1. 引言
1.1. 课题背景
冰雹是我国常见的，分布较为广泛的一种对流性灾害天气，也是一种拥有极强破坏力的天气现象，其降雹过程虽较短暂，影响范围小，但来势较为凶猛，强度大，对于人民生命财产安全损害较大。贵州省每年冰雹的发生频次较多，其危害程度随着社会经济的发展会逐渐加大，其不仅会影响农业的发展，对交通出行、房屋建筑、人民生命财产安全等也具有一定程度的危害。
本文研究分析18年3月13日贵州毕节地区发生的二阶跃增冰雹云团的雷达回波参数与闪电频次变化，旨在得到对此类冰雹云有参考意义的的雷达参数、闪电频次变化特征，为贵州西部的冰雹预警、防灾减灾、经济建设提供参考。
1.2. 研究现状
成秀萍等[1]通过研究海西州中东部冰雹天气的时空分布特征，得出冰雹天气多由高层辐散、低层辐合相匹配的结构形势产生的结论，并且降雹区域通常处于具有强上升气流的区域内和具有强能量的潜在对流不稳定区域中。俞小鼎，周小刚等[2]通过利用多普勒天气雷达、卫星云图、高分辨率数值预报模式等研究方法发现了强冰雹天气出现时的天气雷达回波特征以及冰雹产生的有利条件。周永水、汪超[3]利用贵州省1971~2007年观测站所具有的实测降雹记录数据资料，通过使用统计分析的方法，较为系统的分析了贵州省冰雹天气的时空分布特征。其研究表明降雹区域主要分布于贵州西部地区，春季降雹次数最多，且春季是强冰雹多发季，发生时间集中于下午17~19时。
1.3. 研究方法
使用NCEP资料中的高空资料分析冰雹云形成的高空环流背景。研究新一代天气雷达，观察冰雹云团单体的雷达回波，垂直剖面图等雷达特征参量变化，了解冰雹云的形成过程。分析地面气象要素，如降水量，相对湿度的变化与冰雹云发生发展之间的关系。
2. 资料概况
地面气象要素资料来源于中国地面气候资料日值数据集，数据来自于1951年1月以来中国699个基准、基本气象站所采集的气象数据，包括本站气压、气温、降水量、蒸发量、相对湿度、风向风速、日照时数和0 cm地温要素的日值数据，本文选取18年13日贵州省内的站点资料进行插值统计分析。高空资料来自中国气象数据网，使用NCEP资料中的GFS数据进行高空环流背景绘图分析。雷达资料来自于毕节新一代天气雷达观测数据，用于分析雷达特征参量变化。
3. 实况与环流背景
2018年3月13日下午15:43~16:50时，贵州省毕节地区自北向南出现多次降雹天气过程，降雹区域包括大方县、织金县，冰雹直径为4~10 mm，降雹过后大方地区出现短时强降水。14:47时大方县区域出现三个初生单体的雷达回波，其中大方县城西部的对流单体发展较为旺盛，并不断向东南方向移动。位于大方县城上空的对流单体于15:43~15:47时在大方县城产生降雹，冰雹直径为5 mm，降雹过后单体的雷达回波减弱，单体继续向东南方向移动，移速较为缓慢。15:52时降雹减弱过后的单体的开始与其西南方向的强回波单体融合形成一个新的强回波单体。融合后产生的新强回波单体于16:34时在大方县理化乡地区产生降雹，冰雹直径为10 mm。降雹过后，单体又快速与其西南面的强回波单体融合并增强，于16:50时在织金县金龙乡产生降雹，冰雹直径为4 mm，降雹后单体逐渐南移并减弱。周庶、黄秀文[4]等通过研究统计发现大方、织金地区为毕节地区冰雹的次高发区，每年有3.6 d出现冰雹天气。图1为2018年3月13日14:47、15:52时毕节市新一代天气雷达观测回波图。
(a) 14:47时
(b) 15:52时
Figure 1. Echo maps of the new generation weather radar observation in Bijie City at 14:47 and 15:52 on March 13, 2018
图1. 2018年3月13日14:47、15:52毕节市新一代天气雷达观测回波图
毕节市新一代多普勒雷达体扫使用VCP21模式，立体扫描数据由9层仰角，分别为0.5˚、1.5˚、2.4˚、3.4˚、4.3˚、6.0˚、9.9˚、14.6˚、19.9˚的PPI组成。利用2018年3月13日贵州毕节市多普勒天气雷达基数据资料，选用15:03~17:16时冰雹云单体的回波强度、强回波高度的观测时间序列资料，见表1。
Table 1. Radar echo intensity, strong echo height, and vertical integration liquid water content observation data
表1. 雷达回波强度、强回波高度、垂直积分液态水含量观测数据
时间 |
最强回波(dBZ) |
强回波高度(km) |
垂直积分液态水含量(kg/m2) |
15:03 |
37.5 |
3.5 |
5.5 |
15:08 |
43.5 |
4.5 |
6.0 |
15:14 |
40.5 |
4.5 |
6.5 |
15:19 |
43.5 |
5.5 |
6.5 |
15:24 |
43.5 |
6.0 |
7.5 |
15:30 |
43.5 |
6.0 |
15.5 |
15:35 |
49.5 |
6.0 |
24.5 |
15:40 |
49.5 |
6.5 |
27.5 |
15:46 |
51.5 |
6.5 |
20.5 |
15:52 |
46.5 |
6.0 |
12.5 |
15:57 |
45.5 |
6.0 |
12.5 |
16:03 |
46.5 |
5.5 |
7.5 |
16:08 |
47.0 |
5.5 |
7.5 |
16:14 |
46.5 |
5.5 |
17.5 |
16:19 |
43.5 |
5.5 |
17.5 |
16:25 |
43.5 |
6.0 |
18.5 |
16:31 |
46.5 |
5.0 |
24.5 |
16:36 |
43.5 |
5.5 |
32.5 |
16:42 |
46.5 |
5.5 |
25.5 |
16:47 |
43.5 |
6.0 |
40.5 |
16:53 |
47.5 |
6.0 |
45.5 |
16:59 |
47.5 |
6.0 |
35.5 |
17:04 |
43.5 |
6.0 |
42.5 |
17:10 |
44.5 |
5.5 |
31.5 |
17:16 |
43.0 |
5.0 |
17.5 |
4. 论文格式编排
4.1. 雷达回波分析
从15:46时的雷达回波图中的组合反射率和垂直剖面图来看(图2)，大方地区的回波单体的强回波中心强度超过49.5 dBZ且呈长条状。强回波中心悬空高度在6.5 km，回波顶高在10 km左右，在回波单体西部有一新的单体形成，处于发展阶段。15:43~15:47时强回波单体在大方县降雹，冰雹粒径达到5 mm，降雹过后回波单体开始减弱并向南移。15:55~16:22时，减弱的回波单体在南移过程中与其西南部发展的回波单体接触融合，形成一个新单体且回波加强。16:34~16:48时在大方县理化乡产生降雹，冰雹粒径为10 mm。从16:42时的雷达组合反射率图与垂直剖面图可以看出，两个单体融合后的新单体回波加强，强回波中心面积增大，回波强度达到46.5 dBZ，强回波中心悬空，高度在5.5 km，回波顶高在10 km左右。降雹后，融合后的回波单体减弱并快速与西南面的单体融合增强，16:50时在织金县金龙乡产生降雹，冰雹粒径为4 mm。从16:59时的雷达回波组合反射率、垂直剖面图可以看出二次融合后的单体更加强盛，回波顶高最高，接近12 km，最大回波强度为47.5 dBZ，强回波中心悬空，高度维持在6 km，回波顶高接近11 km，降雹过后回波单体南移逐渐减弱消散。在单体初次降雹后回波减弱，后其与周边单体两次融合，回波增强，随后产生降雹，表征在单体在与其周边单体融合时，能量得到了加强，促进了回波单体的发展。这与李皓、曾勇[5]等研究的二阶跃增冰雹云的回波特征一致，说明了回波单体可以通过融合其他单体来促进自己的发展。
(a) 15:46时雷达组合反射率、垂直剖面图
(b) 16:42时雷达组合反射率、垂直剖面图
(c) 16:59时雷达组合反射率、垂直剖面图
Figure 2. Radar combined reflectance and vertical profile of hail cloud in Bijie on March 13, 2018
图2. 2018年3月13日毕节境内冰雹云的雷达组合反射率、垂直剖面图
雷达西部多普勒径向速度值为负，朝向雷达，东部多普勒径向速度为正值，远离雷达，所以为一个西风。
4.2. 雷达回波资料时间序列分析
根据冰雹云的雷达回波强度、高度的时间变化曲线图(图3、图4)，结合地面的降雹时间进行综合分析，将15:03时至17:16时分为两个时段，第一时段为15:03~16:03时，第二时段为16:03~17:16时。每一个时段内包含冰雹云的跃增、孕育–降雹、降雹–消亡阶段。
Figure 3. Variation characteristics of the strongest echo of hail cloud from 15:03 to 17:16
图3. 15:03~17:16时冰雹云最强回波变化特征
Figure 4. Variation characteristics of the strongest echo height of hail cloud from 15:03 to 17:16
图4. 15:03~17:16时冰雹云最强回波高度变化特征
第一时段：(1) 递增阶段：15:03~15:35时单体逐渐增强，回波强度由37.5 dBZ增强到46.5 dBZ，增幅达到9 dBZ，强回波高度由3.5 km升高至6 km，表征递增阶段强回波的高度上升距离较大。(2) 孕育–降雹阶段：15:35~15:43时，单体持续增强至51.5 dBZ，增幅达到3 dBZ，较递增阶段增幅较小。强回波高度有较小幅度的上升。(3) 降雹–消散阶段：15:43~16:03时，回波减弱，回波强度由49.5 dBZ下降至46.5 dBZ，高度由6.5 km下降至5.5 km，下降的幅度均小于递增时段的幅度。
第二时段：(1) 递增阶段：16:03~16:25时，回波强度在43.5~47.5 dBZ之间波动，幅度较小，最终增强至46.5 dBZ，回波高度也在5.5~6.0 km之间波动，最终上升至6.0 km。(2) 孕育–降雹阶段：16:25~16:47时，回波强度有小的波动，但最终维持在45.5 dBZ，回波高度在6.0 km。16:47~16:59时，回波强度增加至46.5 dBZ，回波高度维持在6.0 km。(3) 降雹–消散阶段：16:59~17:16时，回波强度开始减弱，由46.5 dBZ减弱至43 dBZ降幅为3.5 dBZ，回波高度由6 km降低至5 km，降幅为1 km。以上两个时段，冰雹云的回波强度均在45 dBZ左右，强回波高度达到−20℃层高度，这与张海、聂祥[6]等研究的毕节地区的冰雹云回波强度达到45 dBZ，降雹概率为70%的结论一致。
垂直积分液态水含量(VIL)的变化对冰雹云活动具有重要指示作用。其在降雹之前开始跃增，对于冰雹的预报有重要意义。根据15:03~17:16时的垂直积分液态水含量变化特征(图5)，可以看出VIL的变化与冰雹云的活动一致。第一时段(15:03~16:03时)：(1) 递增阶段15:03~15:35时，垂直积分液态水含量(VIL)呈现跃增，由5.5 kg/m2增加到24.5 kg/m2，增长速度为每分钟0.6 km/m2。(2) 孕育–降雹阶段15:35~15:43时，VIL由24.5 kg/m2增加到27.5 kg/m2。(3) 降雹–消散阶段15:43~16:03时，由于降雹，VIL的峰值迅速减小，由27.5 kg/m2减小到7.5 kg/m2，减小速度为1 kg/m2。
Figure 5. Variation characteristics of liquid water content in hail cloud vertical integral from 15:03 to 17:16
图5. 15:03~17:16时冰雹云垂直积分液态水含量变化特征
第二时段(16:03~17:16时)：(1) 递增阶段16:03~16:25时，垂直积分液态水含量(VIL)呈现跃增，由7.5 kg/m2增加到18.5 kg/m2，增长速度为每分钟0.5 km/m2。(2) 孕育–降雹阶段16:25~16:47时，VIL值由18.5 kg/m2增加到40.5 kg/m2，增长速度为1 kg/m2。16:47~16:59时VIL峰值开始减弱。(3) 降雹–消散阶段16:59~17:16时，VIL的峰值迅速减小，由27.5 kg/m2减小到17.5 kg/m2，减小速度为0.58 kg/m2。观察垂直积分液态水含量可以发现，其在降雹前会出现跃增，在降雹期间，其会减小，在降雹结束后会减小到一个极值。
本次个例分析认为，雷达的组合反射率强度与回波高度变化特征能较好的反映此次冰雹云的发生阶段、跃增阶段、孕育阶段、降雹和消亡这五个阶段的强度变化特征。但由于此次为个例分析，只对一次冰雹过程进行了研究分析且选用的雷达参数较少，并不能完全的反映冰雹云每个阶段的变化情况，还需使用更多个例进行讨论验证。
5. 结论
本文使用了2018年3月13日毕节地区的地面气象要素资料以及NCEP资料研究分析了此次冰雹产生的环流背景。使用雷达基数据分析了贵州西部毕节地区的雷达参数变化特征，得出以下结论。
(1) 此次冰雹天气过程中，回波单体产生降雹时，强回波中心强度均较强，达到45 dBZ以上，且强回波中心悬空，高度约为6 km左右，回波顶高接近12 km。降雹之后融合形成的新回波单体较降雹之前范围增大，强度也有所增加，回波顶高高度增高。
(2) 三次冰雹发生过程都包含了冰雹云发展的五个阶段，但由于降雹之后单体的融合，消散阶段在前两次降雹过程中并不明显。雷达回波的组合反射率的变化与冰雹云演变特征基本一致。强回波中心高度变化特征不明显，不能很好的反映冰雹云的各个阶段。
本文仅选取了毕节地区的一次冰雹个例的地面气候资料日值数据和雷达参量进行研究分析，并不能完全反映冰雹云的发生发展的变化特征，需要使用更多的个例来进一步讨论分析。
NOTES
*通讯作者。