貴州山區(qū)強(qiáng)冰雹云單體演變特征分析

鄒書平，李麗麗，常履福，周麗娜，許　弋

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州　貴陽(yáng)　550002；2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州　貴陽(yáng)　550002；3.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州　貴陽(yáng)　550002)

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貴州山區(qū)強(qiáng)冰雹云單體演變特征分析

鄒書平，李麗麗，常履福，周麗娜，許弋

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州貴陽(yáng)550002；2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)550002；3.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州貴陽(yáng)550002)

按冰雹云生命演變史的發(fā)生、躍增、孕育、降雹和消亡等各個(gè)階段特點(diǎn)，采用2011—2012年貴州6次強(qiáng)冰雹天氣過程所對(duì)應(yīng)雷達(dá)觀測(cè)的時(shí)序資料，對(duì)冰雹云單體回波的強(qiáng)度、高度和結(jié)構(gòu)的形成發(fā)展過程進(jìn)行分析，針對(duì)回波強(qiáng)度和高度的梯度變化提出了躍增特性的劃分方法。分析結(jié)果表明：①冰雹云單體回波的強(qiáng)度和高度分別大于55 dBz和11 km以上，最大強(qiáng)度和最大高度出現(xiàn)的時(shí)間比開始降雹的時(shí)間分別提前了11.1 min和8.4 min。②冰雹云回波單體的躍增特性可劃分為波動(dòng)型、遞增型和躍增型3類，躍增階段的回波強(qiáng)度和高度平均持續(xù)時(shí)間分別為24.7 min和23.7 min，回波強(qiáng)度和高度平均增長(zhǎng)了9.7 dBz和2.7 km。③冰雹云回波具有長(zhǎng)的生命史特征，一般持續(xù)時(shí)間達(dá)2 h以上。④冰雹云形成發(fā)展總體呈現(xiàn)逐步擴(kuò)展增強(qiáng)的演變特征，多單體合并更利于冰雹云迅速形成發(fā)展，冰雹云單體具有明顯的強(qiáng)中心結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)密實(shí)等特點(diǎn)。

冰雹云；單體回波；躍增特性；演變特征

1　引言

冰雹是貴州春夏常發(fā)生的對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害較大的災(zāi)害性天氣之一。冰雹天氣屬于強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)，具有復(fù)雜的熱動(dòng)力和微物理結(jié)構(gòu)，隨著時(shí)間推移而迅速形成發(fā)展。新一代天氣雷達(dá)的廣泛應(yīng)用為冰雹天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了有效的探測(cè)手段[1-2]。在冰雹云發(fā)展過程中，通常用“單體”對(duì)冰雹云進(jìn)行分類，國(guó)內(nèi)許多專家學(xué)者提出諸如單體、單一單體、點(diǎn)源單體、多單體、強(qiáng)單體、超級(jí)單體、颮線、中尺度對(duì)流復(fù)合體等分類命名方法[3-5]，并對(duì)多單體雹云、強(qiáng)降雹超級(jí)單體、典型超級(jí)單體、經(jīng)典超級(jí)單體的風(fēng)暴特征[ 6-8]，以及不同類型的天氣雷達(dá)冰雹云特征進(jìn)行了分析研究[9-10]，表明這些冰雹云回波特征參量隨強(qiáng)對(duì)流云不同發(fā)展階段而變化。

在強(qiáng)對(duì)流天氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警過程中，我們不僅能夠從雷達(dá)回波的強(qiáng)度、高度、尺度、結(jié)構(gòu)去直觀分析和判斷強(qiáng)對(duì)流天氣最基本的特征，而且也可以通過完整時(shí)間序列資料去分析強(qiáng)對(duì)流天氣生命史生成發(fā)展演變過程。本文以貴陽(yáng)新一代天氣雷達(dá)(CINRAD/CD)探測(cè)有效區(qū)域?yàn)橹行模瑢?duì)2011—2012年的6次強(qiáng)冰雹天氣過程的回波特征進(jìn)行數(shù)據(jù)提取分析，通過分析初步揭示了貴州山區(qū)強(qiáng)單體雹云形成發(fā)展過程的基本變化特征。

2　數(shù)據(jù)資料與處理方法

冰雹是指直徑>5 mm的固態(tài)降水物，冰雹由雹胚(生長(zhǎng)中心)和雹塊(雹體)組成。雹胚一般3～5層，雹塊愈大，層次愈多。按雹塊大小分為小(<10 mm)、中(10～30 mm)、大(30～50 mm)和特大(>50 mm)等[14]。在此，我們以貴陽(yáng)新一代天氣雷達(dá)150 km掃描半徑為中心，收集整理了2011—2012年該區(qū)域內(nèi)的冰雹天氣過程。結(jié)合冰雹云單體分類和冰雹物理特性分類方法，通過分析統(tǒng)計(jì)得到6次強(qiáng)單體冰雹天氣過程的詳細(xì)樣本資料(見表1)。表中降雹時(shí)間段是指單體冰雹云回波出現(xiàn)連續(xù)性(或間隙性)降雹過程中降雹開始的時(shí)間和降雹結(jié)束的時(shí)間。

新一代天氣雷達(dá)采用的是VCP21體掃模式，即約6 min一次的9層(0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°、19.5°)立體掃描的基數(shù)據(jù)。采用雙線性插值技術(shù)把極坐標(biāo)系下的體掃基數(shù)據(jù)內(nèi)插到笛卡兒坐標(biāo)系中，生成所需要的雷達(dá)數(shù)據(jù)圖形產(chǎn)品。按照方位、距離、高度等格點(diǎn)數(shù)據(jù)，提取了這6次強(qiáng)冰雹天氣過程的1～2 h的單體回波基本特征參數(shù)的時(shí)序資料，然后對(duì)冰雹云單體回波強(qiáng)度、高度以及單體結(jié)構(gòu)變化特征進(jìn)行分析。表2是2011—2012年6次強(qiáng)冰雹天氣過程典型特征數(shù)據(jù)表(注：為了與日常業(yè)務(wù)應(yīng)用相結(jié)合，以0 dBz作為回波頂高)。

表1　2011—2012年6次強(qiáng)冰雹天氣過程基本數(shù)據(jù)信息表

表2　2011—2012年6次強(qiáng)冰雹天氣過程典型特征數(shù)據(jù)表

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，冰雹云回波的強(qiáng)度和頂高分別大于55 dBz和11 km以上。其中，在降雹階段回波的平均強(qiáng)度和平均高度分別為59.2 dBz和14.4 km；最大強(qiáng)度出現(xiàn)時(shí)間平均提前了11.1 min，平均強(qiáng)度為61.1 dBz，其對(duì)應(yīng)的平均高度為14.5 km；最大高度出現(xiàn)時(shí)間平均提前了8.4 min，平均高度為14.9 km，其對(duì)應(yīng)的平均強(qiáng)度為58.1 dBz。

3　冰雹云單體回波強(qiáng)度和高度的時(shí)序變化特征分析

冰雹云是一種發(fā)展旺盛的對(duì)流云，其發(fā)展過程與積雨云相似，即經(jīng)歷積云階段、成熟階段和消散階段。黃美元等[12]按冰雹云生命演變史則細(xì)分為發(fā)生、躍增、孕育、降雹和消亡5個(gè)階段。發(fā)生階段是從對(duì)流云生成到云體逐漸發(fā)展增強(qiáng)的階段；躍增階段是云體強(qiáng)度和尺度相對(duì)快速增長(zhǎng)的階段；孕育階段是指云體躍增過后處于相對(duì)穩(wěn)定的階段；降雹階段是指地面降雹開始到降雹結(jié)束的階段；消亡階段是指云體逐漸減弱消散的階段。

為了更好地理解強(qiáng)冰雹云形成發(fā)展演變規(guī)律，截取了16個(gè)體掃約1.5 h的雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)(降雹前60 min、降雹后30 min)，然后以降雹時(shí)刻為基線繪制了冰雹云回波強(qiáng)度和高度時(shí)序變化曲線，分別見圖1、圖2所示。通過圖示比較直觀地反映了冰雹云回波從生成發(fā)展、孕育降雹和減弱消亡等階段的變化特征。在這里我們將通過對(duì)雷達(dá)回波強(qiáng)度和高度梯度變化來分析冰雹云的躍增特性。同時(shí)，為了減少本文篇幅，我們通過一次具體事例來分析強(qiáng)冰雹云單體形成發(fā)展的演變過程。

圖1　回波強(qiáng)度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)組合Fig.1　shows a comparison of echo intensity curves varying with time

圖2　回波頂高隨時(shí)間變化的趨勢(shì)組合Fig.2　shows a comparison of echo depth curves varying with time

3．1　回波強(qiáng)度和高度梯度變化分析

冰雹云的躍增階段，是云體迅速發(fā)展增強(qiáng)的階段，單體回波強(qiáng)度、高度迅速增長(zhǎng)。通常用梯度來表征物理量在一定時(shí)間內(nèi)變化的最大值。在此，用▽Z、▽H分別表示回波強(qiáng)度、高度梯度，計(jì)算公式為：

▽Z=ΔZ/ΔT

(1)

▽H=ΔH/ΔT

(2)

其中，ΔZ為強(qiáng)度最大變化差值(dBz)，ΔH為高度最大變化差值(km)，ΔT為躍增時(shí)間(min)

按照公式(1)、(2)計(jì)算結(jié)果，這6次冰雹云回波強(qiáng)度、高度垂直增長(zhǎng)最大梯度值見表3。按10 min單元計(jì)算，回波強(qiáng)度平均增長(zhǎng)約4.4 dBz，高度平均增長(zhǎng)約1.0 km?；夭◤?qiáng)度和高度最大梯度變化持續(xù)時(shí)間分別為24.7 min和23.7 min。

表3　冰雹云回波強(qiáng)度、高度的垂直梯度

綜合上述數(shù)據(jù)圖表分析，表明冰雹云躍增階段的回波強(qiáng)度和高度呈現(xiàn)逐步遞增的變化趨勢(shì)，與冰雹云形成發(fā)展階段是相對(duì)應(yīng)的。按梯度變化范圍對(duì)冰雹云的躍增特性進(jìn)行分類，我們把強(qiáng)度梯度<3 dBz/min，高度梯度<0.1 km/min定義為波動(dòng)型；強(qiáng)度梯度>6 dBz/min，高度梯度<0.3 km/min定義為躍增型；介于兩者之間定義為遞增型。按照此分類方法，這6次強(qiáng)冰雹云回波單體總體呈現(xiàn)波動(dòng)型和遞增型的變化特征。

3．2　冰雹云回波單體發(fā)展演變過程個(gè)例分析

我們結(jié)合圖1和圖2提供的強(qiáng)度和高度時(shí)序變化特征，選取了一次具有代表性的強(qiáng)冰雹天氣過程來具體分析冰雹云回波單體結(jié)構(gòu)的演變特征，在此以2012年7月11日的冰雹災(zāi)害性天氣過程為例。2012年7月11日20時(shí)10分，貴州仁懷市的魯班鎮(zhèn)遭受雷雨、大風(fēng)和冰雹災(zāi)害天氣過程，冰雹最大直徑為20 mm，造成農(nóng)作物不同程度的受災(zāi)。圖3是2012年7月11日 20∶07降雹前雷達(dá)回波強(qiáng)度平面(PPI)圖。

圖3　2012年7月11日 20∶07 降雹前雷達(dá)回波強(qiáng)度PPI圖(貴陽(yáng)，1.5°)Fig.3　The radar echo intensity PPI before the hail shooting time at 20∶07 July 11,2012(Guiyang,1.5°)

下面我們將具體分析此次冰雹云回波單體形成發(fā)展的演變過程。

首先,按照冰雹云生命演變史的發(fā)生、躍增、孕育、降雹和消亡5個(gè)階段的特點(diǎn)，對(duì)冰雹云形成發(fā)展演變過程進(jìn)行階段的劃分。表4是2012年7月11日冰雹云回波5個(gè)階段的強(qiáng)度和高度增幅變化情況，按照躍增階段梯度變化的分類方法此次過程屬于遞增型。圖4是2012年7月11日主要時(shí)次的雷達(dá)回波強(qiáng)度徑向垂直剖面(RHI)組合圖。

表4　2012年7月11日冰雹云回波5個(gè)階段的強(qiáng)度和高度增幅變化情況

發(fā)展階段——持續(xù)時(shí)間45 min，回波強(qiáng)度和高度梯度分別為0.16 dBz/min、0.07 km/min，云體尺度逐漸增長(zhǎng)，強(qiáng)回波中心逐漸向上擴(kuò)展。

躍增階段——持續(xù)時(shí)間18 min，回波強(qiáng)度和高度梯度分別為0.16 dBz/min、0.13km/min，云體尺度迅速增長(zhǎng)，回波強(qiáng)度增強(qiáng)，回波頂高增高，強(qiáng)回波中心結(jié)構(gòu)密實(shí)。

孕育階段——持續(xù)時(shí)間11 min，回波強(qiáng)度和高度梯度分別為-0.09 dBz/min、0.03 km/min，云體尺度相對(duì)穩(wěn)定，強(qiáng)回波中心略有降低。

降雹階段——持續(xù)時(shí)間6 min，回波強(qiáng)度和高度梯度分別為-1.25 dBz/min、-0.12 km/min，云體尺度總體穩(wěn)定，但強(qiáng)回波中心體明顯減弱。

消亡階段——持續(xù)時(shí)間17 min，回波強(qiáng)度和高度梯度分別為-0.35 dBz/min、-0.4 km/min，云體尺度逐漸減弱，回波強(qiáng)度、頂高明顯減弱和，強(qiáng)回波中心體減弱分散。

圖4　2012年7月11日主要時(shí)次的雷達(dá)回波強(qiáng)度徑向垂直剖面(RHI)組合圖Fig.4　The radial vertical sectional of echo intensity on July 11,2012

4　結(jié)論

按冰雹云生命演變史的發(fā)生、躍增、孕育、降雹和消亡等各個(gè)階段特點(diǎn)，對(duì)冰雹云單體回波的強(qiáng)度、高度和結(jié)構(gòu)的形成發(fā)展演變特征進(jìn)行分析，通過物理量梯度變化分析了躍增階段的回波強(qiáng)度和高度的波動(dòng)特征，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

①在降雹階段的冰雹云回波強(qiáng)度>55 dBz以上，回波頂高>11 km以上；最大強(qiáng)度出現(xiàn)的時(shí)間早于最大高度出現(xiàn)的時(shí)間，比降雹的時(shí)間分別提前了11.1 min和8.4 min。

②冰雹云回波單體的躍增特性可劃分為波動(dòng)型、遞增型和躍增型3類。躍增階段的回波強(qiáng)度和高度平均持續(xù)時(shí)間分別為24.7 min和23.7 min，回波強(qiáng)度和高度平均增長(zhǎng)了9.7 dBz和2.7 km。

③冰雹云回波具有長(zhǎng)的生命史特征，一般持續(xù)時(shí)間達(dá)2 h以上。躍增階段持續(xù)時(shí)間一般從十多分鐘到三十多分鐘，孕育階段和降雹階段的持續(xù)時(shí)間從幾分鐘到十幾分鐘，發(fā)展階段和消亡階段的持續(xù)時(shí)間一般>30 min以上。

④冰雹云形成發(fā)展總體呈現(xiàn)逐步擴(kuò)展增強(qiáng)的演變特征，多單體合并更利于冰雹云迅速形成發(fā)展，冰雹云單體具有強(qiáng)回波中心結(jié)構(gòu)體明顯突出和結(jié)構(gòu)密實(shí)等特點(diǎn)。

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The Characteristic Analysis of Severe Hail-clouds Evolution in Mountainous Areas of Guizhou

ZOU Shuping1,2,LI Lili1，2,CHANG Lvfu2,ZHOU Lina3,XU Yi3

(1.Guizhou Institute of Mountainous Climate and Environment, Guiyang 550002, China; 2.Guizhou Key Laboratory of Mountainous Climate and Resource, Guiyang 550002, China; 3. Weather Modification Office of Guizhou Province, Guiyang 550002, China)

According to the evolution features in different stages of hail-clouds, the six severe hail clouds cases of new Doppler weather radar data in Guizhou during 2011 to 2012 were used to analyze the formation and evolution characteristics of radar echo intensity, echo depth and echo structure, a new classification method of 'leap-increasing' feature were presented for the evolution feature of radar echo intensity gradient and echo depth gradient. There are some conclusions:1.The hail-clouds of echo intensity is greater than 55dBz and echo depth is higher than 11km,the occurrence time of peak echo intensity is 11.1mins earlier than the time of hail shooting and the time of peak echo depth is 8.4mins earlier.2. The 'leap-increasing' feature of hail clouds are classified into three types:the wave type, the continued-increasing type and the leap-increasing type. During the 'leap-increasing' stage, the echo intensity lasts average of 24.7mins and the echo depth lasts average of 23.7mins,the echo intensity increases average of 9.7dBz and the echo depth increases average of 2.7km. 3. The long-time life cycle of hail cloud echo activity, its lasts more than 2 hours normally. 4. The echo intensity is stronger and range extended gradually during the hail cloud evolution, multiple-cell hail cloud combined is beneficial to the process of hail cloud formation and development more rapidly, the hail cloud has a strong center and its structure is compact.

hail-cloud; cell radar echo; leap-increasing feature; evolution feature

1003-6598(2016)02-0015-05

2015-11-05

鄒書平，男，高工，主要從事天氣雷達(dá)和人工影響天氣工作，E-mail：zsping99@qq.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金(41365001)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金(黔科合J 字12〗2228 號(hào))。

P426.64

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