一次冰雹天气过程雷达回波特征及数值模拟研究

马志敏，余 珂

(1.云南省气象台，云南 昆明 650034；2.云南省气象信息中心，云南 昆明 650034)

0 引言

云南地处低纬高原，天气气候条件复杂，冰雹等强对流天气频发，常给人民生命财产造成巨大损失，据统计平均每年全省约有60个县市遭受冰雹灾害袭击，其中昆明地区属雹灾高发区，南部年降雹日数达50天以上[1]，经济损失巨大。

冰雹是在有利的大尺度环流背景下，由中小尺度系统产生的一种强对流天气[1]。冰雹天气具有局地性强、季节性明显、突发性和阵性等特征，对冰雹天气的预报预警一直是预报员面临的巨大挑战。国内外许多科学家也不断从冰雹形成的物理机制、环境条件、降雹机理等方面，利用数值模拟、资料分析等多种方法对降雹天气过程进行研究[2-6]。云南的学者也研究了云南冰雹的气候特征以及预警机制等，其中陶云等[1]研究指出云南冰雹多集中在2～4月，且从西北到东南呈多-少-多-少的地域特征；张腾飞等[7]分析了一次雹云的雷达回波特征，发现具有典型的V型槽口、弱回波区、阵风锋回波等特征；李磊等[8]发现产生冰雹的对流风暴在成熟期正地闪百分比会明显增加，对应地面强天气发生；尹丽云[9]等研究表明，降雹前VIL、回波顶高都出现跃增现象，降雹后则下降；张秀年等[10]指出云南冰雹和暴雨发生的天气背景极为相似。然而以上研究多为常规资料分析，特别对云南冰雹天气过程的研究目前仍然较为少见，且常规资料时空分辨率较低，很难捕捉到产生冰雹天气的中小尺度系统特征，为此，本文在分析冰雹发生的雷达回波特征基础上，利用WRF模式进行数值模拟，以期能够探索云南冰雹发生发展的机制，为冰雹预警提供一定借鉴。

1 降雹实况与天气背景分析

受冷空气与西南暖湿气流共同影响，4月10日夜间云南出现了久旱以来的首场降雨天气过程，次日09时至11时，昆明、晋宁等地先后出现降雹过程(表1)，并伴有雷暴。其中昆明站与太华山站分别于09：49、09：57观测到直径8mm与6mm的冰雹，最强降雹出现在晋宁县，最大观测直径达22mm，全县农作物受灾达933.33hm2多(1.4×104亩多)，部分汽车、房屋被砸毁，经济损失严重。

冰雹等强对流天气的产生需要一定的天气背景条件，分析11日08时实况图(图略)发现，500hPa图上云南处于槽后偏北气流控制，有冷平流南下；700hPa图上，云南处于西偏南气流控制，滇中及以南地区处于西南风急流带，风速较大，川滇切变位于贵州北部至昭通南部一线；地面图上冷锋推至楚雄东部-玉溪东部-红河一线；昆明站(56778)探空曲线显示，低层风向顺转有暖平流，高层风向逆转有冷平流。可见，滇中地区形成上干冷、下暖湿的不稳定大气层结，极易触发冰雹等强对流天气。

2 资料与模拟方案

本文采用昆明雷达站常规多普勒雷达探测资料、NCEP资料。其中多普勒雷资料包括反射率因子与平均径向速度产品；NCEP资料为GFS模式输出的全球1°×1°再分析数据，该数据在强对流天气研究中有较高的可靠性[11]。

WRF(WeatherResearchandForecastingmodel)模式是美国开发的新一代中尺度数值天气预报与同化系统，模式结合先进的数值方法和资料同化技术，采用经过改进的物理过程方案，重点考虑1～10km水平网格，目前已被广泛应用于中小尺度系统及区域性暴雨、冰雹、雷雨大风等强对流天气预报与研究[12-16]。本文在分析冰雹天气过程的雷达回波特征基础上，采用WRFV3.4.1对本次过程进行数值模拟实验，设置三重双向嵌套，第一重母区域设置为(57～142°E，5～52°N)，第二重嵌套区域设置为(95～107°E，18～31°N)，第三重嵌套区域设置为(99～104°E，22～27°N)，其中第三重子区域格点分辨率达6.8km，可模拟产生冰雹的雷暴尺度天气系统。物理过程选用如下：Lin微物理参数化方案；rrtm长波辐射方案；Dudhia短波辐射方案；浅对流Kain-Fritsh积云参数化方案。具体模拟区域参数配置如表2。

表2 数值模拟方案设计

3 多普勒雷达回波特征分析

产生本次冰雹天气过程的对流单体于08：02生成于楚雄州禄丰县西部(图略)，初生时主要为20dBZ以下的层状云回波，之后回波不断发展加强向东南方向移动。由图1可见，09：25对流单体雹云分为A、B两段发展，其中B段发展缓慢，逐渐向昆明-呈贡方向移动，A段发展较快并向晋宁方向移动，且A段表现出结构密实、强度大等积状云回波特征，最强反射率因子达50dBZ以上，但测站仍无冰雹观测记录，主要产生雷暴天气；09：48雹云B移至昆明主城区上空，强度达到58dBZ，09：49昆明站观测到直径8mm的冰雹，09：57太华山站也出现直径6mm的冰雹；09：54雹云A移至安宁-易门一线，雹云B则继续向呈贡方向移动，且3.4°仰角反射率因子图上开始出现由于冰雹衰减导致的“V”型槽口(图略)；10：00雹云A继续加强向晋宁方向移动，最强反射率因子达60dBZ以上，且出现超级单体风暴的钩状回波特征，雹云B则发展缓慢；10：06风暴继续向东南方向移动，可以看到A段结构密实，且成团状，低层0.5°仰角反射率因子也开始出现“V”型槽口、雹云A还出现较弱的三体散射长钉(图略)，2.4°仰角“V”型槽口(图2箭头所示)更为明显；10：12风暴继续发展，0.5°仰角易门方向三体散射以及呈贡、晋宁方向“V型”槽口清晰可见，10：18低层0.5°仰角反射率因子图 “V”型槽口也较为明显，可见“V”型槽口最先在高仰角出现，逐渐向低仰角发展(图2)；10：29雹云A继续发展加强，钩状回波特征明显，雹云B则逐渐趋向于与雹云A合并，此时6.0°仰角反射率因子图上已出现特征显著的“V”型槽口，说明冰雹直径继续增大，衰减更为强烈；10：47风暴继续加强移至晋宁上空，最强反射率因子超过60dBZ，钩状回波特征显著，雹云B与A连成一体，此时3.4°仰角“V”型槽口特征显著，且在0.5°仰角速度图上出现了明显的中气旋速度对(图3)，表明整个对流风暴已加强为一个超级单体风暴，从实况分析也可以看到，10：52该超级单体风暴在晋宁降下了直径达22mm的冰雹；10：59开始，单体逐渐减弱，“V”型槽口等降雹特征也逐渐消失。

图1 雹云回波发展演变特征，PPI观测仰角为0.5°(单位：dBZ)

图2 雹云不同仰角“V”型槽口演变特征

超级单体除根据PPI图上的雷达回波水平结构如“V”型槽口、钩状回波、指状回波来识别外，美国天气局也将其定义为具有深厚持久中气旋的对流单体，这一定义目前也被广泛采纳[17]。由上述雷达反射率因子图分析可见，本次降雹风暴具有“V”型槽口、钩状回波特征，进一步分析其径向速度图可见，10：47晋宁上空0.5°仰角速度图上开始出现典型的中气旋速度对(图3圆圈标记)特征，即此刻风暴已发展成典型的超级单体风暴，同时可以看到3.4°仰角的中气旋速度对更加明显，且伴随“V”型槽口。10：59晋宁降雹之后，中气旋结构依然完整，至11：16中气旋逐渐向南移动，速度对逐渐变得模糊，超级单体风暴逐渐向南减弱消失，整个过程中气旋持续近半小时，且0.5°、1.5°、3.4°仰角均出现中气旋速度对，表明中气旋深厚持久，超级单体风暴发展强烈。

由以上分析可见，本次降雹过程中雹云回波具有“V”型槽口、钩状回波、中气旋特征，是典型的超级单体风暴降雹过程。

4 数值模拟分析

产生冰雹等强对流天气的中小尺度天气系统极为复杂，常规探空资料与再分析资料时空分辨率较低，难以详细描述其发展演变过程，常规多普勒雷达资料则主要描述雷暴的表象特征，难以研究其发生发展的必要条件。为此，本文通过数值模拟实验，重点对第三重嵌套区域输出资料进行分析。为验证模拟正确性，首先对NCEP资料(图4a)与模拟D01区域(图4b)高度场、风场、湿度场合成图进行对比分析，由图可见，模式很好的再现了产生本次冰雹过程的天气形势：500hPa高空槽后冷平流；700hPa西南暖湿气流以及川滇切变线；700hPa滇中及以东地区较好的水汽条件，即相对湿度大于80%；最终形成了上干冷下暖湿的不稳定大气层结，有利于冰雹等强对流天气的发生。图5对比分析模拟D03区域最大反射率因子与多普勒雷达组合反射率因子，由图5b可见，模式模拟出了整个雹云的分布特征，模拟雹云结构与图5a实况观测基本一致，分布区域较实况略偏北偏东，强度则较实况偏弱，模拟最大反射率因子为45dBZ，实况则达到50dBZ以上，总体看，本次雹云模拟较为成功。

常规探测资料只能分析4月11日08时的大气层结状态，对于08时至14时之间产生的降雹过程无法分析其演变特征，为此，本文利用模拟D03区域高分辨率资料，首先分析本次雹云的水汽条件与不稳定能量，如图6所示。由图6a可见，自4月11日03时(世界时4月10日19时，以下均转换为北京时)开始，整个经度范围(楚雄、昆明、玉溪)相对湿度开始增大，均在70%以上，东部地区由于受静止锋影响，大气湿度显著高于西部地区，至4月11日09时，102°E以东均在90%以上，出现最大降雹的晋宁县(102.6°E，24.65°N)自11日08时开始大气基本接近饱和，水汽条件较好。

图4NCEP再分析资料(a)、模拟D01区域(b)500hPa高度场(单位：dagpm)+700hPa风场(单位：m/s)+700hPa相对湿度(>80%)合成

Fig.4Thecombinationof500hPaheightfield(unit：dagpm)、700hPawindfield(unit：m/s)and700hParelativehumidity(> 80%)oftheNCEPreanalysisdata(a)andtheD01regiondata(b)

图5 10：59多普勒雷达探测组合反射率因子(a)、模拟D03区域11：00最大反射率因子(b)

图6 模拟D03区域700hPa相对湿度(a)与不稳定能量(b)经向平均时间演变(相对湿度单位：%，不稳定能量：J/kg，纵坐标表示世界时4月10日18时至11日06时)

图6b不稳定能量显示，102°E以东cape值自4月10日02时开始逐渐增大，最大值出现在11日04时至06时，达到160J/kg，11日11时即晋宁县出现最强降雹后，cape值开始减小，不稳定能量逐渐释放。

由上述分析可见，风暴发展移动过程中，水汽不断增加，不稳定能量逐渐增大，强降雹中心晋宁县水汽充足，且大气高度不稳定，降雹后不稳定能量减小，大气趋于稳定。

大气水汽条件较好且为高度不稳定状态，要产生冰雹等强对流天气还需有较强的上升运动，由图7a垂直速度剖面可见，102°E～103°E存在一强的上升运动中心，随高度伸展至300hPa，最大上升速度达0.06m/s，与强降雹中心相对应，且其两侧为下沉运动区，形成两个纬向高度环流圈，使得上升运动持久剧烈，促使冰雹粒子能够快速增大，同时可见，上升运动中心与超级单体风暴中心对应，表明超级单体雹云发展强烈。发生强对流天气还需低层触发机制，如露点锋、干线、地面辐合线等，从图7b给出的10m风场可见，红河北部-昆明南部-楚雄一线为偏东风与偏南风辐合区，即形成地面辐合线，有利于触发强对流天气。

图7 模拟D03区域4月11日10：30垂直速度纬向高度分布(a)与10 m风场(b)(单位：m/s)

上述分析表明，本次模拟成功的再现了产生冰雹过程的天气背景以及整个雹云的分布特征；从4月11日08时开始，整个降雹区域大气处于高度不稳定状态，具有产生强对流天气的水汽条件、不稳定条件以及触发机制；与超级单体风暴中心相对应的是强烈的上升运动，促使冰雹粒子快速增长并降落。

5 结论

本文在分析本次过程多普勒雷达回波特征基础上，利用WRF模式进行数值模拟实验，结果表明：

(1)多普勒雷达回波具有“V”型槽口、钩状回波、中气旋特征，是一次典型的超级单体风暴降雹过程，其生命史超过30分钟。

(2)模式再现了本次过程的天气背景条件，即上干冷、下暖湿的不稳定大气层结，但模拟雹云分布较实况略有偏差，总体看模拟较为成功。

(3)模拟显示，风暴发展移动区域大气具有较好的水汽条件与不稳定条件，在地面辐合线的作用下触发了本次强对流天气过程，降雹前水汽增加、不稳定能量聚集，降雹后不稳定能量释放，大气趋于稳定状态。

(4)模拟显示，超级单体风暴中心与强烈的上升运动中心对应，其两侧为下沉运动区，纬向上形成两个环流，促使冰雹粒子快速增长与降落，这也是晋宁县降雹直径达22mm的直接原因。

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