宜春北部一次冰雹過(guò)程雷達(dá)回波特征分析

宋 雄，馬中元，王 璇，洪麗霞，辛瑋琪，范小軍

(1.江西省氣象科學(xué)研究所，330046，南昌；2.宜豐縣氣象局，336300，江西，宜豐；3.上饒市氣象局，334000，江西，上饒)

0 引言

冰雹天氣是江西春季主要的強(qiáng)對(duì)流天氣之一。冰雹在雷達(dá)回波上具有超級(jí)單體、颮線回波帶上超級(jí)單體和強(qiáng)單體等回波形態(tài)，冰雹回波的垂直剖面、徑向速度、中氣旋等雷達(dá)回波產(chǎn)品特征，有利于冰雹回波的識(shí)別。多部雷達(dá)拼圖擴(kuò)大了單部雷達(dá)探測(cè)范圍，減弱了單部雷達(dá)盲區(qū)擋角、距離衰減、地球曲率等因素造成的影響，能夠更好地表示中尺度回波系統(tǒng)的全貌。另一方面，雷達(dá)拼圖是網(wǎng)頁(yè)產(chǎn)品，隨時(shí)隨地可以通過(guò)手機(jī)、電腦等設(shè)備訪問(wèn)，彌補(bǔ)了雷達(dá)PUP終端少的缺陷。雷達(dá)回波特征的研究對(duì)開(kāi)展冰雹天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警和預(yù)報(bào)服務(wù)有重要的意義。

國(guó)內(nèi)專家學(xué)者對(duì)冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行了大量研究與分析，取得了豐碩研究成果。例如：丁小劍[1]等分析春季冰雹天氣得出，前期形勢(shì)均為500 hPa西風(fēng)槽以階梯槽的形勢(shì)影響湖南，槽前配合有冷鋒南下，鋒前的西南倒槽明顯發(fā)展，低槽、切變以及冷空氣是其主要影響天氣系統(tǒng)。王研峰[2-5]等分析指出降雹對(duì)流單體最大回波強(qiáng)度出現(xiàn)在低層，為63 dBZ；反射率因子垂直剖面呈對(duì)流單體有界弱回波區(qū)和其上的回波懸垂，相應(yīng)的徑向速度垂直剖面呈中低層徑向風(fēng)有明顯的輻合特征，高層轉(zhuǎn)為輻散。徐芬[6-12]等研究得出強(qiáng)降雹超級(jí)單體除具有三體散射現(xiàn)象、入流缺口等雷達(dá)回波中尺度特征外，持久深厚的中氣旋存在造成了顯著的有界弱回波區(qū)和高懸垂強(qiáng)回波區(qū)。春夏季冰雹云回波強(qiáng)度至少為55 dBZ，多數(shù)為60～70 dBZ；單體VIL至少為30 kg/m2，多數(shù)為40～80 kg/m2。陳鮑發(fā)[13]等研究得出江西WebGIS雷達(dá)拼圖上對(duì)冰雹的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)：1)60～65 dBZ回波范圍大于10×10 km2，回波形狀呈橢圓形；2)30 dBZ回波界線與60 dBZ回波界線梯度大；3)60 dBZ回波中心有65～70 dBZ回波“核”；4)強(qiáng)回波下風(fēng)向有“前伸”回波結(jié)構(gòu)。劉艷杰[14-15]等指出冰雹回波有塊狀單體和颮線兩種結(jié)構(gòu)，回波中心強(qiáng)度普遍大于60 dBZ，垂直結(jié)構(gòu)上均有懸垂回波，速度場(chǎng)為逆風(fēng)區(qū)或旋轉(zhuǎn)速度 ≥12 m/s的弱切變。冰雹回波系統(tǒng)為中α尺度，“弓”形回波結(jié)構(gòu)明顯，同時(shí)有雷暴出流邊界。馬中元[16-18]等研究指出颮線移動(dòng)前方不斷產(chǎn)生具有“前伸”、TBSS和虛假回波結(jié)構(gòu)的局地雹云超級(jí)單體回波群，這些颮前中小尺度系統(tǒng)是產(chǎn)生此次冰雹災(zāi)害的主要回波系統(tǒng)。副熱帶高壓邊緣產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)天氣過(guò)程，超級(jí)單體回波具有55～60 dBZ塊狀回波結(jié)構(gòu)，垂直液態(tài)水含量VIL達(dá)到60 kg/m2；相對(duì)風(fēng)暴速度SRM和垂直徑向速度RHI_V圖上，都具有相鄰的正負(fù)速度對(duì)和達(dá)到中等以上中氣旋標(biāo)準(zhǔn)。副高邊緣雷達(dá)回波特征主要有2種：一是南北向短帶回波，有時(shí)會(huì)發(fā)展為弓狀回波；二是強(qiáng)回波單體，超級(jí)單體和復(fù)合單體回波。何文[19-21]等分析指出雷電強(qiáng)度和雷達(dá)回波強(qiáng)度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，產(chǎn)生強(qiáng)雷電的回波要具備強(qiáng)度大于50 dBZ、強(qiáng)回波中心密實(shí)、強(qiáng)回波邊緣梯度大等條件。研究成果為監(jiān)測(cè)預(yù)警江西冰雹天氣提供理論依據(jù)。

本文使用天氣圖和雷達(dá)數(shù)據(jù)等資料，對(duì)2021年3月30—31日江西罕見(jiàn)大冰雹天氣過(guò)程中雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析，為縣站監(jiān)測(cè)預(yù)警冰雹天氣和預(yù)報(bào)服務(wù)提供分析依據(jù)，努力提高對(duì)冰雹天氣的預(yù)報(bào)能力。

1 資料來(lái)源和天氣實(shí)況

1.1 資料

雨量資料來(lái)源于江西省自動(dòng)氣象站顯示平臺(tái)，天氣資料、探空數(shù)據(jù)和衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)來(lái)源于MICAPS平臺(tái)，雷達(dá)拼圖資料來(lái)源于江西WebGIS雷達(dá)拼圖平臺(tái)，單部雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)來(lái)源于宜春SA雷達(dá)基數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)況

2021年3月30—31日，江西出現(xiàn)罕見(jiàn)的大冰雹天氣。冰雹自西向東橫掃銅鼓、宜豐、上高、高安、奉新、新建、南昌、進(jìn)賢、余干、樂(lè)平、景德鎮(zhèn)、婺源等地，其中銅鼓、南昌等地還出現(xiàn)罕見(jiàn)大冰雹，最大雹徑超過(guò) 10 cm，呈放射狀，普通雹徑也在 20～50 mm(圖1)。這次江西大冰雹事件，無(wú)論是超級(jí)單體回波之強(qiáng)、維持時(shí)間之長(zhǎng)、影響范圍之廣和冰雹直徑之大都是歷史罕見(jiàn)的。

圖1 2021年3月30—31日江西大冰雹部分實(shí)況圖

2 天氣背景與雷達(dá)拼圖回波演變

2.1 天氣背景

2021年3月30日20:00(圖略)，高空低槽位于重慶至貴州西部，槽前有明顯的西南急流，500 hPa長(zhǎng)沙西南風(fēng)26 m/s，南昌30 m/s；700 hPa長(zhǎng)沙西南風(fēng)23 m/s，南昌20 m/s；850 hPa長(zhǎng)沙西南風(fēng)14 m/s，3層急流在江西西北部匯合，南昌位于匯合區(qū)附近。匯合區(qū)上空贛北200 hPa有分流區(qū)。低層850 hPa在江西中北部及其以東地區(qū)有明顯偏東南氣流，925 hPa南昌東南風(fēng)12 m/s，即伴有超低空急流。低層的明顯偏東氣流與急流一方面把東海上空水汽輸送至對(duì)流區(qū)上空，另一方面與西部的西南急流、北部偏東急流產(chǎn)生劇烈輻合，同時(shí)在垂直方向上隨高度增加?xùn)|南風(fēng)轉(zhuǎn)西南風(fēng)形成明顯的暖平流，為上升運(yùn)動(dòng)提供了支撐。850 hPa切變線位于湖南中部至贛北，切變線上有西南風(fēng)與東南風(fēng)的劇烈輻合，是對(duì)流觸發(fā)的重要天氣系統(tǒng)，切變線以南在700 hPa有一急流軸從湖南南部伸向贛西北。低層暖濕，850 hPa以下為飽和區(qū)，700 hPa開(kāi)始變干，500 hPa湖南中部有明顯干區(qū)，長(zhǎng)沙T-Td= 38 ℃，隨著槽前西南急流東移，干區(qū)移至贛北、贛中上空，“上干下濕”結(jié)構(gòu)為冰雹等強(qiáng)對(duì)流發(fā)生提供了有利條件。低層(850～925 hPa)有暖脊發(fā)展，暖脊從廣西經(jīng)湖南南部伸向贛北、贛中，南昌上空T850-500= 28 ℃，低層溫度偏高，且高低空溫差大，為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生提供了重要熱力條件與觸發(fā)機(jī)制。此時(shí)，850 hPa南昌的Td=16 ℃，比濕為14 g/kg，表明水汽條件充沛。

由此可見(jiàn)，本輪強(qiáng)對(duì)流天氣的重要天氣系統(tǒng)有中低層多層西南急流、地面倒槽、低層切變線，同時(shí)伴有低層暖脊、“上干下濕”等有利于強(qiáng)天氣發(fā)生的溫、濕條件。水汽條件充沛、大氣層結(jié)不穩(wěn)定且伴有較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量。但與3—4月江西典型強(qiáng)對(duì)流天氣不同的是沒(méi)有明顯冷空氣入侵背景，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生時(shí)高空低槽也沒(méi)有明顯東移，強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生、發(fā)展與中低層切變線附近輻合、低層暖脊發(fā)展、西南急流脈動(dòng)有關(guān)，是典型暖區(qū)強(qiáng)對(duì)流型結(jié)構(gòu)。因此，只要滿足水汽、不穩(wěn)定、抬升三大基本條件，在強(qiáng)的層結(jié)不穩(wěn)定、強(qiáng)不穩(wěn)定能量、強(qiáng)輻合觸發(fā)等作用下，冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣就能發(fā)生、發(fā)展。

2.2 雷達(dá)拼圖回波

雷達(dá)拼圖回波能有效彌補(bǔ)單部雷達(dá)探測(cè)距離、近距離擋角、天線掃描盲區(qū)、地球曲率、遠(yuǎn)距離衰減等缺陷，更加有效地揭示強(qiáng)天氣全貌。

2021年3月3月30—31日，江西WebGIS雷達(dá)拼圖回波(圖2(a))，3月30日22:10的雷達(dá)拼圖上，影響銅鼓的回波呈孤立團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，形狀接近橢圓形；結(jié)構(gòu)密實(shí)，西南側(cè)30 dBZ回波界線與60 dBZ回波界線反射率因子梯度明顯；強(qiáng)回波中心最大反射率因子值達(dá)到了70 dBZ以上，其回波特征符合陳鮑發(fā)[13]等研究得出的江西WebGIS雷達(dá)拼圖上對(duì)冰雹的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。

(a)30日22:10超級(jí)單體 (b)31日19:00回波帶上超級(jí)單體

3月31日19:00(圖2(b))，影響贛北的雷達(dá)回波組織結(jié)構(gòu)較為明顯，呈東北—西南的帶狀分布，回波帶上西南側(cè)的雷達(dá)反射率因子存在3個(gè)強(qiáng)中心，中心強(qiáng)度位于65～70 dBZ之間，符合江西預(yù)報(bào)冰雹的回波強(qiáng)度條件。

綜上所述，造成3月30—31日銅鼓、宜豐冰雹的回波中心強(qiáng)度均大于65 dBZ；不同之處是回波組織結(jié)構(gòu)不同，30日超級(jí)單體回波形態(tài)呈孤立橢圓狀，31日是回波帶上的超級(jí)單體。

3 江西冰雹雷達(dá)產(chǎn)品特征

雷達(dá)PUP產(chǎn)品包括：組合反射率CR、回波頂ET、垂直積分液態(tài)水含量VIL、中氣旋M、龍卷渦旋結(jié)構(gòu)TVS和風(fēng)暴跟蹤信息STI共6種。雷達(dá)垂直剖面產(chǎn)品包括：反射率因子垂直剖面RCS(Reflectivity Cross Section)、徑向速度垂直剖面VCS(Velocity Cross Section)2種，垂直剖面沿徑向和切向兩個(gè)方向進(jìn)行。

3.1 銅鼓、宜豐超級(jí)單體回波

2021 年3月30日22:08，宜春SA雷達(dá)(9795)基數(shù)據(jù)反演的PUP產(chǎn)品圖中，銅鼓西部地區(qū)孤立回波的組合反射率中心值達(dá)到了65 dBZ(圖3(a))，0 dBZ強(qiáng)度的雷達(dá)回波高度ET達(dá)到了17 km(圖3(b))，對(duì)應(yīng)垂直液態(tài)水含量VIL中心值為60 kg/m2，符合江西春夏季一般情況下冰雹云對(duì)應(yīng)的回波強(qiáng)度、回波頂高、VIL值的特征(圖3(c))。在中氣旋產(chǎn)品M和龍卷渦旋TVS產(chǎn)品中，顯示出了該對(duì)流單體可能存在中氣旋和TVS(圖3(d)、圖3(e))，證明了此時(shí)位于銅鼓西部的對(duì)流單體為超級(jí)單體。STI產(chǎn)品可以看出(圖3(f))，30日22:08位于銅鼓西部的超級(jí)單體回波未來(lái)將穿過(guò)銅鼓地區(qū)向東北方向移動(dòng)，并在銅鼓產(chǎn)生冰雹。

(a)CR；(b)ET；(c)VIL；(d)M；(e)TVS；(f)STI

圖4(a)～(d)分別是2021年3月30日22:08 宜春SA雷達(dá)沿雷達(dá)切向、徑向的反射率及速度垂直剖面圖。從反射率因子切向垂直剖面(圖4(a))上可以看出，位于銅鼓西部的超級(jí)單體回波強(qiáng)度最大達(dá)到了65 dBZ以上，60 dBZ回波伸展高度達(dá)到11 km，與單純強(qiáng)降水回波直上直下的結(jié)構(gòu)不同，此回波結(jié)構(gòu)存在明顯的傾斜，證明該風(fēng)暴中傾斜式上升氣流的存在。大于55 dBZ的雷達(dá)回波即將接地，說(shuō)明冰雹即將下落。從反射率因子徑向垂直剖面(圖4(b))上也可以看出，該超級(jí)單體60 dBZ頂高達(dá)到了10 km以上，風(fēng)暴發(fā)展旺盛，且存在明顯的有界弱回波區(qū)(BWER)和回波懸垂，證明風(fēng)暴內(nèi)有強(qiáng)的上升氣流。速度切向垂直剖面(圖4(c))上，可以看到5 km以下距離雷達(dá)25 km處有一正速度中心，中心值達(dá)到27 m/s，距離雷達(dá)35 km處有一負(fù)速度中心，中心值達(dá)到-19 m/s，說(shuō)明低層有氣旋式旋轉(zhuǎn)。速度徑向速垂直剖面(圖4(d))上，可以看到6 km以下有明顯的27 m/s的正速度中心和10 m/s的負(fù)速度中心，說(shuō)明此處有風(fēng)的輻合。風(fēng)暴低層風(fēng)既有氣旋式旋轉(zhuǎn)，又有風(fēng)的輻合，證明了風(fēng)暴中存在中氣旋結(jié)構(gòu)。

(a)切向RCS；(b)徑向RCS；(c)切向VCS；(d)徑向VCS

3.2 銅鼓、宜豐回波帶上超級(jí)單體回波

2021 年3月31日19:03，宜春SA雷達(dá)(9795)基數(shù)據(jù)反演的PUP產(chǎn)品圖中，宜春北部回波呈帶狀，影響宜豐北部產(chǎn)生冰雹的超級(jí)單體位于回波帶上。此回波帶上超級(jí)單體達(dá)到了65 dBZ(圖5(a))；0 dBZ強(qiáng)度的雷達(dá)回波高度ET值達(dá)到了18 km(圖5(b))，略高于30日孤立超級(jí)單體ET值；對(duì)應(yīng)垂直液態(tài)水含量VIL中心值為55 kg/m2，較30日VIL值小(圖5(c))，但其特征也符合江西春夏季一般情況下產(chǎn)生冰雹對(duì)流系統(tǒng)的回波強(qiáng)度、回波頂高、VIL值的特征。在中氣旋產(chǎn)品M和龍卷渦旋TVS產(chǎn)品中(圖5(d)、圖5(e))，也顯示出了該超級(jí)單體風(fēng)暴可能存在中氣旋和TVS，證明了此時(shí)位于宜豐北部的對(duì)流單體也為超級(jí)單體。從STI產(chǎn)品可以看出(圖5(f))，前一小時(shí)此超級(jí)單體向東東北方向移動(dòng)，未來(lái)仍將繼續(xù)此方向移動(dòng)，宜豐地區(qū)產(chǎn)生冰雹。

(a)CR；(b)ET；(c)VIL；(d)M；(e)TVS；(f)STI

圖6(a)～(d)分別是2021年3月31日18:58宜春SA雷達(dá)沿雷達(dá)切向、徑向的反射率及速度垂直剖面圖。從反射率因子切向垂直剖面(圖6(a))上可以看出，位于宜豐北部的超級(jí)單體回波強(qiáng)度最大達(dá)到了65 dBZ以上，60 dBZ回波伸展高度達(dá)到10 km，存在明顯的懸掛結(jié)構(gòu)回波。從反射率因子徑向垂直剖面(圖6(b))上也可以看出，該超級(jí)單體60 dBZ頂高達(dá)到了10 km以上，存在明顯的虛假旁瓣回波頂，風(fēng)暴發(fā)展旺盛。速度切向垂直剖面(圖6(c))上，可以看到強(qiáng)回波對(duì)應(yīng)區(qū)域6 km以下有-27 m/s的負(fù)速度中心和10 m/s的正速度中心，說(shuō)明低層風(fēng)的氣旋式旋轉(zhuǎn)特征。速度徑向速垂直剖面(圖6(d))上，可以看到4 km以下有明顯的-10 m/s的負(fù)速度層，4 km以上存在10 m/s的正速度層。

(a)切向RCS；(b)徑向RCS；(c)切向VCS；(d)徑向VCS

由此可見(jiàn)，3月30日和31日造成銅鼓、宜豐冰雹的風(fēng)暴均為超級(jí)單體風(fēng)暴，風(fēng)暴CR中心值可達(dá)65 dBZ，0 dBZ強(qiáng)度的雷達(dá)回波高度ET達(dá)到了17 km以上，對(duì)應(yīng)垂直液態(tài)水含量VIL中心值為55～60 kg/m2，且均可識(shí)別出中氣旋和TVS。從雷達(dá)垂直剖面特征來(lái)看，3月30日銅鼓西部的孤立超級(jí)單體存在明顯的有界弱回波區(qū)(BWER)、回波懸垂和中氣旋特征；3月31日宜豐北部的回波帶上超級(jí)單體存在明顯的懸掛結(jié)構(gòu)回波和虛假旁瓣回波頂，低層旋轉(zhuǎn)特征明顯，輻合輻散特征不明顯，存在上正下負(fù)速度層。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2021年3月30—31日江西罕見(jiàn)大冰雹天氣過(guò)程中雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)這次強(qiáng)對(duì)流天氣的天氣系統(tǒng)主要有中低層西南急流、地面倒槽、低層切變線和“上干下濕”等有利于強(qiáng)天氣發(fā)生的條件。

2)雷達(dá)拼圖上：造成3月30—31日銅鼓、宜豐冰雹的超級(jí)單體回波中心強(qiáng)度均大于65 dBZ；不同之處主要為回波組織結(jié)構(gòu)的不同，30日回波形態(tài)呈孤立橢圓狀，而31日主要是帶狀回波上的超級(jí)單體產(chǎn)生的冰雹。

3)單部雷達(dá)PPI產(chǎn)品上：造成銅鼓、宜豐冰雹的風(fēng)暴均為超級(jí)單體風(fēng)暴，組合反射率CR達(dá)65 dBZ，回波頂高ET達(dá)17 km，垂直積分液態(tài)水含量VIL為55～60 kg/m2；超級(jí)單體識(shí)別出中氣旋M和龍卷渦旋結(jié)構(gòu)TVS。

4)單部雷達(dá)RHI產(chǎn)品上：反射率因子垂直剖面RCS特征，3月30日銅鼓西部的孤立超級(jí)單體存在明顯的有界弱回波區(qū)(BWER)、回波懸垂和中氣旋特征；3月31日宜豐北部的回波帶上超級(jí)單體存在明顯的懸掛結(jié)構(gòu)回波和虛假旁瓣回波頂；徑向速度垂直剖面VCS特征，存有中氣旋結(jié)構(gòu)和低層旋轉(zhuǎn)特征明顯，存在上正下負(fù)速度層。