基于雷达三维显示的一次多单体风暴特征分析

刘建朝 ，尚 博，苏 杭

（1.吉林省人工影响天气办公室；2.长春市气象局，吉林长春130000）

冰雹灾害虽然范围小、时间短，但是强度大、来势猛，常伴随狂风给农业、畜牧业、交通、通信、城市建筑等造成巨大损失。近几十年来对冰雹的研究有了很大的发展。许焕斌[1-2]引入了雨水、冻雨和冰雹浓度连续方程，并重新给定了冻雨和冰雹的粒子谱形式，建立了一个新的一维时变参数化模式，该模式较好地描述了各种不同类型的水凝物粒子间的相互作用。孔凡铀[3-5]首次在国内成功地建立了包含较详细的冰相微物理过程的三维冰雹云模式,并进行了一系列的冰雹云数值模拟。

本文利用逐小时地面加密自动站观测资料和长春多普勒天气雷达探测资料，对2014年7月23日发生在德惠的多单体降雹过程进行中尺度和雷达三维显示分析，并对人工防雹的作业时机和作业部位进行讨论，为强对流天气的预报、人工防雹作业决策和作业指标提取提供科学依据和积极的气象保障作用。

1 天气背景和实况

2014年7月23日08时，亚欧大陆中高纬在500hPa上呈两槽一脊形势，暖高压脊位于乌拉尔山到贝加尔湖一带，贝加尔湖以东为大范围槽区，槽线位于内蒙古东部大兴安岭一带，长春地区位于槽前，低空850hPa受西南气流控制，具备较好的暖湿空气输送，为此次过程提供水汽、不稳定能量等条件。23日白天，高空槽东移约5个经距，至20时基本移动到长春地区和吉林地区交界处，长春地区转为受槽后西北气流控制。此次强对流天气发生在高空槽东移过境，槽后干冷空气替换槽前暖湿空气的过程中。

此次多单体风暴于12:00开始发生发展，由西南向东北经过合并消亡后，方向调转呈西北东南向继续合并消亡并于17:00完全移出长春境内进入吉林市，5个小时内，长春市普降大到暴雨，其中降雹时间为12:30～13:30，出现在德惠市境内。

2 中尺度结构特征和发生发展

2.1 多单体风暴的发生发展

由长春地区多普勒天气雷达2014年7月23日反射率因子的演变（2.4°仰角）可见，11：59分长春西北部农安县有零散的对流单体生成（图1a），并不断向东北方向移动，12:15分运动方向左侧的对流单体逐渐消亡，右侧的单体迅速发展，12:20分合并成一个强对流单体，中心强度为60dBZ以上（图1b）；与此同时，在该单体左侧及右前方又有新的对流单体生成，12:41分两块强的对流单体共同影响德惠地区（图1c），并继续向东北方向移动，造成了此次冰雹灾害。同时刻6.0°仰角上（图1d）单体A最大回波中心强度大于65dBZ，单体B最大回波中心强度在50dBZ以上，有一V型缺口。沿两块单体做垂直剖面图（图1f）可以明显看到单体A的悬垂结构和有界弱回波区并呈现出弓型回波，最大回波强度65dBZ的高度在5km以上，单体B最大回波强度60dBZ的高度也在5km以上，两块单体都是高质心的雹暴结构，两个对流单体发展旺盛。

图1 2014年7月23日长春CC雷达多单体风暴反射率因子

2.2 多单体风暴的结构特征

低层径向速度（图2a）上生成两块对流单体，运动方向左侧的单体表现为纯气旋式流场，右侧为气旋式辐合流场，在单体随气流移动的同时，前方不断生成新单体而原单体不断衰减消亡，12:20分（图2b）左侧单体已经消亡，右侧单体发展旺盛，在风暴前进方向的右侧，低空气流辐合，高空气流辐散，有利于新雷暴单体在右前侧不断形成。12:20分发展旺盛的单体在德惠县西南方向50km处有一个明显的风场辐合，由于雷达的椎体扫描特征，该单体表现为靠近雷达处的低层辐合和远离雷达处的高层辐散，有利于上升运动的发展，为强对流天气的发生、发展提供有利的动力条件。12:41分低层2.4°仰角（图2c）该单体继续发展，同时其周围有新的单体生成，都伴有气旋式辐合流场和“逆风区”，单体进一步成熟，图2d为9.9°仰角的对流单体顶部，可以看出顶部前方反气旋式辐散和后部的纯辐散流场，使得上升气流得以维持。在12:41分和13:02分（图2e和2f）速度上零线呈现出NE-SW折向NW-SE的折角，折角位于雷达站西北侧，可以看出此次多单体风暴发生在锋面未过境的背景下。此种情况下，由于局地热力条件、水汽等因素，容易产生强对流天气，根据对流云的情况，多数产生冰雹。

图2 2014年7月23日长春CC雷达多单体风暴径向速度图

图3 35dBZ雷达反射率因子等值面的三维云结构及40dBZ回波顶高的三维图

3 多单体风暴的三维云特征

冷锋背景下的多单体风暴是否降雹还需要分析云体的自身特征。大冰雹是在具有一支强的斜升气流，回波顶高度较高，液态水的含量很充沛的雷暴云中产生的。

3.1 等值体和回波顶高特征

图3分别给出了 12:20、12:41、13:02分 35dBZ雷达反射率因子等值面的三维云结构图，及对应时间40dBZ回波顶高的三维显示图。从图3（a1）可看出12:20单体A云体庞大犹如云墙，上宽下窄、略微倾斜，呈现悬垂型，回波顶图3（b1）发展较高在8km以上，单体B亦呈现略有倾斜的悬垂型，但其云体体积较单体A小很多，40dBZ回波顶高只有很小的一块，该单体处于初生发展阶段。12:41分（图a2、b2）可清晰看到两块单体顶层宽厚向外延伸形成云砧，底部狭窄向内凹陷形成“云洞”，倾斜角度加大，都朝东北方向（图片右上角罗盘可指示方向和方位，红色为正北），表明多单体风暴具有统一的垂直环流。云系运动方向为SW-NE，云洞即为入流口，气流经云体上升后，在高层向外辐散形成云砧，此种倾斜结构利于底部吸入空气抬升，使得对流继续发展和维持。此时单体B在体积上虽不如A庞大，但其回波顶高度已达到9km，大于单体A的8km，倾斜和云砧、云洞结构明显，是块发展十分旺盛的雹云。

图a3和b3显示13:02两块单体35dBZ的云体积仍然十分庞大，倾斜结构符合成熟雹云特征，但是单体B回波顶高骤降到7km以下，且云顶平滑没有起伏，说明该单体开始消亡。分析前一时刻12:57分（图略）的40dBZ回波顶高的三维显示图，单体B回波顶高大于9km的范围比12:41分有所增加，云顶呈现突起形状，处于成熟阶段的顶峰。综合35dBZ云体等值面和40dBZ回波顶高度图分析，在12:57～13:02分云中雹胚循环增长越来越重，云内上升气流支撑不住其重量，于是地面开始降雹，云体开始消亡。根据德惠灾情报告资料，13:00开始降雹，与分析对应一致。单体A在13:02分尽管仍有回波顶高大于9km，但其云体前部已经塌陷，顶高不足6km，等值体图也不具有倾斜结构，说明云已经处于消亡阶段或云体即将分裂形成新单体，13:28分雷达反射率因子（图略）显示单体A和B已经同前方新生成单体合并成为一个新的风暴群移出德惠内。

3.2 三维水汽条件

多普勒天气雷达提供的垂直液态含水量（VIL）可以直观显示风暴的水汽含量，也可以用来判断对流强度与冰雹出现的可能性。图4给出了垂直累积液态含水量的三维显示图。从12:20～13:05分的VIL演变可以看到，12:20VIL数值达到44kg/m2，到12:41分出现明显跃增现象为 65kg/m2，13:02分数值下降到35 kg/m2，德惠地区也是在VIL跃增到最大时开始降雹的。

4 人工防雹分析

许焕斌[6]等研究人工雹胚与自然雹胚的“利益竞争”可以知道，在雹云中存在着冰雹“穴道”，它位于主上升气流区边侧及零线下的入流区，其体积约为雹云总体积的6%或更小，不论自然雹胚或是人工雹胚，只要进入“穴道”都经历着循环运行增长，其轨迹是相互交叉的，因而可以实现平等“竞争”。“穴道”的存在和位置由流场特征决定。段英[7]等模拟雹云增长得出可形成大雹的雹胚初始出发区是在上升气流主入流区的零线附近，越靠近主上升气流轴线和零线，滞留时间越长，可长成的冰雹越大。可形成大雹的雹胚初始出发区与胚胎大小有关，但不敏感，出发位置比胚胎大小更重要。

从图3中给出的三维雷达等值面可以看到倾斜结构和入流区即“云洞”，结合回波顶高度可以得到人工防雹的作业部位和作业时机。作业部位即在云洞位置，作业时机应在降雹之前，选择回波顶高度较高，云顶起伏明显的时刻。同时多单体雹云每个单体的成雹方式是独立的，冰雹总是在各自的环流圈内运行，防雹作业需要对每个单体逐一催化作业。

5 结论与讨论

本文综合利用逐小时地面加密自动站观测资料、长春多普勒雷达探测资料，对2014年7月23日发生在德惠的多单体降雹过程进行中尺度和三维云场分析，并对人工防雹的作业时机和作业部位进行讨论，得到如下主要结论：

该多单体风暴在500hPa上呈两槽一脊形势，长春地区位于槽前，低空850hPa受西南气流控制，具备较好的暖湿空气输送。23日白天，长春地区转为受槽后西北气流控制。此次强天气发生在高空槽东移过境，槽后干冷空气替换槽前暖湿空气的过程中。

造成德惠县冰雹灾害的对流系统是多单体风暴中的两块，两块单体成熟时间不同，但具有相同的结构特征，弓型回波、低层弱回波区；低层主要表现为辐合特征，高层有很强的风暴顶辐散。

图4 垂直累积液态含水量的三维显示

三维雷达回波显示发生冰雹前云体体积庞大，上宽下窄、严重倾斜，呈现悬垂型，有云砧和云洞，40dBZ回波顶大于9km，起伏不平。开始降雹后云体体积不变，但回波顶明显降低，云顶平滑。

因为人工雹胚只要进入“穴道”就可以与自然雹胚实现平等“竞争”，因而作业部位应选择等值体上的“云洞”，作业时机应在降雹之前，选择回波顶高度较高，云顶起伏明显的时刻。

尽管本文分析结果部分揭示了2014年7月23日多单体风暴的结构特征，给出了人工防雹作业时机和作业部位等一些重要事实。但作业的用弹量和作业效果这些问题有待于今后通过更深入的分析和引入人工雹胚的数值试验手段进一步研究。