劉嘉慧敏，鄭 然，梁 綿，張煦庭，婁盼星

(1.陜西省氣象臺(tái)，西安 710014；2. 四川省氣候中心，成都 610072；3.陜西省氣象科學(xué)研究所，西安 710014)

冰雹因其具有局地性、突發(fā)性和強(qiáng)烈性等特征，常常給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重危害，一直以來都備受國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。充足水汽、不穩(wěn)定層結(jié)、抬升機(jī)制和合適的0 ℃層高度等是雹暴發(fā)生發(fā)展需要滿足的基本條件[1]。同時(shí)，天氣尺度和中小尺度等系統(tǒng)對(duì)雹暴有綜合影響，其中天氣尺度系統(tǒng)對(duì)其發(fā)展有直接制約和影響作用[2]，故雹暴往往是在一些有利天氣尺度背景條件下發(fā)生發(fā)展起來的[3-4]。

隨著地面加密氣象觀測網(wǎng)的建設(shè)，新一代天氣雷達(dá)成為冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣最主要的探測手段[5-7]。鄭媛媛等[8]和俞小鼎等[9]分別對(duì)一次雷暴大風(fēng)伴隨冰雹的經(jīng)典超級(jí)單體風(fēng)暴雷達(dá)觀測特征和一次伴隨極強(qiáng)龍卷的強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴進(jìn)行了全面深入分析。肖艷姣等[10]在研究一次切變線暴雨中尺度系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)資料時(shí)發(fā)現(xiàn)低層切變線上的擾動(dòng)與地面降水加強(qiáng)關(guān)系密切，切變線上的中尺度輻合線附近往往有中尺度回波形成，是造成暴雨的主要系統(tǒng)。朱君鑒等[11]分析出新一代天氣雷達(dá)的冰雹指數(shù)、中氣旋、垂直積分液態(tài)含水量(VIL)等產(chǎn)品及多普勒特征對(duì)冰雹有較好的識(shí)別和預(yù)報(bào)能力。前人研究表明當(dāng)有強(qiáng)雹暴發(fā)生時(shí)，雷達(dá)反射率回波會(huì)伴有鉤狀回波、有界弱回波區(qū)、懸垂回波結(jié)構(gòu)和三體散射特征等[12-13]。大量氣象學(xué)者通過收集多年降雹資料和相應(yīng)的雷達(dá)探測資料，建立了超級(jí)單體的流場概念模型和中氣旋模型，總結(jié)得出許多本地化預(yù)警指標(biāo)[14-15]。這都為冰雹等災(zāi)害性天氣監(jiān)測和預(yù)警發(fā)揮了重要作用。另外，由于具有對(duì)強(qiáng)天氣的識(shí)別跟蹤功能，近年來多普勒天氣雷達(dá)提供的VIL產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)80年代末，VIL就應(yīng)用在美國的WSR-88D多普勒雷達(dá)中，成為有效判別降水及其降水潛力、強(qiáng)對(duì)流天氣造成的暴雨、暴雪和冰雹等災(zāi)害性天氣使用率較高的工具之一[16]。根據(jù)美國400多個(gè)冰雹事件統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，冰雹直徑隨著VIL值增大而增大，VIL在45 kg/m2以上的風(fēng)暴一般可產(chǎn)生1.9 cm以上的冰雹，55 kg/m2以上的一般可產(chǎn)生3 cm以上的冰雹[17]，因此一旦臨界值被確定，可用于判別帶有大冰雹的風(fēng)暴。在國內(nèi)，眾多氣象學(xué)者將VIL值的躍增作為雹暴天氣的預(yù)警指標(biāo)。付雙喜等[18-19]把VIL作為判別冰雹的工具之一，在甘肅人工防雹作業(yè)中進(jìn)行了應(yīng)用。王煒等[20]運(yùn)用VIL對(duì)天津地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行了分析總結(jié)，并利用多元回歸的方法建立了預(yù)報(bào)方程。李薇等[21]提出了VIL分層，并對(duì)各種天氣上下層的VIL分布進(jìn)行了分析，這些研究在實(shí)際應(yīng)用中均取得了不錯(cuò)的效果。

西北地區(qū)是我國冰雹的多發(fā)區(qū)，據(jù)近41 a的資料統(tǒng)計(jì)表明，西北地區(qū)的平均冰雹日數(shù)在0～20 d之間[22]。特別是在1970—2015年期間，西北地區(qū)和青藏高原地區(qū)區(qū)域平均單次降雹持續(xù)時(shí)間均呈現(xiàn)顯著的上升趨勢[23]，這無疑給強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)帶來了巨大挑戰(zhàn)。王若升等[24]研究指出在干旱半干旱地區(qū)，“潰變理論”和V-3θ圖預(yù)報(bào)工具對(duì)冰雹天氣具有一定的預(yù)報(bào)能力，可作為短期預(yù)報(bào)一個(gè)可靠的參考工具，但冰雹的臨近預(yù)報(bào)預(yù)警仍然是強(qiáng)對(duì)流業(yè)務(wù)中面臨的重要難點(diǎn)和挑戰(zhàn)之一。另外，西北地區(qū)地勢復(fù)雜，對(duì)于不同海拔，冰雹在環(huán)境方面的特征及其差異大小、演變機(jī)制仍然不甚清楚，以上這些均是迫切需要解決的問題。

2018年5月15日下午，陜西商洛市商南縣遭受強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的襲擊。強(qiáng)對(duì)流開始于14時(shí)左右，商南縣持續(xù)40 min左右強(qiáng)降水。14:40—14:55，城區(qū)突降特大冰雹，降雹量大，觀測到的冰雹直徑最大為55 mm，達(dá)近十年之最，實(shí)屬罕見，部分站點(diǎn)還出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)。受強(qiáng)對(duì)流天氣影響，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，有5 700多戶群眾不同程度受災(zāi)，災(zāi)害造成經(jīng)濟(jì)作物受災(zāi)面積610 hm2，商南直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千萬元。此次強(qiáng)烈雹暴天氣出現(xiàn)在距離商洛雷達(dá)東南側(cè)約100 km。本文通過分析此次強(qiáng)雹暴的發(fā)生發(fā)展演變特征，研究其產(chǎn)生的環(huán)境條件和雷達(dá)特征參數(shù)變化，以期提高陜西強(qiáng)冰雹天氣臨近預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

1 資料和方法

本文使用的資料：(1)2018年5月15日地面、高空常規(guī)氣象觀測資料，加密觀測資料；(2)NCEP/NCAR逐日4次1°×1°的FNL全球再分析資料；(3)商洛新一代多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品?；谔鞖鈱W(xué)分析、物理量診斷和時(shí)滯相關(guān)分析方法，以期總結(jié)預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，為此類特殊強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)提供參考。

2 天氣背景及環(huán)境條件分析

2.1 環(huán)流形勢

此次強(qiáng)雹暴天氣是在大、中尺度天氣系統(tǒng)和中、高緯環(huán)流相互作用的背景下產(chǎn)生的。強(qiáng)雹暴發(fā)生前，15日08時(shí)，200 hPa(圖略)上商洛處于急流出口區(qū)左側(cè)，具備有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展的高空輻散條件。500 hPa(圖1a)河套東部有一寬廣的低槽，在陜西中部形成低渦，對(duì)應(yīng)-8 ℃冷中心，陜西商洛處于低渦底前部西南氣流中。700 hPa(圖略)商洛處于低空急流左前方，增強(qiáng)低層動(dòng)力抬升，同時(shí)暖濕水汽不斷向這里輸送，商南溫度露點(diǎn)差小于3 ℃，空氣接近飽和。850 hPa(圖略)上商洛為24 h正變溫區(qū)，正好對(duì)應(yīng)500 hPa上24 h負(fù)變溫區(qū)，850 hPa與500 hPa溫差達(dá)27 ℃，溫度直減率較大，冷平流疊加在暖平流之上，形成了上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)。同時(shí)，850 hPa商洛存在顯著濕區(qū)，商南比濕達(dá)到12 g/kg。

午后14時(shí)(圖1b)，500 hPa河套低渦仍然維持，商南處于低渦底部，不斷受到其底部弱冷空氣擾動(dòng)影響，有利于加大大氣不穩(wěn)定度。地面圖上(圖1c)，陜西大部處于內(nèi)蒙東部氣旋南側(cè)暖區(qū)中，商洛上空并未有明顯的天氣尺度輻合抬升。地面升溫明顯，14時(shí)商南站的氣溫已升至31 ℃(圖1d)，表明不穩(wěn)定能量在不斷積累，低層強(qiáng)烈加熱和高空干冷大氣使得上空不穩(wěn)定層結(jié)加劇。

圖1 2018-05-15 500 hPa形勢場(實(shí)線為等高線，單位為dagpm；虛線為等溫線，單位為℃；a 08時(shí),b 14時(shí))、海平面氣壓場(c 14時(shí)，單位為hPa)和商南站氣溫逐時(shí)演變(d)(黑色實(shí)心圓為商南位置)

2.2 環(huán)境條件

2.2.1 不穩(wěn)定條件 大氣穩(wěn)定度和熱力條件對(duì)雷暴能否發(fā)展有著十分重要的作用。由于商洛站沒有探空資料，選取08時(shí)距其最近的盧氏站(商南東北側(cè)，距離商南站約100 km)探空資料(圖2a)可見，近地面存在逆溫，有利于進(jìn)一步加聚不穩(wěn)定能量的積累。從風(fēng)暴各項(xiàng)對(duì)流參數(shù)來看，08時(shí)K指數(shù)、SI指數(shù)已分別達(dá)到41 ℃和-5.48 ℃，(K>32 ℃，SI指數(shù)在-4～0 ℃之間)，850 hPa與500 hPa假相當(dāng)位溫差為-17.07 ℃，均指示大氣具有較強(qiáng)的不穩(wěn)定性。CAPE值為378 J/kg，雖然強(qiáng)度不大，但根據(jù)實(shí)況午后商洛站氣溫升高至31.6 ℃，將其對(duì)08時(shí)探空資料進(jìn)行訂正后，CAPE驟增至2 626.4 J/kg。同時(shí)從14時(shí)850 hPa與500 hPa溫度差分布(圖2b)可見，商南地區(qū)二者溫差可達(dá)30 ℃以上，說明白天的熱力不穩(wěn)定性顯著增大，有利于對(duì)流發(fā)展。反映動(dòng)力條件的最大上升速度達(dá)到28 m/s，強(qiáng)烈持久的上升氣流對(duì)產(chǎn)生冰雹非常有利。前人研究指出，發(fā)展旺盛的雹暴多出現(xiàn)在中等到強(qiáng)的垂直風(fēng)切變環(huán)境下，08時(shí)盧氏站0～6 km垂直風(fēng)切變強(qiáng)度為14 s-1，為中等強(qiáng)度，且700～300 hPa風(fēng)向幾乎一致，有利于積雨云的上升氣流和下沉氣流變成有組織的兩股對(duì)峙的傾斜上升氣流和下沉氣流，形成持久的組織化風(fēng)暴。另外，強(qiáng)冰雹的產(chǎn)生還需要有合適的0 ℃層和-20 ℃層高度。08時(shí)0 ℃層高度為4.3 km，-20 ℃層高度為7.5 km，這也為冰雹的生長提供了非常有利的環(huán)境條件。

2.2.2 水汽和動(dòng)力條件 水汽是強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展的重要條件。從850 hPa水汽通量及其散度場(圖3)上可以看出，強(qiáng)雹暴發(fā)生前，08時(shí)(圖3a)水汽主要是從孟加拉灣經(jīng)云貴高原向江淮地區(qū)輸送，商洛大部水汽通量散度輻合不強(qiáng)。到了14時(shí)(圖3b)，水汽通道偏北分量增強(qiáng)，商洛水汽通量輻合強(qiáng)度迅速增大，輻合中心值達(dá)-3×10-5g/(cm2·hPa·s)以上，水汽條件較08時(shí)明顯轉(zhuǎn)好。

圖2 2018-05-15T08 盧氏站探空?qǐng)D(a)、2018-05-15T14 850 hPa與500 hPa溫度差(b,單位為℃)

圖3 2018-05-15 850 hPa水汽通量(箭頭，單位為g/(cm·hPa·s)；陰影為散度，單位為10-5 g/(cm2·hPa·s)；黑色實(shí)心圓為商南位置；a 08時(shí)，b 14時(shí))

從強(qiáng)雹暴區(qū)(33.4°N)垂直速度的高度-經(jīng)度垂直剖面(圖4)可以看出，14時(shí)強(qiáng)雹暴發(fā)生區(qū)上空幾乎整層為一致上升運(yùn)動(dòng)(除500 hPa附近呈弱下沉運(yùn)動(dòng))，最大上升運(yùn)動(dòng)區(qū)在700～600 hPa之間，垂直上升速度可達(dá)-40 Pa/s以上，強(qiáng)雹暴發(fā)生前動(dòng)力條件非常好。同時(shí)，注意到在近地面層也存在很強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，這對(duì)強(qiáng)雹暴的觸發(fā)提供非常有利的條件。

圖4 2018-05-15T14垂直速度沿緯向剖面33.4°N剖面(單位為Pa/s)

2.3 近地面層觸發(fā)條件

以上分析表明商南上空熱力條件和不穩(wěn)定條件較好，具有很好的對(duì)流發(fā)生發(fā)展的環(huán)境和產(chǎn)生冰雹的潛勢，而強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生發(fā)展需要外強(qiáng)迫觸發(fā)。從地面加密資料(圖5a)分析來看，在強(qiáng)冰雹發(fā)生前，午后太陽直射山區(qū)增溫明顯，14時(shí)商南地區(qū)大部地面氣溫迅速升至30 ℃以上，由于海拔相對(duì)周邊較高，植被較少，太陽輻射強(qiáng)，商南中部氣溫達(dá)到最大，中心值達(dá)32 ℃以上。從商南站08—14時(shí)24 h變溫演變(圖5b)來看，由于夜間輻射冷卻作用，商南上空大氣出現(xiàn)明顯逆溫，08時(shí)商南站相較前一日08時(shí)氣溫偏高5 ℃。此后隨著太陽輻射加強(qiáng)，逆溫逐漸減弱消失，但商南站24 h變溫仍呈正值，特別是在13—14時(shí)24 h變溫存在小幅度回升，表明雷暴發(fā)生前局地增溫顯著，這將加速不穩(wěn)定能量積累。

結(jié)合商南地區(qū)12—14時(shí)逐小時(shí)風(fēng)場(圖6a-c)和08—14時(shí)商南站3 h變壓演變(圖6d)來看，09時(shí)商南站3 h變壓呈弱上升，之后顯著下降。在12時(shí)商南中部就存在一條地面輻合線，隨著3 h變壓不斷下降，13時(shí)商南中部的地面輻合線仍穩(wěn)定維持。到了14時(shí)，商南站3 h變壓降至最低，達(dá)-1.8 hPa，輻合線兩側(cè)1 h風(fēng)速也明顯加強(qiáng)，氣流輻合強(qiáng)度加大，因而在該地面輻合線輻合最強(qiáng)的青油河一帶觸發(fā)了對(duì)流風(fēng)暴A生成，配合高空引導(dǎo)氣流沿輻合線東移，并迅速加強(qiáng)發(fā)展為超級(jí)單體。該地面中尺度輻合線較強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前2 h左右就已存在，之后兩側(cè)風(fēng)速加強(qiáng)，氣流輻合強(qiáng)度加強(qiáng)，從而觸發(fā)了對(duì)流不穩(wěn)定能量的釋放，產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流。

圖5 2018-05-15T14時(shí)商南地區(qū)氣溫(a，單位為℃)、08—14時(shí)商南站24 h變溫演變(b)

圖6 2018-05-15商南地區(qū)12時(shí)(a)、13時(shí)(b)、14時(shí)(c)風(fēng)場分布(單位：m/s，五角星為風(fēng)暴A初生地)、08—14時(shí)商南站3 h變壓演變(d)

3 地形作用

強(qiáng)風(fēng)暴的形成與發(fā)展和局地地形有重要關(guān)系。商南境內(nèi)地勢西南部和北部較高，中東部較低，呈掌狀扇形向東南方傾斜的“喇叭口”地形，偏南暖濕氣流所帶來的水汽和熱量在西部迎風(fēng)坡堆積，導(dǎo)致其上空對(duì)流不穩(wěn)定性增強(qiáng)，中尺度輻合線附近出現(xiàn)小尺度擾動(dòng)。陳雙等[25]進(jìn)行復(fù)雜地形條件下雷暴下山增強(qiáng)機(jī)制研究表明，由于地形抬高了冷池出流高度，冷池出流疊加在低層暖空氣之上使對(duì)流不穩(wěn)定增強(qiáng)，同時(shí)冷池出流形成的負(fù)渦度與低層切變產(chǎn)生的正渦度達(dá)到近似平衡狀態(tài)，有利于雷暴的下山增強(qiáng)。這在圖7得以驗(yàn)證，風(fēng)暴A在清油河一帶生成(如圖7a)，該處地勢海拔相較四周高，之后風(fēng)暴A沿輻合線下山向商南城區(qū)移動(dòng)，隨著地勢逐漸降低，風(fēng)暴A組合反射率(CR)不斷增大(圖7b)，強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，直至下山至河谷地帶(14:12附近)，CR增至最大，達(dá)到68 dBz。加之午后顯著升溫，在不穩(wěn)定層結(jié)和較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變作用下迅速發(fā)展為強(qiáng)雹暴，可見地形的下坡有利于風(fēng)暴A的加強(qiáng)發(fā)展。

圖7 商南地形分布(a，五角星為風(fēng)暴A初生地)、2018-05-15風(fēng)暴A下山時(shí)段組合反射率隨時(shí)間演變(b)

4 風(fēng)暴演變過程中的雷達(dá)回波分析

強(qiáng)對(duì)流天氣具有尺度小、突發(fā)性等特點(diǎn)，在大尺度分析和預(yù)報(bào)中，很難準(zhǔn)確把握局地強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生和發(fā)展。前文分析指出，本次商洛市商南縣強(qiáng)對(duì)流受高空天氣尺度系統(tǒng)影響外，受到下墊面局地?zé)崃蛣?dòng)力條件的影響更為關(guān)鍵。以下進(jìn)一步探討雷暴發(fā)展中雷達(dá)回波演變特征。

4.1 風(fēng)暴演變過程

由地面輻合線觸發(fā)的風(fēng)暴A生成后不斷加強(qiáng)發(fā)展東移，同時(shí)受到出流邊界的影響，在風(fēng)暴A移動(dòng)前側(cè)不斷有新雷暴生成。由圖8可見，14:18風(fēng)暴A超過55 dBz的回波面積較前一時(shí)次明顯增大，鉤狀回波已初步形成。14:24強(qiáng)回波面積繼續(xù)增大，回波中心強(qiáng)度已達(dá)60 dBz。14:29風(fēng)暴A回波的鉤狀結(jié)構(gòu)已非常明顯，對(duì)應(yīng)后側(cè)入流，回波中心強(qiáng)度已達(dá)65 dBz，此時(shí)商南地區(qū)還未開始降雹。14:35風(fēng)暴A中心最大強(qiáng)度達(dá)65 dBz以上，最大反射率因子面積較前一時(shí)次明顯加大，風(fēng)暴迅速發(fā)展，同時(shí)伴隨明顯的三體散射長釘，已發(fā)展為超級(jí)單體風(fēng)暴，商南城區(qū)附近已出現(xiàn)降雹，其北側(cè)有B、C對(duì)流單體生成。之后風(fēng)暴A三體散射特征繼續(xù)維持，回波中心強(qiáng)度并無衰減，中心強(qiáng)度最大依舊為65 dBz以上，14:41雹云回波頂高達(dá)12 km，鉤狀回波特征明顯，風(fēng)暴A強(qiáng)度達(dá)到最大，發(fā)展相當(dāng)旺盛，城區(qū)降大冰雹。此時(shí)，風(fēng)暴A北側(cè)的B、C對(duì)流單體迅速加強(qiáng)發(fā)展，C對(duì)流單體最大反射率因子較前一時(shí)刻驟增至50 dBz，并逐漸與B單體合并。14:46二者合并后中心回波強(qiáng)度迅速升至60 dBz以上，這造成了商南北部曹營站短時(shí)強(qiáng)降水，10 min降水量達(dá)9.4 mm。直至14:58風(fēng)暴A東移移出商南境內(nèi)(圖略)，至此商南境內(nèi)降雹結(jié)束。在速度圖上(圖9)，14:29對(duì)應(yīng)風(fēng)暴A鉤狀回波處可以明顯看到一支后側(cè)入流，其與出流氣流形成氣旋性旋轉(zhuǎn)的正負(fù)速度對(duì)，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)20 m/s。14:35入流徑向速度加大，氣旋性旋轉(zhuǎn)輻合加強(qiáng)，中心旋轉(zhuǎn)速度增至25 m/s，表明風(fēng)暴A中上升氣流開始加強(qiáng)，呈類似中氣旋特征，維持了兩個(gè)體掃，同時(shí)伴有明顯的三體散射特征。之后，14:58風(fēng)暴A入流強(qiáng)度明顯減弱，旋轉(zhuǎn)速度強(qiáng)度減小，三體散射特征消失，風(fēng)暴A移出商南境內(nèi)。

綜上可見，造成商南強(qiáng)冰雹的對(duì)流風(fēng)暴正是強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴A，中心最大反射率因子長時(shí)間維持，整個(gè)降雹過程持續(xù)了約20 min。在此期間，對(duì)流層平均層風(fēng)向?yàn)槲髂舷颍L(fēng)暴A的移動(dòng)風(fēng)向介于雷暴傳播方向與平均層風(fēng)向之間。

圖8 2018-05-15商洛雷達(dá)1.5°仰角的反射率因子分布

圖9 2018-05-15商洛雷達(dá)1.5°仰角的基本速度分布

4.2 風(fēng)暴垂直結(jié)構(gòu)

為了深入分析風(fēng)暴A的發(fā)展演變，在風(fēng)暴A發(fā)展旺盛時(shí)段進(jìn)行剖面，分析風(fēng)暴A的垂直結(jié)構(gòu)。由圖10可見，在反射率因子剖面圖上，可以清楚地看到風(fēng)暴A存在回波穹窿，與低層鉤狀回波入流缺口的有界弱回波區(qū)相對(duì)應(yīng)，說明有強(qiáng)上升氣流存在。風(fēng)暴前側(cè)對(duì)應(yīng)著明顯回波懸垂，且中層回波中心超過65 dBz，55 dBz回波高度伸展9～12 km，遠(yuǎn)高于當(dāng)天-20 ℃層高度(7.6 km)，甚至-30 ℃層的高度(9 km)，說明在冰雹增長層-30～-10 ℃存在豐富的過冷卻水滴，非常有利于大冰雹的產(chǎn)生。從徑向速度垂直剖面可以看到，在風(fēng)暴入流一側(cè)存在一支很強(qiáng)的斜升氣流，并從上部流出，這支強(qiáng)烈的上升氣流為風(fēng)暴輸送水汽，維持風(fēng)暴的發(fā)展，并且其托舉作用能夠使小冰粒長成大冰雹；另外有一支干冷的下沉氣流從風(fēng)暴后部中層流入，從風(fēng)暴的底部流出，形成地面雷暴高壓和冰雹落區(qū)。前側(cè)強(qiáng)上升和后側(cè)下沉氣流錯(cuò)開，互不妨礙又相互促進(jìn)，這是風(fēng)暴流場自組織的一種機(jī)制或自維持結(jié)構(gòu)，兩股氣流在3 km附近強(qiáng)烈輻合，有利于強(qiáng)上升氣流發(fā)展。從垂直液態(tài)積分水含量(VIL)來看(圖11)，剛開始降雹時(shí)風(fēng)暴A 中VIL中心已迅速增至65 kg/m2，在風(fēng)暴A發(fā)展最強(qiáng)盛時(shí)中心強(qiáng)度增至70 kg/m2，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過商洛地區(qū)冰雹預(yù)報(bào)指標(biāo)，表明降大冰雹的可能性很大。

進(jìn)一步，圖12給出了商南站上空風(fēng)暴A在發(fā)展最強(qiáng)時(shí)刻(14:46)反射率因子垂直分布廓線，以及商南站上空22 min(14:24—14:46)平均反射率因子垂直分布廓線。由于商南站距離商洛雷達(dá)有近100 km，因而在雷達(dá)0.5°仰角上商南站最低探測到的回波高度為2.4 km。由圖可見，在風(fēng)暴A發(fā)展最強(qiáng)時(shí)刻(14:46)，反射率因子在垂直方向上呈先增大后減小分布。在低層反射率因子已達(dá)45 dBz以上，隨著高度增加回波強(qiáng)度繼續(xù)增大，在7 km附近存在回波極大值，最大反射率因子達(dá)65 dBz以上，之后回波強(qiáng)度開始減小，直至18.3 km高度處，反射率因子仍有13 dBz，可見風(fēng)暴A發(fā)展是相當(dāng)旺盛的。從商南站上空22 min平均反射率因子垂直分布廓線來看，其分布型與前者基本一致，在7 km附近也存在回波極大值區(qū)，回波強(qiáng)度達(dá)到近60 dBz，回波伸展高度高，表明強(qiáng)風(fēng)暴A發(fā)展迅速，維持時(shí)間較長。

圖10 2018-05-15T14:46商洛雷達(dá)反射率因子(a，沿雷達(dá)徑向128°)、徑向速度(b，沿雷達(dá)徑向115°，箭頭代表氣流方向)剖面

圖11 2018-05-15商洛雷達(dá)垂直液態(tài)積分水含量(a 14:41,b 14:46)

圖12 2018-05-15T14:46商南站上空反射率因子垂直分布廓線(實(shí)線)、2018-05-15T14:24—14：46平均反射率因子垂直分布廓線(虛線)

5 強(qiáng)風(fēng)暴特征參數(shù)演變

前文分析表明，隨著強(qiáng)雹暴的迅速發(fā)展，其各項(xiàng)特征指數(shù)呈現(xiàn)出獨(dú)有的特征。其中，由大量觀測實(shí)踐驗(yàn)證，VIL躍增對(duì)大冰雹有較好的指示作用。由圖13可以看出，隨著最大反射率因子(DBZM下簡稱Zm)增大，VIL也在增大。出現(xiàn)冰雹之前，VIL值有兩次明顯的躍增。13:38風(fēng)暴發(fā)展初期VIL僅為2 kg/m2，此時(shí)風(fēng)暴高度還不到3 km，經(jīng)過5個(gè)體掃后VIL值迅速增至56 kg/m2，風(fēng)暴頂高度迅速向上伸展至9 km。經(jīng)過一個(gè)體掃后風(fēng)暴VIL值又迅速增至70 kg/m2，反映了云體內(nèi)冰雹粒子在生長區(qū)正迅速碰并長大。此后VIL值緩慢增長，維持在70～80 kg/m2，風(fēng)暴發(fā)展高度達(dá)到10～12 km，雹云發(fā)展非常旺盛，雹云內(nèi)的冰粒已經(jīng)充分長大，對(duì)應(yīng)商南地區(qū)特大冰雹。直至15:00左右，VIL值突然下降到60 kg/m2，云內(nèi)水汽含量急劇下降，商南降雹趨于結(jié)束。由此可見，降雹前約10～15 min，商南地區(qū)VIL值一個(gè)體掃內(nèi)躍增量達(dá)20 kg/m2，這為冰雹的預(yù)警提供了有價(jià)值的信息。而VIL值出現(xiàn)多次躍增是由于雹塊降落后上升氣流又占據(jù)主導(dǎo)地位，使得生長區(qū)較小的冰雹得到進(jìn)一步增長，使VIL值有所增大，這也是雹云得以長時(shí)間維持的重要原因。

近幾年有研究指出，相較于VIL，VIL密度的演變更能細(xì)致地反映雹云的快速增長過程。Amburn and Wolf[26]定義VIL密度為VIL與風(fēng)暴頂高度之比，以提醒預(yù)報(bào)員大冰雹與周圍氣塊的特性密切相關(guān)，VIL密度增大時(shí)，冰雹核會(huì)增大，風(fēng)暴變得更劇烈，并指出90%雹暴的VIL密度≥3.5 g/m3，而幾乎所有VIL密度≥4.0 g/m3的風(fēng)暴都會(huì)產(chǎn)生直徑≥2 cm的冰雹。Hart[27]等證實(shí)了VIL密度對(duì)預(yù)報(bào)大冰雹天氣有較好的指示作用。目前國內(nèi)也有不少氣象工作者通過分析VIL密度躍增的閾值來作為大冰雹的臨近預(yù)報(bào)指標(biāo)[28-29]，但其與VIL在極端強(qiáng)雹暴發(fā)展演變過程中的具體對(duì)比和判據(jù)優(yōu)勢研究較少，在西北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣中的應(yīng)用研究也相對(duì)較少。就此次過程，本文發(fā)現(xiàn)伴隨VIL值兩次明顯的躍增，VIL密度變化幾乎與之同步(圖13)。第一次躍增時(shí)VIL密度達(dá)到6.1 g/m3，略有減弱后又迅速增至7.2 g/m3，達(dá)到最大，此后VIL密度維持在7 g/m3左右，直至降雹結(jié)束而減弱。本文在風(fēng)暴A整個(gè)發(fā)展演變過程(13:38—16:41)中將VIL和VIL密度分別與最大反射率因子Zm做時(shí)滯相關(guān)(圖14)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在同期時(shí)，二者均與Zm呈顯著正相關(guān)關(guān)系，VIL與Zm相關(guān)系數(shù)達(dá)0.88，略高于VIL密度與Zm相關(guān)系數(shù)。而在提前6 min、12 min、18 min、24 min時(shí)，雖然二者與Zm相關(guān)系數(shù)均在減小，但VIL密度與Zm相關(guān)性明顯要高于VIL與Zm相關(guān)性，即在超前不同時(shí)刻，VIL密度與Zm的相關(guān)系數(shù)都高于后者。特別是在提前24 min時(shí)，VIL密度與Zm的相關(guān)系數(shù)為0.45，仍通過了0.01信度檢驗(yàn)，這表明相較VIL的躍增，VIL密度的變化能更好地提前指示大冰雹，可作為商南大冰雹一個(gè)超前的顯著預(yù)警指標(biāo)。由于此次突降大冰雹在商南地區(qū)較為罕見，前人總結(jié)的商洛地區(qū)冰雹各項(xiàng)潛勢預(yù)報(bào)指標(biāo)具有一定局限性，因而可用VIL密度值明顯躍增至5.5 g/m3提前24 min預(yù)警大冰雹。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證VIL密度閾值的預(yù)警效果，選取了陜西2015年以來不同強(qiáng)度的冰雹過程。由表1可見，對(duì)于不同強(qiáng)度的的冰雹過程，雹暴最大反射率因子幾乎都超過60 dBz，VIL值幾乎都超過45 kg/m2，VIL密度幾乎均在5.0 g/m3以上。特別是對(duì)于佳縣和安塞的大冰雹過程，最大VIL密度均超過6.0 g/m3，對(duì)于清澗和神木中等強(qiáng)度冰雹過程，最大VIL值分別僅為31 kg/m2和34 kg/m2，VIL密度卻有很好的指示作用。因此，VIL密度躍增對(duì)于不同強(qiáng)度的冰雹過程有較好的指示作用。同時(shí)，可結(jié)合強(qiáng)風(fēng)暴反射率因子中心值超過60 dBz，VIL值超過45 kg/m2加以補(bǔ)充和完善陜西冰雹預(yù)警指標(biāo)。

圖13 風(fēng)暴A的VIL、VIL密度、回波頂高度(TOP)、最大反射率因子(DBZM)隨時(shí)間的演變

圖14 風(fēng)暴A的VIL、VIL密度與最大反射率因子同時(shí)刻、超前相關(guān)系數(shù)

6 結(jié)論與討論

(1)此次發(fā)生在商南地區(qū)的強(qiáng)冰雹天氣，其有利的環(huán)境背景是500 hPa河套東部低槽與地面氣旋暖區(qū)相配置，上下層熱力平流的差異使原來上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)更加不穩(wěn)定，加強(qiáng)了地面輻合以及不穩(wěn)定能量的積累。地面中尺度輻合線的加強(qiáng)觸發(fā)了對(duì)流，高空急流的強(qiáng)輻散作用有利于低層的輻合上升運(yùn)動(dòng)，較強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變使得對(duì)流云團(tuán)發(fā)展成超級(jí)單體風(fēng)暴。

表1 2015-2017年陜西6次冰雹天氣過程雷達(dá)參數(shù)特征

(2)有利的地形、地面中尺度輻合線的動(dòng)力抬升作用是超級(jí)單體風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展和維持的重要原因。

(3)此次強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展迅速，中心最大反射率因子長時(shí)間維持在65 dBz以上，呈鉤狀回波，并伴有三體散射長釘。雹暴發(fā)展非常旺盛，最大VIL值高達(dá)77 kg/m2，回波伸展高度至12 km左右，遠(yuǎn)超過當(dāng)天-20 ℃高度，冰雹增長層存在豐富的過冷卻水滴，有利于大冰雹的產(chǎn)生。強(qiáng)雹暴在3 km附近強(qiáng)烈輻合，中心存在氣旋性旋轉(zhuǎn)的正負(fù)速度對(duì)，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)25 m/s，有利于強(qiáng)上升氣流發(fā)展。

(4)VIL值和VIL密度的躍增可用作大冰雹的預(yù)警指標(biāo)，但相較VIL的躍增，VIL密度的變化能更好地提前指示大冰雹，可用VIL密度值明顯躍增至5.5 g/m3提前24 min預(yù)警大冰雹，作為商南大冰雹一個(gè)超前的顯著預(yù)警指標(biāo)。同時(shí)，可結(jié)合強(qiáng)風(fēng)暴反射率因子中心值超過60 dBz，VIL值超過45 kg/m2補(bǔ)充完善預(yù)警指標(biāo)，進(jìn)一步提升陜西冰雹預(yù)警能力。

(5)值得注意的是，商洛地區(qū)地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此次大冰雹過程罕見，突發(fā)性、致災(zāi)性很強(qiáng)，本文對(duì)于地形對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴影響的分析，只給出了初步定量分析，后期有待進(jìn)一步深入研究。