一次致灾超级单体雹暴过程数值模拟和发展机制分析

吴福浪 杨丽敏 蒋迪 陶俞锋 陈九龄

(1 中国民用航空宁波空中交通管理站，宁波 315154； 2 西藏自治区气象台，拉萨 850000；3 民航华东地区空中交通管理局气象中心，上海 200335)

引言

超级单体雹暴是一类具有持久深厚中气旋的强对流风暴[1]，常常伴有冰雹、雷暴大风等阵发性灾害天气过程，具有很强的破坏力，直接威胁人畜的生命安全，导致农作物严重受灾。由于超级单体雹暴时空尺度小、突发性强，因此它的预报和预警一直是天气业务中的难点。

自20世纪60年代开始，国内外学者对超级单体雹暴的结构和成雹机制等方面进行研究，取得了不少成果[2-5]。随着多普勒天气雷达的广泛使用，许多学者应用雷达监测产品来分析超级单体雹暴特征[6-9]。但多普勒雷达探测产品的分析只能用于临近预报，且在认识冰雹云的微物理特征方面作用非常有限。随着计算机技术的不断进步，冰雹云的数值模式得到发展并用于雹暴天气过程的模拟分析。如Orville等[10]利用扩充后的体积水参数化冰相微物理过程，结合到二维面对称加山地积云模式中模拟雹云的生命史。Takahashi[11]在一个二维轴对称积云动力学模式中详尽地模拟了几类冰相质粒，尤其是冰雹的谱演变过程。吴海英等[12]利用三维完全弹性冰雹云模式，模拟分析了一次冰雹云发展过程的热力和动力场作用以及微物理过程的变化。随着数值预报技术的进一步发展，逐渐有学者使用高分辨率的中尺度数值模式来研究雹暴过程的环流条件、雹云的雷达回波，并探究冰雹形成的云微物理机制[13-15]。

然而，由于雹暴云团结构的复杂性和产生冰雹天气形势的多样性，利用WRF等中尺度模式研究雹云云物理结构及降水云物理机制方面的工作还略有不足，有待于进一步开展。本文利用WRF数值模式对2019年3月21日发生在浙江的一次大范围致灾超级单体雹暴过程进行高分辨率的数值模拟试验，分析雹云的结构演变特征，并从云微物理的角度探讨其产生机制，以期为以后相似天气形势下冰雹天气的预报预警提供理论参考。

1 资料来源

本次雹暴过程分析采用的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杭州市和宁波市(型号CINRAD/SA)S波段多普勒天气雷达的体扫基数据，约6 min扫描一次。其中杭州雷达站位于图1a观澜社区的黑色五角星位置，经纬度120.33°E、30.27°N；宁波雷达站位于图1a达蓬山的黑色五角星位置，经纬度121.50°E、30.07°N。NCEP再分析资料来自美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合制作的NCEP/FNL再分析资料，时间分辨率6 h，空间分辨率1°×1°。

2 天气实况和环流背景

2019年3月21日早上08:00(北京时，下同)开始，受超级单体雹暴云团影响，浙江省自西向东出现了较大范围雷雨大风、局地短时强降水和强冰雹等灾害性天气。08:00—14:00浙江省共有9个站点累计雨量超过50 mm(图1b)，达到暴雨级别。109个站点出现8级以上雷暴大风(风速≥17 m·s-1)，最大风速出现在丽水市牛角圩村站点，风力达到10级。义乌、东阳、磐安、新昌、天台、宁海和象山先后出现密集冰雹(图1b红色+号)，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、行道树等受损，其中芹阳办事处汶山村村口一长廊倒塌，造成1人死亡，4人受伤送医。

通过分析天气形势发现，3月21日02:00强对流发生前，200 hPa浙江省处在高空急流轴右侧，500～700 hPa为西南偏西气流，850～925 hPa切变线位于浙江南部地区(图略)。21日08:00 200 hPa高空急流轴穿过湖南、江西(图1c阴影区域，风速50～70 m·s-1)，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强辐散条件。500 hPa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上中南半岛至江西存在一条16～18 m·s-1的西南急流带(图1d)，浙江省处在急流带下游风速辐合区内。500 hPa槽前的西南急流与低层850 hPa的弱风区几乎重叠，表明浙江中部地区存在深厚的垂直风切变，有利于对流的维持和增强。同时850 hPa上切变线略有北抬并维持在浙江省中部，表明该地区低层存在水平辐合，在不稳定层结和水汽具备的条件下有利于触发对流系统。

图1 2019年3月21日强对流移动轨迹(a)；08:00—14:00累计降水量(填色，单位：mm)和冰雹(红色+号)分布(b)；08:00 200 hPa的风场(风羽)、温度场以及等风速线(黑色实线，单位：m·s-1)(c)；08:00 850 hPa的高度场(黑色实线，单位：dagpm)、风场(风羽)以及温度场(d)(图c、d中，阴影为风速50～70 m·s-1区域;红色虚线为温度等值线，单位：℃;黑色三角形为浙江省的位置)

选取对流移动路径附近的洪家站来估计浙江省上空的大气层结状况。08:00洪家站探空图上(图2)，850 hPa以下温度露点差很小，空气接近饱和，湿度层厚度约1.5 km，大于樊李苗等[16]经过中国大量冰雹个例统计得出的平均值。850 hPa以上温度露点差逐渐变大，500 hPa以上温度露点差增大至15～30 ℃，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。21日凌晨至08:00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CAPE值不高，但下沉对流有效位能DCAPE值达到840.32 J·kg-1，有利于雷暴大风和冰雹的发展[17]。洪家站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雹暴的发展[18-19]。强冰雹的发生还需要有合适的0 ℃和-20 ℃层高度，0 ℃在4 km左右，-20 ℃在7.5 km左右有利于降雹[20]。08:00洪家站点0 ℃和-20 ℃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08:00—14:00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。高空强烈辐散、低空辐合的流场配置具有较强的大气抽吸作用，为强对流提供有利动力抬升条件；700～850 hPa中南半岛至江西不断增强的西南气流为强对流区提供了充足的水汽来源；上层干、下层湿的层结配置有利于气层不稳定性增大。在不稳定层结和水汽具备的条件下，对流系统在低层切变线上发生和发展。0～6 km强垂直风切变有利于强对流维持和发展，合适的0 ℃和-20 ℃层高度有利于雹云发生和发展。

图2 2019年3月21日08:00洪家站T-lnp图(其中绿色虚线、红色实线，蓝色实线分别代表露点、状态、层结曲线)

3 模式设计和模拟结果分析

3.1 模拟设计

数值模拟试验采用的模式为WRFV3.6.1版本，试验采用Lambert地图投影的三重双向嵌套网格(图3)，网格分辨率为27 km×9 km×3 km，格点数分别为130×112、214×196、322×313，输出时间分别为60 min、60 min、10 min。数值试验的d01和d02模拟时间为2019年3月20日20:00至21日20:00，d03模拟时间为3月21日02:00—14:00。d03模拟的开始时间比d01和d02晚，一定程度上实现了热启动，减少对流的spin-up时间[21]。积分步长都为180 s，垂直方向均取不等距的35个σ层，模式顶层气压50 hPa。d01和d02采用WSM6微物理方案和Kain-Fritsch积云对流方案。d03采用Morrison双参数微物理方案，并把方案中默认输出的物理量霰切换为雹。由于d03分辨率小于5 km，故关闭积云对流方案[22-23]。三重网格都采用RRTM长波辐射方案及Dudhia短波辐射方案、Monin-Obukhov近地层方案、YSU边界层方案和Noah陆面层方案，地形数据选用MODIS_30S。初始场及d01侧边界条件由NCEP/FNL 1°×1°逐6 h再分析资料提供，内层网格的侧边界条件由外网格插值得到。本文采用3 km分辨率(d03区域)资料作分析。

图3 模拟试验的三重嵌套区域

3.2 模拟结果与实况对比

由图1b可知，6 h实况累计降水量分布于浙江中西部至东部沿海，强降水中心(55 mm)和冰雹主要位于浙江中东部的金华、绍兴、宁波地区。模拟的6 h累计降水量(图4)比实况略有偏高，但模拟的降水分布形态与实况基本一致，并且模拟试验也成功模拟出了浙江中东部的强降水中心与降雹位置。总的来说，WRF模式对此次超级单体雹暴过程有较好的模拟能力，资料可靠，可用于进一步的研究分析。

图4 2019年3月21日模拟的08:00—14:00累计降水量(填色)与降雹区域(黑色虚线)

3.3 雹暴云团的演变和结构特征

从实况雷达回波分析可知，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06:00左右进入浙江省衢州市，08:00之后对流系统以强对流单体和超级单体形态移动和发展(图1a红色圆点)，12:00之后超级单体移动至海上减弱，对浙江省影响结束，整个超级单体雹暴过程影响时间约4 h。下面利用雷达监测产品以及模拟资料，对超级单体雹暴过程的多普勒雷达回波演变特征进行对比分析和探讨。

21日08:00衢州站实况雷达回波图上对流单体位于金华兰溪市，最大反射率因子达到60 dBz，径向速度图没有中气旋，对流单体还未发展成超级单体(图略)。08:40实况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(图5a1)，径向速度图上相应位置出现中气旋，旋转速度约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。模拟的同时刻雷达回波图上，超级单体位于杭州雷达站西南约100 km，形态与实况相似，最大反射率因子为54 dBz(图5b1)。09:00实况超级单体移动至金华东阳市，最大反射率因子达65 dBz，超级单体后侧出现弱回波通道(图5a2)，表明超级单体后侧存在强的下沉入流急流，实况地面出现破坏性大风。模拟的同时刻雷达回波图上，超级单体位置和形态与实况相似，后侧弱回波通道清晰可见(图5b2)。在引导气流作用下，实况超级单体由西向东偏北方向移动，10:10超级单体位于绍兴新昌市和台州天台市之间(图5a3)，距离宁波雷达站100 km，最大反射率因子达68 dBz，强回波区(60 dBz)出现明显钩状回波。10:10模拟的超级单体形态与实况基本一致，位置略有偏北(图5b3)。10:50实况超级单体位于宁波雷达站东南偏南约75 km的宁波市宁海县境内(图5a4)，钩状回波和V形缺口清晰可见，最大反射率因子出现在钩状回波西南侧，达到69.5 dBz。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15 km，S波段多普勒雷达回波出现TBSS是存在强冰雹的充分非必要条件[24]。10:50模拟的超级单体形态、位置与实况基本一致，但是没有模拟出TBSS。受实况超级单体雹暴影响，08:40—10:50义乌佛堂镇、东阳市、磐安县、新昌、天台、宁海等先后出现直径5～20 mm左右的冰雹。综上分析可知，相比于实况雹暴强度，模拟的雹暴强度虽然偏小，但位置、形态分布与实况雹暴相似，并且模拟的雹暴位置与地面降雹位置相对应。由此可见模拟试验较为成功地模拟出了此次雹暴云团的水平演变过程。

图5 2019年3月21日实况(a1～a4)和模拟(b1～b4)的1.5°仰角基本反射率分布图(阴影)(其中a1、a2为杭州站雷达，a3、a4为宁波站雷达)

为了更清楚地显示超级单体雹云的垂直结构，沿10:50低层暖湿入流穿过强回波中心方向作垂直剖面(图6)，垂直剖面基线分别如图5a4、b4红色线段所示。3月21日08:00实况洪家站0 ℃和-20 ℃层距离地面高度分别为3.8 km和7.0 km(图6a)。10:50实况垂直剖面图显示超级单体雹云中大于50 dBz的强回波伸展至9 km以上，超过-30 ℃层，呈现出典型的高悬强回波特征。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(BWER)也非常明显(图6a白色箭头)。强反射率因子区(60 dBz)为沿着超级单体雹云有界弱回波区(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71.6 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，如果还有BWER存在，则发生强冰雹的概率几乎为100%[25-26]。再考虑到上面提到的TBSS和中气旋，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。10:50模拟的雹云发展旺盛(图6b)，雹云顶高接近8 km，右侧出现悬垂回波和有界弱回波区，是冰雹发生时的主要雷达回波特征，与实况(图6a)雹云垂直结构具有一致性。模拟的0 ℃层高度约3.8 km，使冰雹下落时不至于暖层过厚而融化，-20 ℃层高度约7.2 km，即-20～0 ℃层厚度约3.4 km，合适的0 ℃层和-20 ℃高度以及-20～0 ℃层厚度有利于雹粒的增长。从垂直环流上看，在雹云的中心前侧有非常强的上升气流，一直延伸到6 km的高度。雹云前侧低层2 km以下为显著的辐合入流，雹云中心后侧4 km以下则是强降水和降雹拖曳引起的下沉气流，而在7 km以上的高层则是出流，这是典型的强对流风暴的内部环流形态[27]，与葛润生等[28]利用多普勒天气雷达资料对北京地区雹暴过程研究得到的不同于传统超级单体雹暴中的气流结构相似。

图6 2019年3月21日10:50实况基本反射率垂直剖面(a),模拟的基本反射率垂直剖面和风场(b)

4 各类水成物分布特征

分析各种水成物不同时刻的垂直剖面图及云中的垂直速度分布图，可以了解云中各种水凝物在相应流场中分布的高度和演变状况，进而推断出云中发生的各种微物理过程和各种转化过程。

图7为模拟的雹云发展过程中各类水成物的垂直剖面图。08:00为雹云初生阶段，云水中心位于6 km高度以下，主要表现为暖云水，含量达1.2 g·kg-1，垂直上升速度较弱。冰晶主要出现在-20 ℃层以上，由于高空环境风场较强冰晶扩散形成云砧(图7a1)，冰晶出现的高度即为云顶高度。冰晶通过其自碰并、自动转换以及受其接触扰动的过冷小雨滴冻结产生雪[29]，此时4～9 km高度之间有2个大值中心生成，最大值达2.0 g·kg-1(图7b1)，位于冰晶含量中心下方。雨水含量中心位于0 ℃层以下，表现为暖云降水，由云水自动转化产生并通过碰并云水不断增长。因上升气流较弱不足以将大量雨水带入到0 ℃之上，导致此时过冷雨水含量偏低。由于-20 ℃层附近雪向雹粒子转化[30]，在-20～0 ℃之间出现雹粒子，含量0.7 g·kg-1(图7b1)。

08:40为模拟的雹云发展阶段，垂直上升气流加强至7～9 m·s-1，大部分云水在上升气流输送下进入-25～0 ℃层之间形成过冷云水，最大值达1.5 g·kg-1(图7a2)，对冰雹胚胎和冰雹形成与增长十分重要[31-32]。冰晶含量约0.43 g·kg-1，范围明显缩小，这与冰晶不断转化为雪有关。同时刻由于雪不断转化为雹粒子，雹粒子再碰撞收集雪、过冷云水等增长，造成雪含量显著减小至1.3 g·kg-1，雹粒子含量增加至1.8 g·kg-1，实况浙江地面出现直径5～10 mm的冰雹。冰雹在降落过程中不断融化，雨水含量增加至4.3 g·kg-1(图7b2)，但过冷雨水含量较低。

10:50为模拟的雹云成熟阶段，垂直上升气流维持在8～10 m·s-1，把低层丰富水汽不断往上输送，云水含量增加至2.9 g·kg-1，中心位于-20～0 ℃层之间，即过冷云水含量丰富(图7a3)，有利于冰雹胚胎和冰雹的增长。冰晶含量通过凝华扩散和碰并过程收集过冷云水而不断增大至1.05 g·kg-1。雹云中心中层至低层由于降水粒子等的重力拖曳作用出现3～5 m·s-1下沉气流。-20～0 ℃层之间雹粒子通过碰并过冷云水、冰晶、雪而不断增长(图7b3)，最大值达4.3 g·kg-1，当雹粒长大到一定尺度后降落到地面，实况为浙江宁海、象山出现直径10～20 mm的密集冰雹，局部冰雹直径超过20 mm。

为了更清楚地展示各种水成物的变化过程， 绘制08:40—11:00模拟的雹云范围内(以超级单体反射率最大值为中心，南北各15 km、东西各15 km的范围)5类水成物的最大值随时间的变化图(图7c)。已有研究表明[33-35]， 冻滴 ( 过冷雨滴通过核化和受到冰晶、雪接触时冻结形成的冰粒子)转化是冰雹形成的主要微物理过程，因此图7c中雨水混合比选取的是0 ℃(4 km)以上的过冷雨水最大值的变化，其余4类水成物为所有高度上最大值的变化。由图7c可知雹云发展开始阶段(08:40—09:00)，云水和过冷雨水含量逐渐增加，雪粒子含量不断减小，可见雹云发展开始阶段雹粒子主要由雪粒子转化形成。09:00—10:20雹云不断发展过程中云水和过冷雨水含量整体呈下降趋势，即雹粒子主要由云水和过冷雨水转化形成。雹粒子第一个峰值出现在09:30，含量达7.8 g·kg-1，之后雹粒降落至地面，雹粒子含量在10:20降低至约4 g·kg-1。10:20—11:00雹云成熟阶段云水和过冷雨水含量逐渐增加，雪粒子含量逐渐减小，雹粒子主要由雪粒子转化形成。08:40—11:00期间，冰晶粒子含量低于0.25 g·kg-1。综合分析此次雹暴过程的各类水成物分布特征可知，在雹云发展到成熟过程中冰晶粒子含量一直较低，雹粒子主要由云水、过冷雨水和雪粒子转化形成，再通过碰并过冷云水、冰晶、雪粒子而不断增长。

图7 模拟的5类水成物(单位：g·kg-1)垂直剖面：(a1～a3)云水混合比(黑虚线)、冰晶混合比(黑实线)、垂直速度(阴影)及等温线(红虚线，单位：℃)；(b1～b3)雨水混合比(黑虚线)、雪混合比(黑实线)、雹粒子数(阴影)及等温线(红虚线，单位：℃);(c)5类水成物最大值随时间变化

5 结论

利用自动站资料、天气雷达资料、NCEP再分析资料等分析2019年3月21日浙江的一次大范围致灾超级单体雹暴天气过程，并结合中尺度数值模式WRF进行高分辨率的模拟试验，主要结论如下：

(1)此次超级单体雹暴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。高空强烈辐散低空辐合的流场配置具有较强的大气抽吸作用，为强对流提供有利动力抬升条件；700～850 hPa中南半岛至江西不断增强的西南气流为强对流区提供了充足的水汽条件；上层干、下层湿的层结配置有利于气层不稳定性增大。在不稳定层结和水汽具备的条件下，对流系统在低层切变线上发生和发展。0～6 km强垂直风切变有利于强对流维持和发展。

(2)实况超级单体雹暴是一个强烈雹暴，持续时间约4 h，雷达回波上呈现出钩状回波、持久深厚的中气旋、典型的高悬强回波、有界弱回波区和三体散射现象。

(3)模拟试验成功地模拟出了雹暴云团的水平演变和垂直结构特征。相比于实况雹暴强度，模拟的雹暴强度虽然偏小，但位置、形态分布与实况雹暴相似，并且模拟的降水和雹暴位置与地面降水和降雹位置相对应。从垂直环流上看雹云呈现出不同于传统超级单体雹暴中的气流结构：雹云前侧低层为显著的辐合入流，雹云中心后侧低层为强降水和降雹拖曳引起的下沉气流，雹云顶部则是一致偏西风出流。

(4)通过对实况以及模拟结果分析可知，0 ℃层高度在4 km左右、-20 ℃层在7 km左右、-20～0 ℃厚度在3.4 km左右有利于冰雹的发生发展。

(5)通过分析模拟的各类水成物分布特征，冰雹的形成机制可以归纳为：雹云初期冰晶通过其自碰并、自动转换以及受其接触扰动的过冷小雨滴冻结产生雪，雪粒子再转化为雹粒子。在雹云发展到成熟过程中雹粒子主要由云水、过冷雨水和雪粒子转化形成，再通过碰并过冷云水、冰晶、雪粒子而不断增长，雹粒子增长到一定尺度后降落至地面变为冰雹。