金华冰雹天气过程CINRAD/SB雷达特征的初探

2010-01-18方桃妮邵伟军严红梅舒素芳

浙江气象 2010年3期

方桃妮邵伟军严红梅舒素芳

(金华市气象局,浙江金华321000)

0 引言

对冰雹云的早期识别,很多学者都做过探索和研究,取得了一定的成效[1-5]。我国从1998年开始进行新一代天气雷达监测网的建设后[6],新一代多普勒天气雷达的多参量化使其能收集到云中粒子的更多信息,使人们对冰雹现象有了新的认识,对冰雹云的回波特征进行了许多有意义的总结分析[7-11],使人们对冰雹灾害更准确地预报、预警逐渐成为了可能。

金华CINRDA/SB多普勒雷达是我国新一代天气雷达监测网中的一个站点,始建于2004年,2006年5月投入试运行,2007年投入业务使用。本文搜集了该站点2007年以来的监测资料,对冰雹天气进行了诊断分析,从回波强度、回波顶高、垂直积分液态水含量、风廓线、中气旋、冰雹指数、风暴结构等方面,对比只造成强降水对流回波,找出冰雹云区别于一般雷暴云在雷达图像上的指标特征,从而得出金华多普勒雷达产品在冰雹预警中的一些有效指标,帮助预报员在业务应用中提高对冰雹天气的临近预报能力。

1 资料来源及样本采集

本文采用的冰雹天气个例选自金华市本级以及所辖7个县(市)的地域,即金华、兰溪、义乌、东阳、永康、浦江、武义、磐安等市县,时长为2007—2008两年。共搜集到样本个例6个,分别为：2007年 6月 25日14：50武义坦洪(简称20070625)、2007年7月23日13：50—14：30金华安地(简称 20070723a)和 15：40 —16：00 武义(简称 20070723b)、2007年 7月 26日 19：20—19：50义乌上溪(简称 20070726)、2008年 7月 25日14：10 义乌市区东(简称 20080725a)和 14：30 东阳城东(简称20080725b)等的6次冰雹个例。

本文所引用的天气形势分析资料来自MICAPS系统;大气稳定度分析所取资料选自本预报区临近上游站衢州站的高空探空资料;雷达监测及产品则选自金华CINRDA/SB多普勒雷达站,时长为对应的2007—2008两年的资料。

2 冰雹天气环流形势特征及不稳定指数分析

冰雹是强对流发生发展的产物,而强对流天气的发生发展是在大气层结存在着条件性不稳定和对流性不稳定的状态下实现的,不稳定的大气层结在一定的外力抬升作“触发机制”时,开始转化为强对流天气。本文根据这一原理,首先对样本的冰雹个例前一天20时500 hPa、当天02时地面图以及当天08时衢州站的高空探空资料进行冰雹天气的环流形势特征和不稳定指数表现特点做分析。

2.1 副高位置适中,南部暖湿气流活跃

从冰雹样本个例看,6次冰雹天气发生前,预报区(金华地区)均处于副热带高压带边缘,脊线位置适中,20070625,20070723a,20070723b,20070726 4次过程脊线位置均处于20°N～25°N之间,20080725a,20080725b处于588线控制但副高开始减弱南撤中。这一环流配置的特征是使预报区内得到极强的暖湿气流的输送和补充。

2.2 冷气流渗透南下成“抬升”触发机制

6次冰雹个例显示,冰雹天气发生前,有高空槽发展东移(20070625个例高空槽正东移至110°E以东,槽后有落后的温度槽配置,加强加深了东移的高空槽)或有冷涡发展东移(20070723a,20070723b,20070726,20080725a,20080725b个例均在河套地区有冷涡发展),从而带动冷空气扩散南下,起到抬升触发的作用。

2.3 预报区上空大气呈强不稳定层结

利用预报区临近的衢州高空站资料,对样本的6个冰雹个例大气层结稳定度的分析,可以得知,所有发生冰雹的天气,其高空层结均处强不稳定的状态。资料显示,6次个例,其上空大气 K指数均显示≥30以上,最大的 K指数高达 40(为 20070625);而Δ θse(850-500)假相当位温差则均小于25 ℃,最小Δ θse(850-500)达到15.4℃(为20070625);另外,分析 SI指数同样可以看到,6次冰雹个例,SI指数均在≤-1.8以上,最小值达到-6.2(为20080725)。分析证明了冰雹天气的发生发展需有着大气层结极不稳定的环境。

3 多普勒雷达产品的分析

3.1 反射率因子 (R)特征

定义在距雷达100 km内CR产品上首次观测到对流回波,但强度≤30 dBz、面积≤5 km×5 km的回波为初始回波。

利用雷达产品资料中的各仰角反射率因子(R)、风暴结构(SS)分析初始回波强度及所在高度,45 dBz回波的出现时间及所在高度,回波核强度和所在高度及突增等情况,可得到所述6次冰雹样本回波发展的实况,详见表1。

表1 金华2007—2008年冰雹过程冰雹云各产品回波情况

从表1可以看出,冰雹个例的初始回波强度均在20～30 dBz,初始回波的高度在4.5～6.0 km;45 dBz的回波一般出现在初始回波下一个体扫,高度在5～7 km,高出金华市6,7,8月份平均0℃等温层高度2～3 km,此状态十分有利于冰雹的酝酿生长;之后对流向上向下共同发展,成熟阶段云底1.5～2.0 km,云顶超过对流层顶,回波核强度58～65 dBz,最大达到70 dBz以上(为20070723b),这时回波核高度与初始回波形成时高度尚未发生明显变化,在5～7 km;在降雹前10～20 min(大概2～3个体扫时间左右),回波核高度有一个突增的现象,突增高度超过-20℃等温层高度,直至降雹时回波核高度又发生突降,降雹结束,回到初始高度左右。然而,从几个样本个例同期的强降水回波分析看,其初始强度一般在15～25 dBz左右,极个别可有达到30 dBz的,但增强速率较冰雹云明显缓和,且初始回波高度在3～5 km,要低于冰雹回波的高度;当回波核强度在45～55 dBz之间时,回波核高度在3～5 km,且较稳定维持,也不会出现高度的跃增现象。图1是个例20070625与同日的暴雨回波的回波核高度演变情况的比较图,清晰显示出冰雹云与暴雨云回波核高度演变中初始高度和跃增现象的差异。

分析证明,冰雹云的初始回波高度、回波核强度高度及回波核的跃增等的特征,对冰雹的预报有着较好的指示作用,回波核所处的高度越高,突增高度和幅度越大,雹云发展就越强烈,下大冰雹的可能性越大。如果强对流云的初始回波相对较弱,发展后的回波核高度较低,并没有明显高度跃增现象时,则发生冰雹的可能性大大减小,一般仅发生降水为主。

图1 20070625冰雹云与当日暴雨云回波核的高度演变对比图

3.2 垂直积分液态水含量(VIL)特征

垂直积分液态水含量(VIL)是将雷达体积扫描资料中各层雷达反射率因子在其对应高度上进行整层积分所得,它在强对流天气识别业务中得到广泛的应用[12-15]。6次冰雹个例的VIL分析可知,冰雹天气出现时,VIL都达到了60 kg·m-2以上 ,最大达到 75 kg·m-2且高值维持时间较长。在冰雹云初始回波观测到之后的第3个体扫,VIL值会出现持续的15～25 kg·m-2幅度地跃增,并能持续出现15～30 kg·m-2幅度的跃增。而从几个个例同期的强降水回波看,其 VIL值都不很高,一般为10～35 kg·m-2,仅个别达到55 kg·m-2,但维持时间较短,一般只为一个体扫,而且不会发生VIL值的跃增。如图2显示了个例20070625与20070625暴雨回波的VIL值演变与跃增情况的差异。

图2 20070625冰雹云与20070625暴雨云VIL的演变对比图

可见,用VIL的变化特征来识别冰雹云回波可以提高准确率。

3.3 回波顶高 (ET)特征

大量研究和观测表明,回波顶高本身对对流风暴强弱的指示作用虽然并不十分明显,但把回波顶与低层反射率因子回波强弱分布的位置相结合进行分析,却可以得到其对对流风暴强弱有较好的指示性。6个冰雹样本个例分析显示,冰雹云回波高度均≥14 km,最大达到18 km以上(为20070723a,20070723b),同期暴雨云回波一般在9～16 km,较多的也在14 km以上,所以光看回波顶高,确实较难分辨是否为冰雹云回波。但对6次样本个例的不同仰角的回波特征分析可得,20070625,20070723a,20070723b,20070726回波顶高的最大值基本与高仰角回波中心重叠或相近,处在下层低仰角的反射率因子梯度较大一侧(即弱回波区或入流一侧),可见风暴有一个强的上升气流。

另外,20080725a,20080725b两次过程,顶高中心与高中低层的反射率因子基本重合,但从各层回波轮廓看,反射率因子在入流一侧有明显梯度,显示了入流强度也很强。

综上所述,对回波顶结合各层反射率因子回波强弱分布的综合分析,可预示风暴发展的强烈程度,在冰雹预报业务中有一定的利用价值。

3.4 冰雹指数 (HI)特征

冰雹指数 (HI)产品是警示风暴单体是否可能产生冰雹的一个指标,较多的教科书中提示,当有空心绿三角出现,预示单体有可能降雹;当有实心绿三角出现,则有较大可能性降雹。对 6次样本个例的实例分析,其中20070625,20070723a,20070723b,20070726,20080725a在回波发展过程中均出现了实心绿三角,并维持直到回波减弱后消失,仅20080725b没有实心绿三角的情况出现。由此可知,HI产品在本预报区冰雹预报中有较好的指示意义,特别是在出现实心绿三角时,预报员应引起足够的重视。

4 结语

(1)发生冰雹的大气层结处于极不稳定态,本预报区均处于副高北缘,暖湿气流强盛,北面则有高空冷槽或冷涡在发展并东移。

(2)本预报区冰雹初始回波强度在30 dBz左右,初始回波高度在4.5～6.0 km;45 dBz回波一般出现在初始回波下一个体扫,高度在4.5～7.0 km;回波核高度与初始回波高度相近,在降雹前10～20 min(即2～3个体扫)有一个约3 km的跃增,并且回波核高度越高,跃增幅度越大,降大冰雹的可能性越大。强降水风暴初始回波出现高度3～5 km,回波核高度也在3～5 km,不会出现回波核的跃增现象。

(3)冰雹云回波高中低层反射率因子在入流方向有明显梯度,云顶与高层强回波中心重叠或相近,倾前于低层强回波中心,位于低层反射率因子梯度较大一侧。

(4)冰雹云回波 VIL值达到 60～75 kg·m-2,在初始回波生成后3个体扫均有一个持续的15～25 kg·m-2幅度的跃增,降雹前2～4个体扫跃增到高值并维持较长时间;单纯强降水回波 VIL值在10～35 kg·m-2之间,个别可达55 kg·m-2,但一般以 5 kg·m-2为级逐级增减且维持时间很短,不会出现跃增现象。

(5)冰雹指数产品具有较好的降雹预示意义,特别是在出现实心绿三角时,应引起高度警觉。

(6)由于多普勒雷达在金华建站时间短,获取的有效冰雹个例资料有限,本文的分析结论有待于在今后业务工作中进一步完善。

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