劉 靜，任 川，牛 丹，時(shí) 倩

（1遼寧省氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，沈陽110166；2遼寧省氣象信息中心，沈陽110166）

0 引言

遼寧省地形概貌大體是“六山一水三分田”，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，天氣復(fù)雜多變且氣象災(zāi)害頻發(fā)。冰雹是重要的強(qiáng)對(duì)流天氣之一，在遼寧省西部地區(qū)屬于頻發(fā)的災(zāi)害性天氣，其突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大的特點(diǎn)，給遼寧西部地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)、交通以及人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來很大的損失，分析冰雹發(fā)生發(fā)展的中尺度特征，可以提高冰雹預(yù)報(bào)預(yù)警的準(zhǔn)確率和提前時(shí)間。

遼寧省冰雹天氣多發(fā)生在東北冷渦背景下[1-2]，多普勒天氣雷達(dá)資料（時(shí)間分辨率為6 min）在強(qiáng)對(duì)流（冰雹）的監(jiān)測(cè)預(yù)警中具有重要意義，并且發(fā)揮了顯著的作用。近年來，諸多學(xué)者多利用衛(wèi)星云圖、多普勒天氣雷達(dá)資料對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行研究[3-6]。應(yīng)用多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)冰雹特征分析的研究最為廣泛[7-11]，雷達(dá)回波特征分析在遼寧地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣過程（冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水）中也有較好的應(yīng)用[12-13]。常規(guī)的衛(wèi)星云圖產(chǎn)品（時(shí)間分辨率為30 min）在冰雹分析中也有舉足輕重的地位[14-15]。在冰雹發(fā)生的背景場(chǎng)判識(shí)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用物理量判識(shí)，在物理量場(chǎng)中對(duì)流有效位能(CAPE)是與環(huán)境聯(lián)系最密切的熱力學(xué)變量[16]。

2016年6月22日16時(shí)（北京時(shí)，下同）左右，建平縣共計(jì)7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)26個(gè)自然村遭受了不同程度的雹災(zāi),最大冰雹直徑超過4 cm。一般認(rèn)為，降落到地面上直徑超過2 cm的冰雹為強(qiáng)冰雹[17]。本次雹災(zāi)受災(zāi)農(nóng)作物共計(jì)3226 hm2，受災(zāi)人口共計(jì)17757人，造成直接經(jīng)濟(jì)損失726萬元。

對(duì)這次突發(fā)性冰雹的短時(shí)預(yù)報(bào)是不理想的，即使事后分析，也很難在6月22日早晨確定大冰雹發(fā)生的征兆和跡象。本研究以高時(shí)空分辨率的多普勒天氣雷達(dá)及葵花8號(hào)衛(wèi)星資料作為主要手段進(jìn)行強(qiáng)雹暴觸發(fā)機(jī)制分析，并利用臨近探空及NCEP資料中的物理量變化來揭示強(qiáng)冰雹發(fā)生前環(huán)境場(chǎng)的變化特征。重點(diǎn)解決如下一些問題：（1）這次突發(fā)性冰雹在早晨（8時(shí)）實(shí)況中有何征兆，預(yù)報(bào)不成功的主要原因，（2）該雹暴系統(tǒng)的中尺度特征，（3）利用高分辨率葵花衛(wèi)星及多普勒天氣雷達(dá)資料可以將冰雹的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)時(shí)間提前時(shí)長(zhǎng)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

采用Himawari-8靜止氣象衛(wèi)星產(chǎn)品、多普勒天氣雷達(dá)資料、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(NCEP)下發(fā)的FNL資料(1°×1°)及加密自動(dòng)站觀測(cè)資料，對(duì)此次天氣過程的中尺度特征進(jìn)行詳細(xì)分析。

日本新一代靜止氣象衛(wèi)星葵花-8號(hào)(Himawari-8)始于美國(guó)的GOES系列衛(wèi)星，可見光2個(gè)通道加上紅外和近紅外14個(gè)通道共16個(gè)通道，可見光最高分辨率0.5 km，其具有先進(jìn)的葵花成像儀(AHI)，AHI具有高時(shí)間頻次全盤和區(qū)域掃描的特點(diǎn)，能夠在10 min內(nèi)完成全盤掃描，特別指出的是該系列衛(wèi)星首次提出的圖像定位配準(zhǔn)技術(shù)，通過復(fù)雜的標(biāo)定和補(bǔ)償，使衛(wèi)星指向預(yù)期目標(biāo)的定位精度達(dá)到1 km級(jí)別[18]。

1.2 研究方法

根據(jù)6月22日遼寧省常規(guī)觀測(cè)資料及NCEP再分析資料，對(duì)冰雹發(fā)生日早晨（8時(shí)）的環(huán)境場(chǎng)進(jìn)行分析，找出冰雹發(fā)生的有利/不利條件；利用高時(shí)空分辨率的Himawari-8靜止氣象衛(wèi)星產(chǎn)品中的可見光及紅外圖像追蹤強(qiáng)雹暴云團(tuán)的發(fā)展，結(jié)合多普勒天氣雷達(dá)資料中的基本反射率、垂直累計(jì)液態(tài)水含量密度等條件分析強(qiáng)雹暴超級(jí)單體的落區(qū)和強(qiáng)度；提出能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)冰雹發(fā)生的提前時(shí)間。

2 環(huán)流形勢(shì)

遼寧省建平市位于遼寧省西北部，燕山山脈向遼沈平原的過渡地帶，屬于半干旱半濕潤(rùn)易旱地區(qū)。建平市建平縣是遼寧省冰雹發(fā)生頻率最高的地區(qū)。

利用遼寧省常規(guī)觀測(cè)資料對(duì)冰雹發(fā)生前的環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行分析。2016年6月22日8時(shí)，500 hPa高空在45°—55°N、108°—124°E范圍內(nèi)存在東北冷渦，冷渦后部有冷空氣南下，使氣旋加深和發(fā)展，500 hPa西北氣流和850 hPa西南氣流風(fēng)向切變＞90°；850 hPa在上述范圍內(nèi)存在冷暖平流，冷槽和暖脊交匯，交角＞60°，建平地區(qū)位于交匯處附近西北方向，850、925 hPa低空/超低空切變線經(jīng)過遼寧，建平位于切變線西南側(cè)；地面受東北—西南狹長(zhǎng)低壓帶控制，43°—45°N、116°—124°E有閉合低壓中心，地面輻合線由東北緩慢向西南方向移動(dòng)。

利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(NCEP)下發(fā)的FNL(1°×1°)及遼寧省重建探空資料（8、14時(shí)）對(duì)冰雹發(fā)生時(shí)刻的物理量進(jìn)行診斷，結(jié)果表明：整層大氣較干，500 hPa相對(duì)濕度是20%，925 hPa相對(duì)濕度是70%；700 hPa與500 hPa之間的溫度差＞20℃，850 hPa與500 hPa之間的溫度差＞26℃，K指數(shù)＞28℃，建平地區(qū)大氣層結(jié)不穩(wěn)定。

遼寧省探空站（沈陽、大連、錦州、丹東）分布距離建平較遠(yuǎn)，因此分析此次雹暴過程采用內(nèi)蒙古赤峰(118.97°E，42.27°N)探空站數(shù)據(jù)，使用建平站8時(shí)、14時(shí)的地面氣壓、溫度和露點(diǎn)值對(duì)探空資料進(jìn)行訂正。冰雹發(fā)生時(shí)間為午后16時(shí)左右，采用建平縣8、14時(shí)地面溫度和露點(diǎn)溫度（分別為23、15，30、17℃）結(jié)合8時(shí)赤峰站探空?qǐng)D重新計(jì)算了環(huán)境參數(shù)，繪制8時(shí)（圖1a）、14時(shí)（圖1b）建平探空?qǐng)D。從探空?qǐng)D1(a)中可以看出，早晨近地面存在淺薄逆溫層，有利于不穩(wěn)定能量的儲(chǔ)存，但是整層水汽條件差。

浮力能的增加有助于維持強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。早晨的沙氏指數(shù)(SI)是0.1℃，午后降為-4.7℃，大氣層結(jié)從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定，且程度逐漸加深。垂直風(fēng)切變有助于維持雹暴內(nèi)強(qiáng)烈的上升氣流，午后0～6 km的垂直風(fēng)切變達(dá)到11.67 m/s，具有適宜的特征層高度（0、-20、-30℃高度分別為4083、6704、7994 km），此時(shí)靜力不穩(wěn)定、抬升觸發(fā)機(jī)制、深層垂直風(fēng)切變和適宜的特征層高度都滿足冰雹發(fā)生的需要，但產(chǎn)生強(qiáng)雷暴還需要適宜的水汽條件，因此單憑環(huán)境場(chǎng)數(shù)據(jù)很難提前預(yù)報(bào)冰雹的發(fā)生。

應(yīng)用遼寧省加密區(qū)域自動(dòng)站資料分析6月22日8時(shí)(a)、14時(shí)(b)地面水汽通量散度、風(fēng)場(chǎng)、溫度和露點(diǎn)（見圖1）。8時(shí)，建平縣水汽通量散度為正，水汽在流失；午后（14時(shí)），建平縣水汽在積聚，濕度條件有助于雷暴的產(chǎn)生。午后風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)了幅合，有助于強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，溫度露點(diǎn)差＞10℃，空氣不飽和。

圖1 2016年6月22日朝陽重建T-lop圖和風(fēng)廓線

圖2 2016年6月22日地面水汽通量散度疊加風(fēng)場(chǎng)、溫度和露點(diǎn)

3 中尺度特征分析

3.1 強(qiáng)冰雹天氣的衛(wèi)星云圖特征分析

圖3顯示的是日本氣象廳葵花-8號(hào)(Himawari-8)靜止氣象衛(wèi)星10 min產(chǎn)品，其中可見光分辨率是0.5 km，紅外云圖分辨率是2 km。圖中圓圈處為建平地區(qū)（下同）。

圖3 2016年6月22日葵花衛(wèi)星可見光云圖

將冰雹云團(tuán)的生命史分為初生、發(fā)展、成熟和消亡4個(gè)階段，冰雹通常發(fā)生在對(duì)流云團(tuán)發(fā)展至成熟階段初期[19]。6月22日上午前后零散對(duì)流云在遼寧上游地區(qū)產(chǎn)生，不斷向下游發(fā)展、合并。圖3顯示的是對(duì)流云團(tuán)發(fā)展時(shí)刻的可見光云圖，該冰雹云團(tuán)為輻射加熱不均勻產(chǎn)生的積云，邊界光滑，色調(diào)明亮。從圖3(a)可以看出，在15:30，該云系還處于初生向發(fā)展過渡階段，云團(tuán)初生時(shí)表現(xiàn)為邊界十分光滑，具有明顯長(zhǎng)軸的橢圓形，表明出現(xiàn)在強(qiáng)垂直風(fēng)切變下，長(zhǎng)軸與強(qiáng)垂直風(fēng)切變走向基本一致；午后15:00左右，對(duì)流云團(tuán)發(fā)展，在東北—西南方向尺度約350～400 km，屬于中α尺度強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)；在圖3(b～d)15:40—16:00中，冰雹云系逐漸成熟，頭部凸起寬廣，尾部云帶尖窄，渦旋中心處有尖點(diǎn)，云團(tuán)的上風(fēng)邊界十分光滑整齊，下風(fēng)邊界出現(xiàn)長(zhǎng)的卷云氈，拉長(zhǎng)的卷云氈從活躍的風(fēng)暴核前部流出，強(qiáng)天氣出現(xiàn)在云團(tuán)西南方向的上風(fēng)一側(cè)（建平縣所在位置）。該對(duì)流云系尺度較?。s1個(gè)緯距），對(duì)流云系呈東北—西南向分布，建平地區(qū)位于對(duì)流云系西南一側(cè)，形狀狹小，屬于該對(duì)流云系的尾部，該處位于強(qiáng)的渦度平流區(qū)，容易激發(fā)強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)[20]。冰雹發(fā)生前40 min，如圖3(a～c)紋理越來越清晰，3d和3e出現(xiàn)明顯的暗影（箭頭處）。建平發(fā)生冰雹區(qū)域?yàn)閷?duì)流云系的上風(fēng)一側(cè)，暗影出現(xiàn)時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)冰雹，因此風(fēng)向、紋理及暗影可以給冰雹預(yù)報(bào)預(yù)警帶來大于30 min的提前量。

圖4是冰雹發(fā)生臨近時(shí)刻的長(zhǎng)波紅外圖像，冰雹發(fā)生區(qū)域在對(duì)流云團(tuán)偏西邊緣一側(cè)。紅外云圖實(shí)際上是一幅亮度溫度(TBB)分布圖。

建平冰雹發(fā)生區(qū)域5個(gè)時(shí)次圖4(a～e)的亮度溫度分別為-50.54、-49.65、-51.7、-50.73、-50.67℃，10 min變化量分別為0.89、2.05、0.97、0.06℃，可以看出，冰雹發(fā)生后，TBB變化量減小。

強(qiáng)對(duì)流通常發(fā)生在對(duì)流云團(tuán)的邊緣附近，也就是TBB梯度的大值區(qū)，因此認(rèn)為TBB梯度相對(duì)TBB本身，對(duì)冰雹有更好的指示意義。圖4e(16:10)中藍(lán)色線條所示點(diǎn)的TBB梯度值為3.37℃/0.05°，16:30 TBB梯度值降為1.43℃/0.05°，冰雹發(fā)生后TBB梯度值迅速減小。

圖4 2016年6月22日葵花衛(wèi)星紅外云圖

3.2 強(qiáng)冰雹天氣的雷達(dá)產(chǎn)品特征分析

遼寧地區(qū)共有4部雷達(dá)：分別位于沈陽、大連、營(yíng)口、朝陽。此次建平冰雹過程采用朝陽雷達(dá)(SC)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。影響遼寧建平地區(qū)的強(qiáng)雷暴系統(tǒng)14:00由內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)發(fā)展，緩慢向東移動(dòng)，進(jìn)入遼寧西部建平地區(qū)后分裂(14:42)，強(qiáng)回波分成3塊，15:06回波強(qiáng)度增加，雷達(dá)回波基本反射率中心強(qiáng)度為50 dBZ以上，15:30迅速發(fā)展成為超級(jí)單體，50 dBZ以上強(qiáng)反射率區(qū)域增加，中心強(qiáng)度達(dá)到60 dBZ，16:00回波發(fā)展成為一個(gè)強(qiáng)超級(jí)單體，超過60 dBZ的區(qū)域加大。此次超級(jí)單體過境給建平地區(qū)帶來了一次強(qiáng)冰雹天氣過程，下文重點(diǎn)分析造成強(qiáng)冰雹時(shí)段的超級(jí)單體特征。從不同仰角雷達(dá)反射率、垂直剖面、液態(tài)水含量、回波頂高等角度分析此次強(qiáng)冰雹天氣過程的雷達(dá)回波中尺度特征。

3.2.1 雷達(dá)組合反射率 強(qiáng)對(duì)流天氣生成發(fā)展后，在赤峰地區(qū)（遼寧建平西南方向）形成了弓狀回波，之后向東南方向移動(dòng)。圖5(a～c)分別顯示的是0.5°、1.5°、2.4°仰角的組合反射率，箭頭所示為V型缺口（下同），強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)出現(xiàn)了典型的雹暴特征，組合反射率因子核心區(qū)的極值為55 dBZ。

3.2.2 垂直剖面特征分析 為觀測(cè)降雹時(shí)超級(jí)單體內(nèi)部垂直結(jié)構(gòu)，對(duì)雷達(dá)回波反射率做垂直剖面（圖6）,該剖面橫穿強(qiáng)回波中心區(qū)域。

當(dāng)強(qiáng)回波擴(kuò)展到-20℃等溫線高度之上時(shí)，對(duì)強(qiáng)冰雹的潛勢(shì)貢獻(xiàn)最大[21]。從圖6可見-20℃等溫線垂直高度以上有55 dBZ的反射率因子。且55 dBZ的反射率因子高度達(dá)到9 km，50 dBZ的反射率因子高度達(dá)到17 km。在垂直剖面（圖6）的前側(cè)0℃層高度下存在入流缺口，水平尺度約為10 km左右，有界弱回波區(qū)高度為4 km左右，上空對(duì)應(yīng)強(qiáng)回波懸垂。水平寬度約5 km，垂直高度約2.6 km的55 dBZ反射率因子區(qū)域在0℃和-20℃之間，極易產(chǎn)生強(qiáng)冰雹。

3.2.3 徑向輻合 圖7(a～c)分別是0.5°、1.5°、2.4°仰角的基本速度。雖然建平地區(qū)存在速度模糊，但是仍然可以看出，最大出流中心更靠近雷達(dá)并且最大入流中心位于雷達(dá)左側(cè)，朝陽（建平）區(qū)域?yàn)闅庑捷椇狭鲌?chǎng)。圖7a中，最大入流為23 m/s，以2.4°仰角觀測(cè)(3c)，入流大于20 m/s的區(qū)域加大，輻合明顯，下方風(fēng)力更大。

圖5 2016年6月22日16:08朝陽雷達(dá)不同仰角基本反射率因子

3.2.4 液態(tài)水含量分析 假設(shè)反射率因子完全是由液態(tài)水反射得到的，液態(tài)水含量(VIL)表示的是將反射率因子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成等價(jià)的液態(tài)水值。VIL方程如(1)所示。

圖6 2016年6月22日16:08朝陽雷達(dá)反射率因子垂直剖面

式中，M為液態(tài)水含量（液態(tài)水含量密度：g/m3），Z為雷達(dá)反射率因子(mm6/mm3)。垂直累計(jì)液態(tài)水含量單位是kg/m2。

如圖8a所示，垂直累計(jì)液態(tài)水含量極值超過60 kg/m2。遼寧地區(qū)6月份液態(tài)水含量30 kg/m2是產(chǎn)生冰雹的閾值。如此高的液態(tài)水含量勢(shì)必有利于冰雹粒子的發(fā)展。為了規(guī)避液態(tài)水含量的局限性，Amburn和Wolf定義VIL與風(fēng)暴頂高度之比為VIL密度。此次雹暴回波頂高＞14 km（圖8b），對(duì)應(yīng)的VIL密度＞4.29 g/m3。Amburn和Wolf的研究表明：如果VIL密度超過4 g/m3，則風(fēng)暴產(chǎn)生直徑超過2 cm大冰雹的概率很大[22]，此次建平地區(qū)產(chǎn)生了最大直徑為4 cm的強(qiáng)冰雹。

圖7 2016年6月22日16:08朝陽雷達(dá)不同仰角徑向速度圖

4 結(jié)論

利用遼寧省加密區(qū)域氣象觀測(cè)資料、高分辨率葵花衛(wèi)星、多普勒天氣雷達(dá)、NCEP/FNL等資料，對(duì)發(fā)生在遼寧西部建平地區(qū)的一次強(qiáng)冰雹天氣過程的環(huán)流形勢(shì)及中尺度特征進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明：

（1）此次冰雹過程發(fā)生在有利的環(huán)境條件下：較強(qiáng)的風(fēng)切變，850 hPa與500 hPa之間的溫度差＞26℃，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，并且有切變觸發(fā)，500 hPa冷槽與850 hPa暖脊交匯。

（2）由可見光云圖可以看出，該冰雹云團(tuán)為輻射加熱不均勻產(chǎn)生的積云，邊界光滑，色調(diào)明亮。隨著冰雹發(fā)生時(shí)刻的臨近，紋理和暗影逐漸清晰。紅外云圖上亮度溫度在建平地區(qū)較長(zhǎng)時(shí)間維持在-50℃以下，且冰雹發(fā)生后，亮度溫度(TBB)梯度值迅速減小，應(yīng)用葵花衛(wèi)星產(chǎn)品可以提前30～40 min甚至更長(zhǎng)時(shí)間預(yù)報(bào)冰雹的發(fā)生。

（3）雹暴超級(jí)單體回波呈弓狀，核心區(qū)的極值為55 dBZ。在反射率因子垂直剖面圖上呈現(xiàn)出顯著的回波懸垂。反射率因子核心(＞55 dBZ)高度伸展到-20℃以上，徑向速度風(fēng)場(chǎng)特征顯示建平地區(qū)存在氣旋式輻合流場(chǎng)。液態(tài)水含量密度＞4 g/m3。在適宜的特征層高度和能量配合下，超級(jí)單體內(nèi)部渦旋特征，共同促進(jìn)空中大冰雹的增長(zhǎng)。

圖8 2016年6月22日16:08朝陽雷達(dá)液態(tài)水含量(a)和回波頂高(b)