降雹概率的多源探測(cè)數(shù)據(jù)分析及地面驗(yàn)證

何關(guān)興, 蘇德斌, 李 治, 黃梓恒

(1.成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院,四川 成都 610225;2.中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610255;3.山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心,山西 太原 030000)

0 引言

中國(guó)是一個(gè)冰雹災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家,為防雹減災(zāi),在受冰雹災(zāi)害影響的地區(qū)廣泛開(kāi)展人工防雹作業(yè),通過(guò)人工干預(yù)的方法,達(dá)到防治和減輕冰雹災(zāi)害的目的。為減少冰雹災(zāi)害可能造成的國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失并提升防雹作業(yè)的有效性和準(zhǔn)確性,冰雹災(zāi)害預(yù)報(bào)工作一直是人工影響作業(yè)工作重點(diǎn)。 在冰雹云的發(fā)展初期[1-2],即云內(nèi)大冰雹尚未形成時(shí),就對(duì)雹云進(jìn)行人工影響天氣作業(yè),破壞其生成大冰雹的環(huán)境條件,可起到事半功倍的防雹效果,否則等冰雹長(zhǎng)大時(shí)再對(duì)其進(jìn)行人工影響作業(yè),人影作業(yè)的催化劑并不能將已長(zhǎng)大的冰雹消除。為研究雷達(dá)數(shù)據(jù)和冰雹發(fā)生概率、冰雹降雹尺寸的關(guān)系,進(jìn)而得出冰雹早期識(shí)別算法模型,現(xiàn)利用雷達(dá)強(qiáng)度數(shù)據(jù)和探空數(shù)據(jù),研究冰雹單體在各個(gè)高度層的回波特征,利用反射率回波識(shí)別冰雹可能發(fā)生的區(qū)域。

國(guó)外利用雷達(dá)研究冰雹的工作開(kāi)展較早,早在1982 年P(guān)etrocchi[3]和1985 年Smart 等[4]得到了冰雹相關(guān)算法,但在實(shí)際人影作業(yè)驗(yàn)證過(guò)程中效果不盡如人意[5]。 Smith 等[6]得出強(qiáng)冰雹的最基本特征是高懸的強(qiáng)回波,這說(shuō)明在不同高度層雷達(dá)回波強(qiáng)度與冰雹的對(duì)應(yīng)關(guān)系是變化的,具體是大氣環(huán)境0 ℃層高度和-20 ℃層高度與強(qiáng)回波的關(guān)系。 Witt 等[7]基于這一思路得到了美國(guó)新一代天氣雷達(dá)的冰雹探測(cè)算法,中國(guó)氣象人員的相關(guān)研究也驗(yàn)證了這一結(jié)論[8]。 近年來(lái),利用雙偏振雷達(dá)進(jìn)行粒子識(shí)別可以更好的觀測(cè)并得到冰雹信息[9-10]。 Grams 等[11]使用云頂和地面雷達(dá)數(shù)據(jù)檢索樸素貝葉斯降水類(lèi)型,將冰雹劃分為降水類(lèi)型的一種,不過(guò)算法對(duì)于冰雹的識(shí)別效果欠佳。 Mroz等[12]使用全球降水測(cè)量(GPM)任務(wù)核心天文臺(tái)衛(wèi)星和地面S 波段天氣雷達(dá)同時(shí)觀測(cè)冰雹天氣,研究冰雹識(shí)別算法,最佳性能CSI 達(dá)到49%。 蘭明才等[13]利用11 部多普勒天氣雷達(dá)、自動(dòng)站、閃電定位儀數(shù)據(jù),用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建冰雹識(shí)別模型,識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)93.81%。黃鈺等[14]對(duì)2016-2019 年貴州中西部降雹過(guò)程探空資料分析,發(fā)現(xiàn)冰雹實(shí)際融化層高度對(duì)于冰雹粒子大小有明顯的影響。 楊寧等[15]針對(duì)巴彥淖爾冰雹云探測(cè)進(jìn)行初步研究,表明由于獨(dú)特的地理環(huán)境,冰雹天氣成為巴彥淖爾市河套平原夏季主要?dú)庀鬄?zāi)害之一,對(duì)巴彥淖爾地區(qū)進(jìn)行降雹概率研究具有實(shí)際意義。

在冰雹研究和人影作業(yè)中,須關(guān)注以下3 方面內(nèi)容:冰雹可能發(fā)生的概率;降雹的影響范圍與持續(xù)時(shí)間;降雹預(yù)估的最大冰雹粒子尺寸。 雙偏振雷達(dá)的有效探測(cè)范圍較低,考慮到中國(guó)氣象行業(yè)現(xiàn)狀,利用新一代多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行冰雹識(shí)別算法的研究仍有需求。 本文利用多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行冰雹識(shí)別算法研究降雹概率,以2020 年7 月4 日發(fā)生在烏拉特中旗氣象局附近的一次降雹過(guò)程為例,利用雷達(dá)數(shù)據(jù)反演降雹概率及冰雹粒子最大尺寸,與地面測(cè)雹板對(duì)比,冰雹識(shí)別算法的預(yù)測(cè)效果較好。

1 數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市地處內(nèi)蒙古高原西部位于105°12′E ～ 109°53′E、40°13′N(xiāo) ～ 42°28′N(xiāo),東西長(zhǎng)378 km,南北寬238 km,面積6.4萬(wàn)km2。 巴彥淖爾市多年平均年蒸發(fā)量為2030 ～3180 mm,多年平均日照時(shí)數(shù)在3100 ～3300 h[16],是中國(guó)日照時(shí)數(shù)最多的地區(qū)之一。 巴彥淖爾境內(nèi)的河套灌區(qū)是亞洲最大自流灌區(qū),境內(nèi)河套平原有“塞上江南”美譽(yù),全市有機(jī)奶產(chǎn)量占全國(guó)一半以上,農(nóng)畜產(chǎn)品出口位居內(nèi)蒙古第一,為全國(guó)最大的羊毛絨生產(chǎn)基地[15]。

陰山山脈狼山段位于巴彥淖爾市中部,將巴彥淖爾市一分為二,山前為富饒的河套平原,山后為荒漠化草原(圖1),受此特殊地理環(huán)境的影響,冰雹天氣成為巴彥淖爾市山前河套平原夏季主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。

圖1 巴彥淖爾地形及觀測(cè)設(shè)備布局

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

收集2020 年6-8 月巴彥淖爾地區(qū)C 波段多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)、探空數(shù)據(jù)和風(fēng)云四號(hào)A 星(FY-4A)的相當(dāng)黑體亮帶溫度產(chǎn)品TBB,數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)

其中C 波段多普勒雷達(dá)(714CDN 雷達(dá))位于巴彥淖爾市氣象局(圖1 五角星位置, 107.36 °E,40.73 °N),有效定量探測(cè)半徑均為168 km,時(shí)間分辨率為6 min,按VCP21 模式運(yùn)行。 巴彥淖爾地區(qū)有兩個(gè)探空站,分別位于臨河區(qū)氣象局(圖1 三角形位置,站號(hào):53513)及烏拉特中旗氣象局(圖1 三角形位置,站號(hào):53336),提供秒級(jí)探空數(shù)據(jù),其中包括大氣環(huán)境0℃層高度和-20℃層高度數(shù)據(jù)。 提供的TBB 表示氣象衛(wèi)星紅外探測(cè)通道獲取的云頂和無(wú)云或少云區(qū)的地球表面的向外輻射。

2 冰雹識(shí)別算法

2.1 算法流程

研究算法程序采用巴彥淖爾地區(qū)臨河市CD 雷達(dá)作為雷達(dá)反射率數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源。 0 ℃層和-20 ℃層高度的數(shù)據(jù)是利用當(dāng)天8 點(diǎn)探空氣球得到的探空信息作為算法參量的輸入[17],適宜的0 ℃和-20 ℃層為降雹提供了更有利的層結(jié)條件[18]。 算法流程如圖2 所示。

圖2 冰雹概率算法流程圖

2.2 算法原理

利用雷達(dá)反射率數(shù)據(jù)研究冰雹算法,有基于垂直積分液態(tài)水(VIL)進(jìn)行冰雹識(shí)別的相關(guān)算法研究工作[19],該算法在多次實(shí)際人影作業(yè)中都得到了良好的驗(yàn)證。

此外為得出冰雹尺寸和雷達(dá)回波強(qiáng)度的關(guān)系模型,需要研究融化層高度信息和強(qiáng)回波(高于45 dBZ)的關(guān)系,Waldvogel 等[20]得出45 dBZ以上強(qiáng)度回波與地面冰雹發(fā)生概率的簡(jiǎn)單關(guān)系(圖3)。 Witt 采用類(lèi)似VIL 算法的方法,基于單體的數(shù)據(jù)反演冰雹算法,利用反射率數(shù)據(jù)反演冰雹的動(dòng)能進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冰雹的識(shí)別。

圖3 冰雹在地面發(fā)生的概率與45 dBZ 強(qiáng)回波層與0 ℃層高度差之間的關(guān)系

冰雹動(dòng)能計(jì)算相關(guān)公式為

其中

其中,Z是反射率強(qiáng)度值,單位dBZ,加權(quán)函數(shù)W(Z)是反射率強(qiáng)度與冰雹識(shí)別算法之間的過(guò)度函數(shù),式(2)中ZL和ZU分別對(duì)應(yīng)40 dBZ和50 dBZ(可根據(jù)雷達(dá)實(shí)際情況作調(diào)整),VIL 算法通常是通過(guò)設(shè)置55 dBZ上限值來(lái)濾除與冰雹有關(guān)的高反射率數(shù)據(jù),而上述Z-E算法采用相反的策略,僅使用與冰雹有較大相關(guān)性的高反射率數(shù)據(jù),并濾除通常與液態(tài)水有關(guān)的較低反射率值。 利用動(dòng)能計(jì)算冰雹的好處還包括,以此為依據(jù)可以對(duì)降雹尺寸和嚴(yán)重程度進(jìn)行預(yù)估,建立對(duì)降雹嚴(yán)重程度的預(yù)估模型。 同時(shí)相關(guān)研究結(jié)論表明,冰雹生長(zhǎng)僅發(fā)生在0 ℃層高度以上的區(qū)域,嚴(yán)重性冰雹發(fā)生在-20 ℃層或更低溫度層。 在冰雹算法中引入溫度層信息,可以更加準(zhǔn)確地進(jìn)行冰雹識(shí)別,高度層信息的加權(quán)函數(shù):

其中H是反射率數(shù)據(jù)所在高度,H0和Hm20分別對(duì)應(yīng)0 ℃層高度和-20 ℃層高度。

綜上得到嚴(yán)重冰雹指數(shù)函數(shù)SHI:

其中HT是云頂高,SHI 單位是J/(m2s)。

結(jié)合Witt 算法,將雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格數(shù)據(jù)。 冰雹嚴(yán)重指數(shù)計(jì)算公式則轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

其中,Δh是逐層網(wǎng)格數(shù)據(jù)高度間隔。

此外,Witt 還利用0 ℃層高度信息計(jì)算了冰雹嚴(yán)重災(zāi)害的閾值參量WT:

利用冰雹嚴(yán)重指數(shù)和警告閾值可以計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)各處冰雹可能發(fā)生的概率函數(shù),經(jīng)驗(yàn)公式為

為提升數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性,利用Barnes 插值算法[21]將雷達(dá)數(shù)據(jù)插值至600×600×40 的經(jīng)緯度網(wǎng)格中,設(shè)置成0.01 度經(jīng)緯度分辨率,高度500 m間隔的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。 同時(shí)為提高算分?jǐn)?shù)據(jù)存取的執(zhí)行效率,算法系統(tǒng)將數(shù)據(jù)網(wǎng)格每個(gè)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的體掃數(shù)據(jù)及坐標(biāo)位置存儲(chǔ)至二進(jìn)制文件中,通過(guò)查詢(xún)二進(jìn)制文件,可以快速實(shí)現(xiàn)反射率網(wǎng)格數(shù)據(jù)的讀取和計(jì)算。

3 降雹個(gè)例

2020 年7 月4 日15-18 時(shí)巴彥淖爾市臨河區(qū)新華鎮(zhèn),杭錦后旗團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)、蠻會(huì)鎮(zhèn),烏拉特中旗海流圖鎮(zhèn)、巴音烏蘭和烏拉特中旗氣象局、五原縣豐裕等地區(qū)出現(xiàn)冰雹天氣,具有區(qū)域性強(qiáng)、冰雹顆粒分布不均等特點(diǎn)。 烏拉特中旗氣象局(圖4 三角形位置,108.52 °E,41.57 °N)在17:40 出現(xiàn)降雹,持續(xù)時(shí)間約6 ～10 min,冰雹顆粒直徑大。

圖4 2020 年7 月4 日17:40-17:50 巴彥淖爾降雹點(diǎn)

3.1 天氣背景

2020 年7 月4 日08 時(shí)環(huán)流背景形勢(shì)場(chǎng)(圖5)可以看出,500 hPa處于東北地區(qū)高空槽后的西北氣流,在巴彥淖爾市地區(qū)具有風(fēng)速輻合,西北氣流攜帶冷空氣在巴市地區(qū)堆積;700 hPa同樣受西北氣流控制,在巴彥淖爾市地區(qū)具有風(fēng)速輻合,表明中高層有干冷空氣侵入,有利于風(fēng)雹天氣的產(chǎn)生;850 hPa在阿盟東南部及巴市有切變線,850 hPa與500 hPa溫差達(dá)29 ℃,同時(shí)有暖舌伸入,有利于低層增暖,促使低層到高層的溫度遞減率加大,形成上冷下暖的熱力不穩(wěn)定層結(jié),有利于強(qiáng)對(duì)流的出現(xiàn)。

圖5 2020 年7 月4 日08 時(shí)環(huán)流背景形勢(shì)場(chǎng)

3.2 探空資料

圖6 為臨河、烏拉特中旗7 月4 日的探空曲線。 臨河站7 月4 日08 時(shí)在500 ～600 hPa有不穩(wěn)定存在,CAPE 值為80.3 J/kg,CIN 值為237 J/kg,對(duì)流抑制位能大于有效位能;500 hPa以下風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流;0 ℃層高度在4077 m,-20 ℃層高度在7341 m;地面溫度露點(diǎn)差>5 ℃,K指數(shù)為32.9 ℃,SI 指數(shù)為0.25 ℃;中午輻射升溫,用臨河對(duì)流發(fā)生前17 時(shí)地面實(shí)況進(jìn)行訂正,CAPE 訂正后為1601.7 J/kg、CIN 訂正后為0 J/kg,溫度上升使底層對(duì)流抑制消失,對(duì)流天氣產(chǎn)生。

圖6 2020 年7 日4 日08 時(shí)臨河和烏中旗訂正后T-LnP 圖

烏拉特中旗站7 月4 日08 時(shí)在700 ～250 hPa層結(jié)不穩(wěn)定明顯,CAPE 值為696.8 J/kg,對(duì)流高度在700 hPa以上,CIN 值為93.5 J/kg,對(duì)流有效位能大于對(duì)流抑制位能;500 hPa以下風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)暖平流;0 ℃層高度在4100 m,-20 ℃層高度在7167 m;地面溫度露點(diǎn)差<5 ℃,濕度條件好。K指數(shù)為36.9 ℃,SI 指數(shù)為-1.2 ℃。 中午輻射升溫,用烏拉特中旗對(duì)流發(fā)生前16時(shí)地面實(shí)況進(jìn)行訂正,CAPE 訂正值為1377 J/kg、CIN 訂正值為0 J/kg,溫度上升使底層對(duì)流抑制消失,對(duì)流天氣產(chǎn)生。 結(jié)合兩地探空資料分析,當(dāng)日空中存在不穩(wěn)定能量,為強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生提供了條件。

3.3 衛(wèi)星TBB 分析

TBB 是相當(dāng)黑體溫度(temperature of black body),通常稱(chēng)為亮溫或者亮帶溫度,表示云頂和無(wú)云區(qū)或少云區(qū)的地球表面向太空發(fā)射的輻射, 也是氣象衛(wèi)星紅外通道的觀測(cè)值, 是生成紅外云圖和各種增強(qiáng)顯示云圖最原始的資料[22]。 它能夠反映出云的發(fā)展高度、上升氣流的強(qiáng)弱和中小尺度對(duì)流發(fā)展的旺盛程度。 TBB 溫度越低,對(duì)應(yīng)云頂越高,對(duì)流越旺盛,當(dāng)TBB 溫度達(dá)到-32 ℃,對(duì)流云高度有8 km左右,TBB 溫度達(dá)到-54 ℃,對(duì)流云高度有11 km左右,為雷暴云系[23-24]。 本次降雹事件于17:40 左右(BTJ)發(fā)生在烏拉特中旗氣象局(圖7 綠色圓圈),選取降雹事件前1 h以及降雹事件后2 h TBB 資料,分析冰雹云在降雹前后的TBB 變化特征。

圖7 2020 年7 月4 日16:45-20:00 巴彥淖爾地區(qū)TBB 空間分布(綠色圓圈為降雹點(diǎn))

圖7 為降雹事件TBB 空間分布。 由圖7(a)可知,在降雹前1 h,烏拉特中旗氣象局上空云團(tuán)TBB 值大于-10 ℃,對(duì)流穩(wěn)定。 在降雹前45 min(圖7b)、降雹前30 min(圖7c)云團(tuán)中心TBB 值快速下降至-40 ℃,云團(tuán)向東南移動(dòng),對(duì)流加強(qiáng)。 在降雹時(shí)刻(圖7d),云團(tuán)面積迅速膨脹,云團(tuán)中心TBB 值也進(jìn)一步降低至-55 ℃,在云團(tuán)的TBB 梯度的大值區(qū)(烏拉特中旗氣象局)產(chǎn)生降雹,說(shuō)明降雹發(fā)生在對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展旺盛階段[20]。 在降雹后1 h(圖7e),云團(tuán)向東南方向移動(dòng),烏拉特中旗氣象局上空云團(tuán)TBB 值上升到-40 ℃～-45 ℃。 在降雹后2 h(圖7f),云團(tuán)繼續(xù)向東南方向移動(dòng),烏拉特中旗氣象局上空TBB 值上升到-15 ℃～-25 ℃,此區(qū)域云團(tuán)對(duì)流減弱。

綜上,此次降雹事件中冰雹云的形態(tài)分布為自西北至東南走向,降雹點(diǎn)主要位于TBB 梯度大值區(qū),與陳英英等[25]指出的對(duì)流云團(tuán)的生長(zhǎng)中心位于TBB 低值區(qū)和陡變的溫度梯度區(qū)相對(duì)應(yīng)。

4 降雹概率分析及最大尺寸估算

2020 年7 月4 日17:40 左右烏拉特中旗氣象局地區(qū)出現(xiàn)降雹,持續(xù)時(shí)間約6 ～10 min。 研究團(tuán)隊(duì)收集到了本次冰雹過(guò)程的雷達(dá)數(shù)據(jù)、探空數(shù)據(jù)和地面觀測(cè)信息。 雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)是由臨河市CD 雷達(dá)獲取的體掃基數(shù)據(jù),雷達(dá)數(shù)據(jù)有效距離取168 km,地面觀測(cè)信息包括測(cè)雹板和地面人員降雹信息的記錄,通過(guò)冰雹掉落至測(cè)雹板造成的痕跡可以反演冰雹尺寸信息。

通過(guò)觀察當(dāng)天17:40(BJT)前后的組合反射率回波圖(圖8),可以觀察到在(108.52 °E,41.57 °N)周?chē)哂写笥?50700 dBZ的強(qiáng)回波數(shù)據(jù),說(shuō)明有較大概率存在冰雹粒子。

圖8 臨河CD 雷達(dá)2020 年7 月4 日17:33-17:48(BJT)組合反射率回波圖

利用反射率25 dBZ作為閾值回波頂高識(shí)別閾值,從圖9 可以看出,7 月4 日17:33 開(kāi)始(圖9a),烏拉特中旗氣象局出現(xiàn)頂高在8 km 以上的強(qiáng)回波。 17:38(圖9b)烏拉特中旗氣象局上空回波頂高上升至11 km以上,對(duì)流發(fā)展旺盛。 17:43(圖9c)回波頂高在13 km以上的回波范圍顯著增大,17:48(圖9d)烏拉特中旗氣象局上空回波頂高有所減弱。

圖9 臨河CD 雷達(dá)2020 年7 月4 日17:33-17:48(BJT)回波頂高回波圖

通過(guò)解碼當(dāng)天07 時(shí)探空數(shù)據(jù),當(dāng)日高空0 ℃層高度為4100 m,-20 ℃高度為7167 m,帶入上文冰雹識(shí)別算法,作為冰雹概率評(píng)估的高空數(shù)據(jù),計(jì)算冰雹概率數(shù)據(jù)POSH,繪制降雹概率>80%空間分布圖,結(jié)果如圖10 所示。

利用冰雹嚴(yán)重指數(shù)SHI 可以作為反演冰雹粒子降落能量的指標(biāo),通過(guò)式(8),可以評(píng)估每次降雹概率模型對(duì)應(yīng)的降雹粒子最大尺寸。

利用當(dāng)天17:38(BJT)雷達(dá)數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)烏拉特中旗氣象局上空出現(xiàn)57.5 dBZ的強(qiáng)回波數(shù)據(jù),回波頂高達(dá)到16.5 km。 根據(jù)式(1),可以計(jì)算出冰雹動(dòng)能E=0.338,結(jié)合0 ℃層高度信息,運(yùn)用式(6)計(jì)算出冰雹嚴(yán)重災(zāi)害的閾值參量WT = 114.75。 綜上利用式(5)得到冰雹嚴(yán)重指數(shù)SHI=419.17 J/(m2s),進(jìn)而結(jié)合式(7)獲得降雹概率信息POSH=87.57%,通過(guò)式(8)計(jì)算冰雹最大預(yù)估尺寸為2.83 cm,平均粒子尺寸為1.32 cm。 利用Witt 研究結(jié)論得出,考慮到高空墜落到地面過(guò)程冰雹的磨損和碰撞破碎過(guò)程,實(shí)際降落到地面的冰雹粒子尺寸約為估計(jì)尺寸的75%左右,此次降雹實(shí)際預(yù)估降落到地面的最大冰雹尺寸為2.12 cm,平均尺寸1.15 cm。

5 驗(yàn)證分析

5.1 地面驗(yàn)證

通過(guò)地面氣象服務(wù)人員和提前布設(shè)的測(cè)雹板,得到當(dāng)天實(shí)際發(fā)生降雹的時(shí)刻和冰雹尺寸信息。 根據(jù)地面氣象服務(wù)人員統(tǒng)計(jì),當(dāng)天17:40 左右在烏拉特中旗氣象局發(fā)生降雹(圖11),降雹顆粒最大的達(dá)到“鵪鶉蛋”大小。

通過(guò)提前布設(shè)在附近的測(cè)雹板,可以看到當(dāng)日冰雹留在測(cè)雹板上的跌落痕跡。 通過(guò)實(shí)際測(cè)試,測(cè)雹板是采用30 cm×30 cm×3 cm規(guī)格的EPS 泡沫板作為測(cè)雹板的內(nèi)芯,利用20 μm厚的錫箔紙作為測(cè)雹板的外部附著材料。 通過(guò)凹坑直徑和凹坑的坑深反演造成凹坑痕跡的冰雹粒子的沖擊能量,利用能量匹配原理反演冰雹顆粒的尺寸。

通過(guò)測(cè)量測(cè)雹板采樣,最大的采樣坑直徑為15 mm,平均粒子采樣直徑為9 mm,通過(guò)式(9)[26]可以預(yù)估當(dāng)時(shí)測(cè)雹板采樣最大粒子尺寸。

計(jì)算得出冰雹預(yù)估尺寸最大粒子為2.06 cm,平均尺寸為1.23 cm。

通過(guò)與雷達(dá)反演的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)利用測(cè)雹板測(cè)得的冰雹粒子最大尺寸要略低于利用雷達(dá)數(shù)據(jù)反演得到的降雹粒子最大尺寸,平均尺寸數(shù)值相近,這可能是由于測(cè)雹板布設(shè)的隨機(jī)性,未采樣到實(shí)際降落到地面的最大冰雹粒子。

5.2 多次數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為驗(yàn)證算法的普遍適用性,將2020 年隨機(jī)10 次降雹事件統(tǒng)一對(duì)比分析。 通過(guò)解碼每一次降雹事件的探空數(shù)據(jù),找到當(dāng)日高空0 ℃層高度與-20 ℃層高度數(shù)據(jù),作為冰雹概率評(píng)估的高空數(shù)據(jù),計(jì)算冰雹概率數(shù)據(jù)POSH。 為提高冰雹概率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,只繪制POSH>80%的預(yù)測(cè)位置。 如圖12,三角符號(hào)代表預(yù)測(cè)點(diǎn)位,五邊形代表出現(xiàn)降雹事件的測(cè)雹板布設(shè)位置。

圖12 POSH>80%冰雹預(yù)測(cè)點(diǎn)與實(shí)際降雹點(diǎn)對(duì)比圖

巴彥淖爾市2020 年10 次降雹事件的降雹時(shí)間,預(yù)測(cè)點(diǎn)地理坐標(biāo)與測(cè)雹板布設(shè)坐標(biāo)如表2 所示。 經(jīng)過(guò)計(jì)算,10 次降雹事件中預(yù)測(cè)降雹中心點(diǎn)與測(cè)雹板布設(shè)點(diǎn)平均距離差異13.25 km。

表2 巴彥淖爾市2020 年10 次降雹事件

結(jié)合ECMWF ERA5 再分析數(shù)據(jù)對(duì)巴彥淖爾市降雹時(shí)刻不同高度層進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)分析。 由圖13 可知在2020 年7 月4 日18:00(BJT)巴彥淖爾市上空300 hPa受到偏西氣流影響,最大風(fēng)速達(dá)到23.9 m/s;500 hPa受到西北氣流影響,最大風(fēng)速達(dá)到16.9 m/s;750 hPa受到西北氣流影響,最大風(fēng)速達(dá)到9.3 m/s;850 hPa受風(fēng)切變影響,最大風(fēng)速達(dá)到7.1 m/s。 風(fēng)速隨著高度的減小而減小。

圖13 2020 年7 月4 日18:00(BJT)風(fēng)場(chǎng)圖

由此可見(jiàn),冰雹下降過(guò)程中受到不同氣流影響,使得降雹位置變得難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。 同時(shí)測(cè)雹板可能未能布設(shè)在每次降雹事件的中心,使得預(yù)測(cè)降雹中心點(diǎn)位置與測(cè)雹板布設(shè)位置差異增加。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用2020 年7-9 月巴彥淖爾地區(qū)的雷達(dá)資料、探空數(shù)據(jù)、衛(wèi)星資料和地面測(cè)雹板數(shù)據(jù)進(jìn)行冰雹識(shí)別算法研究及地面驗(yàn)證分析,結(jié)果表明:

(1)根據(jù)雷達(dá)資料,實(shí)時(shí)反演降雹天氣過(guò)程,可以獲取更大的降雹天氣識(shí)別范圍,對(duì)可能發(fā)生的降雹過(guò)程有更加及時(shí)的指示作用。

(2)利用雷達(dá)資料結(jié)合探空資料提供的0 ℃層和-20 ℃層的高度信息設(shè)計(jì)的冰雹識(shí)別算法,計(jì)算雷達(dá)掃描范圍內(nèi)有較大概率發(fā)生降雹的地區(qū)范圍,通過(guò)雷達(dá)反射率可以計(jì)算目標(biāo)粒子所帶能量,進(jìn)而通過(guò)目標(biāo)區(qū)域潛在冰雹概率,實(shí)現(xiàn)降雹概率的預(yù)估。

(3)通過(guò)地面測(cè)雹板和地面氣象觀測(cè)人員驗(yàn)證,雷達(dá)數(shù)據(jù)評(píng)估降雹粒子平均尺寸有較好的估測(cè)效果。