熊 偉,周明飛,周永水,童碧慶
(貴州省氣象臺(tái),貴州 貴陽 550002)
雷達(dá)資料對(duì)貴州春季冰雹云識(shí)別初探
熊 偉,周明飛,周永水,童碧慶
(貴州省氣象臺(tái),貴州 貴陽 550002)
利用2004年以來有雷達(dá)數(shù)據(jù)的25個(gè)貴州春季冰雹個(gè)例資料,基于貴陽、遵義和興義3部天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù),計(jì)算雷達(dá)回波頂高(ET)、垂直累積液態(tài)水含量(VIL)、組合反射率因子(CR)、制作反射率因子垂直剖面(RCS)產(chǎn)品,研究冰雹發(fā)生前后雷達(dá)回波的演變情況,找出冰雹發(fā)生前后以上產(chǎn)品的臨界值和變化特征,從而對(duì)冰雹云進(jìn)行雷達(dá)識(shí)別。經(jīng)過對(duì)個(gè)例的分析研究發(fā)現(xiàn):45 dBz以上的雷達(dá)回波能較好地識(shí)別冰雹云,結(jié)合0℃層高度和-20℃層高度,可較好的判斷冰雹的大小;冰雹發(fā)生前1~2個(gè)體掃到冰雹發(fā)生時(shí)刻,VIL出現(xiàn)陡增現(xiàn)象。
冰雹;回波頂高;垂直累積液態(tài)水含量;組合反射率因子;垂直剖面
冰雹是貴州春季常見的災(zāi)害性天氣,每年給貴州帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,人民生命和財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重的危害。對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)和預(yù)警是各級(jí)政府和社會(huì)公眾的迫切需求,也是公共氣象服務(wù)的重點(diǎn)。但是,由于冰雹天氣局地性明顯、發(fā)生突然、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn),準(zhǔn)確預(yù)報(bào)冰雹天氣在目前的技術(shù)上存在很大的困難。針對(duì)冰雹天氣的預(yù)報(bào),目前國(guó)內(nèi)外主要是通過冰雹天氣的概念模型建立短期冰雹潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法,給出冰雹天氣的展望。在冰雹的臨近預(yù)報(bào)和預(yù)警方面,國(guó)內(nèi)外基于多普勒天氣雷達(dá)開展了大量的研究工作,而且取得了明顯的成效。
目前貴州對(duì)于冰雹的臨近預(yù)報(bào)和預(yù)警研究工作還處于初步階段,做好貴州春季冰雹的預(yù)報(bào)和預(yù)警,需要對(duì)貴州冰雹天氣做大量基礎(chǔ)性的研究工作,本文主要從雷達(dá)在冰雹天氣中的應(yīng)用角度出發(fā),通過對(duì)個(gè)例的統(tǒng)計(jì)分析,找尋貴州春季冰雹的雷達(dá)識(shí)別指標(biāo)。
關(guān)于冰雹天氣的雷達(dá)識(shí)別,湯興芝[1]對(duì)宜昌地區(qū)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,指出利用45 dBz雷達(dá)強(qiáng)回波高度可較好地識(shí)別冰雹云,且降雹前45 dBz回波頂高會(huì)出現(xiàn)躍增現(xiàn)象并有一定的提前量。李金輝[2]等利用45dBz雷達(dá)強(qiáng)回波高度和降雹日08時(shí)月平均0℃層高度對(duì)寶雞地區(qū)冰雹云進(jìn)行識(shí)別和預(yù)警。俞小鼎[3]等指出,如果-20℃等溫線對(duì)應(yīng)的高度之上有超過45dBz的反射率因子核,則有可能產(chǎn)生大冰雹。以上的研究主要是針對(duì)CINRAD/SA或CINRAD/CB雷達(dá)進(jìn)行的,本文基于貴州CINRAD/CD型雷達(dá)體掃基數(shù)據(jù),分別計(jì)算ET、VIL、CR 3種常用的雷達(dá)參量,利用雷達(dá)反射率因子任意垂直剖面做出垂直剖面產(chǎn)品,結(jié)合0℃層高度和-20℃層高度以及45dBz雷達(dá)回波高度,綜合分析貴州春季冰雹發(fā)生前后的演變情況,從而為冰雹云的識(shí)別提供一定的參考。
本文選取2004年以來25個(gè)冰雹個(gè)例(個(gè)例信息見表1)及貴陽、遵義和興義3部天氣雷基數(shù)據(jù)作為研究資料,對(duì)雷達(dá)資料進(jìn)行三維數(shù)字化處理,反算雷達(dá)組合反射率因子、雷達(dá)回波頂高、垂直累積液態(tài)水含量,然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過對(duì)雷達(dá)反射率因子任意方向的垂直剖面分析,得到45 dBz雷達(dá)強(qiáng)回波高度,與0℃層高度和-20℃層高度進(jìn)行對(duì)比分析。
回波頂高是在≥18dBz反射率因子被探測(cè)到時(shí),顯示以最高仰角為基礎(chǔ)的回波頂高度(沒有進(jìn)行插值處理)[4]。本文為了便于分析研究,回波頂高采用≥20dBz反射率因子的最高高度(進(jìn)行了插值處理)。通過對(duì)雷達(dá)反射率因子做垂直剖面分析,可近似地得到雷達(dá)回波的頂高。
冰雹云中上升氣流較強(qiáng),隨著氣流的上升,回波不斷向上伸展,因此冰雹云回波的高度一般比其它對(duì)流云回波高度要高,對(duì)研究個(gè)例統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn):貴州春季冰雹云降雹前1~2個(gè)體掃回波頂高在5.5 km以上,7 km及以上占84.0%,最大達(dá)17 km;降雹時(shí)刻均在6 km以上,8 km及以上占92.0%,最大達(dá)20 km(圖1)。
圖1 25次冰雹個(gè)例雷達(dá)回波頂高統(tǒng)計(jì)
由此可見,雷達(dá)回波頂高可作為識(shí)別冰雹云的一個(gè)輔助條件,如果雷達(dá)回波頂高在5km以上,要密切關(guān)注是否有冰雹云的發(fā)展。
組合反射率因子表示的是在同一個(gè)體掃中,將常定仰角方位掃描中發(fā)現(xiàn)的最大反射率因子投影到笛卡爾格點(diǎn)上的產(chǎn)品[4]。本文為了便于研究,對(duì)同一體掃中不同仰角上的反射率因子進(jìn)行插值處理,得到不同高度上的反射率因子,最后查找最大的反射率因子得到組合反射率因子。
表1統(tǒng)計(jì)了25個(gè)冰雹個(gè)例的降雹時(shí)間、冰雹直徑、接近降雹時(shí)刻的回波信息、當(dāng)日0℃層高度、-20℃層高度等。從表中可以看出降雹時(shí)刻雷達(dá)組合反射率因子均在45dBz以上。由于篇幅原因,表中沒有對(duì)降雹前組合反射率因子進(jìn)行顯示,根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果不難得出:當(dāng)45dBz雷達(dá)回波超過0℃層高度,繼續(xù)向上擴(kuò)展并到達(dá)對(duì)流云中上部時(shí),將會(huì)出現(xiàn)冰雹。因此當(dāng)組合反射率因子≥45dBz時(shí),可能有冰雹云的存在,須對(duì)該回波進(jìn)行反射率因子垂直剖面分析,結(jié)合45dBz回波的發(fā)展高度和0℃層高度進(jìn)行有無冰雹云存在的判斷。
通過對(duì)所有個(gè)例的計(jì)算統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)降雹時(shí)刻VIL值的大小平均在25㎏·m-2左右,最大達(dá)到65㎏·m-2,最小僅有5㎏·m-2。降雹前 15min VIL最小為0㎏·m-2,最大為15㎏·m-2,降雹前后VIL的值增加明顯。圖2是25次冰雹個(gè)例降雹前15 min與降雹時(shí)刻VIL的變化情況,降雹前15min VIL明顯小于降雹時(shí)刻的值,而對(duì)于其他對(duì)流回波,VIL的值有大有小,但前后體掃中VIL的值沒有明顯的增長(zhǎng)現(xiàn)象。因此,垂直累積液態(tài)水含量出現(xiàn)明顯的增大,可作為識(shí)別冰雹云的一個(gè)指標(biāo)。
基于單部多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù),進(jìn)行三維數(shù)字化技術(shù)處理,用斜距和方位最近鄰近插值法與垂直內(nèi)插平均相結(jié)合的插值方法得到高分辨率的三維反射率格點(diǎn)數(shù)據(jù)[5](經(jīng)度、緯度和高度坐標(biāo),水平方向分辨率為1 km,垂直方向分辨率為0.5 km),得到不同高度上(CAPPI)雷達(dá)反射率因子。利用雙線性內(nèi)插值法,對(duì)雷達(dá)三維反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行任意方向垂直剖面分析,運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)任意方向垂直剖面。
新一代天氣雷達(dá)冰雹探測(cè)算法中,使用反射率因子的資料,首先定位三維風(fēng)暴,然后利用垂直方向上風(fēng)暴強(qiáng)度、高度和0℃、-20℃層的高度的關(guān)系,得出冰雹產(chǎn)生的概率以及強(qiáng)冰雹產(chǎn)生的概率,并對(duì)冰雹的大小進(jìn)行了估算[6]。但在實(shí)際應(yīng)用過程中,多數(shù)雷達(dá)站并未對(duì)參數(shù)進(jìn)行本地化調(diào)整和實(shí)時(shí)更新,對(duì)冰雹的估算準(zhǔn)確率不高。
表1 降雹個(gè)例和反射率因子垂直剖面分析統(tǒng)計(jì)信息
圖2 25次冰雹個(gè)例降雹前15min及降雹時(shí)刻VIL變化
對(duì)25次冰雹個(gè)例作反射率因子垂直剖面分析,如表1所示。45dBz回波高度均高于0℃層高度,在冰雹直徑≥20 mm(大冰雹)的個(gè)例中,45 dBz回波高度均超過了-20℃層高度。由以上分析可知,如果45 dBz回波高度高于0℃層高度,極可能有冰雹的發(fā)生;高于-20℃層高度則可能有大冰雹的存在。
通過對(duì)雷達(dá)反射率因子作任意方向的垂直剖面分析,可得到雷達(dá)回波頂高、45 dBz回波的發(fā)展高度,并結(jié)合0℃層高度和-20℃層高度進(jìn)行是否是冰雹云的綜合判斷。另外通過作反射率因子的垂直剖面,還可看出回波的結(jié)構(gòu)特征。
2007年4月23日19:10分貴定縣鐵廠、報(bào)管鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受冰雹災(zāi)害襲擊,農(nóng)作物受災(zāi)面積600 hm2,成災(zāi)420 hm2,絕收150 hm2,有10村62村民組4 512戶21 150人受災(zāi),經(jīng)濟(jì)損失達(dá)75萬元。
這次過程屬于冷鋒前的降雹,貴州處于鋒前層結(jié)不穩(wěn)定區(qū),能量條件較好。以下主要從本文中提及的4個(gè)方面對(duì)此個(gè)例進(jìn)行分析。
從18:50至19:04分每隔5 min的垂直累積液態(tài)水VIL變化情況(圖略)可以看出,VIL從0㎏·m2增加到20㎏·m-2,出現(xiàn)陡增現(xiàn)象,符合冰雹云的VIL指標(biāo)。
圖3 組合反射率因子 (a),回波頂高、45 dBz以上回波中心及最大高度(b)
從圖3可以看出:降雹前2~3個(gè)體掃到降雹時(shí)刻,組合反射率因子從20 dBz增加到50 dBz,之后逐漸減小,圖3(b)所示;回波頂高較高且約有增加,在18:59分的體掃出現(xiàn)了45 dBz以上回波,19:04分45 dBz以上回波最高發(fā)展到6 km高度,到達(dá)對(duì)流的中上部,貴州CD雷達(dá)采用的是VCP21體掃模式,體掃間隔時(shí)間為5~6 min,該體掃觀測(cè)到的回波應(yīng)該為19:04-19:10之間的回波信息,而19:10分地面出現(xiàn)了降雹。19:14分雷達(dá)組合反射率因子減小,雷達(dá)回波頂高、45dBz以上回波中心、45dBz以上回波最高高度出現(xiàn)的明顯下降。
圖4是從貴陽雷達(dá)站到降雹點(diǎn)的雷達(dá)反射率因子垂直剖面圖像,從圖中可以看出,降雹時(shí)刻雹云中出現(xiàn)了高懸回波。50 dBz回波伸展到了6 km左右,而當(dāng)日08時(shí)0℃層高度為4.6 km,-20℃層高度為7.8 km,回波頂發(fā)展到10 km左右,結(jié)合0℃層及-20℃層高度分析,可判斷此塊回波為冰雹云回波。
圖4 2007年4月23日18∶55分貴陽雷達(dá)反射率因子垂直剖面(單位:dBz)
圖5 雷達(dá)反射率因子垂直剖面(單位:dBz)
18∶50分,降雹點(diǎn)(鐵廠)出現(xiàn)了回波懸垂,但回波強(qiáng)度在35 dBz以下,回波頂高在9.5 km左右,如圖5(a)所示;18∶55分,降雹點(diǎn)出現(xiàn)了40 dBz以上的回波,如圖5(b)。在隨后的兩個(gè)體掃中,圖5(c)→(d),回波逐漸增強(qiáng),強(qiáng)回波高度不斷發(fā)展,到19∶04分(雷達(dá)開始體掃的時(shí)間),降雹點(diǎn)50 dBz回波伸展到6.3 km左右,高出了當(dāng)日08時(shí)0℃層高度(4.6 km)1.7 km。通過以上幾個(gè)時(shí)次的RCS分析,可在18∶55分發(fā)布冰雹預(yù)警,能提前10~15 min做出冰雹預(yù)警。
本文主要基于多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù),計(jì)算得到雷達(dá)回波頂高、垂直累積液態(tài)水含量、組合反射率因子,通過制作反射率因子垂直剖面,并結(jié)合0℃層高度和-20℃高度綜合分析,得到以下結(jié)論:
①貴州春季冰雹發(fā)生時(shí)雷達(dá)組合反射率因子在45dBz以上。
②回波頂高降雹前到降雹時(shí)刻明顯增高,多數(shù)在8 km以上。
③降雹前1~2個(gè)體掃到降雹時(shí)刻,垂直累積液態(tài)水含量出現(xiàn)陡增現(xiàn)象,而VIL值的大小沒有明顯的統(tǒng)計(jì)特征。
④通過垂直剖面分析,當(dāng)45dBz回波高度超過0℃層高度且發(fā)展到對(duì)流云中上部時(shí),將可能發(fā)生冰雹;如果超過-20℃層高度時(shí),要注意大冰雹發(fā)生的可能。
[1] 湯興芝,黃興友.冰雹云的多普勒天氣雷達(dá)識(shí)別參量及其預(yù)警作用[J]. 暴雨災(zāi)害,2009,28(3):261-265.
[2] 李金輝,樊鵬.冰雹云提前識(shí)別及預(yù)警的研究[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2007,30(1):114-119.
[3] 俞小鼎,王迎春,等.新一代天氣雷達(dá)與強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警[J]. 高原氣象,2005,(03):
[4] 俞小鼎,姚秀萍,等.多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用[M].北京:氣象出版社,2006.
[5] 熊偉,周明飛,等.基于雙線性內(nèi)插值的CD雷達(dá)垂直剖面算法[J]. 貴州氣象,2010,34(3):7-11.
[6] 吳林林.新一代天氣雷達(dá)冰雹探測(cè)算法及在業(yè)務(wù)中的應(yīng)用[J]. 氣象,2006,32(1):52-55.
P407
B
1003-6598(2011)02-0013-05
2010-12-16
熊偉(1978-),男,工程師,主要從事短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警工作。
*資助項(xiàng)目:貴州省氣象局青年基金項(xiàng)目,黔氣科合QN[2010]01號(hào);中國(guó)氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):CMAGJ2011M45)。