貴州春季強冰雹天氣定量化概念模型研究及試應用分析

萬雪麗，周明飛，曾莉萍，楊秀莊

(貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

貴州春季強冰雹天氣定量化概念模型研究及試應用分析

萬雪麗，周明飛，曾莉萍，楊秀莊

(貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

該文利用貴州近13 a(2000—2012年)春季的氣象資料，依據強對流天氣發生的動力條件和層結穩定情況，將貴州春季強冰雹事件進行不同類型的分類研究，給出貴州強冰雹天氣發生的有利環流形勢類型為：西北氣流型、高空槽型、鋒前降雹型和高架雷暴型。選取有多普勒雷達資料以來的2009—2013年的強冰雹天氣事件個例，采用基數據回放方式研究其降雹前3～15 min雷達回波形態、結構和類型特征，并通過這些特征來有效識別冰雹云，發現降雹前冰雹落區附近的雷達回波組合反射率因子的強度普遍在40 dBz 以上，最強回波為50～60 dBz，冰雹云回波以塊狀回波為主；在垂直剖面上冰雹云回波基本都有明顯的回波懸垂，部分個例存在有界弱回波區，其大于40 dBz 的回波伸展高度多數都在 9～10 km。降雹的回波基本上以孤立的對流云回波單體為主，混合降水類型的冰雹回波對流單體夾雜在層狀云中。冰雹落區主要發生在組合反射率因子的最強回波中心，或是有界弱回波區或回波懸垂的回波墻下方。將研究結果在2014年3月30日的一次強冰雹過程中進行試用，利用中尺度環境分析技術，對當日環境場及要素配置進行分析，對應以上環流分型的概念模型方法，確定此次過程屬于高空槽型，中尺度環境及雷達分析與上述歸納特征十分吻合，利用此方法在當日冰雹潛勢預報及臨近預警方面都提前做出了較好的預報預警。

強冰雹;中尺度分析;雷達回波

1 引言

目前國內外對強冰雹的研究都是主要依賴于多普勒雷達探測為基礎的強風暴臨近預報預警系統。例如NCAR的ANC(Auto-Nowcast System)系統，就是一個時間和空間固定，對風暴的位置和強度進行0～1 h預報的系統。ANC由預報員輸入氣象觀測、數值邊界層模式及多普勒雷達再分析系統數據，由特征檢測算法提供風暴的移動路徑預報結果。國外還有如澳大利亞氣象局的SETPS系統[1]。目前國內類似的臨近預報預警系統有如中國氣象局的SWAN[2]、北京和上海的短臨系統以及香港天文臺的SWIRLS系統。新一代天氣雷達的應用領域主要包括對流天氣的探測和預警、降水估計、雷達上方大氣垂直風廓線的估測和通過對雷達反射率因子與徑向速度數據的同化為高分辨率數值模式提供初始場[3]。這些系統的研究開發為短時強天氣預警業務的開展起到了很好的輔助作用。但在實際應用業務工作中，預報員綜合分析各種探測資料和短時預警的各種客觀產品，結合自身經驗的主觀預報和客觀預報綜合分析仍然是目前開展強對流天氣的臨近預警業務的主要途徑。

在冰雹天氣研究方面，美國天氣局風暴預報中心(SPC)的預報方法已經從經驗預報為主轉變到以物理因子為基礎綜合各種方法的預報新技術[4]。對冰雹的潛勢預報，是以天氣型識別和各種對流參數大小的計算為基礎[2]。目前國內也有很多學者對強冰雹天氣的潛勢預報進行了研究。如張玉峰等[5]利用天氣圖、物理量場、新一代多普勒天氣雷達回波圖、四要素氣象自動站資料，對發生在安陽的一次冰雹伴隨短時強降水強對流天氣進行中尺度分析。瞿青等[6]利用雷達觀測資料及LAPS(Local Analysis and Prediction System)中尺度再分析場資料對發生在河南、安徽等地的對流云合并現象進行了觀測分析。李德俊等[7]利用恩施多普勒雷達和常規分析資料對2007—2008年發生在恩施山區強冰雹和短時強降水天氣過程中的雷達產品特征進行統計分析，在此基礎上找出適合恩施山區強冰雹和短時強降水天氣的雷達臨近預警標準。還有石燕茹等[8]對石家莊地區27次(2007—2008年)強對流天氣過程進行統計分析，找到利用風暴螺旋度(SRH)來作為臨近預報的指標，并進行了驗證。還有的學者[9-10]通過更為微觀的研究，如利用建立的耦合電過程三維冰粒子分檔模式(通過引入電場力來考慮電場對粒子的影響)，模擬研究了一次北京地區強雷暴發展過程中電過程對霰粒子含量、數濃度的影響。但是由于對冰雹的潛勢預報，是以天氣型識別和各種對流參數大小的計算為基礎。將大冰雹事件的天氣歸結成多種類型，計算每種類型下的對流參數，將天氣型與對流參數相配置，找出擾動產生和增強的最有利區域，制作發布冰雹潛勢預報。因此對于不同的地區都將有不同的參數標準，特別是像貴州這樣的地形復雜區域。在貴州省內，過去貴州省氣象部門由于探測手段落后，局地強對流天氣的預警能力較低。現階段貴州已經建成了貴陽、遵義、都勻、興義、畢節、三穗6部多普勒新一代天氣雷達。1 700余個鄉鎮溫度和雨量自動站、3部閃電定位儀為主的中小尺度監測網，提高了對強對流天氣的監測與預警能力，但是開展的相關科研工作比較少，應用水平仍然較低。近兩三年也有相關人員[11-13]對一些強冰雹個例進行研究，得到強冰雹天氣過程的多普勒雷達回波特征預報指標，但是卻缺乏在業務中系統性應用。

本文將貴州各類冰雹天氣類型與對流參數相結合，結合衛星與雷達資料建立貴州冰雹天氣定量化概念模型，并投入業務試應用，對貴州冰雹天氣預報研究有重要意義。

2 貴州強冰雹中尺度天氣型分類

為了保證研究資料的延續性和統一性，同時考慮降雹區域大小以及縣市區域周邊人工消雹對地面冰雹直徑的削弱作用，收集貴州85縣市2000—2012年春季冰雹事件，定義3縣市出現冰雹且1縣市冰雹直徑大于10 mm，或10站出現冰雹的冰雹事件為一次強冰雹天氣事件。

由于定義的強冰雹時間范圍為24 h內，且以每日20時為分界，研究發現貴州冰雹事件發生的時間分布具有午后和前半夜多降雹的特征，因此，考慮環境場分析結果對預報應用的指導性，所取個例兼顧時間和區域的相對集中，對時間范圍作12 h的間隔選取，對個例降雹落區重新篩選，如3縣市出現冰雹且1縣市冰雹直徑大于10 mm的個例，若出現時間分別為白天和夜間，則將此類事件舍去，若3縣市均出現在白天或夜間，則將此類事件計入研究個例，得到2000—2012年強冰雹個例38個。

為了客觀的表現天氣系統配置及其影響對產生強冰雹天氣的作用，以及環境溫壓濕風等要素高低層不同配置對強冰雹天氣的貢獻，從而得到較好的強冰雹定量化概念模型，本研究應用中國氣象局推行的中尺度天氣圖分析技術規范，利用Micaps系統分別對2000—2012年38個個例分析200 hPa、500 hPa、700 hPa、850 hPa、地面等各層影響系統、溫壓濕風、層結穩定度狀況等特征，然后進行上中下層綜合的中尺度環境場分析。

依據強對流天氣發生的動力條件和層結穩定情況，將貴州春季強冰雹事件進行不同類型分類研究，給出不同類型的強冰雹潛勢預報定量化概念模型。為此將貴州強冰雹天氣發生的有利環流形勢分為5類,詳情如下：

西北氣流型：冰雹常于傍晚到夜間出現在地面輻合線附近的露點鋒區內，降雹區走向與地面輻合線一致，有時地面露點鋒區內貴州西部有南北兩條輻合線，則在兩條輻合線附近都可能出現冰雹，如果700 hPa貴州區域有低空急流形成，則在地面露點鋒區與 700 hPa低空急流重合區域也會出現冰雹，降雹區走向與700 hPa急流方向一致。

高空槽型：冰雹常于傍晚到夜間出現在地面輻合線南側與850 hPa切變線之間的靠近露點鋒區的濕區內，冰雹區域走向接近850 hPa溫度脊走向。

鋒前降雹型：冰雹發生于移動冷鋒前地面露點鋒區與冷鋒之間區域。當鋒前地面有輻合線生成時，冰雹常產生于輻合線南側，降雹區走向與地面輻合線一致；當700 hPa有低空急流形成時，冰雹常產生于地面露點鋒區與低空急流重疊區域，降雹區走向與700 hPa急流一致；當地面為鋒前一致偏南氣流，且700 hPa也沒有低空急流形成時，冰雹出現區域常與地面露點鋒區走向一致，呈南北走向。

高架雷暴型分兩種：一是云貴靜止鋒維持，靜止鋒后高架雷暴產生冰雹；二是冷鋒移至江南南部至貴州西部一線，冷鋒后部高架雷暴產生冰雹。靜止鋒后高架雷暴冰雹，發生于靜止鋒后700 hPa急流核兩側急流區，降雹區與700 hPa急流走向一致；冷鋒后高架雷暴冰雹，通常在700 hPa有溫度脊發展時，在未來發生于冷鋒后700 hPa急流與700 hPa溫度脊之間，降雹區走向接近700 hPa溫度脊走向。38個個例中有西北氣流型3個，高空槽型 19個，鋒前降雹型10個，高架雷暴型6個。在中尺度環境分析中，補充700～500 hPa溫差、鋒面、地面輻合線、低空急流、0 ℃和 -20 ℃層高度、垂直風切變等環境參數統計分析。

各類天氣型的概念模型圖如下：

圖1 西北氣流型降雹概念模型(陰影區為冰雹區域)Fig.1 Weather type of northwest flow(The shaded mean hail)

圖2 高空槽型降雹概念模型(陰影區為冰雹區域)Fig.2 Weather type of upper Trough (The shaded mean hail)

圖3 鋒前降雹型概念模型(陰影區為冰雹區域)Fig.3 Weather type of thunderstorms ahead of cold front (The shaded mean hail)

圖4 靜止鋒高架雷暴型概念模型(陰影區為冰雹區域) Fig.4 Weather type of elevated thunderstorms behind stationary front (The shaded mean hail)

圖5 冷鋒高架雷暴型概念模型(陰影區為冰雹區域)Fig.5 Weather type of elevated thunderstorms behind cold front(The shaded mean hail)

3 雷達特征分析

選取2009—2013年以來符合研究定義的強冰雹天氣事件個例，采用基數據回放方式研究其降雹前3～15 min雷達回波形態、結構和類型特征，并通過這些特征來有效識別冰雹云。主要的研究內容為降雹前冰雹云雷達回波組合發射率因子的強度、形態，雷達強回波中心的垂直結構、強回波類型以及冰雹落點和強回波中心的空間位置對應關系等。通過對上述雷達回波特征的研究，結合當日0 ℃和-20 ℃層等溫線高度，提前有效的識別冰雹云，從而達到臨近預警的目的。

通過對2009—2013年共17次冰雹個例進行類別分析，發現降雹前冰雹落點附近的雷達回波組合反射率因子的強度普遍較大，基本都在40 dBz以上，最強回波為50～60 dBz，個別個例中最強回波超過60dBz。通過對所選取個例的研究，冰雹云回波的CAPPI掃描觀測低層回波以塊狀回波為主。對研究個例選取適當位置做剖面，可以在剖面上看到冰雹云回波基本都有明顯的回波懸垂，部分個例存在有界弱回波區，其大于40 dBz的回波伸展高度較高，基本都達到了9～10 km(離地高度下同)，當50 dBz伸展高度達8～10 km及以上時，如果當天的0 ℃層和-20 ℃層等溫線高度適宜，往往預示著大冰雹的出現。

一般的降水回波類型主要分為3大類，對流云回波、層云回波及混合云降水回波，不同類型的回波其特征也有明顯的不同，對流云回波一般強度較大，回波呈塊狀，而層云回波一般強度較弱，呈片狀，兩種回波類型混合在一起，即為混合性降水回波。通常來說，大于35 dBz的回波基本上都屬于對流性降水回波。冰雹過程的產生伴隨著強的上升氣流，對流往往較旺盛，所以冰雹云回波的回波類型以對流云回波為主，呈塊狀。同時，很多對流云是在層云中或附近生成，與層云連成一片，從而形成混合云降水回波。通過對所選個例研究，冰雹云的回波類型基本上以對流云回波為主，也存在混合云降水回波。在冰雹落點上，冰雹往往發生在組合反射率因子的強回波中心，或者接近中心的地方。CAPPI掃描觀測顯示，高層回波較強的地方也往往會出現冰雹，通過剖面做分析，冰雹落區也是發生在回波懸垂比較明顯的位置。總的來說，冰雹落區主要發生在組合反射率因子的最強回波中心，或是有界弱回波區或回波懸垂的回波墻下方。

4 2014年3月30 日冰雹個例應用分析

根據以上的研究分析現選取2014年3月30 日一次高空槽型冰雹檢驗關于貴州春季強冰雹的各種物理量指標、雷達、云圖特征及降雹落區分析。

2014年3月30 日08 時地面貴州西部受熱低壓控制(圖6)，從17時開始省的西部有輻合線生成，到20時熱低壓西退，省西部邊緣地面輻合線發展 (如圖6)。從3月30 日08時和20時的探空資料來看，發現08時在近地面層有一層薄薄的逆溫層，這跟地面受熱低壓的影響有直接關系。08 時400～500 hPa有一層弱的干區，500 hPa以下均為濕層；到20時400～500 hPa的干區增強，500 hPa以下的濕區維持。08時地面到400 hPa 的垂直風切變為2.5×10-3s-1,到20時地面到400hPa 的垂直風切變變為2.2×10-3s-1。從探空圖上分析可知貴陽站的探空曲線為混合降水型，有可能發生冰雹或短時強降水。特別是圖7c為在08時探空的基礎上利用地面14時的溫度及露點訂正后的探空曲線，可以看到不穩定能量的顯著增加，由于當日過程開始于17時以后，到20時圖7b上發現不穩定能量已經釋放并迅速減小。而從當日的實況來看的確在地面輻合線附近發生了冰雹或強降水。降水主要以中—大雨為主(圖8藍色陰影區)，最大羅甸暴雨54.9 mm。

圖6 2014年3月30 日(a)08 時、(b)20時地面圖Fig.6 Surface Weather Chart at 08∶00 BT (a) and 20∶00 BT (b) 30 March 2014

圖7 2014年3月30 日垂直剖面圖(a)08 時 (b)20時 (c)用14時地面溫度及露點訂正過的14時探空圖Fig.7 The sounding at 08∶00 BT (a)、14∶00 BT (b) and 20∶00 BT (c) 30 March 2014

圖8 2014年3月30日08時—2014年3月31日08時全省國家級自動站累積降水Fig.8 Accumulated precipitation from observation from 08∶00 BT 30 March 2014 to 08∶00 BT 31 March 2014

4.1 中尺度分析

2014年3月30 日17時55分—20時30分貴州西部6市縣出現冰雹天氣，最大冰雹直徑30 mm(圖9 a)。

圖9 (a)2014年3月30 日17—21時強對流實況(紅色為冰雹)，(b)2014年3月30 日預報冰雹落區Fig.9 (a)Severe Convection from observation (the shaded mean hail) from 17∶00 BT 30 March 2014 to 21∶00 BT 30 March 2014；(b)hail forecast from 14∶00 BT 30 March 2014 to 14∶00 BT 31 March 2014

圖10 2014年3月30 日08 時中尺度環境場分析Fig.10 Mesoscale analysis of the severe Convection at 08∶00 BT 30 March 2014

對2014年3月30日08時實況資料進行中尺度環境場分析(圖10)可知，貴州中西部處于有利于對流發展的區域，中低層有層結不穩定區域存在，700 hPa有暖溫脊發展，500 hPa高空槽靠近貴州，槽后有冷溫槽配合，未來貴州中西部層結將更趨于不穩定，同時，貴州西部地面有兩條輻合線生成，700 hPa和850 hPa的急流均位于廣西北部，地面露點鋒區位于貴州中西部，這樣在高空槽擾動作用下，貴州西部地面輻合線上有利于對流生成，在有利于對流發展的不穩定的天氣尺度環境中，易于強對流天氣的形成，加之當日0 ℃、-20 ℃層高度分別在4 016 m、5 750 m，處于有利于貴州降雹的高度，垂直風切變2×10-3s-1，達到貴州降雹的閾值，根據高空槽型潛勢預報模型，預報當日貴州中西部有冰雹天氣發生，呈南北走向(圖9b)，當日中午貴州省氣象臺發布雷雨冰雹預報，預報效果較好。

4.2 云圖、雷達資料分析

2014年3月30 日下午開始，貴州畢節地區有對流云團生成，之后不斷向東南移動(圖11)，主要影響六盤水市東部、安順市西部。如圖11e云頂的最低溫度為-56 ℃，低于-50 ℃ 的面積為9 746 m2，低于-40 ℃的面積大約為31 960 m2。從云圖上分析可知，此次過程為幾個對流單體發展結合后，在一個復合體的內部又存在對流單體結構，互相影響增強造成。當日 08時探空圖上0 ℃層等溫線高度為4 km，-20 ℃層等溫線高度為5.7 km，達到了降雹的層結條件。

圖11 風云2E紅外云圖 (a)17∶00 (b)18∶00 (c)19∶00 (d)20∶00 (e)21∶00 (f)22∶00Fig.11 Infrared cloud image of FY-2E at 17∶00 BT(a)、18∶00 BT(b)、19∶00 BT(c)、20∶00 BT(d)、21∶00 BT(e)、22∶00 BT(f)

如圖12a、12b所示，分別為紫云20時06分、鎮寧20時17分的雷達回波組合反射率及其剖面圖，圖中顯示，紫云和鎮寧回波圖上都有明顯的塊狀回波，回波強度都在40 dBz 以上，最強回波強度都超過50 dBz，從剖面圖上看，二者都有明顯的回波懸垂，紫云存在有界弱回波區，40 dBz伸展高度較高，基本都達到了8 km，且紫云的50 dBz回波伸展高度也達近8 km，50 dBz的回波伸展高度超過-20 ℃層高度，往往預示著會出現大冰雹。圖12c中在紫云東部長順南部也有一個較強塊狀回波，沿雷達徑向作垂直剖面發現了明顯的回波懸垂，配合同時刻的速度圖在回波懸垂的位置低層有強的輻合(6 km 以下)高層輻散現象(8～12 km)。由于本文未考慮鄉鎮降雹，但是從雷達圖上分析可知此地有很大的降雹可能性。根據實時的雷達回波資料，預報員利用上述結論判斷紫云、鎮寧出現冰雹的可能性較大，及時的指導當地縣局發布冰雹預警并做好服務。結果當日20時16分紫云出現直徑30 mm的冰雹，當日20時23分鎮寧出現直徑8 mm的冰雹，利用雷達回波做到提前預警，提前時間分別為10 min和6 min，達到了較好的預警服務效果。

圖12 (a)2014年3月30日20時06分貴陽雷達站組合反射率及沿紫云的回波剖面圖;(b)20時17分貴陽雷達站組合反射率及沿鎮寧的回波剖面圖;(c)CAPPI 3 km高度反射率因子圖及垂直剖面圖;(d)3 km高度速度圖及垂直剖面圖Fig.12 (a)Composition graph of reflectivity at Guiyang Radar Station at 20∶06 BT 30 March 2014 and profile image along Ziyun Station； (b)Composition graph of reflectivity at Guiyang Radar Station at 20∶17 BT 30 March 2014 and profile image along zhenning Station； (c) Reflectivity of CAPPI at 3 km and profile image；(d) The radical velocity at 3 km and profile image

從圖中還可以看到，降雹落點主要發生在回波懸垂的下方，與強回波中心對應良好，空間位置基本一致。

[1] FENG Guili,QIE Xiushu,Yuan Tie,and ZHOU Yunjun,A Case Study of Cloud-to-Ground Lingting Activities in Hailstorms under Cold Eddy Synoptic Situation.Acta Meteorologica Sinica,2006,Vol.20,NO.4:489-499.

[2] C.Mueller,T.Saxen,R.Roberts,J.Wilson,T.Betancourt,S.Dettling,N.Oien,and J.Yee,NCAR Auto-Nowcast System.Weather and Forecasting,2003，18:545-561.

[3] 俞小鼎.強對流天氣的多普勒天氣雷達探測和預警[J].氣象科技進展，2011,1 (3):31-41.

[4] 章國材.預報員在未來天氣預報中的作用探討[J].氣象，2005，30(7)：8-11.

[5] 張玉峰，丁治英,王愛玲,等.中尺度冰雹天氣預警技術分析與研究[J].河南科學,2011，29(5):550-554.

[6] 瞿青，黃勇，胡雯,等.強對流系統中對流云合并的觀測分析[J].氣象科學，2011,31(1):100-106.

[7] 李德俊，唐仁茂，熊守權,等.強冰雹和短時強降水天氣雷達特征及臨近預報[J].氣象,2011，37(4):474-480.

[8] 石燕茹，壽紹文，王麗榮,等.風暴相對螺旋度與強對流天氣類型的關系分析[J].氣象與環境學報,2011，27(1):65-71.

[9] 馮晉勤，黃愛玉，張治洋,等.基于新一代天氣雷達產品閩西南強對流天氣臨近預報方法研究[J].氣象,2012，38(2):197-203.

[10] 周志敏，郭學良，崔春光,等.強風暴電過程對霰粒子含量和譜分布影響的數值模擬研究[J].氣象學報,2011，69(5):830-846.

[11] 周永水，汪超.貴州省冰雹的時空分布特征[J].貴州氣象,2009，33(6):9-11.

[12] 熊偉，周明飛，周永水，等.雷達資料對貴州春季冰雹云識別初探[J].貴州氣象,2011，35(2):13-17.

[13] 周永水，周明飛，原野.多普勒雷達產品在貴州山區的降雹特征[J].貴州氣象,2012，36(1):40-43.

Guizhou strong spring hail weather quantitative research and application test analysis of conceptual model

WAN Xueli, ZHOU Mingfei, ZENG Liping, YANG Xiuzhuang

(The Meteorological Observatory of Guizhou Province, Guiyang 550002, Guizhou)

The strong hail of Guizhou in spring happens frequently. It may cause heavy disasters. So, the prediction and the early warning of a strong hail will be very useful and significant. In this paper, the data from 2000 to 2012 was used to collocate the environment and the synoptic system to build a three dimensional quantification model. Through investigation, the circulation type can be classified into northwest air stream, upper-level through, prefrontal hail fall and elevated thunderstorms. The relationship of radar echoes and the region of the strong hail happening was researched. It is found that the strongest CR of the radar were 50～60dBz and most echoes greater than 40dBz near the area before the hailfall. The hail cloud echoes were mainly nubby echoes in the low-level. There were obvious overhang echoes in the cross-section, and bounded weak echoes in some cases. The echoes were greater than 40dBz to get to 9～10km.The hail clouds were mainly convective echoes, but also had mixing cloud precipitation. The main hailfall region happened near the strongest echoes, bounded weak echoes or under the overhang echoes.

strong hail; mesoanalysis; radar echo

1003-6598( 2017) 02-0001-07

2016-07-13

萬雪麗(1967—)，女，副高，主要從事天氣預報研究工作，E-mail:582617620@qq.com。

P458.1+22

A