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學院湖北分院,武漢 430074 2 中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081

提 要： 利用常規(guī)觀測資料、多普勒天氣雷達和風廓線雷達資料，對一次罕見的鄂西南冬季強冰雹(直徑1～3 cm)天氣過程進行了分析，結果表明：強冰雹產(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)對流性天氣提供了觸發(fā)機制；地面冷鋒南下伴隨的垂直風切變增強有利于已經(jīng)生成的對流風暴的維持和加強。強冰雹分別由孤立的超級單體和超級單體復合體(多單體結構中含有占支配地位的超級單體)產(chǎn)生。比較而言，孤立的超級單體發(fā)展更為高大，持續(xù)時間更長。風暴具有中氣旋、高懸的強回波、低層入流、弱回波區(qū)與回波懸垂、中層徑向輻合、風暴頂強輻散等超級單體風暴的典型特征；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；新一代天氣雷達冰雹探測算法輸出的冰雹指數(shù)產(chǎn)品預測到高概率的強冰雹。此次過程出現(xiàn)在冬末，雖然對流出現(xiàn)之后呈現(xiàn)出典型的風暴結構，可以提前10～30 min做出強冰雹的臨近預警，但對于對流出現(xiàn)之前的提前數(shù)小時的強冰雹短時潛勢預報而言，常用做判斷強降雹潛勢的探空特征(包括對流有效位能、0～6 km垂直風切變以及融化層高度)關鍵參數(shù)值非常不典型，會誤導預報員忽視冰雹潛勢的判斷，預報員在這種環(huán)境背景下進行強對流天氣潛勢分析時，需要格外慎重和深入分析，才能得到正確預報結果。

引 言

冰雹是由發(fā)展迅速的中小尺度天氣系統(tǒng)造成的一種對流性災害天氣，具有來勢迅猛、災害重、破壞力強等特點，因此成為氣象災害防御的重點，同時也是氣象預報預警的難點。針對冰雹的成因分析和臨近預報，國內(nèi)外學者進行了大量深入研究，取得了一系列成果。Greene and Clark(1972)提出利用數(shù)字雷達回波資料計算的垂直累積液態(tài)含水量(VIL)作為預報因子，建立了VIL與強冰雹可能性之間的關系。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)與降雹之間的關系。Amburn and Wolf(1997)研究VIL密度與冰雹的關系，得到VIL密度值越大，就越可能包含雹核，當VIL密度值達到一定閾值時會產(chǎn)生強風暴，且VIL密度與冰雹大小之間存在一定的關系。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)針對冰雹的時空分布特征、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)認為，山區(qū)的喇叭口地形和迎風坡抬升作用對局地強對流的發(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(陣風鋒)伴有的強溫度梯度和邊界層輻合上升運動是原有局地新生雷暴顯著增強的主要原因。周小剛等(2015)探討了多普勒雷達探測冰雹的算法及業(yè)務應用。張秉祥等(2014)發(fā)展了基于多個雷暴參數(shù)的模糊邏輯冰雹預警方法，張文海和李磊(2019)提出了人工智能冰雹識別及臨近預報方法。俞小鼎等(2020；2012；2006)針對冰雹的基于環(huán)境背景參數(shù)短時潛勢預報和基于多普勒天氣雷達的臨近預警，總結了強冰雹產(chǎn)生的環(huán)境背景和雷達回波特征。

國內(nèi)學者利用新一代天氣雷達資料、風廓線雷達資料針對冰雹的雷達回波特征和相關參數(shù)應用開展了廣泛研究，范皓等(2019)利用多種觀測資料，從強對流單體出現(xiàn)的天氣背景、降雹特征、雷達回波演變、大冰雹的形成機制及動力結構等方面對太行山東麓的一次強對流單體降雹天氣過程進行了分析。潘佳文等(2020)利用雙偏振雷達資料結合雙雷達風場反演技術和粒子相態(tài)識別算法剖析了大冰雹超級單體的動力結構云物理機制及其演變。楊吉等(2020)利用南京雙線偏振雷達觀測資料，統(tǒng)計分析了2019年3月20日冰雹過程發(fā)展、成熟和降雹階段的觀測特征及微物理過程，探究冰雹和三體散射的雙線偏振雷達觀測特征；黃海迅等(2021)對X波段雙線偏振雷達數(shù)據(jù)做退折疊、濾波、自適應衰減訂正后，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。同時其他學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)。

雖然很多學者對冰雹的形成機理和雷達回波特征進行了大量研究，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，對冬季強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)，其地形復雜，這種局地性的強冰雹預報難度很大。為了提高冰雹災害性天氣預警服務水平，羅菊英和譚江紅(2019)、李德俊等(2010；2011)、單興佑等(2010)對冰雹天氣的多普勒天氣雷達回波特征及臨近預警進行了初步研究，但由于沒有細分預警指標，其業(yè)務應用存在局限。

2020年2月14日鄂西南發(fā)生了一次罕見的局地強冰雹天氣過程，利用高空、地面常規(guī)觀測資料、風廓線雷達資料、多普勒天氣雷達資料對其進行了詳細分析，以期為鄂西南地區(qū)建立本地臨近預警指標積累樣本并提供參考，也為鄂西南盡早識別強冰雹潛勢、提前預警并及時開展防雹工作提供一定的科學依據(jù)。

1 資料與方法

本文應用2020年2月14日08—18時(北京時，下同)高空、地面常規(guī)觀測資料、5 min區(qū)域站觀測資料、秭歸固定式L波段邊界層風廓線雷達資料，經(jīng)MICAPS4.0自帶的探空資料分析顯示系統(tǒng)進行T-lnp圖訂正后，重點分析了此次對流過程發(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13—18時逐6 min體掃資料詳細分析了雷達回波隨時間的演變特征。

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、冰雹、短時強降水天氣，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(圖1)。本次冰雹災害共造成建始、巴東、秭歸3 個縣(市)23個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))3.5萬人受災，農(nóng)作物受災面積達2 311 hm2，成災面積達1 088 hm2，絕收面積達197 hm2；因災直接經(jīng)濟損失約為1 907 萬元(含當晚因雪致災損失)。

圖1 2020年2月14日14—20時湖北省6 h降水量(≥0.1 mm,數(shù)字)、冰雹落區(qū)()和大風分布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 對流發(fā)生發(fā)展的環(huán)境背景分析

3.1 環(huán)流形勢及主要影響系統(tǒng)

2月14日08時環(huán)流形勢(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，介于兩個溫度槽之間，安康到濟南一線存在西南急流，鄂西南位于急流軸入口右側的顯著分流區(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，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6℃，其西南貴州中部有個暖中心，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)，風速達40 m·s-1。整個高低空形勢配置為低層暖濕、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動，該垂直上升運動結合低層暖濕條件有利于對流層中低層條件不穩(wěn)定層結的產(chǎn)生，形成一定大小的對流有效位能(CAPE)，并且有利于對流抑制能量(CIN)的減小，從而有利于對流天氣的形成。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，鄂西南處于鋒前的暖低壓帶中，風力較小，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時最高溫度達到18 ℃，6 h升溫接近10℃，地面的快速升溫增加了對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流發(fā)生的概率。14時鋒面移至開封—南陽—安康一線。

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

3.2 熱力條件和對流不穩(wěn)定能量

由2月14日08時恩施探空曲線(圖3)可見，左側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)定對流有效位能(MUCAPE)為437 J·kg-1(圖3中藍色網(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時恩施站T-lnp圖(藍線：溫度，綠線：露點溫度)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26.6℃。這種“上干冷、下暖濕”的層結有利于冰雹、雷暴大風的發(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，溫差達6.2℃，強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流向上發(fā)展，使對流局限在大氣低層，不易形成深對流。但當上升氣流足夠強，或強逆溫層被削弱，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)定能量結合，加速深對流的發(fā)展。秭歸站固定式L波段邊界層風廓線雷達探測到的風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時之前，在3 km高度上以西南風為主，最大風速為8 m·s-1；10時風速增加到12 m·s-1，達到急流標準，其高度與強逆溫層所在高度基本一致；此后，急流進一步加強，13時風暴生成時，風速增加到16 m·s-1。與此同時，急流向上向下擴展，厚度增厚，從西南輸送過來的暖濕空氣使鄂西南上空長時間增溫，逐步削弱了強逆溫層結狀態(tài)，為深對流的形成減輕了障礙。另外訂正后的自由對流高度(LFC)較低，距地高度約為2.6 km，低層氣塊較易抬升到這個高度產(chǎn)生強的上升速度從而形成深對流。

圖4 2020年2月14日08—16時秭歸站的6 min垂直風廓線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(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)生強冰雹的高度。衡量大氣層結穩(wěn)定度的重要判別指標K指數(shù)為34℃，0～6 km垂直風切變(WSR0～6 km)為12.4 m·s-1，SI為-1.3℃，顯示出有深厚對流發(fā)展的潛勢。

表1 2020年2月14日08時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之間的關系(Markowski and Richardson，2010),即Wmax=(2CAPE)0.5，可計算出上升速度為29.6 m·s-1。大多數(shù)無組織風暴上升氣流的垂直速度通常是Wmax的1/2，而對于結構完整的風暴其上升氣流核的垂直速度接近于Wmax，根據(jù)這一關系估算，風暴一旦形成，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系：風暴內(nèi)上升氣流與冰雹下落末速度需要大致相當，對于直徑為1～2 cm的冰雹，至少需要15 m·s-1的強上升氣流使得冰雹粒子在空中停留足夠長時間(俞小鼎等，2020)。這與當天實際產(chǎn)生了直徑為1～3 cm的冰雹實況基本一致。

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。地面加密觀測資料顯示，2月14日12時，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)。當從西南方向輸送過來的暖濕空氣進入山谷之后，其因地形收縮在谷底不斷堆積，而喇叭口地形進一步加強了低層氣流輻合，在地面中尺度輻合和地形對上山氣流的強迫抬升作用下，觸發(fā)了本次強對流天氣。13時，宜昌多普勒天氣雷達觀測到有弱回波在地面輻合線兩側生成(圖略)，隨著雷暴的移動，雷暴所到之處出現(xiàn)溫度驟降、氣壓涌升、風向突變(圖6)，雷暴高壓在地面形成冷池和陣風鋒。圖7顯示，14日15時雷暴高壓造成的10 min 最大降溫為2℃；17時，雷暴高壓造成的10 min 最大降溫達3.5℃，比第一次降溫更強，這可能與17時雷暴正處于強盛期但15時雷暴已處于衰減期有關；陣風鋒位于冷池一側，緊貼主體回波移動。分析還發(fā)現(xiàn)，此次冰雹源地有兩個(圖5)，分別位于鄂西的恩施和重慶的萬州，在風暴向前運動過程中，源于恩施的風暴沿著山脈向東北方向移動(圖5 中綠線)，源于萬州的風暴則沿著長江向東移動(圖5中黃線)。這與李永振等(2005)得到的“冰雹發(fā)生后移動路徑常沿山脈和河谷移動”結論一致。

圖5 2020年2月14日12時地面輻合線、風雹移動路徑及地形(紅色虛線：地面輻合線，紅色箭頭：風向，綠線：風雹沿山脈抬升移動路徑，黃線：風雹沿長江河谷移動路徑)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)測站前后氣溫、露點溫度、本站氣壓和風隨時間的變化(a)14—15時的滬渝高速K1313站，(b)17—18時的秭歸吳家溝站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 垂直風切變

垂直風切變的大小與雷暴的強弱密切相關，在一定的熱力不穩(wěn)定條件下，垂直風切變的增強將導致對流風暴進一步加強和發(fā)展。考慮到1 km以下受邊界層摩擦影響，在此重點分析1 km以上的垂直風切變變化特征。圖4顯示，2月14日08時1 km 高度上為4 m·s-1的偏東風，3.5 km高度上為6 m·s-1的偏南風，風矢差為8.7 m·s-1；此后，垂直風切變逐步增強， 10時，1 km和3.5 km 高度上分別為6 m·s-1的偏東風和12 m·s-1的西南風，風矢差增大到15.9 m·s-1； 12時，1 km和3.5 km高度風矢差繼續(xù)增加到16.4 m·s-1；同時，低層的風向切變由緩慢順轉變?yōu)榭焖夙樲D，風向切變角度增大，垂直風切變隨著風暴臨近持續(xù)增強。14時在2.5 km的垂直距離上，風矢差達到21.4 m·s-1，形成很大的中低層垂直風切變，達到強垂直風切變級別，極有利于超級單體風暴的形成(俞小鼎等，2012；2020)。

圖7 2020年2月14日宜昌站15時(a)與17時(b)正點前后10 min降溫(數(shù)字,單位:℃)、雷達回波(填色)及陣風鋒(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 風暴的雷達回波特征分析

4.1 雷達回波的演變過程

此次強冰雹過程由兩個風暴先后影響形成。第一次降雹過程回波演變情況具體為：2月14日13時，宜昌雷達探測到恩施境內(nèi)有大量零散回波生成，在向東偏北方向移動過程中合并加強；14時(圖略)，回波A(圖8a)因受喇叭口地形收窄輻合和持續(xù)上山地形強迫抬升影響出現(xiàn)爆發(fā)式增長，在4個體掃時間內(nèi)最大回波強度從40 dBz增加到58 dBz，14：48 達到最大值(62 dBz)，隨后56 dBz以上強度維持到15：30。期間，在A單體右后側的陣風鋒上(雖然因山體遮擋未能在0.5°仰角雷達回波上觀測到陣風鋒，但從地面加密站風場資料和雷達組合反射率回波疊加可分析出陣風鋒，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，回波強度有所減弱，但強度保持在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，16：18進入湖北境內(nèi)影響鄂西南地區(qū)。此時對流回波由呈南北向排列的B、C、D、E四塊回波構成(圖8b)，其中，E單體正由成熟轉向消亡階段，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，在冷池右后側的偏北風和周圍環(huán)境偏東南暖濕氣流共同作用下，陣風鋒出現(xiàn)在B單體右前方，與B單體同步向東移動，在陣風鋒上生成發(fā)展的新單體不斷并入B單體；同時，地面冷鋒到達鄂西南和重慶北部一線，在陣風鋒和冷鋒的共同影響下，造成B單體迅速發(fā)展，一家獨大。16：48，B單體發(fā)展成熟，最大反射率因子達到64 dBz ，在前側偏東氣流的作用下，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級強陣風。由以上分析發(fā)現(xiàn)，陣風鋒為新生單體的生成提供了合適的環(huán)境，同時阻斷了北側C、D、E等幾個老單體的暖濕氣流供應，導致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日不同時刻宜昌雷達組合反射率(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 風暴成熟時期的垂直結構特征分析

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

圖9 2020年2月14日14：48 A風暴宜昌雷達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℃三者高度之間的關系，14：48，剖面顯示50 dBz以上的強回波位置高達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強回波高度達到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℃等溫線對應的高度之上有超過50 dBz的反射率因子，則有可能產(chǎn)生強冰雹。反射率因子的值越大，相對高度越高，產(chǎn)生強冰雹的可能性和嚴重程度越大；胡勝等(2015)對廣東12次大冰雹過程的統(tǒng)計結果表明，-20℃ 以上的最大反射率因子在 54 dBz 以上。鄂西南當天-20℃等溫線上有超過55 dBz的強回波，預示有強冰雹發(fā)生。

中小尺度的輻合、輻散、旋轉與上升氣流的強弱息息相關，而風暴頂輻散則與最大冰雹尺寸有關。圖12和圖13分別給出了14：48和16：48的風暴相對平均徑向速度。圖12清晰顯示了A風暴從中下層的氣旋性輻合—中層的氣旋性旋轉—中高層的氣旋性輻散—風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，最大旋轉速度為2.4°仰角的15 m·s-1，4.3°仰角為氣旋性輻散特征，6.0°仰角則為風暴頂純輻散，輻散正負速度差值為36 m·s-1，由于雷達體掃仰角的不連續(xù)，很難找到最強風暴頂輻散對應的仰角，因此實際最大風暴頂輻散應該高于上述值。根據(jù)Witt and Nelson(1984)風暴頂輻散和落到地面冰雹尺寸之間的關系做計算，風暴A下落到地面的冰雹直徑應為2.5 cm。圖13則清晰顯示了風暴B中下層的氣旋性輻合、中層旋轉和中高層的氣旋性輻散特征，相應中氣旋直徑為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，6.0°仰角為氣旋性輻散特征，最大旋轉速度在4.3°仰角，為16 m·s-1。因雷達固有的仰角不連續(xù)造成未能探測到風暴頂純輻散特征。這兩個時刻的平均徑向速度垂直剖面(圖14)顯示，在風暴入流一側存在一支很強的斜升氣流從低層流入、高層流出，為風暴輸送水汽，維持風暴發(fā)展和冰雹長大；在另一側則對應一支下沉氣流，氣流從中高層流入風暴，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，按照中氣旋判斷標準和超級單體的定義，14：48和16：48的γ中 尺度渦旋為弱中氣旋，因此可判定A、B為超級單體風暴。

圖11 2020年2月14日14:48 A風暴(a)和16:48 B風暴(b)宜昌雷達反射率因子(填色)垂直剖面(點線: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風暴宜昌雷達不同仰角風暴相對平均徑向速度(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 風暴跟蹤識別及冰雹概率變化特征分析

業(yè)務雷達軟件風暴跟蹤識別算法(SCIT)可以識別單體所在位置并預測未來幾個體掃風暴的移動路徑，冰雹指數(shù)(HI)算法可以根據(jù)當天的0℃高度和-20℃高度等參數(shù)預測冰雹概率(POH)、大冰雹概率(POSH)以及預期的最大冰雹直徑(Dmax)。

圖14 2020年2月14日14:48 A風暴(a)和16:48 B風暴(b)宜昌雷達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，雷達識別出單體C0，預報移動方向為偏東方向(圖15a)，移動速度在10 m·s-1左右。比較預報方向和風暴的實際移動方向，兩者之間略有出入，在初期風暴發(fā)展階段預報方向比實際方向偏左，成熟階段與實際位置接近，消散階段預報位置則偏向實際位置的右側。這期間，HI算法預測值如圖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，其中有兩個體掃Dmax達到4.4 cm。

圖15 2020年2月14日15：18 A風暴(a)和16：24 B風暴(b)宜昌雷達反射率因子疊加的SCIT預測的冰雹路徑(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識別了U0、X0、T0、F0等多個單體的追蹤信息(圖15b)。預報方向大體一致，均為東北方向，因各單體生命史短，無法定性得出預報偏差。這期間， HI指數(shù)算法預測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,但始終保持在POSH≥80%、Dmax≥2.5 cm的高值。

圖16 2020 年2月14日A風暴(a)和B風暴(b)的POH、POSH及Dmax變化趨勢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較好地預測出此次冰雹的移動方向，HI算法預測高概率出現(xiàn)大冰雹，預測結果接近地面實況，可將二者作為本地冰雹預警的參考。

4.4 VIL和VIL密度等物理量變化特征

回波強度強、質心高度高、異常大的VIL和VIL 密度是強冰雹的重要特征。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，則風暴幾乎可以判斷會產(chǎn)生直徑超過2 cm的強冰雹(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)。

為避免風暴快速移動和傾斜對雷達參量的影響，在此采用風暴單體識別算法得到基于單體的相關參數(shù)研究其變化特征。圖17給出了兩次冰雹發(fā)生期間A風暴、B風暴(含C、D、E三個單體)的最大基本反射率(Zmax)及其高度(Hz,max)、VIL和VIL密度隨時間的變化曲線。除第二階段Hz,max變化趨勢略有不同外，其他雷達參量的變化趨勢基本一致。在超級單體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)時間近1 h，之后各參量逐漸下降，直到風暴消散。同樣，超級單體B從16：36開始快速發(fā)展，此時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)時長為40 min，這期間VIL和VIL密度極值更是分別高達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風暴(a)和B風暴(b)基于單體的Zmax、Hz,max、VIL、VIL密度隨時間的變化趨勢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的降雹主要由一個孤立的超級單體風暴造成，16：12—17：40則是多單體強風暴依次影響造成。雷達回波呈現(xiàn)出強度大、強回波高度高，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，中層徑向輻合等特征?；趩误w的VIL值和VIL密度分別較長時間維持在35 kg·m-2和4 g·m-3以上的冬季高值；HI算法預測高概率的強冰雹最大冰雹直徑為4.4 cm，略高于地面觀測到的直徑為3 cm的實際降雹。

5 結論與討論

通過分析2020年2月14日鄂西南強冰雹天氣過程，得出以下結論：

(1)此次局地強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，增強了上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結，同時積累了不穩(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)了本次強對流過程；冷鋒南下使得中低層的垂直風切變加強(通過熱成風關系)，為強風暴的形成和維持提供了極為有利的條件。

(2)此次局地強冰雹天氣，由兩個超級單體分別影響，比較而言，孤立的A超級單體持續(xù)時間更長，發(fā)展更為高大；由多單體風暴中的一個單體發(fā)展而成的B超級單體(或者稱為超級單體復合體，即多單體結構的對流風暴中其中一個單體為超級單體并占支配地位)持續(xù)時間相對較短，個體相對矮小。但兩個超級單體的最大反射率因子均超過60 dBz，50 dBz 以上的強回波高度均達到或超過-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。多單體強風暴還表現(xiàn)出了多單體此消彼長、有序更替的典型特征。

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

(4)本次過程出現(xiàn)在冬末，雖然對流出現(xiàn)之后呈現(xiàn)為典型的風暴結構，可以做出強冰雹提前10～30 min 的臨近預警，但對于對流出現(xiàn)之前的提前數(shù)小時的強冰雹短時潛勢預報而言，常用于判斷強降雹潛勢的探空特征(CAPE、0～6 km垂直風切變以及融化層高度)的關鍵參數(shù)值非常不典型，如未經(jīng)訂正的CAPE為零；會誤導預報員忽視對冰雹潛勢的判斷，預報員在這種環(huán)境背景下進行強對流天氣潛勢分析時，需要格外慎重和深入分析，才能得到最佳預報結果。鄂西南作為冰雹常發(fā)地，需要建立適用于本地的冰雹預警指標，從而提高預警的準確性。

在此次大冰雹過程分析中還發(fā)現(xiàn)，在前側偏東氣流和后側偏西入流氣流的共同影響下，衰減后的多單體風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級瞬時大風。此次強冰雹過程出現(xiàn)在冬末強冷空氣自北向南影響鄂西南前夕，而非出現(xiàn)在天氣形勢基本相似、熱力條件更好的前一日(2020年2月13日)，也非強冷空氣帶來更大降溫的后一日(15日)，其成因有待進一步研究。