1. 引言
冰雹是贵州春、夏季最常见的一种强对流天气,常伴有雷电、短时强降水等灾害性天气发生,具有破坏力强、局地性强、突发性强等特点,冰雹的预警和预报是短临预报和防灾减灾的重点。近年来,气象工作者 [1] - [7] 在对强对流天气过程进行了深入的研究,许爱华等 [8] 从强对流的不稳定条件和主要触发条件的角度出发,提出中国强对流天气5种基本类别:冷平流强迫类、暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类、高架对流类;吴芳芳等 [9] 研究了中气旋特征与强烈天气的关系,发现带有中气旋的高顶高底的对流风暴易产生大冰雹,后侧入流急流进入风暴有时会导致中气旋切变剧增 、中气旋的底和顶降低而产生雷雨大风,低底和含有较低旋转速度的前侧中气旋容易导致短时暴雨;Lemon [10] 指出三体散射的出现是大冰雹存在的充分条件和非必要条件。他进一步指出特征出现后10到30分钟之内,往往会产生最大的地面降雹和大风;王晓军等 [11] 基于普洱天气雷达资料对此进行了深入的研究,认为TBSS一般出现在4.0 km~9.5 km,最低出现在2.6 km,最高出现在11.4 km,预报时间提前量为5到100分钟,且TBSS出现时59%出现降雹;麻服伟 [12] 和张钊等 [13] 指出旁瓣回波可作为强冰雹的一个预警指标;何炳文 [7] 等认为旁瓣回波特征可以作为S波段的雷达强冰雹预报预警的充分条件,但是否适用于C波段新一代天气雷达,需在今后的业务工作中经验总结;徐云杰等 [14] 指出垂直液态水含量(VIL)的强度和跃增对冰雹有很好的指示作用,当VIL > 40 kg/m−2,且有明显跃增时出现冰雹概率比较大。2021年5月11日午后至夜间,安顺市出现较大范围冰雹、雷暴大风强对流天气,雷达观测表明这次的风雹灾害是由两个超级单体风暴引起。本文利用贵阳和六盘水两部新一代天气雷达观测资料,对天气环境背景、强对流发生条件、强风暴单体的演变及结构特征、异同点进行详细分析,为今后安顺的短临预报提供一定的参考和思路。
2. 天气实况和灾情
2021年5月11日17时~12日02时贵州省安顺市中北部出现雷电、冰雹、大风、短时强降水混合型强对流天气,平坝、西秀区、普定、镇宁等地共17个乡镇(街道)在雷雨中夹降冰雹,普遍直径在5 mm~10 mm,冰雹最大直径达12 mm,降雹密度达150粒/m2;共出现9站6级以上大风天气,最大风速出现在19时51分普定猴场31 m/s;暴雨主要集中在安顺北部,共11站暴雨,最大小时雨强为11日19~20时普定猴场42.3毫米/小时,据统计此次强对流天气对平坝区、西秀区、普定县造成风雹及洪涝灾害,其中共造成56,003人受灾,直接经济损失4056.17万元。
从暴雨、冰雹、大风的水平空间分布看出,此次强对流天气主要影响安顺市中北部地区,成为造成本次灾情严重的主要原因(图1)。
Figure 1. (a) Hail situation, (b) precipitation area map, (c) maximum wind speed map in Anshun City from May 11 to 12, 2021
图1. 2021年5月11日~12日安顺市(a) 降雹情况、(b) 降水落区图、(c) 极大风速图
3. 天气形式背景
Figure 2. The comprehensive analysis of altitude and ground at 08:00 and 20:00 on 11 May 2021
图2. 2021年5月11日08、20时高空及地面综合分析
2021年5月11日08时(图2),500 hPa安顺受北支槽底偏西气流影响,温度槽在湖南西侧至广西一线;700 hPa和850 hPa,川东上空低涡切变,贵州中南部受温度脊控制,安顺位于西南急流左侧;安顺850 hPa比湿在10 g/kg~12 g/kg之间,地面受热低压东南部控制。20时,500 hPa安顺市位于西南急流左侧,588线东退相较于08时更有利于水汽输送,温度槽在安顺上空;700 hPa切变位于贵州东北部,切变线南侧为显著的西南风,850 hPa切变线到达贵州南部边缘,温度脊影响安顺,比湿从08时的10 g/kg~12 g/kg增至12 g/kg~14 g/kg,地面受静止锋影响。17时热低压发展至最强,低压中心达993 hPa,地面辐合线呈东–西走向,位于安顺北部边缘一带。对流发生地区(安顺)在切变南侧的暖湿区内,中层干冷空气覆盖在低层的暖湿气流之上,形成条件不稳定层结,在西南急流的暖湿强迫背景下,增加了条件不稳定,同时带来了充沛的水汽。850 hPa的切变线、地面辐合线及地面发展的热低压为主要的触发抬升条件。安顺北部个别乡镇最高气温达31℃,南部大部分乡镇午后最高气温升至30℃以上,为能量积累提供有利条件。本次强对流天气主要受东北方向的冷空气影响,形成西北–东南向的静止锋系统,强天气出现在静止锋北侧偏东气流的冷区中。
4. 强对流发生条件分析
2021年5月11日08时和20时贵阳站的T-lnP图所反映的环境场特征有以下几种特点(图3):1) 08时和20时近地面层到500 hPa,条件不稳定特征明显,20时CAPE (对流有效位能)值较大,达736.1 J/kg,K指数08时、20时分别为37.6℃和36.9℃,SI指数从08时的0.67℃降至20时的−0.82℃,表明对流发生前热力不稳定明显;2) 08时湿层到700 hPa,20时湿层到600 hPa,夜间600 hPa以上有干空气卷入,温湿层结曲线形成向上开口的喇叭形状,“上干冷、下暖湿”特征明显;(3)贵阳站两个时次中底层风速随高度升高有一定的顺转,其中20时850 hPa~600 hPa风向随高度升高顺转明显;08~20时垂直风切变明显增强,0 km~3 km从8.2 m/s增至14.8 m/s、0 km~6 km从16.9 m/s增至23 m/s;4) 20时0℃层及−20℃层高度相对08时有所降低,分别为4.7 km和7.9 km,对出现冰雹天气更为有利。
Figure 3. Tlogp of Guiyang Station at 08:00 (left) and 20:00 (right) on May 11, 2021
图3. 2021年5月11日08时(左)和20时(右)贵阳站探空图
5. 多普勒雷达回波演变特征分析
通过对多普勒天气雷达对本次强对流天气的跟踪监测,安顺市的强对流天气主要受到两个对流风暴导致的,将这两个风暴分别命名为风暴A、风暴B。
5.1. 风暴A的演变特征
2021年5月11日15:11左右在六盘水西北部附近开始有孤立的多单体生成,随着地面辐合线的缓慢南压,雷达回波不断向东偏南方向移动,19:03风暴A进入普定,19:08基本反射率因子最强,此后到19:25基本反射率因子逐渐减弱,19:30变强后再次减弱直到移出普定。
18:56,风暴A临近普定县北部边缘。19:03,该风暴已经发展成为尺度约为20 km强盛的对流单体,1.4˚仰角(图4(a))高度约1.5km其前进方向的后侧出现突出物,开始显现出超级单体低层回波特征,3.3˚和4.3˚仰角(图4(b)、图4(c))高度约3.6 km~4.8 km已显现出有界弱回波区BWER结构,沿入流方向穿过最强回波位置的反射率因子垂直剖面(图5(a))呈现典型穹隆、强大的回波悬垂和有界弱回波区左侧的结构墙,此时多普勒雷达未自动识别出中气旋,结合低层速度图特征中气旋已经存在,反射率因子中心强度为61.5 dBZ,仍在继续增强。19:08该风暴呈现出了典型的超级单体钩状回波结构,在超级单体的中低层(0.5˚、1.4˚和2.4˚)有明显的前侧入流缺口,表明有强的入流气流进入上升气流中,有利于大冰雹的增长,而3.3˚和4.3˚存在弱回波通道,表明存在强的下沉后侧入流急流,“弱回波通道”向下沉气流提供干燥的和高动量的空气,通过垂直动量交换和增加的雨水蒸发,增加地面附近出流的强度,低层的径向速度图(图6(a))呈现一个强烈的中气旋。反射率因子最强中心在4.3˚高度约5 km,强度增强到66.5 dBZ。19:14,雷达产品显示中气旋底高在1.5 km以上,反射率因子中心强度为64.5 dBZ在2.4°仰角,相比上一个时次雷达产品,反射率因子中心强度及高度均有降低,3.3˚和4.3˚仰角(图4(d)、图4(e))及剖面图(图5(b))上观测到了随高度增长的TBSS,这预示着中气旋将要减弱。从19:03~19:14,在0.5˚~4.3˚仰角均能观测到旁瓣回波,从低到高逐渐增大,19:14达到峰值,而后在19:20减弱。19:20,反射率因子中心强度为62.5 dBZ,虽然反射率因子垂直剖面仍有悬垂等特征,但此时的中气旋反射率因子中心强度较上一个体扫来说较弱,19:25,雷达产品显示中气旋低高在1.5 km以下,中气旋进一步向低层发展,反射率因子中心强度为61.5 dBZ。超级单体虽然减弱,低层辐合,6 km以上辐散等特征仍存在,在冷暖空气的不断交汇下,超级单体有机会继续加强,19:31,反射率因子中心强度再次加强达69.5 dBZ。19:32~19:35坪上、19:30~19:34穿洞办和19:48~19:51普定城区出现了直径为8 mm,密度为每平方米30粒的冰雹。中气旋的出现较冰雹的出现提前了约22分钟,三体散射的出现较冰雹的出现提前了约10分钟,而旁瓣回波特征出现的更早,提前了约30分钟。19:42开始超级单体再次减弱。19:54,此时回波移至普定县东部边缘,最强中心高度降低至约1.2 km的0.5˚仰角,强度减弱至60.5 dBZ。单体东北朝向出现V字型结构(图4(f)),低层气流引导干冷空气进入暖湿气流,而高反射率因子的高度连续下降意味着下沉气流伴随降水粒子下降,干空气被夹卷进入下沉气流使雨滴迅速蒸发,大大加强了下沉气流的强度,而显著增加了大风的强度,19:31分普定猴场出现风速为31 m/s的东北风。
(a) 19:03 (b) 19:14
Figure 5. Liupanshui radar vertical profile of Storm A (unit: dBZ)
图5. 六盘水雷达对风暴A的垂直剖面(单位:dBZ)
冰雹成长的有利环境是合适的0℃层、−20℃层高度,以及−20℃层高度以上有无超过45 dBz的反射率因子核。5月11日,08时0℃层在4.9 km、−20℃层8.1 km,20时0℃层在4.7 km、−20℃层7.9 km。19:03的反射率回波高度上,回波顶高10.5 km,强度剖面上45 dBz的回波还未伸展到−20℃以上,但强中心回波强度已达60 dBz以上,并伴有强回波悬垂和低层弱回波区。1.5˚仰角的径向速度图(图6(b))上为辐合式气旋性旋转是中气旋特征,2.4˚和3.3˚仰角径向速度图(图6(c)、图6(d))呈现出气旋性旋转,4.3˚仰角的径向速度图(图6(e))呈现出气旋式辐散结构,约4.5 km高度辐散有利于单体的继续发展。速度剖面上(图5(e))呈现低层辐合、高层辐散特征。
19:08,45 dBz的反射率因子伸展到8.1 km附近,超过−20℃高度,强回波中心加强,大于60 dBz强回波伸展高度接近5 km,在0℃层以上,速度图上中底层速度辐合明显。19:03~19:14三个体扫过程中,VIL从19.6 kg/m2增加至41.7 kg/m2,说明这段时间强回波明显发展。
5.2. 风暴B的演变特征
六盘水雷达、贵阳雷达同时捕捉到了风暴B,两部雷达相距约176 km。强冰雹风雹单体位于六盘水雷达的东南方向,离六盘水雷达约104 km;离贵阳雷达约70 km,位于贵阳雷达的西南方向。同时分析两个雷达资料,观测密度更高,风暴特征更完整;对灾害性天气发生的提前量及判断更可信,有助于积累短临预报的经验。在本次过程中,因为贵阳雷达距离风暴更近,所以分析以贵阳雷达的资料为主,六盘水雷达为辅。
风暴B影响普定、平坝。18:51左右从普定县东北部进入安顺地区,此时已发展成为超级单体,随后向南偏东方向移动,19:28进入平坝区,到21:15从平坝东南部移出。19:23开始出现三体散射现象,19:33三体散射最强并出现旁瓣回波,19:30~19:32平坝观测到冰雹,19:44三体散射明显减弱并继续向东南方先移动,19:50三体散射和旁瓣回波特征再次出现,19:50~20:04平坝再次观测到冰雹。
贵阳雷达资料显示,19:01,风暴B (方位260˚,距离88 km)低层发展成为钩状回波结构,1.5˚仰角(图7(a))有前侧入流缺口,2.5˚仰角(图7(b))上有界弱回波区明显,强回波中心72.5 dBz (高度约4.2 km),反射率因子垂直剖面也显现出明显的弱回波区结构和悬垂回波,0.7˚仰角径向速度图(图8(a))辐合式气旋性旋转,1.5˚仰角径向速度图(图8(b))表现出辐合结构。
19:07,1.5˚仰角(图7(c))仍然有前侧入流缺口,说明仍然有强的入流气流进入到上升气流中,强回波中心在1.5˚、2.4˚仰角上为72.5 dBz (高度约3 km~4 km)。19:12,继续维持之前的特征,强回波中心上升至4.4˚仰角,回波中心强度为71.5 dBz (高度约6 km),此时的强回波中心高度已超过0℃层,且−20℃层高度反射率因子在55 dBz以上,有利于冰雹的产生。19:17~19:33回波中心强度超过70 dBz,在此期间强回波中心向上向下发展,19:33,6.2˚仰角(高度约7.3 km)反射率因子中心强度达66 dBz,0.7˚仰角(高度约1.1 km)反射率因子中心强度达70.5 dBz,19:23~19:33,三体散射长度不断增长,在0.7˚、1.5˚、2.5˚仰角观测到并持续3个体扫,产生旁瓣回波风暴核的最小反射率因子强度为68 dBZ,最大为73.5 dBZ,高度在1.1 km~3 km之间,旁瓣回波在19:33的0.7˚、1.5˚、2.5˚仰角明显(图9)。19:33以后TBSS逐渐减弱消失,但反射率因子强度仍然很强,直到19:50开始才再次出现三体散射,并随时间的推移TBSS长度逐渐变长,19:55旁瓣回波再次出现在0.7˚、1.4˚、2.5˚、3.4˚仰角,此时最小反射率因子强度为68 dBZ,最大为73.5 dBZ,高度在1.1 km~4 km之间,19:50~19:55平坝区乐平镇和20:02~20:04平坝城区观测直径5 mm的冰雹。
(a) 19:01,1.5˚仰角 (b) 19:01,2.5˚仰角 (c) 19:07,1.5˚仰角
Figure 7. Evolution of reflectance factor of Guiyang radar for Storm B (unit: dBZ)
图7. 贵阳雷达对风暴B的反射率因子演变(单位:dBZ)
(a) 19:01,0.7˚仰角 (b) 19:01,1.5˚仰角
Figure 8. Radial velocity evolution of Guiyang radar for Storm B (unit: KTS)
图8. 贵阳雷达对风暴B的径向速度演变(单位:kts)
(a) 19:33,0.7˚仰角 (b) 19:33,1.5˚仰角 (c) 19:33,2.5˚仰角
Figure 9. Reflectance factor three-body scattering and sidelobe echo characteristics of Storm B by Guiyang radar (unit: dBZ)
图9. 贵阳雷达对风暴B的反射率因子三体散射及旁瓣回波特征(单位:dBZ)
5.3. 风暴AB在六盘水雷达和贵阳雷达上VIL的表现
在六盘水雷达(表1)上观察到的VIL变化和降雹情况,风暴A中VIL的峰值区共有三个,其中有两个峰值出现时间与降雹时间对应,且低值区对应降雹的间歇期,19:14~19:19是VIL的峰值但无冰雹,风暴A在这一时刻的体扫中发现三体散射和旁瓣回波的特征,单体在下一个体扫减弱,此时刻冰雹已经发生,可能因为观测点的位置与冰雹落区距离较远,所以降雹没有被观测到。20:10~20:16观测到冰雹,但VIL只有10 kg·m−2。风暴B中VIL的峰值区共有两个,VIL峰值出现时间与降雹时间对应。由于风暴AB在一条辐合线上发展且距离较近,则风暴B的VIL趋势特征与风暴A保持一致,且两风暴降雹时间接近。
六盘水雷达和贵阳雷达(表2)相比,贵阳观测到的VIL值更大,VIL增加和降低趋势更加明显,可用的VIL的数据时间段更长。在本次过程中,19:00~20:30六盘水雷达和贵阳雷达分别缺失了三个体扫,观察风暴B的时候,由于距离和没有其他回波阻挡等原因,贵阳雷达更有优势。观察风暴A的时候,两个雷达资料互相补充效果更好。
Table 1. VIL and hail situation of Liupanshui radar
表1. 六盘水雷达的VIL与冰雹情况
Table 2. VIL and hail situation of Guiyang radar
表2. 贵阳雷达的VIL与冰雹情况
6. 结论
1) 本次强对流天气发生在地面辐合线附近的不稳定层结中,高空槽、低空切变线、中低空急流和热低压是导致此次强对流天气的主要影响系统。午后热低压因发展积累了能量。上干下湿的水汽垂直分布,适宜的0℃、−20℃层高度有利于冰雹等强对流天气产生。
2) 风暴A、B在一条辐合线上发展,共同特征是降雹前均出现了回波强度强、有界弱回波区、三体散射长钉和旁瓣回波、强大的回波悬垂等特征;不同的是风暴A出现中气旋较冰雹的出现提前了约22分钟,而三体散射的出现较冰雹的出现提前了约10分钟,旁瓣回波提前了约30分钟;风暴B冰雹提前7分钟观察到三体散射,旁瓣回波在冰雹出现时被发现,第二次冰雹前5分钟观察到三体散射。地面灾害性大风主要由超级单体对流风暴所引发。
3) VIL值呈现波动式跃升和下降,表明冰雹开始生成并可能出现降雹现象。VIL变化和降雹情况统计中,风暴的VIL的峰值区出现时间与降雹时间对应,低值区对应降雹的间歇期。两个雷达相比,贵阳观测到的VIL值更大,VIL值的跃升和降雹后的减弱趋势更明显。观察风暴B的时候,由于距离和没有其他回波阻挡等原因,贵阳雷达更有优势。观察风暴A的时候,两个雷达资料互相补充效果更好。
基金项目
贵州省山地气候与资源重点实验室项目《安顺市冰雹短临预警指标研究》(编号:QHLSSLJ[2022]-02)。