2009年阜新市两次冰雹天气过程多普勒天气雷达产品的对比分析
2018-06-07张丹梅
张丹梅
摘要：冰雹等强对流天气是辽宁省阜新市夏季预报和服务的重点，针对2009年发生在阜新市的两次强冰雹天气，利用常规气象资料和多普勒天气雷达资料进行对比分析。结果表明，两次过程都具有突发性强、持续时间长的特点，高低空急流配置、能量、风的垂直切变和0 ℃层等环境场条件更有利于冰雹的形成。通过雷达产品对比发现，6月29日是一次飑线过程，7月20日是一次超级单体过程，产生冰雹的风暴回波强度都达到了50 dBz以上，最强达65 dBz，径向速度图出现逆风区，成熟的低层和中层辐合、高层辐散的对流结构特征，垂直液态水含量在降雹前都有一个跃增的过程，其值大于40 kg/m2，对冰雹的监测预警和临近预报具有指示意义。
关键词：冰雹；急流；多普勒天气雷达；超级单体；飑线；阜新市
中图分类号：P458.1+21.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）07-0048-06
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.07.011
Comparative Analysis of Two Hail Processes Based on Doppler Weather Radar Products in Fuxin City in 2009
ZHANG Dan-mei
（Fuxin Meteorological Bureau， Fuxin 123000， Liaoning， China）
Abstract： It is crucial to well forecast severe convective weather like hail and provide better service during summer in Fuxin city，Liaoning province. Two severe hailstorms in Fuxin were compared by using conventional observation datas and doppler radar datas. The result showed that they occurred abruply，lasted longly. And the coupled upper and lower jet flows，energy condition，the vertical wind shear and the height of zero temperature conduced more to the occurrence of the hail event. The results of comparation by using doppler radar data showed that，the process on June，29th was a strong squall line process，while the process on July，20th was a typical supper-cell process. Two hail process which storm reflectivity was larger than 50 dbz，while the largest was 65 dbz，and there were an adverse wind area，as well as lower level convergence and upper level divergence. The vertically integrated liquid （VIL） value before the hail falling all had a sudden process，and the value was larger than 40 kg/m2，which had a significant indicating function on hails of monitoting and waring as well as forcassting.
Key words： hail； jet low； doppler weather radar； super cell； squall line； Fuxin city
冰雹是遼宁省阜新市夏季的主要气象灾害之一。冰雹与系统性大风、暴雨相比不仅范围小，而且持续时间短。但因来势猛、强度大，瞬间即能给农业造成较大危害。尤其是冰雹与短时暴雨、雷雨大风同时出现时，不仅危害农业、林业，而且对工业、通讯、交通等也会造成极大的危害。由于冰雹具有时空尺度小、突发性强的特点，利用常规天气资料预报具有一定的难度，因此也成为预报工作的难点。近几年随着全国新一代雷达网的建设，国内在利用新一代天气雷达产品对冰雹等强对流天气监测和分析方面的研究已经有不少成果。如赵俊荣[1]分析了天山北坡一次致灾冰雹的多普勒天气雷达回波特征；吴建坤等[2]介绍了强冰雹天气的多普勒天气雷达探测和预警技术；郑媛媛等[3]对一次典型超级单体风暴的多普勒天气雷达进行分析；伍志方等[4]探讨了一次强对流天气的多普勒特征；刁秀广等[5]分析了3次超级单体风暴雷达产品特征及气流结构差异性；王令等[6]研究了多普勒天气雷达径向速度图上的雹云特征；俞小鼎等[7]对安徽一次强烈龙卷的多普勒天气雷达进行了深入探讨。以上分析均得出了较好的结论，为冰雹等灾害性天气的监测和预警提供了参考。
但是类似冰雹事件的中小尺度灾害性天气仍是当前预报技术的难点[8]。2009年6月29日中午前后，阜新市遭冰雹袭击，受灾人口5 598人，农作物受灾面积2 805 hm2，绝收作物633 hm2，雹灾共造成直接经济损失2 610万元。7月20日午后，冰雹再度袭击阜新市，冰雹对玉米、大豆、烤烟等造成了不同程度的危害，直接经济损失3 000余万元。本研究利用常规观测资料和新一代天气雷达资料对造成这两次降雹的环境场条件和中尺度特征进行分析，寻找监测预警和临近预报的雷达产品特征，更好地利用新一代天气雷达为冰雹的监测预警和临近预报提供依据，对阜新市防灾减灾也具有重要指导意义。
1 资料与方法
利用常规观测资料、探空资料和营口C波段多普勒雷达产品，应用天气学、大气物理学和雷达气象学方法探讨了2009年6月29日和7月20日发生在阜新市的两次冰雹天气过程的环流形势、垂直结构和多普勒雷达回波演变特征，找出两次天气过程的相同点和不同点。
2 结果与分析
2.1 两次冰雹天气过程的主要特点
2009年6月29日11：30～14：30和7月20日13：30～16：30，阜新市大部分乡镇出现雷雨天气，部分乡镇出现大风、冰雹天气。其中，6月29日有11个乡镇出现冰雹，5个乡镇遭受雹灾，市区出现大风次生灾害；最大冰雹直径约3～4 cm，持续时间10～20 min。7月20日有5个乡镇出现冰雹，3个乡镇遭受雹灾，最大冰雹直径约2～3 cm，持续时间5～15 min。对比发现这两次过程都具有突发性强、持续时间长的特点，但是6月29日的冰雹天气比7月20日强度大、范围广。
2.2 天氣形势对比
两次冰雹天气过程都是在欧亚环流经向度比较大、有高空冷涡配合的环流背景下产生的，但是冷涡的位置、副高的位置、主要影响系统以及地面形势场有明显不同。6月29日副高脊线位于30°N，高空图上蒙古国东部为深厚的冷涡系统，阜新市处于该低涡的东南向限，对应地面有蒙古低压冷锋东移影响阜新市。7月20日副高的脊线明显偏南，位于35°N，500 hPa低涡位于远东地区，42°N沿低涡底部偏西气流有低槽东移，主要的影响系统是内蒙古自治区东部至河北省的切变线，切变线前部从山东省到吉林省为一支偏南低空急流，地面图上阜新市处于蒙古低压底部的弱气压场中，但过程中有辐合线系统移过阜新市。
2.3 急流在冰雹过程中的作用
冰雹云的发展与较大的风速垂直切变有密切的关系。强的风速垂直切变一般出现在有高空急流通过的地方[9]。低空西南风急流对形成冰雹天气也是有利的。Polston[10]的分析表明，降雹一般发生在低空急流前部与高空急流垂直相交的区域。
分析发现，降雹日8：00阜新市的东南象限都有中低空（500～850 hPa）急流，但是高空（200 hPa）急流的空间配置不同。6月29日200 hPa上（图1a），在河套中部至山东半岛有一支西北风急流，阜新市位于低空急流中心的左前方，高空副热带急流出口区的左侧。这种配置使阜新市处于大尺度强迫抬升区，高空形成水平辐散和对流层中层的正涡度平流输送造成明显的上升运动，同时造成对流层中下层的温度差动平流，加强层结不稳定，从而具备形成冰雹的动力和热力条件。7月20日200 hPa上（图1b），内蒙古自治区中部至辽宁省的东部有一支西北风急流，低空急流轴的位置基本相同，副热带急流轴明显偏北，阜新市正好位于两支急流轴垂直投影相交点附近，造成强垂直风切变，高层辐散叠加在低层辐合区的上方，形成贯穿性上升运动，提供强对流天气暴发的条件。
2.4 T-logp图分析
由于阜新市没有探空资料，而锦州市处在阜新市的西南方，所以分析锦州站的探空资料具有一定的参考意义。由锦州市6月29日8：00和7月20日8：00的T-logp图（图2）温、湿、风的特征可以分析出两个有利于强对流天气发展的因素：一个是低层700～925 hPa为暖平流（风随高度顺转），500～700 hPa为冷平流（风随高度逆转），大气上冷下暖的结构非常明显，中低层暖平流，高层冷平流，高层西北风输送的干冷空气与低层偏南暖湿气流在阜新市西南部叠加，大气层结不稳定加剧，为强对流天气的发生、发展提供了较大的不稳定能量、水气条件和触发条件；二是风由低层的南风、西南风顺时针方向逐渐转为西风，低层垂直风切变明显强于中层，最大风切变在0～700 hPa，风矢端图的曲率也较大，有利于有组织的强对流风暴的产生和发展。
分析强对流活动区附近锦州探空站上空6月29日8：00和7月20日8：00的各强对流参数，结果见表1。
在探空分析中，首先要注意的就是0 ℃层和-20 ℃层高度[9]。一般来说冰雹都发生在0 ℃层和-20 ℃层高度适宜的情况下。适宜降雹的0 ℃层一般在600 hPa等压面高度左右，-20 ℃层在400 hPa等压面高度附近或以下。另外，-20 ℃层高度较低，表明高空有冷空气进入，层结趋于不稳定，有利于降雹。-20 ℃层与0 ℃层之间的厚度较小，表明中层较不稳定，也有利于降雹。在6月29日和7月20日8：00探空图上，锦州市0 ℃层高度约为640 hPa和620 hPa附近，对应高度为3 725.5 m和3 983.6 m，-20 ℃层在440 hPa和380 hPa附近，对应高度为6 580.4 m和 8 129.4 m，-20 ℃层高度和0 ℃层高度以及两层之间的厚度适宜，该形势有利于形成冰雹，因而，在触发了不稳定能量释放，引起对流发生后，导致阜新市出现强降雹天气。
K指数、沙氏指数（SI）和对流不稳定能量（CAPE）可以作为大气稳定度的判定指标。K指数越大，SI指数越小，大气层结越不稳定。通常当
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从图2还发现，由于7月20日8：00的不稳定能量，即CAPE偏小，这样就对下午是否具有发生强对流天气的判断有一定的影响，对于是否有冰雹的发生指示意义不明显，究其原因是因为探空站的时空分辨率太低，空间间距在200 km左右，时间间隔为12 h，而大气对流稳定度的时空变化是很大的，尤其是对大气对流有很大影响的水气的时空变率特别大。有研究指出，在大气边界层内的对流的上升和下沉区，虽然相隔只有20～30 km，但由于其湿度相差较大，相应的CAPE可以相差很远[11]。所以，根据常规的探空资料计算判断是否发生强对流天气，其指示性有一定的局限性。
2.5 雷達回波特征分析
2.5.1 反射率回波随时间变化 6月29日10：47在内蒙古自治区的青龙山和辽宁省的北票市之间开始有孤立的对流单体出现，此后，雷达回波不断发展加强并向东偏南方向移动；11：37在福兴地镇的北部回波强度达到了60 dBz；11：55对流单体分别进入阜新蒙古族自治县的西部和北部，均迅速发展成强回波单体，2个强回波单体趋向于东北西南向的排列；12：26该风暴系统已发展成由多个对流风暴连成一片尺度在80 km左右的中尺度对流系统； 12：33该中尺度对流系统中有3个发展比较强盛的对流风暴，其中左侧的对流风暴最强，最大反射率因子为55 dBz；12：45左侧的对流单体更加强盛，其前进方向的右后侧出现突出物，开始显现出超级单体低层回波特征；12：57风暴呈现出典型的超级单体钩状回波结构，对应的速度图上出现“逆风区”（图3）。沿入流方向穿过最强回波位置的反射率因子垂直剖面图显现出弱回波区结构，表明超级单体将继续发展；13：03超级单体强度达到峰值，风暴右后侧的典型钩状回波的反射率因子变得更强，0.5°仰角的最大反射率因子超过65 dBz。该超级单体风暴扫过阜新市的11个乡镇，对应的实况是阜新蒙古族自治县的旧庙镇、福兴地镇、平安地镇、化石戈乡、新民镇5个乡镇出现雹灾，最大冰雹直径约4 cm，最长持续时间20 min，冰雹给这些乡镇的玉米、大豆、烤烟等作物造成了不同程度的经济损失。彰武县有6个乡镇出现冰雹，由于雹粒较小，农作物没有受到明显灾害。13：16超级单体风暴开始向普通单体风暴演变，多单体风暴中的各个对流单体趋向于线性排列，该超级单体风暴减弱为多单体强风暴，此时0.5°仰角反射率因子降低，但仍然超过了60 dBz；13：22对流风暴呈现出明显的飑线结构，相应的速度图上显示出飑线前沿云底以上的辐合特征，表现出地面大风的强烈潜势；15：47飑线变得很直，强度大大减弱，随后风暴继续向东移动；16：07多单体风暴移出阜新市。
7月20日12：18，普通的单体风暴在内蒙古自治区的库伦旗南部生成，此后，雷达回波不断发展加强并向东西两侧扩展；13：01该风暴系统已发展成由多个对流单体连成一片尺度在30 km左右的中尺度对流系统；13：07该中尺度对流系统中有3个发展比较强盛的对流单体，其中左侧的对流单体最强，最大反射率因子为65 dBz；14：03对流风暴在南下的过程中强度虽有所减弱，但却不断有新单体生成，普通单体风暴已经发展成团状的多单体风暴，其影响范围也不断扩大。15：23小的对流单体合并后迅速加强，多单体风暴逐渐演变为2个强盛的对流单体，左侧的对流单体更加强盛，表现出典型的超级单体风暴特征：0.5°仰角的反射率因子图上出现钩状回波，对应的速度图上出现了明显的速度模糊（图4），反映出径向风场具有很强的气旋性风切变特征；15：29风暴右后侧的典型钩状回波的反射率因子变得更强，0.5°仰角的最大反射率因子超过65 dBz。该超级单体风暴扫过阜新市，对应的实况是阜新市大部分地区普降雷阵雨，阜新蒙古族自治县的红帽子乡、王府镇、大板镇、大固本镇、泡子镇5个乡镇出现雹灾，最大冰雹直径约3 cm，最长持续时间15 min，冰雹给这些乡镇的农作物造成了不同程度的经济损失，甚至有部分农作物绝收。16：00超级单体迅速失去其特征，相应的钩状回波特征消失，超级单体风暴开始向普通单体风暴演变，此时0.5°仰角反射率因子降低，但仍然超过了60 dBz；16：38普通单体风暴移出阜新市。
2.5.2 径向速度产品特征 6月29日，从13：10的不同仰角径向速度可以看出，均存在逆风区，逆风区的周围存在中小尺度的气旋性（或反气旋性）辐合（或辐散）。0.5°仰角有个20 m/s的正速度中心，表明低空急流明显。1.5°仰角速度图上（图5a），3块正速度区域对应出现3块小尺度负速度区，负速度区对应强回波区，其中左侧负速度区与超级单体位置一致。表明飑线前沿的中低层出现了强的中低层辐合，其位置和强度与飑线上强反射率因子相对应，表明飑线前部有明显的上升气流；2.4°仰角速度图上，左侧的负速度区与周围的正中心形成一个中尺度径向辐合。强回波中心运动的前方有大片的逆风区，说明在该高度区间存在风的垂直切变和强的辐合气流，逆风区与其西南方向的相对速度中心组成了辐合气旋式速度对。3.4°仰角速度图上（图5b），呈现辐散的结构，正负速度差约为35 m/s。这种低层和中层辐合、高层辐散的结构，是成熟超级单体明显结构特征，也可说明此时的对流风暴已经发展为成熟的超级单体阶段，未来会很快减弱。
7月20日，从15：23的不同仰角径向速度可以看出，均存在逆风区。0.5°仰角的速度图上，大范围的正速度区中出现小范围负速度区（逆风区），并且伴随着速度模糊区（存在风速的突变引起），反映出低层有系统性的辐合带，方向是朝向雷达移动，东南侧也有入流边界，对应为辐合线。1.5°仰角也出现了明显的速度模糊（图6a），反映出径向风场具有很强的气旋性风切变特征。超级单体特征显著，清晰可见。超级单体后侧下沉气流产生的出流边界（阵风锋）离开超级单体向雷达方向移动，低层入流沿着阵风锋的前沿进入风暴的有界弱回波区成为上升气流。2.4°仰角相应位置是一个尺度为20 km 左右的辐散式气旋。3.4°仰角呈现以反射率因子强度核心为中心的强烈辐散（图6b），正负速度差值达25 m/s，可以看出存在着风从低空到高空的顺转。由于冰雹云距探测站较远，径向速度场的边缘部分已经出现速度模糊现象，其最大风速大于25 m/s。
当冰雹云发展很强时，在低层可以看到一近似与距离圈平行的速度密集带，它是冰雹云成熟阶段云体中强烈的下沉气流所形成的。这些都是典型的冰雹云回波特征，所产生的变化预示着强对流天气的发生。
2.5.3 垂直液态水含量产品 垂直液态水含量（VIL）是在4 km×4 km底面上垂直气柱内液态水总量的分布产品，它的算法是假定垂直气柱中所有反射率因子由液态水形成，对气柱内含水量求和，求得垂直累积液态水含量，它是判别强对流天气造成的暴雨、暴雪和冰雹等灾害性天气有效的工具之一。
對6月29日降雹过程飑线上位于福兴地镇和阜新市区的超级单体风暴的VIL进行分析。11：06的超级单体风暴在福兴地镇生成，11：24 VIL最大值为40 kg/m2，11：37降雹前VIL 13 min增加15 kg/m2，11：37～12：08风暴处于发展旺盛阶段，持续5个体扫，VIL维持在55 kg/m2。12：26以后风暴的反射率明显减弱，VIL 18 min减少25 kg/m2。阜新市区的超级单体风暴12：26生成，12：57 VIL最大值为35 kg/m2，13：03降雹前VIL 6 min增加20 kg/m2， 13：03～13：23风暴处于发展旺盛阶段，持续3个体扫，VIL维持在55 kg/m2。13：34以后风暴迅速减弱，VIL 11 min减少25 kg/m2。由此可见，飑线风暴VIL在降雹前有个跃增，降雹过程伴随VIL递减过程。
7月20日降雹过程强对流单体风暴的VIL都在40～55 kg/m2，降雹前1～2个体扫VIL都有一个跃增现象，增量约为10～20 kg/m2不等。VIL在50 kg/m2或以下的一般为小于2 cm的冰雹，大于50 kg/m2时即可降2～7 cm的大雹。当单体的VIL呈跳跃性的增长时就有可能出现冰雹，VIL越大、持续时间越长，则冰雹直径就越大，降雹范围也越广[12]。
3 结论
1）两次冰雹天气都是在高空冷涡环流背景下产生的，地面中尺度辐合线触发了不稳定能量的释放。
2）两次冰雹天气均有高低空急流耦合，但是高空急流轴的位置明显不同。在有高低空急流耦合的情况下，特别是在高空急流出口区的高低空急流耦合常常有利于强对流风暴的发生和发展，在这种形势下，低层低空急流造成暖湿空气输送，高空急流则造成干冷空气平流，从而加强了大气潜在不稳定。而且高低空急流产生的次级环流上升将触发潜在不稳定能量释放，激发强对流天气产生。
3）通过观察T-logp图上的不同高度风场的配置，0 ℃层和-20 ℃层对应高度，结合大气热力动力物理指数，对于强对流天气的发生可以有一个潜势预报，但要注意，由于探空站的时空分辨率太低，其指示性有一定的局限性。
4）当根据天气图资料分析具备有产生冰雹天气的天气背景和不稳定条件时，应密切注意反射率、径向速度及垂直液态水含量等雷达回波的特征。在这两次过程中，产生冰雹的风暴回波强度都达到了50 dBz以上，最强达65 dBz，径向速度图出现逆风区，出现成熟的低层和中层辐合、高层辐散的对流结构特征，垂直液态水含量在降雹前都有一个跃增的过程，VIL大于40 kg/m2，对冰雹的监测预警和临近预报具有指示意义。
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