2021-03-31婺源冰雹雷達(dá)回波特征分析

邱雯婷，馬中元，彭維明，王漢根 ，張曉芳

(1.江西省氣象科學(xué)研究所，南昌 330046；2.婺源縣氣象局，婺源 333200)

0 引言

冰雹災(zāi)害是中國嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，屬于強(qiáng)對流天氣類型，是縣級基層臺站綜合業(yè)務(wù)中的預(yù)報難點和重點。冰雹是指球狀或形態(tài)不規(guī)則的固態(tài)降雨。婺源冰雹每年都會出現(xiàn)，具有突發(fā)性強(qiáng)、來勢兇猛、局地性強(qiáng)等特點，但很少出現(xiàn)在婺源國家站，主要分布在鄉(xiāng)鎮(zhèn)村。由于冰雹災(zāi)害常伴隨雷暴大風(fēng)、短時強(qiáng)降水和強(qiáng)雷電現(xiàn)象，經(jīng)常造成雹災(zāi)、風(fēng)災(zāi)、城市積澇等氣象災(zāi)害，嚴(yán)重影響人們的生活與生產(chǎn)活動。因此，對婺源冰雹天氣和雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析，有助于提高婺源冰雹識別能力和監(jiān)測預(yù)警能力。

國內(nèi)不少專家學(xué)者從各個方面對冰雹天氣進(jìn)行了研究。陳鮑發(fā)[1]等研究得出局地冰雹常由超級單體回波所為，具有典型的超級單體回波特征；冰雹還發(fā)生在弓狀回波帶上強(qiáng)單體或超級單體回波上。盧秋芳[2]等研究得出冰雹發(fā)生在颮線回波帶上，并伴有短時強(qiáng)降水，冰雹回波強(qiáng)度達(dá)到65～70 dBz。劉獻(xiàn)耀[3]等研究得出冰雹和雷雨大風(fēng)有明顯的月際變化，冰雹站次峰值在3—4月，占總數(shù)的79.1%。雷雨大風(fēng)站次有2個峰值，分別在7—8月和4—5月，占總數(shù)的44.3% 和31.7%。支樹林[4]等研究得出正負(fù)閃頻數(shù)比增大時，相應(yīng)的冰雹直徑也增大，即正閃比例的變化與冰雹成長過程有較好的關(guān)聯(lián)；降雹后負(fù)閃頻數(shù)會減小，而正閃頻數(shù)會有所增大。龍余良[5]等研究得出冰雹季節(jié)變化呈單峰型，3—5月最容易出現(xiàn)冰雹，4月份最多。郭艷[6]研究得出利用TBSS預(yù)報大冰雹的時間提前量最大達(dá)到77 min，TBSS特征可以作為大冰雹的有效判據(jù)。吳楊[7]等研究得出上干下濕的典型大氣層結(jié)結(jié)構(gòu)和適宜的溫度層高度(0 ℃層高度在3.7～4.2 km，-20 ℃層高度在6.8～7.1 km)，有利于能量聚集產(chǎn)生冰雹。林琴[8]等研究得出典型的上干下濕的大氣結(jié)構(gòu)有利于產(chǎn)生降雹，孤立的對流單體合并處有利于產(chǎn)生冰雹，強(qiáng)中心可達(dá)71 dBz，中氣旋和VIL極大值區(qū)域?qū)?yīng)冰雹落區(qū)。這些研究成果，為婺源冰雹天氣的監(jiān)測預(yù)警提供了理論依據(jù)[8-10]。

文章使用常規(guī)天氣圖、婺源雨量、雷達(dá)拼圖和雷達(dá)基數(shù)據(jù)等資料，對2021-03-31婺源兩次局地性冰雹過程進(jìn)行分析，試圖總結(jié)出婺源冰雹天氣的雷達(dá)回波特征，并應(yīng)用于短臨預(yù)報和監(jiān)測預(yù)警服務(wù)之中。

1 資料來源與天氣系統(tǒng)概況

1.1 資料來源

天氣資料來源于MICAPS平臺，主要有常規(guī)天氣圖、地面要素、探空等資料；地面雨量資料來源于江西自動氣象站雨量檢索平臺；雷達(dá)拼圖資料來源于江西WebGIS雷達(dá)拼圖平臺；雷達(dá)產(chǎn)品資料來源于景德鎮(zhèn)SA天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)反演。

1.2 天氣系統(tǒng)概況

2021-03-31T08：00，500 hPa高空低槽位于湖南西部，槽前有明顯的西南急流，急流在江西西北部匯合，婺源位于匯合區(qū)附近，匯合區(qū)上空有200 hPa分流區(qū)，低層850 hPa在江西中北部及江西以東地區(qū)有明顯偏東南氣流，即伴有超低空急流存在。低層明顯偏東氣流與急流一方面將東海上空水汽輸送至江西北部上空，另一方面與西部的西南急流、北部偏東急流產(chǎn)生劇烈輻合運(yùn)動，同時在垂直方向上隨高度增加，東南風(fēng)轉(zhuǎn)西南風(fēng)形成明顯的暖平流，為對流上升運(yùn)動提供支撐。

850 hPa切變線位于湖南中部至贛北，切變線上西南風(fēng)與東南風(fēng)的劇烈輻合，是對流觸發(fā)的重要天氣系統(tǒng)。低層暖濕，850 hPa以下為飽和區(qū)，700 hPa開始變干，500 hPa湖南中部有明顯干區(qū)，隨著槽前西南急流東移，干區(qū)移至贛北、贛中上空，“上干下濕”結(jié)構(gòu)為贛北冰雹發(fā)生提供了有利條件。低層(850～925 hPa)有暖脊發(fā)展，暖脊從廣西經(jīng)湖南南部伸向贛北、贛中，低層溫度偏高，且高低空溫差大，為冰雹天氣的發(fā)生提供了熱力條件與觸發(fā)機(jī)制。

2021-03-31T08：00天氣系統(tǒng)與其他強(qiáng)對流天氣過程相比有兩點不同：一是500 hPa高空低槽一直位于湖南以西，沒有明顯東移；二是地面冷空氣還在蒙古，江南大部分地區(qū)受低壓環(huán)流影響，從廣西經(jīng)湖南至贛北為明顯地面倒槽發(fā)展。

2 冰雹雷達(dá)回波演變過程

2.1 雷達(dá)拼圖回波廓線分析

將雷達(dá)拼圖按照20 min間隔描繪出回波廓線，根據(jù)回波廓線反映回波系統(tǒng)的演變過程。2021-03-31，婺源冰雹有兩個回波系統(tǒng)：一是05：00—06：40回波短帶上超級單體回波；二是07：20—11：20回波短帶上超級單體回波。這兩個超級單體回波系統(tǒng)，都產(chǎn)生于回波短帶上的強(qiáng)單體回波，分別造成婺源縣境內(nèi)賦春、中云、紫陽(縣城)、秋口、江灣等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，出現(xiàn)不同程度的雷暴大風(fēng)和冰雹天氣(小冰雹)，并伴有較強(qiáng)雷電活動。

回波短帶上超級單體回波05：00(圖1a)，東北—西南走向的回波短帶在景德鎮(zhèn)以西和波陽一線，回波帶中段有強(qiáng)回波單體發(fā)展，中心強(qiáng)度達(dá)到60 dBz，向偏東方向移動；05：20，回波短帶上強(qiáng)回波單體發(fā)展成為超級單體回波，強(qiáng)度達(dá)到60～65 dBz，進(jìn)入樂平境內(nèi)，地面開始出現(xiàn)冰雹；05：40，超級單體回波繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)到65～70 dBz，樂平北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)較大范圍冰雹、雷暴大風(fēng)和強(qiáng)雷電天氣；06：00，超級單體回波有所減弱，強(qiáng)度達(dá)到60 dBz，開始進(jìn)入婺源南部，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)小冰雹和8級以上雷暴大風(fēng)；06：20—06：40，超級單體減弱至60 dBz以下，并從婺源南部和德興北部東移出江西。

圖1 2021-03-31回波短帶上超級單體回波演變廓線

回波短帶上超級單體回波07：20—08：00(圖1b)，在景德鎮(zhèn)以西和波陽一帶，有一條東西走向的較強(qiáng)回波短帶發(fā)展，回波強(qiáng)度為50～55 dBz，向偏東方向移動；08：20，回波進(jìn)入婺源并發(fā)展成為超級單體回波，強(qiáng)度達(dá)到55～60 dBz，此時婺源境內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)小冰雹和雷暴大風(fēng)天氣；08：40，超級單體回波繼續(xù)東移，強(qiáng)度達(dá)到55～60 dBz，婺源維持冰雹天氣；09：00，超級單體發(fā)展旺盛，中心強(qiáng)度達(dá)到60～65 dBz，并東移出婺源，進(jìn)入福建境內(nèi)；09：20—11：20，超級單體繼續(xù)發(fā)展，向偏東(110°方位)方向移動，移速達(dá)到100 km/h；影響福建的超級單體回波強(qiáng)度在10：40發(fā)展加強(qiáng)達(dá)到70～75 dBz，造成福建沿途冰雹和雷暴大風(fēng)天氣，極大風(fēng)速達(dá)9級，同時，伴有較強(qiáng)雷電天氣和短時強(qiáng)降水天氣。

由此可見，婺源冰雹回波系統(tǒng)主要是由前期回波短帶中的強(qiáng)回波單體不斷發(fā)展成為超級單體回波所致，雷達(dá)拼圖上具有典型的超級單體回波特征[11-13]。回波移動方向偏東(90°～110°)，移動速度在70～100 km/h；超級單體回波伴有冰雹、8級以上雷暴大風(fēng)、強(qiáng)雷電和短時強(qiáng)降水；超級單體生命史較長(近2～4 h)，但影響婺源的時間為30～60 min。

2.2 組合反射率CR與最強(qiáng)回波下方雨量分布

回波強(qiáng)度與雨量之間存在著很好的相關(guān)性。3月31日婺源兩次冰雹天氣過程，選取最強(qiáng)回波下方覆蓋面積中的最大10 min雨量，制作曲線圖(圖2)，可見，05：00—06：40樂平、婺源冰雹過程，組合反射率CR與雨量之間的關(guān)系呈正相關(guān)，配合較好(圖2a)。雨量隨著回波強(qiáng)度的增大而增大，回波強(qiáng)度減小雨量也減小。07：20—11：20婺源、福建冰雹過程，組合反射率CR與雨量之間相關(guān)性不是很好，部分點出現(xiàn)負(fù)相關(guān)，但整體存在回波強(qiáng)度增大雨量增大和雨量隨著回波強(qiáng)度減小而減小的關(guān)系(圖2b)。這種個別點出現(xiàn)負(fù)相關(guān)現(xiàn)象，可能與山區(qū)雨量監(jiān)測點稀少，不能正確反映回波強(qiáng)度與雨量之間的關(guān)系有關(guān)。

圖2 2021-03-31組合反射率CR(dBz)與最強(qiáng)回波下方雨量(mm)分布曲線

由此可見，組合反射率CR與對應(yīng)地面雨量呈正相關(guān)，雨量隨著回波強(qiáng)度增大而增大回波強(qiáng)度減小而減小。5 mm/10 min的雨量，CR強(qiáng)度均≥55 dBz；10 mm/10 min的雨量，CR強(qiáng)度均≥60 dBz。

3 雷達(dá)回波特征

3.1 雷達(dá)拼圖CR產(chǎn)品特征

雷達(dá)回波特征是識別冰雹回波的關(guān)鍵，尤其是在網(wǎng)頁版江西WebGIS雷達(dá)拼圖(http：//10.116.32.81)和手機(jī)版江西雷達(dá)拼圖(http：//wx.weather.cn)上，可以方便快捷地進(jìn)行冰雹回波識別。

3月31日婺源兩次冰雹回波特征表現(xiàn)為超級單體結(jié)構(gòu)，由前期回波短帶中強(qiáng)單體回波發(fā)展演變形成(圖3)。在江西WebGIS雷達(dá)拼圖上，超級單體結(jié)構(gòu)有4個特征：1)回波中心強(qiáng)度≥60 dBz的面積；2)存在≥65 dBz以上的強(qiáng)回波核；3)30～60 dBz強(qiáng)回波梯度；4)具有明顯的云砧形成的“前伸”回波結(jié)構(gòu)。這是在雷達(dá)拼圖上僅憑組合反射率CR產(chǎn)品快速識別冰雹回波的有效方法[14]。

3月31日05：50(圖3a)，江西東北部多條短帶回波發(fā)展，其中樂平與婺源之間發(fā)展成為超級單體回波，回波中心強(qiáng)度達(dá)到60～70 dBz，60 dBz回波面積≥20 km×20 km；在60 dBz回波中存有65 dBz以上的強(qiáng)回波核；30～60 dBz距離很短，最小距離≤10 km，表明強(qiáng)回波梯度很大；在超級單體回波的下風(fēng)方(東北方向)是寬廣的“前伸”回波，由于“前伸”回波中存在其他強(qiáng)回波，完整的“前伸”回波結(jié)構(gòu)沒有顯示出來。

圖3 2021-03-31婺源兩次冰雹過程江西WebGIS雷達(dá)拼圖回波特征

3月31日08：30(圖3b)，回波形態(tài)和結(jié)構(gòu)類似于圖3(a)，只是回波中心的“核”略小，強(qiáng)回波梯度略大。盡管如此，婺源不少鄉(xiāng)鎮(zhèn)仍出現(xiàn)小冰雹和8級以上雷暴大風(fēng)。福建境內(nèi)也有超級單體回波發(fā)展。

3.2 單部雷達(dá)產(chǎn)品分析

單部雷達(dá)PUP產(chǎn)品有多種，針對3月31日兩次婺源冰雹過程使用組合反射率(CR)、回波頂(ET)、垂直液態(tài)水含量(VIL)、徑向速度(V)、反射率因子垂直剖面(RHIz)和徑向速度垂直剖面(RHIv)6種常用產(chǎn)品進(jìn)行分析；中氣旋(M)和龍卷渦旋(TVS)等產(chǎn)品由于不明顯被省略。

3月31日05：51(圖4)，景德鎮(zhèn)(Z9798)SA天氣雷達(dá)觀測到超級單體回波，組合反射率CR強(qiáng)度在60～65 dBz，強(qiáng)回波面積較大(圖4a)，回波頂ET達(dá)到11 km(圖4b)，垂直液態(tài)水含量VIL達(dá)到60 kg/m2(圖4c)，徑向速度V 為-5～13 m/s(圖4d)，符合超級單體回波基本特征標(biāo)準(zhǔn)。從反射率因子垂直剖面RHIz(圖4e)上看，冰雹云回波具有傾斜性，55 dBz強(qiáng)回波頂高達(dá)到6 km，強(qiáng)回波上方出現(xiàn)旁瓣造成的虛假回波頂。徑向速度垂直剖面RHIv(圖4f)，強(qiáng)回波附近出現(xiàn)-5～13 m/s的正負(fù)“速度對”，雖然達(dá)不到中氣旋的標(biāo)準(zhǔn)，但弱切變輻合特征十分明顯。

圖4 2021-03-31T05：51 景德鎮(zhèn)SA雷達(dá)產(chǎn)品特征

3月31日08：32(圖5)，景德鎮(zhèn)(Z9798)SA天氣雷達(dá)觀測到超級單體回波，組合反射率CR強(qiáng)度在60～65 dBz，強(qiáng)回波面積較大(圖5a)，回波頂ET達(dá)到11 km(圖5b)，垂直液態(tài)水含量VIL達(dá)到60 kg/m2(圖5c)，徑向速度V為-5～13 m/s(圖5d)，符合超級單體回波基本特征標(biāo)準(zhǔn)。從反射率因子垂直剖面RHIz(圖5e)上看，冰雹云回波具有傾斜性，55 dBz強(qiáng)回波頂高接近7 km，強(qiáng)回波上方出現(xiàn)旁瓣造成的虛假回波頂。徑向速度垂直剖面RHIv(圖5f)，強(qiáng)回波附近出現(xiàn)5～27 m/s的正“速度對”，雖然沒有負(fù)速度的輻合，但在正速度區(qū)出現(xiàn)超大值速度切變特征十分明顯。

圖5 2021-03-31T08：32 景德鎮(zhèn)SA雷達(dá)產(chǎn)品特征

4 結(jié)束語

文章利用常規(guī)天氣資料和雷達(dá)回波資料，對2021-03-31婺源兩次冰雹過程進(jìn)行了分析，分析得出婺源雷暴冰雹歸根結(jié)底是產(chǎn)生強(qiáng)降水的對流單體，無論什么形態(tài)的回波系統(tǒng)，最后還是靠對流單體影響而產(chǎn)生雷暴大風(fēng)、冰雹。因此，密切監(jiān)測對流單體回波的來源和發(fā)展趨勢，是做好婺源冰雹監(jiān)測預(yù)警的關(guān)鍵。