超级单体雹暴是一类具有持久深厚中气旋的强对流风暴(Doswell，2001)，经常产生大冰雹，危害大，值得深入研究其结构特征和成雹机制。针对超级单体雹暴的结构特征，国内外学者相继进行了大量研究。20世纪60～70年代，Browning(1962，1963a，1963b，1976)以及Browning et al.(1963)对超级单体雹暴的结构进行了一系列开创性研究，提出了超级单体的概念，指出弱回波区(WER)和有界弱回波区(BWER)是一个重要的雷达回波特征，穹窿的位置是强上升气流进入雹暴的标志。Lemon and Doswell(1979)根据双多普勒雷达观测提出经典超级单体发展的概念模式。雹云的回波特征与流场结构密切相关，王昂生和徐乃璋(1985)对多个超级单体进行了研究，指出前悬回波、弱回波区和回波墙是典型的回波特征，有组织的上升气流所确定的弱回波区特征与雹灾密切相关。葛润生等(1998)提出雹云内部存在强烈旋转和上升的组织气流。郑媛媛等(2004)指出超级单体左前方的低层回波呈倒“V”字型结构，沿入流方向穿过最强回波位置的回波剖面呈典型的有界弱回波区—回波悬垂—回波墙结构。刘术艳等(2004)利用数值模拟分析发现在雹云发展阶段，有组织的倾斜上升气流贯穿云体上下，回波墙的位置与倾斜上升气流的位置相吻合。雹云的雷达回波特征是内部流场的外在体现，如何根据回波结构快速判定雹云的回波特征剖面和了解内部流场结构，对人工防雹的作业时机和部位的选取十分重要。

成雹区的识别和催化部位的选择是人工防雹作业的关键。许焕斌和段英(2001)通过对强对流(雹)云数值模拟研究发现，雹云中存在着冰雹“穴道”，若在“穴道”区播撒小尺度冰粒子，就有条件形成人工雹胚，实现与自然雹胚平等“竞争”防雹。郭学良等(2001a，2001b)在现行冰雹云参数化模式的假定基础上，建立和发展了用于预测和研究三维强冰雹云降雹过程的冰雹分档模式，并用以模拟研究冰雹循环增长机制和冰雹粒子的分布特征。洪延超等(2002)利用三维冰雹云模式通过实例模拟研究云中冰相物理过程，结果表明6 km高度附近是雹胚及冰雹形成的源区，人工防雹的催化部位应在此高度附近。樊鹏和肖辉(2005)提出适合渭北地区冰雹云的7个指标，包括45 dBZ强回波顶高、回波跃增等，实际应用结果表明识别效果良好。TITAN系统是20世纪90年代美国国家大气研究中心研发的(Dixon and Wiener，1993)，对冰雹云的预警和防雹作业时机部位的选取有重 要作用。周毓荃等(2009)自主完成对TITAN系统的本地化移植和多类数据的融合开发，通过个例和统计分析充分展示了TITAN系统强大的风暴 追踪识别、外推预报和统计分析等功能(潘留杰等，2010)。

2011年4月17日在广东多个地区发生大风、降雹等强对流天气，风暴持续12个小时以上，为典型的超级单体雹暴。超级单体雹暴降雹阶段处于梧州和广州雷达站之间，移向基本处于两雷达站的径向，适合定性分析雹云内部流场结构，属于很好的研究个例。本文重点分析成熟降雹阶段雹暴的回波结构和流场特征，提出一种快速准确地分析雹暴特征剖面方法和成雹区识别的指标，并进行了验证，以期为防雹作业选取的时机和部位提供有效的方法。

由于此次超级单体持续时间长，单部雷达无法追踪超级单体的演变过程。利用TITAN雷达拼图算法，对梧州和广州雷达站的回波进行时间序列拼图，以显示雹云整个生命史的演变和移动路径，如图 1所示(图中黑色圆圈所示为梧州和广州雷达站位置)。拼图时间步长为1小时左右，图中每一个强回波带表示超级单体在对应时次的回波。从图 中可以明显看出超级单体整体演变可分为三个阶段：10时(本文时间除特殊说明外均为北京时间)前为初生发展阶段，06:30在广西柳州出现对流云回波，回波强度和面积持续增加，对流风暴迅速发展。10～14时为成熟降雹阶段，回波强度达到最大值，TITAN计算的多种风暴参量达到最大值，呈波动趋势(见图 15)。广东省肇庆市德庆县、云浮市云城区、佛山市的高明区荷城镇、顺德区大良镇、南海九江、广州市的南沙先后出现了冰雹天气，其中顺德区大良镇冰雹降落在气象站，降雹时间为13:06～13:09。图 1中白色圆圈为新闻报道的降雹地点大致位置，从西向东依次为德庆(A)、云浮(B)、高明(C)、南海(D)、顺德(E)、南沙(F)。结合雹云移动轨迹，大致推断超级单体降雹时间 为10～14时。14时后为消亡减弱阶段，超级单体雹暴逐渐消亡，回波开始断裂变成零散的强回波团，并逐渐转变成柱状降水回波，后逐渐从深圳移出广东入海消散。此次超级单体雹暴移经600 km左右，平均移速达60 km h⁻¹，平均移向115°，总体表现出移动速度快、持续时间长、覆盖面积广、破坏性大的特点。

图1

Fig. 1

图 1 2011年4月17日06:30～17:00梧州和广州雷达组合反射率的时间序列拼图(白色圆圈为降雹位置示意图，黑色圆圈为梧州和广州雷达站位置) Fig. 1 Temporal series of composite reflectivity at Wuzhou and Guangzhou radar stations from 0630 BT to 1700 BT(Beijing Time)，April 17，2011(white circles st and for the approximate hail location，black circles st and for the location of Wuzhou and Guangzhou radar sites)

本次超级单体雹暴移动过程中还伴随着大 风、强降水等灾害天气。分析地面自动气象站风场资料发现，10～12时，在德庆、云浮、高要一线大致沿西江流域附近长时间维持一条东西走向的中尺度辐合线，辐合线北侧为偏北风，南侧为偏南风。12时后，中尺度辐合线逐渐向东南向移动(图略)。通过追踪整个雹暴的移动路径，发现雹暴大致沿辐合线由西向东移动。中尺度辐合线附近风场的辐合为强对流的发展和维持提供了重要的动力条件，同时辐合线附近的河流下垫面也为强对流天气的爆发提供了充足的水汽条件。

图 2给出了沿超级单体移动路径的地面自动站最大风速、变温和变压的时间演变。分析可见，雹云过境时，地面单站风会发生显著变化，风向由偏东急转为偏西风，单站风速剧增至10 m s⁻¹以上，同时伴随着气压跃升、温度剧降。雹云移经的地面风场都呈现出明显的辐合形式，雹云的后侧为偏西风，单站最大风速超过10 m s⁻¹，雹云前方为风速较弱的偏东风，两者的强烈辐合产生强烈的上升气流，有利于低空热量和水汽的输送，有利于雹云的发展。

图2

Fig. 2

图 2 超级单体移动路径上地面自动站的最大风速、变温和变压时间序列 Fig. 2 Time series of max wind speed，variable temperature and pressure along supercell storm path from surface observation

同时段内雨强大于20 mm h⁻¹的暴雨中心逐小时演变列于图 3。对比超级单体雹暴的移动路径图 1可见，地面暴雨中心的移动路径与风暴移动路径一致，呈西北—东南走势。暴雨中心于05时(图中黑色等值线)在广西中北部形成，雨强最大的站点达52.6 mm h⁻¹。随着超级单体的东移发展，暴雨中心向东南移动，于10时移至广东境内，10～13时内依次经过德庆、肇庆、高明、顺德四个地区，各县观测到的最大雨量分别为51.2 mm、49.5 mm、49.8 mm和60.2 mm，并伴有冰雹。14时后，超级单体雹云转为降雨云，在其周边又有新的对流生成，地面形成多个暴雨中心。总的看来，本次超级单体在发展移动过程中一直伴随地面强降水，强回波位置与强降水区域对应较好。

图3

Fig. 3

图 3 2011年4月17日05～16时地面逐小时暴雨中心(雨强＞20 mm h−1)演变图 Fig. 3 Hourly heavy rain core(rainfall intensity＞20 mm h−1)evolution on ground from 0500 BT to 1600 BT，April 17，2011

本节利用探空观测资料，对产生本次超级单体雹暴的大气层结稳定度和动力条件等环境特征进行分析。

2011年4月17日08时，梧州站位于雹云下游70 km处。该站700 hPa以下的温度露点差小于3°C，K指数为36°C，表明低层暖湿。500 hpa附近温度露点差达到33°C，这可能同700 hPa附近的稳定层有关，它抑制了水汽向上输送，造成下湿上干的分布。中层干空气有利于云中下沉气流的产生和发展。850 hPa和500 hPa两层间的温差为23°C，温差不大，但假相当位温差值达到17°C，说明大气为条件性不稳定。整层对流有效位能较低，为541 J kg⁻¹，但由于强风暴的局地性大，探空并不能完全代表雹云对流有效位能的情况。

风矢端图(图 4)能更清楚的反映风切变特征，图中黑色箭头表示风暴整个生命史的平均移动方向和移速，这是根据各时次雷达回波强中心位置 来估算的。从图 4可见，当天低层风速很小，风向向上顺转，有暖平流；中高层风速向上加大，有 较大的垂直切变。环境风以西风为主，而风暴移向为东偏南，移速为16 m s⁻¹，为右移风暴。每层相 对风暴的气流可用于分析风暴中水汽和能量的来源，它是指各层气流速度矢量减去风暴移速矢量的差值。本次过程低层有较大的东偏南的相对速度和入流，同后 面所述的雷达径向速度观测一致。700到500 hPa(约3～6 km高度)相对速度较小，为偏 南风。高层为大的西偏南相对速度和出流。6 km以下风速切变达到0.005/s。根据Weisman and Klemp(1984)的研究，这种风切变有利于超级单体的 发展。

图4

Fig. 4

图 4 2011年4月17日08时梧州站风矢端图(黑色箭头表示风暴移动方向和平均移速) Fig. 4 Wind vector figure at Wuzhou station at 0800 BT，April 17，2011(black arrow st and s for storm moving direction and average speed)

高时空分辨率的新一代多普勒天气雷达有利于分析雹云的结构特征。前文对超级单体雹暴移动路径和演变分析已知，06～10时为初生发展阶段，10～14时为成熟降雹阶段，14时后为消亡减弱阶段。由于雹云结构特征对防雹作业选取的时机和部位十分重要，文中将重点分析成熟降雹期的雹云流场结构和雷达回波特征。

雹云初生发展阶段的梧州雷达组合反射率演变列于图 5。05:30，梧州雷达站西北部230 km处有一对流单体生成，回波较弱，强度小于35 dBZ。该单体不断向东南方向移动发展，回波面积、强度均增加。在对流单体的东南方向一直有新生弱回波形成，呈带状分布，强度约为15 dBZ(图略)。07:30，弱回波带与对流单体合并为大的对流云团，强度增至40 dBZ。该对流云团东部有新的对流发展加强，不断合并到主回波中，09:30，在梧州雷达站附近形成完整的回波带，中心强度超过50 dBZ，继续向广东移动。

图5

Fig. 5

图 5 2011年4月17日07:30、08:30和09:30梧州雷达组合反射率 Fig. 5 Radar composite reflectivity at Wuzhou station from 0730 BT to 0930 BT，April 17，2011

09～10时，对流云体移动至梧州雷达站附近，处于向雹云发展的过渡阶段，雹云的移向正好处于梧州雷达径向，沿雷达径向取其特征剖面，结合径向速度特征剖面可以定性分析云体内部的流场结构，如图 6所示。

图6

Fig. 6

图 6 09:00和09:54梧州雷达站7 km、3.25 km等高平面位置显示(CAPPI)和相应径向速度分布图(箭头表示剖面方向)以及沿径向的回波剖面和速度剖面(白色曲线表示订正后的水平风速零线) Fig. 6 Constant Altitude Plan Position Indicator(CAPPI) and radial velocity at 7 km and 3.25 km(arrow st and s for section direction)，radar reflectivity radial section and speed section(white line st and s for revised zero speed line of horizontal wind)at Wuzhou radar station at 0900 BT and 0954 BT

由于雹云流场的对流性，其中必然存在一个主上升气流区和相对于云体水平风速为零的区域，垂直剖面上呈现为一条零线，可长大成冰雹的水凝物粒子是绕零线循环运行增长的，并逐步进入主上升气流区(许焕斌和段英，2001)。许焕斌(2012)指出，相对于云的水平风速“零域”或“零线”的所在位置对识别判定防雹作业区具有关键作用。此时段雹云移速较大，达15 m s⁻¹，将订正后的“零线”在径向速度和回波剖面上相应的位置勾画出来(图 6中白色曲线)。09:00，对流发展还不强，强回波区位置偏低。09:54，云体迅速发展，云顶高度抬升至16 km以上，强回波区位于5 km高度，回波呈斜升发展。在向雹云发展的阶段，从径向速度剖面上发现，在云体移向前方的低层有明显的径向正负速度的辐合，表 明在低层存在明显的低空辐合，辐合区随高度倾斜上升，有组织的倾斜上升气流贯穿云体上下。云内提前形成有组织化的上升气流，有利于雹云的发展和维持。同时“零线”逐渐向悬垂回波靠近，有利于大粒子向悬垂回波靠近增长，说明对流云体逐渐出现降雹潜势。

10～11时雹云正处于梧州和广州雷达之间，基本沿着两雷达站的径向移动，同时结合梧州和广州雷达对雹云回波特征进行重点分析，并定性分析雹云流场结构。11时后，雹云距梧州雷达站较远，回波衰减严重，且移向与广州雷达径向夹角逐渐增加，径向风速的含义出现明显的差异。因此将成熟降雹阶段分为两个阶段(阶段Ⅰ：10～11时；阶段Ⅱ：11～14时)，分别研究雹云的动力结构特征。

冰雹云具有特征结构，首先寻找最佳的特征剖面。阶段Ⅰ沿雹云的不同部位、从不同角度做剖 面，发现通过高层7 km和低层3 km高度强回波中心连线所做剖面是雹云的最佳特征剖面，剖面正好沿雷达径向，呈弱回波区—悬挂回波—回波墙的典型结构。

此时特征剖面处于径向，雹云移向与雷达径向一致，沿特征剖面的径向速度接近于全风，适合定性分析雹云的流场结构。此时雹云距离梧州站较近，重点利用梧州站资料分析得到特征剖面上流场的定性结构图，同时辅以广州站雷达资料结合分析。多普勒径向速度是相对于雷达站的，与相对于云的风场有一定的差值，利用梧州站雷达体扫相邻时间内雹云的移动距离，估算出当前时刻雹云的实际移速后进行订正分析，以10:30梧州雷达观测为例，如图 7所示，雹云实际移速约15 m s⁻¹，“零线”平移至径向速度为15 m s⁻¹的区域，剖面图中白色曲线为零线，大致经过悬挂回波的轴线。利用订正后的径向速度场与“零线”的位置，大致可以勾画出流场的结构，如剖面图中青色曲线所示，其余重点时次流场结构见图 8、图 9。用相同的方法对广州雷达的观测进行分析，得到的“零线”也同样经过悬挂回波的轴线，分析的流场结构与梧州雷达观测的雹云流场相似(图略)。

图7

Fig. 7

图 7 10:30梧州雷达站7 km、3.25 km CAPPI和相应径向速度分布图(箭头表示剖面方向)以及沿径向的回波剖面和速度剖面(白色曲线表示订正后的水平风速零线，蓝色曲线为流场) Fig. 7 CAPPI and radial velocity at 7 km and 3.25 km(arrow st and s for section direction from left to right)，radar reflectivity radial section and speed section(white line st and s for revised zero speed line of horizontal wind，blue lines st and for streamline field)at Wuzhou radar station at 1030 BT

图8

Fig. 8

图 8 10:00～11:00梧州雷达站7 km、3.25 km CAPPI、径向速度分布图(箭头表示剖面方向)和回波、径向速度特征剖面与流场结构(白色曲线表示订正后的水平风速零线，蓝色线表示流场) Fig. 8 CAPPI and radial velocity at 7 km and 3.25 km(arrow st and s for section direction from left to right)，radar reflectivity radial section and speed section(white line st and s for revised zero speed line of horizontal wind，blue lines st and for streamline field)at Wuzhou radar station from 1000 BT to 1100 BT

图9

Fig. 9

图 9 10:00～11:00广州雷达站7 km、3.25 km CAPPI、径向速度分布图和(箭头表示剖面方向)和回波、径向速度特征剖面与流场结构(白色曲线表示订正后的水平风速零线 Fig. 9 CAPPI and radial velocity at 7 km and 3.25 km(arrow st and s for section direction from left to right)，radar reflectivity radial section and speed section(white line st and s for revised zero speed line of horizontal wind，blue lines st and for streamline field)at Guangzhou radar station from 1000 BT to 1100 BT

根据上面所述分析雹云特征剖面和流场的方法，依次得到10:00～11:00梧州和广州雷达特征剖面的回波和径向速度剖面，同时配合7 km、3.25 km

CAPPI和相应的径向速度的连续演变，可以细致探讨雹云的结构和演变特征，图 8、9列出了梧州和广州雷达代表时刻的雹云结构。

(a)回波结构特征

由图 8、9可见，10时起，梧州和广州雷达7 km和3.25 km CAPPI图上，回波强中心都位于云系的南部，由于高空风为强的偏西气流，雹云的移向为东偏南向，所以高层为大的西偏南相对速度，故云砧呈西南—东北走向。3.25 km上强回波范围逐渐增大，回波南端头部的强中心不断加强。云系南端的局部最强回波对应为悬挂回波和降雹区位置，7 km CAPPI上南部局部最强回波大于3.25 km高度上的最强回波，强回波中心位置相对偏前，整个雹云呈斜升发展的趋势。

梧州雷达观测发现，10时，雹云的强回波中心向移动前方倾斜发展，出现无界弱回波区。10:18之后，超级单体垂直发展旺盛，回波顶高迅速抬升到16 km以上，45 dBZ的强回波抬升至10 km，雹云出现弱回波区—悬挂回波—回波墙的典型结构(图略)。10:30，回波顶高超过18 km，弱回波区增大，悬垂回波底部和回波墙前侧的回波强度梯度很大，低层及地回波强度达70 dBZ，地面有降雹。在整个降雹时段内，特征结构长时间维持。广州雷达观测发现，10:36，高空8 km处有新生回波发展，于10:48合并至主体回波中，两个强回波中心仍有维持，出现多单体结构的特征。10:54～11:00，两个强回波中心完全合并，多单体又转变成典型的超级单体。这说明超级单体和多单体有很多共同点，区分界线不太明显，有时能相互转化。Knapp and Cotton(1982)、Vasiloff et al.(1986)也研究过这种情况。

(b)径向速度特征

分析图 8、9中雷达径向速度和回波的特征剖面可见，该时段内出现斜升的径向正负速度转向的区域，低层出现明显的径向正负速度的辐合，辐合区随高度倾斜上升，表明雹云中存在一支强的斜上升气流，主上升气流对应着雹云的弱回波区和悬挂回波，强回波底部为气流辐合区，与定性分析得出的流场结构十分相似。结合环境风切变，风暴前方低层为未扰动的弱东风。风暴降水导致中层偏西气流下沉，与弱东风形成明显的辐合(阵风锋)，有利于上升气流的斜升发展，并释放对流不稳定能量，使风暴得到持续发展成为超级单体。小的粒子上升到高层随环境风向东流出，形成巨大的云砧。在雹云高层，云顶径向速度存在明显的辐散，最强辐散位置在悬垂回波顶附近。风暴顶辐散能使强上升气流维持，有利于冰雹的增长。

在径向速度特征剖面上指状逆风区是上升气流区，中心线的后方(西侧)为辐合，升速向东增大；中心线的前方(东侧)为辐散，升速向东减小，前方零线为许焕斌提出的有利于雹胚增长的区域，对应升速相对较小，有利于雹胚在垂直方向上的增长。特别是当零线比较水平时，其上下分别为水平出流和入流，而升速向东递减，有利于雹胚循环 增长。“零线”的走向为上翘式，有利于大粒子向高处集中，此处温度很低，有利于大冰雹的形 成，而且“零线”为迎着雹云移向，气流速度的空间梯度较大，零线附近“穴道”的汇集力较强，有利于降雹。在10:00～11:00时段内，“零线”基本都从悬挂回波中穿过，并逐渐向悬挂回波靠近。这些观测现象很好地印证了关于“零线”的理论研究。

(a)雹云特征结构的快速判定

12时超级单体移至高明地区，此时已超出梧州雷达观测范围，用广州雷达观测资料进行结构分析。同样沿径向做雷达反射率的垂直剖面，列于图 10。从垂直剖面图上完全看不到特征结构，说明此时沿径向已经得不到特征剖面。

图10

Fig. 10

图 10 12:00～12:30高明地区3.25 km CAPPI和沿径向的回波剖面 Fig. 10 CAPPI at 3.25 km and radar reflectivity radial section at Gaoming from 1200 BT to 1230 BT

为了更好研究该时段内超级单体的垂直结构，以12:12 3.25 km、5.5 km和7 km的CAPPI(图 11)为例分析发现，该时刻低、中、高三层，雷达回波西南头部均存在超过70 dBZ的强中心，从低空到高空向东南方向延伸。前文提到，经过各层强中心连线可以得到特征剖面，因此可利用高低空强中心连线做剖面分析雹云的特征结构。

图11

Fig. 11

图 11 12:12雹云3.25 km、5.5 km、7 km CAPPI分布 Fig. 11 Radar CAPPI at 3.25 km，5.5 km，and 7 km at 1212 BT

细微对比分析高低空关键高度的CAPPI，对确定悬垂回波位置、成雹部位和降雹区有很好的作用，对防雹作业有实际应用价值。由于强中心不在同一个水平位置，根据3.25 km和7 km高度CAPPI的强回波的水平错位，利用两高度强中心连线所作的垂直剖面，能快速准确得出特征剖面，找出无界弱回波区或穹窿的位置(图 12)。

图12

Fig. 12

图 12 12:00～13:24雹云典型时刻的CAPPI分布(每个时刻从左到右依次为10 km、7 km和3.25 km)和垂直剖面图(黄色虚线从上到下依次为10 km、7 km和3.25 km所在高度) Fig. 12 CAPPI(10-km，7-km，and 3.25-km CAPPI is from left to right) and vertical section(yellow line st and s for 10-km，7-km，3.25-km height from top to bottom)at typical time from 1200 BT to 1324 BT

由图 12可见，结合各高度层的回波分布和垂直结构分析，发现在12:00～13:30时段内，回波剖面出现弱回波区，并有明显的穹窿结构。此时段特征剖面方向为东偏南方向，与雹云强回波中心的移

向基本一致。在12:00～13:30时段内，低层3.25 km CAPPI回波前方的东南向入流处存在“入流缺 口”，入流缺口的高层正好对应着悬垂回波，同时地面资料也显示雹云前方地面风场为东南风，雹云快速移动与环境风强烈冲击，在入流缺口处形成强上升气流，造成雹云的无界弱回波区或“穹窿”，与上文得出的雹云内部流场一致。整个时间段内，风暴的POH值始终维持在100％左右。这种结构容易产生冰雹，人影作业时通常选择这种出现悬垂回波结构和穹窿的地方作为防雹作业区，有助于对雹区和防雹作业区的判别。

(b)超级单体雹暴流场结构特征

超级单体雹暴与其他强风暴的本质区别在于含有一个持久深厚的中气旋(Doswell，2001；郑媛媛等，2004；冯晋勤等，2010)，在悬垂回波这一基本特征出现的前提下，中气旋的出现会增加大冰雹概率。在10:00～11:00时段内，在强回波区偏西北的位置维持一个明显的中气旋。经过主观退速度模糊后发现，利用径向速度减雹云移速，订正后得到的中气旋结构比较对称，7 km和3.25 km高度都存在明显的中气旋结构。随着雹云的发展，中气旋的强度逐渐增强，低层的涡旋强度比高层较强。

13时，云体的移动方向与广州雷达径向夹角较大，此时径向速度适合分析中气旋特征。图 13给出了13:00不同高度的雷达径向速度和CAPPI及剖面图。在强回波区的偏西北侧，径向风向沿雷达径向两侧出现变号(图 13a1、a2)，此时段雹云移速径向分量平均为－8 m s⁻¹，经过订正后，中气旋结构较对称，表示雹云内部存在着旋转。同时从雷达径向速度的剖面(图 13a3)显示旋转的厚度很深厚，达到7 km以上。中气旋偏南侧回波剖面表现无界弱回波—悬挂回波—回波墙结构(图 13b3)，说明在强上升气流区内有围绕垂直轴的强烈旋转，能保证雹云的发展和维持。

图13

Fig. 13

图 13 13:00时刻3.25 km、7 km的径向速度(上)、反射率(下)及其剖面图(径向速度的剖面相对于回波剖面偏北，黄线从上到下分别表示7 km和3.25 km) Fig. 13 Radar reflectivity(bottom) and radial velocity(top)at 7 km，3.25 km and their sections at 1300 BT(yellow lines st and for 7 km and 3.25 km，respectively)

利用雷达回波的水平和垂直结构、径向风、地面和高空风场，并根据雹云移动速度综合分析，大致可以推断出云体内部的流场结构。成熟阶段中低层的径向速度存在明显的中气旋，径向速度剖面中反映云体内部有倾斜的上升气流，位于弱回波区。地面风为东南风，雹云移速为东南向15 m s⁻¹，近地面有较大相对速度的东南向入流。高空环境风为偏西风，有较大的西偏南相对速度和出流。由于强回波柱区和悬挂回波区对应强上升气流，结合各层的风特征和上升运动的连续性，可推断出云区流场在地面存在东南向的入流和一支位于悬挂回波下方的旋转的主上升气流，在高层转为较强的西偏南相对速度和出流。

14时起，超级单体雹暴进入消亡减弱阶段。图 14列出了该时段内的雷达回波图。分析可见，14时，雹云回波移至广州雷达站东部，发生第二次断裂，主体回波区与其北部的回波带断裂(图 14a中白色椭圆所示)，后侧形成多个较为零散的强降水回波团。随着时间的推移，断裂的北端尾部回波与其后侧回波团相连。15时，两条回波带发生合并，形成带状回波1(图 14b)，对回波带做剖面(图 14c)发现，主体强回波区基本位于0°C层以下，回波强度达到50 dBZ，呈典型的柱状降水回波。对前期产生降雹的对流云体2进行剖面分析(图d)，此时回波强度整体减弱，剖面上观测不到悬垂回波或穹窿结构，回波质心明显下降，说明此时超级单体已由雹云转为强降雨云，这与前文的地面降水观测较为一致。

图14

Fig. 14

图 14(a)14时和(b)15时雷达组合反射率和(c、d)垂直剖面 Fig. 14 Radar composite reflectivity at(a)1400 BT and (b)1500 BT and (c，d)vertical sections

利用雷暴识别、追踪、分析和预报系统(Thunderstorm Identification Tracking Analysis and Nowcasting，简称TITAN)对本次超级单体雹暴移动发展过程中的风暴特性进行计算，得到08:00～18:00风暴特性演变图(图 15)，其中图 15a为风暴时间高度廓线，图 15b为冰雹时间廓线，图 15c为风暴特征演变，图中时间坐标均为协调世界时。风暴特性包括风暴顶高、质心高度、垂直积分含雹质量、降雹概率(POH)和动能通量(FORK)等。其中POH是根据45 dBZ回波的最大高度与冻结层高度的差值(x)与地面观测的冰雹概率推出的经验公式：POH =－1.20231＋1.00184x－0.17018x²＋0.01086x³(Dixon and Wiener，1993)；对反射率达到双标准(最底层反射率≥55 dBZ；冻结层以上2 km处反射率≥45 dBZ)的区域计算降雹动能通量：FORK=5.0×10⁻⁶×Z^0.840，详见周毓荃等(2009)。

图15

Fig. 15

图 15 风暴特性图：(a)风暴时间—高度剖面(黄色线分别为30 dBZ阈值回波顶高与底高，青色线为反射率中心高度，蓝色线为最大反射率)；(b)冰雹探测时间史(紫色线为垂直积分含雹质量，绿色线为高空含雹质量，青色线为降雹概率(POH)，黄色线为降雹动能通量(FORK))；(c)风暴特征演变(黄色线为垂直累积液水含量，青色线为风暴面积，绿色线为降水通量，灰色线为风暴体积，紫色线为风暴质量) Fig. 15 Storm attribute calculated by TITAN system:(a)Storm time-height profile(yellow line: top/base of storm; cyan line: the mass-weighted centroid of the reflectivity Z; blue line: maximum reflectivity);(b)storm attribute evolution(purple line: vertically integrated hail mass；green line: mass of hail; cyan line: probability of hail; yellow line: flux of kinetic energy);(c)storm characteristic evolution(yellow line: vertically integrated liquid water; cyan line: area of storm; green line: precipitation flux; gray line: volume of storm; purple line: mass of storm)

10时降雹前，回波阈值最大顶高(阈值30 dBZ)从8.6 km迅速抬升到15.6 km，此时最大反射率值基本维持在50 dBZ左右。由图 15b可见，在09时前高空冰雹质量和降雹概率POH均为零，说明此时云体基本不会产生降雹。09:00～10:00高空冰雹质量和POH都迅速增大。10时前，超级单体垂直累积液水量、质量、降水通量、面积和体积都不断增加。10～14时超级单体成熟降雹阶段，阈值回波最大顶高维持在15 km以上的高度，最大反射率基本维持在70 dBZ以上。高空冰雹质量和垂直积分冰雹质量较大，POH维持在100％左右，这三个冰雹特征量说明超级单体有很大的降雹潜力。超级单体的垂直累积液水含量(VIL)呈波动变化。其中13:00～13:12阈值回波顶高下降到降雹阶段的最低点，为11.1 km，此时冰雹特征量和超级单体的质量、面积、体积及降水通量都相应下降到成熟降雹期的最低值，是由于超级单体此时移经雷达站附近，受到仰角的限制，只能探测到低仰角范围内的雷达回波所致。14时后，阈值回波最大顶高和最大反射率因子仍分别维持在15 km和60 dBZ左右。垂直整体冰雹质量和高空冰雹质量都明显减小，数值不断波动，POH降到降雹预警值以下。超级单体的VIL、质量、降水通量、面积、体积都略有增加，这说明此时风暴已经转为较强的降水云。

降雹过程中，TITAN系统计算的降雹潜势POH始终维持在100%，可作为判断是否降雹的重要指标。利用POH计算公式反推得到45 dBZ强回波高于0°C层的高度x与降雹概率POH的关系：降雹概率为100%、90%和80%时，x分别为6 km、5 km和4.1 km。因此可根据45 dBZ强回波的高度和位置来识别成雹区。

本次过程中，0°C层高度约为4 km，所以45 dBZ强回波的高度超过10 km时，降雹潜势POH即可达到100%。根据10～15时10 km CAPPI演变(图 16)发现，10～14时降雹期间，10 km高度上始终有强回波维持发展，超过45 dBZ的回波范围随时间不断增大。13时雹暴移至广州雷达站附近，受雷达仰角限制，高层看不到雹暴的回波强度和位置。14时雹暴10 km CAPPI图上仍有回波强度大于45 dBZ的区域。15时后，超级单体雹暴进入减弱消散期，高层回波减弱消散，回波强度基本低于45 dBZ。由此可推测10～14时，在超级单体雹暴头部超过45 dBZ的部位降雹概率较大，15时后超级单体不会降雹。这与实测的冰雹落区和路径也十分一致。因此，本次过程中10 km(0°C高度以上6 km)高度上大于45 dBZ的强回波区可认为是成雹区，能为防雹作业提供及时有效的信息。

图16

Fig. 16

图 16 10～15时雹云逐小时10 km高度上CAPPI演变 Fig. 16 Evolution of CAPPI at 10 km height from 1000 BT to 1500 BT

本文利用雷达观测资料，结合探空和常规观测资料，对2011年4月17日广东一次超级单体雹暴的流场和回波结构演变特征进行了详细分析，并重点研究了降雹阶段超级单体雹暴的结构特征，提出冰雹识别和预警的指标。主要结果有：

(1)本次超级单体雹暴在条件性不稳定和垂直风切变较大的环境条件下产生的右移风暴。风暴过境引发了局地强降水和大风，地面气温明显降低，气压跃增。

(2)超级单体雹暴在初生发展阶段，云内逐渐提前形成有组织化的斜上升气流促进雹云的形成和发展。成熟降雹阶段，雹云维持典型的弱回波区—悬挂回波—回波墙特征结构。扩展降水对流减弱阶段，雹暴转化为降雨云，分裂为多个零散的强回波中心。

(3)结合回波和径向速度定性分析得出雹云内流场结构，降雹时段内云内存在一支强的斜上升气流，主上升气流对应着雹云的弱回波区，强回波底部为气流辐合区。随着雹云的发展，“零线”逐渐向悬挂回波靠近，并从中穿过。“零线”走向为上翘式，附近“穴道”的汇集力较强，有利于降雹。通过对“零线”位置的判断可分析有利成雹的区域。

(4)雹区的识别，对于冰雹预警和防雹作业区的判别非常重要，根据高低空两层强回波的水平错位，利用其强中心连线所作剖面能快速准确地分析特征剖面。利用0°C层以上6 km高度处，降雹潜势达到100%的45 dBZ的区域识别为成雹区，与降雹实况对比发现识别效果良好。