摘要：2020年3月21日和5月4日在低層暖平流強(qiáng)迫背景下湖南懷化出現(xiàn)兩次罕見的6 cm大冰雹?；诔Ｒ?guī)氣象資料和多普勒天氣雷達(dá)資料，對(duì)這兩次大冰雹過程的超級(jí)單體風(fēng)暴的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)、動(dòng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）兩次過程均發(fā)生在低層暖平流強(qiáng)迫背景下，中等強(qiáng)度對(duì)流有效位能、大的深層垂直風(fēng)切變和高的能量螺旋度，有利于風(fēng)暴組織性發(fā)展與維持，地面輻合線是主要觸發(fā)因子。（2）6 cm冰雹均發(fā)生在超級(jí)單體風(fēng)暴強(qiáng)烈發(fā)展初期，由無中氣旋特征的“類超級(jí)單體”造成，出現(xiàn)鉤狀回波、旁瓣回波以及三體散射和回波懸垂等特征。（3）風(fēng)暴強(qiáng)烈發(fā)展階段垂直動(dòng)力場(chǎng)均表現(xiàn)出低層輻合、中層氣旋性旋轉(zhuǎn)和反氣旋旋轉(zhuǎn)并存的雙渦管式旋轉(zhuǎn)、高層輻散特征。（4）大冰雹降落前風(fēng)暴最大反射率因子和單體垂直累積液態(tài)水含量均達(dá)到67 dBz和69kg ·m-2。強(qiáng)中心高度和最強(qiáng)切變高度的下降均反映出冰雹的降落。關(guān)鍵詞：超級(jí)單體；中氣旋；風(fēng)暴參數(shù)；雙渦管式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)： P458.1+21.2""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A"""" DOI：10.12406/byzh.2022-022

Structural characteristics of two heavy hail supercell storms forced by low-level warm advection

TANG Jia1， 2， ZHANG Kun3 ， TANG Minghui1， 2 ， ZHOU Hui1， HU Mei1

（1. Hunan Meteorological Bureau， Changsha 410118;2. Key Laboratory of Meteorological DisasterPrevention and Mitigation in Hunan Province ， Changsha 410118;3. Huaihua Meteorological Bureau of Hunan Province， Huaihua 418000）

Abstract： There were two rare 6 cm hailstones under the background of low-level warm advection forcing in Huaihua of Hunan Province on March 21 and May 4， 2020. Based on the meteorological stational data and the Doppler weather radar data， the structures of intensity and dy- namic fields of the supercell storms for these two events are analyzed. Results are showed below.（1） Both cases occur under the background of low-level warm advection forcing. Moderate-intensity convective effective potential energy， large deep vertical wind shear， and high ener- gy helicity favored the organizational development and maintenance of storms， and the ground convergence line is the main trigger factor of severe convection weather.（2） The 6-cm hails in the two cases both occurred in the early mature stage of supercell storm， which are caused by the \"supercell-like\" storm without the characteristics of mesocyclone， but with the characteristics of hook echoes， sidelobe echoes， three-body scattering spike， and echo overhangs.（3） In the intense development stage， the vertical dynamic fields of the storms are both fea- tured by the structure of low-level convergence， the double-vortex-tube rotating structure of cyclonic rotation and anticyclonic rotation in the middle level （referred to as double vortex） and high-level divergence.（4） The maximum reflectivity and the cells-vertical integrated liq- uid both reach 67 dBz and 69 kg·m-2.The decrease of height top and the strongest-shear height reflect hail falling.

Key Words： supercell storm; mesocyclone; storm parameters; double-vortex-tube rotating structure

引言

超級(jí)單體風(fēng)暴具有深厚持久的中氣旋，為組織程度最高的對(duì)流風(fēng)暴（Browning，1978；俞小鼎等，2006），雖然發(fā)生頻率不高，但往往造成相當(dāng)比例的極端強(qiáng)對(duì)流天氣，如5 cm以上冰雹等（王秀明等，2012），危害大，值得深入研究。

近年來，氣象工作者對(duì)造成冰雹的超級(jí)單體風(fēng)暴開展了大量的研究。在風(fēng)暴的發(fā)展演變特征方面，牛奔等（2016）分析鄂西北一次超級(jí)單體風(fēng)暴過程指出，該超級(jí)單體具有典型鉤狀回波、低層有界弱回波區(qū)、中氣旋等特征；黃俊杰和茍阿寧（2018）研究指出，寬大有界弱回波區(qū)以及位于其上的強(qiáng)懸垂回波、弱回波區(qū)前側(cè)強(qiáng)入流與中層徑向輻合的存在均表明超級(jí)單體具有降雹潛勢(shì)；吳芳芳等（2013）分析蘇北地區(qū)72個(gè)超級(jí)單體的雷達(dá)回波特征指出，產(chǎn)生大冰雹的超級(jí)單體通常反射率因子高、風(fēng)暴質(zhì)心高，-20℃以上是否有高反射率因子核對(duì)判斷風(fēng)暴是否產(chǎn)生大冰雹有指導(dǎo)意義；高麗等（2021）研究指出風(fēng)暴最大反射率維持在60 dBz以上，風(fēng)暴頂維持在8 km以上，風(fēng)暴質(zhì)心高度出現(xiàn)三次明顯波動(dòng)，對(duì)應(yīng)三次降雹；吳海英等（2017）研究指出冰雹出現(xiàn)在對(duì)流風(fēng)暴頂高及質(zhì)心高度下降階段。隨著天氣雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，針對(duì)超級(jí)單體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)的研究也有不少成果，如潘佳文等（2020）研究表明雙渦旋結(jié)構(gòu)有助于超級(jí)單體發(fā)展及大冰雹的循環(huán)增長(zhǎng)。陳瑞敏等（2021）對(duì)一次長(zhǎng)生命史超級(jí)單體風(fēng)暴研究表明，超級(jí)單體維持期間一直伴有氣旋、反氣旋渦旋對(duì)。刁秀廣等（2009）和張玉潔等（2019）研究指出，大冰雹發(fā)生時(shí)超級(jí)單體風(fēng)暴有雙渦式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，也有單渦式氣旋式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

綜上可知，出現(xiàn)大冰雹時(shí)大多數(shù)存在雙渦旋結(jié)構(gòu)，但由于強(qiáng)對(duì)流天氣空間尺度小，局地性強(qiáng)，針對(duì)湖南地區(qū)大冰雹雙渦旋結(jié)構(gòu)的研究未見報(bào)道。2020年春季在低層暖平流強(qiáng)迫背景下湖南西部出現(xiàn)兩次罕見的6 cm 大冰雹，且風(fēng)暴動(dòng)力場(chǎng)均表現(xiàn)為雙渦旋結(jié)構(gòu)。本文對(duì)兩次大冰雹超級(jí)單體的風(fēng)暴演變和動(dòng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以期加深對(duì)大冰雹超級(jí)單體發(fā)展演變過程的認(rèn)識(shí)，為湖南低層暖平流強(qiáng)迫背景下的大冰雹超級(jí)單體的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)提供參考。

1資料說明

本文使用的資料包括：（1）雷達(dá)數(shù)據(jù)，含基本反射率、徑向速度、組合反射率、風(fēng)暴結(jié)構(gòu)、中尺度氣旋等要素，來源于益陽S波段多普勒天氣雷達(dá)，其站點(diǎn)經(jīng)度112°1'39″E，緯度28°28'16″E，海拔高度791 m，雷達(dá)掃描模式為 VCP21，雷達(dá)探測(cè)半徑為230 km，每次體掃時(shí)間間隔為6 min，水平分辨率為1 km×1 km。時(shí)間段為2020年3月21日18∶45—22∶00（北京時(shí)，下同）和2020年5月4日17∶40—23∶36。（2）常規(guī)高空觀測(cè)資料，來源于湖南省氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，用于環(huán)流特征和探空分析；降水、大風(fēng)資料，來源于湖南省氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的地面氣象觀測(cè)站分鐘級(jí)數(shù)據(jù)；冰雹資料，來源于湖南省各級(jí)氣象部門收集上報(bào)的冰雹觀測(cè)數(shù)據(jù)和冰雹災(zāi)害報(bào)告。時(shí)間段均為2020年3月21日08∶00—22日08∶00和2020年5月4日08∶00—5日08∶00。

2冰雹天氣過程概況

2020年3月21日，湘中以北出現(xiàn)4縣市雷暴大風(fēng)、59縣市短時(shí)強(qiáng)降水和17縣市冰雹過程（以下簡(jiǎn)稱“3·21”過程），其中極大風(fēng)速30.7 m·s-1發(fā)生在22日02∶00的益陽桃江縣，最大小時(shí)降水60.4 mm 發(fā)生在21日22∶00的益陽桃江縣鸕鶿渡鎮(zhèn)，18∶45—22∶00受超級(jí)單體風(fēng)暴S0（O3）影響，懷化、常德和益陽部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)先后出現(xiàn)冰雹天氣，懷化沅陵縣官莊鄉(xiāng)19∶30左右出現(xiàn)直徑6 cm的大冰雹。

2020年5月4日，湘中及以北地區(qū)出現(xiàn)了26縣市雷暴大風(fēng)、58縣市短時(shí)強(qiáng)降水和15縣市冰雹過程（以下簡(jiǎn)稱“5·4”過程），其中極大風(fēng)速32.3 m·s-1發(fā)生在4日23∶19的婁底漣源市，最大小時(shí)降水81mm發(fā)生在4日20∶00的湘西州永順縣靈溪鎮(zhèn)，17∶58—21∶30受超級(jí)單體風(fēng)暴 K0影響，懷化、常德等地出現(xiàn)冰雹，懷化沅陵縣清浪鄉(xiāng)18∶25—18∶40出現(xiàn)直徑6 cm的大冰雹。

3天氣背景及環(huán)境條件

“3·21”過程中，2020年3月21日08∶00（圖1a），超級(jí)單體位于200 hPa高空急流入口區(qū)右側(cè)正渦度的強(qiáng)輻散區(qū)域內(nèi)，500 hPa高度槽位于川東-滇西，溫度槽位于湘西北，超前于高度槽，存在強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定；850 hPa和925 hPa受暖式切變影響，切變線南側(cè)持續(xù)的低層暖濕氣流有利于對(duì)流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）的建立和維持。地面上暖低壓顯著發(fā)展，地面輻合線從貴州延伸到懷化中部，17∶00雹暴云團(tuán)沿輻合線生成，地形加強(qiáng)了輻合，雪峰山脈北側(cè)不斷有強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)新生發(fā)展，觸發(fā)湘西、湘北部分地區(qū)風(fēng)雹、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣。20∶00（圖1b），500 hPa低槽東移，700 hPa切變相對(duì)850 hPa切變?yōu)榍皟A結(jié)構(gòu)，加劇對(duì)流天氣發(fā)展，850 hPa和925 hPa暖式切變?cè)谙嬷幸员本S持，相比08∶00各層系統(tǒng)重疊度更高，低層暖平流強(qiáng)迫加強(qiáng)。

“5·4”過程中，2020年5月4日08∶00（圖1c），500 hPa四川東部到云南北部有一淺槽，湖南處于冷槽前，溫度槽落后于高度槽，低槽東移發(fā)展，850 hPa切變線偏北，925 hPa切變線位于湘西北，低空急流位置較遠(yuǎn)，急流出口位于黔中，地面輻合線貫穿常德-益陽西部-懷化中部。4日20∶00（圖1d），500 hPa短波槽東移過程中經(jīng)向度增大，動(dòng)力抬升作用增強(qiáng)，850 hPa和925 hPa湘北受切變線影響，700 hPa以下西南急流加強(qiáng)西伸，急流軸出口處于湘北。地面輻合線東段、925 hPa邊界層切變線、850 hPa切變線位置在湘西北基本重疊，使得中小尺度動(dòng)力條件加強(qiáng)，進(jìn)一步觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展。

兩次強(qiáng)對(duì)流天氣過程相同之處，均發(fā)生在低層暖平流強(qiáng)迫背景下；500 hPa湖南處于高空槽前，700 hPa以下有強(qiáng)盛西南暖濕急流，850 hPa和925 hPa受暖式切變線影響；地面倒槽強(qiáng)烈發(fā)展，在地面輻合線觸發(fā)下產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流；500 hPa為冷槽區(qū)，850 hPa為明顯的溫度脊控制，強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)大氣為對(duì)流天氣提供了有利的環(huán)境條件。不同之處，“3·21”過程溫度槽超前于高度槽，產(chǎn)生強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定，“5·4”過程溫度槽落后于高度槽，低槽東移發(fā)展；“3·21”過程低空暖濕氣流輸送更明顯，700 hPa、850 hPa風(fēng)速分別達(dá)24 m ·s-1和22 m·s-1，“5·4”過程700 hPa、850 hPa風(fēng)速分別達(dá)16 m·s-1和12 m·s-1（圖略）。

環(huán)境參數(shù)能夠反映大氣的對(duì)流不穩(wěn)定、水汽、能量和垂直風(fēng)切變等信息。兩次過程均發(fā)生在傍晚到夜間，08∶00 CAPE不能完全反映強(qiáng)對(duì)流天氣真實(shí)情況，因此用14∶00地面溫度和露點(diǎn)溫度進(jìn)行訂正。由圖2分析可知，兩次過程發(fā)生前，探空?qǐng)D顯示800—400 hPa有干冷空氣侵入，800 hPa以下為暖濕層，不穩(wěn)定層結(jié)有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展?！?·21”過程濕球溫度0℃層（Wet Blub Zero，WBZ）、干球溫度0℃層（Dry Blub Zero， DBZ）和-20℃層高度分別是3.5 km、4.2 km和6.8 km；“5·4”過程分別是4.0 km、4.9 km和8.1 km。對(duì)流層中層干層導(dǎo)致WBZ高度明顯低于DBZ高度，顯著降低了冰雹融化層高度，有利于大冰雹下落過程中不被或少被融化，從而大冰雹能降落到地面（俞小鼎，2014）。

表1為強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前后環(huán)境參數(shù)演變情況，上午至夜間抬升指數(shù)明顯減小，動(dòng)力抬升條件增強(qiáng)；CAPE超過1000 J·kg-1，對(duì)流抑制有效位能（Convective Inhi- bition，CIN）逐漸減少，850和500 hPa溫度差達(dá)27～28℃，具有較強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定條件。螺旋度是表征流體邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力物理量，可反映對(duì)流風(fēng)暴低層入流運(yùn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)弱，能量螺旋度（Energy Helicity Index，EHI）綜合了考慮不穩(wěn)定能量和動(dòng)力因子，EHI增大時(shí)，出現(xiàn)超級(jí)單體可能性增大（張玲等，2008）。兩次過程相同之處在于，從白天到夜間 EHI 明顯增大，有利于超級(jí)單體的發(fā)展和維持；WBZ 高度在3.5—4.0 km附近，DBZ高度和-20℃層之間的厚度（即冰雹有效增長(zhǎng)層）在3km左右，溫度遞減率較大，有利于冰雹增長(zhǎng)區(qū)附近CAPE增加，從而有利于形成大冰雹（俞小鼎等，2020）。兩次過程不同處在于，“5·4”過程的 CAPE高于“3·21”過程；“5·4”過程垂直風(fēng)切變較“3·21”過程更強(qiáng)，達(dá)32 m ·s-1。

4風(fēng)暴移動(dòng)路徑和演變特征

4.1風(fēng)暴移動(dòng)路徑

根據(jù)益陽雷達(dá)風(fēng)暴追蹤信息產(chǎn)品（STI）繪制兩次過程風(fēng)暴移動(dòng)路徑（圖3），分析可知，兩次過程風(fēng)暴均產(chǎn)生于沅陵縣肖家橋鄉(xiāng)附近?！?·21”過程S0風(fēng)暴3月21日18∶45在懷化沅陵中部生成，向東北移動(dòng)，2個(gè)體掃后轉(zhuǎn)為向東移動(dòng)，20∶02轉(zhuǎn)向東南方向移動(dòng)，21∶07風(fēng)暴 S0并入風(fēng)暴 O3，繼續(xù)向東南移動(dòng)，22∶00減弱停止編號(hào)，風(fēng)暴歷時(shí)約3 h，移動(dòng)距離約190 km。而“5·4”過程風(fēng)暴 K0于5月4日17∶40在懷化沅陵中部生成，持續(xù)向東北方向移動(dòng)，23∶36停止編號(hào)，風(fēng)暴歷時(shí)近6 h，移動(dòng)距離約200 km。

風(fēng)暴移動(dòng)路徑由平流和傳播決定，通常情況下，環(huán)境為強(qiáng)氣流所控制時(shí)，風(fēng)暴運(yùn)動(dòng)主要取決于平流，而當(dāng)環(huán)境風(fēng)場(chǎng)較弱時(shí)，傳播起主導(dǎo)作用（俞小鼎等，2006）。因兩次過程對(duì)流層環(huán)境風(fēng)較強(qiáng)，故分析平流對(duì)風(fēng)暴移動(dòng)路徑的作用。平流是指中尺度對(duì)流系統(tǒng)中任何單體基本上沿著風(fēng)暴承載層的平均風(fēng)移動(dòng)，刁秀廣等（2009）計(jì)算分析了風(fēng)暴承載層平均風(fēng)（主要是850、700、500、400、300 hPa 5層上的平均風(fēng)）與風(fēng)暴移動(dòng)的關(guān)系。本文選取風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展臨近時(shí)間的懷化站探空數(shù)據(jù)計(jì)算風(fēng)暴承載層平均風(fēng)，3月21日20∶00風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速為24 m·s-1，平均風(fēng)向248°，風(fēng)暴 S0（O3）移動(dòng)方向?yàn)闁|偏南8°，偏向風(fēng)暴承載層右側(cè)約30°，平均移動(dòng)速度為15 m·s-1，是風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速的62.5%；5月4日20∶00風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速為24 m·s-1，平均風(fēng)向236°，風(fēng)暴 K0移動(dòng)方向?yàn)楸逼珫|66°，偏向風(fēng)暴承載層右側(cè)約10°，移動(dòng)速度為9 m ·s-1，是風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速的37.5%。

風(fēng)暴 S0和 K0都屬于右移風(fēng)暴，移動(dòng)路徑與風(fēng)暴承載層平均風(fēng)向有關(guān)，移動(dòng)路徑大約偏離風(fēng)暴承載層平均風(fēng)右側(cè)30°和10°，風(fēng)暴S0平均移動(dòng)速度（15 m·s-1）快于風(fēng)暴K0（9 m·s-1），并且兩者均為長(zhǎng)生命史超級(jí)單體風(fēng)暴，K0持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。對(duì)兩次過程強(qiáng)烈發(fā)展階段風(fēng)廓線資料（圖略）分析發(fā)現(xiàn)，“3·21”過程和“5·4”過程的700 hPa引導(dǎo)氣流分別以偏西風(fēng)和西南風(fēng)為主，是導(dǎo)致風(fēng)暴S0和K0后期移動(dòng)路徑出現(xiàn)明顯差異的主要原因之一。

4.2風(fēng)暴演變特征

兩次過程風(fēng)暴演變過程均可分為初始發(fā)展階段、強(qiáng)烈發(fā)展階段以及消亡階段。其中初始發(fā)展階段主要表現(xiàn)為孤立普通單體風(fēng)暴快速發(fā)展為強(qiáng)單體風(fēng)暴，

該階段各層回波分布的輪廓位置基本重合，以豎直上升氣流為主，具有部分冰雹回波特征，但未出現(xiàn)中氣旋；強(qiáng)烈發(fā)展階段表現(xiàn)為強(qiáng)單體風(fēng)暴繼續(xù)發(fā)展，具有明顯雹暴特征，逐漸加強(qiáng)為超級(jí)單體風(fēng)暴，并出現(xiàn)中氣旋；消亡階段減弱為普通單體風(fēng)暴并逐漸消亡。

4.2.1“3·21”過程風(fēng)暴演變特征

風(fēng)暴 S0初始發(fā)展階段（18∶45—19∶21），18∶45單體新生，向東移動(dòng)過程迅速加強(qiáng)，19∶15（圖4a）1.5°仰角發(fā)展為密實(shí)的橢圓形強(qiáng)單體風(fēng)暴，最大回波強(qiáng)度達(dá)65 dBz以上，出現(xiàn)三體散射（Three Body Scattering， TBSS），50 dBz回波伸展到10 km左右，各高度強(qiáng)回波中心位置重疊，表明云體內(nèi)有強(qiáng)的豎直上升氣流。0.5°仰角未出現(xiàn)TBSS，說明冰雹在中上層生成，并不斷翻滾。強(qiáng)烈發(fā)展階段（19∶21—20∶49），19∶26風(fēng)暴（圖4b） S0與其右前側(cè)風(fēng)暴 U0逐漸合并加強(qiáng)，超過65 dBz回波范圍明顯增大，出現(xiàn)明顯TBSS、旁瓣回波特征，單體垂直累積液態(tài)水含量（Cells-Vertical Inte- grated Liquid，C-VIL）大于60 kg·m-2，對(duì)應(yīng)沅陵19：30前后官莊的大冰雹；20∶02（圖4c）在相應(yīng)徑向速度圖上風(fēng)暴 S0出現(xiàn)明顯中氣旋，風(fēng)暴發(fā)展為超級(jí)單體風(fēng)暴，風(fēng)暴S0東移與其前方多個(gè)新的雷暴單體合并，超級(jí)單體維持9個(gè)體掃，造成桃源、安化、桃江多地出現(xiàn)冰雹天氣。消亡階段（20∶49—22∶06），20∶55（圖4d）風(fēng)暴S0最大強(qiáng)度仍然維持在65 dBz以上，但無中氣旋特征，并開始減弱。21∶07風(fēng)暴 S0與風(fēng)暴 O3完全合并為風(fēng)暴 O3，風(fēng)暴 S0停止編號(hào)。之后風(fēng)暴 O3在向東南方向移動(dòng)過程中強(qiáng)度不斷減弱。

19∶30前后沅陵官莊出現(xiàn)6 cm大冰雹，分析大冰雹出現(xiàn)時(shí)雷達(dá)回波特征發(fā)現(xiàn)，風(fēng)暴S0最大回波強(qiáng)度達(dá)70 dBz以上，0.5°（圖4e）、1.5°（圖4f）仰角表現(xiàn)出鉤狀回波，同時(shí)具有旁瓣回波及 TBSS 特征，2.4°（圖4g）、4.3°（圖4h）仰角強(qiáng)回波疊加在低層弱回波區(qū)之上。垂直剖面圖（圖4i、j）上，55 dBz以上強(qiáng)回波伸展至-20℃層以上，中層強(qiáng)回波向低層入流一側(cè)伸展，懸垂于低層弱回波區(qū)之上，形成弱回波區(qū)和中高層回波懸垂的分布特征，表現(xiàn)出典型的雹暴特征，雖然速度圖沒有明顯中氣旋，由于處于強(qiáng)單體風(fēng)暴向著超級(jí)單體風(fēng)暴過渡時(shí)期，已經(jīng)具有超級(jí)單體風(fēng)暴特征，因此稱其為“類超級(jí)單體”風(fēng)暴（俞小鼎等，2020）。

由“3·21”過程風(fēng)暴S0從18∶45生成到21∶07減弱消亡的風(fēng)暴參數(shù)演變（圖5）可見：風(fēng)暴底高（BASE）、風(fēng)暴頂高（TOP）分別向下、向上發(fā)展，BASE在1 km左右，18∶57—20∶43 TOP超過-30℃層高度，一直處于“低底高頂”狀態(tài)，說明風(fēng)暴上升氣流旺盛，有利于出現(xiàn)大冰雹。18∶45—19∶26 C-VIL 持續(xù)增加，強(qiáng)中心高度（Height Top ， HT）超過0℃層高度，降雹前風(fēng)暴S0的C-VIL、最大反射率因子（Maximum Reflectivity，用DBZM表示）、HT和TOP 分別為69 kg·m-2、72 dBz、5.7 km 和12.3 km，19∶32—19∶44 HT突然下降，沅陵此時(shí)出現(xiàn)直徑為6 cm的大冰雹，C-VIL 雖然有下降，仍在60 kg·m-2左右；19∶50 C-VIL 進(jìn)一步加強(qiáng)到74 kg·m-2，HT 也上升；19∶56風(fēng)暴 S0的 DBZM 和 HT 分別為69 dBz和7.1 km，強(qiáng)中心高度超過-20℃溫度線；19∶56—20∶26 C-VIL 和 HT不斷下降，20∶02和20∶20 HT下降到1.1 km和0.7 km，對(duì)應(yīng)桃源、安化降雹，冰雹最大尺寸分別是3 cm和4cm；20∶26—20∶38 C-VIL從49 kg·m-2躍增到70 kg ·m-2，為下一次降雹做準(zhǔn)備，20∶38—20∶49質(zhì)心迅速下降，此時(shí)益陽桃江也降雹，冰雹最大尺寸為4 cm。

4.2.2“5·4”過程風(fēng)暴演變特征

風(fēng)暴 K0表現(xiàn)出與“3·21”過程相似特征。初始發(fā)展階段（17∶40—18∶10），K0迅速發(fā)展，向東北方向移動(dòng)，18∶10（圖6a）風(fēng)暴 K0呈指狀，最大回波強(qiáng)度達(dá)65 dBz，55 dBz強(qiáng)回波伸展至10 km附近，各高度強(qiáng)回波中心位置重疊度高，豎直上升氣流發(fā)展強(qiáng)烈，有利于冰雹產(chǎn)生。強(qiáng)烈發(fā)展階段（18∶10—20∶50），18∶22（圖6b）風(fēng)暴 K0與其前側(cè)的風(fēng)暴 B1、C1開始合并，19∶27（圖6c）風(fēng)暴K0與風(fēng)暴N1合并，并出現(xiàn)明顯中氣旋，風(fēng)暴 K0發(fā)展成超級(jí)單體風(fēng)暴，19：27—20：50風(fēng)暴 K0東移與多個(gè)新的雷暴單體合并，風(fēng)暴 K0中氣旋維持了15個(gè)體掃，沅陵、常德桃源和常德市區(qū)先后出現(xiàn)冰雹。消亡階段（20∶50—23∶36），20∶56（圖6d）超級(jí)單體風(fēng)暴 K0減弱為強(qiáng)單體風(fēng)暴，20∶56—21∶31風(fēng)暴 K0在向東北移動(dòng)過程中與其他新生單體合并，最大回波強(qiáng)度維持在65 dBz以上。21：31開始風(fēng)暴K0強(qiáng)度不斷減弱，23∶36在華容境內(nèi)減弱消失。

懷化沅陵縣清浪鄉(xiāng)18∶25—18∶40也出現(xiàn)直徑6cm 的大冰雹，18∶22風(fēng)暴 K0最大回波強(qiáng)度達(dá)65 dBz以上，低層0.5°（圖6e）、1.5°（圖6f）仰角上右后側(cè)出現(xiàn)鉤狀回波，2.4°（圖6g）、3.3°（圖6h）仰角具有TBSS特征。垂直剖面圖（圖6i、j）上同樣具有弱回波區(qū)，并且超過60 dBz強(qiáng)回波伸展高度達(dá)9 km，表現(xiàn)為低層鉤狀回波、中層弱回波區(qū)和中高層懸垂回波結(jié)構(gòu)的雹暴特征，與“3·21”過程相似，雖然沒有明顯中氣旋，但表現(xiàn)出超級(jí)單體風(fēng)暴特征，也稱其為“類超級(jí)單體”風(fēng)暴。

由“5·4”過程風(fēng)暴 K0從17∶40開始生成到21∶31衰減的風(fēng)暴參數(shù)演變（圖7）可見，BASE 在1—2 km 左右，風(fēng)暴單體頂發(fā)展很高，18∶04—21∶31 TOP高度一直位于10 km高度，一直處于“低底高頂”狀態(tài)，說明風(fēng)暴上升氣流旺盛，有利于出現(xiàn)大冰雹。17∶40—18∶28 C-VIL 和 HT 持續(xù)增加，18∶28 C-VIL、DBZM、HT 和 TOP 分別為69 kg ·m-2、67 dBz、8.0 km 和13.4 km ，18∶40強(qiáng)中心高度下降到1.5 km，對(duì)應(yīng)沅陵此時(shí)出現(xiàn)直徑為6 cm 的大冰雹，C-VIL 仍維持在60 kg·m-2以上，表明風(fēng)暴內(nèi)上升氣流的強(qiáng)度維持較強(qiáng)的狀態(tài)；18∶57—19：15 C-VIL 和 HT 出現(xiàn)明顯下降，沅陵第二次降雹，降雹尺寸最大4 cm；而后 C-VIL 繼續(xù)上升，并維持60 kg·m-2以上，19∶51、20∶08、20∶32質(zhì)心高度多次下降，且20：32降到1 km，C-VIL 降至36 kg ·m-2，據(jù)媒體報(bào)道常德桃源20∶35降雹，冰雹最大直徑4cm；21∶08和21∶25隨著質(zhì)心高度和C-VIL下降，常德市區(qū)出現(xiàn)降雹，冰雹最大直徑4 cm。

4.2.3風(fēng)暴參數(shù)異同點(diǎn)

兩次過程風(fēng)暴參數(shù)共同點(diǎn)在于，強(qiáng)烈發(fā)展階段風(fēng)暴 S0和 K0的 DBZM均超過66 dBz （表略），降大雹前， DBZM 和 C-VIL 達(dá)67 dBz和69 kg·m-2以上，降雹時(shí) DBZM和C-VIL略有下降，而后迅速上升，為下一次降雹準(zhǔn)備，而 HT 明顯下降，與降雹對(duì)應(yīng)較好。高麗等（2021）分析一次長(zhǎng)生命史降雹過程指出，風(fēng)暴質(zhì)心高下降對(duì)應(yīng)三次降雹，與本文結(jié)論一致。

兩次過程風(fēng)暴參數(shù)不同點(diǎn)在于：強(qiáng)烈發(fā)展階段，風(fēng)暴 S0（69.4 dBz） DBZM略高于風(fēng)暴 K0（66.2 dBz）；風(fēng)暴K0 C-VIL高于風(fēng)暴S0，風(fēng)暴K0和風(fēng)暴S0的 C-VIL 分別為72.0 kg·m-2和62.7 kg·m-2；風(fēng)暴K0垂直伸展高度更高，HT和TOP 高于風(fēng)暴 S0，HT分別為5.4 km和3.0 km，TOP分別為12.2 km和10.4 km。

5風(fēng)暴動(dòng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)

5.1“3·21”過程風(fēng)暴動(dòng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)

“3·21”過程強(qiáng)烈發(fā)展階段（19∶21—20∶49）主要表現(xiàn)為低層輻合、中層雙渦、高層輻散的垂直動(dòng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)，中層雙渦結(jié)構(gòu)維持約1 h；消亡階段中，20∶49—21∶31風(fēng)暴 S0低層仍有輻合，但強(qiáng)度減弱，中層為氣旋性旋轉(zhuǎn)，高層因風(fēng)暴 S0離雷達(dá)距離近，無法觀測(cè)；21∶31之后風(fēng)暴S0高層輻散先于低層輻合快速減弱，最終單體消亡。

大冰雹發(fā)生在風(fēng)暴強(qiáng)烈發(fā)展階段。選取強(qiáng)烈發(fā)展階段雙渦結(jié)構(gòu)動(dòng)力場(chǎng)做詳細(xì)分析，從3月21日19∶50益陽雷達(dá)0.5°、3.4°和6.0°仰角（對(duì)應(yīng)高度分別為2.1 km、6.7 km和11.2 km）的徑向速度圖可見，風(fēng)暴 S00.5°仰角徑向速度圖（圖8e），表現(xiàn)為氣旋性輻合結(jié)構(gòu)，最大正徑向速度為17 m·s-1（徑向速度值取數(shù)量級(jí)的中間值，下同），最小負(fù)徑向速度為-3 m·s-1，兩者差值為20 m·s-1，距離約6 km，旋轉(zhuǎn)速度和切變量為10 m ·s-1和3.3×10-3·s-1。3.4°仰角徑向速度圖（圖8c）顯示，風(fēng)暴中層出現(xiàn)明顯雙渦結(jié)構(gòu)。其中氣旋性旋轉(zhuǎn)的最大正徑向速度為3 m·s-1，最小負(fù)徑向速度為-31 m·s-1，兩者差值為34 m·s-1，距離約6.6 km，旋轉(zhuǎn)速度和切變量為17 m·s-1和5.2×10-3·s-1；而反氣旋性旋轉(zhuǎn)的最大正徑向速度為3 m·s-1，最小負(fù)徑向速度為-31 m·s-1，兩者差值為34 m·s-1，距離約5.1 km，旋轉(zhuǎn)速度和切變量為17 m·s-1和6.7×10-3·s-1；氣旋性旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度和反氣旋旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度相當(dāng)。6.0°仰角徑向速度圖（圖8a）中，出現(xiàn)明顯的速度模糊，徑向速度差超過40 m·s-1，表現(xiàn)出風(fēng)暴頂輻散。

圖9給出兩次過程過程超級(jí)單體風(fēng)暴的最大切變值和最強(qiáng)切變高度。分析圖9a可知，“3·21”過程中氣旋持續(xù)約1 h （20：02—20：49）。20：08、20：20和20：38分別為常德桃源、益陽安化和益陽桃江降雹時(shí)間，三次降雹均對(duì)應(yīng)最強(qiáng)切變高度下降時(shí)間。20：02常德桃源降雹后，中氣旋底位置較高5.6 km；此后 S0單體進(jìn)一步發(fā)展，20：08—20：20中氣旋底和頂同時(shí)向下和向上發(fā)展，中氣旋厚度增加，中氣旋強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，最大切變值也不斷增強(qiáng)，20：26達(dá)極大值56×10-3·s-1；20：20—20：26最強(qiáng)切變高度下降，此時(shí)安化降雹；20：32中氣旋頂和最強(qiáng)切變高度均上升，中氣旋發(fā)展加強(qiáng)，20：38最強(qiáng)切變高度下降，對(duì)應(yīng)桃江降雹，此后最大切變值和中氣旋頂下降，中氣旋強(qiáng)度減弱。

5.2“5·4”過程風(fēng)暴動(dòng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)

與“3·21”過程相似，“5·4”過程強(qiáng)烈發(fā)展階段也表現(xiàn)出低層輻合、中層雙渦、高層輻散，中層雙渦維持約2 h；在強(qiáng)烈發(fā)展階段末期到消亡階段，20∶26—21∶08風(fēng)暴中層轉(zhuǎn)為氣旋性旋轉(zhuǎn)；21∶08—21∶43中低層以輻合為主，高層輻散，風(fēng)暴維持，但強(qiáng)度明顯減弱；21∶43之后風(fēng)暴高層輻散、中低層輻合結(jié)構(gòu)由高到低逐漸消失，風(fēng)暴緩慢消亡。

“5·4”過程大冰雹發(fā)生在雙渦結(jié)構(gòu)動(dòng)力場(chǎng)中，選取強(qiáng)烈發(fā)展階段雙渦結(jié)構(gòu)做詳細(xì)分析，從5月4日18：34益陽雷達(dá)0.5°、2.4°和4.3°仰角（對(duì)應(yīng)高度分別為1.6 km、6.7 km和10.6 km高度）的徑向速度圖可見，風(fēng)暴 K0在0.5°仰角徑向速度圖（圖8f）上，正速度與負(fù)速度在同一徑向上，輻合結(jié)構(gòu)，最大正徑向速度為12 m ·s-1，最小負(fù)徑向速度為-7 m·s-1，兩者差值為19 m ·s-1。2.4°仰角徑向速度圖（圖8d）顯示，風(fēng)暴中層出現(xiàn)明顯氣旋性旋轉(zhuǎn)與反氣旋性旋轉(zhuǎn)并存的氣流結(jié)構(gòu)。其中2.4°仰角上氣旋性旋轉(zhuǎn)的最大正徑向速度為3 m·s-1，最小負(fù)徑向速度為-37 m·s-1，兩者差值為40 m·s-1，距離約5km，旋轉(zhuǎn)速度和切變量為20 m·s-1和8×10-3·s-1；而反氣旋性旋轉(zhuǎn)的最大正徑向速度為3 m·s-1，最小負(fù)徑向速度為-23 m·s-1，兩者差值為26 m·s-1，距離約6 km，旋轉(zhuǎn)速度和切變量為13 m·s-1和4.3×10-3·s-1；氣旋性旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度強(qiáng)于反氣旋旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度。4.3°仰角徑向速度圖（圖8b）中，最大正徑向速度為4.5 m·s-1，負(fù)速度出現(xiàn)明顯的速度模糊，最小負(fù)徑向速度為-37.5 m·s-1，正負(fù)徑向速度差值超過40 m·s-1，也表現(xiàn)出強(qiáng)烈的風(fēng)暴頂輻散。

“5·4”過程中氣旋持續(xù)1.5 h （19∶27—20∶50）（圖9b）。19∶33—19∶56，中氣旋底和頂同時(shí)向下和向上發(fā)展，最大切變值較大，在（34～41）×10-3·s-1之間，最強(qiáng)切變高度較高，中氣旋強(qiáng)度明顯加強(qiáng)；19：51雖然最強(qiáng)切變高度略有所下降，但最大切變值仍強(qiáng)，說明中氣旋仍強(qiáng)烈發(fā)展；19∶51、20∶08和20∶32最強(qiáng)切變高度下降與質(zhì)心高度下降時(shí)間一致，與實(shí)況降雹時(shí)間對(duì)應(yīng)很好，且最大切變值20∶08和20∶26明顯下降，中氣旋底上升，中氣旋厚度減小，強(qiáng)度減弱。

5.3風(fēng)暴氣流結(jié)構(gòu)異同點(diǎn)

當(dāng)風(fēng)暴處于強(qiáng)烈發(fā)展階段時(shí)，風(fēng)暴體內(nèi)均伴有很強(qiáng)的氣流旋轉(zhuǎn)和上升現(xiàn)象，低層為氣旋性輻合，中層為氣旋性旋轉(zhuǎn)和反氣旋旋轉(zhuǎn)并存的雙渦結(jié)構(gòu)，高層為輻散。消亡階段風(fēng)暴中層氣旋性旋轉(zhuǎn)變?yōu)檩椇?，接著高層輻散消失，最后低層輻合逐漸消失。

風(fēng)暴頂輻散是與風(fēng)暴中強(qiáng)上升氣流密切相關(guān)的小尺度特征，輻散越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)地面冰雹越大（陳秋萍等，2015），兩次風(fēng)暴高層輻散均較強(qiáng)，因此均出現(xiàn)大冰雹。

兩次過程降雹與最強(qiáng)切變高度下降時(shí)間基本一致，說明最強(qiáng)切變高度的下降很好反應(yīng)冰雹降落時(shí)間。最大切變值變化反映中氣旋強(qiáng)度的變化，“3·21”過程，中氣旋最強(qiáng)切變高度和最大切變值的平均值分別是4.4 km 和30.8×10-3·s-1?！?·4”過程，中氣旋最強(qiáng)切變高度和最大切變值的平均值分別是6.24 km 和21.1×10-3·s-1。雖然“3·21”過程最大切變量、中氣旋強(qiáng)度大于“5·4”過程，但前面分析兩次風(fēng)暴為雙渦管式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，降大雹前“5·4”過程氣旋性切變量大于“3·21”過程，反氣旋切變量小于“3·21”過程，兩者總的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度相當(dāng)。

6結(jié)論與討論

利用常規(guī)及探空觀測(cè)資料、多普勒天氣雷達(dá)資料，對(duì)“3·21”過程和“5·4”過程發(fā)生在湖南懷化的兩次大冰雹過程的超級(jí)單體風(fēng)暴進(jìn)行分析，研究了其風(fēng)暴演變及動(dòng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)，得到如下主要結(jié)論：

（1）兩次過程均發(fā)生在低層暖平流強(qiáng)迫背景下，500 hPa湖南處于高空槽前，700 hPa以下有強(qiáng)盛西南暖濕急流，850 hPa和925 hPa受暖式切變線影響，在地面輻合線觸發(fā)下產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流，低層暖濕、中層干冷，強(qiáng)的不穩(wěn)定有利于對(duì)流產(chǎn)生。兩次過程相比，“3·21”過程低層風(fēng)速更大。

（2）兩次過程能量螺旋度明顯增大，具有強(qiáng)熱力不穩(wěn)定層結(jié)和強(qiáng)垂直風(fēng)切變，WBZ高度明顯低于DBZ高度，有利于大冰雹下落過程中不被或少被融化。兩次過程相比，“5·4”過程具有較大的CAPE和垂直風(fēng)切變。

（3）兩次過程風(fēng)暴的共同特征是，6 cm冰雹均發(fā)生在超級(jí)單體風(fēng)暴強(qiáng)烈發(fā)展初期，由無中氣旋特征的“類超級(jí)單體”造成，出現(xiàn)鉤狀回波特征、旁瓣回波以及三體散射特征和回波懸垂等特征，垂直動(dòng)力場(chǎng)均表現(xiàn)出低層輻合、中層氣旋性旋轉(zhuǎn)和反氣旋旋轉(zhuǎn)并存、高層輻散的結(jié)構(gòu)特征，高層輻散均較強(qiáng)。

（4）兩次風(fēng)暴底和頂一直處于“低底高頂”狀態(tài)，風(fēng)暴上升氣流強(qiáng)盛。強(qiáng)烈發(fā)展階段風(fēng)暴 S0和 K0的 DBZM均超過66dBz；風(fēng)暴K0C-VIL高于風(fēng)暴S0，風(fēng)暴K0和風(fēng)暴 S0的 C-VIL分別為72.0 kg·m-2和62.7 kg ·m-2；風(fēng)暴 K0的 HT 和 TOP 高于風(fēng)暴 S0。大冰雹降落前 DBZM和C-VIL均達(dá)到67 dBz和69 kg·m-2以上。強(qiáng)中心高度和最強(qiáng)切變高度的下降均反映出冰雹的降落。

上述兩次過程發(fā)生時(shí)湖南未進(jìn)行雙偏振雷達(dá)改造升級(jí)，本文通過單偏振多普勒雷達(dá)分析兩次大冰雹過程，雖然揭示了大冰雹雙渦結(jié)構(gòu)，并提煉了大冰雹的雷達(dá)預(yù)警指標(biāo)，但缺乏大冰雹的雙偏振特征分析，今后需通過更多的大冰雹個(gè)例研究，加強(qiáng)雙偏振雷達(dá)資料

的分析應(yīng)用，提煉定量、全面的冰雹雙偏振指標(biāo)。

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（責(zé)任編輯唐永蘭）