第1章 绪论
众所周知，气候处于不断的变化中，不仅平均变化明显，而且其中极端事件也层出不穷。然而人类对气候变化反映在具体天气现象上的监测能力存在诸多的不确定性，对于造成此类变化原因的认识亦十分有限。与雹暴相关的极端天气通常指的是那些持续时间较短，其中风或降水水平与类型在中小尺度的范围内，对于特定时间和地点而言，为不常发生的事件。
雹暴可产生冰雹、强降水、大风及雷电等致灾性天气现象，其在全球的很多地区都能造成巨大的生命与财产损失，及时、连续、高效地监测雹暴，是预防和减少雹暴灾害的重要手段。
从气候变化的角度分析并评估一个地区的雹暴灾害是十分重要的工作，然而目前全世界范围内直接、连续及长期的雹暴观测仍然不足，对于雹暴的数值预报及临近预报也存在较大的不确定性。主要原因是对于雹暴的各类物理过程监测及研究不够深入，因而将观测结果同化于模式中的工作也就相对较为滞后，且存在较大的不确定性。利用各类遥感监测方法（如雷达、卫星或雷电传感器等），也可以发展一些雹暴预警的替代方法。
目前对于雹暴的研究主要聚焦于（Martius et al.，2018）：①雹暴的局地发生概率及长期统计特征；②气候变化背景下的雹暴特征；③雹暴的基本物理特征；④雹暴灾害的预警与预防。
1.1 雹暴的局地发生概率及长期统计特征
雹暴的局地、区域或洲际尺度的发生概率分析及雹暴发生的大气环境研究是学术界关注的科学问题之一。雹暴发生概率主要是通过雷达与卫星的监测，并辅之以一些测雹板得到的。其中，雷达监测的时空分辨率较高，因而其监测的准确性较高。目前雷达观测体系复杂，主要包括S、C、X波段，以及单偏振与双偏振等制式。
通过长期系统地观测，可以揭示雹暴发生的时空规律，以及大尺度的大气条件与局地的触发条件。卫星在观测雹暴时可以发现其洲际尺度的特征，需要明确强对流发生与地面降雹之间的关系。卫星观测有时会对发展较弱的降雹对流产生误判。在全球范围内雹暴可普遍发生于亚热带及温带地区，降雹过程中冰雹直径大于10cm的雹暴在很多地区都曾出现。在雹暴气候统计的工作中，通常需从雹暴的发生环境（如大气不稳定度、低层水汽含量）进行分析，此类方法简单易行，但基于雷达与卫星的雹暴识别方法更为重要。除此之外，测雹板与自动冰雹记录仪所获得的资料，以及雹灾损失的保险资料也都可以用于分析。
1.2 气候变化背景下的雹暴特征
在全球变化的大背景下，对潜在的雹暴发生频率、强度及冰雹尺度分布的变化是很难进行评估的，这可能与冻结层高度增加及在雹暴中的上升增强等有关，同时也与雹暴的动力、热动力及因未来气溶胶浓度变化导致的微物理等过程的不确定性有着一定的联系。这种不确定性还与观测的不连续相关。目前在全球范围内，高密度的测雹板的设置只在少数地区得以实现，主要包括法国部分地区、西班牙北部、意大利东部及中国部分地区。然而，这些地区雹暴的变化趋势可能是完全相反的，这些变化趋势与宏观和微观物理及动力效应都有关系，可具体体现于不稳定度、湿平流、冻结层高度及气溶胶浓度等的变化。
对于没有观测资料的区域而言，再分析资料与气候模式通常可被用于分析雹暴的气候特征。虽然这些方法并没有涉及雹暴的触发机制，但是其能够提供空间上“准一致性”的气候分析结果。
1.3 雹暴中冰雹形成主要过程
已有研究表明，强对流不稳定度、高的大气湿度及中等强度的风切变都有利于强雹暴的发展。Foote（1984）指出冰雹的尺度主要受主上升气流的宽度与倾斜程度的影响，而根据Browning和Foote（1976）的冰雹增长模型可知，小的冻结水成物粒子或者雹胚，自向后倾斜的云砧中落下（即“胚胎帘”），并重新进入上升气流，这些水成物粒子在上升气流中不断地凇附液态水。通常*大的冰雹生长于中等强度的上升气流中，其中冰雹的下落速度基本可以与上升气流速度达到平衡。Takahashi（1976）研究发现在雹暴上升气流中，冰雹的循环是其增长的主要因子，并认为在上升气流中循环的冰晶会率先形成霰粒子；在雹暴的*后阶段冰雹自云中降落，并在与云滴相互作用过程中不断增长。Nelson（1983）利用多部多普勒雷达资料，通过垂直速度与云水含量发展了雹粒子的增长模型。Tessendorf等（2005）利用双偏振雷达与多普勒雷达研究发现多数大冰雹*初的尺度接近毫米级，主要源自中高层气流的停滞区，其主要是围绕上升气流上部辐散出流中如障碍物的气流区域；循环增长的雹胚粒子沿着上升气流中心右侧落下，并重新进入上升气流中，与从云底沿主低空上升气流生长的其他较小粒子混合。
Seigel和Van Den Heever（2013）利用区域大气模拟系统（regional atmospheric modeling system，RAMS）模拟了一次飑线过程，研究表明冰雹与雨水通过夹卷进入0℃层以下的上升气流上风方，这不仅促进了冰雹的增长，而且导致额外的潜热释放，进而增强浮力与降水过程。观测及数值模拟研究的结果都表明，在雹胚循环增长的过程中，冰雹通过撞冻过冷水得以增长。因此，过冷水的质量将实质性地影响雹粒子的尺度。云凝结核浓度的增加可能导致过冷水含量的增加（Freud et al.，2008），因此云凝结核对于冰雹的质量与尺度均有明显的影响。为了进一步分析气溶胶对于冰雹质量与尺度的影响，需要深入了解雹暴的微物理过程。
云物理的参数化对于强对流天气过程的模拟至关重要，好的参数化设计可以减小模拟误差（Clark and Coauthors，2012），不同的微物理方案涉及的物理过程也有较大的差异（Morrison and Milbrandt，2015；Khain et al.，2016；Fan and Coauthors，2017；Han and Coauthors，2019）。冰相粒子的融化过程与冷池的形成及降水的形式密切相关，在一般的物理方案中处理得相对简单。在这些方案中，通常仅用总质量与粒子数两个量描述冰相粒子的尺度分布。Rasmussen等（1984）认为融化的冰相粒子的降落有赖于粒子的尺度，也会影响冰雹及雨滴的尺度，同时会影响雷达的偏振参量（Jung et al.，2012；Dawson et al.，2013，2014；Johnson et al.，2016；Putnam et al.，2017；Snyder et al.，2017）。
在模式的参数化方案中，降水粒子（包括雹粒子）的尺度分布通常被设定为伽马分布或指数分布。由于大冰雹的尺度与分布的*右端相对应，因此对于冰雹而言这部分分布应当得到更加详细的描述。Farley和Orville（1986）在整体参数化方案中应用了分档微物理方案，其中冰雹部分包含几十个质量分档进行计算。为了模拟直径超过1cm的冰雹，Noppel等（2010）在Seifert和Beheng（2006）的“双参”参数方案中引入新的冰雹粒子分类，而在一些“三参”参数化方案中（Loftus and Cotton，2014），伽马分布的形状参数也被纳入其中进行分析，以便更好地分析冰雹尺度的分布。通常而言，在冰雹的尺度分析中，“三参”参数化方案比“双参”参数化方案更具优势。
气溶胶或云凝结核对于冰雹的形成与尺度都有一定的影响，在特定的条件下，冰雹的尺度、雷达反射率及降水量都会随着云凝结核浓度的增加而增加（Noppel et al.，2010）。事实上，冰雹的形成与增长机制都是十分复杂的。有研究认为过冷液滴的冻结会很快形成冰雹，而雨滴的冻结过程与时间有关，且雨滴完全冻结所需的时间可能达到数分钟（Phillips et al.，2014）。雹暴系统中冻滴通过对流及背景气流输送数百米至数公里。过冷液滴的连续撞冻增加了液滴的冻结时间。液滴特性（主要包括液水含量、粒子形状、密度及下落速度）在冻结过程中会随时间发生变化。冻滴有别于雨滴与冰雹，其可以被归为单独的一类。
大雨滴为非球形的，并有一定的取向，当双偏振雷达在测量它们时，会得到较大的差分反射率（ZDR）。由于冻滴中包含的并非纯水，冻滴的ZDR值会小于雨滴的ZDR值。在ZDR柱形成机制中，冻滴起着重要的作用。冻滴的空间分布会影响冰雹的形成及冰雹形成的相区域。冻滴及冰雹的生长机制通常存在两种状态，即干增长与湿增长，对其的研究不仅有益于了解冰雹粒子分层结构的成因，而且有助于计算这些粒子的增长率。在冰雹的干增长状态中，当冰雹的表面较干时，不能收集冰粒子；相反，当冰雹处于湿增长状态时，其表面有一层液水膜，则能够收集冰粒子。由于干湿粒子表面的粗糙度不同，因此冻滴、霰粒子及冰雹的下落速度也有赖于其增长状态。湿增长过程决定着粒子冻结潜热释放的垂直分布，其对雹云的动力过程有着一定的影响。云微物理模型倾向于假设在湿增长阶段的冰雹粒子表面的水层会很快脱落，尽管这种假设将冰雹的增长过程进行了简化，但是从物理原理上看却是错误的。为了更好地模拟冰雹或霰粒子的湿增长过程，需要考虑这些粒子中存在的液态水。Phillips等（2014） 将冰雹粒子的结构设定为包含有“核”且表面有液体层的多层“海绵体”，此类冰雹或霰粒子的增长取决于其表面的温度。由于“海绵体”中的液体冻结需要一定的时间（这有赖于环境条件），冰雹在开始干增长时，内部包含有前面湿增长阶段累积的液体。
在气候变化的背景下，气溶胶对于次生冰晶繁生与冰雹形成都有重要的影响。模式模拟有时得出完全相反的结论，即随着气溶胶浓度的升高，雹暴出现的频率会增加或减少；模式对于积分的时间步长及微物理方案都较为敏感。在模式研究中，冰雹的下落末速度（与动能成正比）是重要的影响因子，其与冰雹的尺度相关。由于冰雹下落末速度非线性依赖其密度与形状，特别是冰雹并非为球形，因此下落末速度很难估算。在模式中，冰雹尺度及相关的动能通常是通过假设冰雹为球形进行计算的。
1.4 冰雹的强度
降落至地面的冰雹可以对人类的生产生活造成严重的危害，冰雹不仅对农村地区农业生产威胁严重，而且对高度发达的城市区域的伤害会更大。冰雹造成的危害与其尺度、密度、硬度有着密切的关系（Brown et al.，2015）。
当冰雹的尺度超过一定的阈值时，降落下来便会损坏地面的物体。通常，冰雹的尺度越大，其对于地面物体所造成的损坏就越严重。
在每次雹暴天气过程中，仅通过*大冰雹尺度信息来估测其造成的危害是远远不够的，而应了解有多少冰雹的尺度超过了可造成损害的尺度阈值，因此冰雹的尺度分布至关重要。除此之外，降雹的时空分布对于了解冰雹的致灾也是必不可少的。较为简单的方法是通过设定雷达的反射率阈值[如大于45dBZ（Aydin et al.，1986）]以指示降雹的时间与范围。随着现代雷达技术的发展，双偏振雷达可以区分不同水成物粒子的类型，同时也可以区分不同尺度的冰雹（Ryzhkov et al.，2013）。
1.5 雹暴灾害的预警与预防
雹暴过程中，冰雹造成的灾害损失有时是十分明显的，对其的具体预警涉及雹暴的危害性（即产生降雹的可能性及其严重程度）、承灾体脆弱性（即与冰雹尺度相关的承灾体的损失）、承灾体暴露度（即在特定位置的承灾体）。雹暴的危害性主要是通过遥感设备（如卫星、雷达及雷电探测设备）观测后分析得到的。雹暴的短临预报系统应当尽可能多地应用观测系统的资料，以便提高预报的时效性与准确性。卫星观测的优势主要在于可先于雷达数十分钟发现雹暴，但是卫星观测的分辨率较低，也缺乏双偏振雷达那样较为特殊的观测功能。在雹暴的整个生命期中，雷电活动增加显著，即存在雷电跃增的特征。研究中基于对各类资料的研究结果，给出的冰雹发生的确切时间并不一致，其中冰雹的发生包括首次地面降雹与*大的冰雹强度的出现。原则上，应当将雷电活动跃增与冰雹的降落轨迹联系在一起实施雹暴的临近预报。目前对于雹暴单体位移预报的准确性尚较低，仍不足以降低预报中存在的不确定性。雹暴生命期特征（即自首次冰雹降落至地面起雹暴的持续时间）对于临近预报而言也是十分重要的信息。随着双偏振雷达的普及与应用，其对水成物粒子的识别能力得以不断提高，在此基础上新
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