键关强冰雹预报诊断提要钩玄（According To <Hail Forecasting 101>）

九尾醉狐

键关强冰雹预报诊断提要钩玄（According To <Hail Forecasting 101>）

    冰雹是从发展强盛的积雨云中降落到地面的坚硬的球状、锥形或不规则的固体降水，是一种季节性明显、局地性强，且来势凶猛、持续时间短，以机械性伤害为主的灾害性天气。

                                                                                                 ——《强对流天气预报的基本原理与技术方法》

前言：

    近年来，全球变暖导致灾害性天气频发，使得强天气的关注度与日俱增，加之科学技术的不断蝶变，关于冰雹的预报技术已经成体系且为各位气爱所稔熟。故在此，笔者倾向于略去那些老生常谈的理论，而是介绍一些近期被科学界所提出，并在实践中初步得到验证的相对前卫理论。另，不同于笔者以往的任何一篇分析，本文内容力求通俗与白话，能为气象圈内的知识普及献绵薄之力是笔者的荣幸。

注：

1、    本文绝大多数观点都来自于https://www.youtube.com/watch?v=3dACXblHRAs，本人仅作提要钩玄，若有进一步的需求，请参阅原视频。

2、    为介绍、评论某一作品或者说明某一问题，在作品中适当引用他人已经发表的作品的行为不构成侵权行为。

3、    囿于才疏学浅，且掣肘于英语能力，虽某尽力勘误，但对原视频内容的误读恐在所难免。诸多谬误，恳请不吝赐教，如蒙郢正，某至为感激。

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一、 底层逻辑：

    我们从雹胚说起。

    一切的根源——初始雹胚，源于上升气流的上风方向，经过凝华增长、撞冻增长、聚合聚并、凇附增长等等微物理过程，最终生长为冰雹，以致降落。但这些过程不是本文的重点，我们只需要把它们简化为“增长过程”即可。增长过程发生在零度层以上，其中，-10℃~-30℃的区间是冰雹的最佳增长层。易得，如果要获得（大） 冰雹，雹胚就需要在0℃层（FZL）以上经历尽可能的长时间。

    如何使增长时间变长呢，那么我们再简化：s=vt。

    很好，现在我们所需要研究的只剩下了：1、不择手段增加s，也就是在增长层路程。2、不择手段减小v，也就是减小冰雹在最佳（注意这个“最佳”）增长层内的速度，可以理解为雹胚所携带的初始动量。

哦还漏了一点：3、首先，初始雹胚要大量输入风暴的0℃层以上。

（本文主要讨论单个单体，多个单体相互作用改变hodo的形状进而使风暴行为变更的情况不做详述。视频中有论述山地地形，不过本文不作论述，因为山地地形利于冰雹的原因大家已不陌生）

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二、 掇菁撷华

    梳理了底层逻辑，那么，我们剩下的工作即为：找出利于满足以上三点的方法。柿子捡软的捏，我们先从最简单的第三点开始。

Ⅰ、雹胚要进入风暴的0℃层以上

   

    正着想可能有些困难，我们从反面入手。不妨想想，什么情况下雹胚不能输入增长层？

    这一问题的答案落在了中低空、低空垂直风切变头上。我们知道，垂直风切变是雷暴组织化的基础，它利于直展深对流的爆发与维持。

    然而，我们也知道，力的作用会改变物体的运动状态，一旦中低空、低空的垂直风切变过强，雹胚就会被吹得随风飘散。这样一来，斜着飞的雹胚便难以大量输入直展的深对流，冰雹的形成自然无从谈起。

    因此，我们得出，在足以保证风暴得以组织化的条件下，中低空、低空的垂直风切变不能过大。

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Ⅱ、不择手段增加路程

    为了让雹胚增长的时间增大，我们必须不择手段增加路程。

    我们先从CAPE入手，它与冰雹能到达的最大高度有关，有以下几点。

1、为了让冰雹在风暴云内的路程尽可能的增大，易知，CAPE需要深厚，以此拥有较高的EL。

2、EL一般存在于平流层逆温附近，但这就是上升气流的极限吗？显然不是，因为我们知道，惯性是物体的固有属性，而气块当然也不例外。因此气块在达到EL后仍会继续上升，直到某个点动能被耗光。根据能量守恒定律，我们知道，这个点就在EL以上的CIN数值上等于EL下部的CAPE的高度，我们把这个高度称为MPL(Maximum Parcel Level)，它才代表了上升气流的真正深度。

    那么，如何让MPL更高呢？那当然是要让冰雹的动能尽可能的多，从而我们得知，整体的（注意这个“整体的”，下文还要说明）CAPE要大一些才好。

    很有意思的一点是，研究表明，MPL高度与冰雹大小高度正相关，几乎达到了线性关系，换而言之，MPL几乎决定了冰雹大小的上限，这需要引起我们注意，如下图。

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3、众所周知，探空中状态曲线与层结曲线围出的CAPE并不是实际气块上升时的CAPE，因为气块并不像探空计算时建立的一个封闭的物理模型，湍流混合与动力夹卷无时无刻不在发生（还没有算上降水粒子的拖曳作用）。如果外部环境的温湿状态与气块相似，那么还好说，但如果外部环境明显有别于初始气块的暖湿特征，夹卷作用便会将干空气不断混入气块内部（相比于冷热，CAPE对干湿特征更敏感，故这边主要强调“干空气”），使其快速变性，CAPE也随之变小，遂不利于MPL高度的提升。

    有用ECAPE这个指标来综合考虑夹卷、深层风切（深层风切这一点放在下文）与CAPE的，不过技术还欠成熟，不管怎么说，我们可以知道，为了加深上升气流的深度，中低空、低空的湿度要尽可能大一些。

    当然我们也知道，冰雹多伴随大陆性对流发生，不能总是保证中低空湿度条件很好，而且中层的干入侵可以降低WBZ并形成强冷池、强下沉，利于冰雹天气的产生。那么我们退一步说，若要产生强冰雹，越干的低空环境要求越大的CAPE。

4、深层垂直风切变（0~6km）则是我们需要考虑的另一个因子。除了使风暴组织化、在急流区产生负动压带动上升运动以外，近期研究表明，深层风切也往往助力诱生宽广的上升区，这可以在相当程度上抵抗气块上升中夹卷过程，利于CAPE的保持。因此，越小的深层垂直风切变要求越大的CAPE来对抗夹卷。关于CAPE、低空湿度、深层风切这三者的关系，具体就看下图吧。

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   上界我们说完了，那么我们可以降低冰雹路程的下限吗？当然可以，我们要让冰雹早早进入增长路程，再迟迟从增长路程中出来，从而加大增长路程。有以下两点。

    1、降低0℃层——让冰雹早早地进入增长路程

    2、降低湿球温度0℃层（WBZ）——让冰雹迟地从增长路程中出来

   所以下次看到低垂的WBZ时，除了意识到它可以防止冰雹在降落时融化，也应该注意它也延长了冰雹的增长距离。

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    好了，上界与下界我们都说完了……这一小节结束了吗？我说过，我们要不择手段增加路程。

    再回忆一下冰雹增长的穴道——零域模型，可知冰雹的增长不是一个直上直下的过程，而是先在上升区随着入流上升，再在穴道中不断翻滚，慢慢横向移动到下沉区，再下落。那么……我们能不能增加这个横向移动的过程？当然可以。延长上升区到下沉区的距离，就表明要增大风暴的体积，这也是为什么往往雹云伴随着宽广的(B)WER。

    风暴的体积与上升区的大小则是其质量辐合与水汽辐合强度的物理表征，这可从以下两点增强。

   

1、增大水汽辐合强度，最直接的方法自然是增大低空的SRW（风暴相对气流）。因此我们可以说，低空SRW大一些比较好（注意这个“大一些”，不是尽可能大，下文会解释）。

2、除了从背景场获得较大的低空SRW，还有一种比较作弊的方法，那便是风暴的合并。合并带来了多个风暴上升质量通道的整合，形成了宽广的上升气流，达到了与加大水汽辐合强度相似的效果。同时使得风暴云体内部液态水含量更多，利于形成大量的冰核。这两点也解释了为什么雹云经常由多个风暴云合并而来，且体积较大。

这是笔者今年亲历的一场冰雹，可以看到显著的对流合并。

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Ⅲ、不择手段减小冰雹在最佳增长层内的速度

    部分从前的理论认为，要足够强盛的上升气流才能托住雹胚，让它进入最佳增长层内发展，但此理论在实践中已被验证为是有缺陷的。雹胚的质量相当小，几乎是只要有CAPE就能把它托进-10℃~-30℃层。相反，在0℃层以下过强的上升气流反而会使得冰雹（雹胚）被直直的抛出最佳增长层，快速进入更高的层面，不利于大冰雹的产生。

因此，我们要减小冰雹携带的初始动量，同样，不择手段。

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1、CAPE是影响上升气流速度的最直接的因素，既然我们要减小雹胚在0℃层以下的动量，那么0℃以下的CAPE自然便要小一些。

可是我们之前不是说要增大整体的CAPE吗，是否与这一条件矛盾？当然不，结合这两点要求，我们自然可以得出：整体的CAPE要大，0℃层以下的CAPE要小，所以0℃层以上的区域的CAPE要大。当然，整体也不宜过大，比如六千七千什么的，这种层结中雹胚在最佳增长层内也待不久，就被直接抛出去了。

同样是本人今年亲历的那场冰雹，可以看出0℃层以下的CAPE是相对较小的。

2、除了直接减小0℃层以下的CAPE，还可以间接减小。有时，在强烈的太阳辐射加热下垫面的影响下，边界层内层结曲线会倾向于干绝热。众所周知，低空干绝热直减率大约为9.8℃/km，而低空湿绝热直减率只有4~5℃/km左右。因此，此时状态曲线的干绝热部分与层结曲线围出的CAPE必然比湿绝热部分与层结曲线围出的CAPE要瘦，这就达到我们的目的了。故我们可以增加LCL的高度，以此减小0℃层以下的CAPE。

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3、我们知道，对于最基本的CAPE算法（用很多例如虚温的改良算法暂且不论），CAPE在LFC以上才开始计算的。因此，减小0℃层以下的CAPE还有一种途径，便是减小LFC与0℃层的距离，这便衍生出两个方法：①增加LFC高度（有时这会与干暖盖相联系） ②降低0℃层高度。

4、除了CAPE直接赋予雹胚的动能，还有一种途径会增大其初始动能，那便是背景风，对于移动中的单体，可以理解为低空SRW。因此在这里我们得出，低空SRW应该小一些比较好。

  但是，我们之前不是已经通过分析得出低空SRW要大一些吗？这里便反映了低空SRW的双刃剑性质，我们应该要权衡这两者，即：低空SRW不能太大。究竟是多大最好呢？一般给出的参考是0~1km的SRW在15节左右比较好。

    当然这不是限死的，更准确的描述应该是：对于越大的低空SRW，0℃层以下的CAPE应该越小；相反如果低空SRW比较小，则允许0℃层以下的CAPE大一些。

    此外，低空风切与0℃层以下CAPE也有类似的关系，但相关性没有低空SRW这么好，具体来看这三者的关系，可以参考这张图表。