陳秋梅 , 周筠珺,2 , 鄒書平 , 楊 哲 , 曾 勇

（1. 成都信息工程大學(xué), 成都 610225；2. 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210044；3. 貴州省人工影響天氣辦公室, 貴陽 550081）

引言

每年春夏季，受地形影響，我國云貴高原地區(qū)的強對流天氣頻發(fā)，時常導(dǎo)致降雹天氣，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)和生活帶來不便。一般來說，普通雷暴單體生命短，強度小，很難導(dǎo)致冰雹，然而在實際天氣中，時常觀測到雷暴單體合并形成雹暴。

單體合并最初通過觀測“云橋”現(xiàn)象被獲知，之后在龍卷型超級單體中多次出現(xiàn)[1-2]。Rogers 等[3]通過分析大量與重大龍卷風(fēng)有關(guān)的單體合并樣本得出，單體合并對龍卷風(fēng)產(chǎn)生有一定的潛在意義。Bluestein 等[4]通過數(shù)值模擬證實了單體合并后會加強初級風(fēng)暴，有利于龍卷風(fēng)的產(chǎn)生，且與龍卷風(fēng)產(chǎn)生相關(guān)的單體合并往往發(fā)生在主風(fēng)暴的上升氣流或后翼區(qū)域。20 世紀(jì)70年代以來，隨著多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)的不斷完善，更多的強對流系統(tǒng)的微物理過程能夠被觀測，對大量的單體合并引起雷暴特征變化樣本的研究[5-8]表明：單體合并通常會改變雷暴的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，合并時回波最大面積、最大回波頂部和最大反射率往往顯著增加；合并時相關(guān)的雷暴單體旋轉(zhuǎn)度可能增加從而產(chǎn)生龍卷風(fēng)，且大多龍卷風(fēng)出現(xiàn)在合并之前或之后的15 min內(nèi)；合并后的系統(tǒng)通常比未合并的系統(tǒng)產(chǎn)生更多的降水，可能產(chǎn)生更加激烈的天氣現(xiàn)象，如冰雹。單體合并是一個復(fù)雜的過程，會引起對流系統(tǒng)中微物理、動力、熱力等方面的改變，進(jìn)而影響雷暴系統(tǒng)的上升、下沉氣流，改變云中冰相粒子的直徑、濃度、垂直結(jié)構(gòu)分布，產(chǎn)生劇烈的閃電活動[9-12]。付丹紅等[13]通過對一次積云合并過程進(jìn)行數(shù)值模擬后指出，合并導(dǎo)致雷暴的上升、下沉氣流增強，也加強了水汽轉(zhuǎn)化，形成了大量過冷云水和冰相粒子。張小娟等[14]利用數(shù)值模式模擬了一次貴州省西南部的冰雹天氣過程表明，此次冰雹過程的對流云系經(jīng)歷合并加強階段，微物理結(jié)構(gòu)具有混合相云特征。但目前，對于單體間相互作用的微物理變化規(guī)律、各水成物粒子的演變與閃電發(fā)生的關(guān)系等問題仍存在爭議。針對上述不足之處，本文選用X 波段雙線偏振天氣雷達(dá)和二維閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合常規(guī)氣象探空和ERA5 再分析資料，對貴州威寧縣2018年4月30日一次雹暴天氣過程中單體合并特征進(jìn)行分析，以期為提升災(zāi)害性天氣預(yù)報預(yù)警水平提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資 料

研究數(shù)據(jù)包括：歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）再分析（ERA5-Land）資料，空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1 h；威寧縣X 波段雙線偏振天氣雷達(dá)（YLD1-Dradar，架設(shè)位置為27.06°N、104.09°E）資料，海拔高度2472 m，掃描間隔6 min，立體掃描層數(shù)14，庫長75 m，最大探測范圍175 km；常規(guī)探空觀測資料；貴州地閃定位網(wǎng)資料；地面天氣報文中的降雹信息。

1.2 方法

由于噪音、強衰減、異常值等原因，本文使用的X 波段雙線偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)存在相位折疊和回波衰減等問題，需要進(jìn)行質(zhì)量控制。具體處理方法如下：剔除地物雜波；對出現(xiàn)折疊的差分傳播相移采用徑向連續(xù)性檢查法[15]進(jìn)行退折疊處理；對退折疊后的差分傳播相移用綜合小波法[16]去噪；采用自適應(yīng)約束算法[17]對數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減訂正；對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)Barnes 插值，最后利用不對稱T 型函數(shù)對粒子進(jìn)行模糊邏輯粒子識別，將水凝物粒子類型識別為毛毛雨（DR）、雨（RN）、聚合物（AG）、低密度霰（LDG）、高密度霰（HDG）、冰雹（RH）、冰晶（CR）共7 種[18-21]。

2 天氣實況和環(huán)流背景

2018年4月30日貴州威寧縣發(fā)生強對流天氣過程，產(chǎn)生降雹。根據(jù)威寧縣內(nèi)降雹記錄，開嘎于16:36～16:37 觀測到黃豆大小的冰雹，直徑約5 mm，密度80粒/m2。從2018年4月30日05 時（世界時，UTC）的環(huán)流形勢（圖1）看，500 hPa 中高緯地區(qū)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的“一槽一脊”形勢，西伯利亞地區(qū)有冷渦維持發(fā)展，伴隨有小槽分裂東移，高原地區(qū)小槽輸送冷空氣向東傳播至四川、貴州地區(qū)；700 hPa，貴州、四川地區(qū)存在切變，威寧地區(qū)受來自西南方向的暖濕氣流影響；高空冷空氣和低空暖濕空氣交匯導(dǎo)致了本次強對流天氣。

圖1 2018年4月30日05 時（UTC）500 hPa（a）和700 hPa（b）風(fēng)場（黑色箭頭，單位：m/s）、溫度場（紅色虛線，單位：℃）和位勢高度場（藍(lán)色實線，單位：dagpm）空間分布（紅色三角形代表威寧）

3 雹暴系統(tǒng)演變過程

圖2 為16:25～18:08 雷達(dá)回波演變特征。如圖所示，本次雹暴天氣主要由單體A、單體B 相互作用形成，持續(xù)時間約2 h。將組合反射率≥30 dBZ 確定為對流單體的邊界。在雷達(dá)組合反射率圖中觀測到兩個合并單體邊界回波連接在一起，視為合并開始；當(dāng)最強回波核合并，即只有一個強回波核時，視為合并結(jié)束。根據(jù)定義，16:30～17:16 為合并階段。

圖2 16:25～18:08 雷達(dá)回波演變特征（A、B、C 分別代表單體A、單體B、單體C，紅色實線為圖3 中剖面方向）

16:25，單體A（圖3a、圖4a）中有＞55 dBZ 回波值出現(xiàn)，發(fā)展高度超過-40℃環(huán)境層，而＞45 dBZ 回波值位于-20℃環(huán)境層，最強回波及地，地面出現(xiàn)冰雹；單體B（圖3b、圖4b）回波頂高約8 km，最大回波值≤55 dBZ，其中＞40 dBZ 區(qū)域均位于0℃環(huán)境層下，0～-20℃過冷水較少。

16:30～17:16 為單體A 和單體B 間的獨立合并階段。16:30（圖2b），單體A、B 開始合并，出現(xiàn)“云橋”現(xiàn)象，這是由單體A、B 合并產(chǎn)生的下沉冷氣流下降至地面外流抬升周圍暖濕空氣形成。單體A 近地面出現(xiàn)冰雹，統(tǒng)計雷達(dá)探測的各水成物粒子庫數(shù)可知，RH 粒子較上一探測時刻減少170 庫，LDG、HDG 粒子分別減少43%、18%。分析0.5°（圖5a）和2.4°（圖5b）仰角的雷達(dá)徑向速度場發(fā)現(xiàn)，單體A、B 回波大值區(qū)域存在輻散，連接處有氣旋性輻合氣流，兩單體的輻散下沉氣流導(dǎo)致連接處的氣流抬升，對連接處有促進(jìn)增長作用。

圖3 雷達(dá)徑向反射率垂直剖面（a～f. 依次對應(yīng)圖2 中113°、125°、112°、120°、111°和107°剖面方向，黃色虛線、紅色虛線、藍(lán)色虛線分別對應(yīng)環(huán)境層-40℃、-20℃、0℃等溫線）

圖4 同圖3，但為雷達(dá)探測的粒子識別垂直剖面

16:36，兩單體發(fā)展加強，相互靠近，單體A（圖3c、圖4c）回波頂高上升至8.9 km，有＞55 dBZ 回波區(qū)位于-20℃環(huán)境層，最大回波值超過60 dBZ；單體B（圖3d、圖4d）回波頂高7.1 km，旺盛的上升氣流將大量暖性水成物抬升至0～-40℃環(huán)境層，在0～-20℃形成較大的凍滴和過冷云滴（SWA），冰核通過凇附過冷云滴形成CR，-20℃以上CR 凇附增長形成LDG；同時CR通過“貝吉龍”過程形成AG 的速率增大，RH 通過干增長和濕增長的形成速率加快，庫數(shù)較上一探測時刻增加。

16:53（圖2e），兩單體發(fā)展進(jìn)一步增強，強回波區(qū)域進(jìn)一步擴大。0.5°仰角的雷達(dá)徑向速度場（圖5c）中單體A、B 對應(yīng)位置存在輻散氣流；而在2.4°仰角的雷達(dá)徑向速度場（圖5d）中，單體A 處仍有輻散氣流，單體B 處卻存在氣旋性輻合氣流，這說明兩單體的成雹高度不同。從對應(yīng)的徑向剖面（圖略）可知，單體A 的RH 主要在7 km 高空形成，單體B 的RH 在5 km處形成。在0.5°與2.4°仰角的雷達(dá)徑向速度場中，單體連接處仍存在輻合上升氣流，且強度都較16:30增大，強烈的抬升氣流使得該時刻單體A 的LDG 與SWA 粒子均達(dá)到最大值。

圖5 0.5°（a、c）和2.4°（b、d）仰角的雷達(dá)徑向速度場（黑色方框代表輻散，紅色方框代表輻合）

17:16（圖3e、圖4e），合并結(jié)束，兩單體強中心合二為一，最大強度達(dá)60 dBZ，回波高度12.9 km，RH 為655 庫，較上一探測時刻單體A 的851 庫減少，較單體B 的564 庫增多。

17:50（圖3f、圖4f），單體減弱，回波頂高下降至9 km 以下，＞55 dBZ 回波區(qū)大部分出現(xiàn)在0℃環(huán)境層，LDG 減 少 速 率 為HDG 的2.2 倍，此 時LDG 是 形成RH 的主要粒子來源。

18:08（圖2i），天氣系統(tǒng)進(jìn)一步向東移動減弱，單體繼續(xù)消散，最大反射率減小至43.5 dBZ，回波范圍縮小，高反射率區(qū)域減少，LDG 下落過程中進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為HDG，造成HDG 的總數(shù)較上一探測時刻有少許增加，此時形成的RH 體積較小，下降到環(huán)境層0℃以下融化為液態(tài)水，產(chǎn)生較強降雨。

4 過程物理量分析

4.1 雷達(dá)基本參量特征

已有研究[21]表明，雷達(dá)回波＞40 dBZ 的區(qū)域（D40）可以反映該時刻回波核大小，回波值＞50 dBZ 的區(qū)域（D50）能間接反映該時刻云內(nèi)大粒子水成物的數(shù)量。分析2018年4月30日雹暴生命史中雷達(dá)回波參量變化（圖6）可知，D40 與D50 的整體變化趨勢一致，合并期間存在起伏，兩者峰值均在合并結(jié)束時刻出現(xiàn)，說明合并加強了系統(tǒng)的發(fā)展，使得云內(nèi)大粒子數(shù)量增加，HDG 通過凇附SWA、碰凍CR 與AG 等粒子增長形成RH，LDG 在下降過程中凇附SWA 增長且形成RH的速率增加。合并開始時刻，D40、D50 以及回波頂高（Top）數(shù)值出現(xiàn)下降，此時單體A 降雹，單體B 降水，考慮是上升氣流和下沉氣流相互作用的結(jié)果；16:42，單體A 有反射率極大值（Zmax）出現(xiàn)；16:48，單體A與單體B 近地面均有RH 出現(xiàn)；17:10，出現(xiàn)兩單體的Top峰值，單體Zmax 值增大，強輸送氣流使空中大冰相粒子大量形成；17:16，D40 與D50 出現(xiàn)最大值。合并后，D40 與D50 大體呈下降趨勢，Top 和Zmax 的變化趨勢基本一致；17:28（圖2g），系統(tǒng)受周圍新生對流的影響，得到短暫加強，Top 與Zmax 增強，最大反射率出現(xiàn)在6 km 高空，空中大粒子的增加降低了D40 與D50 的減少速率。

圖6 2018年4月30日雹暴過程中雷達(dá)回波參量的時間變化特征（灰色陰影為合并階段）

4.2 動力場變化

圖7 給出了使用V5（徑向速度＞5 m/s 的庫數(shù)）、V10（徑向速度＞5 m/s 的庫數(shù)）和Max VVC（徑向速度垂直分量最大值）表征天氣系統(tǒng)的動力特征。如圖所示，V5、V10 與Max VVC在合并期間存在較大的起伏，合并后大體呈現(xiàn)下降趨勢。從各單體來說，單體A 合并期間的Max VVC呈下降趨勢，單體B 則呈增長趨勢。16:30～17:16 的合并期間，Max VVC的峰值為2.79 m/s，出現(xiàn)在16:48，此時也出現(xiàn)了V10 峰值，單體A 與單體B 的上升氣流得到加強，劇烈的上升氣流加速了大HDG與LDG 粒子向RH 粒子的轉(zhuǎn)化速率，大量RH 粒子下落產(chǎn)生強烈的下沉氣流，上升氣流被削弱，使得Max VVC在下一探測時刻驟降。16:59，Max VVC再次增強至2.65 m/s，V5 也達(dá)到合并期間最大值，單體A 與單體B 再次發(fā)展。17:28，合并結(jié)束后的單體C 受附近新生對流的影響，Max VVC的減少速率較上一探測時刻放緩。合并結(jié)束時的上升氣流較合并初期偏弱，說明合并期間單體內(nèi)的上升氣流并不是持續(xù)加強的。

圖7 2018年4月30日雹暴過程中天氣系統(tǒng)動力特征隨時間的演變（灰色陰影為合并階段）

4.3 粒子演變

圖8 為2018年4月30日雹暴生命史中粒子數(shù)量隨時間的變化。如圖所示，合并開始前，單體A 已開始降雹，而單體B 有降水產(chǎn)生。合并階段，系統(tǒng)整體上升氣流增強，單體A 持續(xù)降雹，單體B 加強發(fā)展并產(chǎn)生冰雹。合并期間，單體A 的RH 粒子數(shù)量波動大，這與大HDG 與LDG 粒子形成RH 粒子下落至地面有關(guān)。16:42，單體A 的RH 數(shù)量開始下降，說明RH 的下落減少速率大于高空形成速率。16:48，出現(xiàn)合并期間的最強上升氣流，下一探測時刻（16:53）RH 粒子數(shù)量劇烈減少，單體A 減少最多，其RH 粒子減少量約為單體B 的3 倍，單體A 的SWA 數(shù)量較上一探測時刻劇增，這是由于形成RH 消耗過冷水速率小于抬升氣流產(chǎn)生過冷水速率，致使過冷水粒子增加導(dǎo)致的，而單體B的SWA僅少量增加。合并期間，RH、HDG、LDG、CR 大體呈增長趨勢，AG 先增后減，SWA 波動情況復(fù)雜。合并后，系統(tǒng)再次進(jìn)入強降雹時期。17:28，受新生對流影響，系統(tǒng)的RH、HDG、LDG、SWA、AG 粒子短期內(nèi)增加，之后逐漸減少。

圖8 同圖7，但為各單體中粒子庫數(shù)

合并期間，單體B 的增長情況與單體A 的增長不同步，單體A 的降雹大于單體B。單體A 合并前已開始降雹，空中已存在大量的雹胚，增強的上升氣流使得空中RH 大量減少，下落形成的強下沉氣流短暫削弱了上升氣流強度，之后上升氣流再次加強，再次產(chǎn)生強烈降雹；單體B 受合并期間較大的輸送氣流影響，水成物粒子增加，產(chǎn)生降雹；兩者合并形成的新單體C 后，冰雹數(shù)量有明顯的波動變化，在17:16 降雹增強，之后受環(huán)境影響，上升氣流減少速率放緩，大LDG 粒子下落，下落過程中通過凇附SWA 、碰并CR 和AG等粒子增長形成HDG 和RH，使消散階段HDG 出現(xiàn)短暫增長。

4.4 閃電活動

分析2018年4月30日雹暴過程中每12 min 地閃、正地閃和負(fù)地閃發(fā)生頻數(shù)的變化特征（圖9）可知，本次天氣過程共429 次地閃記錄，負(fù)地閃記錄遠(yuǎn)大于正地閃，占總地閃的94%。整個天氣過程中都有負(fù)地閃發(fā)生，且其變化趨勢與地閃基本一致。正地閃出現(xiàn)時刻較少，合并后出現(xiàn)的次數(shù)大于合并階段。在合并階段（16:30～17:16），總地閃頻數(shù)大體呈現(xiàn)“增-減-增”的變化特征，峰值出現(xiàn)在16:36（62 次/12min）。合并結(jié)束后，12 min 內(nèi)閃電還出現(xiàn)了一次增長過程，之后頻數(shù)逐步減少?？偟膩碚f，閃電活動的躍增出現(xiàn)在合并開始時刻，最大值出現(xiàn)在合并期間，合并后閃電數(shù)再次增長，但幅度小于合并階段。

圖9 2018年4月30日雹暴過程中每12 min 地閃、正地閃和負(fù)地閃發(fā)生頻數(shù)的變化特征（灰色陰影為合并階段）

4.5 動力、微物理、閃電三者相互作用特征

圖10 給出了2018年4月30日雹暴過程中每12 min地閃發(fā)生頻數(shù)、Max VVC、HDG、LDG、CR 庫數(shù)的時間變化特征。分析可知，在16:25 出現(xiàn)Max VVC峰值，此時單體A 降雹，單體B 有降水發(fā)生，有地閃發(fā)生。合并開始后，Max VVC減小，HDG、LDG 粒子不同程度減少，CR 粒子小幅度增加，地閃出現(xiàn)峰值；較強的上升氣流使水凝物粒子快速增長，加大了各冰相粒子的碰撞幾率，使相應(yīng)起電和放電活動更劇烈。合并期間，粒子出現(xiàn)波動，整體呈增加趨勢，其中LDG 和CR 的增長速度遠(yuǎn)大于HDG 的增長，CR 數(shù)量維持較低水平；Max VVC呈現(xiàn)整體減少趨勢，合并結(jié)束時刻的Max VVC小于合并初期的Max VVC，且合并結(jié)束時刻的地閃頻數(shù)也小于合并初期；閃電頻數(shù)僅在合并開始后6 min 增加，之后驟減，并維持在較低水平，這是由于持續(xù)的強上升氣流一定程度上抬升了各電荷區(qū)高度，不利于地閃的發(fā)生。合并結(jié)束后，上升氣流開始減弱，系統(tǒng)發(fā)展高度有所下降，地閃開始增多；其中，Max VVC在17:28 下降至1.55 m/s，大直徑CR、LDG 粒子下落末速度大于上升速度下降形成較強的下沉氣流，系統(tǒng)受新生對流影響，水成物粒子短時內(nèi)增加，閃電頻數(shù)增加。

圖10 2018年4月30日雹暴過程中每12min 地閃發(fā)生頻數(shù)、Max VVC 以及HDG、LDG、CR 庫數(shù)的時間變化特征（合并完成前實線為單體A 變量，虛線為單體B 變量，合并后實線為單體C變量，黑色虛線范圍表示合并階段）

總體來說，單體相互作用期間，系統(tǒng)動力場的變強直接影響上升氣流的強弱，較大的上升速度增加云層中冰晶、霰粒子濃度及體積，其中LDG 和CR 的增長速度遠(yuǎn)大于HDG 的增長。此階段低密度霰與冰晶粒子之間非感應(yīng)碰撞是主要的起電過程，之后系統(tǒng)發(fā)展到不利于地閃出現(xiàn)的高空。合并結(jié)束后，大量RH下落產(chǎn)生強下沉氣流，上升氣流減弱，回波頂高下降到適合地閃出現(xiàn)的高度，大LDG 粒子在下落過程中凇附形成HDG 和RH，低層區(qū)域霰粒子大量增加，加上受環(huán)境新生對流影響，系統(tǒng)主要起電粒子得到增加，閃電頻數(shù)再次增長，但由于上升氣流強度小于合并期間，閃電頻數(shù)也小于合并期間最大值。隨著系統(tǒng)消散，各水成物粒子逐漸減少，閃電減弱。

5 結(jié)論

本文選用X 波段雙線偏振天氣雷達(dá)和二維閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合常規(guī)氣象探空和ERA5 再分析資料，對貴州威寧縣2018年4月30日一次雹暴天氣過程中單體合并特征進(jìn)行分析，得到如下主要結(jié)論：

（1）單體合并初始階段，有“云橋”現(xiàn)象發(fā)生，單體連接處有氣旋性輻合氣流，說明單體A 降雹與單體B 降水產(chǎn)生的輻散下沉氣流對連接處有促進(jìn)增長作用。

（2）整個雹暴過程中，D40 與D50 的整體變化趨勢相同，且峰值均出現(xiàn)在合并結(jié)束時刻，說明合并使系統(tǒng)得到加強發(fā)展。上升氣流和下沉氣流相互作用使D40 與D50、Top 在合并開始時刻出現(xiàn)下降。V5、V10 與Max VVC在合并期間呈波動變化，說明合并期間系統(tǒng)并不總是加強發(fā)展。

（3）合并階段，RH 粒子的生成速率與RH 下落減少速率變化不一，使得RH 粒子數(shù)量隨時間劇烈變化，合并階段的RH 數(shù)量最大值在17:10 出現(xiàn)；合并結(jié)束后系統(tǒng)受新生單體影響再次發(fā)展，RH 再次增加。

（4）閃電記錄中，負(fù)地閃頻次遠(yuǎn)大于正地閃，占總地閃的94%，而正地閃主要出現(xiàn)在消散階段。合并開始后，地閃頻次出現(xiàn)躍增，且峰值出現(xiàn)在合并期間，合并后閃電頻數(shù)再次出現(xiàn)增加。

（5）單體相互作用期間，較大的上升速度增加了云層中冰晶、霰粒子的濃度及體積，其中LDG 和CR的增速大于HDG 增速的5 倍。LDG 與CR 粒子之間的非感應(yīng)碰撞是主要的起電過程。之后系統(tǒng)回波高度抬升過高，不利于地閃發(fā)生。合并后，回波頂高下降到適合閃電發(fā)生的高度，大量LDG 粒子下落形成HDG和RH，周圍新生單體使系統(tǒng)水成物粒子短暫增加，閃電發(fā)生頻次再次上升。