引言

强对流天气虽然出现的范围较小、时间较短，但来势猛、强度大，常伴有狂风骤雨和冰雹, 往往给局部地区的农业、工业、电讯、交通运输以至人民的生命财产造成严重损失。因此，对强对流天气的分析研究一直是国内外气象工作者关注的焦点。近年来，在强对流环境场研究方面，雷蕾等^[1]指出0℃层高度、-20℃层高度、500和850 hPa温差、逆温层高度、低空风切变能比较显著地区分冰雹和暴雨天气。陈晓燕等^[2]对黔西南州一次超级单体风暴环境条件和回波结构分析表明，小槽触发块状对流回波，回波向东南方向移动过程中，受较强垂直风切变的作用，在层结不稳定条件下，以及低层热低压产生的辐合效应使得回波加强为超级单体。刘兵等^[3]指出冰雹风暴初生于地形高度高梯度区上空，聚集在大山周围及山地偏南区的迎风坡，说明热力及地形对风暴的生成及能否发展成为冰雹云有着极为重要的作用。多普勒雷达资料对产生不同强对流天气的超级单体回波形态特征也有许多研究成果。俞小鼎等^[4]研究了一次伴随龙卷的超级单体回波形态结构及其可能产生机制，对在强降雨超级单体中的中气旋结构及形成机制进行了研究。郑媛媛等^[5]给出了一次典型超级单体风暴的“钩状特征”和外流边界的图像识别特征。刁秀广等^[6-7]研究了三次超级单体风暴雷达产品特征，气流结构差异性以及应用雷达资料分析边界层辐合线在局地强风暴临近预警中的应用。降雹的对流单体常会出现高VIL值区。

2009年4月12日下午到晚上，在广西西北部出现了一系列的强对流风暴，从14时到24时(北京时，下同)，至少有三个雷暴单体所经过的路径几乎重合(如图 1所示)，造成严重灾害的是其中超级单体风暴A，该风暴历经了6个多小时，其间自西北向东南方向移动了250 km，右江河谷大部地区出现大风、冰雹和强降水天气，其中在有气象记录中受灾最严重的南宁市隆安县，12日18：56出现了26 m·s^-1的狂风，同时伴有直径为40 mm冰雹和大雨。此次强对流风暴的强烈程度在广西有雷达观测资料记录中是少有的。

本文利用常规观测资料和百色多普勒雷达资料产品，对2009年4月12日发生在广西西北部地区的一次冰雹天气过程进行分析，分析产生冰雹的天气系统发展演变、垂直结构、以及产生冰雹天气时雷达资料的特征。

1 影响天气系统

12日08时(图略)，四川盆地有低涡，在垂直方向上其环流从850 hPa延伸到300 hPa。500 hPa高原东部低槽已移到四川盆地到云南北部，槽后576 dagpm振幅很大，在95°~100°E达13个纬度，冷温槽落后高度槽约10个经度，广西处于槽前西南气流控制中，在桂北有≥20 m·s^-1的强风速带。700 hPa低槽已移到广西中部，槽后偏西北气流控制下，露点温度：昆明为-5℃，百色为-5℃，河池为3℃，在桂西北地区上空有露点温度梯度为8~9℃的露点锋存在。850 hPa上，广西受西南急流控制，6个探空站风速均≥12 m·s^-1，温度露点差在1~2℃，空气接近饱和。在贵州东南部有147 dagpm低涡中心，切变位于贵州南部、广西北部到湖南中部到江南北部一带，在切变后的江淮之间有≥8 m·s^-1东到东北气流，引导地面东路弱冷空气南下。地面静止锋位于贵州南部、广西北部到湖南北部一线，锋面附近有向西开口的倒槽存在。垂直方向上已经具备上干下湿的层结，这是典型的高空槽前型广西春末夏初冰雹的概念模型。

2 超级单体风暴产生、发展的条件分析 2.1 对流有效位能

三个主要对流单体从发展到结束都经过了右江河谷一带，位于百色和南宁探空站之间(见图 1)。图 2a为08时百色探空图，对流温度为28.3℃；图 2b是用午后14时百色地面温度(32℃)和露点(19℃)订正后的探空图。08时，百色站的CAPE为194.8 J·kg^-1，订正后增大为1789.6 J·kg^-1，说明午后百色已经具备较高的对流不稳定条件。同时，对流抑制能量CIN由540.8 J·kg^-1减小为0.7 J·kg^-1。气块仅需要自身浮力就可以做干绝热运动的起始点即自由对流高度，也从603 hPa下降到987 hPa，距离地面仅有500 m左右的高度，这就意味着仅需要比较弱的近地面层对流触发条件，气块就可以做干绝热上升运动。因此, 单从08时CAPE的分析很难看出下午具有发生强对流的潜势，只有对地面起始气块的温度和露点进行订正后得到的对流有效位能在对流潜势预报中才更具价值。

2.2 中等到强的风垂直切变

风的垂直切变影响着对流云的发展、移动和分裂等过程，强的风垂直切变有助于普通风暴组织成持续性的强风暴，是维持和增强对流风暴的因子。经计算，0~6 km垂直风矢量差在百色为23~24 m·s^-1，南宁为20~22 m·s^-1，属于强垂直风切变。潘晓滨等^[8]对冰雹云的研究表明，比较强烈的冰雹云多出现在中等到强的环境风切变条件下，垂直风矢量差在20~30 m·s^-1。

从地面到高空的风向、风速变化，百色地面风到850 hPa风向随高度顺转显著(235°)，有利于气旋式右移超级单体风暴的产生，风速由静风增大至7 m·s^-1，高空700~250 hPa风向逆转15°，风速从15 m·s^-1增大到54 m·s^-1；850与500 hPa之间的温度差27℃，与400 hPa之间温度差达38℃，说明低层有很强的暖湿平流，中层有较强的冷空气入侵，形成“上冷下暖”的对流潜势，加上高空急流的作用，使得对流不断发展，特别是700~300 hPa的风向、风速变化不大，有利于积雨云的上升和下沉气流变成有组织的两股对峙的倾斜上升和下沉气流，形成生命史维持较久的组织化风暴。

2.3 0℃层和-20℃层高度

0℃层和-20℃层分别是冷暖云分界线高度和大小滴的自然冰化区下界，是表示雹云特征的重要参数。根据观测与分析，最有利于降雹的0℃层海拔高度大约在3.0~4.5 km(700~600 hPa)，-20℃层高度约在5.0~9.0 km(500~400 hPa附近)。

12日08时，百色0℃层的高度为4167 m，在611 hPa处，-20℃层的高度为7166 m，位于417 hPa。南宁0℃层的高度为4207 m，在603 hPa，-20℃层的高度为6760 m，位于441 hPa。两站0℃层高度均比历年4月份平均的4500 m要低。另外，从图 2温度和露点曲线的差值可以看出，百色在806 hPa和南宁在761 hPa以下大气很湿，相对湿度均在95%以上，而以上层结迅速变干，形成向上开口的“上干下湿”结构非常明显。

2.4 速度矢端图

速度矢图由切变矢量组成，其长度表示切变矢量的强度，超级单体风暴的速度矢图通常在风暴入流层中呈现出强烈的顺时针切变，当垂直切变风矢量随高度顺时针变化时，在各层切变矢量方向上，形成穿越上升气流的水平气压梯度；水平气压梯度加强了风暴右侧的上升运动和左侧下沉运动。因此，分裂的风暴对中右移的气旋式旋转的风暴上升气流得到加强，风暴进一步发展^[8]。在这种环境中所产生和发展的风暴已经具有发展为超级单体风暴的潜势。百色和南宁的速度矢图上(图略)，在700 hPa以下均表现为顺时针的切变，分别从90°转到290°，从90°转到270°；百色站在925和850 hPa的切变值为最大，而南宁则是地面到925 hPa的切变值为最大。低层具有强的风切变和明显的速度矢端图的曲率，这有利于加强风暴的旋转潜势。

3 多普勒雷达资料分析 3.1 风暴的演变

2009年4月12日14时左右在云南富宁东部(23.8°N、105.5°E)开始有孤立的单体A生成(图略)，此后该单体回波不断发展加强并向偏东方向移动。14：04(图 3a)单体A靠近百色与富宁交界处，尺度大约5 km，中心强度增强到53 dBz。14：34(图 3b)单体A已经进入广西百色市境内，尺度扩大到30 km，中心强度继续增强。15：53(图 3c)单体A继续向东偏南方向移动到百色市南部，强度增加到63 dBz，尺度继续扩大，并沿着入流方向有钩状回波，开始显现出超级单体低层回波特征。16：24(图 3d)对流单体A发展旺盛，钩状回波加深，并开始出现TBSS (三体散射)，此时强回波位于田阳县的西南方。16：42(图 3e)，除钩状回波、三体散射仍在维持外，在强回波的左侧，还出现与强回波同步移动旁瓣回波，旁瓣回波强度在5~10 dBz。17：06(图 3f)，单体A继续向130°方向移动到田东西南部，钩状回波、三体散射更明显，旁瓣回波仍然在伴随。18：25(图 3g)，单体A距离雷达有130 km左右，由于扫描高度的升高而探测不到旁瓣回波，钩状回波已不明显，但三体散射仍然明显。至19：02(图 3h)，单体A移到隆安西南面，强度仍在65 dBz，其相应的钩状回波特征消失，但三体散射仍然维持。

超级单体结构特征的钩状回波、三体散射、旁瓣回波、强回波等共持续了约2 h, 在此其间, 整个对流层的平均风向为西偏北, 而超级单体的移动方向在盛行风向的右侧30°左右，是典型的右移超级单体风暴。单体A经过百色市、田阳、田东、平果和隆安县，约在20时在武鸣境内减弱消失，维持时间达6个小时。

单体B于15:42在百色南部生成，之后沿着与单体A相似的路径向东南方向移动，经过田东南部的时间在18:44，与单体A时间间隔为1小时50分，之后继续向东南方向移动，21:40在平果县境内减弱。单体B强度比单体A要弱，最大的反射率在60 dBz。

单体C在17时左右在田林县南部生成，在引导气流引导下向东南方向移动，经过田东南部时间为21：40，与单体B时间间隔3个小时左右，13日00：30在隆安县境内减弱。上述3个单体均经过了田阳、田东和平果气象站的南部，虽然观测站没有冰雹观测记录，但从灾情收集的冰雹照片，拍到田阳那坡镇永常村大片田野上有冰雹堆积，大量冰雹直径在5 cm以上。

3.2 超级单体结构分析

图 4给出了16:48百色雷达1.5°、4.3°和6.0°仰角的基本反射率和径向速度。图 4a 1.5°仰角的反射率因子图上显示了带有钩状回波的超级单体A(箭头处，相应的高度在此距离处约为1 km)，最大反射率因子位于钩状回波沿入流方向上(东北部)，超过65 dBz。在图 4d速度图上有旋转辐合，尺度比中气旋(10 km以下)略大，旋转速度约为22 m·s^-1。按照美国国家强风暴实验室规定的中气旋判据属于中等强度中气旋。

图 4b 4.3°仰角(在超级单体距离处高度约5.3 km)反射率因子回波成羽毛状，流出在东北侧，强回波中心位于西侧，位于中低层有界弱回波区之下，显现出钩状回波特征，最强回波位于钩状回波北部，超过65 dBz。反射率因子轮廓线相对1.5°仰角向东北扩展。相应的速度图，图 4e，中气旋特征显著，旋转速度约为22 m·s^-1，与1.5°相当。三体散射长钉明显可见。

图 4c 6.0°仰角(在超级单体距离处的高度约为7 km)，与箭头处相对应为接近圆形的弱回波区，即有界弱回波区，30 dBz反射率因子的轮廓进一步向东北扩展，相应的速度图，图 4f呈现出辐散的结构。三体散射长钉仍可见。

从雷达站出发，各沿134°和132°径向作反射率因子的垂直剖面，如图 5a和5b，在134°的剖面上，展现出超级单体反射率因子自低往高向低层入流一侧倾斜的特征，呈现出明显的有界弱回波、回波悬垂、回波墙，与低层钩状回波的入流缺口相对应的闭合的有界弱回波区清晰可见，位置相对偏南，也就是说有界弱回波区也是自低往高向低层入流一侧倾斜的。而在偏左侧的132°剖面上，回波顶伸展到15 km高度，并有三体散射长钉，有回波墙，大于50 dBz的强回波伸展到9 km高度，远远高于-20℃层的高度(6.7 km)，以上这些特征满足大冰雹产生的条件。

3.3 冰雹与VIL

用来判断对流风暴强度的一个十分有用的参量是垂直累积液态水含量, 其定义为液态水混合比的垂直积分。液态水混合比是通过雷达测量的反射率因子和雨滴之间的经验关系M=3.44×10^-3Z^4/7进行计算的。对上式进行垂直积分即可得到垂直累积液态水含量(VIL)。VIL如果远高于相应季节的对流单体的平均VIL值，则发生大冰雹的可能性很大。根据美国Oklahoma州的统计，5月份对应于出现大冰雹的垂直累积液态含水量的阈值为55 kg·m^-2，6、7和8月份的相应阈值为65 kg·m^-2。在16:55，上述超级单体对应的最大VIL值超过70 kg·m^-2，这样大的值在4月份的华南一带的对流单体中是不常见的，因此表明降大冰雹的可能性很大。

Amburn等^[9]定义VIL与风暴顶高度之比为VIL密度。他们的研究表明，如果VIL密度超过4 g·m^-3，则风暴几乎肯定会产生直径超过2 cm的大冰雹。对于此次个例，18:31, 回波顶高为13 km，垂直累积液态水含量超过70 kg·m^-2，相应的VIL密度超过5 g·m^-3。基于上述事实，本文认为，尽管气象站没有观测冰雹，但实际降下的最大冰雹尺寸要远远超过直径2 cm，只是没有降在气象站附近, 因而没有被观测到。

4月12日15:41雷达垂直液态水含量VIL产品上，最大VIL值为30 kg·m^-2, 强回波向东南方移动的过程中VIL值迅速增加，在15:59开始出现VIL值≥50 kg·m^-2的回波，在16:24最大值达68 kg·m^-2，之后一直稳定的保持在50 kg·m^-2以上的最大值，在18:01出现跃增，一个体扫后VIL最大值由53 kg·m^-2增加到62 kg·m^-2，反映了云体内冰雹粒子在生长区正迅速碰并长大，18:25—18：31又一次明显增大，最大从61 kg·m^-2增加到71 kg·m^-2，面积2 km²，这时的雹云内冰雹粒子已经得到充分增长，到18:44最大值达到74 kg·m^-2，下一个体扫后突然下降到61 kg·m^-2，表明空中的水汽含量下降剧烈，而隆安在18:49出现大风和冰雹天气。由上述VIL值的演变可见：降雹前30分钟左右，VIL有一次明显的跃增，这为冰雹的临近预报提供了有价值的信息，当VIL再次明显增大，降雹可能即将发生。

4 对流单体移动路径的重复性 4.1 深厚高空低涡东移

造成本次冰雹天气的高空天气系统之一的高空低涡非常深厚，12日08时，700 hPa在四川盆地有306 dagpm低涡(图略)，它从850 hPa伸展到300 hPa，呈准正压状态；500 hPa从低涡中心向西南方向伸出的低槽位于四川南部，槽后在云南北部到青海有16 m·s^-1的偏北气流，等高线呈南北向，振幅达15个纬距，而槽底偏西风与西南风的辐合位于云南东部到广西西部之间，广西位于槽前；12日20时(图略)，低涡中心向偏东方向移到湖北北部，其南部低槽(西北风与西南风辐合)位于湖南北部—广西西北部之间，广西大部仍处于槽前西南气流控制。涡度分析中，12日08时(图略)500 hPa在四川南部有61.2×10^-5 s^-1中心, 而广西西北部达到42.9×10^-5 s^-1；250 hPa在广西北部涡度达35×10^-5 s^-1以上；到20时，500 hPa涡度正值区向偏东方向移动，广西北部仍有25×10^-5 s^-1以上正涡度, 400 hPa到250 hPa的正涡度中心进入广西。从12日08时到20时，由于高空低涡深厚，其东移过程中，在广西上空维持较高的正涡度水平，为桂西北对流云的发展提供动力条件。

4.2 地面流场辐合线维持

地面静止锋12日08时移到贵州中部，呈东北—西南向，14时南移到广西北部，17时以后静止锋减弱，广西大部处于锋前暖区。在广西地面中尺度自动站逐小时的观测中，12日13时，从北部湾经南宁再沿着右江河谷到田林为东南气流控制，而河谷的西南部吹偏南风西南风，沿着右江河谷到沿海可以分析出地面辐合线，到17时，此辐合线仍维持，右江河谷处于气压相对低值区，而且在百色南部还有1011 hPa的小尺度低压。地面辐合线的维持为午后对流单体的发展提供了扰动条件。

4.3 地形和单体间相互作用

右江河谷位于广西西部，呈西北—东南向，其两侧为大石山区，本次对流单体A、B和C的风暴初生在地形高度高梯度区上空(山区与河谷之间)，说明热力及地形对风暴的生成及能否发展成为超级单体有着极为重要的作用。

单体A、B和C均经过了田东南部和平果，单体A与单体B时间差为2个小时，单体B与单体C时间差为将近3个小时，后一单体风暴基本沿前一风暴边缘移动并影响相近的地方, 其形状及强度较为相似。

5 结论与讨论

(1) 导致冰雹发生的天气系统是高空低涡和低层切变线，冰雹发生前上午百色探空站有中等对流有效位能、上干下湿层结结构、强的深层垂直环境风切变，速度矢表现为低层强的顺时针旋转曲率，已经具备强对流潜势发生条件。

(2) 超级单体右前方的低层反射率因子呈现明显的钩状回波结构，这是超级单体风暴的典型特征之一。从雷达站出发穿过最强回波位置的反射率因子垂直剖面呈现出典型的有界弱回波区(穹隆)、回波悬垂和有界弱回波区左侧的回波墙。最大的回波强度出现在沿着回波墙的一个竖直的狭长区域，其值超过65 dBz。相应的中低层径向速度图呈现一个中等强度的中气旋，旋转速度达到22 m·s^-1。相应的垂直累积液态水含量和密度分别超过70 kg·m^-2和5 g·m^-3。降雹前VIL有明显的跃增现象。

(3) 高空低涡正涡度区、地面辐合线在右江河谷滞留以及特殊地形作用，是多个雷暴单体沿相似路径移动的主要原因。