辽宁建平地区一次突发性强冰雹天气的中尺度特征分析

刘 静，任 川，牛 丹，时 倩

（1辽宁省气象灾害监测预警中心，沈阳110166；2辽宁省气象信息中心，沈阳110166）

0 引言

辽宁省地形概貌大体是“六山一水三分田”，温带大陆性季风气候，天气复杂多变且气象灾害频发。冰雹是重要的强对流天气之一，在辽宁省西部地区属于频发的灾害性天气，其突发性强、破坏性大的特点，给辽宁西部地区设施农业、交通以及人民生命财产安全带来很大的损失，分析冰雹发生发展的中尺度特征，可以提高冰雹预报预警的准确率和提前时间。

辽宁省冰雹天气多发生在东北冷涡背景下[1-2]，多普勒天气雷达资料（时间分辨率为6 min）在强对流（冰雹）的监测预警中具有重要意义，并且发挥了显著的作用。近年来，诸多学者多利用卫星云图、多普勒天气雷达资料对强对流天气进行研究[3-6]。应用多普勒天气雷达数据进行强冰雹特征分析的研究最为广泛[7-11]，雷达回波特征分析在辽宁地区强对流天气过程（冰雹和短时强降水）中也有较好的应用[12-13]。常规的卫星云图产品（时间分辨率为30 min）在冰雹分析中也有举足轻重的地位[14-15]。在冰雹发生的背景场判识上，国内外学者多采用物理量判识，在物理量场中对流有效位能(CAPE)是与环境联系最密切的热力学变量[16]。

2016年6月22日16时（北京时，下同）左右，建平县共计7个乡镇26个自然村遭受了不同程度的雹灾,最大冰雹直径超过4 cm。一般认为，降落到地面上直径超过2 cm的冰雹为强冰雹[17]。本次雹灾受灾农作物共计3226 hm2，受灾人口共计17757人，造成直接经济损失726万元。

对这次突发性冰雹的短时预报是不理想的，即使事后分析，也很难在6月22日早晨确定大冰雹发生的征兆和迹象。本研究以高时空分辨率的多普勒天气雷达及葵花8号卫星资料作为主要手段进行强雹暴触发机制分析，并利用临近探空及NCEP资料中的物理量变化来揭示强冰雹发生前环境场的变化特征。重点解决如下一些问题：（1）这次突发性冰雹在早晨（8时）实况中有何征兆，预报不成功的主要原因，（2）该雹暴系统的中尺度特征，（3）利用高分辨率葵花卫星及多普勒天气雷达资料可以将冰雹的准确预报时间提前时长。

1 资料与方法

1.1 资料来源

采用Himawari-8静止气象卫星产品、多普勒天气雷达资料、美国国家环境预测中心(NCEP)下发的FNL资料(1°×1°)及加密自动站观测资料，对此次天气过程的中尺度特征进行详细分析。

日本新一代静止气象卫星葵花-8号(Himawari-8)始于美国的GOES系列卫星，可见光2个通道加上红外和近红外14个通道共16个通道，可见光最高分辨率0.5 km，其具有先进的葵花成像仪(AHI)，AHI具有高时间频次全盘和区域扫描的特点，能够在10 min内完成全盘扫描，特别指出的是该系列卫星首次提出的图像定位配准技术，通过复杂的标定和补偿，使卫星指向预期目标的定位精度达到1 km级别[18]。

1.2 研究方法

根据6月22日辽宁省常规观测资料及NCEP再分析资料，对冰雹发生日早晨（8时）的环境场进行分析，找出冰雹发生的有利/不利条件；利用高时空分辨率的Himawari-8静止气象卫星产品中的可见光及红外图像追踪强雹暴云团的发展，结合多普勒天气雷达资料中的基本反射率、垂直累计液态水含量密度等条件分析强雹暴超级单体的落区和强度；提出能够准确预报冰雹发生的提前时间。

2 环流形势

辽宁省建平市位于辽宁省西北部，燕山山脉向辽沈平原的过渡地带，属于半干旱半湿润易旱地区。建平市建平县是辽宁省冰雹发生频率最高的地区。

利用辽宁省常规观测资料对冰雹发生前的环流形势进行分析。2016年6月22日8时，500 hPa高空在45°—55°N、108°—124°E范围内存在东北冷涡，冷涡后部有冷空气南下，使气旋加深和发展，500 hPa西北气流和850 hPa西南气流风向切变＞90°；850 hPa在上述范围内存在冷暖平流，冷槽和暖脊交汇，交角＞60°，建平地区位于交汇处附近西北方向，850、925 hPa低空/超低空切变线经过辽宁，建平位于切变线西南侧；地面受东北—西南狭长低压带控制，43°—45°N、116°—124°E有闭合低压中心，地面辐合线由东北缓慢向西南方向移动。

利用美国国家环境预测中心(NCEP)下发的FNL(1°×1°)及辽宁省重建探空资料（8、14时）对冰雹发生时刻的物理量进行诊断，结果表明：整层大气较干，500 hPa相对湿度是20%，925 hPa相对湿度是70%；700 hPa与500 hPa之间的温度差＞20℃，850 hPa与500 hPa之间的温度差＞26℃，K指数＞28℃，建平地区大气层结不稳定。

辽宁省探空站（沈阳、大连、锦州、丹东）分布距离建平较远，因此分析此次雹暴过程采用内蒙古赤峰(118.97°E，42.27°N)探空站数据，使用建平站8时、14时的地面气压、温度和露点值对探空资料进行订正。冰雹发生时间为午后16时左右，采用建平县8、14时地面温度和露点温度（分别为23、15，30、17℃）结合8时赤峰站探空图重新计算了环境参数，绘制8时（图1a）、14时（图1b）建平探空图。从探空图1(a)中可以看出，早晨近地面存在浅薄逆温层，有利于不稳定能量的储存，但是整层水汽条件差。

浮力能的增加有助于维持强烈的上升运动。早晨的沙氏指数(SI)是0.1℃，午后降为-4.7℃，大气层结从稳定状态转为不稳定，且程度逐渐加深。垂直风切变有助于维持雹暴内强烈的上升气流，午后0～6 km的垂直风切变达到11.67 m/s，具有适宜的特征层高度（0、-20、-30℃高度分别为4083、6704、7994 km），此时静力不稳定、抬升触发机制、深层垂直风切变和适宜的特征层高度都满足冰雹发生的需要，但产生强雷暴还需要适宜的水汽条件，因此单凭环境场数据很难提前预报冰雹的发生。

应用辽宁省加密区域自动站资料分析6月22日8时(a)、14时(b)地面水汽通量散度、风场、温度和露点（见图1）。8时，建平县水汽通量散度为正，水汽在流失；午后（14时），建平县水汽在积聚，湿度条件有助于雷暴的产生。午后风场出现了幅合，有助于强烈的上升运动，温度露点差＞10℃，空气不饱和。

图1 2016年6月22日朝阳重建T-lop图和风廓线

图2 2016年6月22日地面水汽通量散度叠加风场、温度和露点

3 中尺度特征分析

3.1 强冰雹天气的卫星云图特征分析

图3显示的是日本气象厅葵花-8号(Himawari-8)静止气象卫星10 min产品，其中可见光分辨率是0.5 km，红外云图分辨率是2 km。图中圆圈处为建平地区（下同）。

图3 2016年6月22日葵花卫星可见光云图

将冰雹云团的生命史分为初生、发展、成熟和消亡4个阶段，冰雹通常发生在对流云团发展至成熟阶段初期[19]。6月22日上午前后零散对流云在辽宁上游地区产生，不断向下游发展、合并。图3显示的是对流云团发展时刻的可见光云图，该冰雹云团为辐射加热不均匀产生的积云，边界光滑，色调明亮。从图3(a)可以看出，在15:30，该云系还处于初生向发展过渡阶段，云团初生时表现为边界十分光滑，具有明显长轴的椭圆形，表明出现在强垂直风切变下，长轴与强垂直风切变走向基本一致；午后15:00左右，对流云团发展，在东北—西南方向尺度约350～400 km，属于中α尺度强对流云团；在图3(b～d)15:40—16:00中，冰雹云系逐渐成熟，头部凸起宽广，尾部云带尖窄，涡旋中心处有尖点，云团的上风边界十分光滑整齐，下风边界出现长的卷云毡，拉长的卷云毡从活跃的风暴核前部流出，强天气出现在云团西南方向的上风一侧（建平县所在位置）。该对流云系尺度较小（约1个纬距），对流云系呈东北—西南向分布，建平地区位于对流云系西南一侧，形状狭小，属于该对流云系的尾部，该处位于强的涡度平流区，容易激发强烈上升运动[20]。冰雹发生前40 min，如图3(a～c)纹理越来越清晰，3d和3e出现明显的暗影（箭头处）。建平发生冰雹区域为对流云系的上风一侧，暗影出现时，产生强冰雹，因此风向、纹理及暗影可以给冰雹预报预警带来大于30 min的提前量。

图4是冰雹发生临近时刻的长波红外图像，冰雹发生区域在对流云团偏西边缘一侧。红外云图实际上是一幅亮度温度(TBB)分布图。

建平冰雹发生区域5个时次图4(a～e)的亮度温度分别为-50.54、-49.65、-51.7、-50.73、-50.67℃，10 min变化量分别为0.89、2.05、0.97、0.06℃，可以看出，冰雹发生后，TBB变化量减小。

强对流通常发生在对流云团的边缘附近，也就是TBB梯度的大值区，因此认为TBB梯度相对TBB本身，对冰雹有更好的指示意义。图4e(16:10)中蓝色线条所示点的TBB梯度值为3.37℃/0.05°，16:30 TBB梯度值降为1.43℃/0.05°，冰雹发生后TBB梯度值迅速减小。

图4 2016年6月22日葵花卫星红外云图

3.2 强冰雹天气的雷达产品特征分析

辽宁地区共有4部雷达：分别位于沈阳、大连、营口、朝阳。此次建平冰雹过程采用朝阳雷达(SC)数据进行分析。影响辽宁建平地区的强雷暴系统14:00由内蒙古赤峰地区发展，缓慢向东移动，进入辽宁西部建平地区后分裂(14:42)，强回波分成3块，15:06回波强度增加，雷达回波基本反射率中心强度为50 dBZ以上，15:30迅速发展成为超级单体，50 dBZ以上强反射率区域增加，中心强度达到60 dBZ，16:00回波发展成为一个强超级单体，超过60 dBZ的区域加大。此次超级单体过境给建平地区带来了一次强冰雹天气过程，下文重点分析造成强冰雹时段的超级单体特征。从不同仰角雷达反射率、垂直剖面、液态水含量、回波顶高等角度分析此次强冰雹天气过程的雷达回波中尺度特征。

3.2.1 雷达组合反射率 强对流天气生成发展后，在赤峰地区（辽宁建平西南方向）形成了弓状回波，之后向东南方向移动。图5(a～c)分别显示的是0.5°、1.5°、2.4°仰角的组合反射率，箭头所示为V型缺口（下同），强对流系统出现了典型的雹暴特征，组合反射率因子核心区的极值为55 dBZ。

3.2.2 垂直剖面特征分析 为观测降雹时超级单体内部垂直结构，对雷达回波反射率做垂直剖面（图6）,该剖面横穿强回波中心区域。

当强回波扩展到-20℃等温线高度之上时，对强冰雹的潜势贡献最大[21]。从图6可见-20℃等温线垂直高度以上有55 dBZ的反射率因子。且55 dBZ的反射率因子高度达到9 km，50 dBZ的反射率因子高度达到17 km。在垂直剖面（图6）的前侧0℃层高度下存在入流缺口，水平尺度约为10 km左右，有界弱回波区高度为4 km左右，上空对应强回波悬垂。水平宽度约5 km，垂直高度约2.6 km的55 dBZ反射率因子区域在0℃和-20℃之间，极易产生强冰雹。

3.2.3 径向辐合 图7(a～c)分别是0.5°、1.5°、2.4°仰角的基本速度。虽然建平地区存在速度模糊，但是仍然可以看出，最大出流中心更靠近雷达并且最大入流中心位于雷达左侧，朝阳（建平）区域为气旋式辐合流场。图7a中，最大入流为23 m/s，以2.4°仰角观测(3c)，入流大于20 m/s的区域加大，辐合明显，下方风力更大。

图5 2016年6月22日16:08朝阳雷达不同仰角基本反射率因子

3.2.4 液态水含量分析 假设反射率因子完全是由液态水反射得到的，液态水含量(VIL)表示的是将反射率因子数据转换成等价的液态水值。VIL方程如(1)所示。

图6 2016年6月22日16:08朝阳雷达反射率因子垂直剖面

式中，M为液态水含量（液态水含量密度：g/m3），Z为雷达反射率因子(mm6/mm3)。垂直累计液态水含量单位是kg/m2。

如图8a所示，垂直累计液态水含量极值超过60 kg/m2。辽宁地区6月份液态水含量30 kg/m2是产生冰雹的阈值。如此高的液态水含量势必有利于冰雹粒子的发展。为了规避液态水含量的局限性，Amburn和Wolf定义VIL与风暴顶高度之比为VIL密度。此次雹暴回波顶高＞14 km（图8b），对应的VIL密度＞4.29 g/m3。Amburn和Wolf的研究表明：如果VIL密度超过4 g/m3，则风暴产生直径超过2 cm大冰雹的概率很大[22]，此次建平地区产生了最大直径为4 cm的强冰雹。

图7 2016年6月22日16:08朝阳雷达不同仰角径向速度图

4 结论

利用辽宁省加密区域气象观测资料、高分辨率葵花卫星、多普勒天气雷达、NCEP/FNL等资料，对发生在辽宁西部建平地区的一次强冰雹天气过程的环流形势及中尺度特征进行了详细分析。结果表明：

（1）此次冰雹过程发生在有利的环境条件下：较强的风切变，850 hPa与500 hPa之间的温度差＞26℃，大气层结不稳定，并且有切变触发，500 hPa冷槽与850 hPa暖脊交汇。

（2）由可见光云图可以看出，该冰雹云团为辐射加热不均匀产生的积云，边界光滑，色调明亮。随着冰雹发生时刻的临近，纹理和暗影逐渐清晰。红外云图上亮度温度在建平地区较长时间维持在-50℃以下，且冰雹发生后，亮度温度(TBB)梯度值迅速减小，应用葵花卫星产品可以提前30～40 min甚至更长时间预报冰雹的发生。

（3）雹暴超级单体回波呈弓状，核心区的极值为55 dBZ。在反射率因子垂直剖面图上呈现出显著的回波悬垂。反射率因子核心(＞55 dBZ)高度伸展到-20℃以上，径向速度风场特征显示建平地区存在气旋式辐合流场。液态水含量密度＞4 g/m3。在适宜的特征层高度和能量配合下，超级单体内部涡旋特征，共同促进空中大冰雹的增长。

图8 2016年6月22日16:08朝阳雷达液态水含量(a)和回波顶高(b)