引言

暴雨、冰雹、大风等灾害性天气的短时预报是天气预报技术的难点之一，对于内蒙古地域广阔、影响天气类型众多、探测手段有限的情况下，利用多普勒雷达资料对灾害性天气进行预报和预警，成为内蒙古短临预报最为有效的手段之一。Browning指出^[1]，近代天气预报技术的重大改进除得益于数值天气预报的进展外，其余则应归功于以雷达和卫星为主的遥感观测技术的进展。冰雹是致灾性极强的中小尺度天气，利用新一代天气雷达观测资料及其产品对冰雹监测、预警和分析已经取得较多成果。汤兴芝等^[2]使用宜昌多普勒天气雷达基数据资料，给出产生冰雹的对流云的特征，如平均最大反射率因子均大于等于50 dBz，回波顶高9 km以上，最大垂直累积液态水含量VIL大多超过50 kg·m^-2，45 dBz的回波高度达到7.6 km等等。潘留杰等^[3]、郭媚媚等^[4]分析了降雹过程中强回波、强回波高度和VIL等的特点，得出当陕西中部的回波强度达到60 dBz，45 dBz强回波延伸高度超过7 km，回波顶高延伸到12 km以上，VIL超过63 kg·m^-2时预示降强冰雹的潜势。李湘等^[5]总结出云南省春季南支槽影响型、夏季中纬度西风槽影响型和减弱的西行台风影响型雹灾的联合预警指标。金飞胜等^[6]利用黄山多普勒雷达观测资料，发现早春冰雹与4—6月冰雹具有显著的季节差异。丁小剑等^[7]对比分析了超级单体和飑线过程中降雹的异同，指出若对三体散射进行跟踪观测，至少可以提前30 min发布预警。张崇莉等^[8]、李德俊等^[9]分别对冰雹与短时强降水两类强对流天气的多普勒天气雷达回波特征进行对比分析，有效地将冰雹预报参考指标与短时强降水进行了区别。上述结果为各地区的冰雹灾害预报预警提供了一定的参考依据。

我国地域广阔，降雹具有很强的局地性，各地雹云的特点和活动规律不同，其识别参量也不尽相同^[2]。对于内蒙古而言，由于影响天气系统的不同，不同的冰雹天气也表现出不同的特点。影响内蒙古的雹暴天气类型较多，常分为四种天气型^[10]：西北气流型、前倾槽型、冷涡型和后倾槽型。西北气流型是最常见的一种雹暴类型，从雹区上游到雹区东侧的3个纬距内，500 hPa等压面图上为西北气流，低层是低压槽前的西南暖湿气流。冷涡型为500 hPa有冷性闭合低压，如果低空条件同西北气流型相似，则雹暴较强。2015年7月29日呼和浩特市冰雹过程为冷涡型，低层是西南暖湿气流。本文从降雹的大尺度环流背景着眼，利用呼和浩特多普勒天气雷达资料和NCEP(1°×1°)逐6 h再分析资料对降雹的强对流风暴、降雹时的回波特征和冰雹成因进行分析，找出适合本地区雹云识别参量特征，力求对本地区该类型冰雹的短时临近预报和预警提供参考依据。

1 天气实况和环流背景

2015年7月29日16:00—21:00 (北京时，下同)，呼和浩特市区、武川、和林格尔和土默特左旗出现冰雹天气，过程最大降水量在土默特左旗毕克齐镇喇嘛洞广华寺(24.7 mm)。呼和浩特市大部自北向南自西向东出现降雹，冰雹最大直径1~5 cm，伴随11.7 m·s^-1大风，此次天气过程导致玉米、小麦、马铃薯、杂粮、蔬菜等作物受灾，瓜类受灾严重，部分温室、大棚受损，市区部分车辆受损，各旗县经济损失均达上百至上千万元。

500 hPa天气图上，7月下旬欧亚大陆为“两槽一脊”的环流形势，且稳定维持，乌拉尔山附近为冷涡，受贝加尔湖高压脊阻挡，冷空气向贝加尔湖南侧入侵，27日20:00(图略)，在贝加尔湖高压脊南侧形成冷涡，温度槽落后于高度槽，冷涡加强、移动缓慢，中心稳定于108°E、49°N附近，29日08:00(图略)，温度槽与高度槽逐渐重合，冷涡减弱、移速加快。图 1给出7月29日14时500 hPa高度场与低层切变线综合图，从图中可以看到，冷涡中心位于110°E、46°N附近，内蒙古西中部地区建立一支西北气流。700、850 hPa切变线位于阴山以南，呼和浩特市上空850、700 hPa分别为西西南和西南气流，分别受12 ℃和28 ℃温度脊控制，当地面受太阳辐射加热时，低层迅速增温增湿，大气不稳定度加大，中层干冷空气沿涡后西北气流侵入，形成高层干冷空气叠加在低层暖湿上的不稳定层结，及高层冷平流叠加在低层暖平流上的配置，造成上冷、下暖的温度差动平流，易于强对流发展。850— 700 hPa东南风顺转为偏西风，风速差达10 m·s^-1以上，低层垂直风切变强，利于深厚对流发生发展。

地面图上，29日青藏高原上热低压东伸，与蒙古国南部高压底部的偏北风对峙，11:00在阴山山脉附近形成地面辐合线，与850、700 hPa切变线在垂直方向叠加，垂直运动加强，对流开始发展。

2 强对流风暴的结构和演变

卫星和多普勒天气雷达获得的高时空分辨率资料对研究中尺度系统有很大帮助^[11]。大气中高层，天气系统表现为一系列波动，在卫星云图上，这些波动有清楚的表现，高时空分辨率的卫星云图不仅可以观测到系统性云系的分布，而且可以观测中小尺度云系从初生到消散的全过程。新一代天气雷达观测的基本反射率因子(R)、径向速度(V)和速度谱宽(W)则可以帮助识别风暴的结构和变化、一些典型风场、大气结构等特征，再利用导出产品可以确定强天气发生的概率和区域。以下利用卫星云图和雷达产品对该次过程中对流风暴的结构、演变进行分析。

2.1 卫星云图分析

冰雹常与中尺度对流系统(MCS)相联系^[12]，对流云发展有明显的日变化。29日02:00—08:00呼和浩特市及附近出现0.1~10 mm降水，之后呼和浩特市位于涡后西北气流晴空区，气温升高；12:15(图略)，红外云图上对流云生成，云量逐渐增多；13:15(图略)，40°N附近南北各形成一条对流云带，可见光图上，色调较白亮，纹理较均匀，但边界较模糊，两条对流云带分别对应地面低压东部及高低压之间的辐合线，云体相当黑体亮度温度(以下简称TBB)为-20 ℃，亮温梯度小，对流较弱。图 2a给出16:00红外云图与地面加密自动站10 m风场图，从图中可以看到，随着冷空气扩散南下，高压底部偏北风南压，地面辐合线趋于合并；17:15(图略)两条对流云带合并，水汽云图上表现为暗黑区，表明有冷空气下沉，将引起对流加强。图 2b为18:00红外云图与地面加密自动站10 m风场图，从图中可以看到，在两条辐合线相交处，合并后的对流云团迅速发展，亮温急速下降，亮温梯度增大，图 3给出17:30亮温分布，从图中可以看到，呼和浩特市位于亮温梯度大值区(-20~-60 ℃等值线密集带)，TBB≤-55 ℃，呼和浩特市降雹明显。随后对流云南移，对流发展旺盛，20: 00伴随短时强降水(21.5 mm·h^-1)，土默特左旗仍有降雹，之后对流云色调变暗，由密实结构变得松散，对流减弱，过程趋于结束。

2.2 冰雹发生时的雷达回波特征 2.2.1 反射率因子和径向速度特征

图 4为2015年7月29日呼和浩特市组合反射率因子。13:12(图 4a)，呼和浩特市西北部有对流单体生成；14:32(图略)，发展为带状回波并向南移动，最大强度55 dBz，在此过程中不断有新对流单体生成发展；17:44(图 4b)，单体具有“钩状回波”的特征，最强回波达到60 dBz以上，回波顶高14~15 km，最低3个仰角基本反射率因子图上(图略)强回波从低到高向南倾斜，说明风暴具有强上升气流，形成低层弱回波区和中高层的悬垂回波；17:40，呼和浩特市降雹明显，之后“钩状回波”结构逐渐松散、强度减弱；18:44(图 4c)，“钩状回波”基本消失。土默特左旗至呼和浩特市一带存在地面辐合线，对流单体继续沿辐合线生成、合并，19:11(图 4d)，形成弓形回波复合体，土默特左旗降雹明显，最大冰雹直径15 mm。

7月29日16:38(图略)径向速度图显示，呼和浩特市及其附近为一致的偏南风且无辐合，呼和浩特市地处大青山南侧，偏南风造成气流爬坡、抬升，有利于垂直运动的发展和水汽在山前积聚，触发对流。图 5给出了7月29日17:11呼和浩特市1.5°仰角径向速度和组合反射率因子图，从图中可以看到，径向速度图(图 5a)上出现“逆风区” ^[13]，持续2个体扫，30 min后降水强度明显增大并伴有冰雹，即“逆风区”出现时对流不强，它比较强降水和冰雹提前30 min出现，可作为较强降水和冰雹的识别及落区临近预报的判据之一。17:11径向速度图上呈现辐合，反射率因子增强至50 dBz以上(图 5b)。

图 6给出7月29日17:44呼和浩特市1.5°仰角径向速度和反射率因子垂直剖面图，从图中可以看到，径向速度图(图 6a)和径向速度剖面图VCS (图 6b)上低层具有明显的气旋式旋转辐合特征，VCS图上显示低层辐合上叠加中高层辐散。图 6c为其低层入流方向对流单体的反射率因子垂直剖面图，从图中可以看到低层弱回波区和中高层的悬垂，45 dBz的强回波高度达到8 km。此时，“钩状回波”西侧仍有强度大于等于55 dBz回波单体东移发展，18:04(图略)，径向速度又出现辐合特征，反射率因子图上回波再度加强，19:11(图 4d)，对流单体合并形成弓形回波复合体，20:24(图略)，回波消散，呼和浩特市降水、冰雹结束。

2.2.2 风暴结构产品特征

CINRAD/SA雷达UCP10.8.1.S.C版本的气象算法中，新增了风暴结构产品(SS)。在PUP中该产品可显示风暴编号、风暴所在位置、底部和顶部高度、基于单体的C-VIL值、强中心高度及强度等具体的风暴结构参数值^[14]。图 7给出了7月29日呼和浩特市风暴结构产品，从图中可以看到，17:38，风暴最强反射率因子大于55 dBz，强中心高度迅速下降，具有强冰雹概率(POSH)。VIL^[15]从17:28的40 kg·m^-2增加到64 kg·m^-2，即降雹前VIL有明显的跃增^{[16, 17]}，可提前2~3个体扫时间(约10~15 min)发布冰雹预警。17:44 VIL快速下降，减小至44 kg·m^-2，此时降雹持续。

2.2.3 风廓线变化特征

图 8给出29日呼和浩特市雷达风廓线产品，从图中可以看到，降雹开始前中低层为西南风，风随高度顺时针旋转，降雹开始时中低层西南风逐渐转为偏西风和西北风，这也说明冷空气侵入对冰雹的触发作用，这一点与暴雨或短时强降水发生时低层向上延展(常常高于5 km)的西南气流形成明显对比。VWP中，风随高度变化的时间分辨率高于常规天气图，可以及早发现冷空气入侵，及时发布冰雹警报。

3 冰雹成因分析

冰雹是由雷暴产生，因此，雷暴产生的三个必要条件层结不稳定、水汽和抬升机制也是冰雹产生的必要条件，同时要求环境的对流有效位能(CAPE)和垂直风切变较大，及环境温度0 ℃层的高度适当^[18]。

3.1 不稳定层结条件

天气形势分析显示，7月29日14:00，呼和浩特市上空500 hPa冷槽叠加在700、850 hPa暖温度脊上，具有对流不稳定层结。14:00(图略)，冷平流中心位于600 hPa以下，108°E以西。20:00(图略)，冷暖空气交汇于110°E附近，沿40°N温度平流剖面图可见(图略)，呼和浩特市上空冷平流中心(-1×10^-4 ℃·s^-1)叠加在低层暖平流中心(1.5×10^-4 ℃·s^-1)上，利于层结不稳定度的增大和抬升作用增强。假相当位温θ_se是代表大气中温、压、湿的综合特征量^[19]，高能舌说明大气高温高湿，具有较强的潜在不稳定。14:00(图略)，700 hPa、850 hPa呼和浩特市位于θ_se≥344 K以及θ_se≥348 K的高能区，呼和浩特市北部沿山一带存在θ_se锋区，700 hPa或850 hPa的θ_se锋区靠近高值区的一侧对应冰雹区。

为了判定当天最大的对流潜势，利用上海探空订正软件，用呼和浩特市7月29日14:00地面温度和露点对08:00时探空进行订正(图 9a)，图中可见，具有“喇叭”型的上干下湿对流不稳定层结，风随高度强烈顺转，及高层的干冷平流叠加在低层暖湿平流上的不稳定层结，利于强对流发生发展。500 hPa以下假相当位温随高度减小，大气中低层具有强的对流不稳定性，各项对流参数(CAPE=1 320 J·kg^-1，K = 46 ℃，SI =-4.3 ℃，LI=-5.1 ℃)均超过短时强降水、雷暴大风等强对流天气的阈值，20:00(图 9b)，冰雹发生后伴随能量释放，CAPE=374.8 J·kg^-1，K =39 ℃，SI =-2.78 ℃，LI=-1.11 ℃。

3.2 水汽条件

冰雹的发生还需要有一定的水汽条件配合^[18]。7月29日14:00水汽通量水平分布图(图略)可见，700、850 hPa呼和浩特市附近形成6 g·(hPa·cm·s)^-1水汽通量大值中心，呼和浩特市位于湿舌顶部，湿舌是对流层下部一条狭窄的暖湿空气带，也是一条高静力能量舌，对流系统常在湿舌的西侧爆发^[16]。850 hPa呼和浩特市附近具有-24×10^-6 g·hPa^-1·cm^-2·s^-1水汽辐合中心和8~10 g·kg^-1的比湿，低层较高水汽含量和水汽输送有利于强对流天气的发生发展。

3.3 触发机制

雹暴发生除必须具备不稳定条件之外，还需有一定的触发机制才能使潜在不稳定能量释放并产生强对流^[20]。

3.3.1 地面辐合线

近地面层辐合为雷暴新生提供了重要的抬升机制^[21]。分析逐小时加密自动站风场与卫星云图可见，对流云基本沿着地面辐合线生成于其南侧，17:00(图略)之前，两条对流云带对应两条地面辐合线，随后偏北风南压，地面辐合线合并，在两条辐合线相交处对流云合并、加强，因此在不稳定的层结条件下，地面辐合线造成的强迫抬升触发对流发展。850 hPa切变线与地面辐合线在垂直方向叠加，使低层辐合更强，08:00— 14:00垂直速度明显增大。图 10为29日14:00垂直速度沿40°N剖面图，从图中可以看到，呼和浩特市附近形成-12×10^-1 Pa·s^-1上升运动中心。因此地面辐合线及低层切变线提供了冰雹发生的触发和动力条件。另外，对流单体沿大青山南侧生成和发展，可见地形对垂直运动的增长和对流发展也起到了增幅作用。

3.3.2 干线

从14:00地面图(图略)可以看出，呼和浩特市温度和露点温度分别为28 ℃和17 ℃，东南风4 m·s^-1，而其北面各站点温度和露点温度分别为27~29 ℃和7~ 13 ℃，西北风4 m·s^-1。呼和浩特市与其北面各站点温度相近但露点梯度大，地面风向相差160°，冰雹出现在干线(露点锋)附近偏南风一侧。

3.3.3 冷空气

29日14:00—20:00(图略)，呼和浩特市西部冷暖空气交汇，冷平流叠加在低层暖平流之上，冷空气自西向东和自北向南侵入，呼和浩特市自西向东和自北向南出现降雹，水汽云图上呼和浩特市以西和以北均为暗黑的下沉运动区，冷空气强迫暖空气抬升，触发对流，因此冷空气侵入成为冰雹的又一触发条件。

3.4 冰雹的形成和增长环境

雹云斜升气流强度较大，具有强上升运动，强的垂直风切变能够带来强的斜升气流，从而产生较强的垂直上升运动^[18]。垂直风切变通常用地面以上6 km高度和地面之间的风矢量差来表示，呼和浩特市08:00订正探空显示(图 8a)，低层风随高度强烈顺转，0—6 km垂直风切变超过13 m·s^-1，达到中等强度垂直风切变^[22]，为强对流风暴加强和长时间维持提供了有利条件，易产生冰雹。

为了能在足够厚的负温区里供冰雹运动增长以及自发产生部分冰雹胚胎，云顶温度一般在-20 ℃以下^[10]，云内0 ℃层的高度适当(600—500 hPa)，这种条件下既能保证云体发展较高，利于冰雹生成，同时保证冰雹在降落到地面以前不至于融化。一般当0 ℃层位于2—3 km时与大冰雹发生具有较好的相关，当45— 55 dBz的强回波区扩展到-20 ℃层以上时，对强降雹的潜势贡献最大。29日08:00与20:00，0 ℃和-20 ℃距地面的高度分别为4.7—4.8 km和7.6—7.7 km，从29日17:44反射率因子垂直剖面图(图 6c)中可以看到，大于等于45 dBz的强回波高度位于8 km附近，达到-20 ℃层高度，剖面左侧的大于等于55 dBz强回波区域对应冰雹的下降通道。

4 结论

(1) 发生在高空冷涡后部的冰雹天气，高层冷平流低层暖平流有利于对流不稳定度加大，特别是低层暖平流更有利于不稳定能量在冰雹区积聚，形成了较大的CAPE和θ_se高能区；中低层具有较好水汽条件和水汽输送；地面辐合线、冷空气侵入和干线是冰雹的主要触发条件，地形抬升对系统性抬升起到增幅作用；低层(0—6 km)风强烈顺时针旋转和中等强度的垂直风切变，为冰雹发生提供可能，冰雹主要发生在低层θ_se锋区高能区和干线附近靠近湿区一侧。

(2) 组合反射率因子图上雷达回波呈现“钩状回波”和“弓形回波”特征，最强反射率因子达到60 dBz以上，反射率因子垂直剖面上可见低层弱回波区和中高层回波悬垂，回波顶高14—15 km，冰雹出现时大于等于45 dBz的强回波达到8 km，扩展到-20 ℃高度层。

(3) 径向速度图上形成气旋式旋转辐合和“逆风区”，“逆风区”比较强降水和冰雹提前30 min出现，其剖面图上具有低层辐合、中高层辐散的特征。

(4) 风暴结构产品分析，降雹前强回波中心高度迅速下降，最大VIL达到64 kg·m^-2，且降雹前有明显的跃增现象，当VIL跃增到64 kg·m^-2及以上时对发布冰雹预警的指导意义重大，当VIL减小至44 kg·m^-2时冰雹持续，降雹过程中伴随VIL的递减，预报时效可提前2~ 3个体扫时间(约10~15 min)。上述这些特征对于冷涡型降雹均具有一定的预报指示意义。