陇东黄土高原一次超级单体降雹演化机制研究

赵玉娟

(庆阳市气象局，甘肃庆阳 745000)

冰雹是对流风暴成熟阶段的产物，常伴有雷暴大风和短时强降水，突发性强、破坏力大，造成的灾害性天气较为严重，对农业生产、人类生活和生态系统等带来严重的影响，冰雹的出现常伴有超级单体，国内外学者对超级单体降雹进行了较多的研究。如吴剑坤等对强冰雹过程的有利环境背景条件及多普勒雷达特征识别进行了研究，王易等对徐州一次降雹天气超级单体结构特征进行了研究，还有学者对福建、同仁、台州降雹过程中超级单体风暴特征进行了研究，大量的研究表明，大冰雹多由超级单体风暴产生。

20世纪60年代Browning首次提出了超级单体的概念，他认为超级单体风暴是对流风暴中组织化程度最高的一种，如钩状回波、中空弱回波区、有界弱回波区等是超级单体风暴的典型特征，与其他风暴最本质的区别是超级单体风暴有一个深厚持久的中气旋存在。超级单体风暴作为组织程度最高的风暴，造成的雹灾往往更为严重。随着高分辨率雷达资料的广泛应用，国内外学者对超级单体风暴的结构及动力机制不断深入了解。王昂生等研究指出，悬垂回波、回波墙和有界弱回波区是超级单体的典型特征；刘术艳等研究发现，在雹云发展阶段，有组织的斜升气流贯穿于云体上下，陈秋萍等研究显示在超级单体过程中中气旋的重要性。近年来，大量学者对不同地区超级单体降雹过程的物理量特征进行了研究，结果发现，三体散射长钉(TBSS)、垂直积分液态水含量(VIL)跃增、有界弱回波区、中气旋、回波墙、悬垂回波都可作为大冰雹的预警指标。虽然学者对降雹天气研究较多，但是对庆阳市出现的雹暴天气而言，除了张天峰等对庆阳一次大冰雹雷达特征进行研究、徐燕等分析了一次局地冰雹的天气特征外，并没有深入的研究。庆阳市地形地貌复杂，加之近年来随着气候变化，庆阳市极端天气事件多发，由超级单体风暴引起的强风暴天气时有发生，给民众生活和设施农业带来了较大的灾害。笔者针对2021年10月1日庆阳市一次风暴天气展开了详细的研究，以期提高本地的预报预警能力。

1 天气过程

2021年10月1日16：00—20：00，受高空冷平流影响，庆阳市自西北向东南有多个回波单体生成并移动演变。在有利的环境背景下演变成为超级单体风暴，生命史长达4 h，在庆阳市造成西峰区、环县、镇原、庆城、宁县5个县(区)受灾，此次过程以直径小于2 cm的小冰雹为主，最大冰雹直径5 cm，达到强冰雹标准，最大降水量16 mm(南湖)，最大风力7级(巴家咀19 m/s)。此次过程降雹时间长、影响范围广，造成的灾情严重，经市应急管理局统计共造成17个乡镇、125个村、851个组、18 459户、75 732人不同程度受灾，灾害造成直接经济损失9 209.22万元。

2 天气形势分析

从2021年10月1日08：00大尺度形势场(图1a)可以看出，200 hPa庆阳市处在高空急流轴附近；500 hPa高空图上，欧亚中高纬度为多波动的环流形势控制，甘肃河西有一温度槽存在，庆阳市主要受西北气流影响，强的西北气流引导冷空气下滑进入庆阳市境内；700 hPa甘肃河西为温度脊。这种高层温度槽、低层温度脊的配置为对流的发展提供了较好的不稳定层结条件。地面图(图1b)显示，庆阳市西部有地面辐合线存在，为对流的发展提供了动力抬升条件。

注：a1.500 hPa；a2.700 hPa；a3.200 hPa图1 2021年10月1日08：00环流形势(a)和17：00地面图(b)Fig.1 Circulation situation at 08：00(a)and 17：00 ground map(b)on October 1，2021

3 探空特征分析

从2021年10月1日08：00崆峒站订正的探空(图2)分析得出，对流有效位能(CAPE)为1 392.5 J/kg，超过了本地大冰雹的阈值，并且有一定的对流抑制能量存在，对流抑制能量利于能量储存，当对流冲破抑制能量时有强对流天气发生；0 ℃层高度在4 411.400 km，-20 ℃层高度为6 966.154 km，这种特殊层的高度利于冰雹的产生及增长；850～700 hPa风随高度顺转，700～500 hPa风随高度逆转，根据热成风原理低层为暖平流，高层为冷平流，利于不稳定层结的建立；850～700 hPa为条件不稳定层结；0～6 km的垂直风切变(SHR)为24.8，说明风暴有一定的旋转性。

图2 2021年10月1日08：00崆峒站T-lnP(a)和假相当位温(b)Fig.2 T-lnP(a)and pseudoequivalent potential temperature(b)of Kongtong Station at 08：00 on October 1，2021

4 物理量场

从2021年10月1日08：00比湿(图3)分析可以看出，从四川盆地向甘肃河东有一个明显的湿舌伸入，为冰雹的产生提供了水汽条件，且比湿为4 g/kg达到了庆阳市产生冰雹天气的阈值。

从2021年10月1日08：00 700 hPa假相当位温(图4a)分析可以看出，从四川盆地到甘肃河东有一个明显的能量舌存在，庆阳市位于能量舌的顶端，为风雹的产生提供了能量条件。庆阳市700和500 hPa温差均不低于21 ℃(图4b)，超过了庆阳市产生冰雹的阈值，为冰雹的产生提供了较好的层结不稳定条件。

图3 2021年10月1日08：00比湿Fig.3 Specific humidity at 08：00 on October 1，2021

图4 2021年10月1日08：00假相当位温(a)以及700和500 hPa温差(b)Fig.4 False equivalent potential temperature(a)and temperature difference between 700 hPa and 500 hPa (b)at 08：00 on October 1，2021

5 雷达特征

选取2021年10月1日西峰站雷达回波随时间变化(图5)进行分析，从雷达回波强度分析发现，16：15庆阳市的西北部环县与镇原有45 dBz的块状回波发展，回波顶的高度为6.85 km；17：10回波强度发展至60 dBz，范围增大成片状，顶高增加至9.90 km；17：40—18：10强回波范围增大，出现钩状特点，顶高增至11 km以上；从18：15开始钩状特点逐渐消失，回波向东南方向移动减弱，直至20：05，回波向东偏南移动至宁县，范围减小，强度减弱，强对流天气结束。

经分析，2021年10月1日17：40回波发展成钩状结构，单体持续时间较长，达6个体扫(17：40—18：10)，18：00钩状结构特征最清楚。从10月1日18：00西峰站雷达不同仰角的反射率因子(图6a)可以看出，前侧入流槽口明显，且6.0°仰角回波强度达60 dBz，这种高耸强回波的存在说明单体发展的高度较高；分析2.4°仰角的径向速度(图6b)可以看出，在钩状回波弱回波区有明显的气旋式辐合与之对应，气旋式辐合持续4个体扫，基本判断出该单体为超级单体。

VIL是判断冰雹云的重要指标之一，对冰雹特别敏感。它往往会在降雹前产生跃增，作为冰雹临近预报的一个依据。从图7可以看出，10月1日16：00—16：45 VIL值进行了第一次跃变，VIL值增加至40 kg/m，环县合道出现零星冰雹，16：50—17：20 VIL值减少至18 kg/m；17：25 VIL值突增至41 kg/m，出现明显的跃变特征，这时镇原三岔出现2～3 cm的大冰雹；17：25—18：10 VIL值基本维持在34 kg/m以上，回波向东南方向移动，镇原、西峰西部等地出现大冰雹；18：10—20：10 VIL值逐渐减小至0，强对流天气结束。

6 云图特征

分析红外云图(图8a～d)可以看出，2021年10月1日区域性风暴天气过程主要由局地产生的对流云团发展移动而引发的。10月1日17：00庆阳市西北部的环县有小块的对流云团产生，到18：00范围变大，强度变强，且向东南方向移至庆阳市中部，主要对镇原、庆城有较大的影响，镇原、庆城分别产生冰雹天气，19：00对流云团出现了明显的“V”字型结构，庆阳市西峰、宁县等地出现风雹天气，到20：00强对流云团基本移出庆阳减弱消散。从可见光云图(图8e)可以看出，10月1日17：00庆阳市中北部的对流云团有明显的暗影存在，有上冲云顶存在，对流云发展旺盛；从18：00 卫星相当黑体亮温(图8f)可以看出，庆阳市对流云团的相当黑体亮温较低，最小值为104 K，对流云团发展的高度较高对流发展旺盛。

图5 2021年10月1日雷达回波随时间的演变Fig.5 Evolution of radar echo over time on October 1，2021

图6 2021年10月1日18：00 0.5°、2.4°、6.0°仰角的反射率因子(a)和2.4°仰角的径向速度(b)Fig.6 Reflectance factor of 0.5°，2.4°，6.0° elevation(a)and radial velocity diagram of 2.4° elevation(b)at 18：00 on October 1，2021

图7 2021年10月1日16：00—20：10垂直积分液态水含量变化Fig.7 Variation of vertical liquid water content(VIL)with time at 16：00-20：10 on October 1，2021

注：a.16：00红外云图；b.18：00红外云图；c.19：00红外云图；d.20：00红外云图；e.17：00可见光云图；f.18：00卫星相当黑体亮温 Note：a.16：00 infrared cloud image；b.18：00 infrared cloud image；c.19：00 infrared cloud image；d.20：00 infrared cloud image；e.17：00 visible cloud image；f.18：00 satellite fairly black body brightness temperature图8 2021年10月1日卫星云图Fig.8 Satellite cloud image on October 1，2021

7 小结

利用常规资料、西峰CD雷达资料、云图资料对庆阳市2021年10月1日风暴过程进行分析，得出以下结论：

(1)此次风暴天气主要受500 hPa强西北气流引导冷空气下滑影响，且甘肃河西高层温度槽、低层温度脊配合较好，产生了较好的不稳定层结条件。

(2)此次过程发生前期有较大的位势不稳定能量，并且0 ℃层高度在4 411.400 km，-20 ℃层的高度为6 966.154 km，利于冰雹的产生及增长。0～6 km的垂直风切变(SHR)为24.8，风暴有一定的旋转性。

(3)从物理量条件分析来看，此次风暴过程的水汽条件基本满足庆阳市产生冰雹的阈值，能量条件较好，风暴天气产生于能量舌的顶端。

(4)卫星云图得出，此次过程主要由局地产生的对流云团自西北向东南方向移动发展而引发的，对流云团发展到最强出现了明显的“V”字型结构，可见光云图上对流云团有明显的暗影存在，对流云团的相当黑体亮温较低，其发展的高度较高对流发展旺盛。

(5)雷达图分析得出，此次风暴天气受超级单体影响，超级单体持续时间较长从2021年10月1日17：40持续到18：00，单体发展的高度较高，顶高达11.43 km，钩状回波和前侧入流槽口特征明显，径向速度辐合特征明显，并且垂直积分液态水含量(VIL)的跃变特征较为突出。