雹暴系統中單體相互作用宏微觀物理過程研究

陳秋梅 , 周筠珺,2 , 鄒書平 , 楊 哲 , 曾 勇

（1. 成都信息工程大學, 成都 610225；2. 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心, 南京 210044；3. 貴州省人工影響天氣辦公室, 貴陽 550081）

引言

每年春夏季，受地形影響，我國云貴高原地區的強對流天氣頻發，時常導致降雹天氣，給當地的經濟和生活帶來不便。一般來說，普通雷暴單體生命短，強度小，很難導致冰雹，然而在實際天氣中，時常觀測到雷暴單體合并形成雹暴。

單體合并最初通過觀測“云橋”現象被獲知，之后在龍卷型超級單體中多次出現[1-2]。Rogers 等[3]通過分析大量與重大龍卷風有關的單體合并樣本得出，單體合并對龍卷風產生有一定的潛在意義。Bluestein 等[4]通過數值模擬證實了單體合并后會加強初級風暴，有利于龍卷風的產生，且與龍卷風產生相關的單體合并往往發生在主風暴的上升氣流或后翼區域。20 世紀70年代以來，隨著多普勒天氣雷達監測網的不斷完善，更多的強對流系統的微物理過程能夠被觀測，對大量的單體合并引起雷暴特征變化樣本的研究[5-8]表明：單體合并通常會改變雷暴的結構和性質，合并時回波最大面積、最大回波頂部和最大反射率往往顯著增加；合并時相關的雷暴單體旋轉度可能增加從而產生龍卷風，且大多龍卷風出現在合并之前或之后的15 min內；合并后的系統通常比未合并的系統產生更多的降水，可能產生更加激烈的天氣現象，如冰雹。單體合并是一個復雜的過程，會引起對流系統中微物理、動力、熱力等方面的改變，進而影響雷暴系統的上升、下沉氣流，改變云中冰相粒子的直徑、濃度、垂直結構分布，產生劇烈的閃電活動[9-12]。付丹紅等[13]通過對一次積云合并過程進行數值模擬后指出，合并導致雷暴的上升、下沉氣流增強，也加強了水汽轉化，形成了大量過冷云水和冰相粒子。張小娟等[14]利用數值模式模擬了一次貴州省西南部的冰雹天氣過程表明，此次冰雹過程的對流云系經歷合并加強階段，微物理結構具有混合相云特征。但目前，對于單體間相互作用的微物理變化規律、各水成物粒子的演變與閃電發生的關系等問題仍存在爭議。針對上述不足之處，本文選用X 波段雙線偏振天氣雷達和二維閃電監測數據，結合常規氣象探空和ERA5 再分析資料，對貴州威寧縣2018年4月30日一次雹暴天氣過程中單體合并特征進行分析，以期為提升災害性天氣預報預警水平提供科學依據。

1 資料和方法

1.1 資 料

研究數據包括：歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）再分析（ERA5-Land）資料，空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1 h；威寧縣X 波段雙線偏振天氣雷達（YLD1-Dradar，架設位置為27.06°N、104.09°E）資料，海拔高度2472 m，掃描間隔6 min，立體掃描層數14，庫長75 m，最大探測范圍175 km；常規探空觀測資料；貴州地閃定位網資料；地面天氣報文中的降雹信息。

1.2 方法

由于噪音、強衰減、異常值等原因，本文使用的X 波段雙線偏振天氣雷達數據存在相位折疊和回波衰減等問題，需要進行質量控制。具體處理方法如下：剔除地物雜波；對出現折疊的差分傳播相移采用徑向連續性檢查法[15]進行退折疊處理；對退折疊后的差分傳播相移用綜合小波法[16]去噪；采用自適應約束算法[17]對數據進行衰減訂正；對處理后的數據進行自適應Barnes 插值，最后利用不對稱T 型函數對粒子進行模糊邏輯粒子識別，將水凝物粒子類型識別為毛毛雨（DR）、雨（RN）、聚合物（AG）、低密度霰（LDG）、高密度霰（HDG）、冰雹（RH）、冰晶（CR）共7 種[18-21]。

2 天氣實況和環流背景

2018年4月30日貴州威寧縣發生強對流天氣過程，產生降雹。根據威寧縣內降雹記錄，開嘎于16:36～16:37 觀測到黃豆大小的冰雹，直徑約5 mm，密度80粒/m2。從2018年4月30日05 時（世界時，UTC）的環流形勢（圖1）看，500 hPa 中高緯地區呈現出穩定的“一槽一脊”形勢，西伯利亞地區有冷渦維持發展，伴隨有小槽分裂東移，高原地區小槽輸送冷空氣向東傳播至四川、貴州地區；700 hPa，貴州、四川地區存在切變，威寧地區受來自西南方向的暖濕氣流影響；高空冷空氣和低空暖濕空氣交匯導致了本次強對流天氣。

圖1 2018年4月30日05 時（UTC）500 hPa（a）和700 hPa（b）風場（黑色箭頭，單位：m/s）、溫度場（紅色虛線，單位：℃）和位勢高度場（藍色實線，單位：dagpm）空間分布（紅色三角形代表威寧）

3 雹暴系統演變過程

圖2 為16:25～18:08 雷達回波演變特征。如圖所示，本次雹暴天氣主要由單體A、單體B 相互作用形成，持續時間約2 h。將組合反射率≥30 dBZ 確定為對流單體的邊界。在雷達組合反射率圖中觀測到兩個合并單體邊界回波連接在一起，視為合并開始；當最強回波核合并，即只有一個強回波核時，視為合并結束。根據定義，16:30～17:16 為合并階段。

圖2 16:25～18:08 雷達回波演變特征（A、B、C 分別代表單體A、單體B、單體C，紅色實線為圖3 中剖面方向）

16:25，單體A（圖3a、圖4a）中有＞55 dBZ 回波值出現，發展高度超過-40℃環境層，而＞45 dBZ 回波值位于-20℃環境層，最強回波及地，地面出現冰雹；單體B（圖3b、圖4b）回波頂高約8 km，最大回波值≤55 dBZ，其中＞40 dBZ 區域均位于0℃環境層下，0～-20℃過冷水較少。

16:30～17:16 為單體A 和單體B 間的獨立合并階段。16:30（圖2b），單體A、B 開始合并，出現“云橋”現象，這是由單體A、B 合并產生的下沉冷氣流下降至地面外流抬升周圍暖濕空氣形成。單體A 近地面出現冰雹，統計雷達探測的各水成物粒子庫數可知，RH 粒子較上一探測時刻減少170 庫，LDG、HDG 粒子分別減少43%、18%。分析0.5°（圖5a）和2.4°（圖5b）仰角的雷達徑向速度場發現，單體A、B 回波大值區域存在輻散，連接處有氣旋性輻合氣流，兩單體的輻散下沉氣流導致連接處的氣流抬升，對連接處有促進增長作用。

圖3 雷達徑向反射率垂直剖面（a～f. 依次對應圖2 中113°、125°、112°、120°、111°和107°剖面方向，黃色虛線、紅色虛線、藍色虛線分別對應環境層-40℃、-20℃、0℃等溫線）

圖4 同圖3，但為雷達探測的粒子識別垂直剖面

16:36，兩單體發展加強，相互靠近，單體A（圖3c、圖4c）回波頂高上升至8.9 km，有＞55 dBZ 回波區位于-20℃環境層，最大回波值超過60 dBZ；單體B（圖3d、圖4d）回波頂高7.1 km，旺盛的上升氣流將大量暖性水成物抬升至0～-40℃環境層，在0～-20℃形成較大的凍滴和過冷云滴（SWA），冰核通過凇附過冷云滴形成CR，-20℃以上CR 凇附增長形成LDG；同時CR通過“貝吉龍”過程形成AG 的速率增大，RH 通過干增長和濕增長的形成速率加快，庫數較上一探測時刻增加。

16:53（圖2e），兩單體發展進一步增強，強回波區域進一步擴大。0.5°仰角的雷達徑向速度場（圖5c）中單體A、B 對應位置存在輻散氣流；而在2.4°仰角的雷達徑向速度場（圖5d）中，單體A 處仍有輻散氣流，單體B 處卻存在氣旋性輻合氣流，這說明兩單體的成雹高度不同。從對應的徑向剖面（圖略）可知，單體A 的RH 主要在7 km 高空形成，單體B 的RH 在5 km處形成。在0.5°與2.4°仰角的雷達徑向速度場中，單體連接處仍存在輻合上升氣流，且強度都較16:30增大，強烈的抬升氣流使得該時刻單體A 的LDG 與SWA 粒子均達到最大值。

圖5 0.5°（a、c）和2.4°（b、d）仰角的雷達徑向速度場（黑色方框代表輻散，紅色方框代表輻合）

17:16（圖3e、圖4e），合并結束，兩單體強中心合二為一，最大強度達60 dBZ，回波高度12.9 km，RH 為655 庫，較上一探測時刻單體A 的851 庫減少，較單體B 的564 庫增多。

17:50（圖3f、圖4f），單體減弱，回波頂高下降至9 km 以下，＞55 dBZ 回波區大部分出現在0℃環境層，LDG 減 少 速 率 為HDG 的2.2 倍，此 時LDG 是 形成RH 的主要粒子來源。

18:08（圖2i），天氣系統進一步向東移動減弱，單體繼續消散，最大反射率減小至43.5 dBZ，回波范圍縮小，高反射率區域減少，LDG 下落過程中進一步轉化為HDG，造成HDG 的總數較上一探測時刻有少許增加，此時形成的RH 體積較小，下降到環境層0℃以下融化為液態水，產生較強降雨。

4 過程物理量分析

4.1 雷達基本參量特征

已有研究[21]表明，雷達回波＞40 dBZ 的區域（D40）可以反映該時刻回波核大小，回波值＞50 dBZ 的區域（D50）能間接反映該時刻云內大粒子水成物的數量。分析2018年4月30日雹暴生命史中雷達回波參量變化（圖6）可知，D40 與D50 的整體變化趨勢一致，合并期間存在起伏，兩者峰值均在合并結束時刻出現，說明合并加強了系統的發展，使得云內大粒子數量增加，HDG 通過凇附SWA、碰凍CR 與AG 等粒子增長形成RH，LDG 在下降過程中凇附SWA 增長且形成RH的速率增加。合并開始時刻，D40、D50 以及回波頂高（Top）數值出現下降，此時單體A 降雹，單體B 降水，考慮是上升氣流和下沉氣流相互作用的結果；16:42，單體A 有反射率極大值（Zmax）出現；16:48，單體A與單體B 近地面均有RH 出現；17:10，出現兩單體的Top峰值，單體Zmax 值增大，強輸送氣流使空中大冰相粒子大量形成；17:16，D40 與D50 出現最大值。合并后，D40 與D50 大體呈下降趨勢，Top 和Zmax 的變化趨勢基本一致；17:28（圖2g），系統受周圍新生對流的影響，得到短暫加強，Top 與Zmax 增強，最大反射率出現在6 km 高空，空中大粒子的增加降低了D40 與D50 的減少速率。

圖6 2018年4月30日雹暴過程中雷達回波參量的時間變化特征（灰色陰影為合并階段）

4.2 動力場變化

圖7 給出了使用V5（徑向速度＞5 m/s 的庫數）、V10（徑向速度＞5 m/s 的庫數）和Max VVC（徑向速度垂直分量最大值）表征天氣系統的動力特征。如圖所示，V5、V10 與Max VVC在合并期間存在較大的起伏，合并后大體呈現下降趨勢。從各單體來說，單體A 合并期間的Max VVC呈下降趨勢，單體B 則呈增長趨勢。16:30～17:16 的合并期間，Max VVC的峰值為2.79 m/s，出現在16:48，此時也出現了V10 峰值，單體A 與單體B 的上升氣流得到加強，劇烈的上升氣流加速了大HDG與LDG 粒子向RH 粒子的轉化速率，大量RH 粒子下落產生強烈的下沉氣流，上升氣流被削弱，使得Max VVC在下一探測時刻驟降。16:59，Max VVC再次增強至2.65 m/s，V5 也達到合并期間最大值，單體A 與單體B 再次發展。17:28，合并結束后的單體C 受附近新生對流的影響，Max VVC的減少速率較上一探測時刻放緩。合并結束時的上升氣流較合并初期偏弱，說明合并期間單體內的上升氣流并不是持續加強的。

圖7 2018年4月30日雹暴過程中天氣系統動力特征隨時間的演變（灰色陰影為合并階段）

4.3 粒子演變

圖8 為2018年4月30日雹暴生命史中粒子數量隨時間的變化。如圖所示，合并開始前，單體A 已開始降雹，而單體B 有降水產生。合并階段，系統整體上升氣流增強，單體A 持續降雹，單體B 加強發展并產生冰雹。合并期間，單體A 的RH 粒子數量波動大，這與大HDG 與LDG 粒子形成RH 粒子下落至地面有關。16:42，單體A 的RH 數量開始下降，說明RH 的下落減少速率大于高空形成速率。16:48，出現合并期間的最強上升氣流，下一探測時刻（16:53）RH 粒子數量劇烈減少，單體A 減少最多，其RH 粒子減少量約為單體B 的3 倍，單體A 的SWA 數量較上一探測時刻劇增，這是由于形成RH 消耗過冷水速率小于抬升氣流產生過冷水速率，致使過冷水粒子增加導致的，而單體B的SWA僅少量增加。合并期間，RH、HDG、LDG、CR 大體呈增長趨勢，AG 先增后減，SWA 波動情況復雜。合并后，系統再次進入強降雹時期。17:28，受新生對流影響，系統的RH、HDG、LDG、SWA、AG 粒子短期內增加，之后逐漸減少。

圖8 同圖7，但為各單體中粒子庫數

合并期間，單體B 的增長情況與單體A 的增長不同步，單體A 的降雹大于單體B。單體A 合并前已開始降雹，空中已存在大量的雹胚，增強的上升氣流使得空中RH 大量減少，下落形成的強下沉氣流短暫削弱了上升氣流強度，之后上升氣流再次加強，再次產生強烈降雹；單體B 受合并期間較大的輸送氣流影響，水成物粒子增加，產生降雹；兩者合并形成的新單體C 后，冰雹數量有明顯的波動變化，在17:16 降雹增強，之后受環境影響，上升氣流減少速率放緩，大LDG 粒子下落，下落過程中通過凇附SWA 、碰并CR 和AG等粒子增長形成HDG 和RH，使消散階段HDG 出現短暫增長。

4.4 閃電活動

分析2018年4月30日雹暴過程中每12 min 地閃、正地閃和負地閃發生頻數的變化特征（圖9）可知，本次天氣過程共429 次地閃記錄，負地閃記錄遠大于正地閃，占總地閃的94%。整個天氣過程中都有負地閃發生，且其變化趨勢與地閃基本一致。正地閃出現時刻較少，合并后出現的次數大于合并階段。在合并階段（16:30～17:16），總地閃頻數大體呈現“增-減-增”的變化特征，峰值出現在16:36（62 次/12min）。合并結束后，12 min 內閃電還出現了一次增長過程，之后頻數逐步減少?？偟膩碚f，閃電活動的躍增出現在合并開始時刻，最大值出現在合并期間，合并后閃電數再次增長，但幅度小于合并階段。

圖9 2018年4月30日雹暴過程中每12 min 地閃、正地閃和負地閃發生頻數的變化特征（灰色陰影為合并階段）

4.5 動力、微物理、閃電三者相互作用特征

圖10 給出了2018年4月30日雹暴過程中每12 min地閃發生頻數、Max VVC、HDG、LDG、CR 庫數的時間變化特征。分析可知，在16:25 出現Max VVC峰值，此時單體A 降雹，單體B 有降水發生，有地閃發生。合并開始后，Max VVC減小，HDG、LDG 粒子不同程度減少，CR 粒子小幅度增加，地閃出現峰值；較強的上升氣流使水凝物粒子快速增長，加大了各冰相粒子的碰撞幾率，使相應起電和放電活動更劇烈。合并期間，粒子出現波動，整體呈增加趨勢，其中LDG 和CR 的增長速度遠大于HDG 的增長，CR 數量維持較低水平；Max VVC呈現整體減少趨勢，合并結束時刻的Max VVC小于合并初期的Max VVC，且合并結束時刻的地閃頻數也小于合并初期；閃電頻數僅在合并開始后6 min 增加，之后驟減，并維持在較低水平，這是由于持續的強上升氣流一定程度上抬升了各電荷區高度，不利于地閃的發生。合并結束后，上升氣流開始減弱，系統發展高度有所下降，地閃開始增多；其中，Max VVC在17:28 下降至1.55 m/s，大直徑CR、LDG 粒子下落末速度大于上升速度下降形成較強的下沉氣流，系統受新生對流影響，水成物粒子短時內增加，閃電頻數增加。

圖10 2018年4月30日雹暴過程中每12min 地閃發生頻數、Max VVC 以及HDG、LDG、CR 庫數的時間變化特征（合并完成前實線為單體A 變量，虛線為單體B 變量，合并后實線為單體C變量，黑色虛線范圍表示合并階段）

總體來說，單體相互作用期間，系統動力場的變強直接影響上升氣流的強弱，較大的上升速度增加云層中冰晶、霰粒子濃度及體積，其中LDG 和CR 的增長速度遠大于HDG 的增長。此階段低密度霰與冰晶粒子之間非感應碰撞是主要的起電過程，之后系統發展到不利于地閃出現的高空。合并結束后，大量RH下落產生強下沉氣流，上升氣流減弱，回波頂高下降到適合地閃出現的高度，大LDG 粒子在下落過程中凇附形成HDG 和RH，低層區域霰粒子大量增加，加上受環境新生對流影響，系統主要起電粒子得到增加，閃電頻數再次增長，但由于上升氣流強度小于合并期間，閃電頻數也小于合并期間最大值。隨著系統消散，各水成物粒子逐漸減少，閃電減弱。

5 結論

本文選用X 波段雙線偏振天氣雷達和二維閃電監測數據，結合常規氣象探空和ERA5 再分析資料，對貴州威寧縣2018年4月30日一次雹暴天氣過程中單體合并特征進行分析，得到如下主要結論：

（1）單體合并初始階段，有“云橋”現象發生，單體連接處有氣旋性輻合氣流，說明單體A 降雹與單體B 降水產生的輻散下沉氣流對連接處有促進增長作用。

（2）整個雹暴過程中，D40 與D50 的整體變化趨勢相同，且峰值均出現在合并結束時刻，說明合并使系統得到加強發展。上升氣流和下沉氣流相互作用使D40 與D50、Top 在合并開始時刻出現下降。V5、V10 與Max VVC在合并期間呈波動變化，說明合并期間系統并不總是加強發展。

（3）合并階段，RH 粒子的生成速率與RH 下落減少速率變化不一，使得RH 粒子數量隨時間劇烈變化，合并階段的RH 數量最大值在17:10 出現；合并結束后系統受新生單體影響再次發展，RH 再次增加。

（4）閃電記錄中，負地閃頻次遠大于正地閃，占總地閃的94%，而正地閃主要出現在消散階段。合并開始后，地閃頻次出現躍增，且峰值出現在合并期間，合并后閃電頻數再次出現增加。

（5）單體相互作用期間，較大的上升速度增加了云層中冰晶、霰粒子的濃度及體積，其中LDG 和CR的增速大于HDG 增速的5 倍。LDG 與CR 粒子之間的非感應碰撞是主要的起電過程。之后系統回波高度抬升過高，不利于地閃發生。合并后，回波頂高下降到適合閃電發生的高度，大量LDG 粒子下落形成HDG和RH，周圍新生單體使系統水成物粒子短暫增加，閃電發生頻次再次上升。