基于CINRAD/CA雷達(dá)的2次強(qiáng)天氣對比分析

楊淑華　鞠志輝　張玉芳　秦雅娟　陳真　李臘平

摘 要：為了研究不同類型強(qiáng)對流天氣在多普勒雷達(dá)產(chǎn)品中的表現(xiàn)特征，利用山西北部大同地區(qū)CINRAD/CB波段多普勒雷達(dá)，對2012年7月5日廣靈縣冰雹和2011年7月21日左云縣短時強(qiáng)降水對比分析。結(jié)果表明：（1）冰雹天氣低層逆溫層較厚，短時暴雨逆溫層淺薄；（2）冰雹天氣強(qiáng)回波區(qū)所在高度在-20℃等溫線之上，短時暴雨在0℃層等溫線以下；（3）冰雹天氣65～60 dBz回波所在高度超過短時暴雨4～5 km左右；（4）冰雹天氣低層有弱回波區(qū)、中高層有懸垂回波；（5）中氣旋、中尺度輻合區(qū)及風(fēng)暴頂輻散是冰雹天氣的特征，深厚的濕層及急流長時間維持是短時暴雨特征；（6）冰雹天氣低層風(fēng)向順轉(zhuǎn)中層逆轉(zhuǎn)高層順轉(zhuǎn)，短時暴雨風(fēng)向整層順轉(zhuǎn)；（7）降雹過程有持續(xù)高VIL值及對應(yīng)大的梯度變化值，而短時暴雨VIL躍升量很小。

關(guān)鍵詞：冰雹；短時暴雨；多普勒雷達(dá)產(chǎn)品；對比分析

中圖分類號：P415.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 論文編號：2014-0111

0 引言

冰雹和短時強(qiáng)降水是2種不同性質(zhì)的強(qiáng)對流天氣，均由中小尺度天氣系統(tǒng)造成，由于其突發(fā)性和局地性強(qiáng)，使預(yù)報難度較大。由于對山西北部短時強(qiáng)降水和冰雹對比研究的文獻(xiàn)較少，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多。隨著多普勒雷達(dá)在短臨預(yù)報中的應(yīng)用，使得更準(zhǔn)確地監(jiān)測強(qiáng)天氣成為可能。張曉東[1]對一次大暴雨雷達(dá)回波特征進(jìn)行了分析，并做了數(shù)值模擬；彭九慧等[2]對2次冷渦天氣的多普勒雷達(dá)資料進(jìn)行對比分析；沈永生等[3]對雨雪冰凍天氣的多普勒雷達(dá)特征進(jìn)行分析；居麗玲等[4]將雷電監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)數(shù)據(jù)與多普勒雷達(dá)特征進(jìn)行綜合分析，研究閃電的多普勒雷達(dá)特征；梁紅等[5]對沈陽一次局地大暴雨過程中逆風(fēng)區(qū)的回波演變進(jìn)行研究；刁秀廣等[6]對下?lián)舯┝骼走_(dá)回波特征進(jìn)行分析；趙武等[7]對安陽出現(xiàn)的一次對流天氣的多普勒雷達(dá)回波進(jìn)行研究；江玉華等[8]對重慶地區(qū)一次出現(xiàn)冰雹的超級單體風(fēng)暴多普勒雷達(dá)回波進(jìn)行分析；金飛勝等[9]對黃山地區(qū)一次早春多單體冰雹進(jìn)行研究。

因此，筆者選取山西北部2012年最嚴(yán)重的一次冰雹過程和2011年出現(xiàn)的有氣象記錄以來最強(qiáng)的一次短時強(qiáng)降水過程在CINRAD/CA上的特征進(jìn)行對比分析，以期找出2類天氣的異同點(diǎn)，為今后短臨天氣預(yù)報提供參考。

1 天氣背景分析

1.1 實(shí)況概述

由圖1（a）可見，2011年7月21日17：00山西省左云縣境內(nèi)突降短時強(qiáng)降水，降水持續(xù)3 h，小時雨強(qiáng)34.3 mm，總降水量達(dá)69.7 mm。由圖1（b）可見，2012年7月5日19：00—22：00山西省廣靈縣出現(xiàn)短時強(qiáng)降水天氣，小時雨強(qiáng)14.7 mm，19：41—19：50壺泉鎮(zhèn)、斗泉鄉(xiāng)、蕉山鄉(xiāng)、加斗鄉(xiāng)、宜興鄉(xiāng)、作疃鄉(xiāng)、梁莊鄉(xiāng)還遭受冰雹大風(fēng)襲擊，冰雹直徑10 mm，瞬時最大風(fēng)速達(dá)17.9 m/s。

1.2 環(huán)流形勢和系統(tǒng)配置比較

由圖2（a～b）可見，2次強(qiáng)對流天氣具有相似的高空環(huán)流形勢，即500 hPa均為2槽1脊型，不同點(diǎn)是7月5日的環(huán)流經(jīng)向度比7月21日大，且有東北冷渦存在，大同位于冷渦底部；而7月21日的環(huán)流較平直，有小的西風(fēng)槽擾動，大同位于冷槽底部，西南氣流相對強(qiáng)盛。地面圖上（見圖2c～d）兩者均受黃河氣旋控制，但前一次過程氣旋中心偏東偏北，中心強(qiáng)度為995 hPa，后一次過程氣旋中心偏西偏南，且中心強(qiáng)度為990 hPa。

圖3是2011年7月21日高空綜合分析圖（a）和2012年7月5日高空綜合分析圖（b）。2種天氣不同點(diǎn)是：7月21日強(qiáng)降水天氣在850 hPa圖上低空急流為10 m/s，指示有弱的對流活動，700 hPa圖上無干冷空氣侵入，強(qiáng)降水落區(qū)在850 hPa輻合區(qū)上、500 hPa冷槽前部；7月5日冰雹天氣在850 hPa圖上低空急流達(dá) 22 m/s，指示有強(qiáng)的對流活動[10]，700 hPa上有干冷空氣侵入，風(fēng)從干區(qū)吹向濕區(qū)，與干線交角小于40℃，風(fēng)速8 m/s，指示中等強(qiáng)度對流活動[11]，冰雹落區(qū)在850 hPa輻合區(qū)東部、500 hPa冷槽之上。

相同點(diǎn)：溫度脊都在最大濕區(qū)以西，指示強(qiáng)對流活動[12]。

1.3 層結(jié)穩(wěn)定度對比分析

產(chǎn)生對流天氣的另一個重要因素是大氣垂直穩(wěn)定度。由于大同站無探空觀測，因此采用上游地區(qū)的內(nèi)蒙古東勝探空資料來分析。由圖4（a～b）可見，層結(jié)為下濕暖濕、中上層500 hPa高度附近相當(dāng)干冷，且圖4（a）上存在逆溫，這些都是出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣的典型特征。圖4（b）上雖然也有逆溫但厚度較薄，對強(qiáng)對流爆發(fā)貢獻(xiàn)不大。從風(fēng)場垂直分布情況來看，2012年7月5日（見圖4（a））風(fēng)場表現(xiàn)為低層為西南風(fēng)，到了700 hPa高度后順轉(zhuǎn)為西風(fēng)，并且風(fēng)速加大為12 m/s，到了400 hPa高度順轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)速14 m/s，即從低層到400 hPa高度之間為暖平流，且出現(xiàn)低空急流，表明暖濕氣流在當(dāng)?shù)赜休^強(qiáng)的輻合，為冰雹天氣提供充足的水汽和動力條件。到300 hPa風(fēng)向開始逆轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，表明該層有冷空氣侵入，這種冷空氣疊加在暖濕氣流之上的配置為強(qiáng)對流天氣的產(chǎn)生提供了不穩(wěn)定條件。2011年7月21日（見圖4（b））風(fēng)場表現(xiàn)為低層為東北風(fēng)，到了700 hPa高度后順轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)速為4 m/s，到了500 hPa高度風(fēng)向仍為西北風(fēng)，風(fēng)速為8 m/s，表明低層沒有出現(xiàn)急流。從整層風(fēng)場看低層為暖平流，到了中高層也沒有出現(xiàn)冷平流，因此2011年7月21日只產(chǎn)生短時強(qiáng)降水而無冰雹、大風(fēng)。由圖4（c～d）可見，訂正后的對流有效位能CAPE值顯著增加，產(chǎn)生冰雹的對流有效位能比只產(chǎn)生暴雨的對流有效位能大453 J/kg，表示潛在不穩(wěn)定能量更強(qiáng)。

由圖5（a）可見，7月5日冰雹天氣在低層850 hPa溫度露點(diǎn)差在4℃左右，中高層500～700 hPa溫度露點(diǎn)差均大于16℃，為顯著干區(qū)，這種下濕上干的結(jié)構(gòu)為強(qiáng)對流天氣的產(chǎn)生提供不穩(wěn)定能量。由圖5（b）可見，2011年7月21日暴雨天氣在低層850 hPa到高層500 hPa溫度露點(diǎn)差均在在4℃，表明整層為濕層，這種較厚的濕層為暴雨天氣的產(chǎn)生提供充足的水汽。

2 多普勒雷達(dá)產(chǎn)品對比分析

2.1 基本反射率因子（R）及其剖面（RCS）產(chǎn)品分析

由圖6（a）可知，低層入流區(qū)對應(yīng)風(fēng)暴前沿，即東南方向，風(fēng)暴高反射率因子區(qū)從低層到高層向入流一側(cè)傾斜，反映出低層弱回波區(qū)和中高層的懸垂回波結(jié)構(gòu)，并且風(fēng)暴頂位于低層高反射率梯度之上。由相應(yīng)的垂直剖面圖（見圖6（b））可見，低層具有寬廣的弱回波區(qū)（WER）及左側(cè)回波墻、高層具有高懸反射率核。65 dBZ回波所在高度超過8 km；60 dBZ回波所在高度接近9 km。由俞小鼎等[13]研究可知，判斷大冰雹的方法是根據(jù)相對于0℃和-20℃層等溫線的位置，強(qiáng)回波區(qū)必須擴(kuò)展到0℃層等溫線以上才能產(chǎn)生冰雹，當(dāng)強(qiáng)回波區(qū)擴(kuò)展到-20℃層高度以上時，對強(qiáng)降雹的潛勢貢獻(xiàn)最大。由圖6（a）可見，當(dāng)日大同0℃層所在高度大約在4346 m，-20℃層所在高度大約7571 m?？梢?0 dBZ回波所在高度超過-20℃層大約1400 m。在徑向速度剖面圖上，2 km左右高度上有強(qiáng)的輻合區(qū)、8 km以上存在風(fēng)暴頂輻散。從當(dāng)日回波強(qiáng)度、形狀和強(qiáng)回波區(qū)所在高度來看，都可以判斷是雹暴回波。

由圖7（a）可知，低層入流區(qū)對應(yīng)弓形回波后側(cè)，即西北方向，風(fēng)暴高反射率因子區(qū)從低層到高層沒有發(fā)生傾斜，說明從低層到高層無弱回波區(qū)和懸垂結(jié)構(gòu)。由相應(yīng)的垂直剖面圖（見圖7（b））可見，此回波低層無弱回波區(qū)（WER），但左側(cè)有回波墻層具有回波懸垂。65 dBZ回波高度在4 km以下；60 dBZ回波所在高度在5k m左右。從當(dāng)天的探空資料可知大同0℃層等溫線高度4251 m，-20℃層高度為7784 m，65 dBZ回波高度在0℃等溫線高度以下，更未超過-20℃層高度，這是未產(chǎn)生冰雹主要原因。由于其回波頂高接近11 km加上較長的持續(xù)時間是產(chǎn)生短時強(qiáng)降水的主要原因。徑向速度剖面圖上，沒有強(qiáng)的垂直風(fēng)切變及風(fēng)暴頂輻散也是降水維持時間較短的原因之一，也可以作為無冰雹的一個判據(jù)。

2.2 風(fēng)暴相對徑向速度（SRM）產(chǎn)品分析

對弱切變及中氣旋的判斷均按照俞小鼎等[14]《多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用》中制定的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。圖8是2012年7月5日19：22風(fēng)暴單體成熟階段2.5°—6.0°仰角風(fēng)暴相對徑向速度圖?？梢?.4°仰角上渦旋中心在（114°，71km），核區(qū)直徑1.6 km，最大平均轉(zhuǎn)速為17 m/s，為弱中氣旋。3.4°仰角上渦旋中心在（114°， 72 km），核區(qū)直徑2.6 km，最大平均轉(zhuǎn)速為16 m/s，為弱中氣旋。4.3°～6.0°仰角上沒有中氣旋，但有中尺度輻合線，6.0°仰角上有風(fēng)暴頂輻散。由分析可見，中氣旋、中尺度輻合及風(fēng)暴頂輻散是廣靈地區(qū)降雹的主要原因。

圖9是2011年7月21日17：50風(fēng)暴單體成熟階段0.5°—6.0°仰角風(fēng)暴相對徑向速度圖?？梢?.5°—2.4°仰角上有中尺度輻合線，2.4°仰角上有1個直徑0.9 km中尺度渦旋，旋轉(zhuǎn)速度18 m/s，但只維持1個體掃，沒有達(dá)到中氣旋標(biāo)準(zhǔn)。3.4°—4.3°仰角上有逆風(fēng)區(qū)特征，表明存在垂直風(fēng)切變及強(qiáng)輻合，預(yù)示著降水增強(qiáng)。另外，0.5°—4.3°仰角上有12 m/s的西南急流，且維持了80 min以上。由于低層輻合及急流長時間維持為短時強(qiáng)降水的產(chǎn)生輸送了充足的水汽和足夠的動力條件。

2.3 垂直液態(tài)含水量（VIL）對比分析

垂直液態(tài)含水量的定義為云底上部單位面積上的可降水量[15]。圖10（a）為2012年7月5日降雹前后垂直液態(tài)含水量隨時間演變圖。19：22風(fēng)暴單體成熟時VIL值為48 km/m2，19：34 VIL值增大到53 km/m2，19：47降雹時VIL值陡降到38 km/m2，差值為15 m/m2，降雹后VIL值為23 km/m2，降雹前后VIL值從53 km/m2降為23 km/m2，下降了30 km/m2。圖10（b）為2011年7月21日短時強(qiáng)降水前后垂直液態(tài)含水量隨時間演變圖，降水開始時VIL值為38 km/m2，降水最強(qiáng)時VIL值為43 km/m2，整個降水過程只有5 km/m2的躍升量。由此可知，降雹過程VIL對應(yīng)大的梯度變化值，而短時強(qiáng)降水沒有這個特征。

2.4 風(fēng)廓線產(chǎn)品（VWP）對比分析

由圖11可見，冰雹天氣的VWP（見圖11（a））特征為濕層淺薄，2.7 km以下風(fēng)向順轉(zhuǎn)，風(fēng)速隨高度遞增，中層風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，高層風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，中高層非常干燥，這種下濕上干的形式有利于對流天氣的加強(qiáng)發(fā)展。短時強(qiáng)降水的VWP（見圖11（b））特征為從低層到中層均為西南氣流，中層到高層為西北氣流，風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流。這種深厚的濕層為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了充足的水汽。二者顯著的區(qū)別是冰雹天氣中層有干冷空氣侵入，短時強(qiáng)降水整層都為暖平流。

3 結(jié)論

（1）冰雹和短時強(qiáng)降水風(fēng)暴的顯著區(qū)別是冰雹風(fēng)暴單體有典型的弱回波區(qū)和懸垂回波結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)同時表征了中氣旋的存在，正是由于中氣旋造成了冰雹、大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。

（2）風(fēng)暴單體內(nèi)部2 km左右存在輻合區(qū)及中氣旋，降雹前垂直積分液態(tài)水含量在48 kg/m2以上并出現(xiàn)躍增現(xiàn)象有利于產(chǎn)生冰雹和大風(fēng)天氣。

（3）垂直風(fēng)廓線反映了不同高度的風(fēng)垂直切變、冷暖平流以及輻合輻散情況，它對強(qiáng)對流預(yù)報有很好的指示意義。冰雹過程濕層淺薄中層有干冷空氣侵入，短時強(qiáng)降水濕層較厚，且整層都為暖平流。

4 討論

（1）本研究只選取了2次過程進(jìn)行對比分析，因而對于風(fēng)暴單體內(nèi)部更多的結(jié)構(gòu)特征有待于進(jìn)一步研究；得出的結(jié)論可以作為參考但不能作為閾值，應(yīng)對更多的個例進(jìn)行研究，從而得出有指導(dǎo)意義的閾值。

（2）本研究基于CINRAD/CA波段多普勒雷達(dá)，得出的結(jié)論對于其他波段多普勒雷達(dá)的應(yīng)用有待推敲、商榷。

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