清远地区“2019·02·20”降雹天气过程特征分析

吴杨，阮楚雯

（1.清远市气象局，广东清远 511500；2.连州市气象局，广东连州 513400）

冰雹是坚硬的球状、锥状或者形状不规则的固体降水物，发生在中小尺度的对流云系或者单体对流云中，具有持续时间短、影响面积小、强度强、破坏力大的特点，是广东省多发的强对流类型灾害性天气之一。冰雹常造成人员受伤、农作物减产、供电设施受损等严重灾害。气候统计显示，广东省西北部（粤西北）是广东省冰雹多发的主要地区之一，春季冰雹灾害多发［1］。近年来，很多业内学者对国内冰雹天气特征做了大量研究［2-9］。而连州雷达作为清远地区唯一一部投入使用的S波段双线偏振雷达，获取偏振观测结果，积累更多的雷达资料应用经验。本研究采用清远连州双偏振雷达探测资料、清远探空资料和地面观测资料，对2019年2月20日发生在清远阳山、连山、连南、连州的冰雹天气过程的特征和发生机制进行分析，了解冰雹云的雷达回波和双偏振特征，以期为此类冰雹天气的预报预警提供参考。

1 强对流实况

2019年 2月 20日 15：00—22：00（北京时，下同），受强对流云团影响，清远地区连州、连山、连南、阳山出现了短时强降水，局部还有7～10级的雷雨大风和冰雹，最大小时雨量出现在阳山七拱镇为42 mm，最大阵风出现在连州九陂镇白石村狮子山为25.8 m/s（10级）和阳山南服务区23.1 m/s（9级）。其中，阳山七拱镇 18：16、连南金坑镇 21：30、连山禾洞镇 21：30、连州市区21：53出现冰雹，冰雹直径可达2 cm左右，近1元硬币大小。

2 环流背景

2019年2月20 日20：00，从200 hPa散度场（图略）上看，正散度中心位于粤西北，高空辐散，有利于垂直上升运动发展与加强。由中尺度环境场（图1a）分析可知，500 hPa欧亚大陆中高纬地区为两槽一脊的高空环流形势，低纬度地区是一南支槽，槽前有旺盛的西南暖湿气流输送，副高主体位于20°N以南的海面上，呈东西向分布。850 hPa湖南中部为明显的冷式切变，两广之间存在一西南急流，风速达16 m/s，清远北部位于低空急流的左前方。而近地面925 hPa在粤西北一带有一条近乎东西分布的切变线，冷暖交汇、水汽和风速辐合为强对流天气的发生蓄积了足够的不稳定能量。垂直大气环境方面，通过20日清远探空曲线（图1b）可知，当天的对流有效位能CAPE值从08：00的0 J/kg，经过白天的增温（最高气温增加到25.5℃）后，20：00剧增到1 089.2 J/kg，对流抑制能量较低（仅为26.4 J/kg），抬升凝结高度为973.6 m，假相当位温随着高度减小后又增大，显示中低层是不稳定层结，高层为稳定层结，湿度也呈上干下湿结构（近地面有厚度约4 km的湿层，700 hPa以上为干层），有助于雷暴云中较长持续时间的强烈上升气流的形成。而连州市的风廓线雷达（图略）也显示，从下午起垂直风切变明显增大，有助于维持斜升气流。在强对流发生期间风随高度一直是顺时针切变，由低层的偏北风变为高层的西南偏西风，1.2 km以上风速超过10 m/s。

综上所述，该次冰雹过程天气发生在南支槽加深东移，西南低空急流发展和低层切变线南压的大尺度环流背景下，地面低槽触发使其对流发生。此外强对流落区附近桂西到粤西北一带属于典型的“上干下湿”大气层结结构，0℃层高度在3.7～4.2 km、-20℃层高度在6.8～7.1 km，适宜的高度保证了冰雹在降落的过程中不会因为低层暖层过暖而被融化成雨滴，且低层有弱逆温层存在，有利于能量聚集迸发，对强对流天气的发展十分有利。

图1 2019年2月20日20：00中尺度环境场分析（a）和清远探空曲线（b）

3 雷达常规参量分析

雷达基本反射率可以明显看出冰雹云的水平和垂直特征。从20日17：00起，桂东北到粤西北一带（925 hPa切变线附近）接连不断地有多个相对独立的对流单体生成，在向东北移动过程中逐渐发展，当移入清远境内时有2块对流风暴迅速发展（按照时间顺序，分别称为A和B），并接连在阳山、连山、连南、连州造成短时强降水和冰雹天气。

3.1 降雹风暴的多普勒雷达特征

雷达基本反射率可以明显看出超级单体的水平和垂直特征。从20日17：12开始，在西南偏南方向（方位角203°）距离雷达站大约65 km处有风暴生成，并向东北方向移动，在移入阳山的过程中不断发展壮大，在18：00达到成熟阶段，中心强度高达70 dBz，回波顶发展至9 km。18：06反射率因子图（图2a）呈现出典型的超级单体的钩状回波结构和有界弱回波区特征，且在2.4°到6.0°仰角上可见三体散射长钉，3.3°仰角上长钉的长度为18 km。在相应的垂直剖面图（图略）上可以看到有穹窿和回波悬垂结构，说明存在很强的上升气流，而且大于50 dBz强回波区已扩展到超过-20℃等温线以上高度（此为产生冰雹的强对流风暴显著的特征之一）。另外，从17：48首先观测到强雷暴对应的中气旋，到中气旋消失（18：24），中气旋共持续了近36 min。图2b为中气旋最强时刻径向速度图，18：06在距离雷达大约55 km处可以观察到有界弱回波区对应的中气旋特征（旋转速度为26 m/s），而在低层上升气流的下方主要是以中气旋（转动速度为11 m/s）和辐合区相结合的形式存在，高层风暴顶辐散强烈。从地面自动站的观测数据来看，阳山南服务区地面气象自动站录得最大瞬时风力9级。超级单体的有界弱回波区特征维持6个体扫后消失，18：36反射率因子图上三体散射长钉消失，19：00移入英德后回波强度明显减弱。

从20日20：00开始，在距离连州约90 km的广西贺州境内有反射率因子强度＞35 dBz的对流风暴B生成，并以约50 km/h的速度向东北方向移动，移动过程中对流单体逐渐发展。21：06，当单体B移入连山禾洞镇时呈现出典型的超级单体钩状回波结构，在2.4°仰角的反射率因子图上观测到“V”型缺口，回波中心强度迅速增大至71 dBz（高度在7.2 km），回波顶发展到10.2 km，发展至成熟阶段。21：12起回波强中心逐渐降低，并陆续在禾洞、金坑和连州基本气象观测站降下冰雹。而且在21：00单体B进入连山前低层已经可以观测到与钩状回波区对应的中气旋，接着在21：18的1.5°仰角反射率因子图和径向速度图（图2c和图2d）上，明显观测到转动速度15 m/s的中气旋和低层辐合区相结合的结构，但随着超级单体B接近雷达站时，因为近距离雷达探测资料的缺测（雷达近距离探测盲区的存在），导致风暴结构数据不完整，故着重分析对流单体A的风暴结构和双偏振特征。

图2 2019年2月20日18：06 3.3°仰角（a、b）和21：18 1.5°仰角（c、d）反射率因子（a、c）（单位：dBz）和径向速度（b、d）（单位：m/s）

3.2 经过阳山降雹单体的风暴结构

通过风暴结构图（图3a）和垂直累积液态水含量VIL值的变化曲线（图3b）可以看到，降雹风暴的回波底、回波顶、最大反射率因子高度和VIL值随时间的变化，能直观地看到其三维空间结构和发展过程。17：54，降雹风暴进入阳山七拱镇，风暴顶和风暴底高度分别为9.0和0.5 km，最大反射率因子高度5.8 km，垂直累积液态水含量VIL值为42 kg/m2。在风暴移动过程中，在17：42到 17：48风暴经过起徽山脉（海拔为1.5～1.6 km）时，最大反射率因子高度在1.4～2.3 km，说明低层回波发展较强。18：00，VIL值和风暴最大反射率因子（70 dBz）的高度分别跃增至59 kg/m2和5.5 km，此时风暴发展旺盛，高层悬垂回波强于低层，对应风暴顶高为9 km，说明风暴进入阳山时就处于风暴发展极其强盛的阶段，该阶段一直维持到18：30后风暴顶下降，VIL值明显下降，风暴有了减弱趋势。在风暴发展到减弱期间，VIL值随时间的变化趋势和最大反射率因子的强度，也就是和风暴强度的变化趋势成正比。

图3 2019年2月20日风暴顶和风暴底、最大反射率因子所在高度（a）和垂直累积液态水含量变化曲线（b）

4 双偏振雷达观测特征

双偏振雷达是识别冰雹的重要工具之一，特别是相关系数和差分反射率对于冰雹的观测具有很好的指示作用。差分反射率值与粒子形状密切相关。如图4所示，在18：06风暴发展强盛阶段，位于七拱镇的冰雹落区对应的是水平反射率因子的极大值中心，差分反射率和相关系数为极小值中心，其中心值分别为68 dBz、0 dB和0.8。冰雹落区同样具有水平反射率因子高、差分反射率低（-1～0.5 dB）、相关系数较低（0.8～0.94）的特征。这是因为冰雹粒子近似于“球形”，差分反射率的值接近于0 dB，其周围有大量较小的湿雹和雨滴，差分反射率值则相对较高，所以形成了以冰雹落区为中心的差分反射率低值中心。相关系数与降水粒子相态的复杂性有关，而雨和冰雹的混合导致了相关系数的下降（＜0.9）。18：36风暴单体有减弱趋势，反射率强度减小，对应的相关系数和差分反射率也有所升高。

图4 2019年2月20日18：06 1.5°仰角基本反射率（单位：dBz）（a）、差反射率因子Z DR（单位：dB）（b）和相关系数分布（c）

5 结论

1）该次发生在粤西北阳山、连山、连南、连州地区的降雹天气过程，发生在南支槽加深东移，西南低空急流发展和低层切变线南压的大尺度环流背景下，地面低槽触发使其对流发生。“上干下湿”大气层结结构、低层的弱逆温层以及适宜的0℃层高度和-20℃层高度，都对冰雹、短时雷雨大风等强对流天气的发展提供了十分有利的条件。

2）2019年2 月20日在清远阳山、连山、连南、连州地区发生冰雹的雷达回波判据为：在回波强度大于50 dBz区域中，有明显的三体散射、气旋式辐合、回波悬垂和有界弱回波区等特征。

3）阳山降雹单体的风暴结构显示，VIL值随时间的变化趋势与风暴强度的变化趋势呈正比。

4）在18：06风暴发展强盛阶段，位于七拱镇的冰雹落区对应的是水平反射率因子的极大值中心，差分反射率和相关系数为极小值中心，其中心值分别为68 dBz、0 dB和0.8。冰雹落区同样具有水平反射率因子高、差分反射率低（-1～0.5 dB）、相关系数较低（0.8～0.94）的典型特征。