寧波兩次冰雹過程多普勒雷達回波特征分析*

張晶晶 朱佳敏 謝 華 王武軍 鄔方平

(1.寧波市北侖區(qū)氣象局,浙江 寧波 315800;2. 奉化市氣象局,浙江 奉化 315500)

寧波兩次冰雹過程多普勒雷達回波特征分析*

張晶晶1朱佳敏1謝 華1王武軍2鄔方平2

(1.寧波市北侖區(qū)氣象局,浙江 寧波 315800;2. 奉化市氣象局,浙江 奉化 315500)

基于寧波多普勒天氣雷達,結(jié)合常規(guī)氣象觀測和浙江省自動氣象站資料分析寧波市北侖區(qū)2012年7月7日和2013年3月22日2次冰雹天氣發(fā)現(xiàn)，天氣背景存在顯著差異,一個由熱對流強烈發(fā)展引起,另一個則是由強對流帶過境造成的。由于季節(jié)差異2個例回波強度和特征有所不同,但多普勒雷達圖上都有較清楚的回波墻、弱回波區(qū)、懸垂結(jié)構(gòu)等特征,垂直積分液態(tài)含水量(VIL)在冰雹云發(fā)展階段存在突增,回波頂高(ET)和組合反射率(CR)產(chǎn)品也存在持續(xù)的增加。2個例也存在著明顯的差異:個例1對流發(fā)展極其旺盛,回波頂和強回波中心都非常高,具有深厚的逆風(fēng)區(qū)和氣旋性速度特征,PPI產(chǎn)品有較明顯的勾狀回波;個例2回波頂、強回波中心、0 ℃和-20 ℃層相對于個例1都要低,體現(xiàn)了個例間的季節(jié)差異。

冰雹;物理量指標(biāo);多普勒天氣雷達;回波特征

0 引 言

強對流天氣突發(fā)性強、歷時短、范圍小、局地性強,常伴隨雷雨大風(fēng)、冰雹、龍卷等氣象災(zāi)害,往往是由中小尺度系統(tǒng)直接產(chǎn)生的。Browning指出超級單體(supercell)具有的雷達反射率因子特征,如鉤狀回波、中空弱回波區(qū)(Weak Echo Region, WER)或有界弱回波區(qū)(Bounded Weak Echo Region, BWER)等[1-2]。Fujita提出的“中氣旋”概念( mesocyclone),揭示了超級單體的旋轉(zhuǎn)特性[3], Browning 建議超級單體可重新定義為具有中氣旋的對流單體[4],隨后Lemon 等提出了一個新的超級單體的概念模型[5]。在超級單體三維模式中,這種對流單體為上升氣流從右前方進入風(fēng)暴,到了高層氣旋式扭轉(zhuǎn)進入云砧區(qū),下沉氣流在對流層中層從風(fēng)暴右邊進入,從左后方的低層離開。

隨著國內(nèi)多普勒天氣雷達的組網(wǎng)建設(shè),雷達資料在強對流天氣的分析、研究和應(yīng)用中得到了快速加強。鄭媛媛等利用S波段多普勒天氣雷達資料對2002年5月發(fā)生在皖北的一次典型超級單體風(fēng)暴進行了詳細分析發(fā)現(xiàn)，此次超級單體南邊出現(xiàn)兩條明顯的出流邊界,超級單體反射率因子呈現(xiàn)明顯的倒“V”字型結(jié)構(gòu),反射率因子垂直剖面呈現(xiàn)出典型的有界弱回波區(qū)(穹隆)、強大的回波懸垂和回波墻,有較強的中氣旋、較大的垂直累積液態(tài)水含量和密度等強烈超級單體風(fēng)暴的典型特征[6]。廖向花等對2008年6月重慶一次超級單體風(fēng)暴綜合分析,發(fā)現(xiàn)VIL的突然躍增比冰雹降落時間提前2～3個體掃,對冰雹的短時預(yù)報具有較強的指示意義[7]。

冰雹天氣在不同地區(qū)、不同季節(jié)時有發(fā)生,具有各自的異同點。張琳娜等將北京地區(qū)出現(xiàn)冰雹的主要天氣類型分為3類:東北冷渦型、蒙古低渦型和低槽型,總結(jié)出對預(yù)報冰雹天氣發(fā)生有意義的參數(shù)及其閾值[8]。江玉華等對2008年6月5日發(fā)生在重慶市中部的大風(fēng)冰雹天氣過程進行分析得出:大氣中顯著的水平風(fēng)切變和垂直風(fēng)切變及晴空太陽輻射對地面的不均勻加熱都有利于誘生渦度;對流有效位能(CAPE)增加,是對流風(fēng)暴發(fā)展的重要條件;在雷達回波結(jié)構(gòu)上有中氣旋、高懸強回波核、弱回波區(qū)、回波墻、虛假回波、回波強度梯度大等超級單體風(fēng)暴特征[9]。金飛勝等對2009年2月發(fā)生在早春2月黃山地區(qū)一次冰雹天氣個例發(fā)生發(fā)展過程進行分析,得出具有明顯的季節(jié)特征,組合反射率也很高,但由于空氣柱氣溫較低,垂直液態(tài)水含量相比初夏的冰雹要小,-20 ℃高度相比初夏低1～2 km[10]。

本文基于寧波多普勒雷達,結(jié)合常規(guī)氣象資料和浙江省自動氣象站資料,對寧波市北侖區(qū)發(fā)生的2次冰雹過程進行了雷達回波特征分析,為冰雹預(yù)報提供思路和方法。

1 資料說明

所用資料有寧波多普勒雷達(121.52°E,30.06°N,海拔418 m)、常規(guī)天氣觀測和浙江省自動氣象站觀測資料。其中常規(guī)天氣觀測包括距離2個例冰雹發(fā)生地最近的3個探空站:上海寶山站(58362,121.46°E,31.41°N)、杭州站(58457,120.17°E,30.23°N)和浙江洪家站(58665,121.42°E,28.63°N);寧波3個國家氣象站:鎮(zhèn)海站 (58561,121.60°E,29.98°N)、鄞州站(58562,121.55°E,29.78°N)和北侖站(58563,121.83°E,29.88°N)。2個例的冰雹落區(qū)均為寧波市北侖區(qū),時間分別為2012年7月7日下午(個例1)和2013年3月22日凌晨(個例2)。

2 實況和天氣形勢

2.1 個例1

2012年7月7日白天受副高邊緣和中低層西南風(fēng)影響,浙江省氣溫快速升高,熱力條件適合對流發(fā)展,同時低空(925 hPa)和地面在長江流域一帶有東西向風(fēng)切變,為午后熱對流的激發(fā)提供良好的抬升條件(圖略)。浙江省大部分地區(qū)午后先后出現(xiàn)雷暴天氣,杭州、寧波、臺州和溫州等地部分地區(qū)伴有短時暴雨、強雷電和8～10級的雷雨大風(fēng),過程造成寧波奉化市到北侖區(qū)短時氣溫劇降, 13：52—13：57北侖站出現(xiàn)冰雹,直徑最大20 mm,重量平均2 g。

2.2 個例2

2013年3月22日凌晨寧波市自西向東出現(xiàn)雷雨大風(fēng)等強對流天氣,3：30—3：50分北侖區(qū)出現(xiàn)持續(xù)數(shù)分鐘的冰雹,直徑1 cm左右。與個例1天氣背景不同,21日20時200 hPa在贛中—浙南一帶有東西向高空急流,急流中心最大風(fēng)速超過60 m/s,500 hPa中緯度有小槽東移,低層850 hPa從廣西到山東存在大范圍12 m/s以上的低空急流帶,22日夜間地面圖上華東地區(qū)受低壓控制,后半夜出現(xiàn)大范圍的區(qū)域性雷暴天氣(圖略)。

3 探空和物理量指標(biāo)對比分析

2個例冰雹發(fā)生前,杭州站探空資料均不同程度地表現(xiàn)出“上干下濕”的層結(jié)特征(圖略),2012年7月7日08時杭州站500 hPa溫度露點差為8 ℃左右,700 hPa約4 ℃,850 hPa以下僅有3 ℃,并存在明顯的條件對流不穩(wěn)定能量;2013年3月21日20時850 hPa以下層次存在逆溫,大氣層結(jié)比較穩(wěn)定,但850 hPa以下溫度露點差僅為3℃左右,500 hPa增大到20 ℃,“上干下濕”特征更明顯,有利于雷暴在一定高度層上發(fā)展,具有“高架雷暴”的特征[11]。

表1列出了2次冰雹發(fā)生前上海寶山、浙江杭州和洪家3個探空站部分物理量指數(shù)。表中可見: 3站K指數(shù)和SI指數(shù)比較,個例1中K指數(shù)>38 ℃,SI指數(shù)<-2 ℃,而個例2中最大K指數(shù)<30 ℃,SI均為正值。其它指數(shù)也表明個例1比個例2有更好的強對流發(fā)生發(fā)展?jié)搫?在強對流天氣預(yù)報中廣泛應(yīng)用的CAPE和CIN這兩個參量[12]對比,個例1中2個探空站CAPE超過2800 J/kg,存在明顯的對流不穩(wěn)定能量,而CIN能量存在則有利于不穩(wěn)定能量積聚,總體有利于冰雹的形成。

表1 2個例物理量指數(shù)對比

通氣管指數(shù)[13]顯示出2個例均存在較強的環(huán)境風(fēng)場的垂直切變。個例2的洪家站位于高層急流中心軸上,2高度層風(fēng)速分別為44、12 m/s,通氣管指數(shù)高達1228 m2/s2,表明300 hPa和850 hPa之間存在強烈的垂直風(fēng)切變。另外,2個例在1000 hPa以上主要是西到西南風(fēng),1000 hPa到地面則為偏東風(fēng),說明在1000 hPa高度附近存在較大的垂直風(fēng)向切變,0～2 km垂直風(fēng)切變分別為11.64、11.18 m/s,0～6 km分別為14.78、26.87 m/s。環(huán)境風(fēng)場的垂直切變對雷暴發(fā)生發(fā)展有重要的影響,為強對流發(fā)展提供了動力條件。

表1中個例1和個例2的0 ℃層位勢高度分別約為5100、3700 gpm,-20 ℃層分別約為8400、6400 gpm,2個例間存在較大的差異,原因是個例1發(fā)生在夏季,個例2發(fā)生在春季,位勢高度的差異體現(xiàn)了季節(jié)差異,但高度都較適宜于雹云的發(fā)生發(fā)展[8、12],且2個例的0 ℃層到-20 ℃間的厚度分別在3300、2700 gpm左右,比較接近。

4 多普勒雷達回波特征

4.1 雹暴演變概述

4.1.1 個例1

2012年7月7日中午寧波奉化境內(nèi)有弱回波從中層(11:58在2.4°仰角,圖略)開始逐漸向低層發(fā)展,10 min后0.5°仰角上也出現(xiàn)弱回波,20 min后反射率中心強度就發(fā)展到65 dBz,30 min后在強單體東北側(cè)又出現(xiàn)2個新的對流單體,此后30 min內(nèi)這3個對流單體繼續(xù)發(fā)展、合并和加強,12:59在寧波市區(qū)南部形成塊狀回波,中心強度超過50 dBz(圖1a), 13:16和13:33的PPI圖上表現(xiàn)出鉤狀回波(圖1b—1c,0.5°和1.5°仰角圖上也表現(xiàn)),剖面圖上出現(xiàn)回波墻、弱回波區(qū)和懸垂回波等強單體結(jié)構(gòu)的特征(圖略)?；夭ㄒ葡驏|北,時速約30 km,13:49強單體中心位于寧波市北侖區(qū)境內(nèi),0.5°～2.4°仰角上中心強度均超過60 dBz(圖1d),13:52北侖氣象站觀測到冰雹。

圖1 2012年7月7日2.4°仰角雷達反射率演變圖(a—d)

4.1.2 個例2

個例2則表現(xiàn)為回波帶的特征,自西北向東南方向移動,02:29強回波帶接近雷達站(圖2a,白色箭頭所指位置),03:16回波帶位于寧波東北部海面、鎮(zhèn)海到鄞州西部一帶,2.4°仰角圖上寧波境內(nèi)有2個中心超過50 dBz的對流單體發(fā)展(圖2b,2個白色箭頭所指位置),03:27 A、B箭頭所指的強單體中心強度超過60 dBz,東移至北侖區(qū) (圖2c),3 min后北侖區(qū)開始出現(xiàn)彈珠大小冰雹,對流單體快速向東偏南方向移動,回波強度維持(圖2d),降雹區(qū)域也隨之移動。

圖2 2013年3月22日2.4°仰角雷達反射率演變圖(a—d)

4.2 超級單體結(jié)構(gòu)分析

4.2.1 個例1

7月7日13:16個例1中的強單體快速發(fā)展形成超級單體風(fēng)暴并繼續(xù)發(fā)展,PPI圖上不同仰角均有較明顯的勾狀回波(圖1b—1c),缺口朝向回波移動方向的右前方。根據(jù)許煥斌等描述的PPI回波入流缺口的雷達回波特征[14],這是此次超級單體的入流缺口,具有20～65 dBz的最大回波強度梯度,從低層向高層回波逐漸增強。圖3a—3b給出了13:33穿過2.4°仰角反射率因子強度中心沿雹暴前進方向的雷達回波強度和多普勒速度切向剖面。圖3a展現(xiàn)了一個典型的超級單體結(jié)構(gòu),55 dBz以上強回波中心高度超過12 km,65 dBz以上強回波中心高度超過9 km,有典型的回波墻、弱回波區(qū)和懸垂回波結(jié)構(gòu),弱回波區(qū)的水平尺度在6 km左右。雷達產(chǎn)品中沒有出現(xiàn)中氣旋結(jié)構(gòu),但分析基速度圖發(fā)現(xiàn),2.4°及以上仰角可以看到具有氣旋性特征的多普勒速度,而切向速度剖面圖中可明顯看出3～8 km高度都存在氣旋性速度區(qū)(圖3b中黑色橢圓圈區(qū)域)?？梢妭€例1氣旋性速度特征僅存在于超級單體3 km以上的中高層。

13:44雷達0.5°仰角基速度圖上,強回波中心(圖3c中箭頭所指處)靠近雷達的一側(cè)為朝向雷達的負速度,有-20 m/s的負速度中心存在,遠離雷達一側(cè)為離開雷達的正速度,這是由于雹暴后部下沉氣流的在低層形成輻散氣流所造成,對比13:40寧波市自動站觀測資料(圖3e),強回波中心附近西北側(cè)有3個氣象站出現(xiàn)6級以上偏南風(fēng),而南側(cè)多為東北風(fēng)或偏北風(fēng),也表現(xiàn)出氣流的輻散;圖3c冰雹發(fā)生處的偏東方向為大片朝向雷達的負速度區(qū),是雹暴前進右前方的低層入流區(qū)域,并在地面實況中得到證實,負速度區(qū)僅出現(xiàn)在低層,隨著雷達仰角升高消失(圖略)。

超級單體或是強單體冰雹云內(nèi)氣流是由兩支對峙相切的上升和下沉氣流組成[15-17],13:44沿雷達站到強回波中心的基速度剖面(圖3d)顯示，靠近雷達一側(cè)的下沉氣流在高層加強了輻合,約2 km以下高度時向兩邊輻散,與雷達低仰角基速度和地面風(fēng)場吻合。由于其上升支在3 km以下來自環(huán)境場的偏東風(fēng)入流不在此徑向剖面位置(圖3c),所以在圖3d中沒有表現(xiàn)。圖3d中逆風(fēng)區(qū)(負速度區(qū)被正速度區(qū)包圍的區(qū)域)向上升展的高度超過13 km,而逆風(fēng)區(qū)的存在體現(xiàn)了水平方向的氣流的較強的輻合輻散,有利于冰雹云的發(fā)展,達到的高度越高說明對流越深厚,造成的天氣會更劇烈。

(a 13:33切向反射率剖面;b 13:33切向基速度剖面;c 13:44 0.5°仰角雷達基速度,黑色箭頭所指為強回波中心位置;d 13:44過圖c基線的徑向基速度剖面;e 13:40地面風(fēng)場,黑色三角區(qū)域為強回波中心位置,小圓形為多普勒雷達站)圖3 個例1的切向剖面、0.5°仰角雷達速度、速度徑向剖面和地面風(fēng)場

4.2.2 個例2

個例2的速度徑向剖面圖演變分析發(fā)現(xiàn),03:10(圖4a)前后速度剖面發(fā)生較大的變化。圖4a顯示出速度隨高度發(fā)生變化,3～7 km是朝向雷達的負速度,其上下都是正速度,表明氣流在垂直方向存在著較明顯的風(fēng)切變,3 km以下的正速度區(qū)中出現(xiàn)少量的負速度,形成逆風(fēng)區(qū),說明低層水平方向存在著輻散和輻合。03:10后的徑向速度剖面是上下層非常一致的正速度(圖略),01:40風(fēng)暴前沿經(jīng)過雷達站前后的雷達風(fēng)廓線產(chǎn)品(VWP)的風(fēng)向風(fēng)速變化中也能反映出上述風(fēng)向風(fēng)速的變化。垂直風(fēng)切變和輻散輻合的存在,往往促進對流天氣發(fā)生發(fā)展,也是形成強對流的一個重要條件,個例2的強天氣都發(fā)生在風(fēng)暴前沿過境時刻也說明這一點。

與個例1相比,個例2發(fā)生在春季,天氣劇烈程度相對較弱,但也具有強單體結(jié)構(gòu)特征。圖4b顯示出 03:16沿雷達站到強回波中心的反射率剖面圖上55 dBz以上強回波中心高度接近9 km,也有回波墻、弱回波區(qū)和其上的懸垂回波,但60 dBz以上強回波的范圍和高度明顯小于個例1,且沒有個例1中的深厚逆風(fēng)區(qū)和雷達徑向上的氣旋性速度特征。

AWS風(fēng)向風(fēng)速的變化顯示出地面風(fēng)切變向東南方向移動。03:20地面風(fēng)場(圖4c)中能清楚地看到風(fēng)切變的存在,其東南方向的沿海海面普遍為6～7級偏南風(fēng),為冰雹云的發(fā)展提供低層入流和充足的水汽,切變線后部個別站點出現(xiàn)6～8級大風(fēng),是雷暴下沉氣流的后出流邊界所致。

(a 03:10基速度徑向剖面;b 03:16雷達反射率徑向剖面,基線見圖2b;c 03:20 AWS地面風(fēng)場,黑色圓圈:多普勒天氣雷達站,黑色弧線:強回波帶,對應(yīng)地面風(fēng)切變位置)圖4 個例2多普勒雷達基速度和反射率因子徑向剖面

4.3 垂直積分液態(tài)含水量等雷達產(chǎn)品分析

在冰雹云發(fā)展階段,VIL、ET、CR產(chǎn)品,特別是VIL存在明顯的突增(表2)。2個例分別在11:52—12:26和3:05—3:22之間VIL都持續(xù)增加,平均增速均達到或超過10 kg/(m2·6 min),與李云川等、王華等和廖向花等得到的結(jié)論一致[7、12、18];同時ET和CR也同步增加,CR增加的時間相對VIL要提前2～3個體掃結(jié)束。

表2 VIL、ET、CR產(chǎn)品在冰雹云發(fā)展階段的突增

另外,2個例還有一個共同點就是，冰雹指數(shù)(HI59)都存在連續(xù)的實心三角,中氣旋產(chǎn)品(M60)都沒有出現(xiàn),與李云川等統(tǒng)計8次冰雹個例中實心三角時有冰雹的正確率為8/8,沒有空漏報,而出現(xiàn)中氣旋的概率僅為3/8的結(jié)果一致[18]。

5 結(jié) 語

通過對2012年7月和2013年3月寧波市北侖區(qū)2次冰雹過程的分析得到以下結(jié)論。

1)這2次冰雹過程發(fā)生在天氣背景存在差異,個例1冰雹是熱對流造成的,存在明顯的條件對流不穩(wěn)定能量、充足的水汽輻合和很好的熱力觸發(fā)條件;個例2冰雹是在高低空急流及較強的風(fēng)切變所形成的動力條件和低空強勁的暖濕氣流形成上干下濕的大氣層結(jié)所導(dǎo)致,低層層結(jié)較穩(wěn)定,具有“高架雷暴”的天氣特征。

2)2個例多普勒雷達反射率圖上都有較清楚的回波墻、弱回波區(qū)、懸垂結(jié)構(gòu)等特征,但也存在著明顯地差異:個例1對流發(fā)展極其旺盛,回波頂和強回波中心都非常高,具有深厚的逆風(fēng)區(qū)和氣旋性速度特征,PPI產(chǎn)品有較明顯的勾狀回波;個例2回波頂、強回波中心、0 ℃和-20 ℃層相對于個例1都要低,體現(xiàn)了個例間的季節(jié)差異。

3)雷達產(chǎn)品垂直積分液態(tài)含水量(VIL)在冰雹云發(fā)展階段存在著平均增速超過10 g/(m2·6 min)的突增,回波頂高(ET)和組合反射率(CR)產(chǎn)品也存在持續(xù)的增加,ET與VIL的增加保持同步,CR增加的時間相對VIL要提前2～3個體掃結(jié)束。2個例冰雹指數(shù)(HI)都存在連續(xù)的實心三角,都沒有明顯的中氣旋結(jié)構(gòu)、三體散射長釘(TBSS)特征回波等。

每次冰雹天氣的成因不盡相同,加強對高時空分辨率的探測資料,特別是雷達資料的分析,將有助于加深對冰雹天氣過程的了解和認識,隨著探測手段的進步,今后應(yīng)當(dāng)通過分析和總結(jié),尋找冰雹天氣臨近預(yù)報的著眼點,以便提高對冰雹等強對流天氣的監(jiān)測和預(yù)報能力。

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2014-09-09

寧波市自然科學(xué)基金項目(2013A610124);寧波市氣象局港口氣象預(yù)報技術(shù)研究團隊項目