一次致灾雹暴大气垂直结构、闪电活动及雷达回波特征分析

黄 钰，李 皓，曹 水

(1.贵州省冰雹防控技术工程中心，贵州 贵阳 550081；2.贵州省气象灾害防御技术中心，贵州 贵阳 550081；3.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081)

0 引言

新一代多普勒天气雷达能够连续监测云体结构和发展演变，是目前强对流天气监测重要的工具之一[1-2]。很多研究都表明多普勒雷达回波强度和回波顶高度的变化、垂直积分液态水含量等都对冰雹有很好的识别作用，并且在出现大冰雹之前雷达回波会出现诸如入流缺口、V型缺口、指状回波等形态特征[3-6]。除了雷达资料，也有不少研究者结合探空资料的特征参数区分不同的强对流天气类型，并且发现冰雹、雷暴大风一般伴随着较大的垂直风切变，0 ℃与-20 ℃层高度明显低于暴雨过程，同时850 hPa与500 hPa温差也较大，但是由于各地环境条件不一，不同类型的冰雹过程之间也存在差异[7-8]。俞小鼎提出对流层中层如果有较大干层存在则会降低冰雹融化层高度，并且直接导致大冰雹的产生[9]。贵州属于中低纬度高原，典型的喀斯特山地气候，由于地形因素导致雷达探测盲区的问题始终存在。闪电定位系统安装灵活，探测精度高，能弥补因山脉阻挡造成的雷达扫描盲区。闪电资料对强对流天气有一定的指示作用[10-11]，并且在不同类型的天气过程中体现出不同闪电活动特征，因不同地理位置、气象条件和海拔高度均可能引起放电特征的差异[12-15]。本文将雷达、闪电及探空等多种探测资料结合起来，对2018年贵州省境内一次超级单体引起的降雹过程(最大降雹粒径为5 cm)进行垂直结构、闪电活动特征分析,以弥补单一资料的不足，并尝试为强冰雹等强对流天气的预报预警提供参考。

1 雹暴实况及垂直结构分析

1.1 降雹分布

2018年4月4日傍晚，贵州北部和西南部分别受到单体雹暴的影响，产生多次降雹，为方便分析，将影响贵州北部的单体命名为单体A，影响贵州西南部的单体命名为单体B。15时07分单体A从云南镇雄自西向东移动进入贵州北部毕节市境内，随后一路东移，经过贵州毕节的大方县、金沙县和遵义的播州区，期间产生多次降雹，最大降雹粒径达50 mm(毕节、金沙、岚头)。15时08分，单体B在贵州西南部黔西南州兴仁县境内生成初始回波，自西向东偏北移动，最后移入安顺境内，期间产生降雹记录8次，影响黔西南兴仁县、贞丰县和安顺镇宁县，其中最大冰雹直径达20 mm(黔西南、贞丰、长田)，降雹、短时强降水及闪电分布如下图1所示，降雹情况详见表1。

表1 2018年4月4日贵州降雹概况
Tab.1Overview of Hail(2018.04.04)

雹暴降雹区域所属县冰雹出现时间冰雹直径/mm雹暴A(毕节—遵义)长石大方16∶5030果瓦大方17∶0115太平金沙17∶1530烂坝金沙17∶2310～15太平金沙17∶2520金塔金沙17∶3310～20平坝金沙17∶3320桂花金沙17∶3510大山大方17∶4010金沙县城金沙17∶5336龙坝金沙18∶1230茶园金沙18∶3015安底金沙18∶3235岚头金沙18∶3350木孔金沙18∶4810沙土金沙18∶5012荀江播州区18∶565三合播州区19∶005尚嵇播州区19∶255团溪播州区19∶465回笼习水20∶553雹暴B(黔西南—安顺)潘家庄兴仁17∶403大山兴仁17∶403回龙兴仁17∶5612长田贞丰18∶0520平街贞丰18∶115北盘江贞丰18∶255良田镇宁19∶005六马镇宁19∶115

1.2 大气垂直结构分析

该次过程单体A由云南入贵州境内并一路向东发展，单体B则由黔西南地区生成，省内探空威宁站靠近云南，贵阳站位于贵州中部地区，故结合贵阳、威宁两地探空资料进行分析。一般研究结果均认为较大的CAPE值、较强的垂直风切变、0 ℃层高度适宜，容易产生大冰雹。当日的探空资料及相关计算参量见表2、图2。从低层到高层的垂直温度递减率大，增大了层结的不稳定性，08时威宁的CAPE值并不显著，但随着午后气温上升，用地面14时温度进行订正后，威宁站对流有效位能CAPE达到2 195 J/kg、贵阳站达到2 323 J/kg，不稳定能量十分有利于强对流发展。冰雹天气发生的0 ℃、-20 ℃层区域为过冷水累积区，当两者之间厚度越小时，过冷水浓度越大，越有利于冰雹的形成，当日两站探空得到干球0 ℃层(英文缩写DBZ)的高度均在4.5 km左右，600 hPa附近，干球-20 ℃层高度均在7 km上下，400 hPa附近，这种高度适于冰雹生长。同时两处在700 hPa附近均存在逆温层，并且低层风向随高度顺转，为暖平流；中层风向(500～700 hPa)随高度逆转,为冷平流，深层(0～6 km)风矢量差分别为12.8 m/s、14.6 m/s，存在一定强度的垂直风切变，有组织成较强的多单体或者超级单体的条件。从水汽分布来看，两站点大致呈上干下湿的状态，并且中层均为明显干层，干冷空气被夹卷进入下沉气流，使得冰雹在该层表面温度会降到0 ℃以下而重新冻结，直到降落到大约湿球温度0 ℃层(英文缩写WBZ)附近冰雹才开始真正的融化[9]，通过估算冰雹融化层温度，均比干球温度 0 ℃层低了0.6 km、1.7 km左右，显著的降低了冰雹的融化层高度。此外，干空气的侵入还会进一步降低WBZ和地面间的平均温度，这是因为在对流中层产生了更强更冷的下沉气流，使得冰雹在下落过程中更不容易融化，这可能是此次超级单体引起了大冰雹产生的原因之一。

表2 探空资料特征参量(2018-04-04 08时)Tab.2 Partial Sounding data(2018-04-04 0800)

注：Shear 代表0～6 km风矢量差，表征垂直风切变，0 km采用高空观测最低层值，3 km采用邻近700 hPa观测值，6 km采用邻近500 hPa观测值；ΔT85为500 hPa和850 hPa温差，威宁海拔较高，以高空观测最低层值；ΔT75为500 hPa和700 hPa温差。

图2 4月4日08时威宁(左)和贵阳(右)T-lnP图Fig.2 T-lnp diagram of Weining (left) and Guiyang (right) (2018.04.04 08∶00)

2 多普勒雷达资料分析

2.1 雷达回波强度及发展高度

对于单体A，初始发展时刻回波中强度为25 dBz，回波顶高超8 km，回波自西向东以约35 km/h的移速不断移动增强，雷达回波顶高增高，回波中心强度增大，45 dBz及以上强度回波面积增大。图3a给出了雹暴A16时12分—19时57分之间0 dBz、45 dBz发展高度及回波最大强度随时间的演变，降雹之前最大回波强度有跃增，降雹前维持62.5 dBz较长时间，并在整个降雹阶段都维持高值，45 dBz回波高度在降雹阶段维持在8 km以上，超过了-20 ℃层高度，在降雹结束后呈明显下降趋势。回波顶高在降雹阶段保持高值，随降雹后明显回落，在17时45分接近20 km，说明对流十分旺盛，此时正好对应地面最大粒径降雹(岚头，50 mm)。结合图3b可以看到，单体呈现显著的“V”缺口特征，对流单体已发展为十分成熟的冰雹云，而雹暴A最早引起降雹是在16时50分，粒径达30 mm，这与旺盛的对流运动，较大的CAPE、垂直风切变，融化层高度(WBZ)较低均有密不可分的关系。对于单体B，回波自西向东北移动，移速约为40 km/h，图3c给出了雹暴B17时00分—19时15分之间0 dBz、45 dBz发展高度及回波最大强度随时间的演变，降雹之前最大回波强度也存在跃增，回波强度超过了60 dBz，并在整个降雹阶段维持，回波顶高在降雹阶段维持在8 km以上，也是超过-20 ℃层高度，45 dBz回波高度在降雹阶段维持在6 km以上，最大降雹点(20 mm)发生时间也对应着最强的回波发展，但是较雹暴A而言，对流发展相对较弱。整体上两个单体的大面积强回波中心所处高度均在6 km左右，均对应对流中层干层，大量的过冷水累积区。

图3 雹暴A 16时12分—19时57分0 dBz、45 dBz发展高度及回波最大强度随时间的演变(a)；16时44分毕节雷达探测出的“V”型缺口(b)；雹暴B 16时48分—19时15分0 dBz、45 dBz发展高度及回波最大强度随时间的演变(c)Fig.3 Evolution of 0 dBz, 45 dBz development height and maximum echo intensity of hailstorm A(16∶12—19∶57) (a); "V" notch detected by bijie radar(16∶44) (b); Evolution of 0 dBz, 45 dBz development height and maximum echo intensity of hailstorm B(16∶48—19∶15)(c)

2.2 垂直液态水含量及垂直液态水含量密度

垂直液态水含量VIL的阈值会随着地形、季节、个例特性的变化而改变，Amburn[16]提出垂直累积液态含水量密度 VILD，即垂直累积液态水含量与回波顶高度之比，经过大量个例研究得出当VILD值>3.5 g/m3对应强冰雹的可能性为90%，如果VILD超过4 g/m3，一般会产生直径超过20 mm的大冰雹。刘晓璐等也发现VILD、VIL的演变特征对于冰雹云的形成与衰减有较好的指示作用[17]。由图4可知，此次过程雹暴A、B在降雹前VIL、VILD都存在着明显的跃增，VILD峰值分别靠近10 g/m3及5 g/m3，均大于4 g/m3，实际也都产生了粒径>20 mm的降雹(雹暴A导致的降雹粒径最大50 mm，雹暴B对应为20 mm)。VIL在降雹阶段基本保持在60 kg/m2及40 kg/m2以上，雹暴A较B而言VILD整体上都维持着大于4 g/m3，并且VIL一直维持着高的水平，这是强降水发生的重要特征，结合个例当日的冰雹灾情信息，雹暴A引起的降雹持续时间很长，多地雹粒>20 mm，并且沿着冰雹移动路径多地产生了强降水，而雹暴B并未伴随强降水，降雹结束后VILD、VIL都呈明显的下降趋势。两者对降雹有一定的指示作用，VIL、VILD跃增后的陡降一般都是对应冰雹的降落，在出现跃增时可作为冰雹预警的一个指标，并且VILD值能够反映对流发展的高度，若VIL处于高值，同时VILD在出现高值后相对处于低值(但也保持着>3.5 g/m3)的状态，此时对大冰雹的指示作用将十分突出。

3 闪电活动特征

由于当日雹暴B并未伴随明显的闪电活动，所以雹暴过程的全闪活动分析主要针对雹暴A进行，雹暴A主要是在毕节(大方、织金)及遵义播州地区，对两地的闪电活动分别进行分析，首先需要指出的是雹暴A在毕节地区是降雹之后大概1 h有短时强降水，而遵义地区是降雹阶段就伴随着短时强降水。闪电的活动特征统计特征如表3所示，整体上还是以负闪为主，并且总闪频次较大的伴随着更强的短时强降水，但其正地闪比率不是很高，远低于冯桂力给出的山东地区冰雹过程中的正地闪比值57.4%[13]。很多研究结果也发现，一般伴随着降水的雹暴有更多的闪电发生，且以负地闪为主，这可能和整体云层垂直结构、温度分布、水汽含量都有关系，这也在一定程度上揭示了闪电的发生可能和VIL水平有一定的关系。同样对于同一地区在不同类型的降雹之间的差异也比较明显，将此个例播州地区的闪电活动特征与同地区2018年4月12日由局地强对流引起的降雹过程进行对比分析，2018年4月12日的过程未伴随降水，产生的冰雹粒径却达30 mm，总闪频次并不高但是正闪比率却很高，结合两个个例推断，强的独立对流单体、超级单体比起散的多单体一般更容易产生大冰雹，如果当时的水汽相对不充沛，即“干降雹”可能对应明显更高的正闪比率，如若伴随着强降水则负闪明显占据优势。

图4 雹暴A VIL、VILD随时间的演变(a)；雹暴B VIL、VILD随时间的演变(b)Fig.4 Evolution of VIL、VILD over time of hailstorm A(a) and hailstorm B(b)

表3 闪电基本活动特征Tab.3 Basic activity characteristics of lightning

国内外很多研究者对冰雹天气过程中闪电特征进行过统计分析，认为降雹过程具有较高的正地闪比例，且在雹云快速发展阶段，地闪频次存在明显的“跃增”现象，负地闪峰值出现通常提前0～20 min。图5给出了雹暴A2018-04-04、2018-04-12个例与降雹时刻对应的闪电频次分布曲线，基于闪电数据选取的合理性选取与雷达体扫时间间隔对应的闪电频次的统计结果，图中浅红色柱状代表首次降雹持续时间段，黑色箭头为降雹开始时间。大方、金沙降雹阶段都对应闪电频次高值，但正闪比率却是低值，反而在降雹前总正闪比率、正地闪比率都曾出现过峰值，并且在降雹后正闪比率都有再次增加的趋势。播州地区(2018-04-04)降雹粒径不大，并伴随着降水，闪电频次较高，而2018-04-12是由遵义当地局地对流产生的，发展很快，消亡很快，并未产生降水，频次很低。遵义地区的两次降雹也在降雹前出现了总正闪比率、正地闪比率的峰值，并在降雹后又呈上升趋势，但是降雹阶段都对应较低值。此外，闪电频次每5 min变化对应降雹也具有一定的规律性，在降雹时间点前闪电频次变化均出现不同程度的跃增，有个小峰值，并在降雹阶段呈现高值。不同冰雹天气过程闪电跃增幅度不等，但在每次降雹前均出现了正闪比率、正地闪比率的高值，并在降雹后再次增加，反而降雹阶段正闪较少，这与目前国内其他地区的研究结果并不一致，但是可以看出降雹前后的确存在着雷暴电荷结构的极性反转，具体电荷结构呈偶极性还是三极性的分布待更多的个例论证。

图5 金沙、大方2018-04-04(a)；播州2018-04-04(b)；播州2018-04-12(c)Fig.5 Jinsha、Dafang(a,2018-04-04);Bozhou (b,2018-04-04);Bozhou (c,2018.04.12)

4 总结与讨论

较大的CAPE值，明显的垂直风切变是层结不稳定的表征，高低空的温差能够反映对流层中层不同强度的冷空气对对流天气过程形成的影响，上干下湿的水汽分布条件下，中高层干冷空气的侵入更有利于强冰雹的产生和发展。此外，多普勒雷达回波低层PPI上也在降雹前出现了明显的“V型缺口”特征，降雹前最大回波强度及回波顶高特征参数值、垂直液态水含量VIL与垂直液态水含量密度VILD均对冰雹预警具有指导意义，超级单体VILD对大冰雹的指示的指示作用十分明显。

闪电频次每5 min变化、正闪比率对应降雹过程呈现较为规律的变化，并且伴随强降水的降雹过程闪电活动更为频繁，降雹前后雹云的确存在电荷极性反转，但在降雹阶段并不对应更多的正闪发生，这与目前国内的主要研究结果并不一致，可能与贵州独特的山地环境有关，冰雹等强对流天气过程的电荷结构分布可能有着自身的特点，这有待于进一步的研究。整体上结合多源探测资料对冰雹的识别可以弥补单一资料的不足，有重要的研究意义。