黑龍江省一次降雹過程的多尺度分析

鄭　凱，張　微（黑龍江省人工影響天氣辦公室，黑龍江哈爾濱150030）

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黑龍江省一次降雹過程的多尺度分析

鄭凱，張微
（黑龍江省人工影響天氣辦公室，黑龍江哈爾濱150030）

摘要：本文選取2015年6月20日一次冰雹過程，對(duì)這次降雹過程進(jìn)行多尺度的分析，分析了降雹的成因及各物理量的特征，研究表明：冷暖空氣交匯是導(dǎo)致這次降雹的主要原因，此次降雹雷達(dá)回波具有較典型的冰雹云回波特征，研究垂直累積液態(tài)水發(fā)現(xiàn)，在降雹前垂直累積液態(tài)水（VIL）值發(fā)生了躍增，最大值達(dá)到50-60 kg/m2，隨著降雹的發(fā)生出現(xiàn)了躍減，下降幅度達(dá)30-40 kg/m2，降雹后緩慢降低至10 kg/m2以下。

關(guān)鍵詞：冰雹;多尺度分析;垂直累積液態(tài)水含量（VIL）

1　引言

冰雹災(zāi)害是由強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)引起的一種強(qiáng)烈的氣象災(zāi)害，它出現(xiàn)的范圍較小，生命史比較短，但來勢(shì)兇猛、強(qiáng)度大，并常常伴有狂風(fēng)、強(qiáng)降水、急劇降溫等災(zāi)害性天氣過程。黑龍江省地形復(fù)雜，特定的地理環(huán)境條件造成了冰雹災(zāi)害天氣的頻繁發(fā)生[1]。2015年中央臺(tái)監(jiān)測(cè)顯示出現(xiàn)冰雹日為24 d，且6月份出現(xiàn)冰雹次數(shù)最多，為11 d占總天數(shù)的45.8%，與歷史統(tǒng)計(jì)的冰雹月際變化是一致的。而6月份正值黑龍江省農(nóng)作物的生長(zhǎng)關(guān)鍵期，因此對(duì)冰雹預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)及預(yù)防是極為重要的。本文選取6月份一次較典型的冰雹個(gè)例，對(duì)這次冰雹過程進(jìn)行多尺度的分析，從大尺度天氣形勢(shì)到中尺度分析，再到小尺度雷達(dá)觀測(cè)等分析了這次降雹成因及其特點(diǎn)，為黑龍江省進(jìn)一步研究冰雹發(fā)生及人工防雹提供一定的科學(xué)依據(jù)。

2　天氣背景及降雹實(shí)況

受脊前冷空氣不斷下滑的影響，2015年6月20 日15時(shí)-15時(shí)02分在雙鴨山市寶清縣境內(nèi)出現(xiàn)了一次降雹過程，冰雹的直徑為5-10 mm，降雹時(shí)間較短、范圍較小，未給附近農(nóng)作物帶來危害。由觀測(cè)降雹時(shí)段內(nèi)6 h雨量可知，在14-20時(shí)6 h降水量為22 mm，降雹同時(shí)并伴有短時(shí)強(qiáng)降水和大風(fēng)天氣。

3　降雹日中尺度分析

圖1　2015年6月20日08時(shí)高空中分析圖

圖2　2015年6月20日14時(shí)地面中分析圖

圖1為08時(shí)高空實(shí)況中分析圖，可以看到黑龍江省大部地區(qū)受暖脊控制，低層濕度條件較差，中高層黑龍江省東北部地區(qū)濕度條件較好，同時(shí)在東北方向有一股冷空氣不斷下滑影響東北部地區(qū)，冷暖空氣在東北部地區(qū)出現(xiàn)了交匯。圖2為14時(shí)地面實(shí)況中分析圖，從圖中可以看到，14時(shí)地面濕度條件較差，在黑龍江省偏東部地區(qū)出現(xiàn)了輻合線，存在一定的動(dòng)力條件，從天氣現(xiàn)象分布也可以看到在輻合線附近地區(qū)出現(xiàn)了陣雨天氣。綜合分析，影響此次降雹的條件主要是熱力條件，中高層的冷濕空氣與低層暖空氣的交匯促發(fā)對(duì)流的形成，是這次產(chǎn)生降雹的主要原因。

4　衛(wèi)星云圖分析

由12-17時(shí)衛(wèi)星紅外云圖（圖略）可知：正午時(shí)黑龍江省東部地區(qū)已有零散云分布，云頂高度較低。13時(shí)位于黑龍江省東北角的云團(tuán)迅速發(fā)展，云頂變高，且云團(tuán)水平尺度也有所增加，14時(shí)云團(tuán)進(jìn)一步發(fā)展，云頂繼續(xù)增高且云團(tuán)水平尺度迅速增大，達(dá)到50-80 km，云團(tuán)呈較規(guī)則的橢圓形，15時(shí)云團(tuán)已經(jīng)達(dá)到成熟時(shí)期，云團(tuán)水平范圍較之前有所擴(kuò)大，但已呈不規(guī)則形狀，并且可以看到局部云頂高度較之前也有所下降，16時(shí)云團(tuán)水平尺度變小，云頂高度也隨之變低，此時(shí)云團(tuán)已處于消散階段，17時(shí)之前對(duì)流云團(tuán)已經(jīng)基本消散。從12-17時(shí)云團(tuán)的移動(dòng)變化可以看到：13-14時(shí)為云團(tuán)的發(fā)展階段，此階段云團(tuán)水平尺度不斷擴(kuò)大，同時(shí)云頂高度不斷增高；15時(shí)云團(tuán)為成熟階段，此時(shí)云團(tuán)發(fā)展已達(dá)到頂峰時(shí)期，而后云團(tuán)開始減弱；在整個(gè)過程中云團(tuán)整體不斷向東南方向移動(dòng)，移動(dòng)速度約為20 km/h。利用衛(wèi)星資料反演得到云頂高度（圖略），在對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展階段，發(fā)展初期云頂高度在8-10 km，到15時(shí)云頂高度可達(dá)到12-14 km，隨著冰雹的降落即15時(shí)以后云團(tuán)逐漸減弱，云頂高度也隨之降低，16時(shí)云團(tuán)云頂高度最大值在9-10 km，隨后17時(shí)云頂高度最大值為7-8 km，隨著云團(tuán)逐漸減弱云頂高度也隨之降低。

圖3　2015年6月20日15:00時(shí)冰雹云雷達(dá)回波PPI與RHI（單位:dBz）

5　雷達(dá)資料分析

5.1雷達(dá)組合反射率特征分析

14時(shí)43分對(duì)流云云帶由許多小的對(duì)流單體組成，隨著時(shí)間推移小的對(duì)流單體開始合并，14時(shí)54分合并成一個(gè)較大的對(duì)流云團(tuán)，而后繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng)，從14時(shí)54分-15時(shí)的雷達(dá)回波（圖略）可以看到，此階段對(duì)流云團(tuán)形狀較為規(guī)則，回波較強(qiáng)，強(qiáng)回波中心（＞45 dBz）范圍在10-20 km，最大回波值達(dá)到60-65 dBz，15時(shí)后強(qiáng)回波開始減弱，強(qiáng)回波范圍也逐漸縮小，從15時(shí)05分可以看到此時(shí)強(qiáng)回波范圍有所減小，回波最大值也降低至55-60 dBz，隨著降雹的發(fā)生雷達(dá)回波也有所減弱。

5.2雷達(dá)回波垂直剖面特征分析

為了進(jìn)一步研究冰雹云的結(jié)構(gòu)特征，選取對(duì)流云發(fā)展最旺盛的時(shí)刻進(jìn)行剖面分析，前面云圖分析已知對(duì)流云帶沿著東南方向移動(dòng)，為了更好分析冰雹云結(jié)構(gòu)特征，沿著云帶移動(dòng)方向及垂直于云帶移動(dòng)方向各作一剖面，剖線位置如圖3(a)所示。圖3(b)為沿直線AB向的剖面，可以看到強(qiáng)回波（＞45 dBz）高度已經(jīng)達(dá)到9 km，強(qiáng)中心超過了60 dBz，且強(qiáng)中心處于中空（強(qiáng)中心不接地）。圖3(c)為沿直線CD向的剖面圖，可以看到沿著垂直于云帶移動(dòng)方向強(qiáng)回波高度（＞45 dBz）也已經(jīng)達(dá)到9 km，強(qiáng)中心＞60 dBz且處于中空，同時(shí)可以看到強(qiáng)回波（＞55 dBz）的區(qū)域發(fā)生了傾斜，向西南方向傾斜，此時(shí)也是對(duì)流發(fā)展的成熟時(shí)期，而后出現(xiàn)了降雹。從雷達(dá)回波的PPI、RHI分析可得，這次降雹冰雹云具有較典型的冰雹云雷達(dá)回波特征[2]。

5.3垂直累積液態(tài)水（VIL）分布

垂直累積液態(tài)水含量(Vertically Integrated Liquid water, VIL)作為一種新的預(yù)報(bào)因子最早由Greeneet al.[3]提出。20世紀(jì)80年代以后，VIL已經(jīng)成為美國(guó)天氣雷達(dá)判別強(qiáng)對(duì)流天氣造成的暴雨、暴雪和冰雹等災(zāi)害性天氣的一種有效工具[4]。

在降雹前后垂直累積液態(tài)水分布發(fā)生了明顯的變化，從14時(shí)43分可以看到對(duì)流云之前是有許多小的單體組成，隨著時(shí)間單體逐漸合并并發(fā)展，15時(shí)發(fā)展到最強(qiáng)盛時(shí)期，垂直累積液態(tài)水達(dá)到峰值，約為50-60 kg/ m2，降雹后急劇下降，下降至20 kg/m2左右，下降幅度達(dá)30-40 kg/m2，而后開始緩慢下降，降低至10 kg/m2以下?？偨Y(jié)垂直累積液態(tài)水的變化可得：在降雹前垂直累積液態(tài)水（VIL）不斷增加，在降雹前出現(xiàn)躍增達(dá)到峰值，降雹開始時(shí)間與VIL下降時(shí)間基本一致，隨著降雹的發(fā)生，VIL急劇下降，下降幅度較大，降雹后逐漸減小。

本次研究發(fā)現(xiàn)降雹前后垂直累積過冷水變化存在一定的規(guī)律性，國(guó)內(nèi)也有一些人把VIL作為判別冰雹的工具之一[5-6]。但本次研究只是一個(gè)個(gè)例，不具備普遍適用性，因此對(duì)于VIL的研究和應(yīng)用仍需進(jìn)一步的努力，這對(duì)冰雹天氣的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)以及對(duì)冰暴災(zāi)害的防御有重要指導(dǎo)意義。

6　結(jié)論與討論

（1）影響此次降雹的條件主要是熱力條件，中高層的冷濕空氣與低層暖空氣的交匯促發(fā)對(duì)流的形成，是這次產(chǎn)生降雹的主要原因，但由于動(dòng)力、濕度條件一般，因此降雹范圍較小，持續(xù)時(shí)間較短，未帶來農(nóng)業(yè)災(zāi)害。

（2）分析云圖資料可知：冰雹云發(fā)展、成熟期云頂較高，可達(dá)到12-14 km，隨著降雹的發(fā)生，云頂高度開始下降。

（3）此次降雹，雷達(dá)回波顯示最強(qiáng)回波值達(dá)60-65 dBz，強(qiáng)回波頂高達(dá)到9 km，且強(qiáng)中心處于中空（強(qiáng)中心不接地），具有較典型的冰雹云回波特征。

（4）在降雹前垂直累積液態(tài)水（VIL）不斷增加，在降雹前出現(xiàn)躍增達(dá)到峰值，為50-60 kg/m2，隨著降雹的發(fā)生，垂直累積液態(tài)水含量（VIL）急劇下降，下降幅度達(dá)30-40 kg/m2，降雹后逐漸減小。

（5）本次研究發(fā)現(xiàn)降雹前后垂直累積過冷水變化存在一定的規(guī)律性，但本次研究只一個(gè)個(gè)例，不具備普遍適用性，因此對(duì)于VIL的研究和應(yīng)用仍需進(jìn)一步的努力，這對(duì)冰雹天氣的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)以及對(duì)冰暴災(zāi)害的防御有重要指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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第一作者簡(jiǎn)介：鄭凱（1960-），男，福建省福州市人，解放軍防空兵指揮學(xué)院，本科生，高級(jí)工程師.

收稿日期：2016－1－1

文章編號(hào)：1002－252X(2016)01－0025－03

中圖分類號(hào)：P458.1+21.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A