貴州銅仁暴雨和冰雹雷達回波特征對比分析

陳關清，方標

（銅仁市氣象局，貴州銅仁554300）

引言

冰雹和暴雨天氣是銅仁市主要氣象災害，每年由冰雹、暴雨天氣給其當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來了不容小覷的影響和損失。近年來，隨著新一代天氣雷達網(wǎng)的不斷完善，利用雷達資料對強天氣過程的研究一直在緊張而有序進行，得出了許多有用的成果和經(jīng)驗［1-11］。如陶詩言［1］對我國暴雨進行研究指出青藏高原夏季對四川盆地的暴雨影響較大，不同的暴雨類型植根于不同的大尺度環(huán)流背景；黎云［2］等對河池市一次暴雨過程進行分析指出：較穩(wěn)定的大范圍中等強度回波能產(chǎn)生較強降水。中低層較大的垂直風場切變?yōu)閷α髟频男纬珊桶l(fā)展提供動能，利于暴雨的產(chǎn)生；方標［3］等對銅仁市2013年3月19日冰雹天氣過程進行分析，得出了銅仁市冰雹天氣過程的一些指標。但由于其運行時間較短，加之應用雷達資料對冰雹、暴雨等強天氣的監(jiān)測預報預警的研究較少，在短時臨近預報中要區(qū)分是何種類型強對流天氣，判斷未來天氣是以冰雹大風為主還是以短時強降水為主，做出精細化短時臨近預報仍是工作的難點。為此，筆者對比分析銅仁市新一代多普勒雷達全程監(jiān)測的3次典型暴雨天氣和3次典型冰雹天氣過程的常用雷達產(chǎn)品和導出產(chǎn)品，找出它們的共性與差異性，以期為銅仁市的冰雹和暴雨災害性天氣預報增加一些經(jīng)驗，從而提高短時臨近預報服務水平。

1 過程概況與說明

銅仁新一代天氣雷達架設在銅仁市碧江區(qū)川硐鎮(zhèn)揚石坡（27°49′20″N、109°13′04″E），雷達型號為CINRAD/CD，海拔高度790.6m。其探測半徑為250 m，運行時采用PPI自動體掃模式，平均每6min生成一組基數(shù)據(jù)，掃描分為14個仰角，能有效地對本區(qū)域天氣情況進行全方位監(jiān)控。本文選用2013年—2014年典型的冰雹天氣和暴雨天氣過程，其過程如表1、表2。在對兩類強對流天氣的多普勒雷達特征進行對比分析時，各種雷達產(chǎn)品的時間取強天氣開始前0.5～1h到其結束時，強度資料選取相關特征最明顯的時次。

表1 3次冰雹天氣過程簡介

表2 3次暴雨天氣過程簡介

2 雷達探測產(chǎn)品分析

2.1 基本反射率因子及剖面特征

從3次冰雹天氣過程的反射率因子來看，回波在進入銅仁市時其強度維持在45.00dBz左右，并在一段時間內(nèi)基本穩(wěn)定，在降雹前0、-10、-20℃特征溫度層面的值有增大趨勢，并且均增大至50.0dBz以上，同時-30℃層高度反射率因子接近40.0dBz。另外，冰雹云回波外形結構多呈點狀、塊狀、帶狀等特征，甚至有時候還會出現(xiàn)鉤狀、弓形回波等特殊形狀。反射率因子剖面，在銅仁市區(qū)域的0℃層回波強度至少為45.0dBz以上，即45.0 dBz回波高度超過0℃層高度且發(fā)展到對流云中上部，如果超過-20℃高度層，有可能發(fā)生大冰雹。如2013年3月19日冰雹過程反射率因子剖面圖（圖1，見彩頁），降雹前，反射率因子在0℃及以上層（如-20℃、-30℃層）強度明顯增加，50dBz的回波高度超過0℃層高度且發(fā)展到對流云中上部，且其剖面具有明顯的穹窿結構；降雹時，剖面變化不明顯，基本維持穩(wěn)定；在降雹結束前10分鐘左右，反射率因子剖面上強度、高度和穹窿結構迅速減小。

從3次暴雨天氣過程的回波演變情況來看，B1過程主要是：分散積層混合型回波在較長時間聚集穩(wěn)定、少動，呈“準靜止狀態(tài)”和列車效應，混合型降水回波中有多個對流回波柱，并且強回波核位于云體中下部；B2過程主要是：積層混合云降水回波內(nèi)部有多個尺度不等的對流回波相繼經(jīng)過暴雨發(fā)生地形成“列車效應”，從而造成持續(xù)性暴雨，而這些對流單體在較短時間內(nèi)消失造成了短時強降水；B3過程主要是：混合型降水回波的“準靜止”狀態(tài)和長時間的“列車效應”。因此，混合型層積云的不斷加強、演變發(fā)展，在相當一段時間內(nèi)的“準靜止狀態(tài)”和“列車效應”是判別暴雨在回波發(fā)展態(tài)勢的良好因子，在實際的預報中應該加以考慮，另外，這大片層狀云中有多個尺度不等的對流回波柱的混合性降水回波垂直分布結構是暴雨系統(tǒng)的典型回波特征。

2.2 徑向速度特征

張沛源［12］等在分析產(chǎn)生暴雨時其徑向速度時指出，暴雨落區(qū)通常在“逆風區(qū)”及其移動路徑附件，暴雨的中心與“逆風區(qū)”有著良好的對應關系。陳偉［13］等在研究短時強降水與“逆風區(qū)”的關系時指出，逆風區(qū)的出現(xiàn)和長時間維持為暴雨的產(chǎn)生提供了動力條件。從B1次過程的徑向速度變化來看，在銅仁雷達站15km范圍內(nèi)，有一條橫穿雷達站的S型零速度線，零速度線兩側存在著正負速度區(qū)，零速度線的南移與東退和正負速度區(qū)中心的改變能夠很好的反應此次暴雨的加強與減弱過程。B2過程其徑向速度PPI上（圖2，見彩頁），低層（0.5°）徑向速度PPI上，石阡區(qū)域存在一明顯的逆風區(qū)，中層（1.5°）徑向速度PPI上，在石阡區(qū)域存在正負速度模糊的輻合輻散共軛區(qū)域，石阡區(qū)域位于邊遠地帶，高層（2.4°）PPI圖上，石阡區(qū)域為輻散區(qū)域，這種低層輻合、高層輻散的風場配置使周圍水汽聚合抬升，有利于降水的發(fā)展加強，低層輻合線對降水回波的維持起著重要作用。而實況顯示，強降水區(qū)域位于石阡縣城及附近以北的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，石阡區(qū)域的強降水時段為此后的2小時內(nèi)，雨勢得到了迅速增強，達到了最大。而B3過程同樣存在低層有輻合高層輻散，有正負速度對等中氣旋特征。對應的實況是4日02：00—03：00銅仁石阡區(qū)域出現(xiàn)了4個中小尺度自動站的暴雨.可見暴雨落區(qū)的形成與該地區(qū)中氣旋回波的發(fā)展和作用有關。

由此，暴雨徑向速度存在低層輻合高層輻散的風場配置，有利于降水持續(xù)或加強。短時強降水發(fā)生在逆風區(qū)邊緣地帶、徑向速度輻合最大的區(qū)域。

對比A1、A2、A3三次冰雹過程可以發(fā)現(xiàn)，在降雹前，徑向速度變化范圍較大，有強烈的風向、風速輻合過程，有時還會伴隨中尺度氣旋［14］。徑向速度中存在著逆風區(qū)，是預報冰雹的較好指標之一，在實際的應用中應注意參考。

2.3 垂直液態(tài)水含量特征

方標［15］等在對銅仁市春季冰雹指標研究時指出：銅仁市區(qū)域發(fā)生冰雹時，降雹前VIL值陡增，VIL值不低于20.00kg/m2，其值越大，冰雹的直徑就越大，高垂直液態(tài)水含量維持時間越長，冰雹直徑越大，降雹范圍也越大；垂直液態(tài)水含量與冰雹有很好的對應關系。統(tǒng)計這6次天氣過程發(fā)生前到發(fā)生時的垂直液態(tài)水含量的變化（表3）可以發(fā)現(xiàn)：冰雹天氣的VIL值大于暴雨天氣，在降雹前的2—5個體掃時間內(nèi)，其VIL值會出現(xiàn)一個較為明顯的躍遷，冰雹VIL值在20Kg/m2以上，VIL最大值不低于30Kg/m2，而暴雨VIL值在暴雨前后并沒有明顯的躍遷，其值始終維持較低的水平。因此，VIL的跳變及其大值是判別冰雹較好的參考因子。

表3 銅仁市6次強對流天氣過程的VIL特征值

2.4 回波頂高特征

張秀珍［16］等在研究新疆齊齊哈爾地區(qū)的暴雨和冰雹天氣時指出：冰雹天氣回波頂高（ET）比暴雨天氣的回波頂要高許多。統(tǒng)計這6次強天氣過程（表4）可以看出：冰雹天氣的回波頂高大于暴雨回波頂高，冰雹回波頂高在9—13km之間，暴雨回波頂高為5—8km，這是因為產(chǎn)生冰雹過程時上升氣流的強度通常比產(chǎn)生暴雨時強，而暴雨的產(chǎn)生常常以水汽的水平傳輸為主。

2.5 分廓線產(chǎn)品特征

風廓線產(chǎn)品能夠較好地識別水平風垂直切邊及其變化，對研究強天氣過程的發(fā)生、發(fā)展和消亡均具有較好的指示意義［17-19］。分析3次冰雹過程的VWP產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)：A1過程，從當日20：00的VWP產(chǎn)品圖上可見（圖略），VWP從低層偏南風順時針旋轉為高層西北風，風速從低層到高層逐漸增大，高空存在速度值大于14m·s-1西北氣流，中高層偏北風風速較大，高層風速是低層的3-4倍，即低層是偏南氣流，對應暖濕氣流，逆時針旋轉轉到中高層為偏北氣流控制，對應冷平流，“下濕上干”層結條件有利于冰雹云形成。對應分析另外2次冰雹過程，其VWP均具有相似的特征。為此，VWP在冰雹過程中從低層到高層存在垂直風切變，其切變越大，出現(xiàn)冰雹的可能性越大。

分析銅仁市3次典型暴雨過程的VWP資料得出：B2過程：5月在25日03：03之前，在2.4km以下基本維持偏南風，2.4km以上全部為“ND”區(qū)域，可見低層暖濕，中高層相對冷干，且其維持穩(wěn)靜狀態(tài)。自03：08始（圖3），在8-12km高度層出現(xiàn)北風（包括西北風和東北風）方向的風向桿，高層穩(wěn)靜狀態(tài)遭到破壞，不久后，風向桿上下延生發(fā)展，其面積不斷擴大。04：03時開始與中層連接，04：19時與下層完全連接，形成較為深厚的水汽層。在強降水時，低層以西南風為主，風速隨高度的增加增大，中低層西南氣流帶來豐沛水汽，有利于形成強降水。在6km以上區(qū)域，維持著厚度為6km左右的西北大風，這個深厚的西北大風隨著時間的推移其底高降低，而降水逐漸減弱。

表4 銅仁市6次強對流天氣過程的回波頂高特征

分析B1、B3另外兩次暴雨過程，均可以看到其VWP圖像上存在西南風到西風切變，只是強度不同而已。

圖3 降水前期、發(fā)展期間VWP圖特征

3 結論

通過以上對比分析，銅仁市局地冰雹、局地暴雨在雷達回波上差異較為明顯，其差異性主要表現(xiàn)為：

（1）在反射率因子及剖面上，冰雹回波主要表現(xiàn)為較大的反射率因子強度及其較高的剖面，冰雹云回波外形結構多呈點狀、塊狀、帶狀等特征，甚至有時候還會出現(xiàn)鉤狀、弓形回波等特殊形狀；暴雨回波通常為混合型降水回波的“準靜止”狀態(tài)和長時間的“列車效應”，通?；旌闲徒邓夭ㄖ杏卸鄠€尺度不等的對流回波柱。

（2）在徑向速度上，暴雨徑向速度和冰雹徑向速度都存在逆風區(qū)等特征，短時強降水發(fā)生在逆風區(qū)邊緣地帶、徑向速度輻合最大的區(qū)域。冰雹徑向速度變化范圍較大，有強烈的風向、風速輻合過程，有時還會伴隨中尺度氣旋。

（3）冰雹回波的垂直液態(tài)水含量和回波頂高都比暴雨大，在降雹前2-5個體掃范圍內(nèi)冰雹回波的垂直液態(tài)水含量值會出現(xiàn)明顯的跳變，而暴雨回波其值比較平穩(wěn)并且維持較低數(shù)值。

（4）VWP在冰雹過程中從低層到高層存在垂直風切變，其切變越大，出現(xiàn)冰雹的可能性越大，而暴雨的西風急流風速遠小于冰雹過程。

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