2021-03-31婺源冰雹雷达回波特征分析

2022-05-25邱雯婷马中元彭维明王汉根张晓芳

气象水文海洋仪器 2022年1期

邱雯婷，马中元，彭维明，王汉根，张晓芳

(1.江西省气象科学研究所，南昌 330046；2.婺源县气象局，婺源 333200)

0 引言

冰雹灾害是中国严重的自然灾害之一，属于强对流天气类型，是县级基层台站综合业务中的预报难点和重点。冰雹是指球状或形态不规则的固态降雨。婺源冰雹每年都会出现，具有突发性强、来势凶猛、局地性强等特点，但很少出现在婺源国家站，主要分布在乡镇村。由于冰雹灾害常伴随雷暴大风、短时强降水和强雷电现象，经常造成雹灾、风灾、城市积涝等气象灾害，严重影响人们的生活与生产活动。因此，对婺源冰雹天气和雷达回波特征进行分析，有助于提高婺源冰雹识别能力和监测预警能力。

国内不少专家学者从各个方面对冰雹天气进行了研究。陈鲍发[1]等研究得出局地冰雹常由超级单体回波所为，具有典型的超级单体回波特征；冰雹还发生在弓状回波带上强单体或超级单体回波上。卢秋芳[2]等研究得出冰雹发生在飑线回波带上，并伴有短时强降水，冰雹回波强度达到65～70 dBz。刘献耀[3]等研究得出冰雹和雷雨大风有明显的月际变化，冰雹站次峰值在3—4月，占总数的79.1%。雷雨大风站次有2个峰值，分别在7—8月和4—5月，占总数的44.3% 和31.7%。支树林[4]等研究得出正负闪频数比增大时，相应的冰雹直径也增大，即正闪比例的变化与冰雹成长过程有较好的关联；降雹后负闪频数会减小，而正闪频数会有所增大。龙余良[5]等研究得出冰雹季节变化呈单峰型，3—5月最容易出现冰雹，4月份最多。郭艳[6]研究得出利用TBSS预报大冰雹的时间提前量最大达到77 min，TBSS特征可以作为大冰雹的有效判据。吴杨[7]等研究得出上干下湿的典型大气层结结构和适宜的温度层高度(0 ℃层高度在3.7～4.2 km，-20 ℃层高度在6.8～7.1 km)，有利于能量聚集产生冰雹。林琴[8]等研究得出典型的上干下湿的大气结构有利于产生降雹，孤立的对流单体合并处有利于产生冰雹，强中心可达71 dBz，中气旋和VIL极大值区域对应冰雹落区。这些研究成果，为婺源冰雹天气的监测预警提供了理论依据[8-10]。

文章使用常规天气图、婺源雨量、雷达拼图和雷达基数据等资料，对2021-03-31婺源两次局地性冰雹过程进行分析，试图总结出婺源冰雹天气的雷达回波特征，并应用于短临预报和监测预警服务之中。

1 资料来源与天气系统概况

1.1 资料来源

天气资料来源于MICAPS平台，主要有常规天气图、地面要素、探空等资料；地面雨量资料来源于江西自动气象站雨量检索平台；雷达拼图资料来源于江西WebGIS雷达拼图平台；雷达产品资料来源于景德镇SA天气雷达基数据反演。

1.2 天气系统概况

2021-03-31T08：00，500 hPa高空低槽位于湖南西部，槽前有明显的西南急流，急流在江西西北部汇合，婺源位于汇合区附近，汇合区上空有200 hPa分流区，低层850 hPa在江西中北部及江西以东地区有明显偏东南气流，即伴有超低空急流存在。低层明显偏东气流与急流一方面将东海上空水汽输送至江西北部上空，另一方面与西部的西南急流、北部偏东急流产生剧烈辐合运动，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，为对流上升运动提供支撑。

850 hPa切变线位于湖南中部至赣北，切变线上西南风与东南风的剧烈辐合，是对流触发的重要天气系统。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，随着槽前西南急流东移，干区移至赣北、赣中上空，“上干下湿”结构为赣北冰雹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，低层温度偏高，且高低空温差大，为冰雹天气的发生提供了热力条件与触发机制。

2021-03-31T08：00天气系统与其他强对流天气过程相比有两点不同：一是500 hPa高空低槽一直位于湖南以西，没有明显东移；二是地面冷空气还在蒙古，江南大部分地区受低压环流影响，从广西经湖南至赣北为明显地面倒槽发展。

2 冰雹雷达回波演变过程

2.1 雷达拼图回波廓线分析

将雷达拼图按照20 min间隔描绘出回波廓线，根据回波廓线反映回波系统的演变过程。2021-03-31，婺源冰雹有两个回波系统：一是05：00—06：40回波短带上超级单体回波；二是07：20—11：20回波短带上超级单体回波。这两个超级单体回波系统，都产生于回波短带上的强单体回波，分别造成婺源县境内赋春、中云、紫阳(县城)、秋口、江湾等乡镇，出现不同程度的雷暴大风和冰雹天气(小冰雹)，并伴有较强雷电活动。

回波短带上超级单体回波05：00(图1a)，东北—西南走向的回波短带在景德镇以西和波阳一线，回波带中段有强回波单体发展，中心强度达到60 dBz，向偏东方向移动；05：20，回波短带上强回波单体发展成为超级单体回波，强度达到60～65 dBz，进入乐平境内，地面开始出现冰雹；05：40，超级单体回波继续发展加强，中心强度达到65～70 dBz，乐平北部乡镇出现较大范围冰雹、雷暴大风和强雷电天气；06：00，超级单体回波有所减弱，强度达到60 dBz，开始进入婺源南部，部分乡镇出现小冰雹和8级以上雷暴大风；06：20—06：40，超级单体减弱至60 dBz以下，并从婺源南部和德兴北部东移出江西。

图1 2021-03-31回波短带上超级单体回波演变廓线

回波短带上超级单体回波07：20—08：00(图1b)，在景德镇以西和波阳一带，有一条东西走向的较强回波短带发展，回波强度为50～55 dBz，向偏东方向移动；08：20，回波进入婺源并发展成为超级单体回波，强度达到55～60 dBz，此时婺源境内乡镇出现小冰雹和雷暴大风天气；08：40，超级单体回波继续东移，强度达到55～60 dBz，婺源维持冰雹天气；09：00，超级单体发展旺盛，中心强度达到60～65 dBz，并东移出婺源，进入福建境内；09：20—11：20，超级单体继续发展，向偏东(110°方位)方向移动，移速达到100 km/h；影响福建的超级单体回波强度在10：40发展加强达到70～75 dBz，造成福建沿途冰雹和雷暴大风天气，极大风速达9级，同时，伴有较强雷电天气和短时强降水天气。

由此可见，婺源冰雹回波系统主要是由前期回波短带中的强回波单体不断发展成为超级单体回波所致，雷达拼图上具有典型的超级单体回波特征[11-13]。回波移动方向偏东(90°～110°)，移动速度在70～100 km/h；超级单体回波伴有冰雹、8级以上雷暴大风、强雷电和短时强降水；超级单体生命史较长(近2～4 h)，但影响婺源的时间为30～60 min。

2.2 组合反射率CR与最强回波下方雨量分布

回波强度与雨量之间存在着很好的相关性。3月31日婺源两次冰雹天气过程，选取最强回波下方覆盖面积中的最大10 min雨量，制作曲线图(图2)，可见，05：00—06：40乐平、婺源冰雹过程，组合反射率CR与雨量之间的关系呈正相关，配合较好(图2a)。雨量随着回波强度的增大而增大，回波强度减小雨量也减小。07：20—11：20婺源、福建冰雹过程，组合反射率CR与雨量之间相关性不是很好，部分点出现负相关，但整体存在回波强度增大雨量增大和雨量随着回波强度减小而减小的关系(图2b)。这种个别点出现负相关现象，可能与山区雨量监测点稀少，不能正确反映回波强度与雨量之间的关系有关。

图2 2021-03-31组合反射率CR(dBz)与最强回波下方雨量(mm)分布曲线

由此可见，组合反射率CR与对应地面雨量呈正相关，雨量随着回波强度增大而增大回波强度减小而减小。5 mm/10 min的雨量，CR强度均≥55 dBz；10 mm/10 min的雨量，CR强度均≥60 dBz。

3 雷达回波特征

3.1 雷达拼图CR产品特征

雷达回波特征是识别冰雹回波的关键，尤其是在网页版江西WebGIS雷达拼图(http：//10.116.32.81)和手机版江西雷达拼图(http：//wx.weather.cn)上，可以方便快捷地进行冰雹回波识别。

3月31日婺源两次冰雹回波特征表现为超级单体结构，由前期回波短带中强单体回波发展演变形成(图3)。在江西WebGIS雷达拼图上，超级单体结构有4个特征：1)回波中心强度≥60 dBz的面积；2)存在≥65 dBz以上的强回波核；3)30～60 dBz强回波梯度；4)具有明显的云砧形成的“前伸”回波结构。这是在雷达拼图上仅凭组合反射率CR产品快速识别冰雹回波的有效方法[14]。

3月31日05：50(图3a)，江西东北部多条短带回波发展，其中乐平与婺源之间发展成为超级单体回波，回波中心强度达到60～70 dBz，60 dBz回波面积≥20 km×20 km；在60 dBz回波中存有65 dBz以上的强回波核；30～60 dBz距离很短，最小距离≤10 km，表明强回波梯度很大；在超级单体回波的下风方(东北方向)是宽广的“前伸”回波，由于“前伸”回波中存在其他强回波，完整的“前伸”回波结构没有显示出来。

图3 2021-03-31婺源两次冰雹过程江西WebGIS雷达拼图回波特征

3月31日08：30(图3b)，回波形态和结构类似于图3(a)，只是回波中心的“核”略小，强回波梯度略大。尽管如此，婺源不少乡镇仍出现小冰雹和8级以上雷暴大风。福建境内也有超级单体回波发展。

3.2 单部雷达产品分析

单部雷达PUP产品有多种，针对3月31日两次婺源冰雹过程使用组合反射率(CR)、回波顶(ET)、垂直液态水含量(VIL)、径向速度(V)、反射率因子垂直剖面(RHIz)和径向速度垂直剖面(RHIv)6种常用产品进行分析；中气旋(M)和龙卷涡旋(TVS)等产品由于不明显被省略。

3月31日05：51(图4)，景德镇(Z9798)SA天气雷达观测到超级单体回波，组合反射率CR强度在60～65 dBz，强回波面积较大(图4a)，回波顶ET达到11 km(图4b)，垂直液态水含量VIL达到60 kg/m2(图4c)，径向速度V 为-5～13 m/s(图4d)，符合超级单体回波基本特征标准。从反射率因子垂直剖面RHIz(图4e)上看，冰雹云回波具有倾斜性，55 dBz强回波顶高达到6 km，强回波上方出现旁瓣造成的虚假回波顶。径向速度垂直剖面RHIv(图4f)，强回波附近出现-5～13 m/s的正负“速度对”，虽然达不到中气旋的标准，但弱切变辐合特征十分明显。

图4 2021-03-31T05：51 景德镇SA雷达产品特征

3月31日08：32(图5)，景德镇(Z9798)SA天气雷达观测到超级单体回波，组合反射率CR强度在60～65 dBz，强回波面积较大(图5a)，回波顶ET达到11 km(图5b)，垂直液态水含量VIL达到60 kg/m2(图5c)，径向速度V为-5～13 m/s(图5d)，符合超级单体回波基本特征标准。从反射率因子垂直剖面RHIz(图5e)上看，冰雹云回波具有倾斜性，55 dBz强回波顶高接近7 km，强回波上方出现旁瓣造成的虚假回波顶。径向速度垂直剖面RHIv(图5f)，强回波附近出现5～27 m/s的正“速度对”，虽然没有负速度的辐合，但在正速度区出现超大值速度切变特征十分明显。