云南春季典型冰雹天气的云微物理特征.pdf

郑皎,郭欣,付丹红,等.云南春季典型冰雹天气的云微物理特征.应用气象学报,2 0 2 4,3 5(2):1 8 2-1 9 5.D O I:1 0.1 1 8 9 8/1 0 0 1-7 3 1 3.2 0 2 4 0 2 0 5云南春季典型冰雹天气的云微物理特征郑 皎1)郭 欣2)付丹红3)李英发1)郭学良3)*1)(云南省红河州气象局,蒙自 6 6 1 1 9 9)2)(北京市人工影响天气中心,北京 1 0 0 0 8 9)3)(中国科学院大气物理研究所,北京 1 0 0 0 2 9)摘 要冰雹形成的天气和云微物理机制是人工防雹的基础。采用观测和数值模拟相结合的方法,研究2 0 2 3年3月2 8日云南南部红河州典型冰雹过程的天气和微物理特征。结果表明:此次天气过程与青藏高原南支西风槽波动和南亚副热带高压外围西南暖湿气流输送的协同作用密切相关;地面降雹以小于1 0 mm的小冰雹粒子为主,最大冰雹尺度达到2 0 mm;冰雹云微物理结构显示为暖底云,暖雨过程活跃;双偏振雷达差分反射率、差分相移率和相关系数显示,冰雹初始形成区存在接近球形的冰雹和过冷雨滴,说明冰雹胚胎的形成与过冷雨滴冻结有关;冰雹在下落过程中雷达回波增强,偏振雷达参数显示冰雹的水平取向显著增加,形状由球状向盘状转变,冰雹在下落过程得到进一步增长,形状也发生变化。这些观测宏微观特征与数值模拟的冰雹形成机制有较好的一致性。关键词:冰雹;春季;形成过程;双偏振雷达;数值模拟 引 言冰雹是强对流天气的产物,对农业生产、交通和生命财产均有严重危害,是我国主要气象灾害之一。国际上最初开展冰雹研究主要为了满足人工防雹的需求1-3。我国从1 9 6 9年开始的长达1 0年的山西昔阳高炮人工防雹试验研究发现“炮响雨落”现象,并提出爆炸防雹理论4-5。自2 0世纪8 0年代,已在冰雹天气观测分析6-1 1、冰雹气候分布与变化1 2-1 6、冰雹数值模拟与形成机理1 7-2 8和人工防雹4等方面取得很多重要研究成果2 9。近几年随着偏振雷达、人工智能和数值模拟技术的发展,在冰雹云识别、冰雹形成机制和人工防雹方面也取得了重要进展3 0-3 7。在冰雹动力学方面,早期国际上提出了冰雹云中存在持续而倾斜的强上升气流,冰雹粒子在气流中通过循环运动过程实现增长3 8。通过多普勒天气雷达探测雹暴内部速度场,结合云粒子增长轨迹模式,在一定程度上可以揭示超级单体雹暴中冰雹循环增长机制2 3,3 9-4 0。在微物理学方面提出了冰雹形成的过冷雨滴累积带机制4 1,认为在冷云区形成的过冷雨滴累积带是冰雹形成的主要源区。但在后续的观测中发现,对于大陆冷云底冰雹云,毫米尺度的雹胚一般通过冰雪晶和霰的长大过程形成,而不是通过过冷雨滴累积带形成4 2。美国和加拿大高原上的冰雹云仅有四分之一左右的雹胚由过冷雨滴冻结形成4 3。我国开展的大量冰雹云数值模拟显示,过冷雨滴累积带对冰雹胚胎的形成具有十分重要的作用2 7,3 3,4 4,特别在夏季暖底冰雹云中,暖雨过程活跃,大量过冷雨滴的冻结过程是冰雹胚胎形成的主要过程2 7,3 3。在过冷雨滴含量较低的冰雹云中,累积带较弱4 5-4 6。因缺乏冰雹云内的观测数据,这些数值模拟结果未得到充分验证。目前冰雹天气预报、冰雹云识别仍是难点。冰2 0 2 3-1 1-1 7收到,2 0 2 4-0 1-2 5收到再改稿。资助项目:国家自然科学青年基金项目(4 2 1 0 5 1 7 3),第二次青藏高原科学考察(2 0 1 9 Q Z KK 0 1 0 4),国家自然科学基金项目(4 1 9 6 5 0 0 5),云南省气象局科研项目(Y Z 2 0 2 4 2 3),云南省气象局“揭榜挂帅”科技项目(YN J B G S 2 0 2 3 0 2)*通信作者,邮箱:g u o x l m a i l.i a p.a c.c n 第3 5卷 第2期 2 0 2 4年3月 应 用 气 象 学 报J OUR NA L O F A P P L I E D ME T E O R O L OG I C A L S C I E N C E V o l.3 5,N o.2 M a r c h 2 0 2 4雹天气的形成与不同尺度大气环流、涡旋和大气层结条件关系密切4 7-5 0,同时冰雹的形成也与云微物理过程密切相关。双偏振雷达在冰雹云识别中起着十分重要的作用5 1-5 2。我国气象雷达业务产品丰富,依据雷达回波、多普勒特征可有效识别冰雹云,在揭示冰雹云动力、微物理结构特征方面发挥了重要作用5 3-5 6。随着雷达技术不断发展,基于决策树、模糊逻辑等技术的冰雹云识别和观测也取得了重要进展3 0,3 6,5 7-6 0。通过双偏振雷达观测数据,检验数值模拟获得冰雹形成的微物理机制十分必要。前期有关冰雹形成的动力、微物理机制主要基于数值模拟结果,由于缺乏冰雹云内微物理过程观测数据,模拟结果缺乏观测验证。另外,不同气候和地理环境下冰雹形成的动力、微物理机制有所不同,大部分研究主要是针对夏季冰雹形成过程。我国西南地区地形复杂,是冰雹多发区之一3。尽管西南地区的雷达覆盖率并不低6 1,但针对我国西南春季冰雹形成机理的相关研究报道较少。一些数值模拟结果显示,不同区域、季节冰雹形成的微物理过程差异明显3 2,6 2。本研究基于观测数据,对2 0 2 3年3月2 8日发生在云南的春季典型冰雹天气过程形成的大气环流、大气层结特征进行分析,揭示云南春季典型冰雹过程产生的天气原因。在此基础上,采用C波段双偏振天气雷达观测分析与数值模拟相结合的方法研究冰雹形成的云微物理机制。本研究对冰雹预报和人工防雹均具有重要参考价值。1 数据与数值模式1.1 数据及处理雷达观测数据来自云南红河州C波段双偏振业务天气雷达,雷达站的海拔高度为2 4 9 1 m(2 3.0 N,1 0 3.1 E),可获得6 m i n间隔的体积扫描数据,可用于识别云中水凝物类型、冰雹区识别和冰雹形成机理研究。另外,采用2 0 2 3年3月2 8日0 8:0 0(北京时,下同)位于降雹区上游的思茅探空站(2 2.8 N,1 0 1.0 E,海拔高度为1 4 1 7.4 m)数据,分析冰雹过程形成的大气层结条件,包括对流有效位能、风切变等。地面降雹数据主要采用降雹区人工或天气现象仪观测记录。1.2 数值模式及其设置采用的数值模式是完全可压缩的非静力三维冰雹分档云数值模式2 2-2 3。该模式可应用于冰雹形成机制的数值模拟研究3 2-3 3,6 3。模式考虑了云水、雨水、云冰、雪和霰/雹的形成、增长及其相互转化的微物理过程,并将霰/雹划分为2 1档(尺 度 范 围 为1 0 0 m7 c m),以模拟冰雹谱分布并考察不同尺度冰雹形成机理。模式积分采用时间分离技术,确保高频声波项的计算稳定性。研究中,模式最大时间步长为5 s,最小时间步长为0.2 5 s。侧边界采用辐射边界条件,上边界为刚体。模式采用一阶闭合次网格湍流方案。下边界湍流通量计算采用基于M o n i n-O b u k h o v相似性理论的诊断方案。初始场采用2 0 2 3年3月2 8日0 8:0 0云南思茅探空站数据。模式初始对流扰动采用热泡方法,水平扰动中心位于模拟域中央,扰动半径水平方向为8 k m,垂 直 方 向 为4 k m,中 心 最 大 位 温 偏 差 取1.5,积分时间为8 0 m i n。模拟区域水平范围取3 5 k m3 5 k m,垂直为1 8.5 k m;水平和垂直格距分别取1 k m和0.5 k m。规定经向环境风沿模拟域的x方向,纬向环境风沿y方向。采用模拟域随风暴质心移动技术以保证风暴始终处于模拟域内。2 冰雹形成的天气特征受弱冷空气与西南暖湿气流共同影响,2 0 2 3年3月2 8日1 6:0 02 0:0 0云南红河州自西向东出现一次强对流天气过程。元江县境内生成的对流云团在东移 过 程 中 发 展 成 为 超 级 单 体 风 暴,1 7:0 01 8:3 0 红河州石屏、建水一带先后降雹,落地冰雹最大直径为2 0 mm,并伴有雷暴和大风,造成7个乡镇共2 0个村1 9 7 5户7 9 0 6人受灾,农作物受灾面积为1 9 4.6 9 h m2。受超级单体风暴影响的元江、石屏、建水、开远4县1 3个区域站平均降水量为8.9 mm,单站最大降水量为1 6.2 mm。图1 a为2 0 2 3年3月2 8日0 8:0 0 5 0 0 h P a位势高度和风场分布。由图1 a可知,云南地区直接影响系统为青藏高原南侧自西向东移动的高空南支西风槽波动。此时,云南位于该高空西风槽前部,槽前的正涡度平流有利于大气垂直上升运动的发展。在散度场(图略)上,2 0 0 h P a高空滇中以南地区为辐散区,381 第2期 郑 皎等:云南春季典型冰雹天气的云微物理特征 图1 2 0 2 3年3月2 8日0 8:0 0天气条件(a)5 0 0 h P a位势高度(蓝线,单位:d a g p m)和风场(风羽)分布,(b)7 0 0 h P a层比湿(单位:gk g-1)和风场(风羽)分布(深蓝色箭头表示西南主导风方向,浅蓝色实线为3 1 6 d a g p m等高线),(c)8 5 0 h P a层温度场和风场(风羽)分布(不同颜色箭头分别表示为冷暖和干湿气流类型)F i g.1 S y n o p t i c a l c o n d i t i o n a t 0 8 0 0 B T 2 8 M a r 2 0 2 3(a)p o t e n t i a l h e i g h t(b l u e s o l i d l i n e s,u n i t:d a g p m)a n d w i n d(b a r b s)a t 5 0 0 h P a,(b)s p e c i f i c h u m i d i t y(u n i t:gk g-1)a n d w i n d(b a r b s)(t h e d a r k b l u e a r r o w d e n o t e s t h e d o m i n a n t d i r e c t i o n o f s o u t h w e s t e r l i e s a t 7 0 0 h P a,t h e l i g h t b l u e s o l i d l i n e d e n o t e s 3 1 6 d a g p m c o n t o u r),(c)t e m p e r a t u r e a n d w i n d(b a r b s)a t 8 5 0 h P a(d i f f e r e n t c o l o r a r r o w s d e n o t e t h e c o l d/w a r m a n d d r y/w e t f l o w)481 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 中心最大值为1.01 0-4 s-1,中低层7 0 0 h P a云南西南部为辐合区,散度值为-1.91 0-4-1.01 0-4 s-1,高层辐散,低层辐合场的配置有利于上升运动发展,为此次对流天气过程发生提供了有利的动力条件。7 0 0 h P a环流场(图1 b)显示,中南半岛受南亚副热带高压(滇缅暖高压)控制,红河州位于该暖高压外围的北侧,来自高压外围的西南暖湿气流为此次对流天气过程提供了较好的水汽条件,云南地区比湿为67 gk g-1。8 5 0 h P a环流场(图1 c)显示,有一来自西南的暖湿气流影响云南南部地区(红色箭头),暖湿气流北部为弱干冷偏西气流(灰绿色箭头)。而在云南东部受到偏东冷干气流的阻挡(蓝色箭头),形成一准静止弱辐合线(棕色线)。受此弱辐合线的影响,3月2 8日1 0:0 0辐合线附近开始有弱带状对流云团形成,云顶亮温为2 5 72 6 0 K。午后随着地面气温升高,弱不稳定层结被破坏,地面辐合线附近中低层大气产生比较强的上升运动,而中高层大气动量下传产生下沉运动,从而触发较强的垂直对流运动。1 7:0 0位于云南南部红河州石屏、建水等地上空有较强 对 流 云 团 生 成 并 产 生 降 雹,云 顶 亮 温 降 至2 3 02 3 6 K。2 0 2 3年3月2 8日0 8:0 0位于冰雹产生区上游的思茅站的探空(图略)显示,大气湿度层结具有中间湿、上下干的特征,最大湿层位于5 0 07 0 0 h P a。地面到6 k m高度垂直风切变为3 0 ms-1,强烈的垂直风切变有利于切变涡度的产生,为对流运动发展提供了动力条件,低层风速随高度顺时针旋转,存在暖平流。尽管大气对流潜在不稳定能量对流有效位能仅为5 2 Jk g-1,但由T-l nP图(图略)提供的热力对流参数可知,K指数为3 5.5,沙氏指数为-1.2 6,8 5 0 h P a与5 0 0 h P a温度差为2 8.6,对流稳定度指数为2.9 3,总指数为4 8.6,接近5 0,满足较强对流天气产生的指标。0 层海拔高度为4 2 2 5 m,位于6 1 1.8 h P a的最大湿层区,有利于暖底冰雹云的形成。抬升凝结高度为7 5 0 h P a,接近地面,有利于对流天气的触发。因此,大气层结环境条件有利于对流天气的发生,但对流有效位能小,不利于强冰雹过程的形成。由以上分析可见,此次红河州春季冰雹过程的形成与青藏高原南支西风槽环流、南亚副热带高压的协同作用有关。在冷季,西风环流在青藏高原的阻挡下分为南北两支。南支西风环流具有气旋性弯曲特征,形成南支西风槽波动。同时,随着季节变暖,南亚副热带高压加强北抬,有利于西南暖湿气流沿高压外围向北输送,形成弱不稳定大气。在地形抬升和午后太阳辐射加热条件下,有利于触发对流过程。但这种配置关系的热力条件较弱,产生的对流天气相对较弱6 4。这可能是我国西南地区春季易发生冰雹天气的重要原因。与夏季南亚季风爆发后,西风环流与南亚季风环流相互作用产生的冰雹天气不同3 2,春季西南冰雹天气相对较弱。此次冰雹过程产生的天气条件、大气层结特征在春季冰雹形成中非常典型。3 双偏振雷达观测的冰雹形成特征2 0 2 3年3月2 8日1 6:0 0分散性对流单体在云南元江县一带形成,初期以5 5 k mh-1的速度从西南向东北方向移动,后转为向西移动。其中一些对流单体演变为冰雹云,在研究区域产生降雹。下面分别对1 7:2 1和1 7:3 8双偏振雷达观测的冰雹云特征和冰雹形成机制进行分析,两个时刻分别代表冰雹形成的初期阶段和冰雹下落增长阶段。图2为2 0 2 3年3月2 8日1 7:2 1红河州C波段双偏振雷达观测的冰雹云组合反射率因子(R)以及沿黑线垂直剖面的反射率因子(ZH)、径向速度(V)、差分反射率(ZD R)、差分相移率(KD P)和相关系数(C)分布。由雷达组合反射率因子分布可知,最大反射率因子达到6 0 d B Z,弱回波区向东扩展明显。沿东西向的雷达回波垂直剖面显示,冰雹云的云顶海拔高度(对应5 d B Z的高度)达到1 01 1 k m。58 k m高度的负温度区已形成大于5 5 d B Z的强回波区,最大反射率因子达到6 0 d B Z。低层偏东的入流区上部形成了强悬垂回波,云砧特征明显。由对应的径向速度垂直分布可以看到,低层水平距离为36 k m的区域为辐合区,对应上升气流,而在水平距离为1 0 k m的低层处,为强正径向速度分布区,对应悬垂回波的底部,为偏东下沉气流区。雷达观测的径向速度场垂直分布与后文的数值模拟结果具有较好的一致性。581 第2期 郑 皎等:云南春季典型冰雹天气的云微物理特征 图2 2 0 2 3年3月2 8日1 7:2 1云南红河州冰雹云雷达产品(0 层海拔高度为4 2 2 5 m)F i g.2 D u a l-p o l a r i z a t i o n p r o d u c t s b y H o n g h e r a d a r f o r h a i l c l o u d a t 1 7 2 1 B T 2 8 M a r 2 0 1 3(0 l a y e r i s l o c a t e d a t 4 2 2 5 m a b o v e t h e s e a l e v e l)在0 层以上区域,对应反射率因子Z 5 5 d B Z的深灰色区域为冰雹可能形成区,ZD R为-10 d B,表明垂直偏振反射率略大于或等于水平偏振反射率,该区域应为接近球形的粒子组成。对应KD P为-0.8 k m-10.8 k m-1,表明粒子形状接近球形。C为0.90.9 5,该值小于0.9 8,表明该区域并非由单一相态的大粒子组成,而是由霰/雹、过冷雨滴粒子组成。在对应反射率因子为3 5 d B ZZ0.9 8,该区域的水凝物形状略呈水平取向,且组成较单一,因此应以过冷雨滴粒子为主。对于81 2 k m高度的弱回波区,ZD R为681 应 用 气 象 学 报 第3 5卷-1 2 d B,KD P为-0.8 k m-13.1 k m-1,C0.8 5,应为大雨滴和半融化冰雹粒子(冰雹表面完全被雨水包裹)组成。在悬垂回波下部,ZD R为00.2 d B,KD P0.5 k m-1,C0.9 8,该区域应主要为融化后的雨滴。由以上偏振雷达参数看到,云中初期冰雹形成与过冷雨滴冻结有密切关系,由于高空过冷雨滴尺度较小,形状基本呈球形,冻结后形成接近球形的冰雹胚胎或小冰雹粒子。图3为2 0 2 3年3月2 8日1 7:3 8雷达观测的冰雹云情况。与1 7:2 1相比,1 7:3 8的冰雹云反射率图3 同图2,但为2 0 2 3年3月2 8日1 7:3 8冰雹云F i g.3 T h e s a m e a s i n F i g.2,b u t f o r h a i l c l o u d a t 1 7 3 8 B T 2 8 M a r 2 0 2 3781 第2期 郑 皎等:云南春季典型冰雹天气的云微物理特征 因子更大,且位置偏低,说明冰雹在下降过程中得到进一步增长。雷达组合反射率因子显示,反射率因子达到6 2 d B Z。沿强回波的东西剖面显示,云体倾斜仍较明显,云顶高度有所增加,在4.55.5 k m高度形成了超过6 0 d B Z的强回波区。径向速度垂直分布显示,对应雷达回波低层区域为辐合区,以上升气流为主。悬垂回波的底部存在正的径向速度分布区,应为偏东气流下沉区。在0 层以上区域,对应反射率因子Z 5 5 d B Z的冰雹可能形成区,ZD R为-13.0 d B,表明粒子的水平取向显著增加,冰雹粒子形状呈现向水平扩展的盘状特征,而非球形特征。KD P为-0.82.4 k m-1,表明水平取向的粒子浓度呈显著增加情况。C为0.8 50.9 5,说明该区域粒子并非单一相态的粒子,而是由水平取向的霰/雹、过冷雨滴粒子组成。这与1 7:2 1的接近球状的冰雹形状不同,考虑到粒子分布高度位于更低层,由过冷雨滴冻结形成球形冰雹胚胎后,冰雹胚胎在下落过程中进一步碰冻过冷云水增长,使雷达反射率因子增加。在0 层以下区域,ZD R出现了5 d B的高值区,KD P达到3.1 k m-1,C为0.8 50.9 2,说明融化层下出现了更大尺度半融化冰雹和雨滴粒子。由以上雷达观测分析可见,两个时刻的冰雹形成分别代表了过冷雨滴冻结形成冰雹胚胎,以及冰雹胚胎下落撞冻过冷云水增长的情况。由于冰雹形成初期,高空的过冷雨滴尺度偏小,基本呈球状,冻结后形成接近球状的冰雹胚胎或小冰雹粒子。冰雹胚胎下落过程中与过冷云水碰并实现增长,形成水平取向的盘状冰雹。由此可见,盘状冰雹的形成与冰雹胚胎和过冷云水碰并增长有关。地面冰雹以盘状为主,也存在少量锥状、球状冰雹。冰雹中心不透明,即由过冷雨滴直接快速冻结形成,而冰雹的透明部分是下落过程中与过冷云水碰并缓慢冻结形成,透明部分较多,说明冰雹中过冷云水含量较高。4 冰雹云数值模拟及与雷达观测比较首先分析数值模拟冰雹的云动力、微物理总体演变特征。图4和图5分别为冰雹云中最大垂直气流速度和水凝物含量随积分时间的演变。由图4可知,在积分1 0 m i n时冰雹云中最大上升气流速度达到最大值2 4 ms-1,下沉气流速度也达到-1 1 ms-1。对应云水、雨水含量分别为3.1 gk g-1、1 0.4 gk g-1(图5),但云冰、雪和霰含量很少,表明云中暖雨过程很活跃。随后冰相过程加强,积分1 4 m i n时,云水、雨水含量分别达到1.7 gk g-1、1 4.7 gk g-1,云冰、雪和霰/雹分别达到1.2 gk g-1、0.7 gk g-1、2.9 gk g-1。随后最大上升气流快速减弱,说明冰雹云中冰雹形成快,持续时间短。最大霰/雹含量出现在第1 6分钟,为3.2 gk g-1。因此,总体而言,图4 2 0 2 3年3月2 8日冰雹云中最大上升气流速度和下沉气流速度模拟结果F i g.4 S i m u l a t i o n o f t h e m a x i m u m u p d r a f t a n d d o w n d r a f t f o r h a i l c l o u d o n 2 8 M a r 2 0 2 3图5 2 0 2 3年3月2 8日冰雹云中最大水凝物含量模拟结果F i g.5 S i m u l a t i o n o f t h e m a x i m u m h y d r o m e t e o r c o n t e n t f o r h a i l c l o u d o n 2 8 M a r 2 0 2 3881 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 此次对流性天气过程的上升气流较强,暖雨过程活跃,地面降雨较大,但降雹过程持续时间短,主要以小冰雹粒子为主,这与春季西南冰雹天气的基本特征较一致。图6为数值模拟的不同尺度档霰/雹数浓度随积分 时 间 变 化。可 以 看 到,模 拟 的 霰/雹 在 直 径D1 mm时,数浓度最大,达到1 05 m-3量级;在1 mmD5 mm时,最大数浓度达到1 02 m-3量级。而在直径为5 mmD1 0 mm时,最大数浓度的量级为1 01 m-3;对于1 0 mm2 5 mm尺度档的数浓度更低。由此可见,冰雹云中的霰/雹数浓度主要以 直 径 在1 0 mm以 下 为 主,最 大 达 到2 5 mm左右,这与地面观测的霰/雹尺度较一致。为进一步了解冰雹云形成、演变和冰雹形成过程,并与双偏振雷达观测结果比较,图7为2 0 2 3年3月2 8日云南红河州冰雹云反射率因子、水凝物含量和垂直气流速度模拟结果在积分第1 2分钟和积分第1 8分钟在x-z平面的分布。y方向取为1 8 k m。图6 不同尺度档霰/雹粒子最大数浓度模拟结果F i g.6 S i m u l a t i o n o f m a x i m u m n u m b e r c o n c e n t r a t i o n o f g r a u p e l/h a i l f o r v a r i o u s s i z e b i n s 积分第1 2分钟时,图7显示模拟的冰雹云回波顶高不到1 0 k m,风暴体向东倾斜非常明显,与雷达图7 2 0 2 3年3月2 8日云南红河州冰雹云反射率因子、水凝物含量和垂直气流速度模拟结果在积分第1 2分钟和第1 8分钟的x-z分布(填色为反射率因子;水平线为环境温度,单位:;水凝物含量单位:gk g-1;垂直气流速度单位:ms-1,其中实线为上升气流速度,虚线为下沉气流速度)F i g.7 S i m u l a t i o n o f r a d a r r e f l e c t i v i t y,h y d r o m e t e o r m i x i n g r a t i o a n d v e r t i c a l v e l o c i t y i n x-z p l a n e a t t h e 1 2 n d m i n u t e a n d t h e 1 8 t h m i n u t e f o r h a i l c l o u d o f H o n g h e i n Y u n n a n o n 2 8 M a r 2 0 1 3(t h e s h a d e d d e n o t e s r e f l e c t i v i t y t h e h o r i z o n t a l l i n e d e n o t e s e n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r e,u n i t:;u n i t o f h y d r o m e t e o r m i x i n g r a t i o s:gk g-1;u n i t o f v e r t i c a l v e l o c i t y:ms-1,t h e s o l i d l i n e d e n o t e s u p d r a f t,a n d t h e d a s h e d l i n e d e n o t e s d o w n d r a f t)981 第2期 郑 皎等:云南春季典型冰雹天气的云微物理特征 续图7观测较一致。模拟的最大反射率因子达到6 0 d B Z,位于68 k m高度层(对应环境温度为-2 0 至-3 0)。图7显示,最大霰/雹含量为0.5 gk g-1,主要分布在高层,对应过冷雨滴含量分布区。在91 0 k m高度已有云冰和雪产生,含量分别达到1.0 gk g-1、0.5 gk g-1。此时,地面无降水产生。一个重要的特征是冰雹云中过冷雨水含量高,最大值达到1 3 gk g-1,并且位于-1 5 层。云底高度距地面0.5 k m,零度层位于距地面2.5 k m高度,存在2 k m厚度的暖层。风矢量分布显示,此时冰雹云内为上升气流控制,最大上升气流速度达到 1 8 ms-1(图7),霰/雹粒子位于最大上升气流的上部。积分第1 8分钟时,整个冰雹云体向东倾斜更为明显,且反射率因子为5 d B Z的顶高有明显发展和抬升现象,但大于6 0 d B Z的反射率因子分布高度已出现明显下降(图7)。强反射率因子的分布与霰/雹粒子含量的分布具有较好一致性(图7),说明强反射率因子下降是霰/雹粒子下降引起的,且霰/雹在冰雹云体东侧上部开始下降。云中最大霰/雹含量达到2 gk g-1。此时云中最大雨水含量为1 1 gk g-1,且分布已接地,即地面已产生降雨。但雨水091 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 含量分布的上部出现了明显缺口,说明霰/雹的形成与过冷雨水的冻结过程存在明显关系。风暴上部云冰含量减小到0.5 gk g-1,而雪含量明显增加,达到1 gk g-1,两者的分布范围明显增加。垂直气流分布显示(图7),在冰雹云右侧的霰/雹下降已造成明显的下沉气流,并造成上升气流出现分裂现象。表1为观测与模拟冰雹云的比较。与雷达、探空和地面观测结果相比,在云的宏微观特征方面,数值模拟与观测结果均具有较好一致性。表1 观测与模拟的冰雹云比较T a b l e 1 C o m p a r i s o n o f o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d h a i l c l o u d特征量观测模拟云顶高度/k m1 21 1.5云顶温度/-4 01 01 0生命史/m i n3 03 0最大回波强度/d B Z6 06 0最大上升气流速度/(ms-1)2 4最大过冷雨水含量/(gk g-1)1 3地面最大冰雹尺度/mm2 0 2 5 由以上分析可见,一方面,由于强烈的环境垂直风切变,风暴中倾斜上升气流特征非常明显,霰/雹在向东倾斜的上升气流上部形成,形成后从冰雹云东侧下降。另一方面,由于暖雨过程活跃,霰/雹的形成与过冷雨水冻结关系密切。图8为此次冰雹云中霰/雹胚的生成率及其增长率随积分时间演变模拟结果。由图8 a可知,霰/雹胚胎的来源主要是过冷雨滴均质冻结过程,最大生成率为0.3 81 0-1 gk g-1s-1,其次为过冷雨滴与冰晶碰撞的异质冻结过程,最大生成率为0.4 9 1 0-2 gk g-1s-1,雪自动转化形成霰/雹胚胎较小。因此,过冷雨滴对霰/雹胚胎的形成起到至关重要的作用。由图8 b可知,霰/雹增长主要依靠霰/雹胚胎撞冻过冷云水的碰并过程,最大增长率达到0.4 51 0-2 gk g-1s-1,其次为与冰晶的碰并收集增长过程,最大达到0.2 51 0-4 gk g-1s-1。其他增长过程,如雹胚撞冻雪晶增长率和撞冻雨水增长率均非常小。图8 2 0 2 3年3月2 8日云南红河州冰雹云中霰/雹胚胎产生率(a)和霰/雹增长率(b)模拟结果F i g.8 S i m u l a t i o n e m b r y o s p r o d u c t i o n r a t e(a)a n d g r o w t h r a t e(b)o f g r a u p e l/h a i l f o r h a i l c l o u d o f H o n g h e i n Y u n n a n o n 2 8 M a r 2 0 2 3 由此可见,在此次暖底冰雹云中,活跃的暖雨过程产生大量过冷雨滴粒子,被上升气流带到高空后,通过均质冻结和与冰晶碰并的异质冻结过程,形成霰/雹胚胎,然后在下降过程中,通过碰并过冷云水实现增长,此次冰雹形成的主要微物理机制与夏季冰雹形成机制相似3 2-3 3。5 结论与讨论对2 0 2 3年3月2 8日云南红河州典型春季冰雹过程形成的天气特征进行分析,并利用C波段双偏振雷达观测数据,结合冰雹分档数值模拟,对冰雹过程形成的动力、微物理过程进行比较深入的研究,得到如下主要结论:1)此次云南南部春季冰雹天气的形成与青藏高原南支西风槽波动和南亚副热带高压外围西南暖湿气流输送密切相关,这是我国西南地区春季易产生冰雹天气的重要原因。与夏季南亚季风爆发后,西风环流与南亚季风环流相互作用产生的冰雹过程不同,春季大气热力条件较弱,地面以小于1 0 mm191 第2期 郑 皎等:云南春季典型冰雹天气的云微物理特征 的小冰雹粒子为主。2)双偏振雷达观测显示:在冰雹形成初期,冰雹形成区由霰/雹和过冷雨滴组成,且形状基本呈球形,表明冰雹胚胎是由过冷雨滴冻结形成。在冰雹胚胎下落过程中,回波增强,说明其通过与过冷云水撞冻过程实现了进一步增长。由于初期高空的过冷雨滴基本呈球状,冻结后形成接近球状的冰雹胚胎。在冰雹胚胎下落过程中,与过冷云水碰并增长过程形成了盘状冰雹。该冰雹形成机制与地面观测的冰雹结构具有较好一致性。3)数值模拟显示:冰雹云为暖底雹云,由于暖雨过程活跃,霰/雹胚胎的主要来源为高空过冷雨滴的均质冻结和与冰晶碰撞的异质冻结过程,其增长过程主要依赖过冷云水的碰并过程,这与夏季冰雹形成的微物理机制相似,但霰/雹胚胎的产生率和增长率均比较弱。数值模拟结果与雷达、地面观测结果较一致。本文仅对云南春季一次典型冰雹过程开展天气、动力和微物理特征研究,相关研究结果在我国西南春季冰雹过程是否具有代表性,还需更多冰雹过程检验。参 考 文 献1 F o o t e G B,K n i g h t C A.H a i l:A R e v i e w o f H a i l S c i e n c e a n d H a i l S u p p r e s s i o n.M e t e o r M o n o g r,Am e r M e t e o r S o c,1 9 7 9,3 8:2 7 7.2 B a r g e B L,I s a a c G A.T h e s h a p e o f A l b e r t a h a i l s t o n e s.J R e c h A t m o s,1 9 7 3,1:1 1-2 0.3 X u J L.S o m e h a i l r e s e a r c h i n C h i n a.B u l l Am e r M e t e o r S o c,1 9 8 3,6 4(2):1 2 4-1 3 2.4 黄美元,徐华英,周玲.中国人工防雹四十年.气候与环境研究,2 0 0 0,5(3):3 1 8-3 2 8.H u a n g M Y,X u H Y,Z h o u L.4 0 y e a r s h a i l s u p p r e s s i o n i n C h i n a.C l i m E n v i r o n R e s,2 0 0 0,5(3):3 1 8-3 2 8.5 黄美元,沈志来,洪延超.半个世纪的云雾、降水和人工影响天气研究进展.大气科学,2 0 0 3,2 7(4):5 3 6-5 5 1.H u a n g M Y,S h e n Z L,H o n g Y C.A d v a n c e o f r e s e a r c h o n c l o u d a n d p r e c i p i t a t i o n a n d w e a t h e r m o d i f i c a t i o n i n t h e l a t e s t h a l f c e n t u r y.C h i n e s e J A t m o s S c i,2 0 0 3,2 7(4):5 3 6-5 5 1.6 王昂生,黄美元,徐乃璋,等.冰雹云物理发展过程的一些研究.气象学报,1 9 8 0,3 8(1):6 4-7 2.W a n g A S,H u a n g M Y,X u N Z,e t a l.S o m e r e s e a r c h o n t h e d e v e l o p m e n t o f h a i l-c l o u d.A c t a M e t e o r S i n i c a,1 9 8 0,3 8(1):6 4-7 2.7 张杰,李文莉,康凤琴,等.一次冰雹云演变过程的卫星遥感监测与分析.高原气象,2 0 0 4,2 3(6):7 5 8-7 6 3.Z h a n g J,L i W L,K a n g F Q,e t a l.A n a l y s i s a n d s a t e l l i t e m o n i-t o r o f a d e v e l o p i n g p r o c e s s o f h a i l c l o u d.P l a t e a u M e t e o r,2 0 0 4,2 3(6):7 5 8-7 6 3.8 廖晓农,俞小鼎,于波.北京盛夏一次罕见的大雹事件分析.气象,2 0 0 8,3 4(2):1 0-1 7.L i a o X N,Y u X D,Y u B.A n a l y s i s o n i n f r e q u e n t b i g h a i l e v e n t i n B e i j i n g A r e a.M e t e o r M o n,2 0 0 8,3 4(2):1 0-1 7.9 张琳娜,郭锐,何娜,等.北京地区冰雹天气特征.气象科技,2 0 1 3,4 1(1):1 1 4-1 2 0.Z h a n g L N,G u o R,H e N,e t a l.C h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s o f a h a i l e v e n t i n B e i j i n g.M e t e o r S c i T e c h n o l,2 0 1 3,4 1(1):1 1 4-1 2 0.1 0 范皓,杨永胜,段英,等.太行山东麓一次强对流冰雹云结构的观测分析.气象学报,2 0 1 9,