黑龙江绥棱县一次超级单体强冰雹成因分析

张 微，刘星光，高倩楠，安英玉

（黑龙江省人工影响天气办公室，黑龙江 哈尔滨150030）

强对流天气，通常指雷暴、冰雹、飑线、龙卷以及短时暴雨等强烈的天气过程，其特点是时间短、范围小，经常在局地造成突发性气象灾害，是多尺度天气系统相互作用的结果[1]。 近些年随着气象监测设备的建设和精细探测技术的发展， 对强对流天气的监测在客观性和实效性上有了很大的进步。 敖泽建等[2]利用多普勒雷达资料研究甘南高原一次冰雹天气过程。 郑媛媛等[3]利用多普勒天气雷达分析了典型超级单体风暴。 赵俊荣等[4]利用多普勒雷达资料分析了一次致灾冰雹的超级单体风暴雷达回波特征。 牛淑贞等[5]利用多普勒雷达资料结合地面及探空资料对典型超级单体风暴过程进行分析。 冯晋勒等[6]利用探空、地面资料及三部多普雷达资料对福建中北部地区强降雹的两个超级单体风暴进行了对比分析。 廖向花等[7]利用观测资料对发生在重庆市的超级单体风暴过程进行综合分析。 江玉华等[8]、马志敏等[9]利用观测及模式资料对超级单体风暴引起的降雹过程进行研究。 这些研究在冰雹等灾害性天气的预报、预警中发挥了重要作用，但对于冰雹防御即人工防雹研究相对较少。

黑龙江省是一个灾害性多发的省份，特别是夏季强对流天气几乎每年都给黑龙江省带来一定的人员和经济损失[10]。 绥化市地处黑龙江省中部，松嫩平原与小兴安岭余脉丘陵地衔接处，绥棱县位于绥化市东北部，处于小兴安岭南端西麓，特定的地理环境条件造成了绥棱县夏季冰雹灾害天气的频繁发生。 本文利用综合观测资料，对2016 年6 月3日绥棱县南部超级单体风暴造成的强冰雹过程进行研究，并对人工防雹进行了分析，以期为冰雹等强对流天气的预报、预警及人工防雹作业提供一定的参考依据。

1 降雹实况与天气背景

1.1 降雹实况

受冷涡后部影响，2016 年6 月3 日14:10—14:35，黑龙江省绥棱县南部发生了较强冰雹过程， 冰雹最大直径达20 mm 以上（接近大冰雹）。此次过程主要受中β 尺度对流云团影响，其起源于北安市南部地区， 逐步发展为超级单体， 并由西北向东南方向移动，降雹同时产生了降水，但降水量级不大，是一次典型超级单体风暴过程。

采用SPSS 20.0统计学软件对数据进行处理，计数资料以例数（n）、百分数（%）表示，采用x2检验；计量资料以“±s”表示，采用t检验；以P＜0.05为差异有统计学意义。

这次冰雹过程造成绥棱县上集镇、泥尔河乡、长山乡、阁山镇、绥中乡、双岔河镇等6 个乡镇不同程度的受灾。 据统计，全县受灾29 824 人，受灾面积16 239 hm2，大棚损毁187 栋。

1.2 天气背景

由6 月3 日08 时高空图（图1）可知，黑龙江省位于冷涡南部、高压脊前，冷涡中心位于北部地区。受其影响，925、850 hPa 暖舌北侧有中高层冷槽，存在冷暖空气交汇，热力不稳定。 同时，在黑河、伊春、绥化市北部存在上干下湿不稳定层结结构。 地面图上低压控制黑龙江省， 中心位于伊春市与绥化市交界处，绥化市北部有辐合线存在，黑龙江省东部、北部水汽充沛。 降雹地点已在图中标出（图1 红色三角），由此可知，当日动力、热力及水汽条件均有利于对流的发生、发展。

2.3.1 各向同性下半方差函数特征 各项同性是指在半方差函数计算时不区分方向，只考虑空间距离。从表3和图2看出，速效钾半方差理论模型用指数模型拟合最好，决定系数为0.919；土壤pH、有机质的半方差理论模型用指数模型拟合较好，决定系数分别为0.701和0.518；全氮和有效磷用线性模型拟合好，其决定系数分别为0.531和0.636。5种养分要素决定系数的F检验均达极显著水平。土壤速效钾、pH和有机质变化较为剧烈，说明小尺度上的影响因素对其影响较大；全氮和有效磷曲线变化比较平稳，说明在整个尺度上各种因素同样重要。

2 卫星及反演云参数特征

由3 日可见光云图（图2）可知，上午涡旋云系后部分布于黑龙江省北部地区，云层相对较均匀，云系整体向东北方向移动。 午后随着冷涡系统进入消散阶段，涡旋云系开始减弱，云系结构变的松散、薄厚不均， 边缘呈破碎状。 图2 为13:00—16:00 可见光、 红外卫星云图，13:00 涡旋云系后部出现了若干对流云团， 降雹云团在图中已标出（黑色圈内）。14:00 在绥化北部已形成了色调明亮、 边界清晰的椭圆形对流云团， 云团水平尺度在40 km 左右，云顶快速抬升至9～10 km， 此时云团处于发展阶段。15:00 云高＞9 km 的范围明显扩大，水平尺度增加到90 km，形成明显的卷云砧，云厚较之前略有降低，此时云团已处于成熟阶段。 16:00 云团边界变得模糊，云厚、云顶高度降低，水平尺度略有增加，此时对流云团已减弱， 而后云团继续向东南方向移动，18:00 已完全消散。

首先，执法主体混乱，执法尺度不一，分工不明确。在我国，查处商业贿赂犯罪的执法部门主要有法院、检察院、工商部门以及公安机关。但是正是这些看似庞大的反商业贿赂执法队伍往往由于职能分工上的不明确不仅会出现政出多门、多头执法的混乱后果，还会导致不同部门在对查处商业贿赂的标准上执法尺度不一，在一定程度上加大了执法的成本。

图1 2016 年6 月3 日08 时500 hPa 高空（a）及地面图（b）

图2 2016 年6 月3 日13—16 时卫星云图

之后，主体回波开始减弱，14:40 在其后部发展形成一个小对流单体，14:50 中气旋消失，15:01 主体回波已经移出绥棱县境内。 15:32 回波主体移至庆安县内（相对雷达位置228°，138 km），此时强回波中心减弱至57 dBZ，强回波水平尺度减小至10 km 左右，结构变得较为松散。 而后回波继续向东南方向移动，至18:03 回波消失，风暴过程结束，整个生命史达5.5 h。

完成水利投资再创历史新高。云南省创新机制加大对水利的投入，全省水利投资继2009年突破100亿元，2011年突破200亿元，2012年达到264亿元。2013年1—10月，完成投资260.8亿元，比2012年同期增加51亿元，增幅24.3%，预计全年水利投资将突破300亿元大关。

3 雷达资料分析

3.1 超级单体风暴的演变

大量的观测事实表明[13]，超级单体风暴大多由多单体风暴发展而来。 也有的超级单体风暴由普通单一单体风暴发展而来[14]。 本文的超级单体风暴最初也是由单体风暴发展而来的（图4），12:34 在北安市南部有回波单体生成（相对于伊春多普勒雷达位置278°，132 km）， 单体水平尺度在10 km 左右，最强回波51 dBZ，之后不断加强。 随后发展形成多个对流单体，12:55 时已形成3 个排列成行的对流单体，呈西北—东南向带状分布，此时回波顶所在位置与中低层强回波相对应，即强回波未发生倾斜，处于多单体非强风暴阶段[15]。随后，多单体在移动过程中不断演变， 逐渐加强，13:16 最前端单体已经发展到强盛时期，后面两个对流单体处在发展阶段，此时回波顶位于低层强回波区前端，即强回波发生了倾斜，风暴处于多单体强风暴阶段[15]。

13:42 多个小的对流单体合并成一个大的对流单体，中心强度为57 dBZ。13:47 时合并后的单体回波中心强度增强、体积增大，位于海伦、绥棱县西南部边界处（相对于雷达位置264°，132 km），中心强度为62 dBZ， 此时雷达回波呈现一个单细胞结构，形状呈椭圆形，纬向水平尺度在50 km 左右，径向水平尺度在20 km 左右，相应速度图上中低层出现了中气旋，东南侧呈现出比较明显的入流特征，反射率因子由低到高向东侧（低层入流一侧）倾斜，标志着超级单体的生成。

图3 2016 年6 月3 日13—17 时光学厚度（a）与液水路径（b）变化

图4 2016 年6 月3 日12:34—15:01 伊春站雷达1.5°仰角反射率因子/dBZ

14:03 超级单体继续发展，此时回波主体已经移进绥棱县境内（相对于雷达位置260°，124 km），强回波中心范围继续扩大，中气旋位于强回波的前端。14:24 超级单体发展到最强盛阶段， 强中心位于绥中、阁山乡（相对于雷达位置252°，124 km），中心强度达63 dBZ，强回波（＞45 dBZ）水平尺度达20 km。回波中心的东南侧出现比较明显的入流区域， 相应的垂直剖面出现明显的有界弱回波区BWER（传统上称之为穹隆）和回波悬垂结构，具有超级单体概念模型的基本特征，地面上双岔河、绥中及阁山乡部分镇村出现了降雹天气。

陈英英等[11]、周毓荃等[12]利用FY-2C/2D 卫星5个通道特征并结合探空观测资料， 反演得到一系列云特征参数，包括云顶温度、云顶高度、过冷层厚度、云光学厚度、云粒子有效半径、液态水路径等多个云宏、微观特征参量。因此利用卫星反演云参数对冰雹云的宏、微观特征变化进行分析。卫星反演的云参数显示，13:00 时开始分布在本省的涡旋云系发展不均匀，云顶高度、云顶温度差异较大，且在北安市已经形成对流云团，14:00 对流云团移至绥化市境内，云团边界清晰，云体亮度梯度大，过冷层厚度在5～6 km，云顶温度在-35～-30 ℃。 14:30 随着降雹的发生，过冷层厚度、光学厚度均有所降低（图3a），尤其是液态水路径、云粒子有效半径的变化较为明显，降雹前液态水路径、云粒子有效半径值均较高，降雹后液态水路径（图3b）与粒子有效半径数值迅速降低，与廖向花等[7]之前研究结果较为一致。 光学厚度、液态水路径等云特征参数在降雹前后的显著变化， 对于降雹有一定指示意义。

3.2 超级单体结构特征分析

综合以上分析可知，VIL 在降雹前出现了跃增，跃增幅度较大，且跃增后＞50 kg/m2，跃增时间比降雹时间提前10~15 min， 对此次降雹有一定的指示作用， 在降雹时间的预测方面比强回波更具时间优势。在实际工作中，可以对大量冰雹个例进行统计分析，建立本省冰雹云雷达识别的VIL 指标。 另外，从降雹过程中VIL 的数值来看， 此次过程冰雹云中VIL 含量丰富， 这也是造成此次过程冰雹直径较大的原因之一[24]。

明清时期，数量激增的女性诗人群体在传统道德规训之下用“去女性化”的策略努力争取文坛的合理地位，并成为十分突出的现象。“去女性化”现象及女性的诗文创作引起了士人阶层的广泛争议，而这种争议将女性创作置于主流文坛的讨论之中，在一定程度上也促进了女性诗人向文坛中心的靠拢。面对士人的争议，女性诗人群体自身矛盾的态度也表明了明清时期女诗人用“去女性化”的方式在传统道统与文统压迫下而争取自由创作空间的努力是一种探索性的策略。

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此次超级单体风暴距雷达测站较远， 接近边缘，因此径向速度失真较严重，但在中低层（0.5°、1.5°、2.4°仰角）仍可分析出速度辐合和中气旋，高层分析效果不好，特征不明显。 13:47 中低层出现中气旋，根据中气旋的识别[15]，该中气旋核区直径＜10 km，旋转速度约为22.5 m/s，属于强中气旋。 14:24 中气旋核区直径为8 km，旋转速度约为22.6 m/s，仍属于强中气旋。 14:50中气旋消失，此时超级单体风暴减弱为普通风暴。

此次过程超级单体风暴持续约1 h， 其空间尺度大，中心强度强，加上绥棱县特殊地理位置，易形成强烈上升气流， 导致在风暴移动经过的地区形成冰雹、大风等灾害性天气。

3.3 垂直累积液态含水量（VIL）分布特征

对于作业部位的选择，在中低层，超级单体前进方向的右侧有一个持久的有界弱回波区（BWER），它的存在是强上升气流区的标志， 其内含有刚凝结成的云滴或小雨滴。此区域上升气流强盛，且粒子刚刚凝结，是适合高炮防雹作业的部位。 另外，超级单体风暴的悬垂回波具有供应冰雹胚胎的作用， 其形状似帘幕，称“胚胎帘”，因此也可在“胚胎帘”部位实施作业，播散足够剂量的催化剂，释放凝结核，抑制冰晶增长，消雹或降低冰雹的大小，以达到防雹的目的。

图5 2016 年6 月3 日14:24 不同仰角反射率因子、速度及垂直剖面

此次过程超级单体风暴在13:47 完全形成，14:24达到最强。 图5 给出了14:24 不同仰角反射率因子、速度及穿过最强中心的雷达回波剖面。此次过程超级单体风暴距伊春站（CC-型号） 雷达较远（120～130 km），已分辨不出低层超级单体风暴的钩状回波结构，但依然可以判断出入流区的位置，由东南方向进入风暴有界弱回波区成为上升气流， 从不同仰角反射率因子也可看到， 从低到高反射率因子向入流一侧（东侧）倾斜，表明低层弱回波区和中高层回波悬垂结构。

图6 垂直累计液态含水量最大值时间变化

4 冰雹防御分析

冰雹防御即人工防雹作业，实际工作中，防雹作业时机的选择以雷达实时跟踪监测云系演变情况为基础， 综合多种指标参数及雷达外推方法做出最后决定。在实际操作中，由于监测、空域申请、通讯等方面的环节较多， 发现跃增后及时将足量的催化剂送入冰雹生长区有一定的困难， 因此提前作业更容易掌握， 当冰雹云尚处于发展阶段且已经进入高炮有效射程之内时，虽然指标未完全达到，但预报有可能发展成冰雹云，就应开始作业。因此，此次过程中，在12:34 单体回波形成的阶段，也可在12:55 后多单体发展的阶段，应进行防雹作业。一旦超级单体形成，其作业难度就会大大加大。

近些年垂直累积液态含水量（VIL）是在冰雹云识别业务中应用次数最多的产品之一[16-19]。 国内有不少专家对VIL 在冰雹识别方面也取得了一定的成果[20-23]。分析此次降雹过程前后VIL 值变化（图6）可知，13:47 在多单体合并形成超体单体时VIL 值有一个跃增，从29 kg/m2跃增到58 kg/m2，跃增幅度达一倍。 合并成超级单体后VIL 值略有下降，13:53后VIL 开始增加， 至14:08 达到极大值67 kg/m2。14:10 双岔河镇开始出现了降雹天气， 降雹开始后VIL 出现了跃减，下降至39 kg/m2，但此时VIL 仍较大，而后5 min 保持稳定发展。 14:19 VIL 又开始出现增加，14:29 达到另一极值56 kg/m2， 跃增幅度相对较小。14:33 在上集、泥尔河等地出现了降雹天气，14:45 降雹过程结束后VIL 已降低至16 kg/m2，而后一直保持着较低的数值。

相应的垂直剖面上（图5b）展现了一个典型的超级单体结构特征， 可见回波顶高达13 km 以上，大于45 dBZ 强中心高度达8 km， 同时具有明显的有界弱回波区BWER（穹隆）和回波悬垂结构，以及有界弱回波区左侧的回波墙（最大回波强度梯度区），有界弱回波区水平范围约为6 km。

1.2.3 实施专家咨询 研究人员通过专家座谈、书面邮件和电子邮件函询的方式发放咨询表。共进行2轮咨询，每轮咨询都有具体的填写说明。第1轮的咨询结果通过研究组员讨论分析后，将修改结果及专家修改意见反馈给咨询专家，进行第2轮咨询。

由于超级单体的突发性强、移动速度快，对防雹作业形成了一定难度。因此，作业指挥人员的防雹理论的加强，冰雹云识别和作业指标的建立和完善，作业流程的简化，作业站点之间的区域联动，为有效的人工防雹提供保障。 本研究对冰雹短时预报和作业时机选择具有参考意义。

5 结论

利用常规天气资料、卫星及其反演云参数、雷达等综合观测资料，对2016 年6 月3 日发生在黑龙江省绥棱县一次超级单体风暴进行不同尺度分析，研究降雹成因及降雹特点，并对人工防雹进行分析，得

出如下结论：

（1）此次过程是高空冷涡与地面低压共同作用的结果，冷暖空气交汇、上干下湿不稳定层结配置及地面风速的辐合是此次冰雹过程的触发机制。

（2）分析卫星云图特征可知：冰雹云团呈椭圆形，发展迅速，云顶快速抬升，云高＞9 km 水平范围迅速扩大，形成明显的卷云砧；卫星反演的光学厚度、液态水路径等云参数在降雹前后发生明显的变化，对于降雹有一定指示意义。

（3）此次超级单体风暴表现出比较明显的雷达回波特征，回波呈椭圆形的单细胞结构，低层出现中气旋， 相应的垂直剖面出现明显的有界弱回波区（BWER）和回波悬垂结构；冰雹云中垂直累积液态含水量（VIL）在降雹前出现了跃增，跃增后＞50 kg/m2，且跃增时间比降雹时间提前10～15 min， 对冰雹短时预报具有一定的指示意义。

（4）由于实际作业操作环节较多，当冰雹云进入高炮有效射程之内，虽指标未完全达到，但预报有可能发展成冰雹云时，就应开始作业，在单体、多单体初始阶段就开始作业； 作业部位可选择在上升气流较强的有界弱回波区（BWER）和前悬回波区域。 同时当冰雹云团较大时， 可采取区域内多站点联合作业方式进行人工防雹。