引言

虽然局地强对流天气影响范围小，持续时间短；但其突发性强，发展迅速，伴随的短时强降水、地面大风、冰雹、雷电等灾害性天气往往造成严重的人员伤亡和经济损失。近年来，众多气象学者在强天气过程诊断分析、概念模型建立、气候特征统计、预报预警和数值模拟等方面开展了广泛的研究(俞小鼎等，2012；苏爱芳等，2013；陈明轩等，2016；李文娟等，2018；许彬等，2019；马晓玲等，2020)。但由于局地强对流较小的时空尺度和较快的演变速度，仍然是当前短临预报预警业务中的重点和难点(郑永光等，2015)。

得益于广泛而密集布设的新型探测设备，如：多普勒天气雷达、微波辐射计、风廓线雷达、微雨雷达、闪电定位仪等，对强对流天气有了更高时空分辨率的探测能力，从而能更好地发现和认识其生消演变和物理机制，进一步提升强天气的监测预警能力。近些年，上述新型探测资料也越来越多地出现在强对流天气的分析、监测和预警研究中。郑祚芳等(2009)在分析一次夜间局地强对流过程时发现，微波辐射计资料对降水的发生具有较好的指示意义，液态含水量的急剧增大(减少)预示着降水即将出现(消亡)。唐仁茂等(2012)运用地基微波辐射计探测资料分析湖北咸宁的一次冰雹天气过程时，讨论了云降水粒子的固、液、气三态动态变换过程，验证了过冷云系统中混合相态的贝吉隆过程理论。杨引明和陶祖钰(2003)利用边界层风廓线雷达资料分析短时强降水、龙卷等局地强对流天气过程时发现，边界层风廓线雷达能有效揭示常规天气资料难以分析的一些大气动力和热力特征，在短时强对流天气预报中有较好的业务应用前景。周志敏等(2010)利用风廓线雷达全天候不间断观测的大气风场等要素的时空变化分析了一次冰雹过程，指出风廓线雷达能早于天气图获知冷空气入侵时间，并精细地分析出槽脊过境、冷暖平流等天气系统。张小雯等(2017)介绍了风廓线雷达单站和组网资料在强对流天气监测和业务中的应用情况。除此之外，雨滴谱仪资料也被应用于降雨、降雪等天气过程的降水粒子微物理特征分析中(李德俊等，2013；周黎明等，2017)。近年来，微雨雷达作为一种可对雨滴谱垂直分布进行连续观测的仪器，在降水微物理结构研究中受到关注(崔云扬等，2019；Zhou et al., 2020)。利用闪电监测网的探测数据开展强天气的分析研究也日益增多(冯桂力等，2008；郑栋等，2010；曾勇等，2020)。而雷达作为强对流天气监测预警最为有效的工具，在中尺度特征分析、特征识别和监测预警等方面发挥了至关重要的作用(王俊等，2007；王莎等，2019；王研峰等, 2019, 阮悦等，2021)。

目前，综合利用多源观测资料开展局地强对流天气过程的分析研究还相对较少。崔春光等(2013)运用多种加密观测资料(多普勒天气雷达、风廓线雷达、微波辐射计、GPS探空等)和NCEP再分析资料对2010年7月14日咸宁一次非线状中尺度对流系统(MCS)引发的短时强降水进行了机理分析，结果表明高时空分辨率探测资料对MCS演变过程有较好的分析能力。李聪等(2017)利用地基微波辐射计、风廓线雷达和雨滴谱仪等观测资料分析了南京的一次冰雹过程，探讨了新型探测资料在冰雹监测预警中的应用。孙伟等(2019)针对2018年3月4日苏州地区冬末春初的一次强对流天气过程，运用S波段多普勒天气雷达、C波段双偏振雷达、闪电定位仪和雨滴谱仪等资料进行中尺度特征分析，结果表明综合利用各种新型探测资料对分类强对流监测预警有一定作用。本文利用地面自动气象站、探空、多普勒天气雷达、风廓线雷达、微雨雷达、二维视频雨滴谱仪和三维闪电监测网等多源探测资料，对2020年2月14日发生在鄂西南的一次早春强对流过程进行了中小尺度特征综合分析，并运用武汉暴雨研究所研发的分类强天气识别预警算法进行了效果检验，以期为利用新型多源探测资料开展强天气的特征分析与监测预警提供参考。

1 资料与方法

本文使用的多源探测资料主要包括强对流事件发生当天的地面天气图，恩施站的探空资料，秭归站的风廓线雷达、二维视频雨滴谱仪和微雨雷达资料，宜昌站的多普勒天气雷达资料以及湖北省三维闪电监测网资料。各种探测设备的位置分布详见图 1。

秭归站风廓线雷达为固定式L波段边界层风廓线雷达，采用全固态全相参有源相控阵脉冲多普勒体制，可实现测站上空大气三维风场和温度场(需配备RASS系统)信息的实时监测。其最低探测高度为100 m，最高探测高度≥3 km，高度分辨率为30—240 m，风速和风向的探测精度(RMS)分别为1.5 m·s^-1和10°。

二维视频雨滴谱仪(2DVD)是由奥地利JOANNEUM RESEARCH公司研发生产的一款先进的降水粒子测量设备，其水平和垂直分辨率都小于0.2 mm，垂直速度精度小于4% (垂直速度＜10 m·s^-1)，扫描区域约为100×100 mm²。除了可以实时测量单个降水粒子(包括雨、雪、雹等)的大小、形状、聚合状态、取向和降落速度等，还可以反演计算降水率、降水量和降水粒子谱等。

微雨雷达(MRR-Pro型)为K波段(频率24.23 GHz) 垂直指向雷达，根据获得的多普勒功率谱，结合降水粒子下落速度与直径的经验关系计算得到测站上空不同高度的垂直雨滴谱，根据雨滴谱进一步反演出不同雨滴谱参量随时间的空间变化。其时间分辨率为30 s，高度分辨率为50 m，垂直方向共128个库，即探测范围为0.05—6.40 km。

湖北省三维闪电监测网是由19台VLF/LF闪电定位仪组成，于2015年1月布设完成。该仪器由中国科学院空间科学与应用中心研制，采用三维时差定位(又称为双曲线定位) 方法定位闪电，除了云地闪(Cloud-to-Ground) 以外，还能探测云内闪(Intra-Cloud)，观测要素主要包括时间、经纬度、高度、强度、陡度、误差和定位方式等。

2 实况与天气背景

2020年2月14日午后，鄂西南出现了一次强对流天气过程。其中，宜昌秭归、恩施巴东和建始等多地出现了冰雹天气，由当地灾民提供的图片及视频资料初步判断最大冰雹直径超过50 mm；另外，多县市出现了大范围中等强度降水，局地伴有雷暴大风、短时强降水等强对流天气，湖北加密自动气象站测得最大阵风风速达8级(17.2 m·s^-1)，最大小时降水(22.6 mm·h^-1) 出现在鹤峰马家。恩施咸丰地区自动站累计雨量超过40 mm。此次强对流过程主要由先后发展起来的两个雹暴单体引发，两个单体自西向东移动过程中不断发展加强(强回波中心的移动轨迹如图 1所示)，伴随出现的局地强冰雹、短时强降水和瞬时大风造成恩施州巴东县、建始县，宜昌市秭归县等多个乡镇受灾(冰雹落区如图 1所示)，给当地农业、交通、通信、经济等造成了巨大损失。而从湖北省冰雹日数分布(图略)来看，2月发生如此强的冰雹天气实属罕见。

由2020年2月14日08∶00 (北京时，下同)的综合天气图(图 2a)可见，湖北省位于500 hPa华北低槽前部的西南暖湿气流中，700 hPa切变线位于四川至陕西一线，850 hPa和925 hPa低涡位于川东、重庆、贵州交界，西南暖湿气流发展旺盛，鄂西南处在低涡前部暖式切变线辐合上升运动区，850 hPa西南低空急流加强到14 m·s^-1以上，为鄂西南输送了充沛的水汽和不稳定能量。由于恩施地区高海拔山区阻挡，冷锋南下较慢，08∶00宜昌北部处在冷锋前部的暖倒槽中，大部地区为偏东风，气温上升较快。14∶00冷锋缓慢南压至宜昌地区北侧，恩施本站仍处在暖倒槽控制之中(如图 2b所示)。根据逐10 min风场观测数据，17∶30宜昌秭归和恩施建始、巴东等地逐渐转为东北风，且气温快速下降，表明冷锋已南下至鄂西南地区。在这期间上述地区出现了强冰雹，根据冷锋演变位置推测，强雹暴出现在冷锋附近靠暖区一侧，与冷锋侵入暖倒槽形成的强烈触发抬升有关。采用恩施本站14∶00的地面温度(16 ℃)和露点温度(12 ℃)对其08∶00的探空曲线进行了订正，订正后对流有效位能(Convective Available Potential Energy, CAPE)为218.2 J·kg^-1，恩施站上空呈上干下湿的层结结构(图 2b)，不稳定能量得到一定的增强。华北低槽、850 hPa低涡北部的暖式切变线和地面冷锋在鄂西南交汇形成上干下湿的不稳定层结；中低层西南暖气流沿着低层强锋区爬升，850 hPa低层切变线和地面冷锋配合是此次早春强对流发展加强的主要原因。

3 多源探测资料分析 3.1 风廓线雷达资料分析

风廓线雷达能获得测站上空全天候的风场垂直结构变化。图 3为冰雹发生过程中秭归站风廓线雷达的时间演变图，其中6 km高度以上出现了一定时间段的资料缺失(12∶04—15∶58和18∶58—20∶04)，导致绘图中出现了部分空白区域。由秭归站风廓线雷达资料可见，鄂西南出现对流活动之前(13∶00以前)，地面受暖倒槽控制，秭归站低层0—2 km高度为一致的偏东风，而2 km高度以上开始转为一致的西南风，即风向随高度顺时针变化，表明秭归站上空为暖平流控制，且风速随高度逐渐增大，3 km以上的西南急流输送暖湿空气明显，表明此时中层有西南暖湿气流在发展，且西南暖湿气流向上扩展较高，湿层深厚。13∶00左右开始，鄂西南仍处在冷锋前部暖区中，由于冷锋前部不断有冷空气渗入，1 km左右高度出现风向风速辐合，不稳定能量急剧增强，配合暖湿气流发展；14∶00左右，建始县境内开始有对流单体生成并快速东移发展；14∶40—15∶30，1—2 km的水平风速逐渐增大，垂直风切变也由2.06×10^-2 s^-1增强到6.32×10^-2 s^-1，在此时段内建始、巴东的多个乡镇出现局地冰雹。由于恩施地形遮挡，冷锋南下缓慢，主体仍处在宜昌北部。随着冷锋逼近，在15∶00左右1 km以下开始转为偏南风，而到了16∶20，底层垂直风增强，1 km高度的风向一致性遭到破坏，17∶00—17∶24宜昌秭归多地出现降雹，17∶50冷空气势力加强，1.0—2.5 km转为明显的东北气流控制。冷锋主体直至19∶20抵达鄂西南，2.5 km下垫面快速转为偏北气流。需要说明的是，秭归站位于降雹区下游，且探测的风廓线变化仅代表其附近的环境风场，故其表现的天气系统变化具有一定的滞后性。

3.2 雨滴谱资料分析

雨滴谱特征参量(粒子直径和数浓度)以及反演量(含水量和降水强度)可以客观反映出降水过程的微物理特征(周黎明等，2017)。图 4a、b分别为滴谱分布和降水率的时间演变图，其中，粒子等效体积直径D代表降水粒子的大小，而降水率则直接反应降水的强度。从图中可知，此次降水主要可分为三个部分：18∶00左右为主要降水时段，也是秭归多地出现降雹的时段，此时段降水强度最大，且出现了两个峰值(见图 4b)，正好与粒子数浓度的两个大值区(见图 4a)相对应，最大小时雨强超过50 mm·h^-1，为明显的对流性降水；雨滴谱宽也最宽，粒子最大直径接近6 mm，且持续时间也最长，但以小粒子为主，直径大多在1 mm以内，粒子浓度的最大值集中在0.4—0.5 mm左右。随后两个时次(20∶00和21∶00)的降水强度、雨滴谱宽和降水持续时长都呈现逐渐减小的变化趋势，即：20∶00的小粒子(D＜1 mm)数浓度较之18∶00显著减少，大雨滴的数量占比增大明显，雨强也显著减弱，小于5 mm·h^-1；21∶00的降水强度最弱，基本为毛毛雨(＜1 mm·h^-1)。这是由雨滴数密度显著减小和雨滴谱宽的明显收窄共同引起的。由于冰雹并未发生在雨滴谱仪所在测站，故雨滴谱数据上并没有探测到冰雹粒子信息。

3.3 微雨雷达资料分析

为进一步研究此次冰雹过程中降水微物理结构随时间和高度的演变情况，对微雨雷达探测的滴谱特征量随时间和高度的变化进行了分析。图 5为当日17∶00—22∶00时段的反射率因子Z (dBz)、雨强R (mm·h^-1)、液体水含量L_WC (g·m^-3)和雨滴总数浓度N₀ (log₁₀ m^-3)随时间和高度的变化。从上述各参量的垂直变化可见，与雨滴谱仪的探测结果相对应，微雨雷达同样探测到了三个相同降水时段(18∶00、20∶00和21∶00)。其中，在地面降水发生前(17∶30)，各个参量随高度降低逐渐减小，近地面的参量值很低，尤其是雨滴数浓度明显减小，此时地面未探测到降水，这也表明降水前期雨滴在下落过程中蒸发作用的影响较大。随后，在17∶30—18∶10时间段内，雨强逐渐增大并超过30 mm·h^-1 (17∶55—18∶05时段有所减弱)，2 km以下出现强回波，同时雨滴数浓度在空中减小，表明雨滴在近地层发生碰并增长，对应的Z和L_WC随高度降低而增加，并在17∶45—17∶50出现了极大值(Z＞45 dBz，L_WC＞2 g·m^-3)，但微雨雷达在空中的反演数据由于速度模糊问题而出现缺测。18∶15—18∶45时间段内L_WC和N₀在空中迅速减小，表明在环境湿度较低(地面相对湿度为60%)时蒸发作用明显，小雨滴在下落过程中迅速蒸发。对于雨强小于2 mm·h^-1的弱降水，反射率随高度变化较小。第二个时段降水强度相对更弱，由Z和R可知，仅在20∶05—20∶15时段内有显著降水，对应的反射率垂直变化不大，整体低于35 dBz，平均雨强也小于5 mm·h^-1，N₀在近地面出现减小表明存在一定的雨滴碰并增长作用，也可能存在小雨滴的蒸发作用。第三个时段的降水强度最弱，基本为毛毛雨，雨滴总数浓度先减少后增加，可能与小雨滴的蒸发和大雨滴的破碎作用相关，此时的反射率、液态水含量和雨强随高度变化很小。

3.4 闪电资料分析

冰雹等强天气发生发展过程中常伴随着剧烈的雷电活动，作为强对流天气的“指示器”，闪电资料在强对流天气的分析研究中越来越受到重视。基于湖北省三维闪电监测网的探测资料，对此次强对流天气过程的闪电活动情况及其变化规律进行了分析。

图 6为两个雹暴单体(如图 7所示)发展过程中闪电随时间的演变情况。为了更好地匹配雷达回波，本文以雷达数据的分辨率(6 min)为时间单位，对雹暴单体强回波中心10 km范围内发生的所有闪电(云闪+地闪)进行闪电频次统计。从图中可见，随着对流单体的快速发展(强度超过35 dBz)，特别是大于40 dBz以后，对流单体附近开始出现闪电活动，闪电频次与对流强度基本呈现正相关，即闪电随着对流活动的增强而增多，且闪电频次的峰值稍滞后于回波强度的最大值。相较而言，单体B的闪电活动要显著强于单体A，前者的闪电频次峰值约为后者的6倍，而冰雹灾情的统计结果也表明单体B的雹灾强于单体A。随后，由于降雹导致单体内能参与放电的冰相粒子显著减少，闪电的发生也随之减少，而两个雹暴单体均未能获得能量补充，故闪电频次没能出现二次增长，整体呈现单峰分布特征。最终，闪电活动伴随着雹暴单体的衰弱消亡而逐渐停止。

为了深入分析此次强对流过程的闪电特征，分别统计了两个雹暴单体生命期内平均正闪比(P_OP=正地闪/总闪)、负闪比(N_OP=负地闪/总闪)、云闪比(I_OP=云闪/总闪)和云闪比率(Z=云闪/地闪)，详细说明见曾勇等(2020)，统计结果如表 1所示。从表 1可知，两个雹暴单体发生的地闪主要以负地闪为主，正地闪较少，平均正闪比都远低于山东地区冰雹天气过程中的正闪比统计值(冯桂力等，2008)，特别是单体B，其负闪比为正闪比的9倍多。从Z值结果来看，两个雹暴单体存在显著差异，即：雹暴单体A主要是云闪占优，而单体B则正好相反，地闪多于云闪。两个雹暴单体的初次地闪分别提前于降雹时间约30 min和33 min。上述结果仅基于这次强对流过程分析得到，湖北地区雹暴过程的闪电气候特征还有待收集更多的个例开展统计分析。

3.5 多普勒雷达资料分析

多普勒天气雷达凭借其高时空分辨率的特点，一直是开展强天气监测预警业务的主要手段。冰雹云在雷达图上常呈现出(有界)弱回波区、旁瓣回波等典型回波特征也被视为雷达识别预警冰雹的关键指标。图 7为宜昌S波段多普勒天气雷达在此次鄂西南强对流过程中的探测结果(雷达位于图右侧中间位置，子图为红色字体标注对流单体的径向速度图)。从图中可见，当日下午14∶00左右，对流单体A在恩施州建始县境内生成(图 7a)。经过十几分钟的发展，单体A的强度显著增强，中心强度首次超过50 dBz (图略)。随后，单体A进一步增强，强回波(＞45 dBz)伸展到10.5 km以上高度，此时速度图上显示中低层有中气旋在发展(见图 7b)。到了14∶48，强回波稳定维持在10 km高度以上，而强中心(＞60 dBz)高度更是超过了7.6 km，中气旋同样维持发展并增强，回波形态也呈现出一定的勾状回波特征(图 7c)；与此同时，其后部的奉节县境内出现新生对流单体B。在随后的2~3个体扫时间里，伴随着冰雹的降落，单体A的强度有所减弱，最大值由63 dBz减小到57 dBz，回波中心高度也逐渐降低到5.3 km；而单体B进一步发展，中心强度突破50 dBz (图略)。然而，得益于中气旋的稳定维持，单体A并未就此减弱消亡，而是再次发展增强。在15∶18左右(图 7d)，单体A的最强回波达到了64 dBz，发展高度超7.7 km。如图 7e所示，随着降雹的出现单体A再次减弱，回波中心强度降到50 dBz以下，高度也快速降低；伴随的中气旋强度同样减弱，高度降低，此时单体B强度稳定，而在单体A和B之间又有对流单体C新生。尽管单体B持续发展了一个多小时，并出现了中气旋特征(图 7f)，但由于中气旋并未持续发展，故单体B没能进一步演变为冰雹云，反而呈现出减弱趋势。此时单体A已基本消亡，而单体C在东移过程中逐渐与单体B的南支部分合并，并在16∶54 (图 7g)融合增强为一个独立的强对流单体，单体B也随之进入衰亡阶段；而由速度图可知，单体C的中气旋也已生成。随着中气旋的稳定维持单体C得到进一步发展，强回波面积也逐渐增大，高度超过了7 km，其中心强度大于62 dBz，回波形态逐渐演变成弓形(图 7h)。约半小时后，伴随着冰雹的发生，弓形回波并未继续增强形成飑线，而是减弱到50 dBz以下，并逐渐转变成混合性降水回波(图 7i)。最后，混合回波中内嵌的对流单体也未能进一步维持和发展，逐渐分散减弱成层状降水(图略)。

为了进一步分析雹暴单体的垂直结构，分别沿图 7d、g中红色虚线做垂直剖面(雷达位于图中右侧)。由雷达反射率因子剖面(图 8a)可知，单体A的回波顶高已伸展到14 km，除了高悬的强回波中心(＞60 dBz)，强回波悬垂、回波区前侧的回波墙(EW)以及回波墙右侧的(有界)弱回波区(BWER/WER)等特征也清晰可见。由径向速度剖面(图 8c)可知，单体A内部出现了中层径向辐合(MARC)特征，顶部则存在速度辐散。受环境风场的影响，虽然单体B的回波区整体向移动方向前侧倾斜，但回波墙、弱回波区等特征依然可见；此时的冰雹生长过程显著，强回波中心(＞60 dBz)发展高度超过了6 km(图 8b)。径向速度(图 8d)上同样存在中层径向辐合，而高层受高空风影响出现了速度模糊，排除环境风影响因素，此处应该为辐散区。

依托科技部国家重点研发计划项目“灾害性天气资料同化与短临预报系统开发”的开展，中国气象局武汉暴雨研究所完成了分类强对流天气识别预警技术的开发。在改进速度退模糊算法的基础上，开发了风暴识别追踪、冰雹指数计算、中层径向辐合特征和中气旋识别、下击暴流识别与预报等算法，综合上述算法完成了风暴单体30多个特征参量的自动提取。使用大量下击暴流、龙卷和冰雹个例，统计分析了产生这些灾害天气的风暴单体雷达特征量，以此建立分类强对流天气识别预警系统。此处利用该系统对2020年2月14日鄂西南这次强对流过程进行了效果检验。如图 9所示，结果显示该系统成功对两个雹暴单体进行了识别预警；其中，系统在14∶24首次对单体A进行了冰雹预警(图 9a中蓝色三角标识，下同)；随后，在单体A东移的过程中沿途多个乡镇均报告出现冰雹灾情，冰雹信号也一直维持到15∶30结束，刚好对应了单体A发展增强—降雹减弱—再发展增强的全过程。同样地，对于单体B，系统在16∶48进行了首次冰雹预警(图 9b)，随后在秭归多个乡镇出现降雹，并有相应的图片和视频资料记录，冰雹信号一直持续到17∶18，基本覆盖了整个降雹过程。

4 结论

利用多普勒天气雷达、风廓线雷达、微雨雷达、二维视频雨滴谱仪、三维闪电监测网等多源探测资料，结合常规观测资料，对2020年2月14日发生在鄂西南一次早春强对流过程的中小尺度特征进行了综合分析，主要结论如下：

(1) 此次强对流过程是在华北低槽、850 hPa低涡北部的暖式切变线和地面冷锋系统配合的有利天气背景下，鄂西南建始县境内先后生成的两个对流单体东移发展加强，分别在建始、巴东和秭归等多个乡镇降雹，并伴有局地雷暴大风和短时强降水。前一个单体的发展相对独立，后一个单体在东移过程中与北面一个开始减弱的单体合并加强为强雹暴单体。后者的闪电活动更加活跃，闪电频次峰值更高。

(2) 风廓线雷达资料分析结果表明，秭归站上空受暖平流控制，3 km以上西南急流发展增强，湿层深厚；随着南下冷锋前部冷空气的不断渗入，不稳定能量急剧增加，配合暖湿气流发展，强对流活动开始发生发展。随着冷锋主体的抵达，冷空气势力加强，2.5 km以下迅速转为偏北气流控制。

(3) 由于冰雹并未降落在测站，雨滴谱仪没能直接观测到冰雹粒子，但完整记录了雹暴单体的降水微物理特征，即雨滴谱整体呈现单峰分布，以直径小于1 mm的粒子为主，最大雨滴平均直径可达6 mm。

(4) 由微雨雷达探测的雨滴谱垂直分布特征可知，降水前期环境湿度低，蒸发作用明显，反射率因子、雨强、液态水含量和雨滴总数浓度都随高度降低而减小。在较强降水时段，反射率因子和液态水含量在低层随高度降低而增大，近地面雨滴碰并增长作用明显。随着降水的减弱，各参量垂直方向的变化较小。

(5) 三维闪电监测网的闪电分布结果显示，闪电频次的变化与雹暴单体的强度变化呈正相关，闪电频次的峰值稍滞后于回波强度的最大值，且两个雹暴单体的初次地闪分别超前于降雹时间约30 min和33 min。

(6) 多普勒天气雷达在两个雹暴单体中均探测到典型冰雹回波特征，即(有界)弱回波区、勾状回波、回波墙等，并伴随着中低层的中气旋、中层径向辐合与高层辐散区。

武汉暴雨研究所研发的分类强对流天气识别预警系统对此次强对流天气过程的服务效果令人满意，不仅对两个雹暴单体进行了成功地冰雹识别与预警，且持续的冰雹信号基本覆盖了整个降雹过程。该系统可为强天气识别与短时预警预报业务提供技术支撑。

致谢：中国气象局武汉暴雨研究所王珏、付志康、冷亮、孙京同志为完成本文给予了多源资料处理技术指导，谨致谢忱。