林 彤，鄧佩云，周 楠，李龍燕，寧欣婷，王雪妮

（1.中國氣象局 旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.中國氣象局 云霧物理環(huán)境重點開放實驗室，北京 100081；3.寧夏氣象防災減災重點實驗室，寧夏 銀川 750002）

冰雹是一種強對流天氣，是對流云發(fā)生發(fā)展過程中產(chǎn)生的一種固態(tài)降水物，冰雹的產(chǎn)生時常伴隨著強降水和大風天氣，并具有很強的突發(fā)性和巨大的破壞力，往往對人民的生命財產(chǎn)造成重大損失。冰雹是我國經(jīng)常出現(xiàn)的災害性天氣之一，我國平均每年遭受冰雹災害的面積達到2×106hm2[1-2]。據(jù)應急管理部發(fā)布的2022 年全國自然災害基本情況：自然災害導致的農(nóng)作物受災面積1 207.16 萬hm2；直接經(jīng)濟損失2 386.5 億元；我國共出現(xiàn)37 次區(qū)域性強對流天氣過程，從時間上看，主要集中在夏季，強對流天氣引發(fā)風雹災害造成的死亡失蹤人數(shù)和直接經(jīng)濟損失分別占風雹災害全年損失的73%和69%。

近年來，隨著我國極端天氣和災害性天氣出現(xiàn)頻率增高，氣象研究人員越來越關注對強降水、冰雹、大風等天氣的研究，冰雹的形成機理、微物理特征以及預測監(jiān)測是我國氣象發(fā)展必不可少的研究方向，這些研究也是我國防災減災能力提升的迫切需求。而準確、及時地獲取降雹前云的信息、動力條件以及各項云微物理量的變化對于人工影響天氣至關重要。降雹天氣過程中發(fā)生的宏、微觀物理特征變化十分復雜，早在20世紀70 年代，國內(nèi)外學者就開始對冰雹進行研究。之后，有研究人員針對各個地區(qū)冰雹天氣過程進行了一系列的研究和分析，得出了許多具有參考價值的結論[3-7]，特別是對于強冰雹過程的個例分析也有很多。如：張騰飛等[8]對云南一次強對流冰雹過程的環(huán)流及雷達回波特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)此次天氣過程具有典型的冰雹雷達回波特征，且強回波區(qū)與雷達速度場的逆風區(qū)、大風區(qū)和風輻合區(qū)相關。汪海恒等[9]利用氣象常規(guī)資料、再分析資料和雷達資料診斷分析了一次重大冰雹災害性天氣，給出了強冰雹發(fā)生之前大氣濕層厚度、對流上升高度、強風暴進入等變化特征，其研究結果可以作為強冰雹預警的輔助指標。嚴紅梅等[10]研究了金華地區(qū)冰雹的大氣環(huán)境和雷達回波特征，得出冰雹發(fā)生前整層大氣可降水量的平均值可達40.8 mm，0.5°仰角最大反射率因子值超過60 dBZ。除此之外，E.A.Kalina 等[11]，V.S.Makitov 等[12]研究了較長時期的冰雹雷達回波結果，分析了冰雹核形成和發(fā)展的動態(tài)參數(shù)。特種觀測儀器的應用，為進一步了解和探索冰雹天氣提供了新的手段，我國學者運用新型儀器設備對冰雹的微物理特征做了更深入的研究[13-19]。

云資料的獲取主要分為地基和空基兩個方面，空基的研究對象為云頂，雖然目前激光雷達等高精度儀器觀測數(shù)據(jù)的獲得以及相應算法的發(fā)展，使得衛(wèi)星對云的觀測獲得重大進展，但還需要地基儀器的對比驗證[20-21]。地基云參數(shù)有多種探測手段，如云雷達、云高儀、X 波段雙偏振雷達等，借助多種探測手段和特種設備分析冰雹災害天氣的宏、微觀結構，可以有效識別粒子的相態(tài)和降水過程中云的微物理特征，有助于冰雹災害性天氣結構模型的建立。據(jù)此，本文利用三維風速儀、激光云高儀、Ka 波段云雷達、X 波段雙偏振雷達、微雨雷達等多種觀測儀器，結合天氣背景和地面氣象資料，對2021 年7 月12 日六盤山東側(cè)一次冰雹災害性天氣過程中的大氣環(huán)流形勢、動力場以及微物理變化特征進行分析與探討，以期為科學有效地制訂防災減災方案提供依據(jù)與支撐。

1 天氣背景分析

1.1 天氣實況及環(huán)流背景

本文選取六盤山山頂?shù)牧P山氣象站（海拔高度2 845.2 m），六盤山東側(cè)的涇源氣象站（海拔高度1 984.7 m）、大灣作業(yè)點（海拔高度1 980 m），六盤山西側(cè)的隆德氣象站（海拔高度2 078.6 m）布設的多類特種儀器的觀測數(shù)據(jù)，以及距離六盤山65 km 的彭陽觀測點X 波段雙偏振雷達的觀測數(shù)據(jù)進行分析，分析過程中不考慮大氣對回波強度的衰減作用。

2021 年7 月12 日15：45—16：05，寧夏南部六盤山東側(cè)涇源縣新民鄉(xiāng)、涇河源鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹天氣并伴隨短時雷暴大風，冰雹直徑15～50 mm，持續(xù)時間約20 min。固原市彭陽縣布設的X 波段雙偏振雷達，涇源縣氣象局布設的Ka 波段云雷達、微雨雷達、微波輻射計和三維風速儀等儀器，均捕捉到此次冰雹天氣過程。根據(jù)涇源縣應急管理局的統(tǒng)計結果，本次冰雹造成新民鄉(xiāng)和涇河源鎮(zhèn)以玉米、馬鈴薯、小雜糧為主的秋糧受災，農(nóng)作物受災面積1 201.2 hm2（新民鄉(xiāng)1 200 hm2、涇河源鎮(zhèn)1.2 hm2），造成農(nóng)作物直接經(jīng)濟損失1 443.96 萬元（新民鄉(xiāng)1 440 萬元、涇河源鎮(zhèn)3.96 萬元）。

7 月12 日08：00，500 hPa 寧夏受位于華北的冷渦后部的西北氣流控制，寧夏南部位于584 和580 線之間，700 hPa 受西北氣流控制；17：00 六盤山區(qū)受強的熱低壓控制，低壓中心位于內(nèi)蒙古西部、寧夏西北方向，強度為992.5 hPa，地面受強的熱低壓控制，有利于午后低層輻合抬升，形成“高干冷、低暖濕”的配置，造成較強的對流（圖1）。圖2 中，08：00 探空數(shù)據(jù)顯示，整層濕度條件較好，存在不穩(wěn)定能量，對流有效位能（CAPE）值為16.3 J/kg，0 ℃層高度為4.8 km，-20 ℃層高度為7.9 km。近地面存在逆溫層，有利于不穩(wěn)定能量的聚集，地面受強的熱低壓控制，有利于低層輻合抬升，形成對流，到20：00，CAPE 值達到588.6 J/kg，0 ℃層高度為4.8 km，-20 ℃層高度為8.2 km。

圖1 7月12日天氣形勢圖（審圖號：GS（2019）3082號）

圖2 7月12日08：00和20：00崆峒站探空圖

1.2 雷達回波特征

有研究表明，冰雹的形成受地形影響明顯，山區(qū)的多雹中心一般處在南北走向山脈的東坡，而近東西走向的六盤山是寧夏地區(qū)的冰雹頻發(fā)中心之一[22-26]。分析產(chǎn)生此次冰雹的原因：首先，天氣條件具備有利于觸發(fā)突發(fā)性冰雹的天氣尺度背景；其次，本次強對流天氣發(fā)生位置在六盤山脈的東坡，地形的動力抬升和熱力作用造成局地輻合上升運動加強，使得山區(qū)上空大氣不穩(wěn)定，為強對流天氣的發(fā)生提供了有利條件。

從雷達組合反射率及剖面圖（圖3）可以看出，16：02 在涇源縣東南部，強回波中心達到60 dBZ，強對流單體發(fā)展旺盛，回波頂高達到12 km，延伸至對流層頂。由剖面圖可以看到明顯的懸垂結構，強對流單體結構完整，存在有界弱回波區(qū)，60 dBZ 以上強回波已延伸至-20 ℃層。以上特征符合強冰雹發(fā)生時的雷達回波特征。

圖3 16：02雷達組合反射率及剖面圖

2 動力場特征

2.1 地面氣象要素變化

冰雹天氣的發(fā)生除了具備不穩(wěn)定能量外，還需具有一定的觸發(fā)機制才能使?jié)撛诘哪芰酷尫挪a(chǎn)生強對流。本文選取距離冰雹發(fā)生地最近的六要素地面自動氣象站——新民鄉(xiāng)先進村站（Y3306），通過分析地面氣象要素的變化，可以看到降雹過程20 min 內(nèi)（16：00—16：20），地面氣溫下降了7.2 ℃，瞬時風速達到17.6 m/s，風向由西南轉(zhuǎn)為西北（圖4）。

圖4 冰雹發(fā)生前后地面氣象要素變化

2.2 動力場特征

圖5 為六盤山東坡三維風隨時間的變化圖。由圖5可知，風向基本保持不變，山底為西風，山頂由東南風轉(zhuǎn)為西風。水平風速基本保持不變，山腳水平風速最強。15：36 降水開始前，風向為西北風，水平風速在4.0 m/s 以下，氣流的下沉運動速度為0.25 m/s，大氣表現(xiàn)為較強的下沉運動。降水開始后，風向調(diào)整為穩(wěn)定的西風和東南風，水平風速增強，水平風速為6.0 m/s以下，垂直風速為0.50 m/s，大氣轉(zhuǎn)為較強的上升運動，隨著高度的增加，東坡山頂上升運動達到最強。降水開始后，大氣垂直運動減弱。

圖5 六盤山東坡三維風隨時間的變化圖

圖6 為六盤山兩側(cè)三維風隨時間的變化圖，可以發(fā)現(xiàn)降水前1 h 和降水過程中風向隨著海拔升高呈順時針旋轉(zhuǎn)。主要風向為西風、西南風，降水開始后西坡山腳（楊家店村觀測點）和山腰（六盤山梯度觀測點）風向轉(zhuǎn)為東南風；水平風速隨著海拔高度增加而增加，降水開始后除六盤山氣象站外，其他各站風速減弱。

圖6 六盤山兩側(cè)三維風隨時間的變化圖

降水前，六盤山西坡大氣主要為上升運動，沿著海拔高度逐漸增加，東坡山頂和山腳（大灣作業(yè)點）為上升運動，山腰和山腳為下沉運動。降水后，氣流的上升運動減弱，西坡山腰和六盤山氣象站繼續(xù)保持上升運動，東坡山頂由上升運動轉(zhuǎn)為強的下沉運動，東坡山腳（大灣作業(yè)點）為上升運動。本次強對流天氣發(fā)生位置在六盤山脈的東坡，迎風坡地形對氣流的抬升和“狹管效應”使得氣流產(chǎn)生由地面向上的垂直運動。因此，此次冰雹過程主要是由于地形作用導致的短時強對流過程。

3 微物理場特征

3.1 云系發(fā)展特征

對比六盤山東側(cè)大灣作業(yè)點、六盤山頂?shù)牧P山氣象站和六盤山西側(cè)隆德氣象站的Ka 波段云雷達回波強度圖（圖7）可知：7 月12 日，在降水前1 h 云系變?yōu)?0 km 左右深厚的單層云，云厚由大到小的順序為隆德站、六盤山站、大灣作業(yè)點，云體內(nèi)回波強度有躍增現(xiàn)象，躍增強度由大到小的順序為大灣作業(yè)點、六盤山站、隆德站。通過定量分析可以看出，強對流性降水發(fā)生前1 h，云系接地，有一云厚為5 000 m 以上的深厚單層云。隨著降水的臨近，降水發(fā)生前20 min 云體內(nèi)回波有躍增現(xiàn)象，六盤山站回波強度為14 dBZ，大灣作業(yè)點回波強度為6.98 dBZ，隆德站回波強度最小，為4.97 dBZ。

圖7 7月12日大灣作業(yè)點、六盤山站和隆德站的回波強度圖

7 月12 日16：02—16：27，在涇源縣新民鄉(xiāng)成功收集到冰雹，冰雹直徑2～3 cm。在降雹前1 h，涇源站云體內(nèi)回波強度有躍增現(xiàn)象。對其降雹發(fā)生前云系結構垂直剖面進行分析可知，回波強度大值區(qū)云頂高為8 km，回波強度大值區(qū)集中在云系中間，兩邊的回波強度較弱。

云底宏觀參數(shù)中云量、云高和云厚是影響地球輻射收支的重要參數(shù)，利用激光云高儀對六盤山站、隆德站、大灣作業(yè)點和涇源站的云底高度進行測量，結果如圖8 所示。由圖8 可知：從12 日07：00 開始到12：00，4 個站點垂直天頂幾乎觀測不到云底，12：00 4 個站點都開始出現(xiàn)云，且隨著降水時間的臨近，云系開始發(fā)展，到15：30 左右出現(xiàn)3 層云。其中，降雹地——涇源縣，在降雹發(fā)生之前15 min（15：29），開始出現(xiàn)3 層云，說明云系發(fā)展較旺盛，云層厚度較厚（大約2 km），且降雹過程云底高度變化較快。16：05 以后，隨著冰雹過程的結束，降水粒子變?yōu)橐簯B(tài)，降雨開始后測得云底接地。

圖8 7月12日六盤山站、隆德站、大灣作業(yè)點和涇源站的云底高度圖

3.2 X波段雙偏振雷達及微雨雷達數(shù)據(jù)特征

由于對流云降水局地性強，回波成塊狀分散分布，單個回波面積較小，為了更清晰地分析對流云結構特征，本文對其中一個對流云單體進行研究（圖9）。由圖9可知：7 月12 日14：48，涇源站的東北方向?qū)α骰夭▌倓偵?，回波面積很小，且回波強度弱，組合反射率Zmax平均值為23.66 dBZ，最大值為32.5 dBZ；隨后對流回波迅速發(fā)展，15：13，強回波中心形成，組合反射率Zmax平均值增大至33.57 dBZ，最大值躍升至52.5 dBZ；15：23，回波繼續(xù)加強，強回波中心面積進一步擴大，組合反射率Zmax平均值達34 dBZ，最大值為52.5 dBZ，雷達6°仰角（高度為7.3 km+1.758 km=9.058 km 處）回波強度小于20 dBZ 的回波開始形成，此處應為生成的對流云云氈；15：44，回波繼續(xù)加強，強回波中心面積進一步擴大，組合反射率Zmax平均值達35 dBZ，最大值仍為52.5 dBZ，此時雹云發(fā)展成熟，出現(xiàn)降雹，雷達6°仰角回波強度小于30 dBZ 的回波面積較大，占回波總面積的50%，此處為發(fā)展成熟的對流云云氈；15：59，回波達到最強，強回波中心面積進一步擴大，較15：44 強回波面積增大15%，云氈面積也進一步擴大，此后，雷達回波繼續(xù)南移，回波強度逐漸減弱，主回波區(qū)已移出寧夏。

圖9 2021年7月12日彭陽觀測點對流云降水雷達組合反射率

本次降水回波維持時間較長，從回波生成到消散持續(xù)時間約為2.5 h，雖后期已移出寧夏，且逐漸減弱，但其減弱過程較慢，降雹開始后1 h（16：44），仍有反射率Z最大為52.5 dBZ 的強回波中心和云氈回波等典型的雹云回波特征，直至17：14 才逐漸消散。

圖10 為2021 年7 月12 日15：43（降雹開始前）對流云降水彭陽觀測點雷達回波特征（仰角1.5°、高度1.76+1.94=3.7 km），表1 為該時刻各仰角雷達參數(shù)最大值與平均值列表。結合圖10 和表1 可知：藍色圓形區(qū)域中心為雷達基本反射率Z的強回波中心，海拔高度約為3.7 km，1.5°仰角Z最大值為52.5 dBZ；從垂直分布來看，Z最大值出現(xiàn)在2.4°仰角，為55.0 dBZ。然而，Z值強中心對應著差分反射率ZDR的低值中心，ZDR由圓形區(qū)域周邊的1.5 dBZ 的大值區(qū)迅速降為圓形區(qū)域中心的零值，甚至出現(xiàn)負值，這說明該區(qū)域的粒子形變特征不明顯，表明有冰雹存在。由于冰雹接近球形或不規(guī)則形狀，受氣流影響，冰雹在下降過程中不斷翻滾，表現(xiàn)為粒子形狀接近球形（水平軸與垂直軸之比接近于1），ZDR接近于0 dBZ。同樣差分傳播相移KDP呈現(xiàn)相似的規(guī)律，在圓形中心區(qū)域出現(xiàn)零值或負值；冰雹的存在使粒子的形狀均勻性較差，因此冰雹發(fā)生區(qū)域的相關系數(shù)ρHV也出現(xiàn)一個高值區(qū)（大雨區(qū)）的缺口，由ρHV大值區(qū)的0.98 減小為0.85 左右。

表1 2021年7月12日15：43對流云降水各仰角雷達參數(shù)最大值與平均值

圖10 2021年7月12日15：43對流云降水彭陽觀測點雷達回波特征

微雨雷達反射率因子時間-高度演變?nèi)鐖D11 所示。由圖11 可知，最大雷達反射率因子在六盤山山頂，大于六盤山東側(cè)，六盤山氣象站雷達反射率因子為51.29 dBZ，六盤山東側(cè)大灣作業(yè)點雷達反射率因子為50.56 dBZ，六盤山西側(cè)隆德氣象站雷達反射率因子為25.77 dBZ，山頂降水比東側(cè)略強，西側(cè)地面降水不明顯或未出現(xiàn)降水。

圖11 微雨雷達反射率因子時間-高度演變圖

4 結論與討論

4.1 結論

本文借助多種探測手段和特種設備，對2021 年7月12 日寧夏六盤山東側(cè)出現(xiàn)的冰雹天氣過程進行宏、微觀物理特征的綜合分析，得出以下結論。

（1）冷渦槽后、上層干冷中低層暖濕抬升是影響此次冰雹過程的天氣背景，冰雹單體生命史接近1 h，降水回波維持時間較長，從回波生成到消散持續(xù)時間約為2.5 h。

（2）此次降雹過程20 min 內(nèi)伴隨大風與降溫，發(fā)生位置在六盤山脈的東坡，迎風坡地形對氣流的抬升和“狹管效應”使氣流產(chǎn)生由地面向上的垂直運動，因此，此次冰雹過程主要是由地形作用導致的。

（3）此次降雹的宏、微觀物理特征表現(xiàn)為：強對流性降水發(fā)生前1 h，云系接地并伴有5 000 m 以上的深厚單層云，臨近降水時云體內(nèi)有回波躍增現(xiàn)象，從初生對流到降雹結束，整個過程回波維持時間較長，移動方向為西北—東南，組合反射率最大值達52.5 dBZ。在降雹發(fā)生之前15 min 開始出現(xiàn)3 層云，說明云系發(fā)展較旺盛，云層厚度較厚（大約2 km），且降雹過程云底高度變化較快。整個過程云高最高達10 km 且有云層接地，降雹發(fā)生前20 min，云內(nèi)有回波躍增現(xiàn)象，距離降雹地點最近的大灣作業(yè)點回波強度達6.98 dBZ，回波強度大值區(qū)集中在云系中間，降雹時云底回波最強，從云底到云頂逐漸減弱。

4.2 討論

多種觀測資料為分析降水過程提供了有效的輔助參考，各觀測儀器在云參數(shù)觀測方面都有其優(yōu)勢和局限性，在此次冰雹探測中符合實際情況，綜合利用各儀器的優(yōu)點進行聯(lián)合觀測分析獲得準確的云的信息，有利于對冰雹過程中宏、微觀物理特征進行定量分析，具有推廣應用的價值。雖然本文使用了多種探測設備對冰雹前期云系發(fā)展進行了觀測，但由于云雷達的結果未濾掉晴空大氣的噪聲影響，激光云高儀對于中層云以上情況觀測結果不夠穩(wěn)定，且易受到近地霾層影響等，今后我們還需要在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面提高數(shù)據(jù)的準確性[27]。目前，提高地基紅外云參數(shù)觀測反演精度的研究工作還在繼續(xù)中，有望在提高數(shù)據(jù)精度后，更準確地觀測和研究云參數(shù)的變化情況，從而更好地理解和預測天氣變化。