多源觀測(cè)資料在冰雹監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用

武冰路，趙京波*，紀(jì) 策，黃浩杰，隆璘雪

（1.中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院河北分院，河北 保定 071000；2.滄州市氣象局，河北 滄州 061000；3.廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000；4.河北省氣象臺(tái)，河北 石家莊 050000）

受華北冷渦的影響，我國(guó)京津冀地區(qū)常常發(fā)生冰雹、大風(fēng)、暴雨、雷電等強(qiáng)對(duì)流天氣。由于強(qiáng)對(duì)流天氣突發(fā)性強(qiáng)、對(duì)流強(qiáng)度大，引發(fā)的風(fēng)雹災(zāi)害與次生災(zāi)害往往導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。

隨著靜止氣象衛(wèi)星時(shí)空分辨率增大、雙偏振雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)的布控以及多源觀測(cè)資料融合的業(yè)務(wù)化開展，國(guó)內(nèi)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)也在不斷提升，眾多專家在短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警方面取得了豐碩的研究成果。任素玲等[2]使用FY-4A 白天對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)品研究華北強(qiáng)雷暴天氣，發(fā)現(xiàn)多通道掃描成像儀RGB 合成參數(shù)較單通道衛(wèi)星圖像更具有監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)。孫偉等[3]使用S 波段雙偏振多普勒雷達(dá)對(duì)蘇州一次冰雹天氣過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雙偏振參量在強(qiáng)對(duì)流短時(shí)臨近預(yù)報(bào)和冰雹識(shí)別方面具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。黃治勇等[4]利用風(fēng)廓線雷達(dá)分析冰雹天氣過程，發(fā)現(xiàn)將風(fēng)廓線雷達(dá)資料與地面天氣圖相結(jié)合可以追蹤降雹前中低層的中尺度系統(tǒng)演變以及冷暖平流的變化，從而為冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警提供更好的條件。王彥等[5]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析一次強(qiáng)降水過程的垂直風(fēng)切變特征，發(fā)現(xiàn)低空急流指數(shù)的變化對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的峰值有一定的指示作用。閔凡花等[6]通過分析大氣可降水量在重慶夏季暴雨中的作用，發(fā)現(xiàn)大氣可降水量對(duì)于強(qiáng)降水的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)有較好的指示性意義。

研究表明，造成冰雹天氣的中尺度天氣系統(tǒng)是復(fù)雜的[7-9]。盡管雷達(dá)圖像識(shí)別和臨近預(yù)報(bào)外推算法有很大業(yè)務(wù)應(yīng)用價(jià)值[10-13]，但冰雹天氣的精細(xì)化預(yù)報(bào)、預(yù)警仍是工作中的難點(diǎn)。本文利用多源觀測(cè)資料對(duì)冰雹災(zāi)害性天氣發(fā)生發(fā)展過程對(duì)發(fā)生在河北省中部一次特大冰雹天氣過程進(jìn)行分析，觀察造成特大冰雹的云團(tuán)特征與超級(jí)單體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并利用定量化產(chǎn)品尋找冰雹天氣預(yù)警指標(biāo)，以期為今后華北地區(qū)冰雹天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警提供依據(jù)。

1 實(shí)況與災(zāi)情

2020 年6 月25 日河北省保定市發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣，主要以冰雹為主，降雹時(shí)段主要集中在14：00—19：00。如圖1 所示，保定市多個(gè)地面觀測(cè)站觀測(cè)到冰雹。14：28，淶源觀測(cè)到直徑為0.8 cm 的冰雹；15：55，易縣觀測(cè)到直徑為2.6 cm 的冰雹；17：09，滿城觀測(cè)到直徑為0.9 cm 的冰雹；17：32，保定觀測(cè)到直徑為0.9 cm 的冰雹。18：46，滄州市肅寧縣（與保定相鄰）觀測(cè)到直徑為3.5 cm 的大冰雹。此外，多位居民在順平、望都、博野、蠡縣等地拍攝到大如雞蛋的冰雹，大量農(nóng)作物、車輛被砸。實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，此次降雹范圍廣，受災(zāi)區(qū)域呈西北—東南帶狀分布。初步統(tǒng)計(jì)，本次強(qiáng)對(duì)流天氣造成直接損失4 591 萬元，53人因冰雹災(zāi)害受傷。

圖1 6 月25 日08：00—26 日08：00 保定市冰雹落區(qū)與降水量（單位：mm）分布

2 環(huán)流背景與對(duì)流潛勢(shì)分析

2020 年6 月25 日08：00，200 hPa 急流軸穿過河北省中部（圖2）；500 hPa，河北省位于華北冷渦東南部的疏散槽中，槽后20 m/s 的西北大風(fēng)指向河北中部，冷溫槽與干區(qū)相配合；850 hPa 顯示河北省受暖脊控制，其西部有切變線；地面處于鋒前暖區(qū)中。綜上，此次環(huán)流的高低空配置形成了上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生提供了有利的背景場(chǎng)。

圖2 2020 年6 月25 日08：00 中尺度分析

由北京站6 月25 日08：00 與14：00 的溫度對(duì)數(shù)壓力圖（圖3）可知，600 hPa 以下風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，表明中低空有暖平流，500 hPa 以上風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，表明高空有冷平流，有利于不穩(wěn)定層結(jié)的維持。對(duì)比08：00 與14：00 的探空曲線可以看出，“下濕上干”的狀態(tài)更加明顯。從各項(xiàng)物理量指標(biāo)來看，08：00 CAPE 值為825.6 J/kg，14：00 CAPE 值增大到1 587.9 J/kg，大氣熱力不穩(wěn)定度進(jìn)一步增大；08：00 的0～6 km 高度的風(fēng)矢量差為12 m/s，垂直風(fēng)切變?yōu)?×10-3s-1，14：00 的0～6 km 的風(fēng)矢量差增大到18 m/s，垂直風(fēng)切變?cè)龃蟮?×10-3s-1，強(qiáng)的垂直風(fēng)切變將導(dǎo)致上升氣流和下沉氣流在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)共存，有利于冰雹粒子的生成與發(fā)展。另外，0 ℃層與-20 ℃層高度分別為3.8、6.6 km，保證了冰雹粒子在下降過程中不融化成水滴。

圖3 2020 年6 月25 日08：00（a）、14：00（b）北京站溫度對(duì)數(shù)壓力圖

3 對(duì)流初生的監(jiān)測(cè)與分析

高時(shí)空分辨率的靜止氣象衛(wèi)星云圖可以監(jiān)測(cè)對(duì)流初生，達(dá)到提前預(yù)警的目的。11：00—12：00 的3 幅可見光云圖（圖4）可以看到，11：00 在張家口、保定、大同三市交界的山區(qū)有弱的對(duì)流云生成，1 h 之后就發(fā)展為若干個(gè)中等強(qiáng)度的對(duì)流云團(tuán)。從12：00 的衛(wèi)星云圖可以看出，對(duì)流云與低云有著明顯的區(qū)別，它們由冰晶粒子組成，具有很高的云頂高度，在云團(tuán)的東部依稀可見卷云羽和暗影。通過分析地面自動(dòng)站資料發(fā)現(xiàn)，在對(duì)流云生成的地方有西北風(fēng)與西南風(fēng)構(gòu)成的輻合線。隨著時(shí)間的推移，輻合線上逐漸出現(xiàn)中尺度渦旋。由此可知，在地面輻合線的觸發(fā)下，配合西部山區(qū)地形的強(qiáng)迫抬升作用，強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)迅速生成并發(fā)展。

圖4 11：00、11：30、12：00 可見光云圖（a、b、c）和地面自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)疊加圖（d、e、f）

4 對(duì)流風(fēng)暴的移動(dòng)與發(fā)展

對(duì)流云初生后迅速發(fā)展，14：00 已經(jīng)發(fā)展成為多個(gè)對(duì)流單體風(fēng)暴，且具有很高的反射率因子值，表明風(fēng)暴強(qiáng)度大。通過分析這些風(fēng)暴單體的STI 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)進(jìn)入保定市境內(nèi)的風(fēng)暴單體生命史大多在16：00 之前消亡，有3 個(gè)強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的生命史超過3 h，分別為D1（13：42—17：24）、C3（15：12—18：12）、K0（12：48—21：36）。將這3 個(gè)對(duì)流風(fēng)暴的STI 軌跡疊加在雷達(dá)圖上發(fā)現(xiàn)其軌跡均呈帶狀分布，基本都沿著西北—東南向移動(dòng)，與風(fēng)暴承載層的平流方向一致，風(fēng)暴軌跡與降雹落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

5 超級(jí)單體的雙偏振特征分析

由于超級(jí)單體K0 在17：30 給保定站帶來了冰雹天氣，因此分析當(dāng)時(shí)的雷達(dá)圖像特征將有利于更加深刻地理解引發(fā)降雹的超級(jí)單體特征，為冰雹預(yù)警提供更多有用的信息。圖6 是超級(jí)單體K0 在17：30 的雷達(dá)圖像。反射率因子圖（圖6a）顯示超級(jí)單體K0 的回波中有明顯的“三體散射回波”，最大反射率因子超過70 dBZ，超級(jí)單體中心與周圍回波構(gòu)成了極大的反射率因子梯度。

圖6 17：30 0.5°仰角超級(jí)對(duì)流單體的雙偏振雷達(dá)圖

差分反射率因子Zdr表示水平極化和垂直極化回波的反射率因子之比的對(duì)數(shù)，Zdr可以反映超級(jí)單體中水凝物粒子的形狀、密度與成分構(gòu)成。圖6b 顯示，反射率因子在60 dBZ 以上的地方Zdr數(shù)值較小，為0～0.2 dB。由于冰雹在下落過程中不斷翻轉(zhuǎn)、擺動(dòng)，導(dǎo)致Zdr接近于0，因此該處的水凝物粒子為冰雹粒子。反射率因子在50～55 dBZ 的地方Zdr為大值區(qū)，為3～5 dB。由于大水滴在下落過程中受到重力的作用變成更加扁平的形態(tài)，導(dǎo)致其水平極化與垂直極化之比較大，因此Zdr大值區(qū)的水凝物粒子為大水滴粒子。在Zdr圖上有一條灰色低值區(qū)（箭頭所指位置），這是非均勻波束充塞導(dǎo)致的。

相關(guān)系數(shù)CC可反映一定區(qū)域內(nèi)粒子形態(tài)（大小和指向）的相關(guān)性。某區(qū)域內(nèi)粒子形態(tài)越一致，其相關(guān)性越好，CC就越大。由圖6c 可以看出，對(duì)流風(fēng)暴東南部的降水粒子均一性較好，CC值一般接近1；處于融化層的冰水混合物均一性較差，粒子形態(tài)變化呈現(xiàn)多樣性，CC值略有降低，為0.94～0.99；冰雹粒子在下落過程中發(fā)生翻滾使得其散射性質(zhì)發(fā)生較大變化，CC值更小，在0.9 以下。

差分相移率Kdp是指在特定距離內(nèi)水平偏振回波和垂直偏振回波相位之間的差值，表征不同偏振在傳播路徑上因傳播系數(shù)不同引起的相位變化。由于Kdp產(chǎn)品的計(jì)算與CC相關(guān)，當(dāng)CC＜0.9 時(shí)不計(jì)算Kdp，導(dǎo)致Kdp出現(xiàn)一些“空洞”，即在有回波的地方，Kdp沒有數(shù)據(jù)。通常大冰雹的CC＜0.9，因此Kdp的“空洞”可以作為識(shí)別大冰雹的一個(gè)指標(biāo)。

6 定量化產(chǎn)品在冰雹預(yù)警中的應(yīng)用

6.1 定量化風(fēng)廓線產(chǎn)品

風(fēng)廓線雷達(dá)通過探測(cè)大氣的折射指數(shù)從而實(shí)現(xiàn)測(cè)風(fēng)目的。與測(cè)風(fēng)氣球相比，風(fēng)廓線雷達(dá)具有連續(xù)性和實(shí)時(shí)性。由保定市14：00—20：00 風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品時(shí)序圖（圖7）可知，17：00—18：30 某些時(shí)段缺少數(shù)據(jù)，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)保定市發(fā)生了冰雹與短時(shí)強(qiáng)降水，強(qiáng)天氣破壞了依靠湍流尺度大小進(jìn)行測(cè)風(fēng)的風(fēng)廓線測(cè)風(fēng)原理，導(dǎo)致在強(qiáng)天氣臨近時(shí)刻，風(fēng)廓線雷達(dá)在近地層沒有數(shù)據(jù)，這一現(xiàn)象可作為強(qiáng)天氣臨近的預(yù)警指標(biāo)。風(fēng)羽顯示，16：00 開始，0～1 km 的風(fēng)由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，表示有氣旋過境；16：30 的垂直速度為負(fù)值，也證明此時(shí)該地由于風(fēng)的輻合產(chǎn)生了上升運(yùn)動(dòng)。0～6 km 和0～3 km 的垂直風(fēng)矢量差在16：00—16：30 發(fā)生躍增。0～6 km 的垂直風(fēng)矢量差從14 m/s躍增到35 m/s，0～3 km 的垂直風(fēng)矢量差從5 m/s 躍增到14 m/s，表明0～6 km 和0～3 km 的垂直風(fēng)切變?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)發(fā)生了躍增，1 h 后保定市出現(xiàn)冰雹天氣。可見垂直風(fēng)切變?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)躍增對(duì)強(qiáng)對(duì)流天的發(fā)生具有明顯指示意義。此外，研究表明，風(fēng)廓線儀探測(cè)到的垂直速度值隨高度的波動(dòng)可能反映了大氣中垂直熱交換的強(qiáng)度，因而垂直速度有可能成為判斷對(duì)流發(fā)展強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)[14]。16：20—16：30，0～3 km 的垂直速度隨高度的波動(dòng)較之前明顯增大，說明此時(shí)大氣中不同層次之間熱力或動(dòng)力差異較大，為對(duì)流風(fēng)暴的維持與發(fā)展提供了有利條件。17：00—17：50，垂直速度突變，由0.2 m/s 迅速增大到14 m/s，表明大氣中具有強(qiáng)烈的下沉運(yùn)動(dòng)，與當(dāng)?shù)亟当r(shí)間相對(duì)應(yīng)。

圖7 保定市14：00—20：00 風(fēng)羽、垂直風(fēng)矢量差及垂直速度（單位：m/s）

6.2 定量化GPS 水汽產(chǎn)品

大氣可降水量（Pwv）是指單位面積上整層大氣水汽全部凝結(jié)至地面的降水量，是表征大氣中水汽含量的重要指示因子，地基GPS 反演的大氣可降水量具有精度高、時(shí)空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。通過觀察保定市大氣可降水量隨時(shí)間的演變可以直觀地分析保定市上空水汽的變化，從而對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)警提供幫助。保定市08：00—20：00 大氣可降水量時(shí)序圖（圖8）顯示，14：00 保定市的大氣可降水量開始逐漸增大，為風(fēng)暴的維持提供了水汽供應(yīng)，17：00 大氣可降水量達(dá)到38.6 mm，18：00 達(dá)頂點(diǎn)，為42.9 mm，與保定市發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的時(shí)間一致。可見，某地大氣可降水量隨時(shí)間連續(xù)增大，對(duì)當(dāng)?shù)貜?qiáng)對(duì)流的發(fā)生具有一定的指示意義。

圖8 保定市08：00—20：00 大氣可降水量

6.3 定量化衛(wèi)星產(chǎn)品

定量化衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以更加精確地展示某一區(qū)域上空的對(duì)流云信息。由保定市的云頂最低氣溫與云頂高度的時(shí)間序列圖（圖9）可知，云頂最低氣溫在12：00—13：00 急劇下降，從242 K 下降到222 K，對(duì)照衛(wèi)星云圖發(fā)現(xiàn)，此時(shí)對(duì)流云開始進(jìn)入保定市內(nèi)。13：00—14：20 云頂最低氣溫繼續(xù)下降，云頂高度隨之升高，此時(shí)對(duì)流云具有明顯的上沖云頂。14：20 之后云頂最低氣溫一直維持在210～230 K，云頂最大高度為13～15 km，上沖云頂突破了對(duì)流層頂。將衛(wèi)星云參數(shù)與降雹時(shí)間對(duì)照發(fā)現(xiàn)，13：20—14：20，云頂最低氣溫持續(xù)下降（云頂高度持續(xù)上升），8 min 后在淶源站觀測(cè)到冰雹；16：40—17：20，云頂最低氣溫持續(xù)下降（云頂高度持續(xù)上升），12 min 后在保定站觀測(cè)到冰雹。這一現(xiàn)象從側(cè)面反映了冰雹的形成過程：雹胚進(jìn)入到上升氣流中，穿過過冷水積累區(qū)，然后被上升氣流帶到中高層，當(dāng)上升氣流不能承托雹粒時(shí)發(fā)生降雹。從冰雹預(yù)警的角度分析，當(dāng)某地的云頂最低氣溫連續(xù)下降、云頂高度連續(xù)升高時(shí)，意味著當(dāng)?shù)貙⒂斜⑻鞖獍l(fā)生。

圖9 保定市上空對(duì)流云云頂最低氣溫與云頂高度時(shí)間序列

6.4 定量化雷達(dá)產(chǎn)品

風(fēng)暴追蹤信息精確地展示出風(fēng)暴參數(shù)隨時(shí)間的變化。由13：00—19：00 K0 各項(xiàng)參數(shù)的時(shí)間序列（圖10）可知，液態(tài)水含量在13：36—14：06 由16 kg/m2迅速躍增到62 kg/m2；最大反射率因子從13：24開始持續(xù)增大，14：06 增至63 dBZ，表明14：06 之前為冰雹孕育期。14：06 之后液態(tài)含水量在60～80 kg/m2，最大反射率因子也一直在60 dBZ 以上，符合處于冰雹發(fā)展維持階段的特征。14：06 之后K0 的最大反射率因子高度在2～6 km，代表粒子的上升下沉運(yùn)動(dòng)一直非常旺盛，與冰雹的孕育（上升）、成熟（下降）、再孕育、再成熟這種反復(fù)過程有顯著對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖10 對(duì)流風(fēng)暴K0 各項(xiàng)參數(shù)隨時(shí)間的演變

調(diào)查發(fā)現(xiàn)K0 導(dǎo)致的地面降雹有2 次被準(zhǔn)確地記錄下來，一次是17：32 保定站降雹，一次是18：46肅寧站降雹。與K0 的最大反射率因子高度對(duì)照發(fā)現(xiàn)，17：06—17：30，最大反射率因子高度陡降，由6.1 km 下降到2.5 km；18：18—18：30，最大反射率因子高度再次陡降，由7.1 km 下降到1.3 km，意味著此時(shí)風(fēng)暴中的冰雹粒子正在以極大的速度下降，相同時(shí)刻風(fēng)廓線雷達(dá)的下沉速度陡增也證明了這一結(jié)論。另外，14：48—14：54 和15：24—15：30，最大反射率因子高度也發(fā)生了陡降，在后續(xù)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)此時(shí)雷達(dá)回波對(duì)應(yīng)的地面上也發(fā)生了雹災(zāi)，遺憾的是沒有準(zhǔn)確的降雹時(shí)間可以對(duì)照。通過以上分析，可以得出這樣的結(jié)論：對(duì)流風(fēng)暴的液態(tài)含水量和最大反射率因子持續(xù)高位，同時(shí)最大反射率因子所在高度發(fā)生陡降意味著地面即將降雹，可作為冰雹預(yù)警的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

7 結(jié)論與討論

利用多源觀測(cè)資料對(duì)2020 年6 月25 日一次特大冰雹天氣過程進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）特大冰雹天氣過程是在華北冷渦的環(huán)流背景下生成的。通過分析各項(xiàng)物理量指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，較大的CAPE 值、中等以上強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變、合適的0 ℃層高度為強(qiáng)冰雹的產(chǎn)生提供了有利的環(huán)境條件。

（2）在地面輻合線與地形共同作用下，對(duì)流風(fēng)暴迅速新生并發(fā)展成超級(jí)單體。造成本次大面積降雹的對(duì)流風(fēng)暴為超長(zhǎng)生命史的超級(jí)單體風(fēng)暴，其中冰雹粒子的雙偏振特征與降水粒子有明顯的區(qū)別，因此可以通過雙偏振雷達(dá)識(shí)別粒子相態(tài)，從而為強(qiáng)對(duì)流分類預(yù)警提供參考。

（3）風(fēng)廓線雷達(dá)、GPS 水汽、衛(wèi)星、多普勒天氣雷達(dá)中的定量化產(chǎn)品為冰雹天氣的短臨預(yù)報(bào)與預(yù)警提供了更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，為冰雹預(yù)警指標(biāo)的形成提供更多的參考。例如，0～6 km 和0～3 km 的垂直風(fēng)切變迅速增強(qiáng)、下沉速度陡增、對(duì)流風(fēng)暴的液態(tài)含水量和最大反射率因子持續(xù)高位的同時(shí)最大反射率因子所在高度發(fā)生陡降都意味著當(dāng)?shù)丶磳l(fā)生冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，應(yīng)該提前預(yù)警，避免災(zāi)害的發(fā)生。