2018年陕西商洛一次罕见强雹暴环境条件及雷达特征分析

刘嘉慧敏，郑 然，梁 绵，张煦庭，娄盼星

(1.陕西省气象台，西安 710014；2. 四川省气候中心，成都 610072；3.陕西省气象科学研究所，西安 710014)

冰雹因其具有局地性、突发性和强烈性等特征，常常给农业生产和人民生命财产造成严重危害，一直以来都备受国内外研究人员的关注。充足水汽、不稳定层结、抬升机制和合适的0 ℃层高度等是雹暴发生发展需要满足的基本条件[1]。同时，天气尺度和中小尺度等系统对雹暴有综合影响，其中天气尺度系统对其发展有直接制约和影响作用[2]，故雹暴往往是在一些有利天气尺度背景条件下发生发展起来的[3-4]。

随着地面加密气象观测网的建设，新一代天气雷达成为冰雹等强对流天气最主要的探测手段[5-7]。郑媛媛等[8]和俞小鼎等[9]分别对一次雷暴大风伴随冰雹的经典超级单体风暴雷达观测特征和一次伴随极强龙卷的强降水超级单体风暴进行了全面深入分析。肖艳姣等[10]在研究一次切变线暴雨中尺度系统的多普勒雷达资料时发现低层切变线上的扰动与地面降水加强关系密切，切变线上的中尺度辐合线附近往往有中尺度回波形成，是造成暴雨的主要系统。朱君鉴等[11]分析出新一代天气雷达的冰雹指数、中气旋、垂直积分液态含水量(VIL)等产品及多普勒特征对冰雹有较好的识别和预报能力。前人研究表明当有强雹暴发生时，雷达反射率回波会伴有钩状回波、有界弱回波区、悬垂回波结构和三体散射特征等[12-13]。大量气象学者通过收集多年降雹资料和相应的雷达探测资料，建立了超级单体的流场概念模型和中气旋模型，总结得出许多本地化预警指标[14-15]。这都为冰雹等灾害性天气监测和预警发挥了重要作用。另外，由于具有对强天气的识别跟踪功能，近年来多普勒天气雷达提供的VIL产品被广泛应用。上世纪80年代末，VIL就应用在美国的WSR-88D多普勒雷达中，成为有效判别降水及其降水潜力、强对流天气造成的暴雨、暴雪和冰雹等灾害性天气使用率较高的工具之一[16]。根据美国400多个冰雹事件统计发现，冰雹直径随着VIL值增大而增大，VIL在45 kg/m2以上的风暴一般可产生1.9 cm以上的冰雹，55 kg/m2以上的一般可产生3 cm以上的冰雹[17]，因此一旦临界值被确定，可用于判别带有大冰雹的风暴。在国内，众多气象学者将VIL值的跃增作为雹暴天气的预警指标。付双喜等[18-19]把VIL作为判别冰雹的工具之一，在甘肃人工防雹作业中进行了应用。王炜等[20]运用VIL对天津地区的强对流天气过程进行了分析总结，并利用多元回归的方法建立了预报方程。李薇等[21]提出了VIL分层，并对各种天气上下层的VIL分布进行了分析，这些研究在实际应用中均取得了不错的效果。

西北地区是我国冰雹的多发区，据近41 a的资料统计表明，西北地区的平均冰雹日数在0～20 d之间[22]。特别是在1970—2015年期间，西北地区和青藏高原地区区域平均单次降雹持续时间均呈现显著的上升趋势[23]，这无疑给强对流预报带来了巨大挑战。王若升等[24]研究指出在干旱半干旱地区，“溃变理论”和V-3θ图预报工具对冰雹天气具有一定的预报能力，可作为短期预报一个可靠的参考工具，但冰雹的临近预报预警仍然是强对流业务中面临的重要难点和挑战之一。另外，西北地区地势复杂，对于不同海拔，冰雹在环境方面的特征及其差异大小、演变机制仍然不甚清楚，以上这些均是迫切需要解决的问题。

2018年5月15日下午，陕西商洛市商南县遭受强对流风暴的袭击。强对流开始于14时左右，商南县持续40 min左右强降水。14:40—14:55，城区突降特大冰雹，降雹量大，观测到的冰雹直径最大为55 mm，达近十年之最，实属罕见，部分站点还出现短时强降水和雷暴大风。受强对流天气影响，据初步统计，有5 700多户群众不同程度受灾，灾害造成经济作物受灾面积610 hm2，商南直接经济损失达数千万元。此次强烈雹暴天气出现在距离商洛雷达东南侧约100 km。本文通过分析此次强雹暴的发生发展演变特征，研究其产生的环境条件和雷达特征参数变化，以期提高陕西强冰雹天气临近预报预警能力。

1 资料和方法

本文使用的资料：(1)2018年5月15日地面、高空常规气象观测资料，加密观测资料；(2)NCEP/NCAR逐日4次1°×1°的FNL全球再分析资料；(3)商洛新一代多普勒天气雷达产品。基于天气学分析、物理量诊断和时滞相关分析方法，以期总结预报着眼点，为此类特殊强对流天气的预报提供参考。

2 天气背景及环境条件分析

2.1 环流形势

此次强雹暴天气是在大、中尺度天气系统和中、高纬环流相互作用的背景下产生的。强雹暴发生前，15日08时，200 hPa(图略)上商洛处于急流出口区左侧，具备有利于强对流发生发展的高空辐散条件。500 hPa(图1a)河套东部有一宽广的低槽，在陕西中部形成低涡，对应-8 ℃冷中心，陕西商洛处于低涡底前部西南气流中。700 hPa(图略)商洛处于低空急流左前方，增强低层动力抬升，同时暖湿水汽不断向这里输送，商南温度露点差小于3 ℃，空气接近饱和。850 hPa(图略)上商洛为24 h正变温区，正好对应500 hPa上24 h负变温区，850 hPa与500 hPa温差达27 ℃，温度直减率较大，冷平流叠加在暖平流之上，形成了上干冷、下暖湿的不稳定层结。同时，850 hPa商洛存在显著湿区，商南比湿达到12 g/kg。

午后14时(图1b)，500 hPa河套低涡仍然维持，商南处于低涡底部，不断受到其底部弱冷空气扰动影响，有利于加大大气不稳定度。地面图上(图1c)，陕西大部处于内蒙东部气旋南侧暖区中，商洛上空并未有明显的天气尺度辐合抬升。地面升温明显，14时商南站的气温已升至31 ℃(图1d)，表明不稳定能量在不断积累，低层强烈加热和高空干冷大气使得上空不稳定层结加剧。

图1 2018-05-15 500 hPa形势场(实线为等高线，单位为dagpm；虚线为等温线，单位为℃；a 08时,b 14时)、海平面气压场(c 14时，单位为hPa)和商南站气温逐时演变(d)(黑色实心圆为商南位置)

2.2 环境条件

2.2.1 不稳定条件 大气稳定度和热力条件对雷暴能否发展有着十分重要的作用。由于商洛站没有探空资料，选取08时距其最近的卢氏站(商南东北侧，距离商南站约100 km)探空资料(图2a)可见，近地面存在逆温，有利于进一步加聚不稳定能量的积累。从风暴各项对流参数来看，08时K指数、SI指数已分别达到41 ℃和-5.48 ℃，(K>32 ℃，SI指数在-4～0 ℃之间)，850 hPa与500 hPa假相当位温差为-17.07 ℃，均指示大气具有较强的不稳定性。CAPE值为378 J/kg，虽然强度不大，但根据实况午后商洛站气温升高至31.6 ℃，将其对08时探空资料进行订正后，CAPE骤增至2 626.4 J/kg。同时从14时850 hPa与500 hPa温度差分布(图2b)可见，商南地区二者温差可达30 ℃以上，说明白天的热力不稳定性显著增大，有利于对流发展。反映动力条件的最大上升速度达到28 m/s，强烈持久的上升气流对产生冰雹非常有利。前人研究指出，发展旺盛的雹暴多出现在中等到强的垂直风切变环境下，08时卢氏站0～6 km垂直风切变强度为14 s-1，为中等强度，且700～300 hPa风向几乎一致，有利于积雨云的上升气流和下沉气流变成有组织的两股对峙的倾斜上升气流和下沉气流，形成持久的组织化风暴。另外，强冰雹的产生还需要有合适的0 ℃层和-20 ℃层高度。08时0 ℃层高度为4.3 km，-20 ℃层高度为7.5 km，这也为冰雹的生长提供了非常有利的环境条件。

2.2.2 水汽和动力条件 水汽是强对流天气发生发展的重要条件。从850 hPa水汽通量及其散度场(图3)上可以看出，强雹暴发生前，08时(图3a)水汽主要是从孟加拉湾经云贵高原向江淮地区输送，商洛大部水汽通量散度辐合不强。到了14时(图3b)，水汽通道偏北分量增强，商洛水汽通量辐合强度迅速增大，辐合中心值达-3×10-5g/(cm2·hPa·s)以上，水汽条件较08时明显转好。

图2 2018-05-15T08 卢氏站探空图(a)、2018-05-15T14 850 hPa与500 hPa温度差(b,单位为℃)

图3 2018-05-15 850 hPa水汽通量(箭头，单位为g/(cm·hPa·s)；阴影为散度，单位为10-5 g/(cm2·hPa·s)；黑色实心圆为商南位置；a 08时，b 14时)

从强雹暴区(33.4°N)垂直速度的高度-经度垂直剖面(图4)可以看出，14时强雹暴发生区上空几乎整层为一致上升运动(除500 hPa附近呈弱下沉运动)，最大上升运动区在700～600 hPa之间，垂直上升速度可达-40 Pa/s以上，强雹暴发生前动力条件非常好。同时，注意到在近地面层也存在很强的上升运动，这对强雹暴的触发提供非常有利的条件。

图4 2018-05-15T14垂直速度沿纬向剖面33.4°N剖面(单位为Pa/s)

2.3 近地面层触发条件

以上分析表明商南上空热力条件和不稳定条件较好，具有很好的对流发生发展的环境和产生冰雹的潜势，而强对流的发生发展需要外强迫触发。从地面加密资料(图5a)分析来看，在强冰雹发生前，午后太阳直射山区增温明显，14时商南地区大部地面气温迅速升至30 ℃以上，由于海拔相对周边较高，植被较少，太阳辐射强，商南中部气温达到最大，中心值达32 ℃以上。从商南站08—14时24 h变温演变(图5b)来看，由于夜间辐射冷却作用，商南上空大气出现明显逆温，08时商南站相较前一日08时气温偏高5 ℃。此后随着太阳辐射加强，逆温逐渐减弱消失，但商南站24 h变温仍呈正值，特别是在13—14时24 h变温存在小幅度回升，表明雷暴发生前局地增温显著，这将加速不稳定能量积累。

结合商南地区12—14时逐小时风场(图6a-c)和08—14时商南站3 h变压演变(图6d)来看，09时商南站3 h变压呈弱上升，之后显著下降。在12时商南中部就存在一条地面辐合线，随着3 h变压不断下降，13时商南中部的地面辐合线仍稳定维持。到了14时，商南站3 h变压降至最低，达-1.8 hPa，辐合线两侧1 h风速也明显加强，气流辐合强度加大，因而在该地面辐合线辐合最强的青油河一带触发了对流风暴A生成，配合高空引导气流沿辐合线东移，并迅速加强发展为超级单体。该地面中尺度辐合线较强对流发生前2 h左右就已存在，之后两侧风速加强，气流辐合强度加强，从而触发了对流不稳定能量的释放，产生强对流。

图5 2018-05-15T14时商南地区气温(a，单位为℃)、08—14时商南站24 h变温演变(b)

图6 2018-05-15商南地区12时(a)、13时(b)、14时(c)风场分布(单位：m/s，五角星为风暴A初生地)、08—14时商南站3 h变压演变(d)

3 地形作用

强风暴的形成与发展和局地地形有重要关系。商南境内地势西南部和北部较高，中东部较低，呈掌状扇形向东南方倾斜的“喇叭口”地形，偏南暖湿气流所带来的水汽和热量在西部迎风坡堆积，导致其上空对流不稳定性增强，中尺度辐合线附近出现小尺度扰动。陈双等[25]进行复杂地形条件下雷暴下山增强机制研究表明，由于地形抬高了冷池出流高度，冷池出流叠加在低层暖空气之上使对流不稳定增强，同时冷池出流形成的负涡度与低层切变产生的正涡度达到近似平衡状态，有利于雷暴的下山增强。这在图7得以验证，风暴A在清油河一带生成(如图7a)，该处地势海拔相较四周高，之后风暴A沿辐合线下山向商南城区移动，随着地势逐渐降低，风暴A组合反射率(CR)不断增大(图7b)，强度不断增强，直至下山至河谷地带(14:12附近)，CR增至最大，达到68 dBz。加之午后显著升温，在不稳定层结和较强的垂直风切变作用下迅速发展为强雹暴，可见地形的下坡有利于风暴A的加强发展。

图7 商南地形分布(a，五角星为风暴A初生地)、2018-05-15风暴A下山时段组合反射率随时间演变(b)

4 风暴演变过程中的雷达回波分析

强对流天气具有尺度小、突发性等特点，在大尺度分析和预报中，很难准确把握局地强对流天气的发生和发展。前文分析指出，本次商洛市商南县强对流受高空天气尺度系统影响外，受到下垫面局地热力和动力条件的影响更为关键。以下进一步探讨雷暴发展中雷达回波演变特征。

4.1 风暴演变过程

由地面辐合线触发的风暴A生成后不断加强发展东移，同时受到出流边界的影响，在风暴A移动前侧不断有新雷暴生成。由图8可见，14:18风暴A超过55 dBz的回波面积较前一时次明显增大，钩状回波已初步形成。14:24强回波面积继续增大，回波中心强度已达60 dBz。14:29风暴A回波的钩状结构已非常明显，对应后侧入流，回波中心强度已达65 dBz，此时商南地区还未开始降雹。14:35风暴A中心最大强度达65 dBz以上，最大反射率因子面积较前一时次明显加大，风暴迅速发展，同时伴随明显的三体散射长钉，已发展为超级单体风暴，商南城区附近已出现降雹，其北侧有B、C对流单体生成。之后风暴A三体散射特征继续维持，回波中心强度并无衰减，中心强度最大依旧为65 dBz以上，14:41雹云回波顶高达12 km，钩状回波特征明显，风暴A强度达到最大，发展相当旺盛，城区降大冰雹。此时，风暴A北侧的B、C对流单体迅速加强发展，C对流单体最大反射率因子较前一时刻骤增至50 dBz，并逐渐与B单体合并。14:46二者合并后中心回波强度迅速升至60 dBz以上，这造成了商南北部曹营站短时强降水，10 min降水量达9.4 mm。直至14:58风暴A东移移出商南境内(图略)，至此商南境内降雹结束。在速度图上(图9)，14:29对应风暴A钩状回波处可以明显看到一支后侧入流，其与出流气流形成气旋性旋转的正负速度对，旋转速度达20 m/s。14:35入流径向速度加大，气旋性旋转辐合加强，中心旋转速度增至25 m/s，表明风暴A中上升气流开始加强，呈类似中气旋特征，维持了两个体扫，同时伴有明显的三体散射特征。之后，14:58风暴A入流强度明显减弱，旋转速度强度减小，三体散射特征消失，风暴A移出商南境内。

综上可见，造成商南强冰雹的对流风暴正是强对流风暴A，中心最大反射率因子长时间维持，整个降雹过程持续了约20 min。在此期间，对流层平均层风向为西南向，风暴A的移动风向介于雷暴传播方向与平均层风向之间。

图8 2018-05-15商洛雷达1.5°仰角的反射率因子分布

图9 2018-05-15商洛雷达1.5°仰角的基本速度分布

4.2 风暴垂直结构

为了深入分析风暴A的发展演变，在风暴A发展旺盛时段进行剖面，分析风暴A的垂直结构。由图10可见，在反射率因子剖面图上，可以清楚地看到风暴A存在回波穹窿，与低层钩状回波入流缺口的有界弱回波区相对应，说明有强上升气流存在。风暴前侧对应着明显回波悬垂，且中层回波中心超过65 dBz，55 dBz回波高度伸展9～12 km，远高于当天-20 ℃层高度(7.6 km)，甚至-30 ℃层的高度(9 km)，说明在冰雹增长层-30～-10 ℃存在丰富的过冷却水滴，非常有利于大冰雹的产生。从径向速度垂直剖面可以看到，在风暴入流一侧存在一支很强的斜升气流，并从上部流出，这支强烈的上升气流为风暴输送水汽，维持风暴的发展，并且其托举作用能够使小冰粒长成大冰雹；另外有一支干冷的下沉气流从风暴后部中层流入，从风暴的底部流出，形成地面雷暴高压和冰雹落区。前侧强上升和后侧下沉气流错开，互不妨碍又相互促进，这是风暴流场自组织的一种机制或自维持结构，两股气流在3 km附近强烈辐合，有利于强上升气流发展。从垂直液态积分水含量(VIL)来看(图11)，刚开始降雹时风暴A 中VIL中心已迅速增至65 kg/m2，在风暴A发展最强盛时中心强度增至70 kg/m2，这远远超过商洛地区冰雹预报指标，表明降大冰雹的可能性很大。

进一步，图12给出了商南站上空风暴A在发展最强时刻(14:46)反射率因子垂直分布廓线，以及商南站上空22 min(14:24—14:46)平均反射率因子垂直分布廓线。由于商南站距离商洛雷达有近100 km，因而在雷达0.5°仰角上商南站最低探测到的回波高度为2.4 km。由图可见，在风暴A发展最强时刻(14:46)，反射率因子在垂直方向上呈先增大后减小分布。在低层反射率因子已达45 dBz以上，随着高度增加回波强度继续增大，在7 km附近存在回波极大值，最大反射率因子达65 dBz以上，之后回波强度开始减小，直至18.3 km高度处，反射率因子仍有13 dBz，可见风暴A发展是相当旺盛的。从商南站上空22 min平均反射率因子垂直分布廓线来看，其分布型与前者基本一致，在7 km附近也存在回波极大值区，回波强度达到近60 dBz，回波伸展高度高，表明强风暴A发展迅速，维持时间较长。

图10 2018-05-15T14:46商洛雷达反射率因子(a，沿雷达径向128°)、径向速度(b，沿雷达径向115°，箭头代表气流方向)剖面

图11 2018-05-15商洛雷达垂直液态积分水含量(a 14:41,b 14:46)

图12 2018-05-15T14:46商南站上空反射率因子垂直分布廓线(实线)、2018-05-15T14:24—14：46平均反射率因子垂直分布廓线(虚线)

5 强风暴特征参数演变

前文分析表明，随着强雹暴的迅速发展，其各项特征指数呈现出独有的特征。其中，由大量观测实践验证，VIL跃增对大冰雹有较好的指示作用。由图13可以看出，随着最大反射率因子(DBZM下简称Zm)增大，VIL也在增大。出现冰雹之前，VIL值有两次明显的跃增。13:38风暴发展初期VIL仅为2 kg/m2，此时风暴高度还不到3 km，经过5个体扫后VIL值迅速增至56 kg/m2，风暴顶高度迅速向上伸展至9 km。经过一个体扫后风暴VIL值又迅速增至70 kg/m2，反映了云体内冰雹粒子在生长区正迅速碰并长大。此后VIL值缓慢增长，维持在70～80 kg/m2，风暴发展高度达到10～12 km，雹云发展非常旺盛，雹云内的冰粒已经充分长大，对应商南地区特大冰雹。直至15:00左右，VIL值突然下降到60 kg/m2，云内水汽含量急剧下降，商南降雹趋于结束。由此可见，降雹前约10～15 min，商南地区VIL值一个体扫内跃增量达20 kg/m2，这为冰雹的预警提供了有价值的信息。而VIL值出现多次跃增是由于雹块降落后上升气流又占据主导地位，使得生长区较小的冰雹得到进一步增长，使VIL值有所增大，这也是雹云得以长时间维持的重要原因。

近几年有研究指出，相较于VIL，VIL密度的演变更能细致地反映雹云的快速增长过程。Amburn and Wolf[26]定义VIL密度为VIL与风暴顶高度之比，以提醒预报员大冰雹与周围气块的特性密切相关，VIL密度增大时，冰雹核会增大，风暴变得更剧烈，并指出90%雹暴的VIL密度≥3.5 g/m3，而几乎所有VIL密度≥4.0 g/m3的风暴都会产生直径≥2 cm的冰雹。Hart[27]等证实了VIL密度对预报大冰雹天气有较好的指示作用。目前国内也有不少气象工作者通过分析VIL密度跃增的阈值来作为大冰雹的临近预报指标[28-29]，但其与VIL在极端强雹暴发展演变过程中的具体对比和判据优势研究较少，在西北地区强对流天气中的应用研究也相对较少。就此次过程，本文发现伴随VIL值两次明显的跃增，VIL密度变化几乎与之同步(图13)。第一次跃增时VIL密度达到6.1 g/m3，略有减弱后又迅速增至7.2 g/m3，达到最大，此后VIL密度维持在7 g/m3左右，直至降雹结束而减弱。本文在风暴A整个发展演变过程(13:38—16:41)中将VIL和VIL密度分别与最大反射率因子Zm做时滞相关(图14)。结果发现在同期时，二者均与Zm呈显著正相关关系，VIL与Zm相关系数达0.88，略高于VIL密度与Zm相关系数。而在提前6 min、12 min、18 min、24 min时，虽然二者与Zm相关系数均在减小，但VIL密度与Zm相关性明显要高于VIL与Zm相关性，即在超前不同时刻，VIL密度与Zm的相关系数都高于后者。特别是在提前24 min时，VIL密度与Zm的相关系数为0.45，仍通过了0.01信度检验，这表明相较VIL的跃增，VIL密度的变化能更好地提前指示大冰雹，可作为商南大冰雹一个超前的显著预警指标。由于此次突降大冰雹在商南地区较为罕见，前人总结的商洛地区冰雹各项潜势预报指标具有一定局限性，因而可用VIL密度值明显跃增至5.5 g/m3提前24 min预警大冰雹。

为了进一步验证VIL密度阈值的预警效果，选取了陕西2015年以来不同强度的冰雹过程。由表1可见，对于不同强度的的冰雹过程，雹暴最大反射率因子几乎都超过60 dBz，VIL值几乎都超过45 kg/m2，VIL密度几乎均在5.0 g/m3以上。特别是对于佳县和安塞的大冰雹过程，最大VIL密度均超过6.0 g/m3，对于清涧和神木中等强度冰雹过程，最大VIL值分别仅为31 kg/m2和34 kg/m2，VIL密度却有很好的指示作用。因此，VIL密度跃增对于不同强度的冰雹过程有较好的指示作用。同时，可结合强风暴反射率因子中心值超过60 dBz，VIL值超过45 kg/m2加以补充和完善陕西冰雹预警指标。

图13 风暴A的VIL、VIL密度、回波顶高度(TOP)、最大反射率因子(DBZM)随时间的演变

图14 风暴A的VIL、VIL密度与最大反射率因子同时刻、超前相关系数

6 结论与讨论

(1)此次发生在商南地区的强冰雹天气，其有利的环境背景是500 hPa河套东部低槽与地面气旋暖区相配置，上下层热力平流的差异使原来上干下湿的不稳定层结更加不稳定，加强了地面辐合以及不稳定能量的积累。地面中尺度辐合线的加强触发了对流，高空急流的强辐散作用有利于低层的辐合上升运动，较强的深层垂直风切变使得对流云团发展成超级单体风暴。

表1 2015-2017年陕西6次冰雹天气过程雷达参数特征

(2)有利的地形、地面中尺度辐合线的动力抬升作用是超级单体风暴发生发展和维持的重要原因。

(3)此次强对流风暴发展迅速，中心最大反射率因子长时间维持在65 dBz以上，呈钩状回波，并伴有三体散射长钉。雹暴发展非常旺盛，最大VIL值高达77 kg/m2，回波伸展高度至12 km左右，远超过当天-20 ℃高度，冰雹增长层存在丰富的过冷却水滴，有利于大冰雹的产生。强雹暴在3 km附近强烈辐合，中心存在气旋性旋转的正负速度对，旋转速度达25 m/s，有利于强上升气流发展。

(4)VIL值和VIL密度的跃增可用作大冰雹的预警指标，但相较VIL的跃增，VIL密度的变化能更好地提前指示大冰雹，可用VIL密度值明显跃增至5.5 g/m3提前24 min预警大冰雹，作为商南大冰雹一个超前的显著预警指标。同时，可结合强风暴反射率因子中心值超过60 dBz，VIL值超过45 kg/m2补充完善预警指标，进一步提升陕西冰雹预警能力。

(5)值得注意的是，商洛地区地形结构复杂，此次大冰雹过程罕见，突发性、致灾性很强，本文对于地形对强风暴影响的分析，只给出了初步定量分析，后期有待进一步深入研究。