金華冰雹天氣過程CINRAD/SB雷達特征的初探

方桃妮 邵偉軍 嚴紅梅 舒素芳

(金華市氣象局,浙江金華321000)

0 引 言

對冰雹云的早期識別,很多學者都做過探索和研究,取得了一定的成效[1-5]。我國從1998年開始進行新一代天氣雷達監測網的建設后[6],新一代多普勒天氣雷達的多參量化使其能收集到云中粒子的更多信息,使人們對冰雹現象有了新的認識,對冰雹云的回波特征進行了許多有意義的總結分析[7-11],使人們對冰雹災害更準確地預報、預警逐漸成為了可能。

金華CINRDA/SB多普勒雷達是我國新一代天氣雷達監測網中的一個站點,始建于2004年,2006年5月投入試運行,2007年投入業務使用。本文搜集了該站點2007年以來的監測資料,對冰雹天氣進行了診斷分析,從回波強度、回波頂高、垂直積分液態水含量、風廓線、中氣旋、冰雹指數、風暴結構等方面,對比只造成強降水對流回波,找出冰雹云區別于一般雷暴云在雷達圖像上的指標特征,從而得出金華多普勒雷達產品在冰雹預警中的一些有效指標,幫助預報員在業務應用中提高對冰雹天氣的臨近預報能力。

1 資料來源及樣本采集

本文采用的冰雹天氣個例選自金華市本級以及所轄7個縣(市)的地域,即金華、蘭溪、義烏、東陽、永康、浦江、武義、磐安等市縣,時長為2007—2008兩年。共搜集到樣本個例6個,分別為：2007年 6月 25日14：50武義坦洪(簡稱20070625)、2007年7月23日13：50—14：30金華安地(簡稱 20070723a)和 15：40 —16：00 武義(簡稱 20070723b)、2007年 7月 26日 19：20—19：50義烏上溪(簡稱 20070726)、2008年 7月 25日14：10 義烏市區東(簡稱 20080725a)和 14：30 東陽城東(簡稱20080725b)等的6次冰雹個例。

本文所引用的天氣形勢分析資料來自MICAPS系統;大氣穩定度分析所取資料選自本預報區臨近上游站衢州站的高空探空資料;雷達監測及產品則選自金華CINRDA/SB多普勒雷達站,時長為對應的2007—2008兩年的資料。

2 冰雹天氣環流形勢特征及不穩定指數分析

冰雹是強對流發生發展的產物,而強對流天氣的發生發展是在大氣層結存在著條件性不穩定和對流性不穩定的狀態下實現的,不穩定的大氣層結在一定的外力抬升作“觸發機制”時,開始轉化為強對流天氣。本文根據這一原理,首先對樣本的冰雹個例前一天20時500 hPa、當天02時地面圖以及當天08時衢州站的高空探空資料進行冰雹天氣的環流形勢特征和不穩定指數表現特點做分析。

2.1 副高位置適中,南部暖濕氣流活躍

從冰雹樣本個例看,6次冰雹天氣發生前,預報區(金華地區)均處于副熱帶高壓帶邊緣,脊線位置適中,20070625,20070723a,20070723b,20070726 4次過程脊線位置均處于20°N～25°N之間,20080725a,20080725b處于588線控制但副高開始減弱南撤中。這一環流配置的特征是使預報區內得到極強的暖濕氣流的輸送和補充。

2.2 冷氣流滲透南下成“抬升”觸發機制

6次冰雹個例顯示,冰雹天氣發生前,有高空槽發展東移(20070625個例高空槽正東移至110°E以東,槽后有落后的溫度槽配置,加強加深了東移的高空槽)或有冷渦發展東移(20070723a,20070723b,20070726,20080725a,20080725b個例均在河套地區有冷渦發展),從而帶動冷空氣擴散南下,起到抬升觸發的作用。

2.3 預報區上空大氣呈強不穩定層結

利用預報區臨近的衢州高空站資料,對樣本的6個冰雹個例大氣層結穩定度的分析,可以得知,所有發生冰雹的天氣,其高空層結均處強不穩定的狀態。資料顯示,6次個例,其上空大氣 K指數均顯示≥30以上,最大的 K指數高達 40(為 20070625);而Δ θse(850-500)假相當位溫差則均小于25 ℃,最小Δ θse(850-500)達到15.4℃(為20070625);另外,分析 SI指數同樣可以看到,6次冰雹個例,SI指數均在≤-1.8以上,最小值達到-6.2(為20080725)。分析證明了冰雹天氣的發生發展需有著大氣層結極不穩定的環境。

3 多普勒雷達產品的分析

3.1 反射率因子 (R)特征

定義在距雷達100 km內CR產品上首次觀測到對流回波,但強度≤30 dBz、面積≤5 km×5 km的回波為初始回波。

利用雷達產品資料中的各仰角反射率因子(R)、風暴結構(SS)分析初始回波強度及所在高度,45 dBz回波的出現時間及所在高度,回波核強度和所在高度及突增等情況,可得到所述6次冰雹樣本回波發展的實況,詳見表1。

表1 金華2007—2008年冰雹過程冰雹云各產品回波情況

從表1可以看出,冰雹個例的初始回波強度均在20～30 dBz,初始回波的高度在4.5～6.0 km;45 dBz的回波一般出現在初始回波下一個體掃,高度在5～7 km,高出金華市6,7,8月份平均0℃等溫層高度2～3 km,此狀態十分有利于冰雹的醞釀生長;之后對流向上向下共同發展,成熟階段云底1.5～2.0 km,云頂超過對流層頂,回波核強度58～65 dBz,最大達到70 dBz以上(為20070723b),這時回波核高度與初始回波形成時高度尚未發生明顯變化,在5～7 km;在降雹前10～20 min(大概2～3個體掃時間左右),回波核高度有一個突增的現象,突增高度超過-20℃等溫層高度,直至降雹時回波核高度又發生突降,降雹結束,回到初始高度左右。然而,從幾個樣本個例同期的強降水回波分析看,其初始強度一般在15～25 dBz左右,極個別可有達到30 dBz的,但增強速率較冰雹云明顯緩和,且初始回波高度在3～5 km,要低于冰雹回波的高度;當回波核強度在45～55 dBz之間時,回波核高度在3～5 km,且較穩定維持,也不會出現高度的躍增現象。圖1是個例20070625與同日的暴雨回波的回波核高度演變情況的比較圖,清晰顯示出冰雹云與暴雨云回波核高度演變中初始高度和躍增現象的差異。

分析證明,冰雹云的初始回波高度、回波核強度高度及回波核的躍增等的特征,對冰雹的預報有著較好的指示作用,回波核所處的高度越高,突增高度和幅度越大,雹云發展就越強烈,下大冰雹的可能性越大。如果強對流云的初始回波相對較弱,發展后的回波核高度較低,并沒有明顯高度躍增現象時,則發生冰雹的可能性大大減小,一般僅發生降水為主。

圖1 20070625冰雹云與當日暴雨云回波核的高度演變對比圖

3.2 垂直積分液態水含量(VIL)特征

垂直積分液態水含量(VIL)是將雷達體積掃描資料中各層雷達反射率因子在其對應高度上進行整層積分所得,它在強對流天氣識別業務中得到廣泛的應用[12-15]。6次冰雹個例的VIL分析可知,冰雹天氣出現時,VIL都達到了60 kg·m-2以上 ,最大達到 75 kg·m-2且高值維持時間較長。在冰雹云初始回波觀測到之后的第3個體掃,VIL值會出現持續的15～25 kg·m-2幅度地躍增,并能持續出現15～30 kg·m-2幅度的躍增。而從幾個個例同期的強降水回波看,其 VIL值都不很高,一般為10～35 kg·m-2,僅個別達到55 kg·m-2,但維持時間較短,一般只為一個體掃,而且不會發生VIL值的躍增。如圖2顯示了個例20070625與20070625暴雨回波的VIL值演變與躍增情況的差異。

圖2 20070625冰雹云與20070625暴雨云VIL的演變對比圖

可見,用VIL的變化特征來識別冰雹云回波可以提高準確率。

3.3 回波頂高 (ET)特征

大量研究和觀測表明,回波頂高本身對對流風暴強弱的指示作用雖然并不十分明顯,但把回波頂與低層反射率因子回波強弱分布的位置相結合進行分析,卻可以得到其對對流風暴強弱有較好的指示性。6個冰雹樣本個例分析顯示,冰雹云回波高度均≥14 km,最大達到18 km以上(為20070723a,20070723b),同期暴雨云回波一般在9～16 km,較多的也在14 km以上,所以光看回波頂高,確實較難分辨是否為冰雹云回波。但對6次樣本個例的不同仰角的回波特征分析可得,20070625,20070723a,20070723b,20070726回波頂高的最大值基本與高仰角回波中心重疊或相近,處在下層低仰角的反射率因子梯度較大一側(即弱回波區或入流一側),可見風暴有一個強的上升氣流。

另外,20080725a,20080725b兩次過程,頂高中心與高中低層的反射率因子基本重合,但從各層回波輪廓看,反射率因子在入流一側有明顯梯度,顯示了入流強度也很強。

綜上所述,對回波頂結合各層反射率因子回波強弱分布的綜合分析,可預示風暴發展的強烈程度,在冰雹預報業務中有一定的利用價值。

3.4 冰雹指數 (HI)特征

冰雹指數 (HI)產品是警示風暴單體是否可能產生冰雹的一個指標,較多的教科書中提示,當有空心綠三角出現,預示單體有可能降雹;當有實心綠三角出現,則有較大可能性降雹。對 6次樣本個例的實例分析,其中20070625,20070723a,20070723b,20070726,20080725a在回波發展過程中均出現了實心綠三角,并維持直到回波減弱后消失,僅20080725b沒有實心綠三角的情況出現。由此可知,HI產品在本預報區冰雹預報中有較好的指示意義,特別是在出現實心綠三角時,預報員應引起足夠的重視。

4 結 語

(1)發生冰雹的大氣層結處于極不穩定態,本預報區均處于副高北緣,暖濕氣流強盛,北面則有高空冷槽或冷渦在發展并東移。

(2)本預報區冰雹初始回波強度在30 dBz左右,初始回波高度在4.5～6.0 km;45 dBz回波一般出現在初始回波下一個體掃,高度在4.5～7.0 km;回波核高度與初始回波高度相近,在降雹前10～20 min(即2～3個體掃)有一個約3 km的躍增,并且回波核高度越高,躍增幅度越大,降大冰雹的可能性越大。強降水風暴初始回波出現高度3～5 km,回波核高度也在3～5 km,不會出現回波核的躍增現象。

(3)冰雹云回波高中低層反射率因子在入流方向有明顯梯度,云頂與高層強回波中心重疊或相近,傾前于低層強回波中心,位于低層反射率因子梯度較大一側。

(4)冰雹云回波 VIL值達到 60～75 kg·m-2,在初始回波生成后3個體掃均有一個持續的15～25 kg·m-2幅度的躍增,降雹前2～4個體掃躍增到高值并維持較長時間;單純強降水回波 VIL值在10～35 kg·m-2之間,個別可達55 kg·m-2,但一般以 5 kg·m-2為級逐級增減且維持時間很短,不會出現躍增現象。

(5)冰雹指數產品具有較好的降雹預示意義,特別是在出現實心綠三角時,應引起高度警覺。

(6)由于多普勒雷達在金華建站時間短,獲取的有效冰雹個例資料有限,本文的分析結論有待于在今后業務工作中進一步完善。

[1] 李子華,宋乃會,周文賢.由“5.1”雹塊微結構推論其生長條件.南京氣象學院學報,1984,7(2)：94-100.

[2] 龔乃虎,蔡啟銘.雹云的特征及其雷達識別.高原氣象,1982,1(2)：43-52.

[3] 戴鐵丕,王振會,趙玲鈴.利用天氣雷達回波資料識別冰雹云的統計方法.南京氣象學院學報,1988,11(2)：123-130.

[4] 黃彥彬,王振會.利用SD型閃電頻數識別高原雷雨云和冰雹云.南京氣象學院學報,2001,24(2)：124-129.

[5] 肖 輝,吳玉霞,胡朝霞,等.旬邑地區冰雹云的早期識別及數值模擬.高原氣象,2002,21(2)：159-166.

[6] 許小峰.中國新一代多普勒天氣雷達網的建設與技術應用.中國工程科學,2003,5(6)：7-14.

[7] 田秀霞.一次罕見冰雹天氣的多普勒雷達回波分析.河北氣象,2005(2)： .

[8] 陳秋萍,鄧 志,蘇萬康.閩北一次降雹過程的新一代天氣雷達回波特征.氣象,2003,29(3)：41-45.

[9] 王福俠,張守保,裴宇杰,等.可能降雹多普勒雷達產品特征指標分析.氣象科技,2008,36(2)：228-232.

[10] 李金輝,樊 鵬.冰雹云提前識別及預警的研究.南京氣象學院學報,2007,30(1)：114-119.

[11] 趙賢產,何麗萍,劉學華.一次發生在副熱帶高壓內部局地冰雹的多普勒雷達回波分析.氣象科學,2007,27(增刊)：169-174.

[12] 俞小鼎,姚秀萍,熊廷南,等.多普勒天氣雷達原理與業務應用.北京：氣象出版社,2006.

[13] 付雙喜,安 林,康鳳琴,等.VIL在識別冰雹云中的應用及估測誤差分析.高原氣象,2004,23(6)：810-814.

[14] 邵偉軍,嚴紅梅,錢華鋒.一次典型降雹過程CINRAD/SB雷達資料分析.浙江氣象,2008,29(2)：8-11.

[15] 劉治國,王錫穩,冀蘭芝,等.雷達VIL在局地強對流天氣應用中應注意的幾個問題.干旱氣象,2006,24(4)：40-44.