趙玉娟

(慶陽市氣象局，甘肅慶陽 745000)

冰雹是對流風(fēng)暴成熟階段的產(chǎn)物，常伴有雷暴大風(fēng)和短時強(qiáng)降水，突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大，造成的災(zāi)害性天氣較為嚴(yán)重，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類生活和生態(tài)系統(tǒng)等帶來嚴(yán)重的影響，冰雹的出現(xiàn)常伴有超級單體，國內(nèi)外學(xué)者對超級單體降雹進(jìn)行了較多的研究。如吳劍坤等對強(qiáng)冰雹過程的有利環(huán)境背景條件及多普勒雷達(dá)特征識別進(jìn)行了研究，王易等對徐州一次降雹天氣超級單體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，還有學(xué)者對福建、同仁、臺州降雹過程中超級單體風(fēng)暴特征進(jìn)行了研究，大量的研究表明，大冰雹多由超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生。

20世紀(jì)60年代Browning首次提出了超級單體的概念，他認(rèn)為超級單體風(fēng)暴是對流風(fēng)暴中組織化程度最高的一種，如鉤狀回波、中空弱回波區(qū)、有界弱回波區(qū)等是超級單體風(fēng)暴的典型特征，與其他風(fēng)暴最本質(zhì)的區(qū)別是超級單體風(fēng)暴有一個深厚持久的中氣旋存在。超級單體風(fēng)暴作為組織程度最高的風(fēng)暴，造成的雹災(zāi)往往更為嚴(yán)重。隨著高分辨率雷達(dá)資料的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者對超級單體風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)及動力機(jī)制不斷深入了解。王昂生等研究指出，懸垂回波、回波墻和有界弱回波區(qū)是超級單體的典型特征；劉術(shù)艷等研究發(fā)現(xiàn)，在雹云發(fā)展階段，有組織的斜升氣流貫穿于云體上下，陳秋萍等研究顯示在超級單體過程中中氣旋的重要性。近年來，大量學(xué)者對不同地區(qū)超級單體降雹過程的物理量特征進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三體散射長釘(TBSS)、垂直積分液態(tài)水含量(VIL)躍增、有界弱回波區(qū)、中氣旋、回波墻、懸垂回波都可作為大冰雹的預(yù)警指標(biāo)。雖然學(xué)者對降雹天氣研究較多，但是對慶陽市出現(xiàn)的雹暴天氣而言，除了張?zhí)旆宓葘c陽一次大冰雹雷達(dá)特征進(jìn)行研究、徐燕等分析了一次局地冰雹的天氣特征外，并沒有深入的研究。慶陽市地形地貌復(fù)雜，加之近年來隨著氣候變化，慶陽市極端天氣事件多發(fā)，由超級單體風(fēng)暴引起的強(qiáng)風(fēng)暴天氣時有發(fā)生，給民眾生活和設(shè)施農(nóng)業(yè)帶來了較大的災(zāi)害。筆者針對2021年10月1日慶陽市一次風(fēng)暴天氣展開了詳細(xì)的研究，以期提高本地的預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

1 天氣過程

2021年10月1日16：00—20：00，受高空冷平流影響，慶陽市自西北向東南有多個回波單體生成并移動演變。在有利的環(huán)境背景下演變成為超級單體風(fēng)暴，生命史長達(dá)4 h，在慶陽市造成西峰區(qū)、環(huán)縣、鎮(zhèn)原、慶城、寧縣5個縣(區(qū))受災(zāi)，此次過程以直徑小于2 cm的小冰雹為主，最大冰雹直徑5 cm，達(dá)到強(qiáng)冰雹標(biāo)準(zhǔn)，最大降水量16 mm(南湖)，最大風(fēng)力7級(巴家咀19 m/s)。此次過程降雹時間長、影響范圍廣，造成的災(zāi)情嚴(yán)重，經(jīng)市應(yīng)急管理局統(tǒng)計(jì)共造成17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、125個村、851個組、18 459戶、75 732人不同程度受災(zāi)，災(zāi)害造成直接經(jīng)濟(jì)損失9 209.22萬元。

2 天氣形勢分析

從2021年10月1日08：00大尺度形勢場(圖1a)可以看出，200 hPa慶陽市處在高空急流軸附近；500 hPa高空圖上，歐亞中高緯度為多波動的環(huán)流形勢控制，甘肅河西有一溫度槽存在，慶陽市主要受西北氣流影響，強(qiáng)的西北氣流引導(dǎo)冷空氣下滑進(jìn)入慶陽市境內(nèi)；700 hPa甘肅河西為溫度脊。這種高層溫度槽、低層溫度脊的配置為對流的發(fā)展提供了較好的不穩(wěn)定層結(jié)條件。地面圖(圖1b)顯示，慶陽市西部有地面輻合線存在，為對流的發(fā)展提供了動力抬升條件。

注：a1.500 hPa；a2.700 hPa；a3.200 hPa圖1 2021年10月1日08：00環(huán)流形勢(a)和17：00地面圖(b)Fig.1 Circulation situation at 08：00(a)and 17：00 ground map(b)on October 1，2021

3 探空特征分析

從2021年10月1日08：00崆峒站訂正的探空(圖2)分析得出，對流有效位能(CAPE)為1 392.5 J/kg，超過了本地大冰雹的閾值，并且有一定的對流抑制能量存在，對流抑制能量利于能量儲存，當(dāng)對流沖破抑制能量時有強(qiáng)對流天氣發(fā)生；0 ℃層高度在4 411.400 km，-20 ℃層高度為6 966.154 km，這種特殊層的高度利于冰雹的產(chǎn)生及增長；850～700 hPa風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，700～500 hPa風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，根據(jù)熱成風(fēng)原理低層為暖平流，高層為冷平流，利于不穩(wěn)定層結(jié)的建立；850～700 hPa為條件不穩(wěn)定層結(jié)；0～6 km的垂直風(fēng)切變(SHR)為24.8，說明風(fēng)暴有一定的旋轉(zhuǎn)性。

圖2 2021年10月1日08：00崆峒站T-lnP(a)和假相當(dāng)位溫(b)Fig.2 T-lnP(a)and pseudoequivalent potential temperature(b)of Kongtong Station at 08：00 on October 1，2021

4 物理量場

從2021年10月1日08：00比濕(圖3)分析可以看出，從四川盆地向甘肅河?xùn)|有一個明顯的濕舌伸入，為冰雹的產(chǎn)生提供了水汽條件，且比濕為4 g/kg達(dá)到了慶陽市產(chǎn)生冰雹天氣的閾值。

從2021年10月1日08：00 700 hPa假相當(dāng)位溫(圖4a)分析可以看出，從四川盆地到甘肅河?xùn)|有一個明顯的能量舌存在，慶陽市位于能量舌的頂端，為風(fēng)雹的產(chǎn)生提供了能量條件。慶陽市700和500 hPa溫差均不低于21 ℃(圖4b)，超過了慶陽市產(chǎn)生冰雹的閾值，為冰雹的產(chǎn)生提供了較好的層結(jié)不穩(wěn)定條件。

圖3 2021年10月1日08：00比濕Fig.3 Specific humidity at 08：00 on October 1，2021

圖4 2021年10月1日08：00假相當(dāng)位溫(a)以及700和500 hPa溫差(b)Fig.4 False equivalent potential temperature(a)and temperature difference between 700 hPa and 500 hPa (b)at 08：00 on October 1，2021

5 雷達(dá)特征

選取2021年10月1日西峰站雷達(dá)回波隨時間變化(圖5)進(jìn)行分析，從雷達(dá)回波強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn)，16：15慶陽市的西北部環(huán)縣與鎮(zhèn)原有45 dBz的塊狀回波發(fā)展，回波頂?shù)母叨葹?.85 km；17：10回波強(qiáng)度發(fā)展至60 dBz，范圍增大成片狀，頂高增加至9.90 km；17：40—18：10強(qiáng)回波范圍增大，出現(xiàn)鉤狀特點(diǎn)，頂高增至11 km以上；從18：15開始鉤狀特點(diǎn)逐漸消失，回波向東南方向移動減弱，直至20：05，回波向東偏南移動至寧縣，范圍減小，強(qiáng)度減弱，強(qiáng)對流天氣結(jié)束。

經(jīng)分析，2021年10月1日17：40回波發(fā)展成鉤狀結(jié)構(gòu)，單體持續(xù)時間較長，達(dá)6個體掃(17：40—18：10)，18：00鉤狀結(jié)構(gòu)特征最清楚。從10月1日18：00西峰站雷達(dá)不同仰角的反射率因子(圖6a)可以看出，前側(cè)入流槽口明顯，且6.0°仰角回波強(qiáng)度達(dá)60 dBz，這種高聳強(qiáng)回波的存在說明單體發(fā)展的高度較高；分析2.4°仰角的徑向速度(圖6b)可以看出，在鉤狀回波弱回波區(qū)有明顯的氣旋式輻合與之對應(yīng)，氣旋式輻合持續(xù)4個體掃，基本判斷出該單體為超級單體。

VIL是判斷冰雹云的重要指標(biāo)之一，對冰雹特別敏感。它往往會在降雹前產(chǎn)生躍增，作為冰雹臨近預(yù)報(bào)的一個依據(jù)。從圖7可以看出，10月1日16：00—16：45 VIL值進(jìn)行了第一次躍變，VIL值增加至40 kg/m，環(huán)縣合道出現(xiàn)零星冰雹，16：50—17：20 VIL值減少至18 kg/m；17：25 VIL值突增至41 kg/m，出現(xiàn)明顯的躍變特征，這時鎮(zhèn)原三岔出現(xiàn)2～3 cm的大冰雹；17：25—18：10 VIL值基本維持在34 kg/m以上，回波向東南方向移動，鎮(zhèn)原、西峰西部等地出現(xiàn)大冰雹；18：10—20：10 VIL值逐漸減小至0，強(qiáng)對流天氣結(jié)束。

6 云圖特征

分析紅外云圖(圖8a～d)可以看出，2021年10月1日區(qū)域性風(fēng)暴天氣過程主要由局地產(chǎn)生的對流云團(tuán)發(fā)展移動而引發(fā)的。10月1日17：00慶陽市西北部的環(huán)縣有小塊的對流云團(tuán)產(chǎn)生，到18：00范圍變大，強(qiáng)度變強(qiáng)，且向東南方向移至慶陽市中部，主要對鎮(zhèn)原、慶城有較大的影響，鎮(zhèn)原、慶城分別產(chǎn)生冰雹天氣，19：00對流云團(tuán)出現(xiàn)了明顯的“V”字型結(jié)構(gòu)，慶陽市西峰、寧縣等地出現(xiàn)風(fēng)雹天氣，到20：00強(qiáng)對流云團(tuán)基本移出慶陽減弱消散。從可見光云圖(圖8e)可以看出，10月1日17：00慶陽市中北部的對流云團(tuán)有明顯的暗影存在，有上沖云頂存在，對流云發(fā)展旺盛；從18：00 衛(wèi)星相當(dāng)黑體亮溫(圖8f)可以看出，慶陽市對流云團(tuán)的相當(dāng)黑體亮溫較低，最小值為104 K，對流云團(tuán)發(fā)展的高度較高對流發(fā)展旺盛。

圖5 2021年10月1日雷達(dá)回波隨時間的演變Fig.5 Evolution of radar echo over time on October 1，2021

圖6 2021年10月1日18：00 0.5°、2.4°、6.0°仰角的反射率因子(a)和2.4°仰角的徑向速度(b)Fig.6 Reflectance factor of 0.5°，2.4°，6.0° elevation(a)and radial velocity diagram of 2.4° elevation(b)at 18：00 on October 1，2021

圖7 2021年10月1日16：00—20：10垂直積分液態(tài)水含量變化Fig.7 Variation of vertical liquid water content(VIL)with time at 16：00-20：10 on October 1，2021

注：a.16：00紅外云圖；b.18：00紅外云圖；c.19：00紅外云圖；d.20：00紅外云圖；e.17：00可見光云圖；f.18：00衛(wèi)星相當(dāng)黑體亮溫 Note：a.16：00 infrared cloud image；b.18：00 infrared cloud image；c.19：00 infrared cloud image；d.20：00 infrared cloud image；e.17：00 visible cloud image；f.18：00 satellite fairly black body brightness temperature圖8 2021年10月1日衛(wèi)星云圖Fig.8 Satellite cloud image on October 1，2021

7 小結(jié)

利用常規(guī)資料、西峰CD雷達(dá)資料、云圖資料對慶陽市2021年10月1日風(fēng)暴過程進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)此次風(fēng)暴天氣主要受500 hPa強(qiáng)西北氣流引導(dǎo)冷空氣下滑影響，且甘肅河西高層溫度槽、低層溫度脊配合較好，產(chǎn)生了較好的不穩(wěn)定層結(jié)條件。

(2)此次過程發(fā)生前期有較大的位勢不穩(wěn)定能量，并且0 ℃層高度在4 411.400 km，-20 ℃層的高度為6 966.154 km，利于冰雹的產(chǎn)生及增長。0～6 km的垂直風(fēng)切變(SHR)為24.8，風(fēng)暴有一定的旋轉(zhuǎn)性。

(3)從物理量條件分析來看，此次風(fēng)暴過程的水汽條件基本滿足慶陽市產(chǎn)生冰雹的閾值，能量條件較好，風(fēng)暴天氣產(chǎn)生于能量舌的頂端。

(4)衛(wèi)星云圖得出，此次過程主要由局地產(chǎn)生的對流云團(tuán)自西北向東南方向移動發(fā)展而引發(fā)的，對流云團(tuán)發(fā)展到最強(qiáng)出現(xiàn)了明顯的“V”字型結(jié)構(gòu)，可見光云圖上對流云團(tuán)有明顯的暗影存在，對流云團(tuán)的相當(dāng)黑體亮溫較低，其發(fā)展的高度較高對流發(fā)展旺盛。

(5)雷達(dá)圖分析得出，此次風(fēng)暴天氣受超級單體影響，超級單體持續(xù)時間較長從2021年10月1日17：40持續(xù)到18：00，單體發(fā)展的高度較高，頂高達(dá)11.43 km，鉤狀回波和前側(cè)入流槽口特征明顯，徑向速度輻合特征明顯，并且垂直積分液態(tài)水含量(VIL)的躍變特征較為突出。