一次中尺度冰雹天氣預(yù)警案例分析

1、一次中尺度冰雹天氣預(yù)警案例分析張玉峰，王愛玲，張文喜，王安俊，郭文遠(yuǎn)，張啟紹，劉燕（安陽市氣象局，河南 安陽455000）摘 要：運(yùn)用常規(guī)天氣圖、物理量場、新一代多普勒天氣雷達(dá)回波圖、4要素氣象自動(dòng)站等相關(guān)資 料，對2010年6月17日夜里發(fā)生在安陽的一次冰雹伴隨短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)對流天氣進(jìn)行中尺度天氣分析。 結(jié)果表明：高低空有利形勢的配置，地面輻合產(chǎn)生強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，是這次中 尺度對流性天氣形成的直接原因。地面輻合線能準(zhǔn)確預(yù)示對流的發(fā)生地區(qū)；VIL數(shù)值曲線的突發(fā)拐點(diǎn)對于 說明冰雹生成過程和降落時(shí)間的精確預(yù)報(bào)有重要意義；氣旋性輻合中心就是對流最旺盛的地方，也是冰雹 最容易出

2、現(xiàn)的地點(diǎn)。關(guān)鍵詞：雹暴物理量場強(qiáng)對流地面輻合雷達(dá)產(chǎn)品引言中尺度天氣系統(tǒng)局地性強(qiáng)，生命史短，對流劇烈，經(jīng)常帶來暴雨、冰雹、大風(fēng)、強(qiáng)雷電等災(zāi)害性天氣， 危害極大，目前是天氣學(xué)研究的重要課題。尤其是200km以下中尺度因?yàn)闀r(shí)間、空間尺度小，數(shù)值預(yù)報(bào)網(wǎng) 格分辨率低的原因極易造成漏報(bào)，且實(shí)況案例較少，資料匱乏，預(yù)報(bào)難度大。新一代多普勒天氣雷達(dá)的業(yè) 務(wù)應(yīng)用，給我們提供更多更好的參考依據(jù)。冰雹天氣因?yàn)槲：π源?，是氣象工作者共同面對的難題之一， 目前國內(nèi)外也取得很大突破。Amburn1等利用VIL與回波頂高度之比定義為VIL密度，應(yīng)用于冰雹判別， 張兵研究了冰雹出現(xiàn)地區(qū)的“點(diǎn)”、“線”、“面”特征，付雙喜把V

3、IL作為判別冰雹的重要工具，王煒4 等利用VIL參數(shù)來預(yù)測冰雹，已經(jīng)取得不錯(cuò)效果。2010年6月17日夜晚安陽市區(qū)遭受強(qiáng)對流天氣襲擊，安陽、湯陰、內(nèi)黃、滑縣4個(gè)市縣相繼出現(xiàn)雷 暴天氣。其中安陽觀測站在21:34開始觀測到雷電，21:41起到22:16止出現(xiàn)35分鐘降水，降水量合計(jì)8.9mm， 并于21:56到22:03出現(xiàn)8分鐘的冰雹，最大直徑13mm，22:00出現(xiàn)瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到12.3m/s。圖1為6月 17日降水量實(shí)況圖，4個(gè)市（縣）有多個(gè)雨量站點(diǎn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降雨，最大降水量34.0mm。圖中黃色箭頭指 示為對流云團(tuán)生成位置和移動(dòng)路徑，沿途均有冰雹出現(xiàn)報(bào)告，冰雹“線”性落區(qū)特征明顯。這次強(qiáng)對

4、流天 氣出現(xiàn)在三夏時(shí)期，給安陽農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成一定損失。圖1 2010年6月17日降水量實(shí)況圖（單位：mm）安陽氣象臺(tái)于2010年6月17日21時(shí)50分發(fā)布雷電黃色預(yù)警信號(hào)：預(yù)計(jì)未來安陽市（縣）、湯陰、內(nèi) 黃、滑縣將發(fā)生雷電活動(dòng)，部分地區(qū)有較大的風(fēng)和降水，局部地區(qū)有冰雹，可能造成災(zāi)害事故，請注意防 范?？傮w而言，預(yù)警發(fā)布較為合理，達(dá)到預(yù)警效果，但是在冰雹出現(xiàn)時(shí)間的提前量方面仍有不足，主要原 因是預(yù)警冰雹受技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)限制，為保證準(zhǔn)確率無法更早的做出預(yù)警。本文運(yùn)用常規(guī)天氣圖、物理量場、 新一代多普勒天氣雷達(dá)回波圖、4要素氣象自動(dòng)站等相關(guān)資料，對本次冰雹伴隨短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)對流天氣 過程進(jìn)行中尺度天氣分析

5、，對其背景形勢、環(huán)境場條件、熱力一動(dòng)力條件進(jìn)行診斷分析，為以后中小尺度 強(qiáng)對流天氣，尤其是冰雹天氣的精細(xì)化預(yù)報(bào)提供參考。1天氣形勢分析1.1高空背景形勢分析通過對2010年6月17日20時(shí)中尺度系統(tǒng)進(jìn)行分析，繪制中尺度綜合分析圖（圖略）。200hPa上自寧 夏河南到山東有超過40m/s的高空急流軸，在其左側(cè)有正的相對渦度，有利于對流天氣的出現(xiàn)。500hPa上 內(nèi)蒙古地區(qū)存在一低渦，中心溫度為-12C以下，自北向南沿太行山脈有一低槽，槽線自北向南位于山西中 部，溫度槽落后于高度槽，利于槽的增強(qiáng)。整個(gè)華北及山西北部、內(nèi)蒙中部地區(qū)為大范圍顯著降溫區(qū)，降 溫區(qū)南側(cè)、長江以北為干舌。700hPa上槽線位

6、于北京一安陽位置。850hPa上石家莊一德州有一東西方向切 變線，安陽上空有一水平方向溫度脊線，河南山東以南廣大地區(qū)為濕區(qū)，太原一濟(jì)南南部廣大地區(qū)為20C 以上高溫區(qū)。925hPa上渤海灣一安陽為切變線。地面中尺度分析，整個(gè)河南省處于30C高溫控制范圍之內(nèi)，豫北為低壓中心，另外有一條地面輻合線， 其南端位于河南濟(jì)源，北端位于山東聊城，呈西南一東北走向，長度超過500km，其南側(cè)為西南風(fēng)和南風(fēng)， 北側(cè)為東北風(fēng)，有顯著風(fēng)向輻合。豫北地區(qū)成為一單匯輻合流場，周圍地區(qū)氣流在此交匯聚集，必然形成 強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，3h后對流云在輻合線中段北側(cè)100km的安陽市生成。地面輻合是對流性天氣發(fā)生的觸發(fā) 機(jī)制，認(rèn)

7、識(shí)到這一點(diǎn)對于我們將來制作精細(xì)化預(yù)報(bào)有重要意義。冷空氣從低渦中心分裂出去并南下影響我國華北廣大地區(qū)，受影響地區(qū)普遍出現(xiàn)對流性天氣。6月17 日安陽雹暴天氣就是在這樣的環(huán)流形勢背景下發(fā)生的。從地面實(shí)況看，冷空氣所到之處，整個(gè)華北平原、 山東半島多有對流性天氣發(fā)生，而黃河以南地區(qū)，未受冷空氣影響，因此當(dāng)天沒有對流性天氣出現(xiàn)。1.2探空資料分析按照冰雹形成規(guī)律，冰雹的主要生成區(qū)是在0-20C層區(qū)域，該區(qū)域也被稱做過冷水積累區(qū)。一般認(rèn) 為適宜冰雹的0C層高度以600hPa為宜，因?yàn)檫@個(gè)高度不太高也不太低，既能保證云的發(fā)展高度有利于冰 雹生長，同時(shí)當(dāng)冰雹降落時(shí)也不會(huì)因?yàn)榕瘜舆^厚而被融化成為雨水。通常-2

8、0C層高度在400hPa附近，當(dāng) -20C層與0C層之間的厚度較小時(shí)，表明大氣在低層為暖濕氣層，高空有冷空氣侵入，層結(jié)趨于不穩(wěn)定， 有利于冰雹形成嘰T-Lnp圖可以反映探空站上空各種氣象要素垂直分布情況，由于安陽市區(qū)沒有探空站， 我們參考6月17日08時(shí)最近的鄭州、濟(jì)南探空站資料（圖略）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)6月17日0C層高度基本 上在580hPa，高度4.2km，-20C高度層在400hPa左右，高度約6.8km，大氣中層不穩(wěn)定，易出現(xiàn)冰雹天 氣。物理量場診斷分析2.1水汽條件水汽通量是單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)某一單位面積的水汽質(zhì)量。水汽通量散度是表示輸送來的水汽集中程度的 物理量。我們分析6月17日20時(shí)

9、925hPa水汽通量散度（圖略）、比濕（圖略）和水汽通量（圖略）發(fā)現(xiàn)， 雖然安陽地區(qū)存在-30X10-7g cm-2 hPa-1 s-1的水汽通量散度，但是比濕只有10g kg-1，而水汽通量更 是只有5g cm-2 hPa-1 s-1。研究表明，強(qiáng)對流天氣形成暴雨以上強(qiáng)降水的產(chǎn)生需要有充足的水汽供給和 長時(shí)間的水汽輻合。因此即使安陽地區(qū)處于水汽輻合的中心，能夠形成強(qiáng)對流天氣，但是沒有充沛的水汽 供給，所以不能形成更大降水。2.2動(dòng)力條件散度是指流體運(yùn)動(dòng)時(shí)單位體積的改變率，當(dāng)?shù)蛯由⒍葹樨?fù)時(shí)為輻合，高層散度為正時(shí)為輻散，有利于 天氣系統(tǒng)的發(fā)展增強(qiáng)。從6月17日20時(shí)散度垂直剖面圖看出（圖2），安

10、陽地區(qū)上空存在有較好配置:300hPa 高空有25X10-5 s-1正值中心，低空925hPa有-25X10-5 s-1中心。這種低層輻合、高層輻散的配置有利 于加強(qiáng)空氣的抽吸運(yùn)動(dòng)，形成安陽地區(qū)氣流的劇烈上升運(yùn)動(dòng)。這是最終形成強(qiáng)對流天氣的直接動(dòng)力因素。渦度是衡量空氣質(zhì)塊旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的物理量，可以用來分析氣壓場的變化。從850hPa低空渦度場看出（圖 略），華北地區(qū)有較大渦度區(qū)，中心最大值超過20X10-5 s-1，安陽地區(qū)渦度要略小于20X10-5 s-1。上升 運(yùn)動(dòng)是形成強(qiáng)對流天氣的決定因子，從850hPa低空垂直速度場上可以看出（圖略），安陽偏東100km地區(qū) 存在-20m s-i的強(qiáng)上升中心

11、，安陽也出現(xiàn)很大的上升速度，插值計(jì)算約為-16m s-i。圖2 2010年6月17日20時(shí)沿115 E散度垂直剖面（單位：10-5 S-1 ） 2.3不穩(wěn)定條件K指數(shù)對于大氣穩(wěn)定度有一定指示意義。K指數(shù)表達(dá)式為：K= （T850- T500）+ Td850-（T-Td）700通常情況下，K值越大氣層越不穩(wěn)定，當(dāng)20CK0C表示氣層較穩(wěn)定，SI0C表示氣層不穩(wěn)定。一般認(rèn)為SI負(fù)值越低，氣層越不穩(wěn)定，當(dāng)日SI指 數(shù)達(dá)到-2C，表明發(fā)生雷暴的可能性較大。新一代雷達(dá)產(chǎn)品分析3.1反射率因子R和液態(tài)水含量VIL從雷達(dá)回波反射率因子R圖中可以看出，21:24時(shí)起對流開始在安陽生成，安陽上空自東北向西南有4

12、 個(gè)爆米花狀對流云胞依次生成，直徑不超過10km，中心最大強(qiáng)度25dBz，17分鐘后到21:41時(shí)，發(fā)展成熟 開始產(chǎn)生降水，此時(shí)反射率因子強(qiáng)度超過50dBz，8分鐘后到21:56時(shí)開始降雹，此時(shí)反射率因子強(qiáng)度達(dá)到 55dBz。這時(shí)的云體發(fā)展成為類似颮線的條狀對流云帶，只是尺度要小的多，長約100km，寬約20km，中心 最大回波強(qiáng)度為55dBz，并維持一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，向東南方向移動(dòng)，最后移出我市。根據(jù)天氣雷達(dá)原理，反射率因子Z等于單位體積內(nèi)所有粒子的直徑的6次方的總和，與粒子直徑和總 數(shù)目有關(guān)。云滴的直徑很小，通常小于0.1mm，所以雷達(dá)通常觀測不到云。毛毛雨直徑小于0.5mm，反射率 因子強(qiáng)

13、度也不超過15dBz。層狀云雨滴的直徑小于3mm，反射率因子強(qiáng)度也不超過35dBz。對流性降水雨滴 最大直徑約5mm，超過這個(gè)尺寸，水滴將會(huì)破裂，由于直徑偏大，反射率因子強(qiáng)度通常在35dBz或以上。 而當(dāng)云體內(nèi)產(chǎn)生冰雹后，因?yàn)楸⒅睆娇梢垣@得更大尺度，后向散射能力顯著增強(qiáng)，可以形成更大的反射 率因子，特別是大冰雹，尤其顯著。新的冰雹算法認(rèn)為當(dāng)融化層高度以上反射率因子超過45dBz時(shí)候，一 定有冰雹形成，并開始有降落到地面的可能性。垂直液態(tài)水含量VIL是指降水云體中，某一處確定底面積的垂直柱體的總含水量。垂直液態(tài)水含量與 基本反射率的強(qiáng)度相關(guān)，VIL方程為：M=3.44X10-3Z4/7將不同高

14、度層的M值進(jìn)行垂直積分，就可以得到VIL6。當(dāng)某一高度層的反射率因子Z不變而VIL增大， 是由于雷暴云體內(nèi)橫截面上降水物的物理特征不變，對流旺盛導(dǎo)致云體獲得縱深發(fā)展，也即云體增高了， 其內(nèi)部總降水物的數(shù)量增大了。我們采用較高雷達(dá)仰角，這樣可以獲得0C層以上高度的產(chǎn)品資料，并收集不同時(shí)刻反射率因子R和 液態(tài)水含量VIL產(chǎn)品，繪制了隨時(shí)間變化曲線凡，見圖3,以求更加直觀的描述雨滴和冰雹生成的物理過程。 對比發(fā)現(xiàn)反射率因子R隨時(shí)間先線性增加到50dBz后基本穩(wěn)定的變化特點(diǎn)，而液態(tài)水含量VIL的值卻呈現(xiàn) 突然變化，以折線形式表現(xiàn)出來。這張圖上面有幾個(gè)重要時(shí)刻需要我們著重分析：18 21:24 21:3

15、0 21:37 21:43 21:49 21:55 22:01 22:07 22北京時(shí)間(hh:mm)含水態(tài)液o o O3 2 10 3o o O6 5 4o o o o o O 5 4 3 2 1圖3 2010年6月17日反射率因子R和液態(tài)水含量VIL時(shí)間變化圖21:18時(shí)刻，雷達(dá)開始檢測到粒子產(chǎn)生的后向散射。雷暴進(jìn)入發(fā)展形成階段，反射率因子R隨后 開始以較快速度準(zhǔn)線性增長，液態(tài)水含量VIL增長十分緩慢。21:34時(shí)刻，第一聲聞雷時(shí)間，表明云頂已達(dá)-20C層高度，此時(shí)雷達(dá)觀測到0C層以上出現(xiàn)最大 反射率因子R為45dBz，說明云體內(nèi)有冰雹形成，在其后的時(shí)間里液態(tài)水含量VIL迅速增加，表明冰雹

16、在 快速增長。21:41時(shí)刻，此時(shí)開始產(chǎn)生降水，雷暴進(jìn)入成熟階段，但是高層仍然以上升氣流為主，因此反射 率因子R不再增長，液態(tài)水含量VIL仍保持快速增長，說明云體內(nèi)更高高度上有冰雹在增長。21:49時(shí)刻，此時(shí)反射率因子R和液態(tài)水含量VIL的值都達(dá)到55，并停止增大，說明云體內(nèi)發(fā)展 成熟，對流旺盛，基本達(dá)到頂峰狀態(tài)。21:56時(shí)刻，即7分鐘后開始有冰雹降落到地面。由于拖曳作用，下沉氣流顯著，在4分鐘后于 22:00時(shí)刻地面記錄到12.3m/s的最大風(fēng)速。此后R和VIL都維持在5060這樣一個(gè)較高值的區(qū)間內(nèi)略有 變化，2h后隨對流云消散迅速降低。3.2徑向速度圖V圖4 2010年6月17日21:3

17、7 (a)和21:49 (b)平均徑向速度圖V從圖4 (a)可以看到21:37時(shí)，有一西南一東北向條狀的輻合區(qū)，其兩邊風(fēng)向相反，當(dāng)中將紅色、綠色區(qū)域分割開的是0速度線，也就是輻合線(見圖中黑色箭頭所指部分)，而且成S狀彎曲，因此這里為一 較大氣旋中心，說明未來這里的對流將會(huì)發(fā)展的更加旺盛。而從21:49平均徑向速度圖4(b)中可以看出， 也即12分鐘后，原本S形狀的輻合線已經(jīng)被扭曲，出現(xiàn)兩個(gè)顯著突起，說明這里出現(xiàn)了兩個(gè)小尺度的氣旋 性輻合，即圖上用黑色圓圈部位，其中北部氣旋中心因?yàn)槿鄙儆行ПO(jiān)測手段，無法知道是否也有冰雹降落， 而南部氣旋中心正好出現(xiàn)在氣象觀測站上空，7分鐘后觀測記錄到有冰雹降落

18、。結(jié)論高空急流出口區(qū)的左側(cè)形成的次級環(huán)流，有助于觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，生成對流性天氣8。地面輻合是對流性天氣發(fā)生的觸發(fā)機(jī)制，地面輻合線的位置有利于我們尋找對流的生成地。當(dāng)?shù)?層輻合，高層輻散時(shí)，對流得到增強(qiáng)而發(fā)展。當(dāng)-20C層與0C層之間的厚度較小時(shí)，表明大氣在低層為暖濕氣層，高空有冷空氣侵入，層結(jié) 趨于不穩(wěn)定，有利于冰雹形成。VIL曲線能表明雹云中冰雹狀態(tài)：VIL曲線突然快速增大說明云體內(nèi)有冰雹生成并在增長，VIL 不再增大說明冰雹已經(jīng)增長到最大，不再增長，隨后將開始降落。認(rèn)識(shí)這一點(diǎn)對于我們及時(shí)制作發(fā)布冰雹 天氣預(yù)警有重要意義。0C高度層以上出現(xiàn)強(qiáng)度45dBz的反射率因子回波，說明高層有冰雹生成。氣旋性輻合中心位置 對冰雹落區(qū)有一定預(yù)報(bào)意義。參考文獻(xiàn)：Amburn S A， Worlf P L. VIL density as a hail indicator J. Weather Forecasting， 1997, 12 (2)： 473-478.劉兵，戴澤軍，胡振菊，等。張家界多個(gè)例降雹過程對比分析J.氣象，2009, 35 (7)： 23-32.付雙喜，安林，康鳳琴，等.VIL在識(shí)別冰雹云中的應(yīng)用及估測誤差分析】J.高原氣象，2004， 23 (6)： 810814.王煒，賈惠珍。用雷達(dá)垂直累計(jì)液態(tài)含水量資料預(yù)測冰雹】J.氣象，2002, 28 (1)： 47-48.朱乾