一次中尺度冰雹天氣預(yù)警案例分析

1、一次中尺度冰雹天氣預(yù)警案例分析張玉峰，王愛玲，張文喜，王安俊，郭文遠，張啟紹，劉燕（安陽市氣象局，河南 安陽455000）摘 要：運用常規(guī)天氣圖、物理量場、新一代多普勒天氣雷達回波圖、4要素氣象自動站等相關(guān)資 料，對2010年6月17日夜里發(fā)生在安陽的一次冰雹伴隨短時強降水的強對流天氣進行中尺度天氣分析。 結(jié)果表明：高低空有利形勢的配置，地面輻合產(chǎn)生強烈上升運動，進而引發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，是這次中 尺度對流性天氣形成的直接原因。地面輻合線能準(zhǔn)確預(yù)示對流的發(fā)生地區(qū)；VIL數(shù)值曲線的突發(fā)拐點對于 說明冰雹生成過程和降落時間的精確預(yù)報有重要意義；氣旋性輻合中心就是對流最旺盛的地方，也是冰雹 最容易出

2、現(xiàn)的地點。關(guān)鍵詞：雹暴物理量場強對流地面輻合雷達產(chǎn)品引言中尺度天氣系統(tǒng)局地性強，生命史短，對流劇烈，經(jīng)常帶來暴雨、冰雹、大風(fēng)、強雷電等災(zāi)害性天氣， 危害極大，目前是天氣學(xué)研究的重要課題。尤其是200km以下中尺度因為時間、空間尺度小，數(shù)值預(yù)報網(wǎng) 格分辨率低的原因極易造成漏報，且實況案例較少，資料匱乏，預(yù)報難度大。新一代多普勒天氣雷達的業(yè) 務(wù)應(yīng)用，給我們提供更多更好的參考依據(jù)。冰雹天氣因為危害性大，是氣象工作者共同面對的難題之一， 目前國內(nèi)外也取得很大突破。Amburn1等利用VIL與回波頂高度之比定義為VIL密度，應(yīng)用于冰雹判別， 張兵研究了冰雹出現(xiàn)地區(qū)的“點”、“線”、“面”特征，付雙喜把V

3、IL作為判別冰雹的重要工具，王煒4 等利用VIL參數(shù)來預(yù)測冰雹，已經(jīng)取得不錯效果。2010年6月17日夜晚安陽市區(qū)遭受強對流天氣襲擊，安陽、湯陰、內(nèi)黃、滑縣4個市縣相繼出現(xiàn)雷 暴天氣。其中安陽觀測站在21:34開始觀測到雷電，21:41起到22:16止出現(xiàn)35分鐘降水，降水量合計8.9mm， 并于21:56到22:03出現(xiàn)8分鐘的冰雹，最大直徑13mm，22:00出現(xiàn)瞬時風(fēng)速達到12.3m/s。圖1為6月 17日降水量實況圖，4個市（縣）有多個雨量站點出現(xiàn)短時強降雨，最大降水量34.0mm。圖中黃色箭頭指 示為對流云團生成位置和移動路徑，沿途均有冰雹出現(xiàn)報告，冰雹“線”性落區(qū)特征明顯。這次強對

4、流天 氣出現(xiàn)在三夏時期，給安陽農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成一定損失。圖1 2010年6月17日降水量實況圖（單位：mm）安陽氣象臺于2010年6月17日21時50分發(fā)布雷電黃色預(yù)警信號：預(yù)計未來安陽市（縣）、湯陰、內(nèi) 黃、滑縣將發(fā)生雷電活動，部分地區(qū)有較大的風(fēng)和降水，局部地區(qū)有冰雹，可能造成災(zāi)害事故，請注意防 范?？傮w而言，預(yù)警發(fā)布較為合理，達到預(yù)警效果，但是在冰雹出現(xiàn)時間的提前量方面仍有不足，主要原 因是預(yù)警冰雹受技術(shù)及經(jīng)驗限制，為保證準(zhǔn)確率無法更早的做出預(yù)警。本文運用常規(guī)天氣圖、物理量場、 新一代多普勒天氣雷達回波圖、4要素氣象自動站等相關(guān)資料，對本次冰雹伴隨短時強降水的強對流天氣 過程進行中尺度天氣分析

5、，對其背景形勢、環(huán)境場條件、熱力一動力條件進行診斷分析，為以后中小尺度 強對流天氣，尤其是冰雹天氣的精細化預(yù)報提供參考。1天氣形勢分析1.1高空背景形勢分析通過對2010年6月17日20時中尺度系統(tǒng)進行分析，繪制中尺度綜合分析圖（圖略）。200hPa上自寧 夏河南到山東有超過40m/s的高空急流軸，在其左側(cè)有正的相對渦度，有利于對流天氣的出現(xiàn)。500hPa上 內(nèi)蒙古地區(qū)存在一低渦，中心溫度為-12C以下，自北向南沿太行山脈有一低槽，槽線自北向南位于山西中 部，溫度槽落后于高度槽，利于槽的增強。整個華北及山西北部、內(nèi)蒙中部地區(qū)為大范圍顯著降溫區(qū)，降 溫區(qū)南側(cè)、長江以北為干舌。700hPa上槽線位

6、于北京一安陽位置。850hPa上石家莊一德州有一東西方向切 變線，安陽上空有一水平方向溫度脊線，河南山東以南廣大地區(qū)為濕區(qū)，太原一濟南南部廣大地區(qū)為20C 以上高溫區(qū)。925hPa上渤海灣一安陽為切變線。地面中尺度分析，整個河南省處于30C高溫控制范圍之內(nèi)，豫北為低壓中心，另外有一條地面輻合線， 其南端位于河南濟源，北端位于山東聊城，呈西南一東北走向，長度超過500km，其南側(cè)為西南風(fēng)和南風(fēng)， 北側(cè)為東北風(fēng)，有顯著風(fēng)向輻合。豫北地區(qū)成為一單匯輻合流場，周圍地區(qū)氣流在此交匯聚集，必然形成 強烈的上升運動，3h后對流云在輻合線中段北側(cè)100km的安陽市生成。地面輻合是對流性天氣發(fā)生的觸發(fā) 機制，認

7、識到這一點對于我們將來制作精細化預(yù)報有重要意義。冷空氣從低渦中心分裂出去并南下影響我國華北廣大地區(qū)，受影響地區(qū)普遍出現(xiàn)對流性天氣。6月17 日安陽雹暴天氣就是在這樣的環(huán)流形勢背景下發(fā)生的。從地面實況看，冷空氣所到之處，整個華北平原、 山東半島多有對流性天氣發(fā)生，而黃河以南地區(qū)，未受冷空氣影響，因此當(dāng)天沒有對流性天氣出現(xiàn)。1.2探空資料分析按照冰雹形成規(guī)律，冰雹的主要生成區(qū)是在0-20C層區(qū)域，該區(qū)域也被稱做過冷水積累區(qū)。一般認 為適宜冰雹的0C層高度以600hPa為宜，因為這個高度不太高也不太低，既能保證云的發(fā)展高度有利于冰 雹生長，同時當(dāng)冰雹降落時也不會因為暖層過厚而被融化成為雨水。通常-2

8、0C層高度在400hPa附近，當(dāng) -20C層與0C層之間的厚度較小時，表明大氣在低層為暖濕氣層，高空有冷空氣侵入，層結(jié)趨于不穩(wěn)定， 有利于冰雹形成嘰T-Lnp圖可以反映探空站上空各種氣象要素垂直分布情況，由于安陽市區(qū)沒有探空站， 我們參考6月17日08時最近的鄭州、濟南探空站資料（圖略）進行分析，發(fā)現(xiàn)6月17日0C層高度基本 上在580hPa，高度4.2km，-20C高度層在400hPa左右，高度約6.8km，大氣中層不穩(wěn)定，易出現(xiàn)冰雹天 氣。物理量場診斷分析2.1水汽條件水汽通量是單位時間內(nèi)流經(jīng)某一單位面積的水汽質(zhì)量。水汽通量散度是表示輸送來的水汽集中程度的 物理量。我們分析6月17日20時

9、925hPa水汽通量散度（圖略）、比濕（圖略）和水汽通量（圖略）發(fā)現(xiàn)， 雖然安陽地區(qū)存在-30X10-7g cm-2 hPa-1 s-1的水汽通量散度，但是比濕只有10g kg-1，而水汽通量更 是只有5g cm-2 hPa-1 s-1。研究表明，強對流天氣形成暴雨以上強降水的產(chǎn)生需要有充足的水汽供給和 長時間的水汽輻合。因此即使安陽地區(qū)處于水汽輻合的中心，能夠形成強對流天氣，但是沒有充沛的水汽 供給，所以不能形成更大降水。2.2動力條件散度是指流體運動時單位體積的改變率，當(dāng)?shù)蛯由⒍葹樨摃r為輻合，高層散度為正時為輻散，有利于 天氣系統(tǒng)的發(fā)展增強。從6月17日20時散度垂直剖面圖看出（圖2），安

10、陽地區(qū)上空存在有較好配置:300hPa 高空有25X10-5 s-1正值中心，低空925hPa有-25X10-5 s-1中心。這種低層輻合、高層輻散的配置有利 于加強空氣的抽吸運動，形成安陽地區(qū)氣流的劇烈上升運動。這是最終形成強對流天氣的直接動力因素。渦度是衡量空氣質(zhì)塊旋轉(zhuǎn)強度的物理量，可以用來分析氣壓場的變化。從850hPa低空渦度場看出（圖 略），華北地區(qū)有較大渦度區(qū)，中心最大值超過20X10-5 s-1，安陽地區(qū)渦度要略小于20X10-5 s-1。上升 運動是形成強對流天氣的決定因子，從850hPa低空垂直速度場上可以看出（圖略），安陽偏東100km地區(qū) 存在-20m s-i的強上升中心

11、，安陽也出現(xiàn)很大的上升速度，插值計算約為-16m s-i。圖2 2010年6月17日20時沿115 E散度垂直剖面（單位：10-5 S-1 ） 2.3不穩(wěn)定條件K指數(shù)對于大氣穩(wěn)定度有一定指示意義。K指數(shù)表達式為：K= （T850- T500）+ Td850-（T-Td）700通常情況下，K值越大氣層越不穩(wěn)定，當(dāng)20CK0C表示氣層較穩(wěn)定，SI0C表示氣層不穩(wěn)定。一般認為SI負值越低，氣層越不穩(wěn)定，當(dāng)日SI指 數(shù)達到-2C，表明發(fā)生雷暴的可能性較大。新一代雷達產(chǎn)品分析3.1反射率因子R和液態(tài)水含量VIL從雷達回波反射率因子R圖中可以看出，21:24時起對流開始在安陽生成，安陽上空自東北向西南有4

12、 個爆米花狀對流云胞依次生成，直徑不超過10km，中心最大強度25dBz，17分鐘后到21:41時，發(fā)展成熟 開始產(chǎn)生降水，此時反射率因子強度超過50dBz，8分鐘后到21:56時開始降雹，此時反射率因子強度達到 55dBz。這時的云體發(fā)展成為類似颮線的條狀對流云帶，只是尺度要小的多，長約100km，寬約20km，中心 最大回波強度為55dBz，并維持一個準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，向東南方向移動，最后移出我市。根據(jù)天氣雷達原理，反射率因子Z等于單位體積內(nèi)所有粒子的直徑的6次方的總和，與粒子直徑和總 數(shù)目有關(guān)。云滴的直徑很小，通常小于0.1mm，所以雷達通常觀測不到云。毛毛雨直徑小于0.5mm，反射率 因子強

13、度也不超過15dBz。層狀云雨滴的直徑小于3mm，反射率因子強度也不超過35dBz。對流性降水雨滴 最大直徑約5mm，超過這個尺寸，水滴將會破裂，由于直徑偏大，反射率因子強度通常在35dBz或以上。 而當(dāng)云體內(nèi)產(chǎn)生冰雹后，因為冰雹直徑可以獲得更大尺度，后向散射能力顯著增強，可以形成更大的反射 率因子，特別是大冰雹，尤其顯著。新的冰雹算法認為當(dāng)融化層高度以上反射率因子超過45dBz時候，一 定有冰雹形成，并開始有降落到地面的可能性。垂直液態(tài)水含量VIL是指降水云體中，某一處確定底面積的垂直柱體的總含水量。垂直液態(tài)水含量與 基本反射率的強度相關(guān)，VIL方程為：M=3.44X10-3Z4/7將不同高

14、度層的M值進行垂直積分，就可以得到VIL6。當(dāng)某一高度層的反射率因子Z不變而VIL增大， 是由于雷暴云體內(nèi)橫截面上降水物的物理特征不變，對流旺盛導(dǎo)致云體獲得縱深發(fā)展，也即云體增高了， 其內(nèi)部總降水物的數(shù)量增大了。我們采用較高雷達仰角，這樣可以獲得0C層以上高度的產(chǎn)品資料，并收集不同時刻反射率因子R和 液態(tài)水含量VIL產(chǎn)品，繪制了隨時間變化曲線凡，見圖3,以求更加直觀的描述雨滴和冰雹生成的物理過程。 對比發(fā)現(xiàn)反射率因子R隨時間先線性增加到50dBz后基本穩(wěn)定的變化特點，而液態(tài)水含量VIL的值卻呈現(xiàn) 突然變化，以折線形式表現(xiàn)出來。這張圖上面有幾個重要時刻需要我們著重分析：18 21:24 21:3

15、0 21:37 21:43 21:49 21:55 22:01 22:07 22北京時間(hh:mm)含水態(tài)液o o O3 2 10 3o o O6 5 4o o o o o O 5 4 3 2 1圖3 2010年6月17日反射率因子R和液態(tài)水含量VIL時間變化圖21:18時刻，雷達開始檢測到粒子產(chǎn)生的后向散射。雷暴進入發(fā)展形成階段，反射率因子R隨后 開始以較快速度準(zhǔn)線性增長，液態(tài)水含量VIL增長十分緩慢。21:34時刻，第一聲聞雷時間，表明云頂已達-20C層高度，此時雷達觀測到0C層以上出現(xiàn)最大 反射率因子R為45dBz，說明云體內(nèi)有冰雹形成，在其后的時間里液態(tài)水含量VIL迅速增加，表明冰雹

16、在 快速增長。21:41時刻，此時開始產(chǎn)生降水，雷暴進入成熟階段，但是高層仍然以上升氣流為主，因此反射 率因子R不再增長，液態(tài)水含量VIL仍保持快速增長，說明云體內(nèi)更高高度上有冰雹在增長。21:49時刻，此時反射率因子R和液態(tài)水含量VIL的值都達到55，并停止增大，說明云體內(nèi)發(fā)展 成熟，對流旺盛，基本達到頂峰狀態(tài)。21:56時刻，即7分鐘后開始有冰雹降落到地面。由于拖曳作用，下沉氣流顯著，在4分鐘后于 22:00時刻地面記錄到12.3m/s的最大風(fēng)速。此后R和VIL都維持在5060這樣一個較高值的區(qū)間內(nèi)略有 變化，2h后隨對流云消散迅速降低。3.2徑向速度圖V圖4 2010年6月17日21:3

17、7 (a)和21:49 (b)平均徑向速度圖V從圖4 (a)可以看到21:37時，有一西南一東北向條狀的輻合區(qū)，其兩邊風(fēng)向相反，當(dāng)中將紅色、綠色區(qū)域分割開的是0速度線，也就是輻合線(見圖中黑色箭頭所指部分)，而且成S狀彎曲，因此這里為一 較大氣旋中心，說明未來這里的對流將會發(fā)展的更加旺盛。而從21:49平均徑向速度圖4(b)中可以看出， 也即12分鐘后，原本S形狀的輻合線已經(jīng)被扭曲，出現(xiàn)兩個顯著突起，說明這里出現(xiàn)了兩個小尺度的氣旋 性輻合，即圖上用黑色圓圈部位，其中北部氣旋中心因為缺少有效監(jiān)測手段，無法知道是否也有冰雹降落， 而南部氣旋中心正好出現(xiàn)在氣象觀測站上空，7分鐘后觀測記錄到有冰雹降落

18、。結(jié)論高空急流出口區(qū)的左側(cè)形成的次級環(huán)流，有助于觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，生成對流性天氣8。地面輻合是對流性天氣發(fā)生的觸發(fā)機制，地面輻合線的位置有利于我們尋找對流的生成地。當(dāng)?shù)?層輻合，高層輻散時，對流得到增強而發(fā)展。當(dāng)-20C層與0C層之間的厚度較小時，表明大氣在低層為暖濕氣層，高空有冷空氣侵入，層結(jié) 趨于不穩(wěn)定，有利于冰雹形成。VIL曲線能表明雹云中冰雹狀態(tài)：VIL曲線突然快速增大說明云體內(nèi)有冰雹生成并在增長，VIL 不再增大說明冰雹已經(jīng)增長到最大，不再增長，隨后將開始降落。認識這一點對于我們及時制作發(fā)布冰雹 天氣預(yù)警有重要意義。0C高度層以上出現(xiàn)強度45dBz的反射率因子回波，說明高層有冰雹生成。氣旋性輻合中心位置 對冰雹落區(qū)有一定預(yù)報意義。參考文獻：Amburn S A， Worlf P L. VIL density as a hail indicator J. Weather Forecasting， 1997, 12 (2)： 473-478.劉兵，戴澤軍，胡振菊，等。張家界多個例降雹過程對比分析J.氣象，2009, 35 (7)： 23-32.付雙喜，安林，康鳳琴，等.VIL在識別冰雹云中的應(yīng)用及估測誤差分析】J.高原氣象，2004， 23 (6)： 810814.王煒，賈惠珍。用雷達垂直累計液態(tài)含水量資料預(yù)測冰雹】J.氣象，2002, 28 (1)： 47-48.朱乾