發布時間：2021-03-10所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為對延安市消雹和防災減災的工作提供指導，利用NCEP再分析資料、常規天氣資料和延安C波段多普勒天氣雷達資料詳細分析2016年6月12日發生在延安安塞區特大冰雹過程，得到以下結論:(1)西北氣流型天氣形勢配合著適宜的0℃層和-20℃層，為此次大冰雹過程提供
摘要:為對延安市消雹和防災減災的工作提供指導，利用NCEP再分析資料、常規天氣資料和延安C波段多普勒天氣雷達資料詳細分析2016年6月12日發生在延安安塞區特大冰雹過程，得到以下結論:(1)西北氣流型天氣形勢配合著適宜的0℃層和-20℃層，為此次大冰雹過程提供了良好的環境條件。(2)在雷達反射率因子上，此次強對流風暴表現出典型超級單體所具有的回波特征，包括風暴中低層的“V”型缺口、鉤狀回波、三體散射、有界弱回波區及中高層出現的回波懸垂現象，風暴發生到最強盛階段反射率因子最大值高于65dBz且強中心高度在-20℃層之上。(3)過程中出現中氣旋特征，中氣旋維持1小時，最大厚度達到5km，此次冰雹就發生在中尺度氣旋處以及大風區一側的風速輻合區。(4)垂直累積液態水含量(VIL)在發生冰雹前出現躍增變化，此次降雹后VIL沒有突然下降，反而增大是由于風暴內存在多個強中心風暴持續發展導致。
關鍵詞:氣象學;中短期天氣預報;冰雹;超級單體風暴;多普勒天氣雷達
0引言
冰雹是從發展強盛的積雨云中降落到地面的冰球，是一種隨季節變化明顯，局地性強，持續時間短但卻劇烈的氣象災害。冰雹是延安主要災害性天氣之一，常伴隨區域性強風暴，短暫卻具有極大破壞力，往往給人民生命財產安全帶來嚴重威脅[1]。延安市位于陜西省北部，屬于黃河中下游地區，地處35.6°N～37.18°N和108.17°E～110.18°E。北部以黃土梁峁、溝壑為主;南部以黃土塬溝壑為主。延安強對流天氣的頻發時節在5、6月，經常會產生局地性冰雹，近年來延安地區因受冰雹襲擊，造成上億元的經濟損失[2]，2016年6月12日安塞縣、寶塔區、黃陵縣等地區遭受冰雹襲擊，安塞縣更是出現了罕見的大多直徑達2.2～3.5cm，最大直徑為5～6cm的特大冰雹，僅安塞縣就有4183公頃農作物受災，受災人口數量達26126，造成直接經濟損失10763萬元。此次“6.12”冰雹災害的主要影響系統是超級單體風暴。
近幾年隨著中國新一代多普勒雷達組網的全面建設，多普勒雷達在極端和災害性天氣的檢測、預警領域起到了至關重要的作用，多普勒天氣雷達作為冰雹探測的重要工具，可以探測傳統雷達不能探測到的大冰雹特征例如有界的弱回波區(BWER)、三體散射和旁瓣回波特征等[3]。中國的一些專家學者利用新一代天氣雷達對強對流天氣過程做了大量的研究。趙瑞金等[4]詳細分析了承德的一次強烈龍卷過程。胡勝等[5]通過多普勒雷達基數據探究了廣東省12次大冰雹強對流過程的旁瓣回波、環境溫度層上和三體散射的回波特征，結果表明冰雹單體的最大反射率因子強度大都高于65dBz，對應高度基本在5km附近。吳劍坤[6]對較強雹暴的多普勒雷達回波識別進行了詳細研究，指出風波頂輻散、VIL密度和S波段三體散射長釘可以作為有效判斷強冰雹產生的3個輔助特征參量。李昌玉等[7]通過對西寧市兩次冰雹天氣的對比分析，得出當存在強大的反射率回波強度，中等或者很強的垂直風切變，適宜0℃層和-20℃層高度，較高的垂直累積液態水含水量值等均對冰雹增長有利。
通過延安地區C波段多普勒雷達資料，主要對延安安塞縣“6.12”冰雹過程進行多普勒雷達回波演變特征，風暴移動路徑等分析。得出的結論將為預測冰雹出現的時間和落區提供一定的參考依據，對延安市消雹和防災減災的工作提供指導。
1資料與方法
2016年6月12日15:30-16:10，延安安塞縣各鄉鎮受到不同程度冰雹襲擊，其中沿河灣鎮、坪橋鎮、建華鎮受災尤為嚴重，大多直徑達2.2～3.5cm，最大直徑達5～6cm，地面冰雹厚度有3～5cm，持續時間大概30min。利用延安C波段多普勒雷達基數據，結合NCEP再分析資料，常規天氣資料，對2016年6月12日發生在延安安塞縣的冰雹進行多普勒雷達回波結構及回波的演變特征、徑向速度和垂直累積液態水含量(VIL)等進行研究分析。
2天氣背景形勢
2.1環流背景
6月12日08時500hPa高空圖(圖1)中高緯以緯向環流為主，蒙古上空存在一低壓，東北受低壓控制，延安位于高空槽前，來自巴湖的冷空氣沿蒙古低壓前沿到達中國大部分地區，為延安地區不穩定奠定了基礎。從圖中可以看出延安地區被西北冷空氣所控制，溫度槽落后于高度槽，冷平流使槽加深，促進不穩定層結發展，屬于典型西北氣流型天氣形勢;700hPa(圖略)上存在一西北低空急流，延安位于低空急流出口處左側，輸送冷空氣到延安;850hPa(圖略)主要受蒙古低壓影響，延安位于低壓前沿受西南氣流控制，溫度露點差為1℃，水汽比較飽和，給強對流風暴的發展和增強提供了良好的水汽條件;地面08時(圖略)，新疆地面的低壓在14時移動到青海地區，延安位于低壓前沿，風向轉為偏南風。
2.2環境條件分析
在西北氣流的環流形勢下，溫度垂直遞減率和垂直風切變尤為重要，其中任何一項數值的超常都很容易造成強對流天氣。利用NCAR再分析資料分析6月12日環境物理參量，延安地區溫度垂直遞減率△T850-500=30℃，強的垂直溫度遞減率之下出現的上升運動主要依靠斜壓有效位能，低層較好的水汽供應配合較高的對流有效位能更容易產生冰雹，從溫度對數壓力圖(圖2)可以看出12日08:00的K指數為36，K指數越高潛能越大，大氣愈不穩定，延安測站上空存在一定正不穩定能區，沙氏指數SI為-0.2，未來在向不穩定層結方向轉化。
風暴云內部含有大量水分，其水分由上升氣流從大氣底層向上輸送，超級單體風暴的形成對低層水汽含量有更大的需求。從延安站探空資料和08:00高空環境場可以看出近地層存在一股流入河套的偏南氣流，在邊界層附近存在相對濕度≥80%的薄濕層，中層700～400hPa的相對濕度在35%～70%，與此相對應在850hPa高度存在一南北向假相當位溫高能舌縱向切入河套，延安上空T-Td為4℃，有氣象工作者統計過延安地區在上述高空環境下，850hPa高度存在一南北向假相當位溫高能舌縱向切入河套配合延安上空T-Td為4℃～7℃時，一般有強對流天氣產生[8]，所以此時的水汽條件較為適宜。
分析6月12日08:00測站探空資料可見，中低層存在較強垂直風切變，500hPa以下風速較小(<8m/s)。在500hPa上延安與銀川的溫差為正值，強勢冷平流出現在河套的西北向。08:00700hPa和850hPa存在的切變和輻合構成了較強的觸發機制。在6月12日延安垂直風廓線產品VMP(圖3)可以看到15:45低層為東南風，高層為偏西風，風隨著高度增加呈順時針轉動，所以延安低空存在暖平流，地面到4.8km高度間存在較強垂直風切變，將暖濕氣流源源不斷地輸送到強對流活動發展所需的上升氣流當中，成為對流風暴發展的觸發機制，這與對NCEP再分析資料的分析一致，這種垂直切變是產生強對流天氣活動的重要條件。
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冰雹要求特殊的0和-20℃層高度，產生較大冰雹的0℃層的高度要求在2.5～5.5km，因為0℃層高度太低產生不了較大的冰雹，只能形成小冰粒，太高冰雹還未到0℃層就出現融化，再降落到地面就是降水了，當日0℃層所在高度在600hPa附近，大約4km左右。產生冰雹的雨滴半徑為5～50mm甚至更大[9]，所以云體必須能垂直發展到達或超過-20℃溫度的高度才能形成冰雹，14:00的-20℃層高度在7km左右，這樣0℃層到-20℃層的厚度有3km，這為大冰雹的產生提供了適宜的條件。
3多普勒雷達回波特征分析
3.1冰雹反射率因子演變分析
此次降雹主要發生在安塞區寶塔區等地，產生此次降雹的超級對流單體有2個，從6月12日15:17的組合反射率上可以清晰地看到兩個強盛的對流單體，一個超級單體A從延安西北部靖邊發展起來，源地位于白于山，在向東南方向移動過程中不斷壯大，途經安塞，寶塔區，延長，最終在宜川散去;另一超級單體B在志丹生成，在安塞區發展壯大，這2個強對流單體在安塞區內的長期活動造成了此次安塞區罕見的重大雹災。
從反射率因子可以看出，6月12日13:18延安西北側靖邊生成一強回波中心為55dBz的對流單體A，15:06發展到65dBz且對流單體范圍擴大，15:17對流單體A進入安塞縣，開始沿寶塔區方向移動，從CR上(圖4a)可以明顯看到此時A、B的2個強回波中心，在15:40A風暴出現了明顯的“V型缺口”且出現在前部(圖4d)，表明有較強入流氣流輸送進上升氣流，16:02反射率因子上(圖4e)的鉤狀回波也明顯地出現了，16:00安塞區東北部的超級單體中心達到70dBz，16:20對流單體A徹底移出安塞區。
在14:37有一對流單體B生成，2個體掃過后強回波中心的強度就從42dBz增強到55dBz，此后快速發展擴大，15:17向東發展為帶狀(圖4b)，在移出安塞區之前對流單體B與周圍的對流云合并不斷擴大成為超級單體，并強回波中心一直維持在65dBz以上，15:45后隨著超級單體A逐漸移出安塞區，超級單體B成為控制安塞區降雹的主要系統，在15:57出現超級單體具有的典型“V”型缺口特征，在16:08超級單體B移出安塞區進入寶塔區，繼而向東南移動最終在延長縣消散。
三體散射(TBSS)是由于云體中大冰雹具有非常強烈的散射作用沿雷達徑向的延長線上出現的釘狀虛假回波。在0.5°仰角15:28(圖4c)和2.4°仰角16:02(圖4f)可以看到出現了TBSS，一般來說，只有S波段雷達回波中三體散射現象的出現才是大冰雹存在的充分條件，但并不是必要條件[10]，C波段雷達回波中出現三體散射概率很大且頻繁，但是不代表一定會有大冰雹存在，在C波段條件下，小冰雹也有可能產生三體散射[11]，但是在此次雷達事件中確實觀察到三體散射現象，至少說明空中該回波有存在大冰雹的可能。
從雷達基本反射率角度出發，當有反射率因子≥45dBz的回波在-20℃層上時可以印證冰雹的存在。因此，只有當強回波具有相當的高度，冰雹才會產生。實際業務中總結出冰雹云強回波最低高度也需要達到5～8km[12]，15:10A、B單體的強回波底高均達到7.3km左右(圖略)，因此判斷此時已經存在冰雹云，15:28強度為65dBz以上回波中心高度是10.4km，在-20℃溫度層對應的高度之上，表明了冰雹存在。——論文作者：丁帥，肖天貴
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