引言

冰雹云是一种发展十分强盛的积雨云，是中小尺度强对流云的产物，它与人们的曰常生活及工农业生产的联系极大，一场成灾冰雹往往给工农业生产造成巨大的损失。20世纪60年代初，Browning^[1]指出，超级单体作为一个强烈发展的对流单体的特征除了其准稳定状态外，一个重要特征就是雷达回波存在一个弱回波区WER (Weak Echo Region)或有界弱回波区BWER。超级单体的另一个雷达回波特征是低层的钩状回波，第一个钩状回波是由Stout和Huff^[2]观测到的。并非所有的超级单体都呈现出典型的钩状回波，大多数情况下都是由风暴主体向着低层人流方向伸出的一个突出物。前苏联科学家Sulakvelidze等^[3]提出了冰雹形成的累积区理论。20世纪70年代开展的加拿大艾伯塔冰雹研究计划，对超级单体、传播式多单体、强切变风暴和飑线等类型冰雹云进行了雷达探测和探空资料分析，并发现强切变风暴中存在有界弱回波区，持续时间可达1. 5h，最长3h。Donaldson^[4]首次利用多普勒天气雷达观测到了超级单体中的“龙卷气旋”，也就是最早由Fujita^[5]提出，现在广泛使用的所谓“中气旋”(mesocy-clone)。近些年来，多普勒天气雷达的迅速发展，极大地提高了对强风暴的三维动力结构的认识，使得对冰雹的研究有了很大的发展。Kropfli等^[6]对一个双多普勒雷达探测到的强雷暴资料进行了三维风场的反演和分析，在6km髙度上，云层的右和右下侧有强烈人流，与云后部的气流汇合形成南部的逆时针涡旋和北部的顺时针涡旋；在云体移动前方有一股比较强烈的上升气流，该垂直上升气流在云体中上部达到最大，从高空流出。在根据多普勒天气雷达观测和对Browning于1964年提出的超级单体风暴概念模型进行适当修改的基础上，Lemon和Doswell^[7]提出了一个新的超级单体概念模型，至今仍被应用。Chong等^[8]使用双多普勒雷达对飑线的研究表明，热带飑线在其前缘存在对流上曳气流和下曳气流，而且尾部有广阔的云砧。Kessinger等^[9]使用多部多普勒雷达资料对中纬度飑线系统进行了研究，发现中纬度飑线系统在对流区高层辐散，对流上曳气流在低层向西倾斜，但在对流顶附近向东倾斜，环境风切变在低层弱，在中层较强。Houze^[10]等研究了1985年5—6月风暴前期试验的两个中纬度中尺度对流系统的三维动力特征，揭示了一些重要流场特征，例如相对于风暴高空的前部向后运动的气流，中低空来自后部的下沉气流，以及与比较强烈中尺度下沉相联系的低空辐散气流等。

我国利用多普勒雷达资料研究冰雹云起步相对比较晚。葛润生等^[11]应用单多普勒雷达观测资料、天气实况和卫星云图对北京地区的冰雹天气过程作了分析。从单多普勒雷达资料及反演出的水平流场和垂直气流结构可以得出，冰雹云过程沿着辐合带发生，垂直剖面上的气流有良好的组织，表现出强烈的旋转和上升。朱君鉴等^[12]利用雷达研究表明，风暴中存在中尺度气旋，中尺度气旋低层气旋性辐合、中低层纯气旋性旋转、中上层气旋性辐散、高层辐散。在中高层气旋的右后侧紧挨着有一个反中气旋伴随。中气旋与反中气旋形成了一个“8”型流场和“S”型的强回波区。李文娟^[13]通过对山东几次冰雹过程的数值模拟分析发现，冰雹在云中的增长机制和早期提出的冰雹循环增长机制有相似之处。小冰雹粒子主要分布在主土升气流两侧的次上升气流上方，云中的云水和雨水主要分布在主上升气流中较广的范围内，对于冰雹的碰并增长提供了较好的水分来源，认为冰雹主要是在靠近主上升气流两侧的次上升气流中获得增长的。

本文通过2003年6月28日德州一次强降雹过程的天气背景场、能量场、高空风场以及多普勒雷达观测的分析，研究了冰雹增长的动力和微物理过程。

1 2003年6月28日山东德州降雹过程分析 1.1 天气背景分析

受髙空冷性低槽的东移南压，配合中尺度场地面存在低压系统，2003年6月28日凌晨，山东德州市平原、禹城、齐河和临邑四县市遭受风暴灾害袭击。冰雹最大直径达3~4cm，小的有0. 5cm, 受灾面积5.76×10⁴hm², 成灾面积4.31×10⁴hm², 其中绝产面积1.86×10⁴hm²，并造成部分人畜受伤、房屋倒塌和电力、通讯设施受损。平原、禹城、齐河3县市直接经济损失近5亿元。观测发现，这次雹云在天气雷达回波上表现出超级单体的特征：在中低层4.5km处，雷达回波强度大于45dB_z的水平尺度可以达到30多km，维持时间也很长，从生成到消散持续了两个多小时，天气现象比其他类型风暴严重得多，观测发现有大风、局地强降雨、冰霍和下击暴流。

山东雹云主要产生在蒙古低涡、西北气流、阶梯横槽和华北低涡四种天气系统中，其中蒙古低涡和西北气流型造成的冰雹灾害最为严重。而此次降雹过程就是由西北气流型造成的。

从6月27日20时的500hPa图(略)可以看出，此次雹云过程主要产生于西北气流型天气系统中，在中高纬度地区存在大范围较平直的西风带，在华北一带存在一个浅槽，德州位于槽线附近的偏西气流中，且温度槽落后于高度槽，在德州附近存在有冷平流。在850hPa高空图(略)上，山西境内存在一条低空切变线，对应西北风和偏南风的切变，德州位于切变线之前的西南气流中。而在中尺度地面存在强盛的低压系统，并且与髙空的辐散区相叠加，有利于触发强烈的上升运动。

1.2 能量场分析

大气能量的变化是引起天气变化的重要原因，天气过程是有效能量的存储、累积和释放的过程。一次强烈的天气过程，在其发生前肯定有明显的能量累积过程。根据许晨海等^[14-16]的研究表明，湿-比有效能量不仅能区分未来是出现雷雨天气还是致灾冰雹天气，而且还可以作为一项指标来识别雹云天气。

从37°N湿-比有效能量垂直剖面图(图 1a)可以看到，德州市上空1000~850hPa有一个向上凸起的高能区，正值能量层从地面伸展到850hPa，在预报区以西(111.5° E)上空500~400hPa之间存在一个50×10^-4J·hPa^-1·m^-2负的低能中心。从500hPa湿-比有效能量形势图(图 1b)中可以看出，在预报区西边有强烈的负有效能量平流。根据当日500hPa高空风图(图略)显示，在预报区西边吹西风，而降電是在次日的凌晨2时以后，中间间隔有6h。850hPa湿-比有效能量形势图(图Id)中可以看出，在预报区西南部(34.5°N、113° E)存在一个正湿-比有效能量中心，中心值达50 ×10^-4J·hPa^-1·m^-2。在预报区的西南有高能舌向北伸展，在预报区西北方向有低能区，两者之间存在着较强的梯度(东北西南向的能量锋区)，而且当时850hPa高空吹西南风，低层的高能舌向降雹区移动，为28日凌晨的降雹提供了充足的能量。梯度图中(图 1c)所示，850~400hPa高度之间，在预报区西南方存在一个正的能量梯度中心，表明该处能量随高度的递减很快，低层为能量大值区，是典型的不稳定层结。

通过分析可知，降雹前，在降雹区上空西边低层存在有高能舌，而在中髙层西边存在有负能量平流或负能量平流中心，为雹暴的发生发展累积了充足的不稳定能量；在降雹区西部有高空急流，而且存在有很大的高空风垂直切变，也有利于雹暴发生发展。

1.3 水汽场分析

水汽输送的辐合辐散直接与降水有关，充足的水汽输送是雹暴发生发展的必要条件。利用NCEP格点分析场资料分析6月27日20时的水汽通量(图 2)发现，925hPa是水汽输送的主要通道，相对湿度约在60%，850hPa水汽输送相对减少，而在中层500hPa水汽输送很少(图略)，相对湿度约在30%左右，水汽输送主要集中在925hPa到850hPa。分析27日20时风矢量图(图 2b)，德州西北方向低层925hPa存在明显的辐合，在德州附近高层存在弱的辐散，这样的配置有利于上升运动的产生。强风暴的发生通常在低层存在强的气旋性辐合，而在高层存在强的辐散，并和低层的辐合相对应，低层充沛的水汽输送为冰雹的生长提供了必要条件。

2 雷达回波特征分析

山东滨州雷达CINRAD/SC和济南雷达CINRAD/SA观测发现，此次雹云在河北南宫市上空生成，沿西北一东南方向发展，在山东潍坊市附近消亡。降雹始于6月28日02: 07, 一直持续到02: 47。最强回波强度达70dBz，回波顶高达12.1km (见表 1)。

2.1 演变过程

6月28日00: 34左右，在河北南宫市(相对于济南雷达的位置为“ 303°，118km”)开始有孤立的单个单体生成(图 3a，见彩页)，风暴主单体中心回波强度为30dBz，此后雷达回波不断发展加强向东南偏东方向移动。在00:58, 该风暴主单体前方的几个小单体开始消散，主单体的回波范围扩大，中心强度已达55dBz (图 3b，见彩页)，这次风暴系统是由一个普通单体发展而来。01: 22, 回波单体范围持续增大, 中心回波强度达60dBz，此时冰雹指数HI=74, 在雷达图上显示为空心三角(图 3c，见彩页)，表示有可能出现降雹。01: 58, 该对流单体变得更加强盛，风暴呈现出超级单体钩状回波结构(图 3d，见彩页)，在移动方向的右侧出现中气旋(图 3d中的黄色圆圈是CINRAD/SA的中气旋产品符号，是由PUP软件将中气旋算法生成的中气旋产品分别叠加在反射率产品上而形成的)。在相应的速度图上也可以明显观测到中气旋，在低层回波径向速度图上可以看见人流区，在入流区偏右观测到中气旋，入流区的正径向速度区的范围随高度的增加而减弱，但是速度的数值有所减小，而且中气旋的位置也随着入流移向回波中心。在相应的沿人流方向穿过强回波中心的径向速度剖面(图 4b，见彩页)可以明显看出低层的入流，在回波墙的下方有出流，似乎是与超级单体后侧的下沉气流相联系。事实上，在01: 58, 沿人流方向穿过强回波中心的反射率因子剖面(图 4a，见彩页)已开始显现出有界弱回波区BWER的结构，表明中气旋在那时已经出现。02: 07降霍开始，在02: 16低层雷达回波强度图上(图 3f，见彩页)可以发现风暴右后侧的典型钩状回波的反射率因子变得更强，最大反射率因子超过65dBz。沿入流方向穿过中气旋中心和强回波中心的反射率因子剖面(图 4d, 见彩页)呈现出典型的有界弱回波区(穹隆)，强大的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回波墙上部，超过70dBz。相应的径向速度图上(图 4f，见彩页)呈现一个强烈的中气旋。至02: 53, 其相应的钩状回波和中气旋消失(图 3h，见彩页)。超级单体结构特征包括钩状回波、有界弱回波区和中气旋总共持续了约40分钟。

观测事实表明，超级单体大多由多单体系统发展而来，但这次超级单体过程是由普通单个单体发展而来.，而且在这次风暴过程中，整个对流层的平均风向为西风略为偏南，而超级单体的移动方向在盛行风向的右侧20°左右，是典型的右移超级单体风暴。

2.2 结构分析

如上所述，此次超级单体风暴在6月28日02: 16达到最强。分析一下此时超级单体的结构。图 5给出了0.5% 3.4% 6.0°的反射率因子和径向速度。0.5°仰角的反射率因子图上(图 5a，见彩页)显示了带有典型钩状回波的超级单体，最大反射率因子位于钩状回波上，超过65dBz，在超级单体移动方向的右侧呈现出倒“V”型缺口，这也是超级单体常见的特征之一。在钩状回波的西南方有一条西东走向的长出流边界。在相应速度图上(图 5d，见彩页)可以看出它靠近超级单体向雷达方向移动，低层入流似乎是沿着这条西东走向的阵风锋的前沿向超级单体钩状回波缺口附近运动，接近钩状回波缺口时由东南方向进入超级单体有界弱回波区成为上升气流，形成倒“V”型结构。在3.4°仰角反射率因子图上(图 5b，见彩页)仍显现出钩状回波特征，而且比0.5°仰角明显，最强回波位于钩状回波东北部，超过70dBz，倒“V”型特征更加明显，缺口方向相对0.5°仰角向南偏转。相应的速度图(图 5e，见彩页)上，中气旋特征仍很明显，在入流区有很明显的正径向速度区，而且数值相对于0.5°仰角和6.0°仰角都大。在6.0°仰角反射率因子图上(图 5c，见彩页)，反射率因子的轮廓进一步向南扩展，展现出超级单体反射率因子自低往高向低层人流一侧倾斜的特征，呈现出明显的回波悬垂。与低层钩状回波的入流缺口相对应的闭合弱回波区清晰可见，位置也相对偏南。云砧的范围相对于0.5°仰角和3.4°仰角更大。相应的径向速度图上(图 5f，见彩页)，人流区的正径向速度区的范围变大，愈靠近人流缺口径向速度数值变小，说明在该处水平的人流已经开始上升。

图 4给出了02: 16超级单体的反射率因子和径向速度垂直剖面。图 4d为沿人流方向穿过中气旋中心和强回波中心的反射率因子垂直剖面，可以看到典型的有界弱回波区和其上的强大的悬垂回波，以及有界弱回波区左侧的回波墙。强的反射率因子区(大于65dBz)为沿着BWER左侧的一个竖直的狭长区域，从地面一直延伸到9km高度处，在接近地面时开始向左偏。最强的区域位于回波墙上部，回波强度值超过70dBz，回波顶高接近12km。图 4f为沿入流方向穿过中气旋中心和强回波中心的径向速度垂直剖面，其中暖色代表离开雷达向着画面的方向，冷色代表离开画面向着雷达的方向，该图最显著的一个特征是从3km处一直向上扩展到9km左右的中气旋。在径向速度图上对应回波墙的右侧有一狭长范围的负径向速度区，在接近地面时水平范围扩大，推测这是由下沉气流引起的冷堆。图 4e为垂直方向穿过强回波的反射率因子垂直剖面，对应图 4d中的回波墙仍可以看见，在回波墙的右侧还有一类似于回波墙结构的回波区，中间为一狭长的弱回波区，推测就是由向着画面的入流和上升气流造成的，强回波中心在该区域上方，回波强度超过70dBz，高度为6km左右。

3 降雹发生发展的机理分析

通过分析霉暴发生前的天气形势发现，大尺度影响系统是冷性低槽的东移南压，对流层中低层存在切变线，切变线的东移使高空冷空气下传，而低层的西南气流为降雹区带来暖湿气流，这种配置使得在对流层中低层形成了大范围上冷下暖的不稳定层结。在降雹区上空西侧低层存在高能舌，而在中高层存在负能量平流或负能量平流中心，为降雹的发生发展累积了充足的不稳定能量。

西北气流和不稳定能量为雹云的发生提供了动力支持和初始扰动能量，但是要使雹云中的雹胚长大到冰雹粒子尺度，这就需要雹云自身特殊的结构及自维持机制。通过对多普勒雷达资料的分析表明，该超级单体风, 暴是于28日00: 34在河北南宫市生成，是由单个单体发展而来，此后雷达回波不断发展加强并向东偏南方向移动。01: 58, 风暴发展为超级单体并保持超级单体特征长达40分钟。之后，其超级单体特征迅速消失。01: 58, 上述超级单体强度达到顶峰，0.5°仰角的反射率因子图的右后侧呈现出典型的钩状回波特征，左前方呈现明显的倒“V”型结构，最大反射率因子超过70dBz。相应反射率因子垂直剖面图上呈现出宽大的有界弱回波区，高大强盛的悬垂回波和狭长的回波墙，最大的回波强度出现在回波强上方，超过70dBz。径向速度图上出现成熟中气旋的典型特征。另外，相应的垂直累积液态水含量和密度分别超过70kg·m^-2和5g·m^-3此时的超级单体呈现出典型的强烈雹暴特征，气象站观测到的最大冰雹直径达5cm。

4 结语

(1) 降雹前，在降雹区上空西边低层存在高能舌，而在中高层西边存在负能量平流或负能量平流中心，为霍暴的发生发展累积了充足的不稳定能量；在降雹区西部有高空急流，而且存在很大的高空风垂直切变，也有利于雹暴发生发展。

(2) 强风暴的发生通常在低层存在强的气旋性辐合，而在高层存在强的辐散，并和低层的辐合相对应，低层充沛的水汽输送为冰雹的生长提供了必要条件。

(3) 观测表明，超级单体大多由多单体系统发展而来，但本次超级单体风暴是由单个普通单体发展而来。整个风暴过程长达两小时，其中降雹持续了半小时，具有典型的有界弱回波区(穹隆)，强大的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回波墙上部，超过70dBZ。相应的径向速度图上呈现一个强烈的中气旋。

⑷此次超级单体风暴成熟阶段在雷达不同仰角的反射率因子图上都可以观测到钩状回波，随着仰角的增大钩状回波更为明显，在接近钩状回波缺口时由东南方向的气流进入超级单体有界弱回波区成为上升气流，形成倒“V”型结构。钩状回波随仰角的增大进一步向南扩展，展现出超级单体反射率因子自低往高向低层人流一侧倾斜的特征，呈现出明显的回波悬垂。

致谢：本文所用的多普勒天气雷达资料由朱君鉴正研级高级工程师和吴书君高级工程师提供，探空资料由许晨海髙级工程师提供，在此表示感谢！