在谷底不斷堆積，而喇叭口地形進(jìn)一步加強(qiáng)了低層氣流輻合，在地面中尺度輻合和地形對(duì)上山氣流的強(qiáng)迫抬升作用下，觸發(fā)了本次強(qiáng)對(duì)流天氣。13時(shí)，宜昌多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)到有弱回波在地面輻合線兩側(cè)生成(圖略)，隨著雷暴的移動(dòng)，雷暴所到之處出現(xiàn)溫度驟降、氣壓涌升、風(fēng)向突變(圖6)，雷暴高壓在地面形成冷池和陣風(fēng)鋒。圖7顯示，14日15時(shí)雷暴高壓造成的10 min 最大降溫為2℃；17時(shí)，雷暴高壓造成的10 min 最大降溫達(dá)3.5℃，比第一次降溫更強(qiáng)，這可能與17時(shí)雷暴正處于強(qiáng)盛期但15時(shí)雷暴已處于衰減期有關(guān)；陣風(fēng)鋒位于冷池一側(cè)，緊貼主體回波移動(dòng)。分析還發(fā)現(xiàn)，此次冰雹源地有兩個(gè)(圖5)，分別位于鄂西的恩施和重慶的萬州，在風(fēng)暴向前運(yùn)動(dòng)過程中，源于恩施的風(fēng)暴沿著山脈向東北方向移動(dòng)(圖5 中綠線)，源于萬州的風(fēng)暴則沿著長江向東移動(dòng)(圖5中黃線)。這與李永振等(2005)得到的“冰雹發(fā)生后移動(dòng)路徑常沿山脈和河谷移動(dòng)”結(jié)論一致。

圖5 2020年2月14日12時(shí)地面輻合線、風(fēng)雹移動(dòng)路徑及地形(紅色虛線：地面輻合線，紅色箭頭：風(fēng)向，綠線：風(fēng)雹沿山脈抬升移動(dòng)路徑，黃線：風(fēng)雹沿長江河谷移動(dòng)路徑)Fig.5 Surface convergence line, moving path of hailstorm and terrain separately at 12:00 BT 14 February 2020(red dotted line： surface convergence line, red arrow： wind direction, green line： path of the hailstorm moving along the mountains, yellow line： path of the hailstorm moving along the Yangtze River Valley)

圖6 2020年2月14日雷暴移經(jīng)測(cè)站前后氣溫、露點(diǎn)溫度、本站氣壓和風(fēng)隨時(shí)間的變化(a)14—15時(shí)的滬渝高速K1313站，(b)17—18時(shí)的秭歸吳家溝站Fig.6 Variation characteristics of temperature, dew-point temperature, pressure, and wind before and after the thunderstorm moving across the stations on 14 February 2020(a) Shanghai-Chongqing Expressway K1313 Station from 14:00 BT to 15:00 BT, (b) Wujiagou Station in Zigui from 17:00 BT to 18:00 BT

3.4 垂直風(fēng)切變

垂直風(fēng)切變的大小與雷暴的強(qiáng)弱密切相關(guān)，在一定的熱力不穩(wěn)定條件下，垂直風(fēng)切變的增強(qiáng)將導(dǎo)致對(duì)流風(fēng)暴進(jìn)一步加強(qiáng)和發(fā)展?？紤]到1 km以下受邊界層摩擦影響，在此重點(diǎn)分析1 km以上的垂直風(fēng)切變變化特征。圖4顯示，2月14日08時(shí)1 km 高度上為4 m·s-1的偏東風(fēng)，3.5 km高度上為6 m·s-1的偏南風(fēng)，風(fēng)矢差為8.7 m·s-1；此后，垂直風(fēng)切變逐步增強(qiáng)， 10時(shí)，1 km和3.5 km 高度上分別為6 m·s-1的偏東風(fēng)和12 m·s-1的西南風(fēng)，風(fēng)矢差增大到15.9 m·s-1； 12時(shí)，1 km和3.5 km高度風(fēng)矢差繼續(xù)增加到16.4 m·s-1；同時(shí)，低層的風(fēng)向切變由緩慢順轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖夙樲D(zhuǎn)，風(fēng)向切變角度增大，垂直風(fēng)切變隨著風(fēng)暴臨近持續(xù)增強(qiáng)。14時(shí)在2.5 km的垂直距離上，風(fēng)矢差達(dá)到21.4 m·s-1，形成很大的中低層垂直風(fēng)切變，達(dá)到強(qiáng)垂直風(fēng)切變級(jí)別，極有利于超級(jí)單體風(fēng)暴的形成(俞小鼎等，2012；2020)。

圖7 2020年2月14日宜昌站15時(shí)(a)與17時(shí)(b)正點(diǎn)前后10 min降溫(數(shù)字,單位:℃)、雷達(dá)回波(填色)及陣風(fēng)鋒(虛線)Fig.7 The 10 min temperature drop (number, unit: ℃), radar echo (colored) and gust front (dashed line) at Yichang Station before and after 15:00 BT (a) and 17:00 BT (b) 14 February 2020

4 風(fēng)暴的雷達(dá)回波特征分析

4.1 雷達(dá)回波的演變過程

此次強(qiáng)冰雹過程由兩個(gè)風(fēng)暴先后影響形成。第一次降雹過程回波演變情況具體為：2月14日13時(shí)，宜昌雷達(dá)探測(cè)到恩施境內(nèi)有大量零散回波生成，在向東偏北方向移動(dòng)過程中合并加強(qiáng)；14時(shí)(圖略)，回波A(圖8a)因受喇叭口地形收窄輻合和持續(xù)上山地形強(qiáng)迫抬升影響出現(xiàn)爆發(fā)式增長，在4個(gè)體掃時(shí)間內(nèi)最大回波強(qiáng)度從40 dBz增加到58 dBz，14：48 達(dá)到最大值(62 dBz)，隨后56 dBz以上強(qiáng)度維持到15：30。期間，在A單體右后側(cè)的陣風(fēng)鋒上(雖然因山體遮擋未能在0.5°仰角雷達(dá)回波上觀測(cè)到陣風(fēng)鋒，但從地面加密站風(fēng)場資料和雷達(dá)組合反射率回波疊加可分析出陣風(fēng)鋒，如圖7a)不斷生成弱小回波并入A單體，維持A單體的發(fā)展，后隨著回波下山，回波強(qiáng)度有所減弱，但強(qiáng)度保持在50 dBz以上，直到16：06，反射率因子最大值降低到45 dBz以下。第二次降雹過程回波演變情況具體為：在第一次風(fēng)暴演變期間，重慶境內(nèi)也有大量零星回波生成，受快速南壓的地面冷鋒影響，回波逐漸合并加強(qiáng)，16：18進(jìn)入湖北境內(nèi)影響鄂西南地區(qū)。此時(shí)對(duì)流回波由呈南北向排列的B、C、D、E四塊回波構(gòu)成(圖8b)，其中，E單體正由成熟轉(zhuǎn)向消亡階段，D單體發(fā)展最為旺盛，最大反射率因子為51 dBz ，B、C均處于發(fā)展階段。此后，C、D兩塊回波先后成熟并逐漸減弱消散，殘余部分并入B單體。在此期間，由于降水拖曳下沉氣流在地面形成冷池，在冷池右后側(cè)的偏北風(fēng)和周圍環(huán)境偏東南暖濕氣流共同作用下，陣風(fēng)鋒出現(xiàn)在B單體右前方，與B單體同步向東移動(dòng)，在陣風(fēng)鋒上生成發(fā)展的新單體不斷并入B單體；同時(shí)，地面冷鋒到達(dá)鄂西南和重慶北部一線，在陣風(fēng)鋒和冷鋒的共同影響下，造成B單體迅速發(fā)展，一家獨(dú)大。16：48，B單體發(fā)展成熟，最大反射率因子達(dá)到64 dBz ，在前側(cè)偏東氣流的作用下，回波形態(tài)開始出現(xiàn)“弓”狀特征(圖8c)。隨著后側(cè)冷空氣的影響，減弱后的B單體與從東南方向移來的回波組合，“弓”形回波得以形成，并持續(xù)到17：42(圖8d)，期間造成地面出現(xiàn)了7級(jí)強(qiáng)陣風(fēng)。由以上分析發(fā)現(xiàn)，陣風(fēng)鋒為新生單體的生成提供了合適的環(huán)境，同時(shí)阻斷了北側(cè)C、D、E等幾個(gè)老單體的暖濕氣流供應(yīng)，導(dǎo)致C、D、E單體的減弱和消散，多單體呈現(xiàn)出此消彼長、有序更替的特征。

圖8 2020年2月14日不同時(shí)刻宜昌雷達(dá)組合反射率(a) 14:48，(b)16:18，(c)16:48，(d)17:42(A～E：單體)Fig.8 Composite reflectivity products of Yichang Radar on 14 February 2020(a) 14:48 BT， (b) 16:18 BT， (c) 16:48 BT， (d) 17:42 BT(A-E： cells)

4.2 風(fēng)暴成熟時(shí)期的垂直結(jié)構(gòu)特征分析

圖9和圖10分別為A、B風(fēng)暴成熟時(shí)(14：48,A風(fēng)暴;16：48,B風(fēng)暴)的不同仰角反射率因子。在1.5°仰角上，雙箭頭指向風(fēng)暴的低層入流缺口，箭頭前方是構(gòu)成入流缺口的一部分低層弱回波區(qū)，而在4.3°仰角，箭頭前側(cè)是超過45 dBz的強(qiáng)回波中心，這樣在低層與入流缺口對(duì)應(yīng)的弱回波區(qū)之上有一個(gè)強(qiáng)回波懸垂。圖11為對(duì)應(yīng)時(shí)刻反射率因子垂直剖面，剖面顯示風(fēng)暴從低往高向低層入流一側(cè)傾斜，回波強(qiáng)度大，超過60 dBz；強(qiáng)回波高度高，55 dBz回波高度在6 km(-20℃等溫線高度)以上，剖面左側(cè)的強(qiáng)回波區(qū)對(duì)應(yīng)強(qiáng)冰雹的下降通道，右邊是弱回波區(qū)和位于弱回波區(qū)之上的回波懸垂，對(duì)比兩個(gè)風(fēng)暴，強(qiáng)度基本一致，但A風(fēng)暴強(qiáng)回波高度更高，水平尺度更寬，持續(xù)時(shí)間更長。

圖9 2020年2月14日14：48 A風(fēng)暴宜昌雷達(dá)不同仰角反射率因子(a)1.5°，(b)2.4°，(c)3.4°，(d)4.3°Fig.9 A storm reflectivity factor of Yichang Radar at different elevation angles at 14:48 BT 14 February 2020(a) 1.5°， (b) 2.4°， (c) 3.4°， (d) 4.3°

圖10 同圖9，但為2月14日16：48 B風(fēng)暴(a)1.5°，(b)3.4°，(c)4.3°，(d)6.0°Fig.10 Same as Fig.9, but for B storm at 16:48 BT 14 February 2020(a) 1.5°， (b) 3.4°， (c) 4.3°， (d) 6.0°

圖11還給出了反射率因子垂直剖面與探空-20℃、-30℃與濕球0℃三者高度之間的關(guān)系，14：48，剖面顯示50 dBz以上的強(qiáng)回波位置高達(dá)8 km，超過-20 ℃等溫線以上2 km，超過-30℃等溫線以上1 km。16：48，50 dBz強(qiáng)回波高度達(dá)到7 km，超過-20 ℃ 等溫線以上1 km，與-30℃等溫線持平。說明在冰雹增長層(-30～-10℃)存在豐富的過冷卻水滴，非常有利于大冰雹的產(chǎn)生。Waldvogel et al(1979)、Witt et al(1998)研究顯示，-20℃等溫線對(duì)應(yīng)的高度之上有超過50 dBz的反射率因子，則有可能產(chǎn)生強(qiáng)冰雹。反射率因子的值越大，相對(duì)高度越高，產(chǎn)生強(qiáng)冰雹的可能性和嚴(yán)重程度越大；胡勝等(2015)對(duì)廣東12次大冰雹過程的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，-20℃ 以上的最大反射率因子在 54 dBz 以上。鄂西南當(dāng)天-20℃等溫線上有超過55 dBz的強(qiáng)回波，預(yù)示有強(qiáng)冰雹發(fā)生。

中小尺度的輻合、輻散、旋轉(zhuǎn)與上升氣流的強(qiáng)弱息息相關(guān)，而風(fēng)暴頂輻散則與最大冰雹尺寸有關(guān)。圖12和圖13分別給出了14：48和16：48的風(fēng)暴相對(duì)平均徑向速度。圖12清晰顯示了A風(fēng)暴從中下層的氣旋性輻合—中層的氣旋性旋轉(zhuǎn)—中高層的氣旋性輻散—風(fēng)暴頂純輻散的變化過程，中氣旋直徑約為8 km。其中，1.5°仰角為氣旋性輻合特征，2.4°～3.4° 仰角為氣旋性旋轉(zhuǎn)，最大旋轉(zhuǎn)速度為2.4°仰角的15 m·s-1，4.3°仰角為氣旋性輻散特征，6.0°仰角則為風(fēng)暴頂純輻散，輻散正負(fù)速度差值為36 m·s-1，由于雷達(dá)體掃仰角的不連續(xù)，很難找到最強(qiáng)風(fēng)暴頂輻散對(duì)應(yīng)的仰角，因此實(shí)際最大風(fēng)暴頂輻散應(yīng)該高于上述值。根據(jù)Witt and Nelson(1984)風(fēng)暴頂輻散和落到地面冰雹尺寸之間的關(guān)系做計(jì)算，風(fēng)暴A下落到地面的冰雹直徑應(yīng)為2.5 cm。圖13則清晰顯示了風(fēng)暴B中下層的氣旋性輻合、中層旋轉(zhuǎn)和中高層的氣旋性輻散特征，相應(yīng)中氣旋直徑為8 km。其中1.5°～2.4°仰角為氣旋性輻合，3.4°～4.3° 仰角為氣旋性旋轉(zhuǎn)，6.0°仰角為氣旋性輻散特征，最大旋轉(zhuǎn)速度在4.3°仰角，為16 m·s-1。因雷達(dá)固有的仰角不連續(xù)造成未能探測(cè)到風(fēng)暴頂純輻散特征。這兩個(gè)時(shí)刻的平均徑向速度垂直剖面(圖14)顯示，在風(fēng)暴入流一側(cè)存在一支很強(qiáng)的斜升氣流從低層流入、高層流出，為風(fēng)暴輸送水汽，維持風(fēng)暴發(fā)展和冰雹長大；在另一側(cè)則對(duì)應(yīng)一支下沉氣流，氣流從中高層流入風(fēng)暴，從低層流出，形成地面雷暴高壓和冰雹落區(qū)。兩支氣流在3～6 km高度上輻合，呈現(xiàn)中層徑向輻合特征。另外，按照中氣旋判斷標(biāo)準(zhǔn)和超級(jí)單體的定義，14：48和16：48的γ中 尺度渦旋為弱中氣旋，因此可判定A、B為超級(jí)單體風(fēng)暴。

圖11 2020年2月14日14:48 A風(fēng)暴(a)和16:48 B風(fēng)暴(b)宜昌雷達(dá)反射率因子(填色)垂直剖面(點(diǎn)線:濕球0℃高度，長虛線:-20℃高度，短虛線:-30℃高度)Fig.11 Vertical profile of reflectivity factor (colored) of Yichang Radar on 14 February 2020(a) A storm at 14:48 BT, (b) B storm at 16:48 BT(dotted line： wet bulb 0℃ height, long dashed line： -20℃ height, short dotted line： -30℃ height)

圖12 2020年2月14日14:48 A風(fēng)暴宜昌雷達(dá)不同仰角風(fēng)暴相對(duì)平均徑向速度(a)1.5°，(b)2.4°，(c)4.3°，(d)6.0°Fig.12 A storm average relative radial velocity of Yichang Radar at different elevation angles at 14:48 BT 14 February 2020(a) 1.5°， (b) 2.4°， (c) 4.3°， (d) 6.0°

圖13 同圖12，但為2月14日16:48 B風(fēng)暴(a) 2.4°， (b) 3.4°， (c) 4.3°， (d) 6.0°Fig.13 Same as Fig.12, but for B storm at 16:48 BT 14 February 2020(a) 2.4°， (b) 3.4°， (c) 4.3°， (d) 6.0°

4.3 風(fēng)暴跟蹤識(shí)別及冰雹概率變化特征分析

業(yè)務(wù)雷達(dá)軟件風(fēng)暴跟蹤識(shí)別算法(SCIT)可以識(shí)別單體所在位置并預(yù)測(cè)未來幾個(gè)體掃風(fēng)暴的移動(dòng)路徑，冰雹指數(shù)(HI)算法可以根據(jù)當(dāng)天的0℃高度和-20℃高度等參數(shù)預(yù)測(cè)冰雹概率(POH)、大冰雹概率(POSH)以及預(yù)期的最大冰雹直徑(Dmax)。

圖14 2020年2月14日14:48 A風(fēng)暴(a)和16:48 B風(fēng)暴(b)宜昌雷達(dá)平均徑向速度垂直剖面(箭頭：氣流方向)Fig.14 Vertical profiles of average velocity of Yichang Radar on 14 February 2020 (a) A storm at 14:48 BT, (b) B storm at 16:48 BT (arrow: airflow direction)

在第一階段降雹期間，雷達(dá)識(shí)別出單體C0，預(yù)報(bào)移動(dòng)方向?yàn)槠珫|方向(圖15a)，移動(dòng)速度在10 m·s-1左右。比較預(yù)報(bào)方向和風(fēng)暴的實(shí)際移動(dòng)方向，兩者之間略有出入，在初期風(fēng)暴發(fā)展階段預(yù)報(bào)方向比實(shí)際方向偏左，成熟階段與實(shí)際位置接近，消散階段預(yù)報(bào)位置則偏向?qū)嶋H位置的右側(cè)。這期間，HI算法預(yù)測(cè)值如圖16a所示?？梢钥吹剑?4：18—15：42，POH一直保持在100%，而POSH與Dmax呈波浪式變化，但POSH始終保持在70%以上，Dmax在1.9 cm以上，其中有兩個(gè)體掃Dmax達(dá)到4.4 cm。

圖15 2020年2月14日15：18 A風(fēng)暴(a)和16：24 B風(fēng)暴(b)宜昌雷達(dá)反射率因子疊加的SCIT預(yù)測(cè)的冰雹路徑(棕線)(◆表示單體過去所在位置， ●表示單體現(xiàn)在的位置，+為未來的位置)Fig.15 Reflectivity factor and SCIT product characteristics of Yichang Radar on 14 February 2020 (a) A Storm at 15:18 BT, (b) B Storm at 16:24 BT(brown line: path of hailstorm, ◆: the location of the monomer formerly, ●: the current location of the monomer, +: the future location)

在第二階段降雹期間，SCIT識(shí)別了U0、X0、T0、F0等多個(gè)單體的追蹤信息(圖15b)。預(yù)報(bào)方向大體一致，均為東北方向，因各單體生命史短，無法定性得出預(yù)報(bào)偏差。這期間， HI指數(shù)算法預(yù)測(cè)的冰雹概率及最大直徑如圖16b所示，可以看出，16：42—17：18，POH持續(xù)為100%，POSH和Dmax呈現(xiàn)出先增大再減小的變化趨勢(shì),但始終保持在POSH≥80%、Dmax≥2.5 cm的高值。

圖16 2020 年2月14日A風(fēng)暴(a)和B風(fēng)暴(b)的POH、POSH及Dmax變化趨勢(shì)Fig.16 POH， POSH and the largest hail diameter trends of A Storm (a) and B Storm (b) on 14 February 2020

由上可見，SCIT較好地預(yù)測(cè)出此次冰雹的移動(dòng)方向，HI算法預(yù)測(cè)高概率出現(xiàn)大冰雹，預(yù)測(cè)結(jié)果接近地面實(shí)況，可將二者作為本地冰雹預(yù)警的參考。

4.4 VIL和VIL密度等物理量變化特征

回波強(qiáng)度強(qiáng)、質(zhì)心高度高、異常大的VIL和VIL 密度是強(qiáng)冰雹的重要特征。在2月，如果VIL值超過了35 kg·m-2，則產(chǎn)生冰雹的可能性大，如果VIL密度超過4 g·m-3，則風(fēng)暴幾乎可以判斷會(huì)產(chǎn)生直徑超過2 cm的強(qiáng)冰雹(俞小鼎等，2006)；而VIL的爆發(fā)式增長則意味著冰雹的開始(李秀琳和賈金海，2008)。

為避免風(fēng)暴快速移動(dòng)和傾斜對(duì)雷達(dá)參量的影響，在此采用風(fēng)暴單體識(shí)別算法得到基于單體的相關(guān)參數(shù)研究其變化特征。圖17給出了兩次冰雹發(fā)生期間A風(fēng)暴、B風(fēng)暴(含C、D、E三個(gè)單體)的最大基本反射率(Zmax)及其高度(Hz,max)、VIL和VIL密度隨時(shí)間的變化曲線。除第二階段Hz,max變化趨勢(shì)略有不同外，其他雷達(dá)參量的變化趨勢(shì)基本一致。在超級(jí)單體A發(fā)展初期(14：12)，Zmax和Hz,max分別為40 dBz和7 km，VIL和VIL密度分別為7 kg ·m-2和0.8 g ·m-3，3個(gè)體掃后(14：30)，Zmax、Hz,max、VIL與VIL密度分別跳躍式增加到59 dBz、8.2 km、41 kg·m-2和4.0 g·m-3，均超過了胡勝等(2015)、Amburn and Wolf(1997)給出的出現(xiàn)2 cm 以上冰雹的閾值，隨后Zmax>50 dBz,Hz，max>5 km,VIL≥35 kg·m-2，VIL密度≥3.5 g·m-3(其中有3個(gè)體掃超過4 g·m-3,最大值為4.5 g·m-3)的高值一直持續(xù)到15：24，持續(xù)時(shí)間近1 h，之后各參量逐漸下降，直到風(fēng)暴消散。同樣，超級(jí)單體B從16：36開始快速發(fā)展，此時(shí)Zmax為48 dBz，Hz，max為4.4 km，VIL為10 kg·m-2，VIL 密度為1.4 g·m-3；2個(gè)體掃后，Zmax、Hz，max、VIL、VIL密度分別跳躍增到60 dBz、5.4 km、44 kg·m-2和5.0 g·m-3，除Hz，max外，Zmax、VIL、VIL 密度值均維持60 dBz、40 kg·m-2和4.3 g·m-3以上的高值到17：18，持續(xù)時(shí)長為40 min，這期間VIL和VIL密度極值更是分別高達(dá)50 kg·m-2和6.4 g·m-3。隨后，VIL與VIL密度出現(xiàn)斷崖式下降，2個(gè)體掃內(nèi)VIL從40 kg·m-2降到15 kg·m-2，VIL密度則從4.3 g·m-3降到1.5 g·m-3。

圖17 2020年2月14日A風(fēng)暴(a)和B風(fēng)暴(b)基于單體的Zmax、Hz,max、VIL、VIL密度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.17 Zmax， Hz,max， VIL，VIL density trends based on cells of A storm in (a) and B storm (b) on 14 February 2020

以上分析顯示，14：00—16：12的降雹主要由一個(gè)孤立的超級(jí)單體風(fēng)暴造成，16：12—17：40則是多單體強(qiáng)風(fēng)暴依次影響造成。雷達(dá)回波呈現(xiàn)出強(qiáng)度大、強(qiáng)回波高度高，以及弱回波區(qū)和回波懸垂，中小尺度輻合、輻散，氣旋性旋轉(zhuǎn)，中層徑向輻合等特征?；趩误w的VIL值和VIL密度分別較長時(shí)間維持在35 kg·m-2和4 g·m-3以上的冬季高值；HI算法預(yù)測(cè)高概率的強(qiáng)冰雹最大冰雹直徑為4.4 cm，略高于地面觀測(cè)到的直徑為3 cm的實(shí)際降雹。

5 結(jié)論與討論

通過分析2020年2月14日鄂西南強(qiáng)冰雹天氣過程，得出以下結(jié)論：

(1)此次局地強(qiáng)冰雹天氣是在高空槽與低空切變線共同作用下，低層暖濕、高層干冷，低層輻合、高空輻散的環(huán)流背景下，低層暖濕氣流發(fā)展，增強(qiáng)了上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)，同時(shí)積累了不穩(wěn)定能量。在地面中尺度輻合線和“喇叭口”的有利地形下，低層輻合上升觸發(fā)了本次強(qiáng)對(duì)流過程；冷鋒南下使得中低層的垂直風(fēng)切變加強(qiáng)(通過熱成風(fēng)關(guān)系)，為強(qiáng)風(fēng)暴的形成和維持提供了極為有利的條件。

(2)此次局地強(qiáng)冰雹天氣，由兩個(gè)超級(jí)單體分別影響，比較而言，孤立的A超級(jí)單體持續(xù)時(shí)間更長，發(fā)展更為高大；由多單體風(fēng)暴中的一個(gè)單體發(fā)展而成的B超級(jí)單體(或者稱為超級(jí)單體復(fù)合體，即多單體結(jié)構(gòu)的對(duì)流風(fēng)暴中其中一個(gè)單體為超級(jí)單體并占支配地位)持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，個(gè)體相對(duì)矮小。但兩個(gè)超級(jí)單體的最大反射率因子均超過60 dBz，50 dBz 以上的強(qiáng)回波高度均達(dá)到或超過-30℃等溫線, 說明在冰雹增長層-30℃～-10℃存在豐富的過冷卻水滴，非常有利于大冰雹的產(chǎn)生。多單體強(qiáng)風(fēng)暴還表現(xiàn)出了多單體此消彼長、有序更替的典型特征。

(3)此次強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的垂直結(jié)構(gòu)反映出了高懸的強(qiáng)回波、低層入流、弱回波區(qū)與回波懸垂以及中小尺度的旋轉(zhuǎn)(中氣旋)、風(fēng)暴頂強(qiáng)輻散等超級(jí)單體的典型特征；基于單體的VIL和VIL 密度分別較長時(shí)間維持在35 kg·m-2和4 g·m-3以上的冬季高值, 孤立的A超級(jí)單體VIL和VIL密度分別高達(dá)41 kg·m-2和4.5 g·m-3，而多單體發(fā)展而成的B超級(jí)單體VIL和VIL 密度高達(dá)50 kg·m-2和6.4 g·m-3；風(fēng)暴追蹤識(shí)別算法較好地追蹤到了冰雹單體，HI算法預(yù)測(cè)到高概率出現(xiàn)直徑為4.4 cm的強(qiáng)冰雹，略高于地面觀測(cè)到的直徑為3 cm的實(shí)際降雹。

(4)本次過程出現(xiàn)在冬末，雖然對(duì)流出現(xiàn)之后呈現(xiàn)為典型的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)，可以做出強(qiáng)冰雹提前10～30 min 的臨近預(yù)警，但對(duì)于對(duì)流出現(xiàn)之前的提前數(shù)小時(shí)的強(qiáng)冰雹短時(shí)潛勢(shì)預(yù)報(bào)而言，常用于判斷強(qiáng)降雹潛勢(shì)的探空特征(CAPE、0～6 km垂直風(fēng)切變以及融化層高度)的關(guān)鍵參數(shù)值非常不典型，如未經(jīng)訂正的CAPE為零；會(huì)誤導(dǎo)預(yù)報(bào)員忽視對(duì)冰雹潛勢(shì)的判斷，預(yù)報(bào)員在這種環(huán)境背景下進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流天氣潛勢(shì)分析時(shí)，需要格外慎重和深入分析，才能得到最佳預(yù)報(bào)結(jié)果。鄂西南作為冰雹常發(fā)地，需要建立適用于本地的冰雹預(yù)警指標(biāo)，從而提高預(yù)警的準(zhǔn)確性。

在此次大冰雹過程分析中還發(fā)現(xiàn)，在前側(cè)偏東氣流和后側(cè)偏西入流氣流的共同影響下，衰減后的多單體風(fēng)暴與從東南方向西傳播的回波組合，形成“弓”形回波，在地面造成了7級(jí)瞬時(shí)大風(fēng)。此次強(qiáng)冰雹過程出現(xiàn)在冬末強(qiáng)冷空氣自北向南影響鄂西南前夕，而非出現(xiàn)在天氣形勢(shì)基本相似、熱力條件更好的前一日(2020年2月13日)，也非強(qiáng)冷空氣帶來更大降溫的后一日(15日)，其成因有待進(jìn)一步研究。