安义一次微型超级单体冰雹回波特征分析

2024-03-04于泽华马中元

江西科学 2024年1期

于泽华,马中元,熊楚

(1.安义县气象局,330500,南昌;2.江西省气象科学研究所,330096,南昌)

0 引言

江西春季,往往会出现强雷电、强降水、雷暴大风、冰雹等剧烈的强对流天气,尤其是3—4月,大冰雹往往造成灾害损失或人员伤亡。

俞小鼎等[1]介绍了对流风暴的分类和冰雹等强对流天气的预警技术。江西冰雹主要发生在超级单体回波中,具有典型的回波特征[2-3]。直径d≤2 cm的冰雹发生在组合反射率(Composite Reflectivity, CR)回波强度超过60 dBZ并且强回波面积超过100 km2的回波中,当CR强度超过65 dBZ并且强回波面积超过300 km2时,容易出现d≥5 cm的大冰雹[4]。超级单体风暴的雷达回波PPI上有“V”形缺口,垂直结构RHI有弱回波区或有界弱回波区。有界弱回波区或弱回波区面积越大、弱回波区上部回波越强、弱回波区高度越高,则冰雹越强,多单体风暴和单体风暴雷达回波的主要产品值明显小于超级单体[5]。超级单体回波强度为65～70 dBZ,垂直累积液态水含量VIL≥60 kg/m2,径向速度图上具有明显的速度对、中气旋,并伴有反射率因子的悬挂、穹窿和回波墙等特征[6-10]。这些文献研究结果,为冰雹特征分析和预报服务提供了理论支撑与参考依据。

1 资料来源

天气资料来源于micaps高空、地面、探空等常规资料,雷达资料来源于江西雷达拼图,地面资料来源于江西区域自动站观测数据,雷电资料来源于江西雷达监测平台,雷达PUP产品来源于南昌SA雷达资料。全文使用北京时间(BT)。

2 天气实况与天气系统

2.1 天气实况

2022年3月14日(图1),受弱冷空气与强盛西南暖湿气流共同影响,江西中北部出现大范围冰雹、雷电、强降水、雷暴大风等强对流天气,其中安义出现小冰雹(冰雹直径1 cm左右)。14时(图1(a)、(b))、15时(图1(c)、(d)),江西极大风速和空气温度与雷达回波CR叠加,可以看到,14—15时安义冰雹发生时,雷达回波强度达55 dBZ以上,并伴有明显的7级以上雷暴大风,且冰雹出现在显著的温度锋区之中,安义至南昌的温度差达8～10 ℃。

图1 2022年3月14日江西极大风速、空气温度与雷达拼图CR回波叠加图

2022年3月14日10:00—22:00,江西省逐10 min正负闪电次数曲线图(图2),3条曲线分别为正闪次数、负闪次数与总闪次数,可以看到本次过程伴有显著的强雷电,雷电以负闪为主,并伴有少量的正闪,但正闪与负闪呈正相关,负闪多时正闪也最多。密集闪电主要有6个高峰期,分别出现在12时、14时、15时、16时、18时、19时,以16时最强,达300 次/10min以上,其次是15时,闪电密度达250 次/10min以上。安义冰雹发生在14时第2个雷电高峰期附近,闪电密度达150 次/10 min左右。当天全省30 mm/h或以上强降水主要出现在14—20时,以16至17时强降水的站点最多,强度最强,其中景德镇莲花塘小时雨强达61.4 mm/h、景德镇国家站60.6 mm/h,即密集闪电与强降水有较好的对应关系,闪电越密集,强降水的强度也越强。但从总体上看,强雷电密度达到顶峰时,强降水才开始出现,即强降水出现时间落后于强雷电时间。

图2 2022年3月14日江西省正负闪电次数曲线图

2.2 天气系统

图3为2022年3月14日08时天气形势和南昌T-lnP图,可以看到850 hPa河套以南的陕西、甘肃有一小高压,高压东北方向河套以东至渤海湾为显著西北气流带动冷空气向南侵入(图3(a))。地面图上(图3(b)),重庆至贵州以西有低涡,沿低涡向东有倒槽伸展,赣北处倒槽之中。此时地面冷锋与低层切变线还在江西北面。T-lnP图上(图3(c)),600至500 hPa有显著干层,与底层湿区形成“上干下湿”典型的喇叭口结构,且700至600 hPa有逆温层,空气层结极不稳定,并伴有显著不稳定能量,最大抬升指数(BLI)-5.3 ℃、沙氏指数-2.18 ℃,对流有效位能(CAPE)1 319.6 J/kg,逆温层在一定程度上抑制对流发展,造成低层对流能量不断积累。随着冷空气南下,北方冷空气进入赣北,冷暖气团剧烈交汇,对流强烈发展冲出逆温层,大量对流有效位能释放,造成赣北剧烈的强对流天气。

图3 2022年3月14日08时天气形势和T-lnP图

3 安义冰雹回波特征

图4为2022年3月14日13:40雷达拼图产品图,可以看到,从通城至安义有排列成一行的准东西向多个对流强单体,其中,安义达微型超级单体,中心强度达60～65 dBZ,并在单体东南一侧有较明显的强回波梯度,强对流回波单体有显著的向东伸展的云砧(图4(a)),基本达到江西冰雹概念模型的各个指标。垂直积分液态水含量VIL雷达拼图(图4(b))显示,与强回波单体对应强度达(绿色)12 kg/m2以上,其中安义达40 kg/m2以上。

(a)组合反射率CR雷达拼图;(b)垂直积分液态水含量VIL雷达拼图

2022年3月14日13:42,沿安义强回波(图5(b))自西南向东北做垂直剖面,形成雷达拼图垂直剖面图(图5(a))。可以看到在安义附近,55 dBZ以上强回波的伸展高度达8 km,达到了-20 ℃层以上,非常有利于雹坯的形成与壮大。

(a)反射率因子垂直剖面RCS;(b)组合反射率CR

图6为2022年3月14日13:41南昌雷达PUP产品图,可以看到安义冰雹发生时,组合反射率CR达60 dBZ以上(图6(a)),回波顶ET达9～10 km(图6(b)),垂直积分液态水含量VIL为45～50 kg/m2(图6(c))。V0.5° 径向速度图上(图6(d)),安义附近沿雷达径向二边有正负速度大值区,左负右正,表明气流呈气旋式旋转。反射率因子垂直剖面(RCS)上(图6(e)),55 dBZ以上强回波呈倾斜结构,60 dBZ强回波顶高5 km。径向速度垂直剖面(VCS)上(图6(f))底层有正负速度对。

(a)组合反射率CR;(b)回波顶ET;(c)垂直积分液态水含量VIL;(d)径向速度V0.5;(e)反射率因子垂直剖面RCS;(f)径向速度垂直剖面VCS

由此可见,安义冰雹回波强度达60～65 dBZ,伴有显著的前伸回波与前侧回波梯度,垂直剖面上显示,55 dBZ以上强回波的伸展高度达8 km、60 dBZ强回波顶高5 km,垂直积分液态水含量VIL达45～50 kg/m2,达到冰雹发生阈值。反射率因子与径向速度垂直剖面上显示,55 dBZ以上强回波呈倾斜结构,并伴有正负速度对,各项特征有利于冰雹产生。