摘要:为对延安市消雹和防灾减灾的工作提供指导，利用NCEP再分析资料、常规天气资料和延安C波段多普勒天气雷达资料详细分析2016年6月12日发生在延安安塞区特大冰雹过程，得到以下结论:(1)西北气流型天气形势配合着适宜的0℃层和-20℃层，为此次大冰雹过程提供了良好的环境条件。(2)在雷达反射率因子上，此次强对流风暴表现出典型超级单体所具有的回波特征，包括风暴中低层的“V”型缺口、钩状回波、三体散射、有界弱回波区及中高层出现的回波悬垂现象，风暴发生到最强盛阶段反射率因子最大值高于65dBz且强中心高度在-20℃层之上。(3)过程中出现中气旋特征，中气旋维持1小时，最大厚度达到5km，此次冰雹就发生在中尺度气旋处以及大风区一侧的风速辐合区。(4)垂直累积液态水含量(VIL)在发生冰雹前出现跃增变化，此次降雹后VIL没有突然下降，反而增大是由于风暴内存在多个强中心风暴持续发展导致。
关键词:气象学;中短期天气预报;冰雹;超级单体风暴;多普勒天气雷达
0引言
冰雹是从发展强盛的积雨云中降落到地面的冰球，是一种随季节变化明显，局地性强，持续时间短但却剧烈的气象灾害。冰雹是延安主要灾害性天气之一，常伴随区域性强风暴，短暂却具有极大破坏力，往往给人民生命财产安全带来严重威胁[1]。延安市位于陕西省北部，属于黄河中下游地区，地处35.6°N～37.18°N和108.17°E～110.18°E。北部以黄土梁峁、沟壑为主;南部以黄土塬沟壑为主。延安强对流天气的频发时节在5、6月，经常会产生局地性冰雹，近年来延安地区因受冰雹袭击，造成上亿元的经济损失[2]，2016年6月12日安塞县、宝塔区、黄陵县等地区遭受冰雹袭击，安塞县更是出现了罕见的大多直径达2.2～3.5cm，最大直径为5～6cm的特大冰雹，仅安塞县就有4183公顷农作物受灾，受灾人口数量达26126，造成直接经济损失10763万元。此次“6.12”冰雹灾害的主要影响系统是超级单体风暴。
近几年随着中国新一代多普勒雷达组网的全面建设，多普勒雷达在极端和灾害性天气的检测、预警领域起到了至关重要的作用，多普勒天气雷达作为冰雹探测的重要工具，可以探测传统雷达不能探测到的大冰雹特征例如有界的弱回波区(BWER)、三体散射和旁瓣回波特征等[3]。中国的一些专家学者利用新一代天气雷达对强对流天气过程做了大量的研究。赵瑞金等[4]详细分析了承德的一次强烈龙卷过程。胡胜等[5]通过多普勒雷达基数据探究了广东省12次大冰雹强对流过程的旁瓣回波、环境温度层上和三体散射的回波特征，结果表明冰雹单体的最大反射率因子强度大都高于65dBz，对应高度基本在5km附近。吴剑坤[6]对较强雹暴的多普勒雷达回波识别进行了详细研究，指出风波顶辐散、VIL密度和S波段三体散射长钉可以作为有效判断强冰雹产生的3个辅助特征参量。李昌玉等[7]通过对西宁市两次冰雹天气的对比分析，得出当存在强大的反射率回波强度，中等或者很强的垂直风切变，适宜0℃层和-20℃层高度，较高的垂直累积液态水含水量值等均对冰雹增长有利。
通过延安地区C波段多普勒雷达资料，主要对延安安塞县“6.12”冰雹过程进行多普勒雷达回波演变特征，风暴移动路径等分析。得出的结论将为预测冰雹出现的时间和落区提供一定的参考依据，对延安市消雹和防灾减灾的工作提供指导。
1资料与方法
2016年6月12日15:30-16:10，延安安塞县各乡镇受到不同程度冰雹袭击，其中沿河湾镇、坪桥镇、建华镇受灾尤为严重，大多直径达2.2～3.5cm，最大直径达5～6cm，地面冰雹厚度有3～5cm，持续时间大概30min。利用延安C波段多普勒雷达基数据，结合NCEP再分析资料，常规天气资料，对2016年6月12日发生在延安安塞县的冰雹进行多普勒雷达回波结构及回波的演变特征、径向速度和垂直累积液态水含量(VIL)等进行研究分析。
2天气背景形势
2.1环流背景
6月12日08时500hPa高空图(图1)中高纬以纬向环流为主，蒙古上空存在一低压，东北受低压控制，延安位于高空槽前，来自巴湖的冷空气沿蒙古低压前沿到达中国大部分地区，为延安地区不稳定奠定了基础。从图中可以看出延安地区被西北冷空气所控制，温度槽落后于高度槽，冷平流使槽加深，促进不稳定层结发展，属于典型西北气流型天气形势;700hPa(图略)上存在一西北低空急流，延安位于低空急流出口处左侧，输送冷空气到延安;850hPa(图略)主要受蒙古低压影响，延安位于低压前沿受西南气流控制，温度露点差为1℃，水汽比较饱和，给强对流风暴的发展和增强提供了良好的水汽条件;地面08时(图略)，新疆地面的低压在14时移动到青海地区，延安位于低压前沿，风向转为偏南风。
2.2环境条件分析
在西北气流的环流形势下，温度垂直递减率和垂直风切变尤为重要，其中任何一项数值的超常都很容易造成强对流天气。利用NCAR再分析资料分析6月12日环境物理参量，延安地区温度垂直递减率△T850-500=30℃，强的垂直温度递减率之下出现的上升运动主要依靠斜压有效位能，低层较好的水汽供应配合较高的对流有效位能更容易产生冰雹，从温度对数压力图(图2)可以看出12日08:00的K指数为36，K指数越高潜能越大，大气愈不稳定，延安测站上空存在一定正不稳定能区，沙氏指数SI为-0.2，未来在向不稳定层结方向转化。
风暴云内部含有大量水分，其水分由上升气流从大气底层向上输送，超级单体风暴的形成对低层水汽含量有更大的需求。从延安站探空资料和08:00高空环境场可以看出近地层存在一股流入河套的偏南气流，在边界层附近存在相对湿度≥80%的薄湿层，中层700～400hPa的相对湿度在35%～70%，与此相对应在850hPa高度存在一南北向假相当位温高能舌纵向切入河套，延安上空T-Td为4℃，有气象工作者统计过延安地区在上述高空环境下，850hPa高度存在一南北向假相当位温高能舌纵向切入河套配合延安上空T-Td为4℃～7℃时，一般有强对流天气产生[8]，所以此时的水汽条件较为适宜。
分析6月12日08:00测站探空资料可见，中低层存在较强垂直风切变，500hPa以下风速较小(<8m/s)。在500hPa上延安与银川的温差为正值，强势冷平流出现在河套的西北向。08:00700hPa和850hPa存在的切变和辐合构成了较强的触发机制。在6月12日延安垂直风廓线产品VMP(图3)可以看到15:45低层为东南风，高层为偏西风，风随着高度增加呈顺时针转动，所以延安低空存在暖平流，地面到4.8km高度间存在较强垂直风切变，将暖湿气流源源不断地输送到强对流活动发展所需的上升气流当中，成为对流风暴发展的触发机制，这与对NCEP再分析资料的分析一致，这种垂直切变是产生强对流天气活动的重要条件。
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冰雹要求特殊的0和-20℃层高度，产生较大冰雹的0℃层的高度要求在2.5～5.5km，因为0℃层高度太低产生不了较大的冰雹，只能形成小冰粒，太高冰雹还未到0℃层就出现融化，再降落到地面就是降水了，当日0℃层所在高度在600hPa附近，大约4km左右。产生冰雹的雨滴半径为5～50mm甚至更大[9]，所以云体必须能垂直发展到达或超过-20℃温度的高度才能形成冰雹，14:00的-20℃层高度在7km左右，这样0℃层到-20℃层的厚度有3km，这为大冰雹的产生提供了适宜的条件。
3多普勒雷达回波特征分析
3.1冰雹反射率因子演变分析
此次降雹主要发生在安塞区宝塔区等地，产生此次降雹的超级对流单体有2个，从6月12日15:17的组合反射率上可以清晰地看到两个强盛的对流单体，一个超级单体A从延安西北部靖边发展起来，源地位于白于山，在向东南方向移动过程中不断壮大，途经安塞，宝塔区，延长，最终在宜川散去;另一超级单体B在志丹生成，在安塞区发展壮大，这2个强对流单体在安塞区内的长期活动造成了此次安塞区罕见的重大雹灾。
从反射率因子可以看出，6月12日13:18延安西北侧靖边生成一强回波中心为55dBz的对流单体A，15:06发展到65dBz且对流单体范围扩大，15:17对流单体A进入安塞县，开始沿宝塔区方向移动，从CR上(图4a)可以明显看到此时A、B的2个强回波中心，在15:40A风暴出现了明显的“V型缺口”且出现在前部(图4d)，表明有较强入流气流输送进上升气流，16:02反射率因子上(图4e)的钩状回波也明显地出现了，16:00安塞区东北部的超级单体中心达到70dBz，16:20对流单体A彻底移出安塞区。
在14:37有一对流单体B生成，2个体扫过后强回波中心的强度就从42dBz增强到55dBz，此后快速发展扩大，15:17向东发展为带状(图4b)，在移出安塞区之前对流单体B与周围的对流云合并不断扩大成为超级单体，并强回波中心一直维持在65dBz以上，15:45后随着超级单体A逐渐移出安塞区，超级单体B成为控制安塞区降雹的主要系统，在15:57出现超级单体具有的典型“V”型缺口特征，在16:08超级单体B移出安塞区进入宝塔区，继而向东南移动最终在延长县消散。
三体散射(TBSS)是由于云体中大冰雹具有非常强烈的散射作用沿雷达径向的延长线上出现的钉状虚假回波。在0.5°仰角15:28(图4c)和2.4°仰角16:02(图4f)可以看到出现了TBSS，一般来说，只有S波段雷达回波中三体散射现象的出现才是大冰雹存在的充分条件，但并不是必要条件[10]，C波段雷达回波中出现三体散射概率很大且频繁，但是不代表一定会有大冰雹存在，在C波段条件下，小冰雹也有可能产生三体散射[11]，但是在此次雷达事件中确实观察到三体散射现象，至少说明空中该回波有存在大冰雹的可能。
从雷达基本反射率角度出发，当有反射率因子≥45dBz的回波在-20℃层上时可以印证冰雹的存在。因此，只有当强回波具有相当的高度，冰雹才会产生。实际业务中总结出冰雹云强回波最低高度也需要达到5～8km[12]，15:10A、B单体的强回波底高均达到7.3km左右(图略)，因此判断此时已经存在冰雹云，15:28强度为65dBz以上回波中心高度是10.4km，在-20℃温度层对应的高度之上，表明了冰雹存在。——论文作者：丁帅，肖天贵
