黔東南2012年4月10日大冰雹天氣過(guò)程雷達(dá)回波特征分析

李路長(zhǎng)，白 慧，曹凱明

(1.貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000;2.貴州省大氣探測(cè)技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽(yáng) 550002)

黔東南2012年4月10日大冰雹天氣過(guò)程雷達(dá)回波特征分析

李路長(zhǎng)1，白 慧1，曹凱明2

(1.貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000;2.貴州省大氣探測(cè)技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽(yáng) 550002)

利用三穗新一代多普勒天氣雷達(dá)對(duì)2012年4月10日發(fā)生在貴州省黔東南州的大冰雹天氣過(guò)程進(jìn)行跟蹤探測(cè)，揭示了冰雹云形成發(fā)展、成熟和消散過(guò)程的主要回波特征。結(jié)果表明，強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程由多個(gè)對(duì)流單體組成，強(qiáng)回波區(qū)的反射率因子超過(guò)65 dBz，三體散射長(zhǎng)釘?shù)姆瓷渎室蜃幼畲笾禐?1 dBz，最大長(zhǎng)度20 km;徑向速度有風(fēng)暴頂輻散特征和逆風(fēng)區(qū)存在，逆風(fēng)區(qū)存在對(duì)大冰雹的出現(xiàn)有很好的指示作用;垂直累積液態(tài)水含量出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，最大垂直累積液態(tài)水含量為56 kg·m－2;垂直風(fēng)廓線(xiàn)中風(fēng)向、風(fēng)速出現(xiàn)較大垂直切變。

新一代多普勒天氣雷達(dá);大冰雹;三體散射

1 引言

冰雹是我國(guó)分布最廣的一種對(duì)流性災(zāi)害天氣［1］。冰雹天氣的主要特征是：尺度小、強(qiáng)對(duì)流，來(lái)勢(shì)迅猛，生消迅速，并伴有短時(shí)雷電、大風(fēng)天氣。黔東南2012年4月10日大冰雹天氣過(guò)程造成黃平縣、臺(tái)江縣遭受大風(fēng)、冰雹襲擊，據(jù)臺(tái)江氣象站觀測(cè)記錄，臺(tái)江站最大風(fēng)速達(dá)10級(jí)，冰雹最大直徑達(dá)35 mm，災(zāi)區(qū)不同程度出現(xiàn)房屋被吹倒、房屋瓦片被打爛、油菜等農(nóng)作物被砸倒等情況，臺(tái)江縣城及部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電線(xiàn)路一度中斷。災(zāi)害造成7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)69個(gè)村6.3萬(wàn)人受災(zāi)，500余人緊急轉(zhuǎn)移安置，農(nóng)作物受災(zāi)面積1 000 hm2，近1 800間房屋不同程度倒損，直接經(jīng)濟(jì)損失3 200余萬(wàn)元。此次大冰雹天氣過(guò)程受高空槽、中低層切變線(xiàn)、熱低壓、地面輻合鋒生等多個(gè)系統(tǒng)影響。本文利用常規(guī)氣象資料和新一代天氣雷達(dá)資料，從天氣形勢(shì)和雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析，為以后黔東南預(yù)報(bào)和預(yù)警冰雹積累經(jīng)驗(yàn)。

2 天氣背景分析

2.1 環(huán)流形勢(shì)及影響系統(tǒng)

4月10日08時(shí)500 hPa圖上(圖略)，西太平洋副熱帶高壓588特征線(xiàn)位于海南島東部海面上，河套—重慶—貴州西北部有高空槽東移，700 hPa在四川東部有切變線(xiàn)存在，850 hPa在貴州北部有準(zhǔn)東西向橫切變，高空槽超前于700 hPa切變線(xiàn)，與高空槽配合的溫度槽南段超前于高度槽，具有前傾槽性質(zhì)，槽后偏北氣流引導(dǎo)切變線(xiàn)南下。中低層有暖舌從廣西向貴州伸展，貴州中東部地區(qū)上空500 hPa冷平流疊加在中低暖平流之上，且△T850－T500之差達(dá)24～26℃，大氣層結(jié)不穩(wěn)定。黔東南位于850 hPa西南低空急流左側(cè)動(dòng)力和水汽輻合上升區(qū)內(nèi)，周邊探空站850 hPa比濕達(dá)11～12 g/kg，700 hPa比濕達(dá)9～10 g/kg，水汽條件好。綜上所述，10日天氣形勢(shì)與溫度場(chǎng)配置以及水汽條件均有利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生。

2.2 地面輻合線(xiàn)

地面天氣圖上(圖略)，10日熱低壓發(fā)展，中心位于滇黔桂交界，黔東南處在熱低壓東北側(cè)輻合區(qū)和溫度梯度較大區(qū)域內(nèi)。10日10時(shí)，貴州中東部開(kāi)始出現(xiàn)明顯輻合線(xiàn)，貴陽(yáng)—福泉—?jiǎng)P里—?jiǎng)印熘挥跂|西向輻合線(xiàn)南側(cè);14－15時(shí)輻合線(xiàn)兩側(cè)溫度差明顯增大，溫度差達(dá)4～6℃，輻合鋒生增強(qiáng)。對(duì)流云團(tuán)生成前，甕安與福泉之間的溫度差達(dá)5℃，16時(shí)左右在福泉附近激發(fā)對(duì)流云團(tuán)生成，對(duì)流云團(tuán)沿地面輻合線(xiàn)快速發(fā)展并增強(qiáng)成強(qiáng)風(fēng)暴東移，造成黃平、臺(tái)江出現(xiàn)大冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣。

3 大冰雹的雷達(dá)回波特征分析

根據(jù)三穗雷達(dá)跟蹤監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，黔東南4月10日大冰雹天氣過(guò)程強(qiáng)風(fēng)暴于10日14時(shí)在福泉附近生成，強(qiáng)烈發(fā)展東移影響黃平重安、谷隴，臺(tái)江革一、臺(tái)盤(pán)、臺(tái)拱(城關(guān))、方召和劍河革東等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，到22時(shí)風(fēng)暴消散，歷時(shí)近8 h。

3.1 反射率因子、回波頂高、譜寬特征分析

文獻(xiàn)［2］對(duì)三體散射在業(yè)務(wù)上的應(yīng)用進(jìn)行了探討，產(chǎn)生三體散射的反射率因子區(qū)強(qiáng)度超過(guò)60 dBz，三體散射的反射率因子值＜18 dBz，長(zhǎng)度通常小于14 km;譜寬很大，可達(dá)13 m/s以上。對(duì)于C波段(5 cm)雷達(dá)，三體散射的出現(xiàn)不一定表明大冰雹的存在，在這一波段，小冰雹也可以造成三體散射現(xiàn)象。因此三體散射對(duì)識(shí)別降雹有一定的肯定作用，可在業(yè)務(wù)中用作冰雹預(yù)警的一個(gè)指標(biāo)［3］。

10日16時(shí)34分在福泉東北部有多個(gè)強(qiáng)度在15～20 dBz的分散對(duì)流泡生成，并快速發(fā)展、聚合，16時(shí)51分，對(duì)流泡合并，面積增大，中心強(qiáng)度達(dá)35～40 dBz，沿地面輻合線(xiàn)東移至福泉與黃平交界處。此回波東移速度快，且發(fā)展迅猛，17時(shí)23分風(fēng)暴中心強(qiáng)度達(dá)50 dBz，最高回波頂高達(dá)10 km，位于福泉、黃平、凱里交界;17時(shí)34分，中心強(qiáng)度達(dá)55～60 dBz，回波頂高達(dá)16.8 km，前鋒開(kāi)始影響重安，隨后風(fēng)暴移過(guò)重安并有所減弱，中心強(qiáng)度下降到50～55 dBz，4個(gè)體掃后風(fēng)暴到達(dá)重興，并快速增強(qiáng)到60 dBz以上，回波頂高達(dá)11 km;18時(shí)01分強(qiáng)風(fēng)暴影響谷隴，造成谷隴冰雹、大風(fēng)，降雹前回波強(qiáng)度達(dá)50 dBz，回波頂高14 km，降雹后，回波頂高有明顯下降，降至12 km高度;隨后風(fēng)暴朝偏東南方向移動(dòng)，折向臺(tái)江并快速加強(qiáng)，強(qiáng)回波中心值＞65 dBz，回波頂高達(dá)12 km。

18時(shí)15分風(fēng)暴開(kāi)始影響臺(tái)江西北部革一鄉(xiāng)，然后是臺(tái)盤(pán)鄉(xiāng)，18時(shí)21分在6.0°仰角上第1次出現(xiàn)三體散射長(zhǎng)釘特征，此時(shí)強(qiáng)回波中心強(qiáng)度為61 dBz，三體散射長(zhǎng)釘?shù)姆瓷渎室蜃又禐?1 dBz，長(zhǎng)度為5 km;隨著風(fēng)暴的進(jìn)一步增強(qiáng)，三體散射長(zhǎng)釘特征愈加明顯，同時(shí)在1.5°、2.4°、3.4°、4.3°4 個(gè)仰角也開(kāi)始出現(xiàn)三體散射長(zhǎng)釘特征，3.4°、4.3°2個(gè)仰角出現(xiàn)的三體散射長(zhǎng)釘?shù)姆瓷渎室蜃幼畲笾禐?1 dBz，最大長(zhǎng)度20 km。三體散射長(zhǎng)釘特征最先出現(xiàn)在高仰角，說(shuō)明此時(shí)風(fēng)暴發(fā)展旺盛，風(fēng)暴內(nèi)部已有冰雹存在;隨后三體散射長(zhǎng)釘特征出現(xiàn)在低仰角，說(shuō)明此時(shí)風(fēng)暴核中心高度開(kāi)始下降，該核經(jīng)過(guò)的地區(qū)開(kāi)始降雹。風(fēng)暴東南移掃過(guò)革一、臺(tái)盤(pán)后東移影響臺(tái)拱鎮(zhèn)(臺(tái)江縣城)，18時(shí)59分臺(tái)江城區(qū)出現(xiàn)26.8 m/s的瞬時(shí)大風(fēng)，19時(shí)02分突如奇來(lái)的冰雹從天而降，冰雹最大直徑35 mm，平均最大重量達(dá)18g，此時(shí)，回波中心強(qiáng)度＞65 dBz，回波頂高12 km，在1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°5 個(gè)仰角可以發(fā)現(xiàn)三體散射長(zhǎng)釘特征的存在，高度在2.4 km和10.0 km之間，其反射率因子最大值為21 dBz，最大長(zhǎng)度為20 km，1.5°、2.4°2個(gè)仰角的反射率因子圖還顯示出鉤狀回波的特征(圖1)。城區(qū)冰雹持續(xù)了近10 min，19時(shí)11分雹止;風(fēng)暴繼續(xù)東移影響劍河革東鎮(zhèn)，并出現(xiàn)10級(jí)以上瞬時(shí)大風(fēng)，并逐漸減弱，至19時(shí)32分風(fēng)暴消散。

圖1 2012年4月10日18時(shí)57分的基本反射率圖

分析譜寬產(chǎn)品(圖2)發(fā)現(xiàn)，三體散射長(zhǎng)釘?shù)淖V寬值與強(qiáng)回波中心譜寬值接近，將兩處的譜寬大值區(qū)連在一起，呈明顯的帶狀，在4.3°仰角這種特征最明顯，譜寬值也達(dá)到最大為10 m/s，從較大譜寬值可以分辨出三體散射長(zhǎng)釘所在的區(qū)域，輔助判斷強(qiáng)回波區(qū)域的風(fēng)暴內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈程度，譜寬值越大，風(fēng)暴內(nèi)部運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈，同時(shí)，強(qiáng)回波區(qū)域譜寬值呈現(xiàn)不均勻分布特征。分析組合反射率和反射率剖面(圖3)還發(fā)現(xiàn)，此次罕見(jiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程存在有界弱回波區(qū)(穹窿結(jié)構(gòu))，大于50 dBz回波在9 km以下，降大冰雹前，強(qiáng)核中心在3～4 km，強(qiáng)核中心出現(xiàn)明顯下降特征。

3.2 徑向速度特征分析

分析黔東南4月10日大冰雹天氣過(guò)程中基本徑向速度圖(圖4)，可以看到有明顯的三體散射特征，但整體上為朝向雷達(dá)的低速度值(在多普勒雷達(dá)基本徑向速度圖上，負(fù)速度為朝向雷達(dá)，正速度為遠(yuǎn)離雷達(dá))。由于強(qiáng)回波中心距離雷達(dá)47 km，分析風(fēng)暴頂輻散特征時(shí)用9.8°仰角徑向速度圖(圖5)，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)暴移動(dòng)方向的風(fēng)暴前沿部分風(fēng)暴頂輻散特征很明顯，該特征比三體散射特征出現(xiàn)的時(shí)間早很多，在業(yè)務(wù)中可以利用風(fēng)暴頂輻散的強(qiáng)烈程度來(lái)輔助提前預(yù)警，利用高仰角的徑向速度圖可以判別風(fēng)暴頂輻散的強(qiáng)烈程度。在10日18時(shí)57分基本徑向速度圖上，明顯的逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)在臺(tái)江縣，正速度區(qū)被負(fù)速度區(qū)包圍，正速度的極大值達(dá)到了25 m/s。逆風(fēng)區(qū)從10日18時(shí)20分左右開(kāi)始一直存在，直到降雹結(jié)束才開(kāi)始逐漸消失?！澳骘L(fēng)區(qū)”可作為冰雹天氣短時(shí)和臨近預(yù)報(bào)的重要指標(biāo)之一，但是對(duì)利用該特征來(lái)預(yù)報(bào)冰雹落區(qū)和降雹時(shí)間意義不大［4］。

3.3 垂直累積液態(tài)水含量、垂直累積液態(tài)水含量密度特征分析

垂直累積液態(tài)水含量(VIL)對(duì)判斷強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴十分有用，VIL如果遠(yuǎn)高于相應(yīng)季節(jié)對(duì)流的平均VIL值，則發(fā)生大冰雹的可能性很大。降雹前，如果VIL值出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)冰雹單體回波正在增強(qiáng)，則隨后發(fā)生大冰雹的可能性極大;降雹后，VIL值迅速減小，風(fēng)暴經(jīng)過(guò)的地區(qū)伴隨著地面大風(fēng)的產(chǎn)生［5］。黔東南4月10日大冰雹天氣過(guò)程中，對(duì)流風(fēng)暴生成階段VIL值在10 kg/m2以下，隨著風(fēng)暴的發(fā)展，VIL值也逐步增大，17時(shí)34分突然增大至35 kg/m2并維持5個(gè)體積掃描周期，18時(shí)06分VIL值開(kāi)始繼續(xù)增大且都大于45 kg/m2，在降大冰雹前3個(gè)體掃周期內(nèi)，VIL值＞50 kg/m2，降雹后VIL值立刻開(kāi)始減小(圖6)。

Amburn等［6］定義 VIL與風(fēng)暴頂高度之比為VIL密度。他們的研究表明，如果VIL密度超過(guò)4 g/m3，則會(huì)產(chǎn)生直徑超過(guò)2 cm的大冰雹。18時(shí)15—18時(shí)57分出現(xiàn)最大VIL值為56 kg/m2，對(duì)應(yīng)回波最大頂高為14 km，則VIL密度為4 g/m3，其余時(shí)次VIL密度接近4 g/m3。

圖6 2012年4月10日18時(shí)51分VIL圖和回波頂高圖

3.4 垂直風(fēng)廓線(xiàn)特征分析

文獻(xiàn)［7］指出，在出現(xiàn)強(qiáng)熱力不穩(wěn)定的層結(jié)下，風(fēng)垂直切變有助于雷暴組織成持續(xù)性強(qiáng)雷暴。分析多普勒雷達(dá)垂直風(fēng)廓線(xiàn)產(chǎn)品(VWP)的特征，計(jì)算了地面(用0.9 km高度代替)到6 km高度(用6.1 km高度代替)的垂直風(fēng)切變。4月10日過(guò)程中18時(shí)20分的垂直風(fēng)切變矢量差為14.8 m/s，下一時(shí)次該風(fēng)矢量差為17.7 m/s，垂直風(fēng)切變?cè)鰪?qiáng)為中等以上強(qiáng)度，并維持到降雹結(jié)束。圖7顯示在近地層一直存在風(fēng)切變，近地層為東北風(fēng)，風(fēng)速為6 m/s，1.2 km以上風(fēng)向由東南風(fēng)轉(zhuǎn)西南風(fēng)到偏西風(fēng)，降雹前3～4 km高度西南風(fēng)風(fēng)速達(dá)16 m/s，出現(xiàn)明顯的垂直風(fēng)切變，降雹時(shí)中低層風(fēng)速明顯減小，為6 m/s左右。低層的風(fēng)切變與地面輻合線(xiàn)一直存在相吻合。

4 小結(jié)

①高空槽、中低層切變線(xiàn)和地面熱低壓外圍輻合鋒生是4月10日黃平、臺(tái)江、劍河局地強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生的主要影響系統(tǒng)。

②此次冰雹天氣過(guò)程中雷達(dá)回波反射率因子和譜寬圖上均具有大冰雹三體散射長(zhǎng)釘特征，且反射率因子垂直剖面具有穹窿結(jié)構(gòu)特征。三體散射長(zhǎng)釘特征對(duì)于冰雹的預(yù)報(bào)有一定的指示作用。譜寬產(chǎn)品對(duì)于識(shí)別三體散射特征有一定的幫助，同時(shí)也對(duì)大冰雹的預(yù)報(bào)有一定的作用。

③風(fēng)暴頂輻散、“逆風(fēng)區(qū)”的出現(xiàn)和VIL值突增，對(duì)冰雹的發(fā)生、發(fā)展和預(yù)報(bào)具有重要的指示作用，VIL值從10 kg/m2開(kāi)始出現(xiàn)快速增大現(xiàn)象，可以提前1 h以上預(yù)報(bào)下游地區(qū)將出現(xiàn)冰雹;VIL值＞50 kg/m2可預(yù)報(bào)下游地區(qū)將馬上出現(xiàn)大冰雹，但預(yù)警時(shí)間短。

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B

1003－6598(2012)05－0023－04

2012－07－23

李路長(zhǎng)(1985—)，男，助工，主要從事雷達(dá)觀測(cè)工作。