1 引 言
强对流天气是大气对流活动剧烈发展而产生的灾害性天气， 包括冰雹、 雷暴大风、 短时强降水等。通常将落到地面直径超过2 cm的冰雹称为强冰雹（俞小鼎等， 2006）。中国春夏季强对流天气频发， 强冰雹事件时有发生， 强冰雹往往带来更大的破坏力， 给农业、 交通、 建筑等造成巨大损失。中外学者们的研究表明， 有利于强冰雹的环境条件是0~6 km较大的垂直风切变、 冰雹增长层较大的对流有效位能、 合适的0 ℃层高度； 强冰雹的多普勒天气雷达回波特征包括高悬的强回波， 中高层回波悬垂和弱回波区， 超级单体有界弱回波区， 三体散射、 垂直累积液态含水量的异常大值等（Browning and Foote， 1976； Heymsfield et al， 1980； 俞小鼎， 2006， 2014， 2016； 吴剑坤和俞小鼎， 2009； 郑永光等， 2017）。在强冰雹的环境条件、 雷达特征方面已开展了许多研究（曹艳察等， 2018； 朱平和俞小鼎， 2019； 王研峰等， 2019； Yin et al， 2019）。针对冰雹识别预警客观算法方面也取得新的研究成果（刘新伟等， 2021a， 2021b）。近年来， 在冰雹增长方面的研究也取得一些进展， 得到重要的研究成果， 如： 强风暴微物理结构的变化， 可能导致深对流内冰雹大小的变化（Van and Cotton， 2002）； 超级单体内部涡旋特征的出现和维持有利于大冰雹的增长（徐芬等， 2016）； 雹云中冰晶和霰粒子含量的迅速增加， 可为冰雹的再次增长提供有利的微物理物质转化条件（蒋瑛等， 2016）。学者们也基于不同探测资料对雹云开展观测分析， 如利用双偏振雷达开展对冰雹的观测研究（Smyth et al， 2010； Husson et al， 1989； 王洪等， 2018； 杨吉等， 2020）； 基于火箭探空资料分析雹云内部结构（李金辉等， 2020）等。
强冰雹常常和超级单体紧密相连， 其形成和增长过程与风暴的强度有关。超级单体不仅可产生冰雹， 还导致龙卷、 雷暴大风、 强降水的出现。经典的超级单体经常是相对孤立的， 展现出低层的钩状回波， 有利于其产生的环境包括丰富的低层水汽、 大的垂直不稳定度和强的对流前的逆温顶盖（俞小鼎等， 2006）。中气旋是超级单体的最本质特征（Klemp， 1987； Weisman and Klemp， 1984）。针对超级单体学者们也基于雷达观测资料及数值模拟开展了大量的研究（戴建华等， 2012； 王易等， 2019； 杨波等， 2019； 吴海英等， 2021）。
上述与强冰雹相联系的研究多与我国东部地区和华南地区、 平原地区出现的灾害个例为主要研究对象。贵州地处青藏高原东南侧， 云贵高原东部， 地势西高东低， 高原山地居多， 是我国的多雹区之一（孙继松等， 2014）。春季是贵州冰雹出现的集中期， 中西部为冰雹多发区和重灾区， 具有明显的地域特征， 分布呈西多东少， 沿海拔的降低而分散减少的特点； 贵州东北部地区为少雹区， 年均冰雹日数大部不足1天， 据统计， 贵州冰雹直径多5~10 mm， 40 mm以上的冰雹较为少见， 东北部最大冰雹直径为30 mm（邹书平， 2017； 蒋瑛等， 2016）。但是， 2020年5月4日傍晚东北部岑巩县羊桥、 水尾等乡镇却出现了冰雹直径达70 mm的罕见强冰雹事件， 突破目前贵州可查询的有气象记录以来的冰雹历史记录。针对此次冰雹过程， 省市县气象台虽然提前发布了强对流天气预报， 但在强对流潜势预报中降雹落区偏小， 临近预警中发布了冰雹预警信号， 但缺乏冰雹直径预报的有效方法， 结合预报经验也未能预测到尺寸如此之大的冰雹。
如此罕见的大冰雹对业务预报以极大的挑战， 非常值得深入研究。引发罕见大冰雹的影响天气系统是什么？冰雹超级单体是如何触发和发展增强， 最终导致一次强雹事件？针对这些问题， 本研究分析造成此次强冰雹超级单体风暴的演变过程， 研究其结构特征和发展原因， 可为进一步发展高原大冰雹的预报预警提供参考依据。
2 资料来源与方法介绍
使用的资料包括： （1）常规高空探测数据、 分钟级自动气象站观测资料； （2）欧洲中心（ECMWF）空间分辨率0.125°×0.125°的ERA-Interim逐小时全球再分析数据； （3）多普勒天气雷达探测资料使用三穗雷达探测数据分析。这主要是因为羊桥海拔512 m， 其东北方向距离54 km附近有铜仁多普勒雷达（海拔790 m， C波段）， 南偏西方向61 km附近为三穗多普勒雷达（海拔776 m， C波段）， 南偏西方向230 km附近为榕江双偏振雷达（可用探测距离230 km， 2020年5月处于试用期）， 北偏西方向170 km附近为务川双偏振雷达（可用探测距离150 km， 2020年5月处于试用期）。因榕江和务川双偏振雷达处于试用期， 且距离羊桥均接近或超过有效探测距离， 无法有效捕捉到该风暴， 铜仁雷达距离羊桥近， 但因梵净山山脉（位于铜仁市东面、 岑巩县北面）地形遮挡， 铜仁雷达对该超级单体风暴的探测强度偏弱， 因此选用探测效果相对最佳的三穗多普勒雷达探测数据。（4）以ERA-Interim 0.125°×0.125°分析资料为初始边界条件， 三重双向嵌套的WRF模式数值模拟结果。数值模拟的初始时刻为5月4日08:00（北京时， 下同）， 积分24 h。网格中心点为108.6°E、 27.1°N； 大区域网格数35×35， 格距27 km， 第二重嵌套区域网格数为73×70， 格距9 km， 第三重嵌套网格数为157×145， 格距3 km， 第三重网格的输出时间分辨率为10 min， 模式垂直层次为60层。第三重网格物理方案的选择： 微物理方案采用WSM-6微物理方案， 关闭积云对流方案， 边界层方案选用Mellor-Yamada-Janjic （MYJ）方案， 长短波辐射过程选用Rapid radiative transfer model for general circulation Models （RRTMG）辐射方案， 陆面过程选用Noah陆面过程方案。
本文对冰雹发生的天气背景和环境条件分析是基于高空、 地面实况探测和ERA-Interim再分析资料， 超级单体风暴的结构特征分析是基于三穗多普勒天气雷达探测资料， 而对超级单体风暴的触发和发展的探讨基于地面加密观测， 并结合3 km分辨率数值模式模拟的结果。
文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为［GS（2019）3082号］的中国地图制作， 底图无修改。
3 冰雹天气实况和羊桥现场调查
3.1 天气实况
2020年5月4日傍晚贵州东北部出现强对流天气， 根据当地气象台站和人影炮站等渠道收集的降雹信息显示， 贵州20个县域内47乡（镇）出现不同程度的降雹， 54个六要素观测站记录到8级以上雷暴大风， 降雹落区如图1 （a）所示（大部分乡镇降雹时段在16:30 -19:30）， 其中多个乡镇观测到直径15 mm以上的冰雹， 最大冰雹直径出现在岑巩县羊桥、 水尾等乡镇， 羊桥人影炮点测量到的冰雹直径达70 mm， 降雹时间18:12 -18:22， 密度为每平方米10粒。伴随着降雹也出现了局部的对流性降雨， 18:00 -19:00羊桥测站降雨为16 mm。主要降雨时段发生在4日20:00至5日02:00［图1 （b）］， 由18:30后贵州西北部新生的对流系统自西向东北方向移动导致， 东北部边缘出现暴雨。本文主要聚焦冰雹阶段。
3.2 岑巩羊桥现场调查
现场调查是分析和确认中小尺度灾害天气的重要手段之一， 可以为确定突发灾害天气的时间、 地点、 具体灾情和灾害程度等提供支持（郑永光等， 2016； 朱文剑等， 2016）。针对此次冰雹灾害， 5月7 -8日贵州省气象局组织调查组对黔东南州岑巩县羊桥乡冰雹灾害开展灾情调查（图略）。羊桥乡政府所在地附近多辆轿车前后挡风玻璃被冰雹击穿， 或车身出现裂痕和凹陷， 彩钢屋顶顶棚以及羊桥乡人影炮站瓦房屋顶被击穿； 羊桥乡郑福村受灾区域呈带状分布， 路灯顶部太阳能板被击穿， 多间老旧瓦房屋顶被完全摧毁。当地有村民被冰雹击中头部而受伤。羊桥乡人影炮站测量到落入炮点的冰雹直径为70 mm， 但据炮站人影作业人员表示， 还有更大的冰雹（形状不规则， 不易测量）。
4 冰雹发生的天气背景和环境条件
4.1 天气背景
5月4日08:00［图2 （a）］， 对流开始前， 南支分裂短波槽缓慢向东移动， 影响贵州至江南， 地面为暖低压控制， 中心值997.5 hPa； 17:00［图2 （b）］高空槽进入贵州北部， 槽前正涡度平流加强了低层低压系统的发展， 有利于形成低层暖平流和系统性抬升， 700 hPa（图略）西南急流发展， 中心最大风速20 m·s-1， 850 hPa川东南低涡南压至贵州西北部形成冷式切变， 切变北侧偏北风加大到6 m·s-1， 南侧维持10~12 m·s-1偏南风， 风暴发生在距离850 hPa低涡中心东南侧160 km的低空急流出口暖区中， 925 hPa ［图2 （c）］边界层贵州东北部有切变线， 两侧风速相当， 且处于高能舌前端。此天气形势场与贵州强冰雹天气“高空槽型冰雹”（万雪丽等， 2017）天气形势类似， 短波槽和地面热低压背景下， 低层强烈的暖平流， 叠加动力扰动， 触发对流系统。本次对流天气出现在贵州北部， 主要是因高空槽位置偏北， 中西部处于地面暖低压中心， 湿度较低， 而北部处于暖低压的边缘， 高空槽前， 更有利于增湿和抬升。
图2 2020年5月4日08:00（a）和17:00（b）500 hPa位势高度场（等值线， 单位： dagpm）和850 hPa风场（风羽）， 18:00（c）925 hPa风场和相对湿度（彩色区， 单位： %）、 假相当位温（等值线， 单位： ℃）以及08:00怀化探空（d）图（a）和（b）中灰色阴影表示地形大于1500 m的区域， 图（c）中灰色阴影表示地形大于1000 m的区域， 图（a）~（c）中棕色线区域为贵州省 Fig.2 The height field at 500 hPa （contour， unit： dagpm） and the wind field at 850 hPa at 08:00 （a）， 17:00 （b） on 4 May 2020， and the wind field and relative humidity （color area， unit： %） at 925 hPa at 18:00 （c） on 4 May 2020 and potential pseudo-equivalent temperature （contour， unit： ℃） and Huaihua sounding at 08:00 （d）.In Fig.2（a） and （b）， the gray shadow area stands for terrain height more than 1500 m， in Fig.2（c）， the grey shaded area stands for terrain height more than 1000 m， and in Fig.2（a）~（c）， The region in the brown line is Guizhou Province |
4.2 热力环境条件
探空站观测能近似代表其周围100~200 km的大气状态。距羊桥乡最近的探空站为湖南怀化站， 距离100 km左右， 位于对流风暴的下游。分析怀化探空， 08:00［图2 （d）］探空廓形呈现典型的V形结构， 湿层位于边界层较浅薄， 干冷层深厚， 相对湿度低， 有利于对流风暴中产生强下沉气流， 形成雷暴大风和地面冷池， 从地面抬升的对流有效位能（CAPE）为1055 J·kg-1， 午后太阳辐射的加热作用， 使不稳定能量进一步增强， 20:00（图略）CAPE增加至1478 J·kg-1， 0~6 km垂直风切变在08:00由13 m·s-1增加至23 m·s-1， 属于强的深层垂直风切变， 有利于增强中高层干冷空气的吸入， 与低层暖平流的抬升形成高度组织化的对流风暴。干球温度0 ℃、 -20 ℃层和-30 ℃层高度距离地面4.9 km、 8.2 km和9.5 km， 较贵州5月历年冰雹日0 ℃层高度的平均高度4.6~4.7 km偏高（周永水等， 2012）， 但研究表明， 湿球温度0 ℃层才是冰雹融化层的近似高度（俞小鼎， 2014； 郑永光等， 2017）， 当日08:00冰雹融化层高度（湿球温度0 ℃层高度）距地面大致为4 km左右， 因此是有利于冰雹的产生。
5 冰雹超级单体风暴的移动与结构特征
5.1 超级单体风暴的移动
贵州初生冰雹云的主要源地为西部， 产生强对流的天气自西部县市向东移动， 在移动过程中发展加强， 形成冰雹云带（邹书平， 2017）。本次强冰雹对流云团的初始生成和移动路径与典型冰雹形成源地不同， 对流单体在贵州北部初生（图3 ）。15:00开始零散的小尺度对流单体生成并逐步形成多单体风暴。其中单体A自16:00开始发展为一个超级单体， 向东移动， 先后造成多个乡镇出现降雹。18:00之后该超级单体的移动方向南吊， 进入岑巩县北部， 造成羊桥、 水尾等乡镇在18:12 -18:22出现直径70 mm的大冰雹。19:00该超级单体进入湖南。
图3 2020年5月4日15:00 -19:00贵州北部强风暴超级单体移动轨迹（黑线）A、 B、 C分别代表三个超级单体， 黑色圆点、 黑色三角形和黑色五角星分别为该单体的最强反射率因子核心 Fig.3 The moving track （black line） of the strong storm supercell in northern Guizhou from 15:00 to 19:00 on 4May 2020.The capital letter A， B and C respectively represent the three supercells， with black dot， black triangle and black five-pointed star as the core of the strongest reflectivity factor |
5.2 超级单体风暴的结构特征
本节使用三穗多普勒雷达探测数据进行分析。图4 为影响羊桥的超级单体风暴雷达要素时间演变情况。该风暴单体在移动过程中以孤立单体形态存在， 万雪丽等（2017）在对近13年贵州春季强冰雹的雷达特征研究显示， 贵州冰雹云回波以孤立对流云回波单体为主， 孤立单体有利于其强度的维持。16:00单体持续增强， 16:07开始最大反射率因子维持在60 dBz以上， 回波顶高维持在13 km以上， 垂直累积液态水含量VIL持续增加， 从最初的8 kg·m-2， 20 min后跃增至60 kg·m-2； 17:28最大反射率因子超过70 dBz， 回波顶高达18.9 km， 冲破对流层顶， VIL增加至96.4 kg·m-2， 表明风暴内的上升气流异常旺盛， 雹胚正在对流系统强上升气流中生长。18:02反射率因子再次增强至71.5 dBz， VIL达到最高值105 kg·m-2， 风暴强度达到顶峰， 18:14 VIL急降至58.2 kg·m-2， 表明云内水成物下降， 18:25降至37.6 kg·m-2， 据羊桥乡灾情反馈， 18:12左右当地开始降雹， 时间持续10 min， 与之对应的正好是VIL的急剧降低。降雹后， 风暴又再次发展， 并向东进入湖南境内给怀化的新晃和芷江造成雹灾（最大冰雹直径30~40 mm）。
已有观测表明， 高垂直累积液态水VIL与大冰雹有较好的对应， 冰雹直径会随着VIL的增大而增大（俞小鼎等， 2006； 吴芳芳等， 2013）。前述分析显示风暴单体中VIL持续高于50 kg·m-2的时间长达2 h， 超过80 kg·m-2时长接近1 h， 极值（105 kg·m-2）出现在降雹前10 min， 显著高于华南和苏北地区统计的大冰雹的VIL值（胡胜等， 2015； 覃靖等， 2017； 吴芳芳等， 2013）。VIL长时间维持异常高值是该冰雹云能长时间维持高强度的重要原因， 也反映出此次冰雹的极端性。因此在冰雹的短临预报中， VIL的高数值是特别需要关注的， 可辨别大冰雹的出现。
选取羊桥降雹前临近时刻18:08的雷达探测， 进一步细致分析此超级单体三维结构特征。图5 （a）~（d）为低、 中、 高仰角雷达反射率因子， 可以清晰看到， 低层出现明显的钩状结构， 0.5°仰角和1.5°仰角最大反射率因子位于钩状回波的东北部， 强度67.5 dBz， 2.4°仰角最强反射率因子达70 dBz， 3.4°仰角最强反射率因子位于钩状的东侧， 出现高反射率因子的悬垂； 沿雷达径向方向， 长钉状的三体散射可见， 钉状回波强度超过25 dBz， 沿风暴入流一侧有入流缺口， 从低到高反射率因子向入流一侧倾斜， 垂直剖面［图5 （e）］上回波悬垂清晰可见， 对流风暴发展高度接近19 km， 55 dBz回波发展到14 km， 远高于当日-20 ℃层高度（8.3 km）和 -30 ℃层高度（9.6 km）， 有利于冰雹的增长。
图5 2020年5月4日18:08三穗不同仰角雷达反射率因子（a~d， 彩色区， 单位： dBz）与反射率因子（彩色区， 单位： dBz）沿AB线的垂直剖面（e）Fig.5 The reflectivity at different Angle of elevation （a~d， color area， unit： dBz） and the reflectivity （e， color area， unit： dBz） echo along the solid lines AB in the figure a profile from Sanhui radar at 18:08 on 4 May 2020 |
超级单体风暴伴随着持久而深厚的中气旋（俞小鼎等， 2006）。风暴发展初期的速度分布图（图略）， 0.5°仰角风暴内以正速度为主， 17:16负速度开始增加， 风暴右侧开始出现气旋性旋转， 17:45后风暴内旋转进一步增强， 18:08三穗雷达0.5°仰角［图6 （a）］可见沿雷达径向最大入流速度中心位于左侧， 表明气旋性旋转， 对应高度存在辐合， 最大正径向速度为20.5 m·s-1， 最大负径向速度为-23 m·s-1， 两者差值大于40 m·s-1。1.5°仰角［图6 （b）］径向速度也表现为辐合和气旋性旋转， 2.4°仰角［图6 （c）］辐合较弱， 风暴顶（14.6°仰角， 图略）为辐散。经过羊桥乡沿径向的垂直剖面［图6 （d）］显示， 中层有明显旋转， 高层为强辐散。该风暴对应的气流结构是一个中尺度涡旋， 与高反射率因子的回波悬垂相联系的是强烈的上升并旋转的气流。由于C波段雷达存在一定的数据质控或噪声问题， 高低起伏的山地地形也造成数据衰减或遮挡， 无论是GR2 Analyst分析软件还是PUP软件的中气旋自动识别系统， 均没有识别到中气旋， 初步推测气旋性旋转中很大可能是存在中气旋的。前述这些特征仍然是符合经典超级单体风暴的结构特征。
6 超级单体风暴的发展机制
6.1 近地面的触发及发展条件
4日15:00 ［图7 （a）］孤立的多个小尺度对流单体沿地面辐合线被触发， 风暴A生成（图3 ）。风暴发展加强期（16:00 -18:00）， 850 hPa处于切变线东南侧8~10 m·s-1偏南气流影响下， 925 hPa贵州北部有切变线发展（图2 ）， 地面风场辐合中有多个小尺度涡旋逐步发展。16:00［图7 （b）］羊桥北侧可以分析出一段辐合线， 其西段为小尺度涡旋， 与风暴A对应， 羊桥附近气温升至30~35 ℃， 露点温度18~22 ℃， 相对湿度在40%~55%， 比湿14~17 g·kg-1， 虽然相对湿度较低， 但比湿较高， 地面到边界层处于高温高湿环境， 可以满足雷暴发生所需的温湿条件。17:00［图7 （c）］北部对流导致的冷池显著增强， 羊桥仍处于地面辐合线南侧的高温区中， 风暴A沿着辐合线移动， 最强反射率因子维持在60 dBz以上， 逐3 h变压场上对流区域为-3~ -2 hPa的负变压， 这与高空槽前的正涡度平流和边界层暖平流有关， 较大的3 h负变压在与风场辐合相适应过程中， 中尺度涡旋辐合为风暴持续发展提供了有利条件。
17:30 -18:00［图7 （d）~（f）］地面辐合线呈东西向， 位于羊桥北侧， 由于山区局部地形的作用， 风向零乱， 羊桥北侧偏东风8 m·s-1， 南侧偏南风6 m·s-1， 辐合线西段的北风风速为4~6 m·s-1， 南风风速为2 m·s-1， 较东段弱， 且北侧的风速较南侧大， 辐合线南侧有大范围温度高于29 ℃的暖区， 因此风暴A沿着此辐合线向东移动过程中有向暖区南移的分量， 18:00风暴中心向南进入羊桥， 其北侧由对流风暴引起的冷池效应显现。数模模拟研究已表明（Feng et al， 2015）， 冷池可以驱动强对流天气的维持和发展。17~18 h期间， 冷池驱动下， 导致风暴移动过程中南吊， 羊桥南侧维持29 ℃以上高温， 具有不稳定能量的暖空气， 在低空偏南气流抬升作用下， 对流单体得以继续发展。
6.2 超级单体发展的动力条件
冰雹要长很大， 一个前提条件是雷暴内有很强的上升气流。根据前述雷达特征的分析可知， 导致冰雹发生的超级单体在18:00 -18:10达到最强阶段。但分析ERA-Interim逐小时全球再分析数据， 发现18:00和19:00在羊桥附近并没有出现较强的垂直上升运动（图略）， 这可能与该超级单体的尺度有关， 再分析数据在时空分辨率上均无法捕捉到。因此， 本节使用3 km分辨率数值模拟结果， 试图揭示冰雹发生时风暴的动力结构。为确定数值模拟的可靠性， 对数值模拟的降水效果进行评估（图略）， 4日14:00 -20:00（实况以冰雹为主的对流阶段）模拟降水与实况趋势一致， 但对流性降雨的强度和范围偏大， 羊桥附近模拟降雨为小到中雨， 与实况趋势一致； 4日20:00至5日02:00（实况以对流性降雨为主阶段， 新生对流单体影响）， 模拟降雨落区与实况一致， 但强度和范围仍然偏强。此次模拟基本反映了天气实况， 具备一定的可靠性。
分析模拟的羊桥逐10 min垂直运动的演变（图略）发现17:30 -17:50， 羊桥垂直上升运动很弱， 且主要在6 km以下， 18:00 -18:10仅10 min时间， 上升运动强度迅速增强， 高度发展至14 km， 18:20后垂直运动又迅速减小， 此时对应地面降雹结束。时间演变显示， 该超级单体尺度小， 在到达羊桥上空时迅速增强， 垂直上升运动强烈发展， 移动快， 不足20 min的时间移出羊桥。
根据上述时间变化特征和雷达观测事实， 以18:10代表该超级单体的最强时刻， 沿羊桥乡所在点的经向垂直剖面如图8 所示。该超级单体为中-γ尺度的深厚湿对流单体， 单体内有非常强大的上升气流， 垂直上升运动伸展至15 km， 最强垂直上升速度达16 m·s-1。云体内水汽含量充沛， 5 km以下为暖云， 雨水含量大值区在4 km附近， 达2.4 g·kg-1， 5 km之上为冷云， 固态水凝物的大值区位于10~13 km处， 超过2 g·kg-1， 显著超过了-30 ℃层（10 km左右）。吴剑坤和俞小鼎（2009）的研究指出， -30~-10 ℃层是冰雹的主要增长层， 在雹胚相同的前提下该层内的上升气流较强则出现强冰雹的概率大。模拟所展现的超级单体的动力特征与18:08三穗雷达回波特征一致， 雷达图上反射率因子超过60 dBz的回波发展到12~13 km， 形成一个高悬的强回波（图5 ）， 模拟可见云体内7~13 km垂直上升运动达12~16 m·s-1， 说明风暴内出现了非常强烈的上升气流， 在上升气流的托力下， 云内水凝物向高空发展， 含量超过2 g·kg-1， 雷达探测的垂直累积液态水含量超过80 kg·m-2， 与云体内丰富的水凝物相对应， 这是出现大冰雹的重要原因。
图8 模拟的（3 km）格距2020年5月4日18:10沿羊桥的垂直剖面阴影为垂直速度（单位： m·s-1）； 紫色等值线为固（液）态水凝物含量（单位： g·kg-1）； 红色粗实线为0 ℃、 -20 ℃和-30 ℃线； 风矢量为垂直运动W与水平风U的合成（单位： m·s-1） 三角形标识羊桥所在位置 Fig.8 The vertical profile by simulated data （3 km grid） along Yangqiao at 18:10 on 4 May 2020.The shadow is the vertical velocity （unit： m·s-1）； The purple contour line is the Solid （liquid） hydrocoagulant content （unit： g·kg-1）； The thick red lines are 0 ℃， -20 ℃ and -30 ℃； The wind vector is the combination of vertical movement W and horizontal wind U （unit： m·s-1）.The black triangle indicates the position of Yangqiao |
进一步分析该时刻不同高度的风场和涡度场［图9 （a）~（c）］。800 m高度（与三穗雷达探测该地0.5°仰角高度接近）， 羊桥附近有西北风和偏南风的小尺度辐合； 1.5 km高度羊桥附近为偏西风和西南风的辐合， 涡度的大值中心强度3×10-3 m·s-1； 2 km高度（与雷达探测1.5°仰角高度接近）为强盛的西南气流， 涡度中心。云内4~10 km出现深厚的涡度对［图9 （d）］， 最强中心出现在6~8 km， 强度达4×10-3 m·s-1。
图9 模拟的（3 km）格距2020年5月4日18:10在0.8 km高度（a）、 1.5 km高度（b）和2.0 km高度（c）风场（矢量， 单位： m·s-1）和垂直涡度（等值线， 单位： ×10-3 s-1）， 以及沿羊桥的涡度垂直剖面（d， 等值线， 单位： ×10-3 m·s-1）三角形符号标识羊桥所在位置 Fig.9 The wind field （vector， unit： m·s-1） and vertical vorticity （contour， unit： ×10-3 s-1） at an altitude of 0.8 km （a）， 1.5 km （b） and 2.0 km （c）， and the vertical section of vorticity （d， contour， unit： ×10-3 m·s-1） along Yangqiao at 18:10 on May 4 2020 by simulated data （3km grid）.The triangle marks the location of the Yangqiao |
结合前述地面加密自动站的分析可以看到， 地面辐合线及其上的中尺度小涡旋作为动力触发条件， 在低层辐合并产生强烈的上升运动， 强烈的上升气流将水平涡度扭转为垂直涡度， 并由上升气流向上输送， 使对流风暴能有组织地剧烈发展， 上升气流区对应正涡度带。垂直运动与垂直风切变（地面至6~8 km可见强垂直风切变）共同作用， 产生强涡旋， 数值模拟出的强涡度正是强涡旋的表现， 对超级单体的维持和发展起着关键作用， 有利于支撑空中大冰雹的增长， 雷达回波上表现为高悬的强反射率因子。图10 给出了基于地面观测、 雷达分析和高分辨率数值模拟的此次强孤立超级单体风暴云与环境气流的示意简图， 表征了此孤立风暴的高度组织化特征。
7 结论和讨论
2020年5月4日傍晚， 云贵高原东北部出现罕见的大冰雹， 黔东南州羊桥乡最大冰雹直径达到70 mm， 灾后现场调查显示， 冰雹直径大， 破坏力强。本文综合多种观测资料和ERA-Interim再分析资料， 并借助数值模式模拟结果， 详细分析了此次冰雹过程的主要影响天气系统的三维结构特征和发展， 主要得到如下结论：
（1） 此次罕见的大冰雹天气发生在高空槽前暖区， 较大的垂直风切变、 适宜的湿球温度0 ℃层高度、 较高的CAPE等有利于对流系统发生的环境条件。
（2） 造成羊桥罕见大冰雹的影响天气系统是中-γ尺度孤立对流系统的超级单体风暴， 其生成源地和路径与贵州雹云的主要初生源地不同。该超级单体呈典型的钩状回波状， 最大反射率因子超过70 dBz， 出现高反射率因子悬垂和弱回波区、 三体散射等经典超级单体的主要雷达回波特征， 与高反射率因子回波悬垂相联系的是强烈的上升并旋转的气流， 中低层具有气旋性旋转， 风暴顶辐散； 垂直累积液态水含量（VIL）出现异常高值， 达105 kg·m-2。
（3） 地面辐合线的激发和小涡旋的发展是超级单体风暴形成的原因； 近地面冷池是超级单体风暴发展和增强的主要促进因素。3 km分辨率数值模式模拟的结果表明， 超级单体到达羊桥上空时迅速增强， 经向垂直剖面出现超过15 m·s-1的上升运动， 对应强的正涡度带； 云体内水汽含量充沛， 冰雹增长层具有丰富的水凝物含量； 均对超级单体风暴的发展和冰雹的增长起关键作用。
值得说明的是， 贵州典型的冰雹过程对流单体一般在西部初生， 自西向东发展加强， 降雹以中西部地区为主， 但本次强冰雹过程却发生在贵州东北部， 与典型路径不同， 对流单体在北部初生， 向偏东和东北方向移动， 这主要是由于本次天气过程高空槽位置偏北， 北部地区处于地面暖低压边缘， 温湿条件较西部有利的缘故。在相对有利的对流环境条件下， 地面温湿条件， 特别是湿度条件， 配合地面的辐合扰动， 对于对流单体的初生和发展起重要的作用。预报员需要克服经验思维， 更加关注地面自动站和雷达的探测分析， 这将有助于更好地把握对流单体的移动路径和发展强度。
另外， 由于C波段雷达存在一定的数据质控或噪声问题， 山地地形造成数据衰减或遮挡， 该超级单体C波段雷达探测没有识别出中气旋， 但单体仍然具有很强的气旋性旋转， 回波特征符合S波段雷达探测的经典超级单体回波特征， 异常高的VIL可以作为大冰雹临近预警指标。暖湿环境下， 风暴内中-γ尺度的涡旋， 异常强的上升气流使风暴高度组织化， 从而发展为超级单体风暴。因孤立超级单体风暴尺度小、 发展快， 大冰雹的潜势预报仍然存在困难， 数值模式模拟启示我们对于暖区中小尺度系统， 高精度时空分辨率的中尺度模式， 结合雷达探测对于冰雹预警是有重要的指导意义的。