李栩婕，馬中元，李歡歡，袁 春，肖 云

( 1. 新余市氣象局，338000，江西，新余；2. 江西省氣象科學(xué)研究所，330046，南昌)

0 引言

強(qiáng)對流天氣包括：冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、強(qiáng)雷電等天氣現(xiàn)象。強(qiáng)對流天氣具有突發(fā)性、強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)等特點(diǎn)，往往造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。冰雹的產(chǎn)生主要與風(fēng)暴中強(qiáng)烈的上升氣流有關(guān)，而雷暴大風(fēng)主要由強(qiáng)對流風(fēng)暴(超級單體或多單體風(fēng)暴)或與颮線、與鋒面有關(guān)的帶狀對流中處于成熟階段單體的下沉氣流在近地面處向水平方向擴(kuò)散形成的輻散性陣風(fēng)而產(chǎn)生[1]。

國內(nèi)許多氣象工作者對冰雹和雷暴大風(fēng)天氣已經(jīng)開展了很多研究[2-12]。例如：金米娜等[2]利用常規(guī)觀測資料和衛(wèi)星、雷達(dá)、自動站等非常規(guī)觀測資料以及NCEP再分析資料，對2013年3月19日江西省大范圍冰雹天氣過程形成原因進(jìn)行分析，指出0 ℃層高度一般在600 hPa上下，約4 km高，有利于冰雹的產(chǎn)生。李聰?shù)萚8]利用地基微波輻射計(jì)、風(fēng)廓線雷達(dá)和雨滴譜儀等觀測資料分析了南京的一次冰雹過程，指出較大的對流不穩(wěn)定能量和相對強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變構(gòu)成了強(qiáng)冰雹產(chǎn)生的有利環(huán)境條件。李麗麗等[5]分析指出，單體回波在發(fā)展和降雹階段均可見明顯的回波懸垂，在強(qiáng)雷暴單體的PPI圖上還可見“V”型缺口和鉤狀回波特征。陸飛等[11]利用常規(guī)觀測資料、地面加密資料、衛(wèi)星云圖、微波輻射計(jì)及雷達(dá)探測資料等對2021年7月15日江蘇省一次強(qiáng)冰雹過程進(jìn)行分析，指出多單體風(fēng)暴中組合反射率60以上且回波頂高超過17 km區(qū)域與冰雹發(fā)生地較吻合。這些研究成果對本文有指導(dǎo)作用。

2021年5月10日下午新余東部發(fā)生一次強(qiáng)對流天氣過程，期間出現(xiàn)雷暴大風(fēng)和大冰雹，引起公眾和媒體高度關(guān)注，中國天氣網(wǎng)等媒體均對該過程有相關(guān)報(bào)道。本文利用常規(guī)觀測資料、多普勒天氣雷達(dá)資料和地面加密觀測站資料等，分析了新余此次強(qiáng)對流天氣的環(huán)境場及其雷達(dá)回波特征，期望為今后預(yù)報(bào)此類強(qiáng)天氣并及時(shí)發(fā)布相關(guān)預(yù)警信息提供參考。

1 資料來源與天氣實(shí)況

1.1 資料來源

風(fēng)速資料來源于江西省查詢系統(tǒng)平臺國家站和區(qū)域站風(fēng)速數(shù)據(jù)；天氣圖資料來源于MICAPS系統(tǒng)平臺中分析方法；探空資料T-lnP 圖來源于MICAPS系統(tǒng)平臺；雷達(dá)資料來源于江西WebGIS雷達(dá)拼圖和吉安SA雷達(dá)產(chǎn)品。

1.2 天氣實(shí)況

2021年5月10日16:00—17:00，新余東部出現(xiàn)一次暖區(qū)對流天氣過程，隨著對流單體自南向北逐漸移過，新余東部出現(xiàn)局地冰雹、雷暴大風(fēng)和強(qiáng)雷電等強(qiáng)對流天氣，如圖1(a)所示，新余站出現(xiàn)6站次雷暴大風(fēng)，最大為南崗站的23.4 m/s，在16:12左右新余市羅坊、姚圩、鵠山、北崗和水西等地突降直徑2 cm左右的冰雹。圖1(b)中新余總雷電次數(shù)共計(jì)853次，其中正閃423次，負(fù)閃430次。新余市羅坊、南崗、馬洪16:00-17:00每5 min溫度變化趨勢圖(圖略)可得，在16:10—16:20，新余羅坊由31.1 ℃降至23.4 ℃、南崗由32.5 ℃降至23.5 ℃、馬洪由33.7 ℃降至26.6 ℃，這3個站在10 min內(nèi)快速降溫7～8 ℃，與冰雹天氣發(fā)生時(shí)段一致?？梢姶舜螌α鬟^程具有持續(xù)時(shí)間較短、強(qiáng)天氣劇烈、影響范圍較局地等特點(diǎn)。

圖1 5月10日極大風(fēng)速圖(a)和雷電分布圖(b)

2 天氣形勢和物理量分析

2.1 天氣形勢

從5月10日08:00天氣形勢配置圖(圖略)可以看出，500 hPa上貴州西部有一個南支槽不斷東移并有溫度槽落后使之不斷加深。700 hPa在重慶南部和湖南北部有低渦切變并伴有一只西南急流，同時(shí)武漢和安徽南部有露點(diǎn)鋒存在，850 hPa和925 hPa有一支西南急流向江西輸送水汽和能量并伴有低渦切變，T850-500為25～28 ℃，925 hPa暖脊發(fā)展與850 hPa上Td為15 ℃的高濕區(qū)在贛北疊加，與500 hPa干區(qū)形成上干冷下濕暖層結(jié)，地面有西南倒槽從重慶貴州北部、湖南中北部伸向贛西北，熱低壓發(fā)展，造成局地冰雹、雷暴大風(fēng)和強(qiáng)雷電等強(qiáng)天氣發(fā)生。

2.2 物理量分析

從5月10日08:00冰雹、大風(fēng)發(fā)生前的探空圖上(圖略)看，SI指數(shù)低于-3 ℃，風(fēng)暴強(qiáng)度指數(shù)SSI超過了300，訂正后南昌站對流有效位能CAPE數(shù)值超過了2 000 J/kg，表明大氣層結(jié)為不穩(wěn)定狀態(tài)且不穩(wěn)定能量較強(qiáng)，抬升凝結(jié)高度LCL低，濕球0°層高度WBZ為3.57 km，-20 ℃等溫線高度為7.74 km，這些指數(shù)特征有利于產(chǎn)生冰雹大風(fēng)天氣。從5月10日08:00的露點(diǎn)溫度Td以及比濕Q值(圖略)來看，850 hPa江西、湖南境內(nèi)Td、Q在15 ℃和13 g/kg以上，近地面層為暖平流，600 hPa以上為弱的冷平流，且當(dāng)日午后地面溫度高達(dá)32.8 ℃，低層的高溫、高濕的持續(xù)導(dǎo)致不穩(wěn)定能量持續(xù)積累，而700 hPa的Td和Q分別只有3～4 ℃和8 g/kg，700～400 hPa之間為干層，表明江西境內(nèi)濕層不深厚，具有明顯的上干下濕結(jié)構(gòu)，這不利于產(chǎn)生大范圍暴雨天氣，而對冰雹、大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣發(fā)生有利。0～3 km和0～6 km的風(fēng)矢量差為9 m/s和8 m/s，俞小鼎[13]指出有時(shí)雖然0～6 km風(fēng)矢量差不大，但期間某一層具有很強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，也往往可以發(fā)生有組織程度的強(qiáng)對流，5月10日08:00時(shí)700 hPa垂直風(fēng)切達(dá)12 m/s，對新余超級單體冰雹的產(chǎn)生起到重要的作用。

由此可見，不穩(wěn)定能量的建立、明顯的上干下濕結(jié)構(gòu)、南支槽不斷東移加深、中低層切變、中低層西南急流、地面倒槽和熱低壓發(fā)展以較強(qiáng)風(fēng)暴強(qiáng)度指數(shù)SSI、較大的對流有效位能 CAPE以及較低的抬升凝結(jié)高度LCL等多個有利條件共同影響，是構(gòu)成新余局部冰雹、雷暴大風(fēng)和強(qiáng)雷電天氣的環(huán)境條件。

3 雷達(dá)回波特征分析

3.1 雷達(dá)拼圖回波特征

在雷達(dá)拼圖組合反射率CR產(chǎn)品上，5月10日14:10分(圖略)，3塊回波單體在吉安縣生成，并不斷發(fā)展且向東北移動；15:00時(shí)(圖2(a))，其中2塊強(qiáng)單體合并，于15:20合并形成超級單體(圖2(b))，中心強(qiáng)度達(dá)到70以上；15:40(圖2(c))，超級單體在進(jìn)入新余的過程中受山體阻擋，回波強(qiáng)度有所減弱為65；16:00進(jìn)入新余后(圖2(d))，60強(qiáng)回波面積明顯擴(kuò)大，新余市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)開始出現(xiàn)冰雹；16:20超級單體回波強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)(圖2(e))，中心最大回波強(qiáng)度達(dá)到70以上，給新余市東部多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)帶來了雷暴大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對流天氣；16:30超級單體移出新余(圖2(f))，強(qiáng)度比較強(qiáng)，并繼續(xù)對下游地區(qū)產(chǎn)生影響。

(a)15：00；(b)15:20；(c)15:40；(d)16:00；(e)16:20；(f)16:40圖2 2021年5月10日雷達(dá)拼圖組合反射率CR演變圖(單位/dBZ)

3.2 冰雹雷達(dá)回波剖面

2021年5月10日新余冰雹大風(fēng)主要集中在16:00-17:00(約1 h)，為了說明其雷達(dá)回波和徑向速度特征，使用吉安SA多普勒雷達(dá)16:10的數(shù)據(jù)，制作不同仰角反射率因子BR、徑向速度BV、回波頂高ET、垂直積分液態(tài)水含量VIL、垂直累積液態(tài)含水量密度VILD等產(chǎn)品圖進(jìn)行分析。

2021年5月10日16:10(圖3(a))，雷達(dá)拼圖組合反射率圖，此時(shí)超級單體風(fēng)暴位于羅坊、姚圩鎮(zhèn)，由于三體散射長釘回波較弱，在雷達(dá)拼圖組合反射率CR圖中被覆蓋。從吉安雷達(dá)不同仰角反射率因子圖(圖3(b)、(c)、(d)、(e)、(f))，三體散射特征明顯。1.5°、2.3°仰角(圖3(b)、(c))羅坊、姚圩鎮(zhèn)附近出現(xiàn)伸出超級單體強(qiáng)回波區(qū)的“指狀”回波，“指狀”回波表明與強(qiáng)烈暖濕入流伴隨的上升運(yùn)動有助于冰雹生成和發(fā)展[14]，“指狀”回波一側(cè)反射率因子回波梯度較大；高仰角(圖3(d)、(e)、(f))，伸出超級單體的回波上方為強(qiáng)反射率因子核心區(qū)，同時(shí)，4.3°仰角上強(qiáng)回波的北側(cè)，徑向方向上出現(xiàn)了明顯的三體散射回波(吉安雷達(dá)站位于其西南偏南方向)，三體散射回波預(yù)示著冰雹的出現(xiàn)。

(a) 雷達(dá)拼圖組合反射率CR； (b) 吉安雷達(dá) 1.5°仰角反射率因子； (c)吉安雷達(dá) 2.4°仰角反射率因子； (d)吉安雷達(dá) 3.4°仰角反射率因子； (e)吉安雷達(dá) 4.3°仰角反射率因子； (f)吉安雷達(dá) 6.0°仰角反射率因子；單位/dBZ圖3 2021年5月10日16:10 雷達(dá)拼圖組合反射率CR和16:08吉安雷達(dá)產(chǎn)品圖

2021年5月10日16:10，吉安雷達(dá)4.3°仰角反射率因子圖(圖4(a))，此時(shí)雷達(dá)回波中心強(qiáng)度高達(dá)74 ，屬于典型的超級單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)。沿垂直剖面線的反射率因子垂直剖面RCS(圖4(b))，50強(qiáng)回波頂高達(dá)到11.1 km，超過-20 ℃等溫線高度(7.7 km)，70 強(qiáng)回波懸垂中高空，冰雹累積區(qū)較大。4.3°仰角徑向速度圖上(圖4(c))，白圓圈處出現(xiàn)輻合型速度對，存在中層徑向輻合；6°仰角徑向速度圖上(圖4(d))，白圓圈處出現(xiàn)輻散型速度對，表明高層有徑向輻散，高層徑向速度輻散和中低層徑向速度輻合有利于風(fēng)暴的發(fā)展和維持。

(a)組合反射率CR單位/dBZ；(b)沿剖線反射率因子垂直剖面RCS；(c)4.3°徑向速度；(d)6.0°徑向速度圖4 2021年5月10日 16:08吉安雷達(dá)產(chǎn)品圖

超級單體回波頂高ET(圖略)發(fā)展至12～15 km，超級單體中心垂直積分液態(tài)水含量VIL(圖略)其值高達(dá)70 kg/m2，表明云中含有較大的雹胚增長，垂直累積液態(tài)含水量密度VILD(圖略)，達(dá)12 kg/m3；雷達(dá)冰雹探測算法導(dǎo)出的強(qiáng)冰雹概率(POSH)達(dá) 90%以上，這些產(chǎn)品特征均預(yù)示出現(xiàn)大冰雹的可能性很大。

上述分析表明，超級單體風(fēng)暴中組合反射率CR達(dá)到70以上、50強(qiáng)回波頂高11.1 km超過-20 ℃等溫線高度7.7 km、有明顯的回波懸垂以及三體散射回波結(jié)構(gòu)；產(chǎn)生冰雹的超級單體具有垂直積分累積含水量VIL和密度VILD的值很大達(dá)到上限，中層有徑向速度輻合，高層有徑向速度輻散，有利于風(fēng)暴的發(fā)展和維持。

4 結(jié)論與討論

經(jīng)過以上分析，得到以下結(jié)果。

1)南支槽不斷東移加深、中低層切變、中低層西南急流、地面倒槽和熱低壓發(fā)展等多個有利條件的共同影響，是構(gòu)成新余局部冰雹、雷暴大風(fēng)的天氣背景。

2)各項(xiàng)探空資料環(huán)境參數(shù)均預(yù)示了強(qiáng)對流的發(fā)生，具有明顯特征的是該次強(qiáng)對流天氣過程發(fā)生前具有具有較強(qiáng)風(fēng)暴強(qiáng)度指數(shù)SSI、較大的對流有效位能 CAPE以及較低的抬升凝結(jié)高度LCL。

3)超級單體回波組合反射率CR達(dá)到70以上、50強(qiáng)回波頂高11.1 km超過-20 ℃等溫線高度7.7 km、有明顯的回波懸垂以及三體散射回波結(jié)構(gòu)。

4)產(chǎn)生冰雹的超級單體具有垂直積分累積含水量VIL和密度VILD的值很大達(dá)到上限，中層有徑向速度輻合，高層有徑向速度輻散，有利于風(fēng)暴的發(fā)展和維持。

上述通過研究環(huán)境場和雷達(dá)回波特征，對新余“5.10”風(fēng)雹天氣過程進(jìn)行了分析，初步得到上述幾點(diǎn)結(jié)論，為強(qiáng)對流天氣識別與短時(shí)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。但此次過程回波由西南朝東北方向移動，這與旺盛的西南急流關(guān)系密切。隨著其它觀測設(shè)備的增加和探測手段的完善，提高在該天氣背景下出現(xiàn)的超級單體風(fēng)暴的預(yù)報(bào)能力，為災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)警提供更多參考依據(jù)。