劉靄薇 周筠珺 曾 勇 鄒書(shū)平 楊 哲

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610225;2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;3.貴州省人工影響天氣辦公室,貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

冰雹是嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一,具有突發(fā)性和極強(qiáng)的致災(zāi)性,對(duì)農(nóng)業(yè)、交通、通訊、城市建筑等方面都可能造成很大的危害,給人們帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。雹暴發(fā)展過(guò)程以及其中雹胚生成增長(zhǎng)等微物理演變過(guò)程的研究對(duì)于防雹減災(zāi)作業(yè)至關(guān)重要。

20世紀(jì)80年代中國(guó)學(xué)者提出:降雹前云參量躍增與冰雹在云中的關(guān)系甚大[1]。段鶴等[2]在對(duì)滇南冰雹的統(tǒng)計(jì)研究中得出冰雹的初始特征和發(fā)展階段特征預(yù)報(bào)方法,指出冰雹云發(fā)展階段有回波中心強(qiáng)度躍增和回波頂高躍增。孫傳東等[3]在對(duì)六盤(pán)水市冰雹時(shí)空分布特征、雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn),降雹前45 dBZ回波頂高出現(xiàn)躍增可作為該市冰雹預(yù)警的一個(gè)重要參考指標(biāo)。李成鵬等[4]在對(duì)人工防雹過(guò)程的雷達(dá)回波對(duì)比分析中發(fā)現(xiàn)回波強(qiáng)度躍增和回波頂高躍增相對(duì)應(yīng)是冰雹發(fā)生的重要物理量臨界指標(biāo)。曾勇等[5]在對(duì)貴州中西部一次多站次降雹過(guò)程冰雹云單體發(fā)展演變進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)冰雹云經(jīng)歷兩次躍增階段,一次躍增階段屬于遞增式增長(zhǎng),二次躍增階段屬于波動(dòng)型增長(zhǎng)。上述研究都從側(cè)面證明了雹暴爆發(fā)性增長(zhǎng)是降雹前的重要征兆,但都缺乏對(duì)雹暴爆發(fā)性增長(zhǎng)階段及其前后熱動(dòng)力、微物理、閃電活動(dòng)相互作用的研究,對(duì)這一階段內(nèi)雹暴云體熱動(dòng)力如何作用于微物理演變以對(duì)成雹產(chǎn)生貢獻(xiàn)的過(guò)程缺乏深入理解分析。

幾十年來(lái),中國(guó)通過(guò)影響云微物理過(guò)程減少雹災(zāi)的催化技術(shù)主要是基于Sulakvelize提出的“累積帶”理論[6],其基本依據(jù)是認(rèn)為雷達(dá)強(qiáng)回波區(qū)是由大量過(guò)冷卻大水滴組成,認(rèn)為累積帶是冰雹生成主要場(chǎng)所和主要生長(zhǎng)區(qū)域。根據(jù)這一原理形成了“利益競(jìng)爭(zhēng)”(beneficial competition)的防雹方法,雖然防雹效果存在一定爭(zhēng)議[7-8],但仍有不少學(xué)者已在研究中證實(shí)過(guò)冷水累積帶或累積區(qū)存在。周玲等[9]應(yīng)用三維冰雹云模式對(duì)陜西旬邑地區(qū)的一次降雹過(guò)程進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)冰雹云中存在過(guò)冷雨水的累積區(qū),其出現(xiàn)在最大上升氣流之上,是冰雹生長(zhǎng)的區(qū)域,累積區(qū)里過(guò)冷雨水量變化趨勢(shì)為先增加后減少,在雹形成期間達(dá)到最大;胡朝霞等[10]通過(guò)對(duì)旬邑1997-1999年14例冰雹云過(guò)程的模擬發(fā)現(xiàn)雹云中大多存在累積帶,持續(xù)時(shí)間約6 min,厚度4 km左右,是雹胚產(chǎn)生的源地;鄭凱琳等[11]利用三維冰雹云模式和三維粒子增長(zhǎng)運(yùn)行模式,進(jìn)一步證實(shí)了雹云中存在過(guò)冷水累積區(qū),并且發(fā)現(xiàn)累積區(qū)是大冰雹形成的雹胚源地,但并非是雹胚和冰雹最主要的增長(zhǎng)區(qū);郭欣等[12]通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究2014年北京一次大冰雹形成過(guò)程發(fā)現(xiàn)-35℃～-10℃層存在高過(guò)冷水累積區(qū),冰雹增長(zhǎng)過(guò)程主要依靠雹胚撞凍過(guò)冷水。上述研究均證實(shí)雹云中累積帶多出現(xiàn)于雹暴發(fā)展階段,雹云中過(guò)冷水累積帶的存在是雹胚形成和冰雹初期增長(zhǎng)的重要條件。然而由于冰雹形成機(jī)理十分復(fù)雜,雹暴爆發(fā)性增長(zhǎng)階段熱動(dòng)力達(dá)到怎樣的條件形成累積帶,以及累積帶成雹機(jī)制在爆發(fā)性增長(zhǎng)階段如何作用使雹增長(zhǎng)的過(guò)程尚不清晰,并且雹暴在不同地形和氣候因素影響下差異較大,探尋雹云內(nèi)部成雹機(jī)制需要精細(xì)的觀測(cè)和局地特征的研究。

利用貴州威寧雪山X波段雙線偏振雷達(dá)體掃數(shù)據(jù),對(duì)貴州威寧地區(qū)2018-2019年共23個(gè)降雹單體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,從雹暴中強(qiáng)回波體積增長(zhǎng)、上升氣流強(qiáng)度變化兩個(gè)參量劃分雹暴的爆發(fā)性增長(zhǎng)階段,以此為基礎(chǔ)對(duì)微物理演變和閃電活動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析。由于貴州雹暴天氣中孤立單體降雹樣本數(shù)大于其他3種類型,其中2018年4月25日降雹密度達(dá)到200～300粒/m2,降雹強(qiáng)度大。以2018年4月25日的一次孤立單體降雹為例,從動(dòng)力、微物理和閃電活動(dòng)特征進(jìn)行詳細(xì)分析。旨在探究孤立單體雹暴爆發(fā)性增長(zhǎng)過(guò)程熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)變化對(duì)“累積帶”微物理過(guò)程及雹暴閃電活動(dòng)帶來(lái)的影響,為雹暴的監(jiān)測(cè)預(yù)警和人工防雹作業(yè)提供一定的參考。

1 資料與方法

文中采用的雷達(dá)資料主要來(lái)自貴州省威寧縣雪山鎮(zhèn)X波段雙偏振雷達(dá)(27.06°N,104.09°E),雷達(dá)天線海拔高度為2.472 km,掃描方式 VCP11,最大探測(cè)范圍175 km,采用雙發(fā)雙收模式,可探測(cè)7個(gè)參量,包含:反射率(ZH)、徑向速度(V)、譜寬(W)、差分反射率(ZDR)、差分傳播相移率(KDP)、差分傳播相移(ΦDP)和零滯后相關(guān)系數(shù)(ρHV)。

衛(wèi)星資料來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心網(wǎng)站(www.nsmc.org.cn/),探空資料來(lái)源于貴州省氣象局,再分析資料來(lái)自歐洲中心ERA5數(shù)據(jù)。

由于X波段雙線偏振天氣雷達(dá)的探測(cè)資料受雷達(dá)站周圍環(huán)境噪音和信號(hào)衰減等原因影響,存在相位折疊和回波衰減等問(wèn)題,所以在使用X波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理,包括差分相移退折疊、濾波、衰減訂正3個(gè)步驟。使用徑向連續(xù)性檢查法退差分相位折疊[13];采用綜合小波去噪[14]進(jìn)行濾波;采用自適應(yīng)約束算法[15-16]對(duì)反射率(ZH)以及差分反射率(ZDR)進(jìn)行衰減訂正。由于雹暴過(guò)程沒(méi)有RHI數(shù)據(jù)資料,為使分析更加清晰直接,采用Barnes插值方法來(lái)對(duì)多層雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值[17]。

采用模糊邏輯粒子識(shí)別的方法對(duì)水成物粒子進(jìn)行識(shí)別,該算法總體分為4個(gè)步驟:模糊處理、規(guī)則推導(dǎo)、集成和退模糊處理。將雷達(dá)反射率(ZH)、差分反射率(ZDR)、差分傳播相移率(KDP)、相關(guān)系數(shù)(ρHV)、溫度參數(shù)(T)作為參數(shù)建立粒子識(shí)別模型,將水成物粒子識(shí)別結(jié)果分為7種[18-24]:毛毛雨(DZ)、雨(RN)、聚合物(AG)、低密度霰(LDG)、高密度霰(HDG)、雨夾雹(RH)、冰晶(CR),其中低密度霰粒子密度區(qū)間為0.25 g/cm3＜密度≤0.55 g/cm3,高密度霰粒子密度區(qū)間為0.55 g/cm3＜密度＜0.9 g/cm3。將高于0℃高度的雨(RN)稱為過(guò)冷水(SWA)。采用不對(duì)稱T型函數(shù),函數(shù)閾值設(shè)置參考已有的研究成果,根據(jù)貴州威寧X波段雷達(dá)的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

根據(jù)威寧地區(qū)2018和2019年的降雹記錄,整理了23個(gè)冰雹天氣過(guò)程。根據(jù)雹云的不同形態(tài)、結(jié)構(gòu)將雹暴單體分為孤立單體、多單體(非颮線,下同)、颮線和MCS 4個(gè)類型[25-26](表1)。

表1 2018-2019年降雹個(gè)例基本情況表

續(xù)表1

2 威寧爆發(fā)性增長(zhǎng)特征

爆發(fā)性增長(zhǎng)階段為單體降雹前雹暴核心強(qiáng)回波體積增長(zhǎng)快、上升氣流強(qiáng)的時(shí)段。利用2018-2019年23個(gè)降雹個(gè)例的雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)首先對(duì)雹暴爆發(fā)性增長(zhǎng)階段回波特征、動(dòng)力特征及微物理特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 四種類型雹暴回波及動(dòng)力特征

為研究單體爆發(fā)性增長(zhǎng)特征,首先從單體的體積增長(zhǎng)發(fā)展情況分析。由于降雹前云體內(nèi)關(guān)鍵微物理過(guò)程主要發(fā)生在0℃層以上,利用威寧X波段雙偏振雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)提取反射率三維數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)單體降雹前體積增長(zhǎng)變化,根據(jù)前后兩次體掃統(tǒng)計(jì)出的0℃層以上30 dBZ、40 dBZ、45 dBZ 3個(gè)強(qiáng)度等級(jí)回波庫(kù)數(shù)差表示在兩次體掃時(shí)間間隔內(nèi)單體體積變化,計(jì)算公式如下:

其中:Vn及Vn-1分別表示第n時(shí)刻及上一時(shí)刻的回波體積;Δt為體掃時(shí)間間隔,統(tǒng)一采用6 min進(jìn)行計(jì)算。提取單位時(shí)間體積增長(zhǎng)的最大速率ΔVmax(單位:庫(kù)/min)和該最大速率出現(xiàn)時(shí)間相比降雹時(shí)間的提前量Tlead-ΔVmax(單位:min)。

另外,為定量分析雹暴動(dòng)力場(chǎng)特征,利用威寧X波段雙偏振雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)中的徑向速度計(jì)算徑向速度垂直分量,正值(或負(fù)值)可在一定程度表征上升(或下沉)氣流強(qiáng)度。根據(jù)雹暴單體的核心位置(雹暴中心反射率30 dBZ以上區(qū)域)提取每一個(gè)體掃時(shí)間的上升速度最大值UPmax(單位:m/s),用以表征這一時(shí)刻單體內(nèi)上升氣流強(qiáng)度。記錄最大上升速度出現(xiàn)時(shí)間相比降雹時(shí)間的提前量Tlead-UPmax。

為了將上升氣流和體積增長(zhǎng)結(jié)合起來(lái)更精確地定義單體爆發(fā)性增長(zhǎng)的時(shí)間,將各強(qiáng)度等級(jí)的回波增長(zhǎng)最大速率出現(xiàn)時(shí)間較降雹時(shí)間提前量Tlead-ΔVmax與最大上升速度出現(xiàn)時(shí)間較降雹時(shí)間提前量Tlead-UPmax的相關(guān)性進(jìn)行分析。其中0℃層以上45 dBZ回波最大增長(zhǎng)速率出現(xiàn)時(shí)間提前量Tlead-ΔVmax(45 dBZ)與最大上升速度出現(xiàn)時(shí)間較降雹時(shí)間提前量Tlead-UPmax的相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為0.77821;Tlead-ΔVmax(40 dBZ)與Tlead-UPmax的相關(guān)系數(shù)為0.743;Tlead-ΔVmax(30 dBZ)與Tlead-UPmax的相關(guān)系數(shù)為0.66947(均通過(guò)顯著性檢驗(yàn))。

圖1為0℃層以上強(qiáng)回波中心(指0℃高度以上大于45 dBZ范圍,下同)體積增長(zhǎng)速率最大值與單體內(nèi)徑向速度垂直分量最大值進(jìn)行分類型對(duì)比,由圖1可知,多單體個(gè)例總體體積增長(zhǎng)最大速率和最大上升氣流強(qiáng)度均為4個(gè)類型中最高的;颮線系統(tǒng)的最大體積增長(zhǎng)速率和上升氣流強(qiáng)度均略低于多單體系統(tǒng);孤立單體上升氣流強(qiáng)度差異較大,體積增長(zhǎng)最大速率總體略低于多單體及颮線系統(tǒng);MCS各個(gè)例的體積增長(zhǎng)速率和上升氣流強(qiáng)度差異較大。

2.2 雹暴微物理特征

利用模糊邏輯算法識(shí)別垂直剖面水成物粒子分布。由于冰雹出現(xiàn)在組合反射率強(qiáng)的雹云核心區(qū)域,為研究冰雹云垂直方向微物理結(jié)構(gòu),本文選擇的剖面方向?yàn)?℃層高度以上反射率最強(qiáng)的方向。

統(tǒng)計(jì)爆發(fā)性增長(zhǎng)階段內(nèi)水成物粒子數(shù)量,計(jì)算得出各項(xiàng)水成物粒子增長(zhǎng)速率。根據(jù)各項(xiàng)水成物粒子增長(zhǎng)速率與上升氣流強(qiáng)度的擬合結(jié)果(圖2),發(fā)現(xiàn)單體爆發(fā)性增長(zhǎng)階段各冰晶(CR)、低密度霰(LDG)、雨夾雹(RH)、過(guò)冷水(SWA)最大增長(zhǎng)速率與上升氣流強(qiáng)度相關(guān)性較高,相關(guān)系數(shù)分別為0.41267、0.62082、0.47799、0.43822,均通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)。表明在爆發(fā)性增長(zhǎng)階段,強(qiáng)上升氣流主要對(duì)以上水成物粒子有貢獻(xiàn)作用,其中對(duì)低密度霰的貢獻(xiàn)最大。在后續(xù)個(gè)例分析中將具體分析水成物粒子之間轉(zhuǎn)化機(jī)制。

3 個(gè)例分析

由于威寧地區(qū)孤立單體降雹頻繁,結(jié)構(gòu)較為典型,選取一次具有“累積帶”特征的孤立單體降雹過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)個(gè)例分析。2018年4月25日下午在貴州威寧發(fā)生降雹過(guò)程,降雹地點(diǎn)為得磨,根據(jù)記錄降雹時(shí)間在13:40左右,降雹顆粒達(dá)包谷子大小,降雹密度達(dá)200～300粒/m2。

3.1 天氣背景

2018年4月25日08時(shí)500 hPa環(huán)流形勢(shì)(圖3)顯示中國(guó)西南地區(qū)處于南支槽前西南氣流控制下,繞青藏高原南下的冷平流沿西南氣流影響降雹地。中層干冷空氣向降雹地輸送,上干下濕的層結(jié)條件(圖4)形成對(duì)流不穩(wěn)定環(huán)境。

3.2 雷達(dá)回波及徑向速度演變特征

根據(jù)威寧雪山的X波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)所作的組合反射率圖,確定降雹單體,分析組合反射率回波演變特征。圖5為降雹單體演變過(guò)程,組合反射率顯示2018年4月25日12:40左右在威寧西南部形成并向東發(fā)展,于13:20-13:38降雹。

12:40左右威寧縣西南邊界處生成一個(gè)對(duì)流單體;12:52其組合反射率最大值大于45 dBZ,12:58單體中心強(qiáng)度增強(qiáng)至50 dBZ以上;13:09單體中心強(qiáng)度增強(qiáng)至55 dBZ以上并且單體西側(cè)出現(xiàn)“V型缺口”,有偏西北氣流流入;13:20、13:26單體發(fā)展至最強(qiáng),單體中心反射率最大值達(dá)到60 dBZ,“V型缺口”維持但呈減弱趨勢(shì);13:43后1.45°仰角已識(shí)別不到地面降雹,但單體在降雹結(jié)束后經(jīng)歷了一個(gè)短暫的減弱階段后(13:38-13:55),在14:00又有第二次發(fā)展,并且單體再次出現(xiàn)“V型缺口”的特征;14:12單體中心強(qiáng)度達(dá)到第二個(gè)峰值,反射率最大值為58.5 dBZ;14:18后單體呈減弱消散趨勢(shì)快速向東移動(dòng)。

圖6為單體0℃層以上大于45 dBZ回波體積及徑向速度垂直分量最大值的時(shí)間序列圖,由圖可見(jiàn)在12:58-13:15上升氣流和強(qiáng)回波體積增長(zhǎng)均達(dá)到最大值。根據(jù)上述組合反射率演變分析及回波體積和徑向速度垂直分量隨時(shí)間變化情況將此次雹暴過(guò)程劃分為生成階段(12:40-12:58)、爆發(fā)性增長(zhǎng)階段(12:58-13:15)、成熟穩(wěn)定階段(13:15-13:38)、降雹后減弱階段(13:38-13:55)、二次增長(zhǎng)階段(13:55-14:18)、減弱消散階段(14:18-14:46)。本文主要分析雹暴爆發(fā)性增長(zhǎng)特征,故主要對(duì)爆發(fā)性增長(zhǎng)階段及其前后單體熱動(dòng)力、微物理過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.3 熱動(dòng)力及微物理特征

利用威寧X波段雙偏振雷達(dá)徑向速度數(shù)據(jù)提取徑向速度垂直分量,其中核心區(qū)域(反射率＞30 dBZ)正徑向速度最大值表征上升氣流強(qiáng)度隨時(shí)間變化,負(fù)徑向速度最小值表征下沉氣流強(qiáng)度隨時(shí)間變化(圖略)。結(jié)果顯示,爆發(fā)性增長(zhǎng)階段開(kāi)始時(shí)上升氣流強(qiáng)度達(dá)到最大值,徑向速度分量最高達(dá)2.86 m/s;爆發(fā)性增長(zhǎng)階段中下沉氣流強(qiáng)度也有所增加,13:03達(dá)到-3.13 m/s。在爆發(fā)性增長(zhǎng)階段雹暴內(nèi)部動(dòng)力場(chǎng)變化劇烈,且最下沉氣流的出現(xiàn)晚于最大上升氣流,與固態(tài)粒子在這一階段大量形成以及拖曳作用有關(guān)。

圖7 為爆發(fā)性增長(zhǎng)階段(12:58、13:03、13:09、13:15)單體組合反射率及其垂直剖面反射率、粒子識(shí)別和徑向速度的對(duì)比圖。根據(jù)垂直剖面粒子識(shí)別結(jié)果,在爆發(fā)性增長(zhǎng)中后期(13:03、13:09、13:15)發(fā)現(xiàn)水成物粒子具有“累積帶”特征(圖7c2～c4),爆發(fā)性增長(zhǎng)階段后“累積帶”特征消失。徑向速度垂直剖面顯示累積帶存在時(shí)中層有風(fēng)速輻合,說(shuō)明此時(shí)上升氣流增強(qiáng)。過(guò)冷水“累積帶”大概位于2.5～4 km高度,處于0℃ ～-20℃;低密度霰(LDG)和冰晶(CR)主要分布于3.6～6.5 km高度(-10℃高度以上);高密度霰主要分布于1～3.5 km高度(-10℃高度以下)。單體爆發(fā)性增長(zhǎng)時(shí)段中期(13:03、13:09)低密度霰(LDG)和高密度霰(HDG)數(shù)量明顯增多,并且在爆發(fā)性增長(zhǎng)時(shí)段后期(13:15)有大量雨夾雹(RH)形成。下面根據(jù)粒子數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析,其中過(guò)冷水(SWA)粒子數(shù)量用高于0℃層高度的RN粒子數(shù)量代表。

圖8為各項(xiàng)水成粒子每個(gè)時(shí)刻在垂直剖面中庫(kù)數(shù)占比,由圖知,CR、LDG粒子庫(kù)數(shù)占比在爆發(fā)性增長(zhǎng)開(kāi)始后有明顯上升,均在爆發(fā)性增長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)達(dá)到峰值;SWA、HDG粒子庫(kù)數(shù)占比在爆發(fā)性增長(zhǎng)時(shí)段中后期同樣有所提高。圖9為各項(xiàng)水成物粒子單位時(shí)間增長(zhǎng)速率隨時(shí)間變化,顯示在爆發(fā)性增長(zhǎng)前期LDG和SWA粒子增長(zhǎng)速率均達(dá)到峰值,分別為132庫(kù)/min、17.8庫(kù)/min;爆發(fā)性增長(zhǎng)中期,HDG粒子增長(zhǎng)速率達(dá)到峰值79.7庫(kù)/min;爆發(fā)性增長(zhǎng)后期RH粒子增長(zhǎng)速率在達(dá)到峰值61.7庫(kù)/min。根據(jù)粒子識(shí)別出的雨夾雹(RH)分布位置(圖7c4),處于2～4 km高度,與高密度霰(HDG)分布位置更接近,并且雨夾雹粒子增長(zhǎng)速率峰值出現(xiàn)在高密度霰增長(zhǎng)速率峰值后一個(gè)體掃間隔,從而推斷在這一時(shí)段高密度霰為雨夾雹的主要轉(zhuǎn)化源。

綜上,在爆發(fā)性增長(zhǎng)前期單體內(nèi)上升氣流強(qiáng)度突增,正徑向速度垂直分量最大值在爆發(fā)性增長(zhǎng)前期達(dá)到最大值2.86 m/s,并且在爆發(fā)性增長(zhǎng)階段維持在2 m/s以上,將大量水汽輸送至-10℃高度以上形成大量冰晶和低密度霰,同時(shí)0℃ ～-20℃高度范圍內(nèi)過(guò)冷水堆積形成“累積帶”,過(guò)冷水粒子增長(zhǎng)速率最高達(dá)到17.8庫(kù)/min;爆發(fā)性增長(zhǎng)后期大量雹的產(chǎn)生主要依靠高密度霰在“累積帶”區(qū)域撞凍過(guò)冷水形成雹。

3.4 雷電活動(dòng)與微物理相互作用特征

對(duì)貴州三維閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),本次過(guò)程總閃次數(shù)為68次,其中正地閃占5.9%、負(fù)地閃占55.9%、云閃占38.2%。圖10為12分鐘閃電頻次與水成物粒子庫(kù)數(shù)占比隨時(shí)間變化,由圖所示,貴州三維閃電探測(cè)到本次降雹過(guò)程的首次閃電發(fā)生在爆發(fā)性增長(zhǎng)開(kāi)始后,爆發(fā)性增長(zhǎng)階段中期閃電頻次躍增,對(duì)應(yīng)CR、LDG增長(zhǎng)速率較快。閃電位置與單體中心基本吻合,大多數(shù)云閃在粒子識(shí)別圖中位于低密度霰和冰晶混合區(qū)域(圖略)。在第一個(gè)閃電峰值(13:09)和第二個(gè)閃電峰值(13:38)前冰晶粒子庫(kù)數(shù)占比也達(dá)到峰值,與曾勇等[27]的觀測(cè)研究結(jié)論一致。根據(jù)非感應(yīng)起電機(jī)制原理[28-29],爆發(fā)性增長(zhǎng)階段受上升氣流影響雹云內(nèi)冰晶和霰的數(shù)量增多,存在大量粒子間轉(zhuǎn)換過(guò)程,加大了霰和冰晶之間非感應(yīng)起電率,使閃電頻次在爆發(fā)性增長(zhǎng)時(shí)段突增。

4 結(jié)論

為探究雹暴爆發(fā)性增長(zhǎng)過(guò)程熱動(dòng)力、微物理特征,并針對(duì)爆發(fā)性增長(zhǎng)過(guò)程熱動(dòng)力和微物理相互作用為降雹前體物所做貢獻(xiàn)及影響,利用威寧23次降雹個(gè)例統(tǒng)計(jì)雹暴爆發(fā)性增長(zhǎng)階段回波特征、動(dòng)力特征、微物理特征,并且以2018年4月25日孤立單體降雹過(guò)程為例進(jìn)行詳細(xì)的個(gè)例分析,對(duì)其爆發(fā)性增長(zhǎng)階段熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)對(duì)水成物粒子分布產(chǎn)生的影響、對(duì)雹前期生成并堆積過(guò)程產(chǎn)生的貢獻(xiàn)進(jìn)行討論,并且結(jié)合閃電討論了微物理演變過(guò)程和雷電活動(dòng)的相互作用。主要結(jié)論如下:

(1)通過(guò)統(tǒng)計(jì),0℃層以上45 dBZ體積增長(zhǎng)最大速率出現(xiàn)時(shí)間較降雹時(shí)間的提前量為5～15 min,與最大上升氣流(本文用徑向速度垂直分量表征上升氣流強(qiáng)度)提前量相關(guān)性最大,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.778。

(2)通過(guò)統(tǒng)計(jì),在爆發(fā)性增長(zhǎng)階段上升氣流強(qiáng)度與低密度霰最大增長(zhǎng)速率相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.62,上升氣流對(duì)低密度霰(LDG)數(shù)量增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)最大;其次對(duì)雨夾雹、過(guò)冷水、冰晶的貢獻(xiàn)略低于低密度霰,相關(guān)系數(shù)分別為:0.48(雨夾雹)、0.44(過(guò)冷水)、0.41(冰晶)。

(3)2015年4月25日雹暴在爆發(fā)性增長(zhǎng)階段正徑向速度垂直分量最大值階段維持在2 m/s以上(峰值2.86 m/s)。在缺少垂直風(fēng)速觀測(cè)的條件下,孤立單體雹暴徑向速度垂直分量大于2 m/s并維持12 min(兩個(gè)體掃間隔)以上可作為爆發(fā)性增長(zhǎng)的參考依據(jù)。

(4)爆發(fā)性增長(zhǎng)前期強(qiáng)上升氣流將大量水汽輸送至-10℃高度以上形成大量冰晶和低密度霰,同時(shí)0℃～-20℃高度范圍內(nèi)過(guò)冷水大量堆積形成“累積帶”,過(guò)冷水粒子增長(zhǎng)速率最高達(dá)到每分鐘17.8距離庫(kù)數(shù)。

(5)爆發(fā)性增長(zhǎng)后期雨夾雹大量生成,其主要貢獻(xiàn)源為高密度霰在“累積帶”區(qū)域過(guò)冷水條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)化,高密度霰粒子庫(kù)數(shù)減少1.94%。

(6)閃電活動(dòng)受上升氣流影響雹云內(nèi)冰晶和霰的數(shù)量急劇增多、動(dòng)力場(chǎng)變化劇烈的影響,非感應(yīng)起電率增加,在爆發(fā)性增長(zhǎng)過(guò)程探測(cè)到首次閃電,并且在爆發(fā)性增長(zhǎng)后期閃電頻次突增達(dá)到首個(gè)峰值。

以上結(jié)果反映出貴州威寧孤立單體雹暴及其內(nèi)部“累積帶”在爆發(fā)性增長(zhǎng)階段的特征變化,為人工防雹作業(yè)和冰雹預(yù)警提供一定參考。

致謝:感謝成都市科技治霾新技術(shù)新產(chǎn)品應(yīng)用示范項(xiàng)目(2018-ZM01-00038-SN)對(duì)本文的支持