甘南高原冰雹的氣候特征和雷達(dá)回波分析

吉哲君 安華銀 趙惠珍 羅王軍

摘要 利用甘南州8個國家氣象觀測站1976—2015年冰雹觀測資料，對甘南高原冰雹天氣的氣候特征進(jìn)行詳細(xì)分析。同時，利用2002—2012年5—9月合作站探空資料和2013—2015年甘南新一代天氣雷達(dá)資料對甘南各站冰雹日層結(jié)特征和多普勒雷達(dá)回波特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明：甘南州冰雹隨海拔高度的升高而呈線性增加趨勢。20世紀(jì)80—90年代是降雹的高峰期，降雹總體趨勢是減少的。一日中冰雹天氣主要發(fā)生在午后至傍晚，冰雹天氣當(dāng)日合作站探空參數(shù)有明顯的特征。甘南冰雹云回波強(qiáng)度>40 dbz，回波頂高度在3 km以上，垂直液態(tài)含水量在0.5 kg/m2，60%的冰雹云速度場有明顯的輻合和中氣旋。

關(guān)鍵詞 冰雹；氣候特征；回波特征；甘南高原

中圖分類號 P429 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）06-0210-03

Analysis on Climate Features and Radar Echo of Hail Weather in Gannan Plateau

JI Zhe-jun AN Hua-yin ZHAO Hui-zhen LUO Wang-jun

（Gannan Meteorological Bureau of Gansu Province，Gannan Gansu 747000）

Abstract Used meteorological station hail observation data of Gannan in 1976—2015 to analyze the climate characteristics of Gannan Plateau hail weather，used cooperation standing sounding data in May to September at 2002—2012 in Gannan and a new generation of weather radar data of Gannan hail in 2013—2015 to analyze stratification and doppler radar echo characteristics. The results showed that the Gannan hail had increase tendency with the rising of altitude. In the 1980s to 1990s the hail peak was down，the overall trend reduced.The hail occured mainly in the afternoon to the evening.The hail weather cooperation standing sounding parameters had obvious characteristics.Gannan hail cloud echo intensity was >40 dbz，echo top height was above 3 km，vertical liquid water content was in the 0.5 kg/m2，60% hail cloud velocity had obvious convergence and cyclone.

Key words hail weather；climatic characteristic；radar echo characteristic；Gannan Plateau

甘南州地處青藏高原向黃士高原的過渡地帶，地形復(fù)雜，天氣多變，災(zāi)害性天氣種類多易發(fā)生，冰雹天氣是甘南高原主要的自然災(zāi)害之一。另外，甘南是西北地區(qū)多雹區(qū)之一，瑪曲縣是甘肅省冰雹中心，同時甘南也是影響甘肅省定西市西南部的冰雹云東移的加強(qiáng)區(qū)和必經(jīng)之地[1-4]。目前，多普勒雷達(dá)資料的分析應(yīng)用逐步成為防災(zāi)減災(zāi)和保護(hù)人民生命財產(chǎn)安全的重要手段。吳愛敏等[5]通過新一代天氣雷達(dá)觀測資料，分析了慶陽市冰雹過程中雷達(dá)回波強(qiáng)度、速度、垂直積分液態(tài)含水量等的變化特征，為冰雹預(yù)報提供了可靠的依據(jù)。王若生等[6]利用平?jīng)鼋?7年冰雹基本觀測資料和2009—2011年的雷達(dá)回波資料，分析了冰雹天氣的層結(jié)特征和雷達(dá)回波特征，為平?jīng)鍪腥斯は⒑头罏?zāi)減災(zāi)工作提供了參考和依據(jù)。本文利用甘南州8縣市1976—2015年冰雹基本觀測資料、2013—2015年甘南新一代天氣雷達(dá)觀測資料分析了甘南高原冰雹的時空分布特征、層結(jié)特征和多普勒雷達(dá)回波特征，探索研究適合甘南高原冰雹的天氣雷達(dá)預(yù)報指標(biāo)，以期為甘南州人工消雹和防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)參考。

1 資料來源

所用資料為甘南州8縣市1976—2015年國家氣象觀測站冰雹觀測資料，2013—2015年5—9月合作高空站探空資料，2013—2015年5—9月甘南新一代天氣雷達(dá)觀測資料，包括基本反射率、組合反射率、徑向速度、回波頂高、垂直液態(tài)積分水含量等產(chǎn)品。

2 甘南高原冰雹天氣的氣候特征

2.1 甘南高原冰雹天氣的空間分布特征

分析甘南州8個國家氣象站1976—2015年降雹次數(shù)分布，結(jié)果見圖1?？梢钥闯?，降雹頻次分布有明顯的地域特點(diǎn)，近40年西南部海拔超過3 000 m的瑪曲、碌曲降雹次數(shù)最多，分別達(dá)343、291次，平均每年8.6、7.3次，而東南部海拔相對較低的迭部、舟曲降雹次數(shù)最少，只有104、28次，平均每年2.6、0.7次。

近40年來，全州各地降雹次數(shù)自東向西隨海拔高度的升高而增加（圖2），年降雹次數(shù)隨海拔高度的升高呈明顯的線性增加趨勢，海拔高度平均升高100 m，年降雹次數(shù)增加15.86次。

2.2 甘南高原冰雹的時間變化特征

2.2.1 甘南高原冰雹的年代際和年際變化特征。近40年來，甘南高原8個氣象站共出現(xiàn)冰雹1 692次，其中1976—1980年出現(xiàn)302次，20世紀(jì)80年代出現(xiàn)617次，90年代出現(xiàn)477次，進(jìn)入21世紀(jì)以來，2001—2010年出現(xiàn)224次，2011—2015年出現(xiàn)72次?？梢钥闯?，20世紀(jì)80、90年代是降雹的高峰期，總的趨勢來看，冰雹發(fā)生的趨勢是減少的。從1976—2015年降雹日數(shù)的年際變化（圖3）可以看出，近40年來甘南高原降雹日數(shù)的年際變化顯著，降雹出現(xiàn)最多的年份是1994年，達(dá)到76次，1992年次之，達(dá)74次，降雹日數(shù)最少的年份是2009年和2013年，僅有12次。降雹次數(shù)呈現(xiàn)線性減少趨勢，每10年減少15.773次。

2.2.2 甘南高原冰雹的月變化特征。甘南高原冰雹天氣的季節(jié)變化特征非常明顯，40年來甘南降雹天氣最早的月份為3月，出現(xiàn)在舟曲縣，最晚結(jié)束在10月，全州各地均可出現(xiàn)，可見甘南高原降雹期長達(dá)8個月，從降雹總次數(shù)分布（圖4）可以看出，從3月開始，降雹次數(shù)逐月增加，5月達(dá)到最大，降雹總數(shù)為385次，每年5月平均降雹12.4 d，隨后又呈逐月下降趨勢，主要降雹時段為5—9月，占降雹總數(shù)的93.1%。

2.2.3 甘南高原冰雹的日變化特征。甘南高原降雹有明顯的日變化特征，對近40年全州降雹起始時間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)甘南高原降雹多在午后出現(xiàn)，11：00前和23：00后沒有降雹發(fā)生，降雹時間出現(xiàn)在11：00—13：00的占10%，出現(xiàn)在14：00—17：00的占58%，出現(xiàn)在18：00—23：00的占32%，根據(jù)各地降雹出現(xiàn)的時間，大致可以分為3種類型，分別為午后型、傍晚型、午后傍晚雙峰型。

3 甘南高原冰雹天氣的天氣學(xué)特征

3.1 甘南高原冰雹天氣的環(huán)流背景

冰雹天氣往往是在一定的大尺度環(huán)流背景下的發(fā)生的[7]，對2002—2012年5—9月全州共出現(xiàn)冰雹195站（次）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按照環(huán)流形勢可以分為3種類型：高空冷槽型、高空冷渦型、緯向環(huán)流型。

3.1.1 高空冷槽型。降雹總數(shù)的70%屬于此種類型，5—7月較多。500 hPa蒙古中部到河西西部為一冷槽，溫度槽落后于高度槽，河套以東為一長波脊，在33～40°N、90～105°E范圍內(nèi)有明顯鋒區(qū)。此形勢下24 h內(nèi)甘南州大部分地方可能出現(xiàn)冰雹天氣。降雹機(jī)制是鋒面移動抬升鋒前不穩(wěn)定的暖濕空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈對流。

3.1.2 高空冷渦型。降雹總數(shù)的25%屬于此種類型，6—8月較多。500 hPa河套一帶有冷中心或有冷槽配合的低壓中心，系統(tǒng)深厚，移動緩慢，本地位于低渦后低部，有時可連續(xù)幾天降雹。其降雹機(jī)制是低渦的輻合作用使低層暖濕空氣在高空冷平流的影響下產(chǎn)生強(qiáng)烈對流。

3.1.3 緯向環(huán)流型。此型較少，約占降雹總數(shù)的5%，但5—9月均可出現(xiàn)。500 hPa中緯度以緯向環(huán)流為主，青藏高原上有西南氣流發(fā)展，30～40°N、90～100°E范圍內(nèi)有短波槽或切變線東移，則在未來24 h內(nèi)甘南州局地會出現(xiàn)冰雹。

3.2 甘南高原冰雹天氣的探空層結(jié)特征

冰雹天氣是一種強(qiáng)烈的對流運(yùn)動，其發(fā)生要求有一定的不穩(wěn)定能量的積累[8-12]。利用2002—2012年甘南州8縣市發(fā)生的192次冰雹天氣過程，統(tǒng)計(jì)過程前一日和當(dāng)日合作站的探空資料發(fā)現(xiàn)，冰雹發(fā)生日8：00或20：00合作探空層結(jié)有明顯的特征。

3.2.1 層結(jié)穩(wěn)定度。選取700 hPa比濕、SI指數(shù)、700～300 hPa溫差、700～500 hPa風(fēng)速切變、700 hPa假相當(dāng)位溫等探空參數(shù)進(jìn)行分月統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，冰雹日當(dāng)天700 hPa比濕≥5.0，7月、8月≥7.3，SI指數(shù)除5月<6外，其余各月冰雹日當(dāng)天均<4， 700～300 hPa溫差均≥34 ℃，700～500 hPa風(fēng)速切變均≥5 m/s，700 hPa假相當(dāng)位溫均≥50 ℃（表1）。

3.2.2 0 ℃層高度和-20 ℃～0 ℃層厚度。冰雹的形成需要一定的環(huán)境場溫度，合適的0 ℃層高度和-20 ℃～0 ℃層厚度是冰雹形成的必要條件。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，冰雹日當(dāng)天合作站0 ℃層高度在3.0～5.5 km之間，其中5月和9月略低，7月和8月略高，-20 ℃～0 ℃層厚度在2.5～4.0 km之間，各月之間差異不大。

4 甘南高原冰雹天氣的新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品特征

甘南新一代天氣雷達(dá)從2013年汛期開始投入試運(yùn)行，利用2013—2015年5—9月合作雷達(dá)產(chǎn)品資料、冰雹觀測資料，用回波強(qiáng)度、回波頂高、強(qiáng)回波底高、強(qiáng)回波頂高、VIL、速度場（輻合、中氣旋、逆風(fēng)區(qū)等）進(jìn)行分析（表3），統(tǒng)計(jì)冰雹發(fā)生時雷達(dá)產(chǎn)品資料，通過統(tǒng)計(jì)方法建立冰雹雷達(dá)臨近預(yù)報指標(biāo)。

通過對甘南州雷達(dá)有效探測距離內(nèi)36個站次的冰雹雷達(dá)資料統(tǒng)計(jì)分析，得出了甘南州冰雹雷達(dá)回波特征。

4.1 回波強(qiáng)度

通過對出現(xiàn)冰雹站點(diǎn)附近的雷達(dá)回波強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，冰雹發(fā)生時最大回波強(qiáng)度在30～50 dbz之間，超過40 dbz的占92%以上，因此，把冰雹發(fā)生前雷達(dá)回波強(qiáng)度閾值確定為40 dbz。

4.2 強(qiáng)回波頂高

對流的強(qiáng)弱和回波的伸展高度有關(guān)，回波高度結(jié)合回波強(qiáng)度可以判斷冰雹天氣發(fā)展的強(qiáng)弱[7]。在多普勒雷達(dá)資料中，新的冰雹算法中判斷冰雹的主要判據(jù)是檢驗(yàn)0 ℃與-20 ℃以上有無超過45 dbz的反射率因子，0 ℃層高度與45 dbz的反射率因子回波頂高度的距離差用于判斷冰雹的有無。由于甘南州海拔高，2013—2015年所有冰雹個例中強(qiáng)中心超過45 dbz的個例較少，而往往強(qiáng)中心高度超過40 dbz的個例占92%以上，因此確定40 dbz反射率因子頂高為甘南州強(qiáng)回波頂高度較高。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，40 dbz反射率因子頂高度高于3 km時，降雹的可能性很大。通過對回波頂高統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，40 dbz回波頂高平均高度為3.5 km，0 ℃層平均高度為3.0 km，因此40 dbz反射率因子頂高平均略高于0 ℃層高度。

4.3 VIL和VIL躍變

VIL（垂直液態(tài)水含量）和VIL激增（躍變）是判別強(qiáng)對流天氣冰雹和短時強(qiáng)降水的主要指標(biāo)[9]。VIL值表示的是將反射率因子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成等價的液態(tài)含水值，因此VIL值隨著反射率因子的增強(qiáng)而增強(qiáng)。通過對降雹前1h VIL值統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)垂直液態(tài)含水量超過0.5 kg/m2時即有降雹的可能。通過對冰雹發(fā)生時和發(fā)生前VIL激增（躍變）值統(tǒng)計(jì)分析，所有個例中VIL激增（躍變）不明顯。

4.4 速度場特征

對冰雹發(fā)生前1 h到冰雹發(fā)生時的速度圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有超過60%的個例有明顯的速度場特征，其中超過50%的個例速度圖中發(fā)現(xiàn)明顯的輻合特征，超過10%的個例中發(fā)現(xiàn)明顯的中氣旋特征。因此，當(dāng)速度場中出現(xiàn)明顯的輻合和中氣旋特征也是對甘南州出現(xiàn)冰雹天氣的一種指示。

5 結(jié)論

（1）甘南高原冰雹的分布有明顯的地域特點(diǎn)，降雹次數(shù)隨海拔高度的升高而呈線性增加趨勢，海拔高度平均升高100 m，年降雹次數(shù)增加15.86次。

（2）甘南高原冰雹的年代際變化顯著，20世紀(jì)80、90年代是降雹的高峰期，總的趨勢來看，冰雹發(fā)生的趨勢是減少的。

（3）甘南高原降雹季節(jié)性變化顯著，最早出現(xiàn)在3月，最遲出現(xiàn)在10月，雹期長達(dá)8個月，其中5月出現(xiàn)次數(shù)最多，6月次之，5—9月冰雹次數(shù)占全年的93.1%。

（4）甘南高原降雹多在午后出現(xiàn)，根據(jù)各地降雹出現(xiàn)的時間，大致可以分為午后型、傍晚型、午后傍晚雙峰型3種類型。

（5）甘南高原冰雹當(dāng)日合作探空站層結(jié)有明顯的特征：700 hPa比濕≥5.0，SI指數(shù)除5月<6外，其余各月冰雹日當(dāng)天均<4，700～300 hPa溫差均≥34 ℃，700～500 hPa風(fēng)速切變均≥5 m/s，700 hPa假相當(dāng)位溫均≥50 ℃，0 ℃層高度在3.0～5.5 km之間，-20 ℃～0 ℃層厚度在2.5～4.0 km之間。

（6）甘南高原冰雹云雷達(dá)回波強(qiáng)中心強(qiáng)度大于40 dbz，垂直發(fā)展旺盛，回波頂高都在3.0 km以上，垂直液態(tài)水含量超過0.5 kg/m2，60%的冰雹云速度場有明顯的輻合或中氣旋特征。

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