陈秋梅 , 周筠珺,2 , 邹书平 , 杨 哲 , 曾 勇

（1. 成都信息工程大学, 成都 610225；2. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京 210044；3. 贵州省人工影响天气办公室, 贵阳 550081）

引言

每年春夏季，受地形影响，我国云贵高原地区的强对流天气频发，时常导致降雹天气，给当地的经济和生活带来不便。一般来说，普通雷暴单体生命短，强度小，很难导致冰雹，然而在实际天气中，时常观测到雷暴单体合并形成雹暴。

单体合并最初通过观测“云桥”现象被获知，之后在龙卷型超级单体中多次出现[1-2]。Rogers 等[3]通过分析大量与重大龙卷风有关的单体合并样本得出，单体合并对龙卷风产生有一定的潜在意义。Bluestein 等[4]通过数值模拟证实了单体合并后会加强初级风暴，有利于龙卷风的产生，且与龙卷风产生相关的单体合并往往发生在主风暴的上升气流或后翼区域。20 世纪70年代以来，随着多普勒天气雷达监测网的不断完善，更多的强对流系统的微物理过程能够被观测，对大量的单体合并引起雷暴特征变化样本的研究[5-8]表明：单体合并通常会改变雷暴的结构和性质，合并时回波最大面积、最大回波顶部和最大反射率往往显著增加；合并时相关的雷暴单体旋转度可能增加从而产生龙卷风，且大多龙卷风出现在合并之前或之后的15 min内；合并后的系统通常比未合并的系统产生更多的降水，可能产生更加激烈的天气现象，如冰雹。单体合并是一个复杂的过程，会引起对流系统中微物理、动力、热力等方面的改变，进而影响雷暴系统的上升、下沉气流，改变云中冰相粒子的直径、浓度、垂直结构分布，产生剧烈的闪电活动[9-12]。付丹红等[13]通过对一次积云合并过程进行数值模拟后指出，合并导致雷暴的上升、下沉气流增强，也加强了水汽转化，形成了大量过冷云水和冰相粒子。张小娟等[14]利用数值模式模拟了一次贵州省西南部的冰雹天气过程表明，此次冰雹过程的对流云系经历合并加强阶段，微物理结构具有混合相云特征。但目前，对于单体间相互作用的微物理变化规律、各水成物粒子的演变与闪电发生的关系等问题仍存在争议。针对上述不足之处，本文选用X 波段双线偏振天气雷达和二维闪电监测数据，结合常规气象探空和ERA5 再分析资料，对贵州威宁县2018年4月30日一次雹暴天气过程中单体合并特征进行分析，以期为提升灾害性天气预报预警水平提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 资 料

研究数据包括：欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）再分析（ERA5-Land）资料，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h；威宁县X 波段双线偏振天气雷达（YLD1-Dradar，架设位置为27.06°N、104.09°E）资料，海拔高度2472 m，扫描间隔6 min，立体扫描层数14，库长75 m，最大探测范围175 km；常规探空观测资料；贵州地闪定位网资料；地面天气报文中的降雹信息。

1.2 方法

由于噪音、强衰减、异常值等原因，本文使用的X 波段双线偏振天气雷达数据存在相位折叠和回波衰减等问题，需要进行质量控制。具体处理方法如下：剔除地物杂波；对出现折叠的差分传播相移采用径向连续性检查法[15]进行退折叠处理；对退折叠后的差分传播相移用综合小波法[16]去噪；采用自适应约束算法[17]对数据进行衰减订正；对处理后的数据进行自适应Barnes 插值，最后利用不对称T 型函数对粒子进行模糊逻辑粒子识别，将水凝物粒子类型识别为毛毛雨（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 种[18-21]。

2 天气实况和环流背景

2018年4月30日贵州威宁县发生强对流天气过程，产生降雹。根据威宁县内降雹记录，开嘎于16:36～16:37 观测到黄豆大小的冰雹，直径约5 mm，密度80粒/m2。从2018年4月30日05 时（世界时，UTC）的环流形势（图1）看，500 hPa 中高纬地区呈现出稳定的“一槽一脊”形势，西伯利亚地区有冷涡维持发展，伴随有小槽分裂东移，高原地区小槽输送冷空气向东传播至四川、贵州地区；700 hPa，贵州、四川地区存在切变，威宁地区受来自西南方向的暖湿气流影响；高空冷空气和低空暖湿空气交汇导致了本次强对流天气。

图1 2018年4月30日05 时（UTC）500 hPa（a）和700 hPa（b）风场（黑色箭头，单位：m/s）、温度场（红色虚线，单位：℃）和位势高度场（蓝色实线，单位：dagpm）空间分布（红色三角形代表威宁）

3 雹暴系统演变过程

图2 为16:25～18:08 雷达回波演变特征。如图所示，本次雹暴天气主要由单体A、单体B 相互作用形成，持续时间约2 h。将组合反射率≥30 dBZ 确定为对流单体的边界。在雷达组合反射率图中观测到两个合并单体边界回波连接在一起，视为合并开始；当最强回波核合并，即只有一个强回波核时，视为合并结束。根据定义，16:30～17:16 为合并阶段。

图2 16:25～18:08 雷达回波演变特征（A、B、C 分别代表单体A、单体B、单体C，红色实线为图3 中剖面方向）

16:25，单体A（图3a、图4a）中有＞55 dBZ 回波值出现，发展高度超过-40℃环境层，而＞45 dBZ 回波值位于-20℃环境层，最强回波及地，地面出现冰雹；单体B（图3b、图4b）回波顶高约8 km，最大回波值≤55 dBZ，其中＞40 dBZ 区域均位于0℃环境层下，0～-20℃过冷水较少。

16:30～17:16 为单体A 和单体B 间的独立合并阶段。16:30（图2b），单体A、B 开始合并，出现“云桥”现象，这是由单体A、B 合并产生的下沉冷气流下降至地面外流抬升周围暖湿空气形成。单体A 近地面出现冰雹，统计雷达探测的各水成物粒子库数可知，RH 粒子较上一探测时刻减少170 库，LDG、HDG 粒子分别减少43%、18%。分析0.5°（图5a）和2.4°（图5b）仰角的雷达径向速度场发现，单体A、B 回波大值区域存在辐散，连接处有气旋性辐合气流，两单体的辐散下沉气流导致连接处的气流抬升，对连接处有促进增长作用。

图3 雷达径向反射率垂直剖面（a～f. 依次对应图2 中113°、125°、112°、120°、111°和107°剖面方向，黄色虚线、红色虚线、蓝色虚线分别对应环境层-40℃、-20℃、0℃等温线）

图4 同图3，但为雷达探测的粒子识别垂直剖面

16:36，两单体发展加强，相互靠近，单体A（图3c、图4c）回波顶高上升至8.9 km，有＞55 dBZ 回波区位于-20℃环境层，最大回波值超过60 dBZ；单体B（图3d、图4d）回波顶高7.1 km，旺盛的上升气流将大量暖性水成物抬升至0～-40℃环境层，在0～-20℃形成较大的冻滴和过冷云滴（SWA），冰核通过凇附过冷云滴形成CR，-20℃以上CR 凇附增长形成LDG；同时CR通过“贝吉龙”过程形成AG 的速率增大，RH 通过干增长和湿增长的形成速率加快，库数较上一探测时刻增加。

16:53（图2e），两单体发展进一步增强，强回波区域进一步扩大。0.5°仰角的雷达径向速度场（图5c）中单体A、B 对应位置存在辐散气流；而在2.4°仰角的雷达径向速度场（图5d）中，单体A 处仍有辐散气流，单体B 处却存在气旋性辐合气流，这说明两单体的成雹高度不同。从对应的径向剖面（图略）可知，单体A 的RH 主要在7 km 高空形成，单体B 的RH 在5 km处形成。在0.5°与2.4°仰角的雷达径向速度场中，单体连接处仍存在辐合上升气流，且强度都较16:30增大，强烈的抬升气流使得该时刻单体A 的LDG 与SWA 粒子均达到最大值。

图5 0.5°（a、c）和2.4°（b、d）仰角的雷达径向速度场（黑色方框代表辐散，红色方框代表辐合）

17:16（图3e、图4e），合并结束，两单体强中心合二为一，最大强度达60 dBZ，回波高度12.9 km，RH 为655 库，较上一探测时刻单体A 的851 库减少，较单体B 的564 库增多。

17:50（图3f、图4f），单体减弱，回波顶高下降至9 km 以下，＞55 dBZ 回波区大部分出现在0℃环境层，LDG 减 少 速 率 为HDG 的2.2 倍，此 时LDG 是 形成RH 的主要粒子来源。

18:08（图2i），天气系统进一步向东移动减弱，单体继续消散，最大反射率减小至43.5 dBZ，回波范围缩小，高反射率区域减少，LDG 下落过程中进一步转化为HDG，造成HDG 的总数较上一探测时刻有少许增加，此时形成的RH 体积较小，下降到环境层0℃以下融化为液态水，产生较强降雨。

4 过程物理量分析

4.1 雷达基本参量特征

已有研究[21]表明，雷达回波＞40 dBZ 的区域（D40）可以反映该时刻回波核大小，回波值＞50 dBZ 的区域（D50）能间接反映该时刻云内大粒子水成物的数量。分析2018年4月30日雹暴生命史中雷达回波参量变化（图6）可知，D40 与D50 的整体变化趋势一致，合并期间存在起伏，两者峰值均在合并结束时刻出现，说明合并加强了系统的发展，使得云内大粒子数量增加，HDG 通过凇附SWA、碰冻CR 与AG 等粒子增长形成RH，LDG 在下降过程中凇附SWA 增长且形成RH的速率增加。合并开始时刻，D40、D50 以及回波顶高（Top）数值出现下降，此时单体A 降雹，单体B 降水，考虑是上升气流和下沉气流相互作用的结果；16:42，单体A 有反射率极大值（Zmax）出现；16:48，单体A与单体B 近地面均有RH 出现；17:10，出现两单体的Top峰值，单体Zmax 值增大，强输送气流使空中大冰相粒子大量形成；17:16，D40 与D50 出现最大值。合并后，D40 与D50 大体呈下降趋势，Top 和Zmax 的变化趋势基本一致；17:28（图2g），系统受周围新生对流的影响，得到短暂加强，Top 与Zmax 增强，最大反射率出现在6 km 高空，空中大粒子的增加降低了D40 与D50 的减少速率。

图6 2018年4月30日雹暴过程中雷达回波参量的时间变化特征（灰色阴影为合并阶段）

4.2 动力场变化

图7 给出了使用V5（径向速度＞5 m/s 的库数）、V10（径向速度＞5 m/s 的库数）和Max VVC（径向速度垂直分量最大值）表征天气系统的动力特征。如图所示，V5、V10 与Max VVC在合并期间存在较大的起伏，合并后大体呈现下降趋势。从各单体来说，单体A 合并期间的Max VVC呈下降趋势，单体B 则呈增长趋势。16:30～17:16 的合并期间，Max VVC的峰值为2.79 m/s，出现在16:48，此时也出现了V10 峰值，单体A 与单体B 的上升气流得到加强，剧烈的上升气流加速了大HDG与LDG 粒子向RH 粒子的转化速率，大量RH 粒子下落产生强烈的下沉气流，上升气流被削弱，使得Max VVC在下一探测时刻骤降。16:59，Max VVC再次增强至2.65 m/s，V5 也达到合并期间最大值，单体A 与单体B 再次发展。17:28，合并结束后的单体C 受附近新生对流的影响，Max VVC的减少速率较上一探测时刻放缓。合并结束时的上升气流较合并初期偏弱，说明合并期间单体内的上升气流并不是持续加强的。

图7 2018年4月30日雹暴过程中天气系统动力特征随时间的演变（灰色阴影为合并阶段）

4.3 粒子演变

图8 为2018年4月30日雹暴生命史中粒子数量随时间的变化。如图所示，合并开始前，单体A 已开始降雹，而单体B 有降水产生。合并阶段，系统整体上升气流增强，单体A 持续降雹，单体B 加强发展并产生冰雹。合并期间，单体A 的RH 粒子数量波动大，这与大HDG 与LDG 粒子形成RH 粒子下落至地面有关。16:42，单体A 的RH 数量开始下降，说明RH 的下落减少速率大于高空形成速率。16:48，出现合并期间的最强上升气流，下一探测时刻（16:53）RH 粒子数量剧烈减少，单体A 减少最多，其RH 粒子减少量约为单体B 的3 倍，单体A 的SWA 数量较上一探测时刻剧增，这是由于形成RH 消耗过冷水速率小于抬升气流产生过冷水速率，致使过冷水粒子增加导致的，而单体B的SWA仅少量增加。合并期间，RH、HDG、LDG、CR 大体呈增长趋势，AG 先增后减，SWA 波动情况复杂。合并后，系统再次进入强降雹时期。17:28，受新生对流影响，系统的RH、HDG、LDG、SWA、AG 粒子短期内增加，之后逐渐减少。

图8 同图7，但为各单体中粒子库数

合并期间，单体B 的增长情况与单体A 的增长不同步，单体A 的降雹大于单体B。单体A 合并前已开始降雹，空中已存在大量的雹胚，增强的上升气流使得空中RH 大量减少，下落形成的强下沉气流短暂削弱了上升气流强度，之后上升气流再次加强，再次产生强烈降雹；单体B 受合并期间较大的输送气流影响，水成物粒子增加，产生降雹；两者合并形成的新单体C 后，冰雹数量有明显的波动变化，在17:16 降雹增强，之后受环境影响，上升气流减少速率放缓，大LDG 粒子下落，下落过程中通过凇附SWA 、碰并CR 和AG等粒子增长形成HDG 和RH，使消散阶段HDG 出现短暂增长。

4.4 闪电活动

分析2018年4月30日雹暴过程中每12 min 地闪、正地闪和负地闪发生频数的变化特征（图9）可知，本次天气过程共429 次地闪记录，负地闪记录远大于正地闪，占总地闪的94%。整个天气过程中都有负地闪发生，且其变化趋势与地闪基本一致。正地闪出现时刻较少，合并后出现的次数大于合并阶段。在合并阶段（16:30～17:16），总地闪频数大体呈现“增-减-增”的变化特征，峰值出现在16:36（62 次/12min）。合并结束后，12 min 内闪电还出现了一次增长过程，之后频数逐步减少。总的来说，闪电活动的跃增出现在合并开始时刻，最大值出现在合并期间，合并后闪电数再次增长，但幅度小于合并阶段。

图9 2018年4月30日雹暴过程中每12 min 地闪、正地闪和负地闪发生频数的变化特征（灰色阴影为合并阶段）

4.5 动力、微物理、闪电三者相互作用特征

图10 给出了2018年4月30日雹暴过程中每12 min地闪发生频数、Max VVC、HDG、LDG、CR 库数的时间变化特征。分析可知，在16:25 出现Max VVC峰值，此时单体A 降雹，单体B 有降水发生，有地闪发生。合并开始后，Max VVC减小，HDG、LDG 粒子不同程度减少，CR 粒子小幅度增加，地闪出现峰值；较强的上升气流使水凝物粒子快速增长，加大了各冰相粒子的碰撞几率，使相应起电和放电活动更剧烈。合并期间，粒子出现波动，整体呈增加趋势，其中LDG 和CR 的增长速度远大于HDG 的增长，CR 数量维持较低水平；Max VVC呈现整体减少趋势，合并结束时刻的Max VVC小于合并初期的Max VVC，且合并结束时刻的地闪频数也小于合并初期；闪电频数仅在合并开始后6 min 增加，之后骤减，并维持在较低水平，这是由于持续的强上升气流一定程度上抬升了各电荷区高度，不利于地闪的发生。合并结束后，上升气流开始减弱，系统发展高度有所下降，地闪开始增多；其中，Max VVC在17:28 下降至1.55 m/s，大直径CR、LDG 粒子下落末速度大于上升速度下降形成较强的下沉气流，系统受新生对流影响，水成物粒子短时内增加，闪电频数增加。

图10 2018年4月30日雹暴过程中每12min 地闪发生频数、Max VVC 以及HDG、LDG、CR 库数的时间变化特征（合并完成前实线为单体A 变量，虚线为单体B 变量，合并后实线为单体C变量，黑色虚线范围表示合并阶段）

总体来说，单体相互作用期间，系统动力场的变强直接影响上升气流的强弱，较大的上升速度增加云层中冰晶、霰粒子浓度及体积，其中LDG 和CR 的增长速度远大于HDG 的增长。此阶段低密度霰与冰晶粒子之间非感应碰撞是主要的起电过程，之后系统发展到不利于地闪出现的高空。合并结束后，大量RH下落产生强下沉气流，上升气流减弱，回波顶高下降到适合地闪出现的高度，大LDG 粒子在下落过程中凇附形成HDG 和RH，低层区域霰粒子大量增加，加上受环境新生对流影响，系统主要起电粒子得到增加，闪电频数再次增长，但由于上升气流强度小于合并期间，闪电频数也小于合并期间最大值。随着系统消散，各水成物粒子逐渐减少，闪电减弱。

5 结论

本文选用X 波段双线偏振天气雷达和二维闪电监测数据，结合常规气象探空和ERA5 再分析资料，对贵州威宁县2018年4月30日一次雹暴天气过程中单体合并特征进行分析，得到如下主要结论：

（1）单体合并初始阶段，有“云桥”现象发生，单体连接处有气旋性辐合气流，说明单体A 降雹与单体B 降水产生的辐散下沉气流对连接处有促进增长作用。

（2）整个雹暴过程中，D40 与D50 的整体变化趋势相同，且峰值均出现在合并结束时刻，说明合并使系统得到加强发展。上升气流和下沉气流相互作用使D40 与D50、Top 在合并开始时刻出现下降。V5、V10 与Max VVC在合并期间呈波动变化，说明合并期间系统并不总是加强发展。

（3）合并阶段，RH 粒子的生成速率与RH 下落减少速率变化不一，使得RH 粒子数量随时间剧烈变化，合并阶段的RH 数量最大值在17:10 出现；合并结束后系统受新生单体影响再次发展，RH 再次增加。

（4）闪电记录中，负地闪频次远大于正地闪，占总地闪的94%，而正地闪主要出现在消散阶段。合并开始后，地闪频次出现跃增，且峰值出现在合并期间，合并后闪电频数再次出现增加。

（5）单体相互作用期间，较大的上升速度增加了云层中冰晶、霰粒子的浓度及体积，其中LDG 和CR的增速大于HDG 增速的5 倍。LDG 与CR 粒子之间的非感应碰撞是主要的起电过程。之后系统回波高度抬升过高，不利于地闪发生。合并后，回波顶高下降到适合闪电发生的高度，大量LDG 粒子下落形成HDG和RH，周围新生单体使系统水成物粒子短暂增加，闪电发生频次再次上升。