VIL 對(duì)判別弱降雹和短時(shí)強(qiáng)降水的指示作用

陸 韜 陳俊曉 張行才 邵偉軍

(金華市氣象局,浙江金華321000)

VIL 對(duì)判別弱降雹和短時(shí)強(qiáng)降水的指示作用

陸 韜 陳俊曉 張行才 邵偉軍

(金華市氣象局,浙江金華321000)

利用2008—2009年金華CINRAD/SB雷達(dá)資料,對(duì)比分析了γ中尺度強(qiáng)對(duì)流單體中,弱降雹和短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的VIL特征及其演變。結(jié)果表明,云體移速和風(fēng)暴前傾是影響VIL值的重要因子。相鄰幾個(gè)體掃連續(xù)出現(xiàn)底層強(qiáng)回波中心與VIL大值區(qū)的位置差別可以做為判斷小冰雹的依據(jù)之一。移速慢的冰雹云在降雹前會(huì)出現(xiàn)VIL的躍增。

VIL;弱降雹;躍增

0 引 言

近年來(lái),新一代天氣雷達(dá)在全國(guó)迅速布網(wǎng),成為研究強(qiáng)對(duì)流天氣的主要工具之一,彌補(bǔ)了常規(guī)氣象觀測(cè)資料的一些局限性?；诶走_(dá)產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)雷暴、強(qiáng)降水、冰雹等局地強(qiáng)對(duì)流天氣的判別,回波強(qiáng)度是重要的因子,李玉林等總結(jié)得出冰雹云的強(qiáng)度大多數(shù)在55dBz以上的結(jié)論[1]。冰雹云的雷達(dá)回波特征有一些共性,如強(qiáng)度強(qiáng)、回波頂高度高、容易出現(xiàn)“V”形缺口、有界弱回波區(qū)(BWER)等[2],但弱降雹的特征并不明顯,不易于與短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行區(qū)分。

1971年,Greene[3]等提出了一種利用數(shù)字雷達(dá)回波資料計(jì)算的預(yù)報(bào)因子垂直累積液態(tài)含水量VIL。20世紀(jì)80年代末,VIL被廣泛地應(yīng)用在美國(guó)的WSR-88D多普勒雷達(dá)中,成為判別強(qiáng)對(duì)流天氣使用率較高的有效工具之一。近年來(lái),國(guó)內(nèi)不少學(xué)者在VIL的應(yīng)用方面也取得了不少成果。支樹(shù)林等利用VIL和VIL密度準(zhǔn)確判斷冰雹發(fā)生和降雹時(shí)間[4],劉治國(guó)等發(fā)現(xiàn)冰雹云單體VILmax存在“爆發(fā)式增長(zhǎng)及突然降低”現(xiàn)象,是區(qū)別雷雨云單體的一個(gè)重要特征[5]等等。本文搜集了2008—2009年發(fā)生在金華及周邊地區(qū)的弱降雹和短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例,利用金華新一代多普勒天氣雷達(dá)資料,詳細(xì)分析了過(guò)程中VIL的特征,以期提供一條判別二者的有效途徑。

1 垂直累積液態(tài)含水量VIL

在雷達(dá)定量測(cè)量降水中,最常用的滴譜分布為M-P(Marshall-Palmer)分布,它由不同地區(qū)、不同降水類(lèi)型和不同降水強(qiáng)度的滴譜資料統(tǒng)計(jì)而成,即

式中N0為一常數(shù),對(duì)雨N0=0.08cm-4[6]。假設(shè)云內(nèi)雨滴譜符合M-P分布,可以得到單位體積的雷達(dá)反射率因子Z和單位體積內(nèi)云和降水中液態(tài)或固態(tài)水滴的總質(zhì)量M,可將M用Z表示為:

由于雷達(dá)體積掃描資料在高度上不連續(xù),將VIL的積分形式以離散求和的方式計(jì)算:

式中,QVIL為某一確定底面積的垂直柱體內(nèi)液態(tài)水的總量(單位:kg·m-2),hb、ht分別為云體的頂部、底部高度,Zi,Zi+1,Δh,n分別為雷達(dá)體積掃描資料中相鄰2個(gè)仰角掃描的雷達(dá)反射率因子和垂直高度及資料中的仰角層數(shù)。

由此可知,VIL值與反射率因子、強(qiáng)回波的厚度、回波高度有關(guān),它們的增加都可以導(dǎo)致VIL的增加。

2 研究區(qū)域與資料說(shuō)明

本文的樣本資料為2008—2009年間,12個(gè)γ中尺度對(duì)流單體,過(guò)程最大回波強(qiáng)度基本上介于50～60dBz,包括降雹直徑≤10mm的弱降雹過(guò)程和1h雨量≥15mm的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性,冰雹最大直徑的采集來(lái)自于人工觀測(cè)站點(diǎn)或者經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象協(xié)理員,短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生地點(diǎn)為人工觀測(cè)站點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)歸納后得到表1和表2,其中T-i時(shí)次表示觀測(cè)到降雹或降雨前的第i個(gè)體掃時(shí)刻。通過(guò)VIL特征的對(duì)比,得到判別二者的一些方法。

表1 弱降雹過(guò)程VIL特征

3 VIL特征

3.1 VIL值

雷達(dá)基本反射率強(qiáng)度是在假設(shè)散射粒子符合瑞利條件下計(jì)算的,冰雹單體云雨滴譜直徑大小顯著增加,粒子的散射特性由瑞利散射轉(zhuǎn)為米散射,使得回波強(qiáng)度迅速增強(qiáng)。因此,降水粒子的大小與VIL值關(guān)系密切。雨滴的最大直徑為6mm,接近于弱降雹,對(duì)比表1、表2中各過(guò)程的VIL值,二者差別不大;而且實(shí)際觀測(cè)中無(wú)法獲取雨滴直徑大小,水滴滴譜的不確定性使得VIL有偏差,因此VIL值對(duì)判別弱降雹和強(qiáng)降水的指示意義不明顯。

3.2 底層強(qiáng)回波中心與VIL大值區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

CINRAD/SB從每個(gè)4km×4km網(wǎng)格里對(duì)M進(jìn)行垂直積分得到VIL[9]。VIL大值區(qū)對(duì)應(yīng)于網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)上下層強(qiáng)回波重疊區(qū),反映了強(qiáng)回波的厚度和位置。在弱降雹和短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中,回波厚度和上下層強(qiáng)回波中心的強(qiáng)度差別并不大[10]。因此,上下層強(qiáng)回波中心之間的距離可對(duì)反射率因子之和產(chǎn)生重要影響。影響距離的因子為移速和云體前傾程度,顯然,移速的分量更大。由于基本反射率產(chǎn)品的最高顯示分辨率為1km,當(dāng)云體移速較慢或前傾不明顯,各層強(qiáng)回波中心位置差別不大,底層強(qiáng)回波中心位于VIL大值區(qū)內(nèi)或相鄰網(wǎng)格;若云體移動(dòng)迅速或有明顯的前傾,高層強(qiáng)回波落到了前方的網(wǎng)格中,與底層的較強(qiáng)回波疊加后得到VIL大值區(qū),導(dǎo)致了底層強(qiáng)回波中心與VIL大值區(qū)位置產(chǎn)生偏差。

雷達(dá)從最低仰角到最高仰角完成掃描需要4min左右[11]。假設(shè)頂層前傾為零,移速為Skm/h,則一個(gè)體掃結(jié)束后頂層和底層的強(qiáng)回波中心相距S/15km。由于每個(gè)VIL網(wǎng)格為4km,若S大于60,則頂層強(qiáng)回波中心與底層強(qiáng)回波中心必定不在同一網(wǎng)格內(nèi);若S大于120,則頂層強(qiáng)回波中心與底層強(qiáng)回波中心至少相隔兩個(gè)網(wǎng)格(表3)。

表3 底層強(qiáng)回波中心與VIL大值區(qū)相距網(wǎng)格數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

王令等對(duì)北京地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣雷達(dá)回波特征進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn),局地暴雨的移動(dòng)速度緩慢;而冰雹、雷雨大風(fēng)等強(qiáng)天氣回波的移動(dòng)速度快[12]。在2009年發(fā)生的5次弱降雹過(guò)程中,低空西南急流提供了局地強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的強(qiáng)抬升源,低空急流與上升氣流的強(qiáng)度在一定程度上成正比,加劇了云體隨高度的前傾,有利于冰雹的形成。在相鄰幾個(gè)體掃里連續(xù)出現(xiàn)底層強(qiáng)回波中心與VIL大值區(qū)之間位置的較大差別(相距1～3個(gè)網(wǎng)格),是較強(qiáng)引導(dǎo)氣流或上升氣流存在的表現(xiàn),反映了云體隨高度前傾明顯,這是冰雹云發(fā)展的重要特征之一。

圖1 2009年2月23日舟山鎮(zhèn)降雹前一個(gè)體掃時(shí)刻,0.5°～3.4°仰角基本反射率和VIL

當(dāng)冰雹云移速較慢,底層強(qiáng)回波中心多重合于VIL大值網(wǎng)格中。如發(fā)生在義烏的降雹過(guò)程,移速僅為15km/h,強(qiáng)回波中心伸入高層并與低層疊加,強(qiáng)回波厚度大,過(guò)程VIL最大值達(dá)到了68。而永康市舟山鎮(zhèn)的弱降雹過(guò)程中,冰雹云的移速達(dá)到了100km/h左右,速度因子對(duì)VIL值起著更重要的作用,高低層強(qiáng)回波中心之間距離巨大(圖1光標(biāo)處),3.4°與0.5°仰角的強(qiáng)回波中心相距8km左右,高層強(qiáng)回波中心重疊在低層較強(qiáng)回波區(qū)之上,積分得到的VIL大值區(qū)對(duì)應(yīng)于高層強(qiáng)中心;而低層強(qiáng)中心相鄰兩個(gè)仰角掃描的雷達(dá)反射率因子之和較小,對(duì)應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)的VIL值較小,底層強(qiáng)回波中心與VIL大值區(qū)的位置存在較大差別。

資料樣本中短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)回波中心與VIL大值區(qū)對(duì)應(yīng)的均較好,除了一次過(guò)程中的一個(gè)體掃時(shí)次之外,均有較好的吻合,表明系統(tǒng)移速較慢(定義為S≤60km/h)且無(wú)明顯的前傾,可排除降雹的可能性。

3.3 VIL值的演變

從表1、表2統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),雷雨云和移速快的冰雹云,VIL值的演變具有如下共性:隨著強(qiáng)回波的發(fā)展,VIL緩慢平穩(wěn)地增長(zhǎng)。而發(fā)生在義烏的降雹過(guò)程,屬于移速慢的冰雹云,降雹前VIL最大值出現(xiàn)了“28-43-68”的跳躍性增長(zhǎng)。由于粒子在同一格點(diǎn)范圍內(nèi)不斷的碰并增長(zhǎng),反射率因子的強(qiáng)度和厚度明顯增大,出現(xiàn)了VIL的躍增,是判別冰雹形成很好的依據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)在γ中尺強(qiáng)對(duì)流單體中,云體移速和風(fēng)暴前傾是影響VIL值的重要因子。利用底層強(qiáng)回波中心與VIL大值區(qū)的位置差別可以預(yù)判小冰雹。相鄰幾個(gè)體掃連續(xù)出現(xiàn)二者位置上的差別(大于等于1個(gè)網(wǎng)格),表明上升氣流較強(qiáng),云體隨高度前傾明顯,有利于出現(xiàn)降雹。

(2)移速快的冰雹云和雷雨云,伴隨著強(qiáng)回波的發(fā)展,VIL平穩(wěn)緩慢的增長(zhǎng),沒(méi)有顯著區(qū)別。而移速緩慢的弱降雹過(guò)程中,VIL在降雹前有明顯的躍增現(xiàn)象。

(3)由于獲取的弱降雹有效資料有限,本文得出的結(jié)論有待進(jìn)一步完善。不同降水類(lèi)型的M-Z關(guān)系對(duì)VIL的反演結(jié)果是至關(guān)重要的,目前尚未被理清。另外,局地強(qiáng)對(duì)流的生命史較短,雷達(dá)產(chǎn)品無(wú)法判斷其生消,VIL的指示作用有待進(jìn)一步研究。

[1] 李玉林,楊 梅,李玉芳.夏季雷暴云雷達(dá)回波特征分析[J].氣象,2001,27(10):33-37.

[2] 付雙喜,安 林,康鳳琴,等.VIL在識(shí)別冰雹云中的應(yīng)用及估測(cè)誤差分析[J].高原氣象,2004,23(6):810-814.

[3] Greene D R, R A Clark. An indicator of exp losive developmentin severe storms [ C ]. 7 th conference or severe localstorms, Missouri. 1971.

[4] 支樹(shù)林,湯達(dá)章.一次弱降雹過(guò)程的雷達(dá)產(chǎn)品特征及識(shí)別方法[J].氣象與減災(zāi)研究,2008,31(2):36-43.

[5] 劉治國(guó),陶健紅,楊建才,等.冰雹云和雷雨云單體VIL演變特征對(duì)比分析[J].高原氣象,2008,27(6):1363 -1374.

[6] 胡明寶,高太長(zhǎng),湯達(dá)章.多普勒天氣雷達(dá)資料分析與應(yīng)用[M].北京:解放軍出版社,2000:147.

[7] 張培昌,杜秉玉,戴鐵丕.雷達(dá)氣象學(xué)[M].北京:氣象出版社,2001:11-17.

[8] Battan L. J. . Radar Observation of the Atmosphere [M ].The University of Chicago Press, 1973.

[9] 愈小鼎,姚秀萍,熊延南,等.多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用[M].北京:氣象出版社,2006:185-186.

[10] 肖 輝,吳玉霞,胡朝霞,等.旬邑地區(qū)冰雹云的早期識(shí)別及數(shù)值模擬[J].高原氣象,2002,21(2):159-166.

[11] Paul T. Schlatter. An Unusual Hailstorm on 24 June 2006inBoulder, Colorodo [ J ]. MonthlyWeather Review, 2008,136: 2813 - 2832

[12] 王 令,康玉霞,焦熱光,等.北京地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣雷達(dá)回波特征[J].氣象,2004,30(7):31-36.

2010-01-08