浙江“03.21”致灾强冰雹的超级单体风暴过程分析

吴福浪 董群 白松竹 肖王星 张晶晶 沈欣

(1.中国民用航空宁波空中交通管理站,浙江 宁波 315154;2.宁波市北仑区气象局,浙江 宁波 315826;3.新疆哈密市气象局,新疆 哈密 839000;4.宁波市气象局,浙江 宁波 315012)

0 引 言

冰雹是浙江地区春夏季主要的灾害天气之一,常给当地农业生产带来严重危害,甚至造成人员伤亡。但因其局地性、突发性强,对冰雹的预报和预警成为短时临近预报中的难点。近年来,随着加密地面气象观测站网的建设,利用新一代天气雷达对冰雹等强对流天气的监测和分析已取得不少成果[1-4]。黄晓龙等[5]对浙江台州一次大范围冰雹过程的分析表明,0～6 km垂直风切变较大有利于冰雹类强对流的发生。陈秋萍等[6]对比分析了福建两次强降雹超级单体的特征,发现降大冰雹前雷达回波上均出现了三体散射长钉回波和弱回波区。戴建华等[7]利用双风廓线仪对比观测分析了上海一次飑前强降雹天气过程,发现在超级单体发展的低空风场环境中具有较大的垂直风切变和风暴相对螺旋度,不同仰角三体散射长钉径向速度值可用于揭示降雹区、大冰雹增长区、上升气流分布和强度等重要信息。刘晓璐等[8]基于多普勒雷达产品,对比分析了24块冰雹云与强对流样本的雷达回波特征,结果表明，将45 dBz回波顶高超过-10°C层作为川西南山地的冰雹雷达预警指标，具有较好的指示作用。赵俊荣等[9]利用C波段多普勒天气雷达,详细分析了石河子一次雹暴的雷达回波演变特征,发现强冰雹发生在有界弱回波区、垂直累积液态水含量大值区和中气旋重合的区域内,用中气旋可提前30 min预警短时冰雹。李德俊等[10]详细对比分析了恩施地区7次强冰雹和8次短时强降水天气过程的雷达产品特征,并在此基础上总结出适用于恩施地区的强冰雹和短时强降水预警指标。不少气象学者从环流形势、层结条件、抬升机制、雷达回波特征等入手,对浙江地区的冰雹天气过程进行研究和总结,并提炼出适用于浙江地区强冰雹的临近预警指标[11-15]。

以上研究都取得了较好的成果,对冰雹等灾害性天气监测和预警发挥了重要作用，但多数研究是基于单部多普勒雷达监测产品,受探测距离以及分辨率的影响,利用单部多普勒雷达监测产品研究大范围强对流的雷达回波结构特征会存在一定局限性。本文利用区域自动站数据、NCEP再分析资料以及衢州市、杭州市和宁波市3部多普勒雷达监测产品,对2019年3月21日浙江省的一次强雹暴天气的环境条件和雷达回波结构演变特征进行详细分析,以期为今后相似天气背景下强冰雹的临近预报、预警提供思路和方法。

1 资料来源

该次致灾强冰雹的研究采用浙江省区域自动站加密资料、多普勒雷达监测资料和NCEP再分析资料。浙江省自动站加密资料为逐5 min资料,其中还包含交通站、水文站、电力站、水文流域站等数据,天气要素涵盖风向、风速、温度、降水量等。多普勒雷达监测产品采用衢州市(型号CINRAD/SB)、杭州市(型号CINRAD/SA)和宁波市(型号CINRAD/SA)S波段多普勒天气雷达的体扫基数据,约每6 min扫描一次,最大不模糊速度为27 m·s-1,最大探测距离为460 km。NCEP再分析资料时间分辨率为6 h,空间分辨率为1°×1°,包含71个变量,分为五大部分：(1)等压面资料7要素;(2)地面资料11要素;(3)地面通量资料39要素;(4)对流层顶资料2要素;(5)其他通量资料12要素。

2 天气实况及灾情

2019年3月21日06时(北京时,下同)开始,浙江省自西向东出现了较大范围雷雨大风、局地短时强降雨和强冰雹等强对流天气。06—14时浙江省共有46个站点累计雨量超过50 mm,达到暴雨级别。138个站点出现8级以上雷暴大风(风速≥17 m·s-1),最大风速出现在开化县城区气象站,达到12级。开化、义乌、东阳、磐安、新昌、天台、宁海和象山等先后出现密集冰雹,冰雹最大直径超过20 mm,达到大冰雹尺度,多地气象台发布了冰雹橙色预警。此次强冰雹天气给浙江省的农业、电力设施、通信、市政、建筑、交通及旅游等带来了严重影响,城乡多处受灾,多个农业大棚设施、民房屋顶等受损,其中衢州市开化县芹阳办事处汶山村口一长廊倒塌,造成1人死亡,4人受伤送医。

3 天气背景及环境条件分析

3.1 天气背景

从21日08时的常规资料形势场分析可知,850 hPa形势场上长江以南大部分地区为显著湿区,具备对流天气发展的基本水汽条件;同时500 hPa上在该区域存在温度露点差>15°C的干舌区。浙江省的(T850 hPa-T500 hPa)>24°C,上冷下暖,温度直减率较大。从配置细节上看,浙中南沿海地区为“上干冷下暖湿”的不稳定系统叠加地区,具有较好的不稳定条件。

从抬升及垂直风场条件来看,200 hPa上高空急流轴穿过湖南、江西,浙江中南部地区位于急流轴右侧,具备有利于强对流发生发展的高空辐散条件[16]。500 hPa上四川至云南地区有一冷槽,江南地区受槽前西南气流控制。700 hPa和850 hPa上从江西到浙江一线存在一条西南气流大风速带,与500 hPa上南支槽前的西南急流几乎重叠,表明该地区存在深厚的垂直风切变,在不稳定层结和水汽具备的条件下有利于对流系统的维持和增强;同时850 hPa上江南地区一条准东—西向的切变线与浙江省中部区域东北—西南向的切变线构成一“人”字形切变线,表明浙江省中部低层存在水平辐合,这种高空强烈辐散低空辐合的流场配置使得大气强烈不稳定,具有较强的垂直风切变和大气抽吸作用,有利于垂直上升运动的迅速发展。从上述条件来看,浙江地区相比其他地区处于最有利于强风暴发展的天气形势下。

3.2 环境条件

随着西南暖湿气流加强,各地气温持续升高,2019年3月20日浙江省大部分地区最高气温突破25°C,刷新2019年入春以来最高纪录,露点温度达到21°C,天气闷热潮湿。

由于宁波没有探空资料,因此选取对流移动路径上邻近的洪家站来估计浙江省上空的大气层结状况。从2019年3月21日08时洪家站探空图(图略)可知,850 hPa以下温度露点差很小,空气接近饱和,湿度层厚度为1.5 km,大于中国大冰雹平均值厚度[17]。850 hPa以上温度露点差逐渐变大,特别是500 hPa以上,温度露点差增大至15～30°C,说明对流层中上层有干空气入侵,上层干、下层湿的层结配置有利于气层不稳定性增大。由于21日凌晨至08时,洪家站上游已经有对流发展,消耗了一定的对流有效位能,因此对流有效位能不是很大,DCAPE值达到840.32 J·kg-1,对雷暴大风和冰雹的发生非常有利[18]。在强垂直风切变环境中,动力效应可以加强上升气流的强度,上升运动能在较小至中等的CAPE值中得以发展。潘晓滨等[19]对冰雹云的研究表明,比较强烈的冰雹云多出现在中等至强的垂直风切变环境中,垂直风切变矢量差为20～30 m·s-1。洪家站0～3 km垂直风切变达到17 m·s-1,属于中等强度垂直风切变;0～6 km深层垂直风切变超过30 m·s-1,为强垂直风切变。强的深层垂直风切变存在较大的水平涡度,产生风暴内垂直涡度,从而有利于超级单体发展。强冰雹的发生还需要有合适的0°C和-20°C层高度,08时洪家站点0°C和-20°C层距离地面高度分别为3.8 km和7.0 km,是有利于雹云发生和发展的高度。

综合以上分析表明,3月21日08—12时浙江省大范围的冰雹天气过程是在高空急流轴右侧和低层切变线相重叠的区域发生和发展的。低空西南急流为对流区输送暖湿气流,高空辐散、低空辐合的流场配置有利于位势不稳定层结的建立,较强的抽吸作用为强对流提供了有利的动力抬升条件;0～6 km强垂直风切变有利于强对流维持和发展。

4 多普勒雷达特征分析

从上述分析可知,此次强冰雹天气的发生已经具备了有利的环流背景和温湿条件。对流回波于21日凌晨在江西省境内生成,此后沿着850 hPa切变线自西向东移动,于21日06时左右进入浙江省衢州市。21日06—08时对流系统以飑线形态移动和发展,08时之后对流系统以强对流单体和超级单体形态移动和发展,12时之后超级单体移动至海上减弱,对浙江省影响结束,整个超级单体过程影响时间约为4 h。下面利用杭州和宁波站S波段雷达,着重对发生在金华、绍兴、台州和宁波地区的强冰雹天气的超级单体多普勒雷达回波演变特征进行分析和探讨。

4.1 超级单体演变过程

3月21日08时之后,强对流单体移动进入金华市。08∶36强对流单体加强为超级单体,最大反射率因子达62 dBz,位于杭州雷达站西南约120 km。同时径向速度图上(图略),相应位置开始出现中气旋,旋转速度约为16 m·s-1,按照美国国家强风暴实验室规定的中气旋判据属于中等强度中气旋。08∶47超级单体移动至义乌,最大反射率因子达60 dBz,呈现出“肾状”结构。08∶58超级单体移动至东阳,最大反射率因子达66 dBz,超级单体前进方向右前侧出现弱回波区WER。09∶15超级单体移动至磐安,呈现出弓形回波特征。受超级单体影响,08∶47—09∶15义乌佛堂镇、东阳市、磐安县先后出现直径为5 mm左右的冰雹。

10∶06超级单体进一步发展加强,位于新昌东南约20 km,1.5°仰角60 dBz以上强回波区出现了明显的钩状回波,钩状回波是超级单体在PPI图上常见的特征之一。最大反射率因子出现在钩状回波西南侧,达68 dBz。超级单体前进方向左前侧出现V形缺口,表明有较强的暖湿气流进入上升气流区,有利于超级单体的维持和发展。后侧出现弱回波通道,表明超级单体后侧存在强的下沉后侧入流急流,实况为地面出现了破坏性大风。10∶06径向速度图上,与超级单体相对应的位置存在尺度约20 km的中气旋,旋转速度约为16 m·s-1,距离宁波雷达站位置90 km,属于中等强度中气旋。由于超级单体以较快的速度向雷达方向移动,因此中气旋结构严重不对称。

10∶45超级单体移动至宁波市宁海县,钩状回波和V形缺口清晰可见。沿60 dBz强回波区径向上出现5～10 dBz的异常回波,即三体散射长钉TBSS,长度约为15 km。宁海气象站10∶42—10∶44观测到直径约为8 mm的冰雹并伴有雷暴大风。根据事后民众测量数据可知,宁海部分地区冰雹直径达17.6 mm,接近大冰雹尺度。

11∶02超级单体移动至象山,后侧出现明显V形缺口,表明超级单体后侧存在强的下沉气流,造成象山南韭山、山头王村、九倾村站点19 m·s-1的灾害性大风。此时超级单体最大反射率因子达75 dBz,大于65 dBz强回波区径向上出现TBSS,长度约为37 km,实况为象山地面出现了直径约为10～20 mm的冰雹。由此可见, TBSS长度与冰雹直径成正比。进一步综合超级单体最强回波(75 dBz)和TBSS长度推断,象山地面出现了直径超过20 mm的大冰雹,只是没有被观测到。

4.2 超级单体垂直结构

由11∶02宁波雷达1.5°、2.4°、3.4°、4.4°仰角的基本反射率因子和径向速度图(图略)可知，此时超级单体位于象山县上空,1.5°仰角上超级单体呈现出钩状回波特征,相应高度约为1.8 km,最大反射率因子位于钩状回波西北部,达75 dBz。在相应的径向速度图上表现为气旋式辐合,核区直径约为10 km,旋转速度为15 m·s-1。2.4°仰角的基本反射率因子图上入流一侧存在倒“V”形的弱回波区(WER),该WER位于低层钩状回波之上,高度约为3.25 km,最大反射率因子超过70 dBz,反射率因子廓线相对于1.5°仰角向东南扩展,相应的径向速度图上中气旋仍为气旋式辐合,核区直径约为5 km,强度维持中等。3.4°仰角的基本反射率因子图上有界弱回波区(BWER)位于低层1.5°仰角钩状回波之上,高度约为4.6 km,相应的径向速度图上中气旋为气旋式辐合,强度略有减弱。4.4°仰角的基本反射率因子图上最大反射率因子达70 dBz,相应高度约为6 km,反射率因子廓线相对于2.4°仰角继续向东南方向扩展,超级单体反射率因子随高度上升向低层入流一侧倾斜,呈现出回波悬垂特征。相应的径向速度图上中气旋表现为气旋式辐散,正、负速度差值达30 m·s-1,高层辐散远大于低层辐合,有利于中气旋的维持,使得超级单体发展并维持,造成象山县强冰雹天气。

为了更清楚地显示超级单体的垂直结构,沿低层暖湿入流穿过弱回波中心作垂直剖面(图略)。由于宁波没有探空数据,选取最近的洪家站探空数据进行分析。08时洪家站0℃和-20℃层距离地面高度分别为3.8 km和7.0 km。11∶02垂直剖面图显示大于50 dBz的回波伸展至9 km以上,超过-30℃层,呈现出典型的高悬强回波特征。同时中低层的弱回波区、位于其上的回波悬垂以及凹进回波悬垂的有界弱回波区也非常明显。强反射率因子区(>60 dBz)为沿着BWER左侧的一个竖直的狭长区域,从7 km左右高度一直扩展到低层,其中下部代表冰雹下降的区域,最大回波强度为75 dBz。多普勒天气雷达观测到高悬的强回波,同时满足0℃层距地面的高度<4.5 km之后,一旦发现弱回波区和回波悬垂结构,可以发布强冰雹预警;而如果有BWER存在,则发生强冰雹的概率几乎为100%[20]。再加上之前提到的TBSS和中等强度中气旋,所有这些特征一致表明该超级单体风暴是一个强烈雹暴,它具有一个强雹暴的所有多普勒天气雷达回波特征。

4.3 VIL值与大冰雹

1972年Greene和Clark[21]提出了强风暴的一种新的探测方法和预测因子—垂直累积液态水含量(VIL)。VIL是通过雷达测量的反射率因子和雨滴之间的经验关系进行计算的。20世纪80年代末,VIL被广泛地应用于美国的WSR-88D多普勒天气雷达中,成为判别强冰雹等灾害性天气的有效参量之一。谢启玉等[22]、覃靖等[23]分别总结出适用于我国西宁、柳州地区的VIL指标。连续跟踪“03.21”VIL数值变化可知,超级单体阶段VIL主要经历了2次突然跃增过程(图1)。第一次跃增出现在08∶47至08∶53,VIL最大值由33.7 kg·m-2跃增至55.8 kg·m-2,即一个体扫时间增加了22.1 kg·m-2,之后VIL最大值维持在50 kg·m-2以上。实况为08∶47—09∶15期间义乌佛堂镇、东阳市、磐安县先后出现直径约为5 mm的冰雹。冰雹降落后VIL值下降至40～50 kg·m-2之间。第二次跃增出现在10∶00—10∶06,VIL最大值由52.2 kg·m-2突然增大至80.2 kg·m-2,一个体扫时间增加了28.0 kg·m-2,之后VIL最大值维持在70 kg·m-2以上。10∶00之后东阳、天台出现了5～10 mm冰雹。10∶45之后超级单体径向出现TBSS,VIL最大值上升至102.4 kg·m-2，并持续增加,11∶02达155.8 kg·m-2。10∶45—11∶02期间,宁海和象山实况出现了8～20 mm冰雹。由此可见,可用VIL值明显跃增的现象提前6 min预警冰雹,并且VIL值和冰雹直径大小呈正比关系。

图1 2019年3月21日最大垂直累积液态水含量VIL时间变化图(单位：kg·m-2)

5 结 论

本文利用气象自动站数据、NCEP再分析资料以及多普勒雷达监测产品,较系统地分析了浙江省2019年3月21日强冰雹超级单体的环境条件和雷达特征,总结出其中的环流配置和雷达回波特征,为以后的冰雹预报预警提供一定的参考。主要结论如下。

(1)雹暴发生在850 hPa形势场上有“人”字形切变线发展、200 hPa形势场上有高空急流的背景下。同时850 hPa上长江以南为显著湿区,500 hPa上为干舌区,(T850 hPa-T500 hPa)>24°C,浙中南沿海地区为“上干冷下暖湿”的不稳定层结叠加地区,具有较好的不稳定条件并伴有强垂直风切变,有利于垂直上升运动的迅速发展。对流云团在不稳定层结和强垂直风切变作用下发展为超级单体,导致此次强冰雹天气过程的发生。

(2)结合杭州和宁波站S波段多普勒天气雷达监测产品分析发现,基本反射率因子低层超级单体呈现出明显的钩状回波和倒V形缺口。相应的径向速度图上中气旋持续约为2.5 h,旋转速度约为16 m·s-1。基本反射率因子垂直剖面呈现出典型的高悬强回波、回波悬垂和有界弱回波区,最大回波强度出现在BWER左侧的一个竖直的狭长区域,其值达75 dBz,其下部代表冰雹下降的区域。

(3)超级单体反射率因子维持在60 dBz以上,最大VIL值长时间维持在50kg·m-2以上,最大值为155.8kg·m-2。TBSS出现时间超过17min,长度约为15～37 km。冰雹直径大小与最大VIL值、TBSS长度成正比。最大VIL值在1～2个体扫跃增25 kg·m-2时,地面开始产生冰雹。

(4)在实际业务中,可用最大VIL值明显跃增来提前6～12 min预警冰雹。