陇东黄土高原一次超级单体降雹演化机制研究

摘要 利用西峰CD雷达资料，结合云图、探空及常规观测资料，对2021年10月1日傍晚发生在庆阳的一次超级单体风暴发生发展机制、环境背景、云物理特征及演变过程进行详细分析。结果表明，受500 hPa强西北气流及高低空冷暖平流影响，触发了此次强对流天气。探空图显示，对流发生前期有较大的位势不稳定能量，并且存在一定的对流抑制能量，0 ℃层高度及-20 ℃层的高度利于冰雹的产生及增长;云图分析显示，超级单体降雹主要由局地产生的对流云团发展移动而引发的，可见光云图上对流云团有明显的暗影存在;从雷达分析得出，此次风暴天气受超级单体影响，超级单体持续时间较长，钩状回波、前侧入流槽口及垂直积分液态水含量（VIL）跃变特征明显。

关键词 超级单体;冰雹;发生机制;环境背景;物理量场;雷达特征;云图

中图分类号 S 162  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）16-0161-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.16.041

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Evolution Mechanism of a Supercell Hailstorm in Eastern Gansu Loess Plateau

ZHAO Yu-juan

（Qingyang Meteorological Bureau， Qingyang，Gansu 745000）

Abstract Using Xifeng CD radar data， combined with cloud images， soundings and conventional observation data， the environmental background， cloud physical characteristics and evolution process of a supercell storm that occurred in the evening in Qingyang on 1 October 2021 were analyzed in detail. The results showed that the strong convective weather was triggered by the strong northwest airflow of 500 hPa and the advection of cold and warm at high and low altitudes.The sounding map showed that there was a large amount of geopotential instability energy in the early stage of convection， and there was a certain amount of convective inhibition energy. The height of the 0 ℃ layer and the height of the -20 ℃ layer were conducive to the generation and growth of hail.The analysis of cloud images showed that the hail fall of supercell was mainly caused by the development and movement of convective clouds generated locally， there were obvious shadows of convective clouds in visible light images. According to the radar analysis， the storm weather was influenced by the supercell， and the supercell lasted for a long time. The hook echo， the front inlet notch and the vertical cumulative liquid water content （VIL） value had obvious jump characteristics.

Key words Supercell;Hail;Occurrence mechanism;Environmental background;Physical quantity field;Radar feature;Cloud image

冰雹是对流风暴成熟阶段的产物，常伴有雷暴大风和短时强降水，突发性强、破坏力大，造成的灾害性天气较为严重[1]，对农业生产、人类生活和生态系统等带来严重的影响，冰雹的出现常伴有超级单体，国内外学者对超级单体降雹进行了较多的研究。如吴剑坤等[2]对强冰雹过程的有利环境背景条件及多普勒雷达特征识别进行了研究，王易等[3]对徐州一次降雹天气超级单体结构特征进行了研究，还有学者对福建、同仁、台州降雹过程中超级单体风暴特征进行了研究[4-6]，大量的研究表明，大冰雹多由超级单体风暴产生。

20世纪60年代Browning首次提出了超级单体的概念，他认为超级单体风暴是对流风暴中组织化程度最高的一种，如钩状回波、中空弱回波区、有界弱回波区等是超级单体风暴的典型特征，与其他风暴最本质的区别是超级单体风暴有一个深厚持久的中气旋存在[7]。超级单体风暴作为组织程度最高的风暴，造成的雹灾往往更为严重。随着高分辨率雷达资料的广泛应用，国内外学者对超级单体风暴的结构及动力机制不断深入了解[8-12]。王昂生等[8]研究指出，悬垂回波、回波墙和有界弱回波区是超级单体的典型特征;刘术艳等[13]研究发现，在雹云发展阶段，有组织的斜升气流贯穿于云体上下，陈秋萍等[14]研究显示在超级单体过程中中气旋的重要性。

近年来，大量学者对不同地区超级单体降雹过程的物理量特征进行了研究，结果发现，三体散射长钉（TBSS）、垂直积分液态水含量（VIL）跃增、有界弱回波区、中气旋、回波墙、悬垂回波都可作为大冰雹的预警指标[15-19]。虽然学者对降雹天气研究较多，但是对庆阳市出现的雹暴天气而言，除了张天峰等[20]对庆阳一次大冰雹雷达特征进行研究、徐燕等[21]分析了一次局地冰雹的天气特征外，并没有深入的研究。庆阳市地形地貌复杂，加之近年来随着气候变化，庆阳市极端天气事件多发，由超级单体风暴引起的强风暴天气时有发生，给民众生活和设施农业带来了较大的灾害。笔者针对2021年10月1日庆阳市一次风暴天气展开了详细的研究，以期提高本地的预报预警能力。

1 天气过程

2021年10月1日16：00—20：00，受高空冷平流影响，庆阳市自西北向东南有多个回波单体生成并移动演变。在有利的环境背景下演变成为超级单体风暴，生命史长达4 h，在庆阳市造成西峰区、环县、镇原、庆城、宁县5个县（区）受灾，此次过程以直径小于2 cm的小冰雹为主，最大冰雹直径5 cm，达到强冰雹标准，最大降水量16 mm（南湖），最大风力7级（巴家咀19 m/s）。此次过程降雹时间长、影响范围广，造成的灾情严重，经市应急管理局统计共造成17个乡镇、125个村、851个组、18 459户、75 732人不同程度受灾，灾害造成直接经济损失9 209.22万元。

2 天气形势分析

从2021年10月1日08：00大尺度形势场（图1a）可以看出，200 hPa庆阳市处在高空急流轴附近;500 hPa高空图上，欧亚中高纬度为多波动的环流形势控制，甘肃河西有一温度槽存在，庆阳市主要受西北气流影响，强的西北气流引导冷空气下滑进入庆阳市境内;700 hPa甘肃河西为温度脊。这种高层温度槽、低层温度脊的配置为对流的发展提供了较好的不稳定层结条件。地面图（图1b）显示，庆阳市西部有地面辐合线存在，为对流的发展提供了动力抬升条件。

3 探空特征分析

从2021年10月1日08：00崆峒站订正的探空（图2）分析得出，对流有效位能（CAPE）为1 392.5 J/kg，超过了本地大冰雹的阈值，并且有一定的对流抑制能量存在，对流抑制能量利于能量储存，当对流冲破抑制能量时有强对流天气发生;0 ℃层高度在4 411.400 km，-20 ℃层高度为6 966.154 km，这种特殊层的高度利于冰雹的产生及增长;850～700 hPa风随高度顺转，700～500 hPa风随高度逆转，根据热成风原理低层为暖平流，高层为冷平流，利于不稳定层结的建立;850～700 hPa为条件不稳定层结;0～6 km的垂直风切变（SHR 6）为24.8，说明风暴有一定的旋转性。

4 物理量场

4.1 水汽条件

从2021年10月1日08：00比湿（图3）分析可以看出，从四川盆地向甘肃河东有一个明显的湿舌伸入，为冰雹的产生提供了水汽条件，且比湿为4 g/kg达到了庆阳市产生冰雹天气的阈值。

4.2 不稳定条件

从2021年10月1日08：00 700 hPa假相当位温（图4a）分析可以看出，从四川盆地到甘肃河东有一个明显的能量舌存在，庆阳市位于能量舌的顶端，为风雹的产生提供了能量条件。庆阳市700和500 hPa温差均不低于21 ℃（图4b），超过了庆阳市产生冰雹的阈值，为冰雹的产生提供了较好的层结不稳定条件。

5 雷达特征

5.1 超级单体风暴发展演变分析

选取2021年10月1日西峰站雷达回波随时间变化（图5）进行分析，从雷达回波强度分析发现，16：15庆阳市的西北部环县与镇原有45 dBz的块状回波发展，回波顶的高度为6.85 km;17：10回波强度发展至60 dBz，范围增大成片状，顶高增加至9.90 km;17：40—18：10强回波范围增大，出现钩状特点，顶高增至11 km以上;从18：15开始钩状特点逐渐消失，回波向东南方向移动减弱，直至20：05，回波向东偏南移动至宁县，范围减小，强度减弱，强对流天气结束。

5.2 钩状回波特征

经分析，2021年10月1日17：40回波发展成钩状结构，单体持续时间较长，达6个体扫（17：40—18：10），18：00钩状结构特征最清楚。从10月1日18：00西峰站雷达不同仰角的反射率因子（图6a）可以看出，前侧入流槽口明显，且6.0°仰角回波强度达60 dBz，这种高耸强回波的存在说明单体发展的高度较高;分析2.4°仰角的径向速度（图6b）可以看出，在钩状回波弱回波区有明显的气旋式辐合与之对应，气旋式辐合持续4个体扫，基本判断出该单体为超级单体。

5.3 垂直积分液态水含量（VIL）特征分析

VIL是判断冰雹云的重要指标之一，对冰雹特别敏感。它往往会在降雹前产生跃增，作为冰雹临近预报的一个依据[22-24]。从图7可以看出，10月1日16：00—16：45 VIL值进行了第一次跃变，VIL值增加至40 kg/m2，环县合道出现零星冰雹，16：50—17：20 VIL值减少至18 kg/m2;17：25 VIL值突增至41 kg/m2，出现明显的跃变特征，这时镇原三岔出现2～3 cm的大冰雹;17：25—18：10 VIL值基本维持在34 kg/m2以上，回波向东南方向移动，镇原、西峰西部等地出现大冰雹;18：10—20：10 VIL值逐渐减小至0，强对流天气结束。

6 云图特征

分析红外云图（图8a～d）可以看出，2021年10月1日区域性风暴天气过程主要由局地产生的对流云团发展移动而引发的。10月1日17：00庆阳市西北部的环县有小块的对流云团产生，到18：00范围变大，强度变强，且向东南方向移至庆阳市中部，主要对镇原、庆城有较大的影响，镇原、庆城分别产生冰雹天气，19：00对流云团出现了明显的“V”字型结构，庆阳市西峰、宁县等地出现风雹天气，到20：00强对流云团基本移出庆阳减弱消散。从可见光云图（图8e）可以看出，10月1日17：00庆阳市中北部的对流云团有明显的暗影存在，有上冲云顶存在，对流云发展旺盛;从18：00 卫星相当黑体亮温（图8f）可以看出，庆阳市对流云团的相当黑体亮温较低，最小值为104 K，对流云团发展的高度较高对流发展旺盛。