贵州春季强冰雹天气定量化概念模型研究及试应用分析

万雪丽，周明飞，曾莉萍，杨秀庄

(贵州省气象台，贵州 贵阳 550002)

贵州春季强冰雹天气定量化概念模型研究及试应用分析

万雪丽，周明飞，曾莉萍，杨秀庄

(贵州省气象台，贵州 贵阳 550002)

该文利用贵州近13 a(2000—2012年)春季的气象资料，依据强对流天气发生的动力条件和层结稳定情况，将贵州春季强冰雹事件进行不同类型的分类研究，给出贵州强冰雹天气发生的有利环流形势类型为：西北气流型、高空槽型、锋前降雹型和高架雷暴型。选取有多普勒雷达资料以来的2009—2013年的强冰雹天气事件个例，采用基数据回放方式研究其降雹前3～15 min雷达回波形态、结构和类型特征，并通过这些特征来有效识别冰雹云，发现降雹前冰雹落区附近的雷达回波组合反射率因子的强度普遍在40 dBz 以上，最强回波为50～60 dBz，冰雹云回波以块状回波为主；在垂直剖面上冰雹云回波基本都有明显的回波悬垂，部分个例存在有界弱回波区，其大于40 dBz 的回波伸展高度多数都在 9～10 km。降雹的回波基本上以孤立的对流云回波单体为主，混合降水类型的冰雹回波对流单体夹杂在层状云中。冰雹落区主要发生在组合反射率因子的最强回波中心，或是有界弱回波区或回波悬垂的回波墙下方。将研究结果在2014年3月30日的一次强冰雹过程中进行试用，利用中尺度环境分析技术，对当日环境场及要素配置进行分析，对应以上环流分型的概念模型方法，确定此次过程属于高空槽型，中尺度环境及雷达分析与上述归纳特征十分吻合，利用此方法在当日冰雹潜势预报及临近预警方面都提前做出了较好的预报预警。

强冰雹;中尺度分析;雷达回波

1 引言

目前国内外对强冰雹的研究都是主要依赖于多普勒雷达探测为基础的强风暴临近预报预警系统。例如NCAR的ANC(Auto-Nowcast System)系统，就是一个时间和空间固定，对风暴的位置和强度进行0～1 h预报的系统。ANC由预报员输入气象观测、数值边界层模式及多普勒雷达再分析系统数据，由特征检测算法提供风暴的移动路径预报结果。国外还有如澳大利亚气象局的SETPS系统[1]。目前国内类似的临近预报预警系统有如中国气象局的SWAN[2]、北京和上海的短临系统以及香港天文台的SWIRLS系统。新一代天气雷达的应用领域主要包括对流天气的探测和预警、降水估计、雷达上方大气垂直风廓线的估测和通过对雷达反射率因子与径向速度数据的同化为高分辨率数值模式提供初始场[3]。这些系统的研究开发为短时强天气预警业务的开展起到了很好的辅助作用。但在实际应用业务工作中，预报员综合分析各种探测资料和短时预警的各种客观产品，结合自身经验的主观预报和客观预报综合分析仍然是目前开展强对流天气的临近预警业务的主要途径。

在冰雹天气研究方面，美国天气局风暴预报中心(SPC)的预报方法已经从经验预报为主转变到以物理因子为基础综合各种方法的预报新技术[4]。对冰雹的潜势预报，是以天气型识别和各种对流参数大小的计算为基础[2]。目前国内也有很多学者对强冰雹天气的潜势预报进行了研究。如张玉峰等[5]利用天气图、物理量场、新一代多普勒天气雷达回波图、四要素气象自动站资料，对发生在安阳的一次冰雹伴随短时强降水强对流天气进行中尺度分析。瞿青等[6]利用雷达观测资料及LAPS(Local Analysis and Prediction System)中尺度再分析场资料对发生在河南、安徽等地的对流云合并现象进行了观测分析。李德俊等[7]利用恩施多普勒雷达和常规分析资料对2007—2008年发生在恩施山区强冰雹和短时强降水天气过程中的雷达产品特征进行统计分析，在此基础上找出适合恩施山区强冰雹和短时强降水天气的雷达临近预警标准。还有石燕茹等[8]对石家庄地区27次(2007—2008年)强对流天气过程进行统计分析，找到利用风暴螺旋度(SRH)来作为临近预报的指标，并进行了验证。还有的学者[9-10]通过更为微观的研究，如利用建立的耦合电过程三维冰粒子分档模式(通过引入电场力来考虑电场对粒子的影响)，模拟研究了一次北京地区强雷暴发展过程中电过程对霰粒子含量、数浓度的影响。但是由于对冰雹的潜势预报，是以天气型识别和各种对流参数大小的计算为基础。将大冰雹事件的天气归结成多种类型，计算每种类型下的对流参数，将天气型与对流参数相配置，找出扰动产生和增强的最有利区域，制作发布冰雹潜势预报。因此对于不同的地区都将有不同的参数标准，特别是像贵州这样的地形复杂区域。在贵州省内，过去贵州省气象部门由于探测手段落后，局地强对流天气的预警能力较低。现阶段贵州已经建成了贵阳、遵义、都匀、兴义、毕节、三穗6部多普勒新一代天气雷达。1 700余个乡镇温度和雨量自动站、3部闪电定位仪为主的中小尺度监测网，提高了对强对流天气的监测与预警能力，但是开展的相关科研工作比较少，应用水平仍然较低。近两三年也有相关人员[11-13]对一些强冰雹个例进行研究，得到强冰雹天气过程的多普勒雷达回波特征预报指标，但是却缺乏在业务中系统性应用。

本文将贵州各类冰雹天气类型与对流参数相结合，结合卫星与雷达资料建立贵州冰雹天气定量化概念模型，并投入业务试应用，对贵州冰雹天气预报研究有重要意义。

2 贵州强冰雹中尺度天气型分类

为了保证研究资料的延续性和统一性，同时考虑降雹区域大小以及县市区域周边人工消雹对地面冰雹直径的削弱作用，收集贵州85县市2000—2012年春季冰雹事件，定义3县市出现冰雹且1县市冰雹直径大于10 mm，或10站出现冰雹的冰雹事件为一次强冰雹天气事件。

由于定义的强冰雹时间范围为24 h内，且以每日20时为分界，研究发现贵州冰雹事件发生的时间分布具有午后和前半夜多降雹的特征，因此，考虑环境场分析结果对预报应用的指导性，所取个例兼顾时间和区域的相对集中，对时间范围作12 h的间隔选取，对个例降雹落区重新筛选，如3县市出现冰雹且1县市冰雹直径大于10 mm的个例，若出现时间分别为白天和夜间，则将此类事件舍去，若3县市均出现在白天或夜间，则将此类事件计入研究个例，得到2000—2012年强冰雹个例38个。

为了客观的表现天气系统配置及其影响对产生强冰雹天气的作用，以及环境温压湿风等要素高低层不同配置对强冰雹天气的贡献，从而得到较好的强冰雹定量化概念模型，本研究应用中国气象局推行的中尺度天气图分析技术规范，利用Micaps系统分别对2000—2012年38个个例分析200 hPa、500 hPa、700 hPa、850 hPa、地面等各层影响系统、温压湿风、层结稳定度状况等特征，然后进行上中下层综合的中尺度环境场分析。

依据强对流天气发生的动力条件和层结稳定情况，将贵州春季强冰雹事件进行不同类型分类研究，给出不同类型的强冰雹潜势预报定量化概念模型。为此将贵州强冰雹天气发生的有利环流形势分为5类,详情如下：

西北气流型：冰雹常于傍晚到夜间出现在地面辐合线附近的露点锋区内，降雹区走向与地面辐合线一致，有时地面露点锋区内贵州西部有南北两条辐合线，则在两条辐合线附近都可能出现冰雹，如果700 hPa贵州区域有低空急流形成，则在地面露点锋区与 700 hPa低空急流重合区域也会出现冰雹，降雹区走向与700 hPa急流方向一致。

高空槽型：冰雹常于傍晚到夜间出现在地面辐合线南侧与850 hPa切变线之间的靠近露点锋区的湿区内，冰雹区域走向接近850 hPa温度脊走向。

锋前降雹型：冰雹发生于移动冷锋前地面露点锋区与冷锋之间区域。当锋前地面有辐合线生成时，冰雹常产生于辐合线南侧，降雹区走向与地面辐合线一致；当700 hPa有低空急流形成时，冰雹常产生于地面露点锋区与低空急流重叠区域，降雹区走向与700 hPa急流一致；当地面为锋前一致偏南气流，且700 hPa也没有低空急流形成时，冰雹出现区域常与地面露点锋区走向一致，呈南北走向。

高架雷暴型分两种：一是云贵静止锋维持，静止锋后高架雷暴产生冰雹；二是冷锋移至江南南部至贵州西部一线，冷锋后部高架雷暴产生冰雹。静止锋后高架雷暴冰雹，发生于静止锋后700 hPa急流核两侧急流区，降雹区与700 hPa急流走向一致；冷锋后高架雷暴冰雹，通常在700 hPa有温度脊发展时，在未来发生于冷锋后700 hPa急流与700 hPa温度脊之间，降雹区走向接近700 hPa温度脊走向。38个个例中有西北气流型3个，高空槽型 19个，锋前降雹型10个，高架雷暴型6个。在中尺度环境分析中，补充700～500 hPa温差、锋面、地面辐合线、低空急流、0 ℃和 -20 ℃层高度、垂直风切变等环境参数统计分析。

各类天气型的概念模型图如下：

图1 西北气流型降雹概念模型(阴影区为冰雹区域)Fig.1 Weather type of northwest flow(The shaded mean hail)

图2 高空槽型降雹概念模型(阴影区为冰雹区域)Fig.2 Weather type of upper Trough (The shaded mean hail)

图3 锋前降雹型概念模型(阴影区为冰雹区域)Fig.3 Weather type of thunderstorms ahead of cold front (The shaded mean hail)

图4 静止锋高架雷暴型概念模型(阴影区为冰雹区域) Fig.4 Weather type of elevated thunderstorms behind stationary front (The shaded mean hail)

图5 冷锋高架雷暴型概念模型(阴影区为冰雹区域)Fig.5 Weather type of elevated thunderstorms behind cold front(The shaded mean hail)

3 雷达特征分析

选取2009—2013年以来符合研究定义的强冰雹天气事件个例，采用基数据回放方式研究其降雹前3～15 min雷达回波形态、结构和类型特征，并通过这些特征来有效识别冰雹云。主要的研究内容为降雹前冰雹云雷达回波组合发射率因子的强度、形态，雷达强回波中心的垂直结构、强回波类型以及冰雹落点和强回波中心的空间位置对应关系等。通过对上述雷达回波特征的研究，结合当日0 ℃和-20 ℃层等温线高度，提前有效的识别冰雹云，从而达到临近预警的目的。

通过对2009—2013年共17次冰雹个例进行类别分析，发现降雹前冰雹落点附近的雷达回波组合反射率因子的强度普遍较大，基本都在40 dBz以上，最强回波为50～60 dBz，个别个例中最强回波超过60dBz。通过对所选取个例的研究，冰雹云回波的CAPPI扫描观测低层回波以块状回波为主。对研究个例选取适当位置做剖面，可以在剖面上看到冰雹云回波基本都有明显的回波悬垂，部分个例存在有界弱回波区，其大于40 dBz的回波伸展高度较高，基本都达到了9～10 km(离地高度下同)，当50 dBz伸展高度达8～10 km及以上时，如果当天的0 ℃层和-20 ℃层等温线高度适宜，往往预示着大冰雹的出现。

一般的降水回波类型主要分为3大类，对流云回波、层云回波及混合云降水回波，不同类型的回波其特征也有明显的不同，对流云回波一般强度较大，回波呈块状，而层云回波一般强度较弱，呈片状，两种回波类型混合在一起，即为混合性降水回波。通常来说，大于35 dBz的回波基本上都属于对流性降水回波。冰雹过程的产生伴随着强的上升气流，对流往往较旺盛，所以冰雹云回波的回波类型以对流云回波为主，呈块状。同时，很多对流云是在层云中或附近生成，与层云连成一片，从而形成混合云降水回波。通过对所选个例研究，冰雹云的回波类型基本上以对流云回波为主，也存在混合云降水回波。在冰雹落点上，冰雹往往发生在组合反射率因子的强回波中心，或者接近中心的地方。CAPPI扫描观测显示，高层回波较强的地方也往往会出现冰雹，通过剖面做分析，冰雹落区也是发生在回波悬垂比较明显的位置。总的来说，冰雹落区主要发生在组合反射率因子的最强回波中心，或是有界弱回波区或回波悬垂的回波墙下方。

4 2014年3月30 日冰雹个例应用分析

根据以上的研究分析现选取2014年3月30 日一次高空槽型冰雹检验关于贵州春季强冰雹的各种物理量指标、雷达、云图特征及降雹落区分析。

2014年3月30 日08 时地面贵州西部受热低压控制(图6)，从17时开始省的西部有辐合线生成，到20时热低压西退，省西部边缘地面辐合线发展 (如图6)。从3月30 日08时和20时的探空资料来看，发现08时在近地面层有一层薄薄的逆温层，这跟地面受热低压的影响有直接关系。08 时400～500 hPa有一层弱的干区，500 hPa以下均为湿层；到20时400～500 hPa的干区增强，500 hPa以下的湿区维持。08时地面到400 hPa 的垂直风切变为2.5×10-3s-1,到20时地面到400hPa 的垂直风切变变为2.2×10-3s-1。从探空图上分析可知贵阳站的探空曲线为混合降水型，有可能发生冰雹或短时强降水。特别是图7c为在08时探空的基础上利用地面14时的温度及露点订正后的探空曲线，可以看到不稳定能量的显著增加，由于当日过程开始于17时以后，到20时图7b上发现不稳定能量已经释放并迅速减小。而从当日的实况来看的确在地面辐合线附近发生了冰雹或强降水。降水主要以中—大雨为主(图8蓝色阴影区)，最大罗甸暴雨54.9 mm。

图6 2014年3月30 日(a)08 时、(b)20时地面图Fig.6 Surface Weather Chart at 08∶00 BT (a) and 20∶00 BT (b) 30 March 2014

图7 2014年3月30 日垂直剖面图(a)08 时 (b)20时 (c)用14时地面温度及露点订正过的14时探空图Fig.7 The sounding at 08∶00 BT (a)、14∶00 BT (b) and 20∶00 BT (c) 30 March 2014

图8 2014年3月30日08时—2014年3月31日08时全省国家级自动站累积降水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时55分—20时30分贵州西部6市县出现冰雹天气，最大冰雹直径30 mm(图9 a)。

图9 (a)2014年3月30 日17—21时强对流实况(红色为冰雹)，(b)2014年3月30 日预报冰雹落区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

图10 2014年3月30 日08 时中尺度环境场分析Fig.10 Mesoscale analysis of the severe Convection at 08∶00 BT 30 March 2014

对2014年3月30日08时实况资料进行中尺度环境场分析(图10)可知，贵州中西部处于有利于对流发展的区域，中低层有层结不稳定区域存在，700 hPa有暖温脊发展，500 hPa高空槽靠近贵州，槽后有冷温槽配合，未来贵州中西部层结将更趋于不稳定，同时，贵州西部地面有两条辐合线生成，700 hPa和850 hPa的急流均位于广西北部，地面露点锋区位于贵州中西部，这样在高空槽扰动作用下，贵州西部地面辐合线上有利于对流生成，在有利于对流发展的不稳定的天气尺度环境中，易于强对流天气的形成，加之当日0 ℃、-20 ℃层高度分别在4 016 m、5 750 m，处于有利于贵州降雹的高度，垂直风切变2×10-3s-1，达到贵州降雹的阈值，根据高空槽型潜势预报模型，预报当日贵州中西部有冰雹天气发生，呈南北走向(图9b)，当日中午贵州省气象台发布雷雨冰雹预报，预报效果较好。

4.2 云图、雷达资料分析

2014年3月30 日下午开始，贵州毕节地区有对流云团生成，之后不断向东南移动(图11)，主要影响六盘水市东部、安顺市西部。如图11e云顶的最低温度为-56 ℃，低于-50 ℃ 的面积为9 746 m2，低于-40 ℃的面积大约为31 960 m2。从云图上分析可知，此次过程为几个对流单体发展结合后，在一个复合体的内部又存在对流单体结构，互相影响增强造成。当日 08时探空图上0 ℃层等温线高度为4 km，-20 ℃层等温线高度为5.7 km，达到了降雹的层结条件。

图11 风云2E红外云图 (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)

如图12a、12b所示，分别为紫云20时06分、镇宁20时17分的雷达回波组合反射率及其剖面图，图中显示，紫云和镇宁回波图上都有明显的块状回波，回波强度都在40 dBz 以上，最强回波强度都超过50 dBz，从剖面图上看，二者都有明显的回波悬垂，紫云存在有界弱回波区，40 dBz伸展高度较高，基本都达到了8 km，且紫云的50 dBz回波伸展高度也达近8 km，50 dBz的回波伸展高度超过-20 ℃层高度，往往预示着会出现大冰雹。图12c中在紫云东部长顺南部也有一个较强块状回波，沿雷达径向作垂直剖面发现了明显的回波悬垂，配合同时刻的速度图在回波悬垂的位置低层有强的辐合(6 km 以下)高层辐散现象(8～12 km)。由于本文未考虑乡镇降雹，但是从雷达图上分析可知此地有很大的降雹可能性。根据实时的雷达回波资料，预报员利用上述结论判断紫云、镇宁出现冰雹的可能性较大，及时的指导当地县局发布冰雹预警并做好服务。结果当日20时16分紫云出现直径30 mm的冰雹，当日20时23分镇宁出现直径8 mm的冰雹，利用雷达回波做到提前预警，提前时间分别为10 min和6 min，达到了较好的预警服务效果。

图12 (a)2014年3月30日20时06分贵阳雷达站组合反射率及沿紫云的回波剖面图;(b)20时17分贵阳雷达站组合反射率及沿镇宁的回波剖面图;(c)CAPPI 3 km高度反射率因子图及垂直剖面图;(d)3 km高度速度图及垂直剖面图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

从图中还可以看到，降雹落点主要发生在回波悬垂的下方，与强回波中心对应良好，空间位置基本一致。

[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.

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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

万雪丽(1967—)，女，副高，主要从事天气预报研究工作，E-mail:582617620@qq.com。

P458.1+22

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