1 引言
极端冰雹（Significant Severe Hail）是指落到地面上直径超过5 cm的冰雹（俞小鼎等， 2020）， 常由发展迅速的中小尺度天气系统造成， 具有很强的破坏性。大多数极端冰雹是由超级单体风暴直接产生， 长时间的、 强的上升运动是支撑冰雹增长为大冰雹的必要条件， 观测研究发现产生大冰雹的对流风暴内部上升速度可超过 40~50 m·s-1 （Miller et al， 1988）， 而较强的深层垂直风切变和对流有效能量则是有利于超级单体风暴发展的环境条件（Johns and Doswell， 1992）。Moller et al（1994）指出， 当地面有雷暴大风和冰雹天气时， 超级单体低层反射率因子往往具有明显的钩状回波和入流缺口。Greene and Clark（1972）建立了垂直液态水含量（Vertically integrated liquid water content， VIL）与大冰雹可能性之间的关系。Edwards and Thompson（1998）统计得到冰雹直径随着VIL 的增大而增大， VIL在55 kg·m-2以上的一般产生3 cm以上的冰雹。Witt et al （1998）得出如果有强度大于50 dBZ的反射率因子核伸展到-20 ℃等温线高度之上， 则大冰雹有可能产生， 且反射率因子核强度值越大， 伸展相对高度越高， 大冰雹发生的可能性和最大冰雹直径越大。强冰雹的回波高度与融化层厚度之间线性相关系数为0.86（Rodney and Karl， 2007）。Zrnic（1987）以及Lemon （1998）指出三体散射（（Three_body scatter signature， TBSS）特征出现后10~30 min内， 直径超过2.5 cm的冰雹将降落地面。Witt and Nelson（1984， 1991）探讨了10 km高度上的径向辐散气流速度与降雹的关系， 指出产生强冰雹的正负速度差的阈值为38 m·s-1。
国内学者模拟了雹暴过程中的对流系统的演变特征（吴海英等， 2021）， 总结了强冰雹产生的环境背景和雷达回波特征（俞小鼎等， 2006， 2012， 2020）。强冰雹云具有高悬的强回波、 最大反射率因子常常超过65 dBZ、 VIL值大且降雹前跃增， 雷达回波中存在中低层弱回波区（Weak Echo Region， WER）和中高层回波悬垂、 钩状结构或V 形缺口等特征（冯晋勤， 2012； 苏永玲等， 2018）， 当存在中低层WER和中高层回波悬垂、 TBSS（常伴随旁瓣回波）、 强烈风暴顶辐散、 有界弱回波区（Bounded Weak Echo Region， BWER）将表明有大冰雹存在（雷蕾等， 2019； 刁秀广等， 2008）。S波段天气雷达的TBSS是强冰雹特有的特征， 在出现TBSS时， 几乎所有雹暴都降了2 cm以上的强冰雹， 是强冰雹预警的充分条件， 而旁瓣回波对强降雹具有一定的临近预警作用（廖玉芳等， 2007， 2008）。另外在冰雹天气分类识别及预报方面也开展了相关研究（钟敏等， 2022； 刘新伟等， 2021； 张秉祥， 2014）， 部分地区建立了适用于本地区的冰雹云雷达产品预警指标（王莎等， 2019； 敖泽建， 2017）； 覃靖等（2017）认为超级单体最大反射率因子达到60 dBZ， 且50 dBZ以上强回波区伸展到-30 ℃层高度以上时可能会出现大冰雹。近年来， 随着双极化多普勒天气雷达的应用， 进一步揭示了冰雹过程发展、 成熟和降雹阶段的观测特征（刁秀广等， 2021； 张文海和李磊， 2019）， 总结了小冰雹、 大冰雹、 巨大冰雹的双偏振参量大致参考值范围（俞小鼎等， 2020）， 提高了冰雹预报预警准确率， 但冰雹的判识仍存在不确定性（Picca and Ryzhkov， 2012）。目前专门针对极端冰雹雷达回波特征的研究鲜少涉及， 有必要对其进行详细研究， 为获取具有极端冰雹指示意义的判识因子和今后类似天气过程的临近预警提供参考。
2005年6月14日到15日凌晨， 受东北冷涡影响， 山东、 江苏西北部、 安徽东北部出现了一次历史上极少见的冰雹天气过程， 最大冰雹直径达15~18 cm， 并伴有雷暴大风和龙卷。这次强对流天气过程影响范围长达500 km， 宽达250 km， 时间长达17 h， 造成直接经济损失13.1亿， 无论从影响范围还是最大冰雹直径衡量， 这次过程都是21世纪来中国最强的冰雹过程。本文利用2005年6月14日08:00（北京时， 下同）至15日08:00新一代多普勒天气雷达资料， 比较分析了这次过程中江苏沭阳、 江苏泗阳、 安徽固镇三地极端冰雹的雷达回波特征。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的中国地图制作， 底图无修改。
2 实况与环境特征
因冰雹并非一定降落在气象观测站上， 冰雹发生地点和大小由以下信息确定： （1）特殊天气报信息， （2）各级气象台站核实并上报的冰雹灾情信息， （3）官方媒体灾情现场报道信息。其中冰雹直径以上述三类信息中的最大尺寸为准， 对于模糊描述的， 如鸡蛋、 乒乓球大小以5 cm计， 核桃大小以3 cm计， 对于未提及冰雹直径的则以小于2 cm计。根据我国冰雹等级标准规范（GB/T27957-2011）将冰雹分为三类： 直径大于等于5 cm为极端冰雹、 大于等于2 cm而小于5 cm为大冰雹、 小于2 cm为冰雹。
统计此次过程三省降雹情况， 共有70个县（区）出现冰雹， 其中10个县（区）报告有大冰雹， 5个县（区）报告有极端冰雹， 冰雹分布如图1 。最大冰雹出现在安徽省固镇县任桥镇刘桥村， 最大冰雹直径达18 cm， 其次是江苏泗阳最大冰雹直径约10 cm， 再其次是江苏沭阳、 山东临沂和安徽定远， 最大冰雹直径约5 cm。
就天气背景和关键环境参数特征而言， 主要影响天气系统是位于内蒙古东部大兴安岭中段阿尔山附近的东北冷涡。上述发生极端冰雹的山东南部和江苏北部位于500 hPa冷涡槽线南段前的西南偏西气流区域， 而发生极端冰雹的安徽北部位于500 hPa冷涡槽线南段后的西北气流控制区（图略）。2005年6月14日20:00徐州探空对上述极端冰雹过程具有较好的代表性， 根据该探空（图略）得到： （1）850 hPa和500 hPa之间的温差（ΔT85）为31 ℃， 地面露点（Td）为20 ℃， 850 hPa露点为14 ℃， 对流有效位能（CAPE）为2600 J·kg-1， 对流抑制能量（CIN）为140 J·kg-1； （2） 0~6 km风矢量差为28 m·s-1； （3）湿球温度0 ℃层（融化层）高度为3.5 km， 干球温度0 ℃层高度为4.4 km， -20 ℃层高度为7.3 km， 上述两层之间的厚度为2.9 km； （4）对流层中层和低层都存在干层， 700 hPa和400 hPa之间平均和最大温度露点差分别为12 ℃和20 ℃， 下沉有效位能（DCAPE）为1340 J·kg-1。对比高晓梅等（2018）统计的强冰雹环境参量发现， 本次过程中的ΔT85、 CAPE、 0~6 km 风垂直切变均高于鲁中地区统计的75百分位值（分别为31 ℃， 2100 J·kg-1和20 m·s-1）， 地面露点则超过了50百分位值（19 ℃）、 湿球温度0 ℃层（融化层）高度适宜。说明此次环境特征非常有利于超级单体风暴的形成和极端冰雹产生， 也有利于雷暴大风的形成。
3 风暴演变特征
3.1 沭阳雹暴
14日17:00山东费县北部有一新的对流回波Aa在中空生成， 最大反射率因子37 dBZ， 在沿着山脉向东南移动中向上向下迅猛发展。17:12， 回波向上扩展至14.0 km， 向下扩展到3.5 km以下， 回波强度达56 dBZ， 强回波中心高度约7 km（图略）， 50 dBZ以上的回波最大高度约9 km， 超过探空测量的-20 ℃高度值7.3 km， 上升气流达到冰雹最佳增长层。同时其上游有一回波强度超过60 dBZ呈减弱分裂趋势的强回波从山东蒙阴方向向东南移来， 逐渐追上处于发展阶段的Aa回波， 使得Aa对流风暴增强发展。17:39［图2 （a）］， Aa雷达反射率因子已高达65 dBZ， VIL值达63 kg·m-2， 回波顶高超过13.5 km， 基本反射率垂直剖面显示有WER伴随悬垂结构特征， 左侧强回波通道的强中心已下降至地面， 说明冰雹已开始下降； 右侧有新的回波在高空生成， 强中心高度高。速度图上显示0.5°和1.5°仰角显示有旋转特征（图4 ）， 主观退模糊速度后计算的最大旋转速度为22 m·s-1。
图2 2005年6月14日徐州雷达0.5°仰角基本反射率因子及垂直剖面Fig.2 Radar reflectivity factor at 0.5° elevation and vertical cross sector of Xuzhou on 14 June 2005 |
图3 2005年6月14日徐州1.5°仰角雷达基本反射率因子（a）及三维显示图（b~c）Fig.3 Radar reflectivity factor product at 1.5° elevation（a） and 3D structure （b~c）of Xuzhou on 14 June 2005 |
17:57， Aa进入临沂， 最大反射率因子达到69 dBZ， VIL高达70 kg·m-2， 50 dBZ以上的回波最大高度约11.4 km［图2 （b）］， 60 dBZ以上的强回波面积超过150 km2。之后虽然强回波面积有所减小， 但强度基本保持不变， 垂直剖面除显示超级单体风暴的中低层弱回波区WER和回波悬垂外， 还显示出强烈的上升气流将大粒子带到很高的高度［图2 （c）］， 使得新发展的强回波起始高度达到12 km。18:35， 风暴主体Aa进入山东临沭境内， 地形由平地逐渐变为丘陵， 在地形的影响下， 回波强度在短暂减弱后， 风暴再次加速发展， 强回波面积迅速增大， 强度迅速增强。18:46， 在老风暴Aa右侧发展起一个基本反射率超过65 dBZ的风暴强中心Ab， 两个强风暴在2.6~8 km高度均出现旁瓣回波［图3 （a）， （b）］强核区垂直伸展高度达11.5 km， VIL达到71 kg·m-2， 距离雷达距离140 km以上， 从以上回波特征判断风暴中很有可能有超过2 cm大冰雹粒子形成（Witt et al， 1998）， 可惜的是， 地面只有降雹报道， 但大小不详。值得说明的是， 速度图因受距离折叠影响分析不出中气旋特征。
18:52， 强回波从山东南部进入江苏东北部平原地区， Aa强中心维持68 dBZ左右的高值， Ab强度略有减弱， 基本反射率降到60 dBZ以下， 但阵风锋始终紧贴其右前部一起向东南移动， 在阵风锋的抬升作用下， 暖湿气流不断输送进入风暴右侧， 沿着阵风锋形成的新生对流不断并入风暴主体， 使风暴Ab再次发展加强， 继续猛烈发展； 19:11 -19:42该风暴发展达到极盛阶段， 强回波面积达到最大， 基本反射率进一步增大， 呈现旁瓣回波特征， 回波顶高接近18 km， VIL从58 kg·m-2跃增到79 kg·m-2的高值， 低仰角风暴右侧中部反射率因子梯度加大， 60 dBZ以上的回波高度约11 km， 位于WER上的强回波厚度接近6 km， 并呈现出超级单体风暴典型的钩状回波［图3 （c）］和BWER特征［图2 （d）~（i）］， 速度图上显示出强中气旋特征（图5 ）， 旋转速度超过24 m·s-1， 切变值为18×10-3 s-1。 随着冰雹降落， 强回波面积逐渐减小， 基本反射率呈小幅波动下降， VIL和强中心高度出现几次大跌大起， 表征超级单体风暴内强烈上升气流与下沉气流都很强盛， 在冰雹的下降通道， 其最大反射率因子和强回波高度随着冰雹的下降而降低， 而在紧邻冰雹下降通道悬垂回波则继续向上向下强烈发展， 这样风暴不同部位之间相互协调， 相互支持， 呈现出风暴结构高度组织化结构， VIL始终超过70 kg·m-2， 最大反射率因子始终保持在65 dBZ（个别时刻除外）以上的高值到21:51。此间造成了江苏沭阳5 cm大冰雹。此后， 由于其西侧泗阳强对流风暴的发展切断了水汽的供应， 风暴进入衰退期。
3.2 泗阳雹暴
山东境内强对流风暴形成的阵风锋随着风暴母体从东北向西南移动， 19:20左右， 阵风锋移到山东滕州到江苏新沂一线， 在靠近风暴母体的江苏新沂和邳州境内， 阵风锋附近先后有多个新单体在6 km左右高度上生成， 然后向上向下快速发展， 并连接成为一个整体。19:48， 其中发展较强的两个单体回波（Ba、 Bb新沂境内）向下扩展到近地面， VIL从13 kg·m-2跃增到31 kg·m-2， 风暴顶向东南方向有所倾斜， 回波呈现悬垂特征［图7 （a）］， 其中风暴Bb正处于发展阶段， 超过50 dBZ的回波向上已扩展到10 km， 向下扩展到2.8 km； 不同仰角的平均径向速度显示该风暴前侧入流处出现中气旋， 因高空风大， 速度图上主要表现为出流， 并出现速度模糊， 但仍显示出旋转特征， 经主观退模糊处理， 计算得到旋转速度15 m·s-1， 距离雷达88 km， 达到弱中气旋标准， 表明该对流风暴已发展成超级单体。此后回波继续在中空发展， 强度和面积加大， 风暴前入流侧不断有新的单体生成发展。而Ba风暴从成熟走向衰减。20:13， 移到江苏新沂和宿迁宿豫区交界处的Bb单体最大回波强度增大到65 dBZ， 50 dBZ以上的回波扩展到9 km以上， VIL进一步增大至52 kg·m-2； 由于相互作用， 多单体进一步靠近， 内部结构进一步紧实， 垂直剖面图上呈现弱回波特征［图7 （b）］， 风暴仍处于发展阶段； 同时， 在其东南侧宿迁境内有一新的单体Bc由普通风暴发展成为强风暴阶段， 回波呈现WER和回波悬垂特征［图7 （c）］， 65 dBZ以上强回波发展到 -20 ℃等温线高度7.5 km以上。此后， Bb、 Bc继续发展并进一步靠拢， 中空强回波面积持续增大， 20:39［图7 （d）］， 50 dBZ回波高度近12 km， 回波结构呈现明显的中低层WER和中高层回波悬垂， 最强中心60 dBZ以上回波还处于空中尚未接地， 高度介于3~7.5 km之间， VIL从50 kg·m-2跃升到69 kg·m-2。20:50［图7 （e）］， 回波最大强度达到69 dBZ， 大于65 dBZ的强回波面积接近70 km2， 强回波中心向下扩展到近地面， 风暴从宿迁宿豫区移入泗阳境内， 一路强烈发展。21:14［图7 （f）］）基本反射率达到75 dBZ， 65 dBZ以上强回波向上扩展到12 km， 风暴顶超过15 km， 保持这一强度到21:44［图7 （g）~（k）］。这期间， 徐州SA雷达由于径向速度资料距离去折叠算法影响， 速度图上（有紫色区域）无法判断中气旋。但在21:14， 盐城SA雷达在0.5°和1.5°两个低仰角径向速度图上探测到清晰的气旋性旋转特征（图8 中白色圆圈指示）， 此时风暴距离盐城雷达135 km， 旋转速度达到20 m·s-1， 说明风暴伴有强中气旋， 21:32风暴旋转速度增大至23 m·s-1， 切变值达19×10-3 s-1。这段时间正是该超级单体风暴影响泗阳后期。此后， 倾斜结构和风暴强度略有减弱［图7 （l）］， 但最大回波强度和VIL依旧维持65 dBZ和65 kg·m-2以上高值直到22:45。这期间， 风暴一路横扫泗阳全境、 淮安市区南部、 洪泽和金湖等地， 在泗阳降下10 cm极端冰雹。此后， 风暴缓慢衰退， 直到24:00演变成层状云结构的残留积雨云云砧。
图7 2005年6月14日徐州雷达0.5°仰角基本反射率因子及垂直剖面Fig.7 Radar reflectivity factor at 0.5° elevation and vertical cross sector of Xuzhou on 14 June 2005 |
3.3 固镇雹暴
6月14日晚， 河南山东交界处， 一条呈东西向的弱对流回波带自西向东移动， 20:49， 与从东北向西南移动的阵风锋在山东丰县与安徽砀山附近相遇， 有孤立的多单体生成， 此后雷达回波不断发展加强并向东偏南方向移动。 21:44， 回波强度达到50 dBZ， 强回波中心5 km， 回波顶高11 km。22:27， 强度已发展60 dBZ以上， 该对流风暴强回波区自下而上向着低层暖湿入流方向明显倾斜， 构成中低层WER和中高层回波悬垂； 同时出现不太明显的BWER， 速度图上显示中气旋特征， 超级单体风暴已经形成 ［图9 （a）］。与此同时， 有一与其近乎平行的强风暴也已经形成， 回波强度超过60 dBZ， 50 dBZ高度已达9 km以上， 垂直剖面也显示出中低层弱回波和中高层回波悬垂特征［（图9 （b）］。可能受到与回波移动方向近乎垂直的徐州至宿州北部山地地形影响， 两个风暴在向前移动的过程中与后侧快速东南移动的回波合并， 强回波面积快速增加， 风暴加速发展。至23:28， 强回波移到淮北时， 风暴强度66 dBZ， VIL值达到66 kg·m-2， 回波顶12.3 km。超过60 dBZ的强回波面积增大到150 km2， 受下垫面山地影响， 强回波形状由东南-西北条状结构逐渐演变成西南-东北向的不对称结构， 风暴右侧不断有新单体发展， 导致风暴主体位于移动方向右侧， 风暴强度一直维持65 dBZ以上， VIL维持在65 kg·m-2以上， 显示出清晰的BWER、宽广的悬垂回波和上升气流区的倒“V”结构［图9 （c）］， 呈现经典超级单体风暴结构， 左侧回波由于暖湿气流的切断则呈减弱趋势。风暴继续发展， 15日00:14开始［图9 （d）~（l）］， 超级单体风暴进入固镇， 移速减慢， 65 dBZ以上强度的范围在增大的同时， 前进方向低层回波强度梯度也在迅速增大， 界面变得清晰光滑， BWER继续维持， 底层显示出宽广的上升气流区， 上升气流非常强盛， 60 dBZ以上回波被带到12 km左右的高度， 同时出现旁瓣回波和三体散射特征［图10 （a）］， 表征超级单体风暴内存在大冰雹。速度图上显示有中气旋［图10 （b）， （c）］， 其旋转半径约6 km， 底和顶高分别在1.5 km和6 km左右的高度， 图11 显示其切变值由23:09的7×10-3 s-1持续增大（个别时次除外）至23:46的最大值47×10-3 s-1， 旋转速度20 m·s-1。此后， 切变值缓慢下降至00:58的10×10-3 s-1。风暴向东南移动过程中， VIL和强度出现小幅波动， 超过60 dBZ以上的强回波面积逐渐减小， 但风暴强度一直保持65 dBZ以上， VIL保持在65 kg·m-2， 表明上升气流强度并未明显减弱， 风暴强度仍旧维持， 但由于距离折叠影响已无法识别出中气旋。15日01:00左右， 风暴进入凤阳， 受凤阳南部下垫面山地抬升影响再度发展， 于01:41再度达到鼎盛， 最大回波强度高达68 dBZ， VIL高达87 kg·m-2， 再度出现表征大冰雹特征的旁瓣回波和三体散射特征（图略）。此后超级单体风暴进入定远形成强降雹后进入衰减阶段， 强回波强度、 面积逐渐减小， VIL持续下降， 到15日03:00回波强度降至60 dBZ以下， VIL降至40 kg·m-2以下。
图9 2005年6月14 -15日徐州0.5°仰角雷达反射率因子平面及垂直剖面Fig.9 Radar reflectivity factor at 0.5° elevation and vertical cross sector of Xuzhou on 14 June 2005 |
图10 2005年6月15日00:14徐州反射率因子（a）与径向速度（b~c）白色圆圈为叠加的中气旋 Fig.10 Radar reflectivity factor（a）and radial velocity （b~c） of Yancheng at 00:14 on 14 June 2005.The white circle is the mesocyclone |
4 风暴的强冰雹特征
4.1 长历时高悬的强回波特征
高悬的强回波是产生强冰雹的强对流风暴的最重要特征之一， 表1 分别给出了沭阳雹暴、 泗阳雹暴和固镇雹暴的最大回波强度和持续时间。由表1 和图12 可以看到， 三个强烈雹暴发展的强度都非常强， 最大反射率因子均超过70 dBZ， 出现次数超过6 个体扫； 最大回波强度超过60 dBZ的持续时间均超过3 h。三个雹暴最旺盛期都是超级单体。相比较而言， 沭阳雹暴持续时间最长， 最大回波强度≥60 dBZ持续时长达5.1 h， 最大反射率因子为72 dBZ， 最大回波强度超过70 dBZ体扫次数最少； 泗阳雹暴持续时间最短， 最强回波超过60 dBZ持续时长为3.27 h， 最大反射率因子为75 dBZ， 最大反射率因子超过70 dBZ体扫次数最多达11 次。三个风暴的最大反射率因子均接近或超过广东12 次大冰雹的最大反射率因子值73 dBZ（胡胜等， 2015）。
表1 2005年6月14 -15日各强烈雹暴雷达回波的统计特征表Table 1 Statistical characteristics of strong echoes of storms from 14 to 15 June 2005 |
| 统计特征 | 沭阳雹暴 | 泗阳雹暴 | 固镇雹暴 |
|---|---|---|---|
| 最大基本反射率因子/dBZ | 72 | 75 | 74 |
| 最强回波≥70 dBZ体扫次数/次 | 6 | 11 | 8 |
| 最强回波≥60 dBZ的时间段 | 17:33 -22:39 | 19:54 -23:10 | 22:21 -02:48 |
| 最强回波≥60 dBZ持续时长 | 5 h 6 min | 3 h 16 min | 4 h 26 min |
| 60 dBZ回波最大高度H60/km | 11.3 | 12.3 | 12.7 |
通过简单对比此次天气过程影响的70个县区冰雹发生前后最大基本反射率因子、 VIL等物理量参数发现， 最大基本反射率因子和60 dBZ回波扩展高度在极端冰雹与非极端冰雹之间的区分度较好， 极端冰雹发生时最大基本反射率因子最小为69 dBZ、 60 dBZ回波扩展高度在10 km以上， 而非极端冰雹发生地的最大反射率因子主要集中在67 dBZ以下、 60 dBZ回波扩展高度在10 km以下， 因此可将最大反射率因子超过68 dBZ、 60 dBZ回波扩展高度在10 km以上作为极端冰雹（5 cm以上）出现的指示因子。
通过穿过上升气流和强回波区的垂直剖面获取基本反射率因子的最大高度， 对最大基本反射率因子超过60 dBZ的主要影响时段分析其高度的变化趋势。图13 分别给出了泗阳雹暴、 沭阳雹暴和固镇雹暴的50 dBZ和60 dBZ强回波达到的最高高度与湿球温度0 ℃和干球-20 ℃所在高度的关系。图中显示， 三个强雹暴50 dBZ和60 dBZ强回波最高高度均长时间维持在-20 ℃以上的高度， 且两者变化趋势基本一致， 60 dBZ扩展到的最大高度分别高达11.3 km（沭阳19:29）、 12.3 km（泗阳21:45）和12.7 km（固镇00:28）， 比当天探空测得-30 ℃高度8.5 km还高出近3 km。图13 （a）显示， 影响沭阳的强雹暴在18:21 -21:50， 经历了5次较大幅度的升降过程， 其与大冰雹的快速生长和降落有关。图13 （a）还显示在19:11 -20:19， 沭阳雹暴持续68 min 60 dBZ最大高度超过-20 ℃所在高度， 说明风暴组织化程度非常之高， 上升气流非常之强， 低层的暖湿气流被强烈的上升气流源源不断地输送到高空， 供应冰雹增长。图13 （b）和13 （c）与图13 （a）类似， 泗阳和固镇雹暴分别有4次和3次较明显的升降过程， 60 dBZ强回波维持在-20 ℃以上高度的时长分别达124 min和56 min。从60 dBZ最大高度与冰雹大小实况来看， 固镇雹暴60 dBZ高度最高， 实况冰雹最大， 沭阳雹暴60 dBZ高度最小， 实况冰雹最小， 这与“反射率因子越大， 超过-20 ℃所在高度越高， 产生强冰雹的可能性和严重程度越大”（Waldvogel et al， 1979； Witt et al， 1998）相符合。
6月14日20:00徐州探空确定融化层高度为3.5 km， 根据50 dBZ高度、 融化层高度与冰雹直径之间关系的实测数据散点图（俞小鼎等， 2020， 图5 .4）， 当50 dBZ以上的回波最大高度超过11.7 km时， 很可能有超过6 cm以上的冰雹（书中最大阈值）。图13 显示当天沭阳、 泗阳和固镇冰雹50 dBZ以上的回波最大高度分别为13.1 km、 13.8 km和13.8 km， 均在阈值11.7 km以上， 可预测有直径6 cm以上冰雹出现。
4.2 异常高的垂直液态水含量（VIL）特征
异常高的VIL常指示强冰雹， 而VIL的跃增和陡降则与冰雹的增长和下降有关， 根据美国俄克拉何马州的统计， 6月对应于出现大冰雹的VIL阈值为65 kg·m-2。刁秀广等（2008）对2002 -2005年雷达资料分析得到强降雹单体基于格点的VIL最大平均值为 57.5 kg·m-2。图12 给出了沭阳、 泗阳和固镇雹暴VIL的时间演变趋势， 均表现出了较长时间的异常高值。在14日17:00 -22:52［图12 （a）］， 沭阳风暴VIL在 5次较大幅度的升降中超过57.5 kg·m-2的阈值， 其中19:05 -19:17的3个体扫间， 其值从42 kg·m-2跃增到75 kg·m-2， 又断崖式降到48 kg·m-2； 1个体扫的升降幅度达30 kg·m-2； 对应着临沂境内的降雹。紧接着从19:17 -19:42又经过连续4个体扫的增长达到88 kg·m-2， 在随后的2 个体扫内（即19:42 -20:00）又从88 kg·m-2降到58 kg·m-2， 对应着沭阳的降雹。
在6月14日19:35 -23:52［图12 （b）］， 其VIL值超过57.5 kg·m-2的阈值主要集中在20:38 -22:45， 持续时间长达127 min， 其中有3 次较大幅度的升降， 其中一次VIL从20:56的66 kg·m-2持续增长到21:39的102 kg·m-2， 随后又下降到22:21的65 kg·m-2， 在这一升降过程中有连续6个体扫VIL超过80 kg·m-2。升降幅度最大的时段为20:56 -22:21， 但从VIL升降对应关系看， 雹暴影响泗阳期间VIL还处于增长期， 而非陡降期， 即在VIL的增长期地面也可以产生降雹。
在6月14日22:16至15日03:43［图12 （c）］， 固镇雹暴在5次较大幅度的升降中其VIL值超过57.5 kg·m-2的阈值， 在14日23:15至15日00:34表现出长时间的小幅度的波浪上升， VIL从14日23:15的47 kg·m-2增大到15日00:34的最大值89 kg·m-2， 然后在一个体扫内陡降到69 kg·m-2， 这个时段正好对应固镇强降雹时段， 冰雹最大； 又从69 kg·m-2持续波浪式增长到15日01:41的87 kg·m-2， 此后持续降低到15日02:48的35 kg·m-2， 而定远的大冰雹出现时间在15日01:50前后， 与01:41之后的VIL值快速下降阶段对应较好。
分析显示， 沭阳、 泗阳、 固镇冰雹期间其VIL极值分别达到89 kg·m-2、 102 kg·m-2、 89 kg·m-2， 超过胡胜等（2015）统计的广东12次大冰雹VIL平均值69.3 kg·m-2， 接近其统计的最大值91 kg·m-2。
4.3 三体散射与旁瓣回波特征
三体散射长钉（TBSS）和旁瓣回波都是由于大冰雹粒子出现导致的虚假回波， 常与基本反射率超过60 dBZ的强风暴核有关。在实际预报中， 常将TBSS回波的出现作为S波段天气雷达强冰雹预报预警的充分条件， 而旁瓣回波只是判别大冰雹的一个辅助特征。本次个例中， 沭阳雹暴和固镇雹暴显示出清晰的旁瓣特征， 而且固镇风暴还监测到近1 h的TBSS特征。
4.3.1 三体散射特征
6月14日23:52， 徐州雷达显示， 在距离雷达150 km左右的1.5°仰角上， 回波强度超过68 dBZ反射率因子核的径向延长线上开始出现清晰的TBSS特征， 强度较弱在-5~15 dBz， 长度约18 km， 初始高度为2.6 km； 随着风暴的发展， TBSS特征向高、 低仰角扩展； 15日00:10， TBSS最高扩展到4.3°仰角， 距地高度9 km， 说明大粒子的浓度在增加或者粒子的尺寸在继续增大； 00:28， TBSS特征达到最强（图14 ）， 表现为0.5° -4.3°四个仰角均有出现， 且1.5°仰角TBSS长钉长度达到40 km； 此后， 随着大冰雹的降落， 高仰角的回波强度减弱， TBSS特征也随之从高仰角开始消失， 而低仰角长钉长度则逐渐减小， 至15日00:58， 各仰角TBSS完全消失。
分析还发现， TBSS出现在反射率因子核强度大于65 dBZ、 且其径向延长线上只有小范围回波时； 当Z小于65 dBZ， 基本未观测到TBSS。TBSS在0.5° -4.3°仰角均有出现， 长钉形态最突出、 表现最明显、 持续时间最长的是在1.5°仰角。也发现， 其与仰角并没有特定的关系， 有时高仰角突出清晰， 有时低仰角清晰， 这样很难将TBSS现象的强弱变化特征与风暴发展垂直结构特征完全一一对应起来。
TBSS从14日23:52一直持续到15日00:58， 时长超过1 h。TBSS与极端冰雹的出现， 符合廖玉芳等（2007）发现的“除0°层高度超过5 km的情况外， 几乎所有TBSS个例都有大冰雹”的结论， 但对于同样出现大冰雹的沭阳和泗阳雹暴暴并未伴随TBSS， 由于距离折叠， 强回波区域及其延长线上的速度和谱宽多填充为紫色， 但从可辨别的时次中发现对应于强回波延长线的径向速度较小、 谱宽明显高于其他区域， 可以判定TBSS特征被其他回波遮挡住了。
4.3.2 旁瓣特征
2005年6月14日18:46 -19:35， 沭阳雹暴在0.5°（距地高度约3 km）和1.5°两个仰角上出现旁瓣特征［图略］， 旁瓣回波出现在与风暴核中反射率因子大于60 dBZ的强回波同距离圈上， 位于风暴核切向方向梯度大值区一侧， 强度5~15 dBZ， 距离雷达140 km左右， 最大方位角达18°， 最大长度约50 km。14日23:46至15日00:34， 固镇雹暴先在2.4° -6.0°的中空出现旁瓣回波（距地高度2.6 km）［图略］； 2个体扫后， 旁瓣长度和强度达到最大， 长度超过30 km， 宽度达10 km； 00:04， 6.0°和4.3°、 3.4°三个高仰角旁瓣回波的面积减小， 强度减弱； 而1.5°和2.4°旁瓣长度和宽度略有增大， 这种高低仰角特征的变化说明大冰雹粒子正在降落。
分析还发现， 旁瓣回波在径向上的宽度基本与风暴核中基本反射率大于60 dBZ的强回波宽度近似呈正相关的关系， 当强回波强度越大、 面积越大时， 旁瓣回波的强度越强， 长度越长。当主瓣回波强度超过70 dBZ时， 旁瓣回波强度可达到10 dBZ以上。而当风暴核强度降至60 dBZ以下时， 基本观测不到旁瓣回波。另外不同雹暴形成的旁瓣回波长度和强度的大小与其产生冰雹的大小并不成正比， 如沭阳雹暴旁瓣最大长度大于固镇， 但其产生的冰雹却比固镇小， 而比沭阳冰雹更强的泗阳雹暴则未监测到旁瓣回波。因此旁瓣回波的出现只能作为强冰雹预报预警的辅助条件。
综上所述， 固镇雹暴既监测到旁瓣又监测到TBSS特征， 两者都在1.5° -4.3°仰角更容易被观测到， 且都与大于65 dBZ强回波有关； 但在出现的时间上略有差异， TBSS开始时间更早， 消失时间更晚， 持续时间更长。TBSS和旁瓣之间与强回波有如下对应关系， 有TBSS和旁瓣时一定有强回波； 但有强回波时并不一定有TBSS和旁瓣。
4.4 强烈的风暴顶辐散特征
风暴顶的强烈辐散往往意味着雷暴中上层具有很强的上升气流速度， 有利于大冰雹的生长。此次大冰雹过程， 沭阳、 泗阳雹暴发展最强盛阶段（超级单体雹暴阶段）， 由于受到雷达探测范围和距离折叠等因素影响， 未能监测到风暴顶辐散的情况， 但徐州雷达监测到了固镇雹暴成熟阶段（超级单体阶段）强烈的风暴顶辐散特征： 6月14日23:03， 在淮北12 km的高度上已经出现风暴顶辐散特征， 构成辐散的速度对极大和极小值差值为51 m·s-1［图15 （a）］， 随着超级单体雹暴的发展， 辐散速度对速度差值迅速增加， 至15日00:28高达80 m·s-1［图15 （b）］， 高14 km， 保持这一辐散速度差值2个体扫后， 该速度差值逐步下降， 至15日00:52降至60 m·s-1。从14日23:15至15日00:40， 构成风暴顶辐散的速度差值维持在60 m·s-1以上近1.5 h， 可见超级单体雹暴中上层强烈上升气流维持时间之长。后来由于速度数据距离去折叠算法导致的紫色影响了对风暴顶辐散的判断。根据前面获取的信息有风暴顶辐散与大冰雹尺度之间的关系（Witt and Nelson， 1991）， 可以判断冰雹至少在5 cm以上， 与产生10 cm以上冰雹所需的强辐散速度对速度差值在100 m·s-1以上存在差距。如果以VIL断崖式下降作为地面开始降雹的时间， 则风暴顶最强辐散出现时间比强降雹出现时间早一个体扫（6 min）。需要指出的是， 由于中国气象局新一代天气雷达一直采用VCP21扫描方式（俞小鼎等， 2006）， 只使用9个仰角， 因此有很大可能性会错过风暴顶辐散最强位置的取样， 这种情况下， 采用VCP11模式进行体积扫描会使得这一问题得到明显改善。最近2~3年期间， 江苏大部分SA型天气雷达都升级了双极化（Dual-Polarization）功能， 其探测5 cm以上直径巨型冰雹的能力显著加强。
5 结论
本文比较分析了2005年6月14日08:00至15日08:00 江苏沭阳、 江苏泗阳以及安徽固镇三地所发生的历史上罕见的极端冰雹（最大冰雹直径分别为5 cm、 10 cm和15~18 cm）的雷达回波特征， 得到以下主要结论：
（1） 此次极端冰雹过程是由多个不同的超级单体雹暴影响造成。由于环境CAPE、 深层垂直风切变和低层相对风暴螺旋度都很强， 导致三个超级单体都具有强中气旋， 而强中气旋与环境相互作用形成向上的扰动气压梯度力， 使得超级单体上升气流强度大大超过单靠CAPE转换的上升气流强度， 促使超级单体自身强烈发展， 产生极端大冰雹。
（2） 超级单体雹暴回波起始高度高， 强度强， 最大反射率因子超过70 dBZ， 60 dBZ以上强回波持续时间超过3 h， 60 dBZ最大高度超过11 km， 分别为11.3 km（沭阳雹暴）、 12.3 km（泗阳雹暴）和12.7 km（固镇雹暴）， 比当天探空测得-30 ℃高度8.5 km还高出近3 km。而50 dBZ以上的回波最大高度分别为13.1 km、 13.8 km和13.8 km， 可预测有直径6 cm 以上冰雹出现。相比较而言， 沭阳超级单体持续时间最长， 最大回波强度最小； 泗阳超级单体持续时间最短， 最大回波强度最大， 最大反射率因子超过70 dBZ体扫次数最多； 而固镇超级单体雹暴60 dBZ以上的反射率因子垂直扩展高度最高， 冰雹尺寸最大。从上述雹暴分析中得到初步线索： 当最大反射率因子超过68 dBZ、 60 dBZ回波扩展高度在10 km以上预示有极端冰雹出现。
（3） 强烈的上升气流将降水粒子带到高空后， 在低层反射率因子强梯度区及前侧的入流区域上空形成的BWER或WER及位于回波区之上的大范围回波悬垂是超级单体风暴典型的雹暴结构。泗阳雹暴以WER和宽广的回波悬垂为主， 沭阳和固镇雹暴则显示出BWER特征和宽广的回波悬垂， 且固镇雹暴伴随稳定持久的强中气旋， 雹暴的强盛发展伴随着切变值的持续上升， 切变极值达47×10-3 s-1。
（4） 三个超级单体雹暴还表现出异常高的基于单体的VIL， 分别达88 kg·m-2、 102 kg·m-2、 89 kg·m-2， 远超过6月份大冰雹的基于格点的VIL阈值65 kg·m-2， 接近或超过胡胜等（2015）统计的广东12次大冰雹的基于单体的VIL最大值91 kg·m-2。固镇雹暴监测到强烈的风暴顶辐散特征， 构成辐散的速度对速度差值最高达80 m·s-1， 持续时间2个体扫， 预示地面有5 cm以上大冰雹出现。
（5） 固镇雹暴出现近1 h的TBSS， 沭阳、 固镇雹暴出现旁瓣回波， 都表明雹暴中存在大冰雹。旁瓣回波出现在60 dBZ以上强回波同距离圈上， 宽度与60 dBZ以上强回波核心的宽度近似呈正相关； TBSS则出现在65 dBZ以上强回波、 且其径向延长线只有小范围降水回波时可见。
这次极端大冰雹过程影响山东南部、 江苏北部和安徽北部， 是一次历史上罕见的极端冰雹过程。同时， 此次过程在上述地区还产生了广泛的雷暴大风， 多个站点最强阵风超过25 m·s-1， 最大阵风27 m·s-1， 影响范围很大， 类似于美国的Derecho（大范围的强雷暴大风）事件。本文主要集中于极端大冰雹事件的雷达回波特征分析， 至于同时间的区域性强雷暴大风事件， 我们将另外撰文分析。