龔佃利 王 洪 許煥斌 王文青 朱君鑒 王 俊

1.山東省氣象科學(xué)研究所，濟(jì)南，250031

2.山東省人民政府人工影響天氣辦公室，濟(jì)南，250031

3.北京應(yīng)用氣象研究所，北京，100082

4.山東省氣象臺，濟(jì)南，250031

1 引言

雹暴是一種發(fā)展速度快、生命期短、局地性強(qiáng)的固態(tài)降水過程，常伴有雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水，具有極強(qiáng)的致災(zāi)性。為弄清冰雹云結(jié)構(gòu)、發(fā)展過程，尤其是大冰雹（直徑大于2 cm）的形成機(jī)制，做好冰雹預(yù)警和人工防雹，中國眾多科研人員基于對中國冰雹云和冰雹的綜合觀測，在冰雹氣候?qū)W（Xie，et al，2010）、冰雹形成的層結(jié)和環(huán)境參量條件（高曉梅等，2018；曾智琳等，2019）、冰雹云的多普勒雷達(dá)特征參量（王令等，2006；鄭媛媛等，2004；潘佳文等，2021）、雹云結(jié)構(gòu)（許煥斌，2012；羅琪等，2019；范皓等，2019；王建恒等，2020）等方面開展了大量研究，總結(jié)得到了典型雹云的雷達(dá)回波形態(tài)和流場特征，如有界或無界弱回波區(qū)、“S”形旋轉(zhuǎn)上升流場及場間配置成的“0 線（域）”結(jié)構(gòu)等。然而，上述特征在雹云中不一定都會(huì)明顯呈現(xiàn)，這表明成雹方式的多樣性及復(fù)雜性；而有些個(gè)例，由于雹云不在雷達(dá)最佳觀測距離或方位等原因，上述典型特征也不易被觀測到。因此，對于冰雹云的研究，除要把握冰雹云發(fā)展的環(huán)境條件、外在形態(tài)特征外，還應(yīng)進(jìn)一步探尋雹云的內(nèi)在流場結(jié)構(gòu)，揭示雹云發(fā)展的動(dòng)力框架和演變路徑。

總結(jié)建立雹云的結(jié)構(gòu)概念模型，對于認(rèn)識雹云結(jié)構(gòu)和發(fā)展機(jī)制十分必要。目前看到的雹云概念模型皆是國外通過大型綜合外場試驗(yàn)，總結(jié)概括幾個(gè)資料較完整、形態(tài)較典型個(gè)例的共性特征，如：Browning 等（1976）利用雷達(dá)和飛機(jī)觀測資料，提出了Fleming 超級單體的雹云結(jié)構(gòu)和冰雹增長模型；Chisholm 等（1972）基于對雷達(dá)觀測資料的分析，給出了加拿大Alberta 超級單體雹云中經(jīng)典的有界弱回波區(qū)（BWER）結(jié)構(gòu)。基于對觀測資料分析給出的成熟態(tài)雹云結(jié)構(gòu)的物理圖像，有力充實(shí)發(fā)展了雹云物理學(xué)（Foote，et al，1982，1983；Miller，et al，1990）。云中冰雹的形成需要適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件和特定云宏、微觀結(jié)構(gòu)。研究表明，云中冰雹落地前不被完全融化，則其尺度應(yīng)大于某個(gè)臨界值，融化計(jì)算給出的參考值是直徑大于1.0 cm，對應(yīng)的落速大于15 m/s（許煥斌，2012），從靜態(tài)托住冰雹的角度看，雹云中的最大上升氣流速度應(yīng)大于15 m/s。雹云中要形成大冰雹，除了具有強(qiáng)的上升氣流及過冷水累積區(qū)等條件外，還應(yīng)有能動(dòng)態(tài)托住冰雹的動(dòng)力結(jié)構(gòu)，使雹或雹胚粒子群在云中過冷云區(qū)存留6—10 min，從而長大成大雹。隨著理論研究（許煥斌等，2001，2002）和雷達(dá)觀測分析技術(shù)的進(jìn)步（俞小鼎等，2020），基于中國觀測的雹云實(shí)例，總結(jié)建立中國典型雹云結(jié)構(gòu)和冰雹增長的概念模型很有必要。

2019 年8 月16 日，山東濰坊諸城市出現(xiàn)一次強(qiáng)雹暴過程，濰坊CINRAD/SA 新一代天氣雷達(dá)（簡稱“濰坊雷達(dá)”）對該雹暴的整個(gè)生命期進(jìn)行了觀測；雹云移向基本沿濰坊雷達(dá)徑向，且成熟階段的雹云處于濰坊雷達(dá)的最佳觀測范圍。刁秀廣等（2021）利用青島S 波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)（簡稱“青島雷達(dá)”）對該雹暴成熟階段的低層、中層和高層的偏振雷達(dá)回波特征進(jìn)行了分析，給出了雹云的雙偏振特征量示意圖。文中將主要利用濰坊、青島雷達(dá)觀測和實(shí)地冰雹調(diào)查資料，結(jié)合雙雷達(dá)反演風(fēng)場，對該雹暴過程進(jìn)行綜合分析，力求剖析得到雹云典型結(jié)構(gòu)、定性勾畫出雹云內(nèi)在流場結(jié)構(gòu)，分析揭示大雹循環(huán)增長的過程。

2 實(shí)例介紹

2.1 資料和方法

文中分析的降水、大風(fēng)資料來自地面氣象觀測站的分鐘級觀測數(shù)據(jù)，降雹地點(diǎn)、范圍、最大冰雹直徑和災(zāi)情由實(shí)地調(diào)查獲得。雷達(dá)基數(shù)據(jù)來自濰坊雷達(dá)（36.66°N，118.91°E，海拔高度268.5 m）、青島雷達(dá)（35.99°N，120.23°E，海拔高度174.8 m），兩部雷達(dá)相距139.9 km。當(dāng)日雷達(dá)掃描模式為VCP21，從0.5°到19.5°共掃描9 層。

雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場反演采用直接合成法（劉黎平，2003；王俊等，2007；王建恒等，2020），對兩部雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)量控制后，將球坐標(biāo)系的原始資料（回波強(qiáng)度、徑向速度）雙線性插值到直角坐標(biāo)系中，水平格距為0.01°，垂直格距為0.5 km，高度從海拔0.5 km 到15 km 共30 層。選擇兩部雷達(dá)觀測時(shí)間一致的體掃資料進(jìn)行風(fēng)場反演，時(shí)間間隔不超過1 min。

2.2 風(fēng)雹及災(zāi)情

受冷渦系統(tǒng)影響，2019 年8 月16 日上午，魯西北、魯北出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣，局地伴有雹暴，但降雹范圍小、強(qiáng)度弱，未造成大的災(zāi)害（王俊等，2021）。當(dāng)日14 時(shí)（北京時(shí)，下同）前后，在濰坊臨朐縣西南部的山區(qū)新生的對流云發(fā)展迅速，在向東南方向移動(dòng)過程中，給濰坊安丘、諸城，日照五蓮，臨沂沂水等地造成持續(xù)時(shí)間長、災(zāi)害強(qiáng)度大、影響范圍廣的冰雹、大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水，其中風(fēng)雹災(zāi)害以諸城市賈悅鎮(zhèn)、枳溝鎮(zhèn)等5 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和五蓮縣許孟鎮(zhèn)、戶部鄉(xiāng)最重，諸城全市10000 余公頃農(nóng)作物受災(zāi)，經(jīng)濟(jì)損失2.67 億元。圖1 給出了造成上述風(fēng)雹災(zāi)害的雨雹分布，降雹區(qū)與濰坊雷達(dá)0.5°仰角強(qiáng)回波區(qū)（反射率因子＞65 dBz）范圍基本一致。

圖1 2019 年8 月16 日14 時(shí)—16 時(shí)30 分降水量（細(xì)實(shí)線，單位：mm，間隔5）、冰雹落區(qū)（黑虛線，紅點(diǎn)左側(cè)數(shù)字為最大冰雹直徑，單位：cm）（圓弧a、b 分別為濰坊、青島雷達(dá)站100 km 距離圈）Fig.1 Accumulative rainfall between 14:00 and 16:30 BT 16 August 2019（thin solid lines，unit：mm，interval：5）and hail falling area（black dotted line，the numbers to the left of the red dots are the maximum hail diameters at various location，unit：cm）（the arcs a and b are 100 km distance circles of Weifang and Qingdao radar stations，respectively）

圖2 是8 月16 日部分地面氣象觀測站5 min降水量和極大風(fēng)狀況。雹云發(fā)展最初1 h 內(nèi)（15 時(shí)前）以雷雨大風(fēng)為主，其中臨朐縣蔣峪氣象站14 時(shí)35—40 分降水量達(dá)到14.9 mm，為該過程5 min 最大降雨量。15 時(shí)，安丘市柘山鎮(zhèn)、石埠子鎮(zhèn)和沂水縣圈里鄉(xiāng)等地出現(xiàn)降雹，最大冰雹直徑2—3 cm；15 時(shí)12 分，雹云進(jìn)入諸城賈悅鎮(zhèn)，降雹強(qiáng)度和范圍增大，降雹持續(xù)時(shí)間多為5—10 min，最大積雹厚度達(dá)10 cm，其中15 時(shí)30 分前后賈悅鎮(zhèn)西部的冰雹災(zāi)害最重，最大冰雹直徑超過5 cm；15 時(shí)55 分—16 時(shí)10 分，五蓮縣許孟鎮(zhèn)、戶部鄉(xiāng)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹和大風(fēng)，許孟鎮(zhèn)極大風(fēng)速達(dá)到30.6 m/s。16 時(shí)30 分之后，雹暴在日照境內(nèi)減弱消散。

圖2 地面氣象站觀測5 min 降水量和極大風(fēng)向風(fēng)速（風(fēng)矢尾所注數(shù)字為風(fēng)速，單位：m/s）Fig.2 Precipitation，maximum wind speed and direction at 5 min intervals observed at surface meteorological stations（the numbers beside the wind vectors are wind speeds，unit：m/s）

2.3 天氣形勢和層結(jié)條件

8 月16 日08 時(shí)500 hPa 高空形勢（圖略）顯示，冷渦中心位于華北北部，配合有低于?12℃的冷中心，冷渦西側(cè)有橫槽。此后，冷渦中心向東偏南方向移動(dòng)，橫槽逐漸轉(zhuǎn)豎，8 月16 日14 時(shí)（圖3），冷渦低槽移到魯中山區(qū)東部和魯東南地區(qū)，山東中西部受西北氣流控制，而此時(shí)850 hPa 的橫槽影響到魯西北地區(qū)，其位置偏后于500 hPa 橫槽，魯中山區(qū)為橫槽前的西南暖濕氣流區(qū)，如此低層暖濕、高層干冷的層結(jié)條件有利于冰雹發(fā)生區(qū)不穩(wěn)定能量的積累。

圖3 8 月16 日14 時(shí)（a）500 hPa、（b）850 hPa 環(huán)流形勢分析（紫色實(shí)線為等高線，間隔4 dagpm；綠色虛線為等溫線，間隔4℃）Fig.3 Geopotential height（purple solid lines，interval：4 dagpm）and temperature（green dashed line，interval：4℃）at（a）500 hPa and（b）850 hPa at 14：00 BT 16 August 2019

8 月16 日08 時(shí)，章丘探空站已受冷空氣和弱降水的影響，為反映諸城雹暴發(fā)生時(shí)近地面大氣層結(jié)的加熱變化，利用戴建華等（2012）探空訂正方法和探空繪制軟件，根據(jù)8 月16 日14 時(shí)諸城氣象站地面氣壓、氣溫和露點(diǎn)溫度觀測值對08 時(shí)章丘探空進(jìn)行訂正，繪制T-lgp圖（圖4）?？梢?，地面及925 hPa 為偏東風(fēng)，850—700 hPa 為西南風(fēng)，而600 hPa 以上中高層以西偏北風(fēng)為主，0—6 km 風(fēng)矢量差為30.3 m/s，屬于強(qiáng)的深層風(fēng)垂直切變（俞小鼎等，2020）；此外，整層大氣可降水量為36.95 mm，0℃層高度為4341 m，?10℃層高度為5920 m，?20℃層高度為7580 m，濕球溫度0℃層對應(yīng)的融化層高度約4100 m，上述指標(biāo)均達(dá)到魯中山區(qū)特強(qiáng)冰雹大風(fēng)的閾值（高曉梅等，2018）。從近地面至743 hPa、500—407 hPa 存在明顯干層；而 中層716—507 hPa 的溫度與露點(diǎn)差為1.2—4.3℃，空氣處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)。根據(jù)訂正探空計(jì)算得到對流有效位能（CAPE）為1385 J/kg，較08 時(shí)增大1308 J/kg，但仍屬中等量值。上述分析表明，大氣層結(jié)條件十分有利于超級單體風(fēng)暴的發(fā)展及大冰雹、雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生。

圖4 章丘站8 月16 日14 時(shí)訂正探空（溫度對數(shù)壓力圖）Fig.4 Sounding skew（T-lgp）at Zhangqiu at 14：00 BT 16 August 2019

3 雹云雷達(dá)回波特征

3.1 回波演變特征

本次強(qiáng)雹暴過程從初生到強(qiáng)盛階段，雹云中心距濰坊雷達(dá)站40—100 km，處在濰坊雷達(dá)有效探測范圍內(nèi)，圖5 給出了8 月16 日13 時(shí)55 分—16 時(shí)58 分濰坊雷達(dá)的基本反射率因子產(chǎn)品和風(fēng)暴追蹤信息（STI），結(jié)合剖面分析可見，風(fēng)暴單體最早于13 時(shí)55 分在臨朐縣西南的魯山東側(cè)初生并快速發(fā)展，14 時(shí)07 分雷達(dá)即探測到有界弱回波區(qū)（BWER）；14 時(shí)13 分，風(fēng)暴中層識別出中氣旋和三體散射特征（TBSS），中氣旋最大切變?yōu)?0×10?3s?1；14 時(shí)36 分，風(fēng)暴高層5 km 處出現(xiàn)三體散射特征，說明高層有大冰雹生成；15 時(shí)，0.5°仰角也出現(xiàn)三體散射特征，反射率因子大于65 dBz 的強(qiáng)回波頂高超過8 km，風(fēng)暴發(fā)展到強(qiáng)盛階段，地面出現(xiàn)降雹并持續(xù)到16 時(shí)11 分；此后，風(fēng)暴逐漸減弱消散。成熟階段的雹云向東南方向移動(dòng)，平均移速約55 km/h。

圖5 濰坊雷達(dá)觀測基本反射率因子（4.3°仰角）和風(fēng)暴追蹤信息（STI，標(biāo)注為R3）Fig.5 Radar reflectivity（4.3° elevation）and storm tracking information（STI，labeled by R3）observed by Weifang Radar

3.2 雹云發(fā)展的特征階段

雹云強(qiáng)回波區(qū)面積、垂直累積液態(tài)含水量（VIL）和回波頂高（ET）變化可以反映雹云的發(fā)展過程和強(qiáng)弱。圖6 是由濰坊雷達(dá)觀測計(jì)算的雹云反射率因子不小于60、65 dBz 面積（分別以S60、S65表示）、垂直累積液態(tài)含水量和回波頂高逐時(shí)次演變?？梢姡摫⒃瓢l(fā)展大致經(jīng)歷了發(fā)生、躍增、醞釀、降雹和消亡等完整的5 個(gè)階段（王昂生等，1980）：發(fā)生階段時(shí)間較短，經(jīng)過3 個(gè)體掃時(shí)間，回波頂高即超過11 km；躍增階段以S60、S65快速增大為主要表現(xiàn)；降雹階段出現(xiàn)強(qiáng)回波區(qū)面積、回波頂高的大幅度波動(dòng)，其中，15 時(shí)13—31 分賈悅鎮(zhèn)降雹后，回波頂高由15 km 下降到12 km；此后雹云再次加強(qiáng)，16 時(shí)回波頂高上升到17 km，造成五蓮縣戶部鄉(xiāng)降下直徑約4 cm 的大雹?？梢?，雹云降雹階段也存在著雹云減弱、再躍增發(fā)展過程。

圖6 雹云發(fā)展5 個(gè)階段的強(qiáng)回波區(qū)面積（S60、S65）、垂直累積液態(tài)含水量（VIL）和回波頂高（ET）演變Fig.6 Evolution of the area of strong echo（S60，S65），vertically integrated liquid water（VIL）and the height of echo top（ET）in the five stages of hail storm development

3.3 雹云典型結(jié)構(gòu)

普查逐時(shí)次雷達(dá)產(chǎn)品，其中15 時(shí)—15 時(shí)47 分共有9 個(gè)體掃呈現(xiàn)出典型成雹結(jié)構(gòu)，具有明顯的有界弱回波區(qū)、三體散射特征，而15 時(shí)30 分時(shí)雹云距離濰坊雷達(dá)站東南偏南70—80 km，位于雷達(dá)最佳探測范圍，此時(shí)的回波移向與雷達(dá)徑向觀測方向基本一致，徑向風(fēng)最接近實(shí)際風(fēng)，強(qiáng)度最強(qiáng)，為分析雹云流場特征結(jié)構(gòu)提供了良好的觀測資料。

圖7 是8 月16 日15 時(shí)30 分不同垂直高度雹云的反射率因子、徑向速度CAPPI，圖7a1—a6為1—11 km（間隔2 km）高度的反射率因子，圖7b1—b6為與圖7a1—a6同高度的徑向速度。可見，雹云具有明顯的有界弱回波區(qū)結(jié)構(gòu)，其中1、3 km 高度的有界弱回波區(qū)向東南偏南方向開口，對應(yīng)為上升氣流入流區(qū)；5、7 km 高度的有界弱回波區(qū)呈閉合狀；9 km 高度顯示的強(qiáng)反射率因子核密實(shí)清晰，位于有界弱回波區(qū)頂部。受環(huán)境風(fēng)的影響，7、9 km高度的雹云下風(fēng)方、上風(fēng)方具有明顯的層狀云砧，與雹云高層的輻散氣流對應(yīng)。

圖7 8 月16 日15 時(shí)30 分不同高度（1—11 km，間隔2 km）反射率因子（a1—a6）、徑向速度（b1—b6）顯示的雹云結(jié)構(gòu)（箭頭△所指位置為有界弱回波區(qū)，白色圓圈為中氣旋。a1 中AB、CD 線段為圖8 中的剖面位置）Fig.7 The hailstorm structure displayed by CAPPI radar reflectivity（a1—a6）and radial velocity（b1—b6）at various heights（1—11 km，interval 2 km）at 15:30 BT 16 August 2019（The arrows point to the BWER center.The white circle shows the area of mesoscale cyclone.The lines AB and CD in Fig.a1 show locations of the vertical cross sections in Fig.8）

續(xù)圖7Fig.7 Continued

從1—11 km 高度徑向速度（圖7b1—b6）可見，有界弱回波區(qū)中心東北側(cè)有朝向雷達(dá)的負(fù)速度區(qū)，顯示雹暴移動(dòng)前方中低層有明顯的偏南入流；而有界弱回波區(qū)中心西側(cè)有正速度大值區(qū)，以1、5、7 km高度表現(xiàn)最明顯。以上正、負(fù)速度對構(gòu)成氣旋性環(huán)流，低層（1、3 km）為輻合型氣旋式旋轉(zhuǎn)，中層（5、7 km）為純粹氣旋式旋轉(zhuǎn)，高層（9、11 km）為輻散型氣旋式旋轉(zhuǎn)，符合成熟階段中氣旋的典型特征（俞小鼎等，2005）。

圖8 給出的是 沿圖7a1中AB、CD 線段的15 時(shí)30 分反射率因子、徑向速度剖面。AB 剖線基本沿徑向，可反映徑向氣流的輻散、輻合；CD 大致沿切向，可反映氣流的旋轉(zhuǎn)。由圖8a 反射率因子徑向剖面可見，雹云具有典型的有界弱回波區(qū)—懸垂回波—回波墻結(jié)構(gòu)，回波墻接地，寬度約3 km。從沿AB 線段的徑向速度剖面（圖8b）可見，有界弱回波區(qū)對應(yīng)深厚的偏南風(fēng)入流，在中層與偏北氣流形成輻合，3—6 km 高度輻合最強(qiáng)，9 km 以上為強(qiáng)輻散。圖8c 是沿CD 線段的反射率因子剖面，也清楚地反映出有界弱回波區(qū)結(jié)構(gòu)，5 km 高度的有界弱回波區(qū)東西寬約5 km、南北寬約4 km，反映雹云內(nèi)具有寬廣深厚的上升運(yùn)動(dòng)。沿CD 線段的徑向速度剖面（圖8d）顯示云體中下部存在深厚的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)氣流，雷達(dá)識別此時(shí)的中氣旋頂為7.3 km，最大切變達(dá)到35×10?3s?1，其中心位置基本與有界弱回波區(qū)重合，結(jié)合圖8b 流場可分析得出云體中層存在強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)上升運(yùn)動(dòng)。

圖8 8 月16 日15 時(shí)30 分沿圖7a1 中AB、CD 線段的反射率因子（a、c）和徑向速度（b、d）剖面Fig.8 Vertical cross sections of radar reflectivity（a，c）and radial velocity（b，c）along AB and CD（shown in Fig.7a1）at 15：30 BT 16 August 2019

圖7、8 分析給出的本次雹暴過程中不同高度及沿AB、CD 線段的雹云結(jié)構(gòu)，與Chisholm 等（1972）研究的加拿大Alberta 雹云結(jié)構(gòu)對比，可見兩者具有高度一致性，而本次雹暴的強(qiáng)回波中心強(qiáng)度更強(qiáng)，雹云水平尺度更大，結(jié)構(gòu)更緊湊。

3.4 雹云雙偏振雷達(dá)特征參量

雙偏振多普勒天氣雷達(dá)可為監(jiān)測識別雹云內(nèi)冰雹分布提供新的雷達(dá)參量。通?？筛鶕?jù)大的水平偏振反射率因子（ZH）、接近于0 的差分反射率因子（ZDR）和較低的相關(guān)系數(shù)（CC）識別雹云中的大雹（Kumjian，2013）。實(shí)地調(diào)查表明，15 時(shí)30 分前后賈悅鎮(zhèn)降雹最強(qiáng)，根據(jù)15 時(shí)24 分和15 時(shí)30 分連續(xù)兩個(gè)體掃的雷達(dá)探測資料可以分析雹云的空中狀況。圖9a1給出的是青島雷達(dá)15 時(shí)24 分探測的0.5°仰角ZH，沿圖中AB 線段（方位角約為273°）給出了ZH（圖9b1）、ZDR（圖9c1）和CC 垂直剖面（圖9d1）。圖9b1中標(biāo)注了賈悅鎮(zhèn)東西降雹區(qū)范圍和東王莊（最大冰雹直徑大于5 cm）位置。

圖9 8 月16 日15 時(shí)24 分青島雷達(dá)0.5°仰角水平偏振反射率因子ZH（a1，白圓圈為中氣旋，AB 線段為圖b1、c1、d1 剖面的位置）、ZH 剖面（b1，白線區(qū)為ZH＞60 dBz 范圍，標(biāo)“B”區(qū)域?yàn)橛薪缛趸夭▍^(qū)）、差分反射率因子ZDR 剖面（c1）和相關(guān)系數(shù)CC 剖面（d1）；圖a2—d2 同圖a1—d1，但為15 時(shí)30 分的觀測分析結(jié)果（圖a2 中的▲及其右側(cè)數(shù)字為調(diào)查的降雹點(diǎn)和最大冰雹直徑（單位：cm））Fig.9 Horizontal polarization reflectivity ZH（a1，the white circle is the mesocyclone，and the line AB shows location of the vertical cross section in Fig.b1，c1 and d1），the cross section of ZH（b1，the white line area represents ZH＞60 dBz，"B" represents the BWER），differential reflectivity ZDR（c1）and correlation coefficient CC（d1）observed by Qingdao radar at 0.5°elevation scan at 15：24 BT 16 August 2019；Fig.a2—d2 are the same as Fig.a1—d1 but for observations at 15：30 BT（The mark ▲ and the number to its right in Fig.a2 are the hail-falling point and the maximum hail diameter（unit：cm）based on survey）

續(xù)圖9Fig.9 Continued

圖9b1、c1顯示，15 時(shí)24 分，ZH大于60 dBz 強(qiáng)回波區(qū)對應(yīng)的ZDR數(shù)值大多為?1—0 dB，在強(qiáng)反射率的徑向下游，雹暴強(qiáng)回波西側(cè)中高空為ZDR高值區(qū)，對應(yīng)CC 為低值區(qū)（＜0.7），表明該區(qū)域?yàn)槿w散射特征（Kumjian，et al，2010），指示雹云中有深厚密集的大冰雹。圖9d1顯示賈悅鎮(zhèn)西部（東王莊附近）強(qiáng)降雹區(qū)的中低層CC 較低，大多低于0.9。圖9a2給出了15 時(shí)30 分青島雷達(dá)0.5°仰角的ZH，沿270.3°方位角的ZH剖面（圖9b2）清晰反映出有界弱回波區(qū)的結(jié)構(gòu)；該東西剖面穿過有界弱回波區(qū)及其上空的強(qiáng)回波區(qū)，可見4—7 km 高度有界弱回波區(qū)的弱回波區(qū)對應(yīng)的ZDR為1.5—3.5 dB（圖9c2），垂直發(fā)展高度超過?10℃層，呈現(xiàn)出典型的ZDR柱特征，指示這里存在強(qiáng)上升氣流（Brandes，et al，1995），有利于大冰雹的增長和滯留。圖9d2與圖9b2對比可見，有界弱回波區(qū)對應(yīng)的CC 值小于0.85，反映該區(qū)域存在雹、雨滴等不同相態(tài)粒子及伴隨入流的碎屑（如樹葉、雜草、昆蟲等），導(dǎo)致CC 出現(xiàn)低值（Ryzhkov，2007；潘佳文等，2020）。

綜上對雹云雙偏振特征的分析可見，緊靠有界弱回波區(qū)的強(qiáng)回波區(qū)是冰雹積聚區(qū)，且有界弱回波區(qū)西北側(cè)強(qiáng)回波區(qū)更易出現(xiàn)強(qiáng)冰雹，這與賈悅鎮(zhèn)西部降雹強(qiáng)于鎮(zhèn)東部的實(shí)況相符，也與Kumjian 等（2008）、潘佳文等（2020）總結(jié)的超級單體概念模型的冰雹區(qū)所在部位一致。

4 雹云主體流場結(jié)構(gòu)

觀測和理論分析指出，冰雹云主上升氣流多具有三維旋轉(zhuǎn)、斜升等垂直運(yùn)動(dòng)的流型（Miller，et al，1990；劉式適等，2004），各物理量場的軸心不一定重合，單純用二維剖面來反映其結(jié)構(gòu)具有局限性，而定性勾畫其垂直三維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)有助于降低這類局限性。例如，通過對太行山東麓雹云個(gè)例細(xì)致分析，就定性勾畫出了處于調(diào)整態(tài)的雹云流場結(jié)構(gòu)及其演化輪廓（范皓等，2019；王建恒等，2020）。下面結(jié)合雙雷達(dá)風(fēng)場反演和定性分析方法，以15 時(shí)30 分觀測時(shí)次為基礎(chǔ)，進(jìn)一步揭示本次過程成熟階段雹云的主體流場結(jié)構(gòu)特征。

4.1 雹云水平風(fēng)場結(jié)構(gòu)

15 時(shí)30 分，雹云中心位于濰坊雷達(dá)站南偏東約75 km、青島雷達(dá)站西約100 km 處，與兩部雷達(dá)構(gòu)成三角形，利用濰坊、青島兩部多普勒雷達(dá)探測資料可反演各高度的水平流場（圖10）。反演區(qū)域左下角坐標(biāo)：35.9°N，118.95°E，右上角坐標(biāo)：36.25°N，119.42°E，左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸正東方向?yàn)檎瑈軸正北方向?yàn)檎?。反演區(qū)域東西寬度0.47°（42 km），南北寬度0.35°（39 km），兩部雷達(dá)在該區(qū)域的徑向風(fēng)夾角為70°—110°。

圖10 濰坊、青島雙雷達(dá)反演8 月16 日15 時(shí)30 分雹云各高度（a.2 km，b.3 km，c.4 km，d.6 km）的水平風(fēng)場和反射率因子（色階）（a—c 中白色曲線、圓圈指示輻合線、旋轉(zhuǎn)氣流；圖d 標(biāo)出了“S”形水平流場；各圖右下角給出的風(fēng)矢箭頭及數(shù)值表示最小、最大風(fēng)速，單位：m/s）Fig.10 Horizontal wind field and radar reflectivity（shaded）within hail clouds at the some levels（a.2 km，b.3 km，c.4 km，d.6 km）at 15：30 BT August 16 retrieved from Weifang and Qingdao dual Doppler radar（The white curves and circlesin Fig.a—c indicate the convergence line and the rotating airflow.Fig.d shows the "S" shaped horizontal circulation field.The wind vector arrow and value in the lower right corner of each panel show the minimum and maximum wind speeds，unit：m/s）

由圖10 可見，在2 km 高度（圖10a）的雹云主體前沿對應(yīng)著氣流輻合及逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)環(huán)流，低層氣流輻合導(dǎo)致上升運(yùn)動(dòng)，云體內(nèi)氣流呈上升旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；3 km 高度（圖10b）顯示出明顯閉環(huán)的旋轉(zhuǎn)氣流；4 km 高度（圖10c）的氣流以輻合上升為主，旋轉(zhuǎn)為輔；當(dāng)?shù)竭_(dá)6 km 高度（圖10d），水平流場呈現(xiàn)“S”形，其逆時(shí)針部分對應(yīng)著主云體，而順時(shí)針部分對應(yīng)著云后側(cè)出流云區(qū)；5 km 高度的流場樣式與6 km 相似。由此可見，圖10 直觀展示了雹云的旋轉(zhuǎn)上升流場特征，且中層呈現(xiàn)出明顯的“S”形流型。雹云有了這樣的旋轉(zhuǎn)上升對流流場，粒子群不僅有可能在云中可上可下、可進(jìn)可出，而且還可左可右地運(yùn)行，為其中一部分粒子循環(huán)增長成大雹準(zhǔn)備了必要的可去可回的三維流場動(dòng)力驅(qū)動(dòng)框架。

4.2 雹云“0 線”結(jié)構(gòu)

從圖8a、b 徑向剖面看，由于剖面取向與云體移向夾角較小，其徑向風(fēng)可以反映云的入流和出流特征，由徑向速度剖面可分析水平氣流的輻合或輻散。對流云的流場是滾翻氣流，低層是輻合上升氣流，高層是輻散上升氣流；氣流由入云上升輻合轉(zhuǎn)到出云上升輻散，必然有個(gè)由入云到出云，水平速度為0 的拐點(diǎn)位置，對于連續(xù)空氣流場來說，這樣的0 值位置連成曲線段，可稱之為“0 線”，據(jù)此可勾畫出圖11a 中剖面的流場，顯示出了入云流、出云流、主上升氣流與“0 線”的關(guān)系?？梢姡瑑A斜“0 線”是出云流與入云流的拐點(diǎn)，而直立“0 線”接近于雹云對流上沖云頂，“0 線”穿越上升氣流或與主上升氣流平行。在“0 線”上雖水平速度為0，但其上升速度不為0，而且會(huì)是主上升氣流的高值區(qū)，甚至可達(dá)到最大值。從圖11 還可看出“0 線”與懸垂回波和有界弱回波區(qū)的關(guān)系，即“0 線”穿過懸垂回波達(dá)到有界弱回波區(qū)頂上部，其近直立的強(qiáng)回波墻與懸垂回波間是弱回波穹窿，對應(yīng)著主上升氣流區(qū)。

圖11 8 月16 日15 時(shí)30 分濰坊雷達(dá)反射率因子剖面和垂直氣流分析（a，黑粗虛線為“0 線”）、徑向速度剖面分析（b，箭頭指示氣流運(yùn)動(dòng)方向）Fig.11 Cross sections of radar reflectivity，vertical airflow（a，black thick dotted line is'0 line'），and radial velocity（b，arrows indicate airflow direction）at 15：30 BT August 16 observed by Weifang radar

結(jié)合3.3 節(jié)分析可見，“0 線”穿過懸垂回波、有界弱回波區(qū)頂部強(qiáng)回波區(qū)，指向雹云上沖云頂，反映出了低層入流、高層出流和雹云中心主上升氣流的配置關(guān)系，如此呈現(xiàn)的雹暴云體的流場結(jié)構(gòu)，與分析的太行山東麓雹云實(shí)例結(jié)構(gòu)類似（范皓等，2019；王建恒等，2020），也與過去理論研究得出的“穴道”結(jié)構(gòu)物理圖像一致（許煥斌，2001，2012，2015）。

5 “0 線”效應(yīng)及大雹形成示意圖

依據(jù)上述對濰坊雷達(dá)15 時(shí)30 分成熟階段雹云反射率因子、徑向速度的近似徑向、切向剖面分析，并參考雷達(dá)垂直累積液態(tài)含水量所顯示的梯度分布及高層云砧走向（圖12b），可勾畫出本次雹云成熟階段“0 線”結(jié)構(gòu)及大雹增長運(yùn)行軌跡示意圖（圖12a）。由圖8d可見，中空氣流存在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，加之低層存在輻合上升運(yùn)動(dòng)，基于連續(xù)性要求，可繪出主上升氣流：由低層向北、向上斜升入流，在5—6 km 高度（對應(yīng)中氣旋）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，上升到高層后向東北方向出流；圖12a 中“0 線”和上升運(yùn)動(dòng)區(qū)是依據(jù)有界弱回波區(qū)結(jié)構(gòu)和徑向速度繪出的，并給出了推測的粒子在此流場結(jié)構(gòu)中循環(huán)增長成大雹的軌跡，數(shù)字0—8 表示粒子運(yùn)行位置，灰色圓表示其增長尺度變化。

圖12 濰坊雷達(dá)15 時(shí)30 分“0 線”結(jié)構(gòu)及大雹循環(huán)增長軌跡示意（a，虛線圈表示上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，由外向內(nèi)上升速度增大）、垂直累積液態(tài)含水量（b，白色箭頭指示高空云砧走向）Fig.12 The "0 line" structure and hailstorm growth track diagram at 15：30 BT derived from observations of Weifang radar（a，dotted circle indicates main updraft area，and the rising speed increases from outside to inside），VIL（b，white arrow indicates the moving direction of high altitude anvil clouds）

可以推測，某個(gè)水凝物粒子從0 處隨主上升氣流運(yùn)行經(jīng)過1 到云體上部并長大后（或已長大成雹胚），在出流帶動(dòng)下進(jìn)入弱上升氣流區(qū)下落到2；在云高層出流和其落速驅(qū)動(dòng)下，下落并穿越“0 線”到達(dá)3，此處是入流區(qū)；在入流區(qū)，粒子由下落轉(zhuǎn)隨上升氣流而上升，轉(zhuǎn)入第二輪循環(huán)運(yùn)行增長。經(jīng)第一輪1—3 的運(yùn)行，粒子已長大且落速也增大，接下來的運(yùn)行軌跡就可向上升氣流中心區(qū)靠攏。處于位置3 的粒子繼續(xù)在斜升氣流托帶下，在4 處穿過“0 線”再次進(jìn)入出流區(qū)，完成第二輪循環(huán)增長。經(jīng)歷多次往復(fù)循環(huán)后，粒子運(yùn)行軌跡逐漸收縮靠近“0 線”，進(jìn)入強(qiáng)上升氣流中心區(qū)（位置5）；此時(shí)粒子已長大為雹，并進(jìn)一步隨主上升氣流到達(dá)雹云頂部（位置6），由于這里的上升氣流小于冰雹落速，無法將其托住，大雹經(jīng)7 直落到地面8 處，形成回波墻。

同理，眾多大粒子群沿此示意軌跡循環(huán)長大。在粒子增長過程中，“0 線”結(jié)構(gòu)和氣流對不同尺度粒子的運(yùn)動(dòng)具有篩選和約束作用，其作用機(jī)理為：粒子末速隨其尺度增大而增大，當(dāng)粒子末速小于上升氣流速度時(shí)，粒子隨上升氣流向上越過“0 線”后隨出流向外移動(dòng)，就無法進(jìn)到云中強(qiáng)上升中心。但隨著粒子向外流出，因所處位置上升氣流變?nèi)酰Ｗ訒?huì)快速下落，當(dāng)下落經(jīng)過“0 線”后再次進(jìn)入了入流區(qū)，開始下一輪的循環(huán)過程，即粒子被“0 線”兜回來而不能脫離。粒子在循環(huán)增長過程中，只有長成大冰雹，末速增大到一定程度，才能進(jìn)入并越過云體最強(qiáng)上升氣流區(qū)，而后隨高層出流偏離主上升氣流并下落?？傮w看，隨著粒子平均尺度的增大，冰雹的平均位置逐漸向主上升氣流中心區(qū)上部移動(dòng)，此處云體為過冷水的累積區(qū)，可使冰雹尺度進(jìn)一步增大。

由此可見，雹云中的“0 線”結(jié)構(gòu)具有特定的成雹功效，對大粒子群具有向“0 線”附近鄰域聚集或吸入效應(yīng)，有利于大雹的增長。在此特定結(jié)構(gòu)下，小粒子（雹胚）匯聚在“0 線”附近形成懸垂回波（O），不同尺度冰雹、過冷水等集中區(qū)形成有界弱回波區(qū)頂部，而冰雹密集下落的區(qū)域形成回波墻（W），在O—W 之間形成有界弱回波區(qū)，雹云呈現(xiàn)的有界弱回波區(qū)—懸垂回波—回波墻結(jié)構(gòu)是這種成雹效應(yīng)在雷達(dá)回波上的表現(xiàn)。上述冰雹增長過程和雹云結(jié)構(gòu)可與數(shù)值模式模擬（許煥斌，2012）相互印證。

6 結(jié)論和討論

（1）本次過程是冷渦天氣系統(tǒng)影響下，在魯中山區(qū)新生、發(fā)展的強(qiáng)雹暴過程。低層暖濕、高層干冷的層結(jié)條件，0—6 km 強(qiáng)的深層風(fēng)垂直切變，較高的整層大氣可降水量等條件，十分有利雹云的發(fā)展和特強(qiáng)冰雹、大風(fēng)的發(fā)生。雹云發(fā)生、躍增迅速，降雹階段的雹云回波頂高、強(qiáng)回波區(qū)面積有較大幅度的波動(dòng)，存在躍增再加強(qiáng)過程，導(dǎo)致持續(xù)時(shí)間長、冰雹密集、冰雹尺度大的降雹。

（2）濰坊雷達(dá)完整探測得到雹云發(fā)展演變的回波特征，強(qiáng)反射率因子核結(jié)構(gòu)密實(shí)清晰，尤其是有界弱回波區(qū)結(jié)構(gòu)長時(shí)間維持，其直觀物理圖像和明確的動(dòng)力含義堪比典型的加拿大Alberta 冰雹云，分析展現(xiàn)了“0 線”結(jié)構(gòu)及其與輻合、輻散、旋轉(zhuǎn)流場間的配置關(guān)系。青島雷達(dá)觀測雹云的三體散射特征、ZDR柱等特征明顯，有界弱回波區(qū)北側(cè)和上方強(qiáng)回波區(qū)具有ZH大（＞60 dBz）、ZDR?。?1—0 dB）、CC 低（＜0.9）等特征，結(jié)合地面冰雹調(diào)查可判斷為大冰雹集聚區(qū)。

（3）基于雷達(dá)觀測和對成熟階段雹云雷達(dá)回波形態(tài)、強(qiáng)度和三維流場結(jié)構(gòu)的分析，總結(jié)給出了雹云內(nèi)主上升氣流框架和“0 線”結(jié)構(gòu)示意圖，可推測分析這種結(jié)構(gòu)在大雹循環(huán)增長中的托雹機(jī)理及雹云有界弱回波區(qū)—懸垂回波—回波墻結(jié)構(gòu)形成中的作用。“0 線”結(jié)構(gòu)的成雹效應(yīng)取決于主上升氣流、環(huán)境溫度、過冷水含量等因素：主上升氣流上升速度越大，越能托住大冰雹，主上升氣流速度水平梯度越大，越能托住在水平移動(dòng)中快速增長的冰雹；環(huán)境溫度低、過冷水含量高，則冰雹增長快。上述各因素場間配置在本個(gè)例中有著良好的互動(dòng)協(xié)同關(guān)系，十分有利于大雹的生長。

當(dāng)然，本研究主要利用雷達(dá)探測資料，通過定性分析建立雹云三維流場結(jié)構(gòu)，探討大冰雹形成的機(jī)制。事實(shí)上，冰雹形成過程十分復(fù)雜，大粒子在云中運(yùn)行增長過程中，伴隨著尺度增長和相態(tài)變化，其運(yùn)行增長軌跡不單是流場能確定的，還與云體溫度、濕度、水凝物場等的實(shí)際狀況及云降水物理過程密切相關(guān)?？梢哉f，成雹粒子群運(yùn)行增長的軌跡簇是云體宏、微觀場相互作用的綜合體現(xiàn)，要進(jìn)一步揭示其規(guī)律及掌握實(shí)況，將有賴于對實(shí)體雹云內(nèi)部風(fēng)場、溫度、濕度及過冷水等微物理量的實(shí)時(shí)探測手段和綜合分析能力的加快提升。

致謝：感謝中國氣象科學(xué)研究院胡志群研究員提供的雙雷達(dá)風(fēng)場反演軟件并給予指導(dǎo)。感謝上海中心氣象臺戴建華首席預(yù)報(bào)員提供探空訂正軟件及指導(dǎo)。