宜春北部一次冰雹过程雷达回波特征分析

宋 雄，马中元，王 璇，洪丽霞，辛玮琪，范小军

(1.江西省气象科学研究所，330046，南昌；2.宜丰县气象局，336300，江西，宜丰；3.上饶市气象局，334000，江西，上饶)

0 引言

冰雹天气是江西春季主要的强对流天气之一。冰雹在雷达回波上具有超级单体、飑线回波带上超级单体和强单体等回波形态，冰雹回波的垂直剖面、径向速度、中气旋等雷达回波产品特征，有利于冰雹回波的识别。多部雷达拼图扩大了单部雷达探测范围，减弱了单部雷达盲区挡角、距离衰减、地球曲率等因素造成的影响，能够更好地表示中尺度回波系统的全貌。另一方面，雷达拼图是网页产品，随时随地可以通过手机、电脑等设备访问，弥补了雷达PUP终端少的缺陷。雷达回波特征的研究对开展冰雹天气的监测预警和预报服务有重要的意义。

国内专家学者对冰雹、雷暴大风等强对流天气进行了大量研究与分析，取得了丰硕研究成果。例如：丁小剑[1]等分析春季冰雹天气得出，前期形势均为500 hPa西风槽以阶梯槽的形势影响湖南，槽前配合有冷锋南下，锋前的西南倒槽明显发展，低槽、切变以及冷空气是其主要影响天气系统。王研峰[2-5]等分析指出降雹对流单体最大回波强度出现在低层，为63 dBZ；反射率因子垂直剖面呈对流单体有界弱回波区和其上的回波悬垂，相应的径向速度垂直剖面呈中低层径向风有明显的辐合特征，高层转为辐散。徐芬[6-12]等研究得出强降雹超级单体除具有三体散射现象、入流缺口等雷达回波中尺度特征外，持久深厚的中气旋存在造成了显著的有界弱回波区和高悬垂强回波区。春夏季冰雹云回波强度至少为55 dBZ，多数为60～70 dBZ；单体VIL至少为30 kg/m2，多数为40～80 kg/m2。陈鲍发[13]等研究得出江西WebGIS雷达拼图上对冰雹的预报着眼点：1)60～65 dBZ回波范围大于10×10 km2，回波形状呈椭圆形；2)30 dBZ回波界线与60 dBZ回波界线梯度大；3)60 dBZ回波中心有65～70 dBZ回波“核”；4)强回波下风向有“前伸”回波结构。刘艳杰[14-15]等指出冰雹回波有块状单体和飑线两种结构，回波中心强度普遍大于60 dBZ，垂直结构上均有悬垂回波，速度场为逆风区或旋转速度 ≥12 m/s的弱切变。冰雹回波系统为中α尺度，“弓”形回波结构明显，同时有雷暴出流边界。马中元[16-18]等研究指出飑线移动前方不断产生具有“前伸”、TBSS和虚假回波结构的局地雹云超级单体回波群，这些飑前中小尺度系统是产生此次冰雹灾害的主要回波系统。副热带高压边缘产生的雷暴大风天气过程，超级单体回波具有55～60 dBZ块状回波结构，垂直液态水含量VIL达到60 kg/m2；相对风暴速度SRM和垂直径向速度RHI_V图上，都具有相邻的正负速度对和达到中等以上中气旋标准。副高边缘雷达回波特征主要有2种：一是南北向短带回波，有时会发展为弓状回波；二是强回波单体，超级单体和复合单体回波。何文[19-21]等分析指出雷电强度和雷达回波强度有很好的对应关系，产生强雷电的回波要具备强度大于50 dBZ、强回波中心密实、强回波边缘梯度大等条件。研究成果为监测预警江西冰雹天气提供理论依据。

本文使用天气图和雷达数据等资料，对2021年3月30—31日江西罕见大冰雹天气过程中雷达回波特征进行分析，为县站监测预警冰雹天气和预报服务提供分析依据，努力提高对冰雹天气的预报能力。

1 资料来源和天气实况

1.1 资料

雨量资料来源于江西省自动气象站显示平台，天气资料、探空数据和卫星云图数据来源于MICAPS平台，雷达拼图资料来源于江西WebGIS雷达拼图平台，单部雷达产品数据来源于宜春SA雷达基数据。

1.2 实况

2021年3月30—31日，江西出现罕见的大冰雹天气。冰雹自西向东横扫铜鼓、宜丰、上高、高安、奉新、新建、南昌、进贤、余干、乐平、景德镇、婺源等地，其中铜鼓、南昌等地还出现罕见大冰雹，最大雹径超过 10 cm，呈放射状，普通雹径也在 20～50 mm(图1)。这次江西大冰雹事件，无论是超级单体回波之强、维持时间之长、影响范围之广和冰雹直径之大都是历史罕见的。

图1 2021年3月30—31日江西大冰雹部分实况图

2 天气背景与雷达拼图回波演变

2.1 天气背景

2021年3月30日20:00(图略)，高空低槽位于重庆至贵州西部，槽前有明显的西南急流，500 hPa长沙西南风26 m/s，南昌30 m/s；700 hPa长沙西南风23 m/s，南昌20 m/s；850 hPa长沙西南风14 m/s，3层急流在江西西北部汇合，南昌位于汇合区附近。汇合区上空赣北200 hPa有分流区。低层850 hPa在江西中北部及其以东地区有明显偏东南气流，925 hPa南昌东南风12 m/s，即伴有超低空急流。低层的明显偏东气流与急流一方面把东海上空水汽输送至对流区上空，另一方面与西部的西南急流、北部偏东急流产生剧烈辐合，同时在垂直方向上随高度增加东南风转西南风形成明显的暖平流，为上升运动提供了支撑。850 hPa切变线位于湖南中部至赣北，切变线上有西南风与东南风的剧烈辐合，是对流触发的重要天气系统，切变线以南在700 hPa有一急流轴从湖南南部伸向赣西北。低层暖湿，850 hPa以下为饱和区，700 hPa开始变干，500 hPa湖南中部有明显干区，长沙T-Td= 38 ℃，随着槽前西南急流东移，干区移至赣北、赣中上空，“上干下湿”结构为冰雹等强对流发生提供了有利条件。低层(850～925 hPa)有暖脊发展，暖脊从广西经湖南南部伸向赣北、赣中，南昌上空T850-500= 28 ℃，低层温度偏高，且高低空温差大，为强对流的发生提供了重要热力条件与触发机制。此时，850 hPa南昌的Td=16 ℃，比湿为14 g/kg，表明水汽条件充沛。

由此可见，本轮强对流天气的重要天气系统有中低层多层西南急流、地面倒槽、低层切变线，同时伴有低层暖脊、“上干下湿”等有利于强天气发生的温、湿条件。水汽条件充沛、大气层结不稳定且伴有较强的不稳定能量。但与3—4月江西典型强对流天气不同的是没有明显冷空气入侵背景，强对流发生时高空低槽也没有明显东移，强对流的发生、发展与中低层切变线附近辐合、低层暖脊发展、西南急流脉动有关，是典型暖区强对流型结构。因此，只要满足水汽、不稳定、抬升三大基本条件，在强的层结不稳定、强不稳定能量、强辐合触发等作用下，冰雹、雷暴大风等强对流天气就能发生、发展。

2.2 雷达拼图回波

雷达拼图回波能有效弥补单部雷达探测距离、近距离挡角、天线扫描盲区、地球曲率、远距离衰减等缺陷，更加有效地揭示强天气全貌。

2021年3月3月30—31日，江西WebGIS雷达拼图回波(图2(a))，3月30日22:10的雷达拼图上，影响铜鼓的回波呈孤立团状结构，形状接近椭圆形；结构密实，西南侧30 dBZ回波界线与60 dBZ回波界线反射率因子梯度明显；强回波中心最大反射率因子值达到了70 dBZ以上，其回波特征符合陈鲍发[13]等研究得出的江西WebGIS雷达拼图上对冰雹的预报着眼点。

(a)30日22:10超级单体 (b)31日19:00回波带上超级单体

3月31日19:00(图2(b))，影响赣北的雷达回波组织结构较为明显，呈东北—西南的带状分布，回波带上西南侧的雷达反射率因子存在3个强中心，中心强度位于65～70 dBZ之间，符合江西预报冰雹的回波强度条件。

综上所述，造成3月30—31日铜鼓、宜丰冰雹的回波中心强度均大于65 dBZ；不同之处是回波组织结构不同，30日超级单体回波形态呈孤立椭圆状，31日是回波带上的超级单体。

3 江西冰雹雷达产品特征

雷达PUP产品包括：组合反射率CR、回波顶ET、垂直积分液态水含量VIL、中气旋M、龙卷涡旋结构TVS和风暴跟踪信息STI共6种。雷达垂直剖面产品包括：反射率因子垂直剖面RCS(Reflectivity Cross Section)、径向速度垂直剖面VCS(Velocity Cross Section)2种，垂直剖面沿径向和切向两个方向进行。

3.1 铜鼓、宜丰超级单体回波

2021 年3月30日22:08，宜春SA雷达(9795)基数据反演的PUP产品图中，铜鼓西部地区孤立回波的组合反射率中心值达到了65 dBZ(图3(a))，0 dBZ强度的雷达回波高度ET达到了17 km(图3(b))，对应垂直液态水含量VIL中心值为60 kg/m2，符合江西春夏季一般情况下冰雹云对应的回波强度、回波顶高、VIL值的特征(图3(c))。在中气旋产品M和龙卷涡旋TVS产品中，显示出了该对流单体可能存在中气旋和TVS(图3(d)、图3(e))，证明了此时位于铜鼓西部的对流单体为超级单体。STI产品可以看出(图3(f))，30日22:08位于铜鼓西部的超级单体回波未来将穿过铜鼓地区向东北方向移动，并在铜鼓产生冰雹。

(a)CR；(b)ET；(c)VIL；(d)M；(e)TVS；(f)STI

图4(a)～(d)分别是2021年3月30日22:08 宜春SA雷达沿雷达切向、径向的反射率及速度垂直剖面图。从反射率因子切向垂直剖面(图4(a))上可以看出，位于铜鼓西部的超级单体回波强度最大达到了65 dBZ以上，60 dBZ回波伸展高度达到11 km，与单纯强降水回波直上直下的结构不同，此回波结构存在明显的倾斜，证明该风暴中倾斜式上升气流的存在。大于55 dBZ的雷达回波即将接地，说明冰雹即将下落。从反射率因子径向垂直剖面(图4(b))上也可以看出，该超级单体60 dBZ顶高达到了10 km以上，风暴发展旺盛，且存在明显的有界弱回波区(BWER)和回波悬垂，证明风暴内有强的上升气流。速度切向垂直剖面(图4(c))上，可以看到5 km以下距离雷达25 km处有一正速度中心，中心值达到27 m/s，距离雷达35 km处有一负速度中心，中心值达到-19 m/s，说明低层有气旋式旋转。速度径向速垂直剖面(图4(d))上，可以看到6 km以下有明显的27 m/s的正速度中心和10 m/s的负速度中心，说明此处有风的辐合。风暴低层风既有气旋式旋转，又有风的辐合，证明了风暴中存在中气旋结构。

(a)切向RCS；(b)径向RCS；(c)切向VCS；(d)径向VCS

3.2 铜鼓、宜丰回波带上超级单体回波

2021 年3月31日19:03，宜春SA雷达(9795)基数据反演的PUP产品图中，宜春北部回波呈带状，影响宜丰北部产生冰雹的超级单体位于回波带上。此回波带上超级单体达到了65 dBZ(图5(a))；0 dBZ强度的雷达回波高度ET值达到了18 km(图5(b))，略高于30日孤立超级单体ET值；对应垂直液态水含量VIL中心值为55 kg/m2，较30日VIL值小(图5(c))，但其特征也符合江西春夏季一般情况下产生冰雹对流系统的回波强度、回波顶高、VIL值的特征。在中气旋产品M和龙卷涡旋TVS产品中(图5(d)、图5(e))，也显示出了该超级单体风暴可能存在中气旋和TVS，证明了此时位于宜丰北部的对流单体也为超级单体。从STI产品可以看出(图5(f))，前一小时此超级单体向东东北方向移动，未来仍将继续此方向移动，宜丰地区产生冰雹。

(a)CR；(b)ET；(c)VIL；(d)M；(e)TVS；(f)STI

图6(a)～(d)分别是2021年3月31日18:58宜春SA雷达沿雷达切向、径向的反射率及速度垂直剖面图。从反射率因子切向垂直剖面(图6(a))上可以看出，位于宜丰北部的超级单体回波强度最大达到了65 dBZ以上，60 dBZ回波伸展高度达到10 km，存在明显的悬挂结构回波。从反射率因子径向垂直剖面(图6(b))上也可以看出，该超级单体60 dBZ顶高达到了10 km以上，存在明显的虚假旁瓣回波顶，风暴发展旺盛。速度切向垂直剖面(图6(c))上，可以看到强回波对应区域6 km以下有-27 m/s的负速度中心和10 m/s的正速度中心，说明低层风的气旋式旋转特征。速度径向速垂直剖面(图6(d))上，可以看到4 km以下有明显的-10 m/s的负速度层，4 km以上存在10 m/s的正速度层。

(a)切向RCS；(b)径向RCS；(c)切向VCS；(d)径向VCS

由此可见，3月30日和31日造成铜鼓、宜丰冰雹的风暴均为超级单体风暴，风暴CR中心值可达65 dBZ，0 dBZ强度的雷达回波高度ET达到了17 km以上，对应垂直液态水含量VIL中心值为55～60 kg/m2，且均可识别出中气旋和TVS。从雷达垂直剖面特征来看，3月30日铜鼓西部的孤立超级单体存在明显的有界弱回波区(BWER)、回波悬垂和中气旋特征；3月31日宜丰北部的回波带上超级单体存在明显的悬挂结构回波和虚假旁瓣回波顶，低层旋转特征明显，辐合辐散特征不明显，存在上正下负速度层。

4 结论

通过对2021年3月30—31日江西罕见大冰雹天气过程中雷达回波特征进行分析，得到以下几点结论。

1)这次强对流天气的天气系统主要有中低层西南急流、地面倒槽、低层切变线和“上干下湿”等有利于强天气发生的条件。

2)雷达拼图上：造成3月30—31日铜鼓、宜丰冰雹的超级单体回波中心强度均大于65 dBZ；不同之处主要为回波组织结构的不同，30日回波形态呈孤立椭圆状，而31日主要是带状回波上的超级单体产生的冰雹。

3)单部雷达PPI产品上：造成铜鼓、宜丰冰雹的风暴均为超级单体风暴，组合反射率CR达65 dBZ，回波顶高ET达17 km，垂直积分液态水含量VIL为55～60 kg/m2；超级单体识别出中气旋M和龙卷涡旋结构TVS。

4)单部雷达RHI产品上：反射率因子垂直剖面RCS特征，3月30日铜鼓西部的孤立超级单体存在明显的有界弱回波区(BWER)、回波悬垂和中气旋特征；3月31日宜丰北部的回波带上超级单体存在明显的悬挂结构回波和虚假旁瓣回波顶；径向速度垂直剖面VCS特征，存有中气旋结构和低层旋转特征明显，存在上正下负速度层。