“2021-3-30”江西大冰雹超级单体的回波结构与关键机制分析.pdf

张晓芳，马中元，王立志，等.“2021-3-30”江西大冰雹超级单体的回波结构与关键机制分析J.热带气象学报，2023，39(3)：374-385.文章编号：1004-4965(2023)02-0374-12“2021-3-30”江西大冰雹超级单体的回波结构与关键机制分析张晓芳1，马中元2，王立志3，陈鲍发4，邱雯婷1(1.婺源县气象局，江西 上饶 333200；2.江西省气象科学研究所，江西 南昌 330046；3.中国科学院大气物理研究所，北京 100029；4.景德镇市气象局，江西 景德镇 333000)摘要：为了研究江西大冰雹超级单体的结构特征和关键机制，利用江西WebGIS雷达拼图平台、江西省ADTD二维闪电监测定位系统、江西省自动气象站雨量检索平台和MICAPS系统平台资料，对江西2021年3月3031日冰雹组合反射率CR回波强度、地面雨量、TBB云图与ADTD雷电信息等特征进行分析。（1）2021年3月3031日大冰雹天气过程，雷暴大风和降水比江西春季历史上出现的强对流天气过程较少且小，但出现冰雹站数、影响范围、维持时间、冰雹直径和回波强度都超过历史上其它强对流天气个例。（2）最强回波和10 min雨量与冰雹大小成正比，10 min雨量变化提前于冰雹的出现；强回波面积和雷电次数成正相关。（3）超级单体回波系统是造成江西冰雹天气的重要回波系统类型：回波中心强度 60 dBZ，中心出现 65 dBZ的强回波核；60 dBZ回波面积 1010 km2；3060 dBZ强回波梯度（最密集区域）6 km；超级单体具有深厚和蔓延的云砧形成的“前伸”回波结构，形成南北走向的“盾”型回波结构。（4）冰雹超级单体在TBB云图上形成MCS云系，有“前伸”云砧结构，最低亮温低（-100 左右），这个罕见的超低温是本次冰雹天气产生的关键因素，西南侧亮温梯度线密集；TBB云图亮温可以显示超级单体MCS的存在，能否出现冰雹、雷暴大风及短时强降水，需要结合雷达拼图回波特征来进一步揭示超级单体结构。这些研究成果对江西冰雹天气的监测预警提供了理论依据。关键词：江西；大冰雹；超级单体；dBZ；TBB；回波特征中图分类号：P445文献标志码：ADoi：10.16032/j.issn.1004-4965.2023.034收稿日期：2022-01-20；修订日期：2023-02-28基金项目：中国科学院战略性先导科技专项（A类-XDA19040202）资助通讯作者：马中元，男，江西省人，高级工程师，从事天气预报和预报技术研究。E-mail:第39卷 第3期2023年6月热 带 气 象 学 报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.39,No.3Jun.,20231 1 引引言言冰雹的发生往往造成严重的生命、财产的损失，江西冰雹天气发生的频率较高，大冰雹也时有发生，而冰雹的出现一般都有初生、发展和减弱的过程，通过研究2021年3月3031日江西的大冰雹天气过程，找出冰雹发生发展阶段的雷达回波、强回波面积、雨量等变化的规律，试图找到它们之间的内在联系和发展规律，从而更好地做好预报服务。国内外的一些专家学者从事冰雹研究，取得了一些成果。陈鲍发等1得出在江西 WebGIS 雷达拼图上冰雹的预报着眼点：6065 dBZ（粉红色）回波范围大于1010 km2，回波形状呈椭圆形；30 dBZ（黄）回波界线与60 dBZ回波界线梯度大；6065 dBZ回波中心有6570 dBZ（紫色）回波“核”；强回波下风向有“前伸”回波结构。王研峰等2-14研究得出降雹对流单体低层反射率因子呈现“V”型缺口，最大回波强度63 dBZ出现在低层，反射率因子垂直剖面呈有界弱回波区和回波悬垂；相应的径向速度垂直剖面呈中低层辐第3期张晓芳等：“2021-3-30”江西大冰雹超级单体的回波结构与关键机制分析合高层辐散特征。最大反射率因子达到60 dBZ，中等强度以上中气旋，VIL值和VIL密度分别达到60 kg/m2和 5.0 g/m3，50 dBZ 以上强回波区伸展到-30 层高度以上。王莎等15利用36个冰雹个例，得出冰雹发生时，基于风暴的最大基本反射率因子、风暴顶高、垂直累积液态水含量平均值分别为 62 dBZ、9.9 km、51.6 kg/m2。江慧远等16分析福建漳州冰雹的回波特征，发现在降雹过程中，最强回波达 69 dBZ，三体散射回波径向长度达16 km，旁瓣回波切向宽达 20 km，低层的钩状回波与入流缺口明显。文献17-19得出大冰雹风暴单体发展非常旺盛，最大反射因子超过65 dBZ，其高度都达到5 km以上；0 和-20 层高度上的最大反射率因子均超过54 dBZ。李晓霞等20得出中尺度对流系统MCS，是造成冰雹等强天气的主要影响系统，且强对流区主要位于云顶亮温TBB低值区的后部和南部。文献21-24研究得出闪电5 min 频次分布呈现规律变化，在降雹前 497 min出现频次大于20 fl/(5 min)的峰值，降雹发生前，闪电活动主要分布在对流系统的后部，闪电数较少，且以负地闪活动为主；降雹期间，闪电频数显著增加，云闪（intra cloud lightning，IC）及正地闪活动明显加强。相关研究揭示中层干冷气流叠加在低层暖湿气流上形成对流不稳定层结，以及低层逆温为不稳定能量积聚提供了有利条件；中等强度垂直风切变有利于强对流有组织发展和维持；地形抬升是冰雹发生的主要触发机制25-31。相关研究对一次飑线冰雹天气过程进行分析，总结了飑线过境前后，气象要素变化比较明显，风向突变、风力猛增、气压涌升、气温急降、相对湿度上升32-33。张文海等34研究机器学习技术开发了一种冰雹识别和临近预报的人工智能算法，发现人工智能对冰雹这类非线性强天气过程具有较强的识别能力。这些研究成果对江西冰雹天气的监测预警有重要的指导意义。利用江西 WebGIS 雷达拼图平台、江西省ADTD二维闪电监测定位系统、江西省自动气象站雨量检索平台和MICAPS系统平台资料，对江西2021年3月3031日冰雹天气过程和超级单体的结构特征进行分析，旨在为江西冰雹的监测预警提供理论依据。2 2 资料与方法资料与方法2.1 资料雷达拼图数据来源于江西WebGIS雷达拼图平台；雷电数据来源于江西省ADTD二维闪电监测定位系统；雨量数据来源于江西省自动气象站雨量检索平台；TBB云图来源于MICAPS系统平台。采用数理统计、相关性分析和统计学等分析方法，得出回波强度、强回波面积、雨量、闪电频数、冰雹大小等五要素之间的关系。收集回波强度、强回波面积、雨量、闪电数据；对收集获取的冰雹数据进行数值量化处理，划分为：无（0）、小（1）、中（2）、大（3）四种类型，并对雷达拼图冰雹回波特征、TBB云图超级单体亮温特征等进行分析。2.2 方法2.2.1 操作流程打开江西WebGIS雷达拼图平台，选取左上角的雷达拼图图标，右侧项目栏设置：资料选取分钟，站点类型选取国家站和自动站，关注的区域选取省际区域（注：以江西省为中心及周边6省部分区域称为：省际区域），站点统计信息选取10 min，日期时间选取需要查找的雨量数据。右下角浮动窗口设置：选择地图简易图，去除数值和等值面选项，保留市界、县界、站点选项。拖动左上角地图放大和缩小的图标，将地图大小控制在8.00位置。左下角的日期时间选项选择需要查找的回波数据，注意选取的日期时间必须和右侧选取的雨量时间一致。跟踪一块强回波单体的移动路径，记录最强的回波大小、回波强度大于45 dBZ的面积和对应的最大的10 min雨量。2.2.2 五要素规范（1）回波强度。在江西 WebGIS雷达拼图上选取最强回波为回波强度，（2）强回波面积（）。选取最强回波强度周边45 dBZ以上覆盖范围计算强回波面积（以雷达拼图左下角的比例尺为标准，回波面积=长 宽）。（3）雨量。对应强回波面积之下的国家站（区域站）10 min最大雨量值。（4）闪电次数（Lf），根据江西省 ADTD 二维闪电监测定位系统读取强回波面积覆盖及周边闪电数据，以 1 小时为单位。（5）冰雹大小（Hi），在江西375热 带 气 象 学 报第39卷WebGIS雷达拼图上划分为四种：无冰雹（地面无固态降水）回波强度 60 dBZ，数值量化为0；小冰雹（雹径 5 mm）回波强度 6065 dBZ，数值量化为1；中冰雹（雹径520 mm）回波强度 6570 dBZ，数值量化为2；大冰雹（雹径 20 mm）回波强度 70 dBZ，数值量化为3。为了在图上直观显示，冰雹的数值单位扩大10倍。3 3 天气实况与天气背景天气实况与天气背景3.1 天气实况2021年3月3031日，江西出现罕见的大冰雹天气过程。冰雹自西向东横扫铜鼓、宜丰、上高、高安、奉新、新建、南昌、进贤、余干、乐平、景德镇、婺源等地，其中铜鼓、南昌市等地还出现罕见大冰雹，最大雹径超过 80 mm，呈放射状，普通雹径也在 2050 mm（图 1）。这次江西大冰雹事件，无论是超级单体回波之强、维持时间之长、影响范围之广和冰雹直径之大都是历史罕见的。2021年3月3031日，江西出现的雷暴大风较少且小。30日20时31日20时（图略，北京时间，下同），大冰雹所经之地，国家站记录极大风速17.2 m/s有7站，最大风速23.3 m/s（南昌市）；区域站记录极大风速17.2 m/s 有 33 站，最大风速23.3 m/s（南昌市）。这次过程最大风速发生在赣州市信丰（28.0 m/s），但远离大冰雹发生地。2021年3月3031日江西出现的降水较少且小。30日20时31日20时（图略）大冰雹所经之地，国家站记录雨量30.0 mm/（24 h）的有9站，最大雨量 91.1 mm/（24 h）（景德镇）；区域站记录雨量 30.0 mm/（24 h）的 有 183 站，最 大 雨 量103.0 mm/（24 h）（景德镇市官庄村）。这次大冰雹过程主要影响赣北和赣中北部，维持时间很长。一是超级单体的生命史很长；二是冰雹天气维持时间很长。从 2021年 3月 30日20时4月1日凌晨，江西北部和中部受到多次冰雹回波系统影响。表1是回波面积与雨量对照关系统计表。表1回波面积与雨量对照关系统计表面积和雨量回波面积时次数雨量时次数面积0500 km2雨量010.0 mm422面积5001 000 km2雨量10.020.0 mm2928面积1 0002 000 km2雨量20.030.0 mm1711面积大于2 000 km2雨量大于30.0 mm143图12021年3月3031日江西大冰雹实况图2021年3月30日31日江西冰雹照片376第3期张晓芳等：“2021-3-30”江西大冰雹超级单体的回波结构与关键机制分析由此可见，2021年3月3031日大冰雹天气过程，雷暴大风和降水比江西春季历史上出现的强对流天气过程较少且小，但冰雹站数、影响范围、维持时间、冰雹直径和回波强度都超过历史上其它强对流天气个例，冰雹出现时次普遍有强回波面积范围大、雨量小的特征。3.2 五要素动态曲线图2021年3月3031日江西连续两天出现大冰雹天气过程，是由超级单体和带上超级单体所致（图2）。五要素包含：回波强度、强回波面积（）、雨量、闪电次数（Lf）和冰雹直径（Hi）。图22021年3月30日20时31日23时江西冰雹五要素统计分析图由图2可以看出五要素基本上成正相关，冰雹出现时回波中心大于60 dBZ；强回波面积增大，最大超过4 000 km2；闪电次数普遍超2 000 fl/h；10min雨量偏小（普遍小于20 mm），但与冰雹情况成正相关（图2中冰雹曲线扩大10倍）。3.3 天气背景2021年3月30日20时（图3），高空低槽位于重 庆 至 贵 州 西 部，槽 前 有 明 显 的 西 南 急 流，500 hPa长沙西南风 26 m/s，南昌风速为 30 m/s；700 hPa长沙西南风风速为 23 m/s，南昌 20 m/s；850 hPa长沙西南风风速为14 m/s，三层急流在江西西