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。
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)。
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。
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
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
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。
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
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
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)
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°
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。
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。
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。