劉曉初+李瀟瀟
摘 要:該文利用常規(guī)觀測(cè)資料、天氣雷達(dá)資料和災(zāi)情評(píng)估資料,對(duì)2005—2016年大連地區(qū)的23次冰雹過程進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明:(1)大連地區(qū)冰雹天氣發(fā)生在6月的比例占61%,發(fā)生在下午到傍晚時(shí)段的比例占65%,落區(qū)為北部地區(qū)占79%,強(qiáng)冰雹過程占57%;(2)天氣尺度影響系統(tǒng)中,東北冷渦占57%,西風(fēng)槽占39%;(3)0℃層高度、-20℃層高度、 850hPa與500hPa溫差、700hPa與500hPa溫差、500hPa溫度露點(diǎn)差、850hPa溫度露點(diǎn)差綜合分析能夠較好地指示冰雹天氣;(4)H40dBZ-H0、H40dBZ-H-20、VIL最大值、DVIL等雷達(dá)參量特征值能夠作為冰雹識(shí)別指標(biāo)。
關(guān)鍵詞:大連地區(qū);冰雹過程;強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警
中圖分類號(hào) P457 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731(2017)02-03-0088-05
Abstract:This paper examines 23 hail events occurred in Dalian area during 2005—2016 by using conventional observation data,weather radar data and weather-related disaster reports. The results indicate:(1)61% of all cases occurred in June. 65% of all cases occurred during afternoon and dark. 79% of all impact regions are northern area. Severe hail cases account for 57% of all cases.(2)Of all the synoptic systems associated,cold vortex over northeast China accounts for 57%,westerly trough accounts for 39%.(3)0℃ layer height,-20℃ layer height,850hPa and 500hPa temperature difference,700hPa and 500hPa temperature difference,500hPa depression of the dew point,850hPa depression of the dew point are effective indicator of hail when jointly considered.(4)H40dBZ-H0,H40dBZ-H-20,maximum of VIL and DVIL can be used as radar characteristic parameters in indicating hail.
Key words:Dalian area;Hail event;Severe convective weather warning
強(qiáng)對(duì)流天氣包括雷電、短時(shí)強(qiáng)降雨、冰雹、雷暴大風(fēng)、龍卷等中小尺度的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。其中,冰雹具有突發(fā)性強(qiáng)、空間尺度小、持續(xù)時(shí)間短、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)。俞小鼎等[1-2]認(rèn)為災(zāi)害性強(qiáng)對(duì)流天氣中的強(qiáng)冰雹天氣通常指落在地面上的冰雹直徑達(dá)到2cm以上。對(duì)流風(fēng)暴內(nèi)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的強(qiáng)上升氣流和不宜太高的0℃層高度是大冰雹的必要條件。強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)一般分為潛勢(shì)預(yù)報(bào)和臨近預(yù)警兩個(gè)階段。潛勢(shì)預(yù)報(bào)主要利用模式輸出和探空等資料對(duì)有利于對(duì)流風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展的中尺度環(huán)境潛勢(shì)和落區(qū)進(jìn)行預(yù)報(bào),從而為臨近預(yù)警提供前瞻性指導(dǎo)。孫繼松等[3]認(rèn)為,熱力不穩(wěn)定能量釋放是一個(gè)迅速的過程,大多數(shù)熱力層結(jié)不穩(wěn)定條件只與對(duì)流的初始強(qiáng)度有關(guān),也就是說,探空分析只在對(duì)流發(fā)生前有意義。對(duì)流風(fēng)暴成熟階段周圍環(huán)境大氣一般處于中性熱力層結(jié),對(duì)流風(fēng)暴消亡階段,周圍環(huán)境大氣層結(jié)一般趨于穩(wěn)定。另外,俞小鼎等[4]提出,當(dāng)濕球0℃高度與干球0℃之間或上下一定范圍內(nèi)存在明顯干層時(shí),應(yīng)采用濕球0℃層高度作為冰雹的融化層高度。通常,有利于冰雹產(chǎn)生的探空條件包括[5]:(1)位于-10℃和-30℃等溫線之間的對(duì)流有效位能(CAPE值)較大;(2)0~6km垂直風(fēng)切變較大;(3)0℃層高度適宜,但是不同地區(qū)有各自特征。雷蕾等[6]對(duì)北京地區(qū)強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前的探空資料研究后發(fā)現(xiàn),有利于冰雹的探空特征有:0℃層和-20℃層的高度分別在4km和7.4km左右,較大的低層垂直風(fēng)切變,850hPa和500hPa溫差達(dá)到28℃等。張琳娜等[7]發(fā)現(xiàn)北京冰雹日探空資料中存在較大DCAPE值,表明冰雹常伴有雷暴大風(fēng)。強(qiáng)對(duì)流天氣的短時(shí)臨近預(yù)警在0~2h以內(nèi),主要依靠天氣雷達(dá)、加密自動(dòng)站等觀測(cè)設(shè)資料對(duì)對(duì)流風(fēng)暴單體本身演變進(jìn)行探測(cè)分析做出精細(xì)化的強(qiáng)對(duì)流天氣類型、強(qiáng)度和落區(qū)預(yù)警。大量研究[8]將強(qiáng)回波(如45dBZ)頂部高度和0℃層高度之間的差值作為冰雹識(shí)別指標(biāo)之一。許多研究中提到[9,10],強(qiáng)冰雹發(fā)生時(shí)天氣雷達(dá)上能夠觀測(cè)到相應(yīng)的回波特征:后側(cè)V型缺口、三體散射(TBSS)回波、中高層強(qiáng)回波懸垂、低層弱回波區(qū)(WER)和有界弱回波區(qū)(BWER)等。汪應(yīng)瓊等[11]在研究宜昌一次超級(jí)單體風(fēng)暴時(shí)發(fā)現(xiàn)DVIL≥3.5g/m3時(shí),出現(xiàn)直徑超過2cm的冰雹可能性較大。周后福等[12]在研究中將DVIL≥4.0g/m3作為皖西南地區(qū)大冰雹預(yù)警指標(biāo)。
大連地區(qū),尤其是大連北部地區(qū),在春夏、夏秋季節(jié)交替時(shí)段,冰雹天氣頻繁出現(xiàn),給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失,對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成危害。以2014年5月20日發(fā)生在瓦房店冰雹災(zāi)害為例,冰雹直徑最大3cm,個(gè)別村屯地面冰雹堆積厚度達(dá)2.5cm,部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)果樹和蔬菜受災(zāi),受災(zāi)水果面積1.998萬hm2,按照遼寧省氣象局《冰雹評(píng)估等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》,屬二級(jí)雹災(zāi)。
大連氣象臺(tái)曾在2006年編寫成《短時(shí)強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)指標(biāo)》,其中包括了各種強(qiáng)對(duì)流天氣的雷達(dá)回波指標(biāo),但是距離現(xiàn)在較為久遠(yuǎn)。近年來,災(zāi)害性強(qiáng)對(duì)流過程的雷達(dá)回波總結(jié)僅僅停留在個(gè)例分析層面上,缺乏對(duì)單項(xiàng)強(qiáng)對(duì)流天氣的探空資料和雷達(dá)回波特征的分析總結(jié)。為此,本文利用常規(guī)觀測(cè)資料、天氣雷達(dá)資料和災(zāi)情評(píng)估資料,分析總結(jié)了近年來大連地區(qū)冰雹天氣的基于探空資料的潛勢(shì)預(yù)報(bào)指標(biāo)和基于天氣雷達(dá)產(chǎn)品的臨近預(yù)報(bào)指標(biāo),研究結(jié)果對(duì)于提升冰雹的預(yù)報(bào)預(yù)警水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 資料與方法
根據(jù)自動(dòng)站觀測(cè)資料、天氣雷達(dá)資料和災(zāi)情上報(bào)信息綜合判斷,2005—2016年大連地區(qū)共發(fā)生23次冰雹過程。從發(fā)生月份看,5—11月均有可能出現(xiàn)冰雹天氣。其中5、6、7、8、9、10、11月分別發(fā)生3、14、1、1、1、2、1次。值得注意的是,7月僅有的1次冰雹過程,發(fā)生在7月1日,8月僅有的一次冰雹過程,發(fā)生在8月27日。大體上,大連地區(qū)7—8月以短時(shí)強(qiáng)降雨過程居多,冰雹過程較少。6月份發(fā)生次數(shù)最多,占61%;從發(fā)生時(shí)間段看,以6h為間隔,08:00—14:00,2次;14:00—20:00,15次;20:00—02:00,4次,02:00—08:00,3次。結(jié)果表明,冰雹發(fā)生時(shí)間大多集中在下午到傍晚時(shí)段,占65%;從冰雹落區(qū)看,23次冰雹過程的縣級(jí)單位落區(qū)達(dá)到33個(gè)。因?yàn)?次冰雹過程落區(qū)可能包括多個(gè)縣級(jí)區(qū)域,如2006年10月13日過程,落區(qū)為金州、普蘭店、瓦房店;2016年11月10日過程,落區(qū)為大連、旅順,其中,大連市內(nèi)2次,旅順2次,金州3次,瓦房店9次,普蘭店12次,莊河5次,北部地區(qū)(瓦房店、普蘭店和莊河)的冰雹落區(qū)次數(shù)占79%。另外,23次冰雹過程中有13次是強(qiáng)冰雹過程,冰雹落地時(shí)直徑達(dá)到2cm,占全部過程的57%。
2 冰雹發(fā)生前的探空特征
從天氣尺度影響系統(tǒng)劃分看,23次冰雹過程受東北冷渦影響13次,占57%;西風(fēng)槽9次,占39%;蒙古低渦1次,占4%。其中,強(qiáng)冰雹過程受東北冷渦影響的6次,占46%;西風(fēng)槽6次,占46%;蒙古低渦1次,占8%。
選取0℃層高度、-20℃層高度、850hPa與500hPa溫差,700hPa與500hPa溫差,850hPa溫度露點(diǎn)差,500hPa溫度露點(diǎn)差,對(duì)流有效位能,地面露點(diǎn)溫度,0~6km垂直風(fēng)切變等參量作為冰雹發(fā)生前的探空指標(biāo)進(jìn)行分析。由于部分參量變化范圍過大,為了減少極端值得影響,用中位數(shù)代替平均值。
0℃層高度是暖云和冷云的分界高度。-20℃層高度是大的水凝物粒子由固態(tài)自然變?yōu)橐簯B(tài)的下界。適宜的0℃層高度、-20℃層高度是產(chǎn)生冰雹的重要的環(huán)境參量。23次個(gè)例,0℃層高度的變化范圍為1~4.2km,中位數(shù)為3.5km;-20℃層高度變化范圍為4.5~7.4km,中位數(shù)為6.5km。詳細(xì)地,5—9月,0℃層高度為3~4.2km,-20℃層高度為6.1~7.4km。10—11月由于冷空氣開始南下,0℃層高度降低為1~2.5km,-20℃層高度降低為4.5~5.1km(表1)。
層結(jié)穩(wěn)定度方面,23次冰雹過程對(duì)應(yīng)的850hPa與500hPa溫差范圍為26~36℃,中位數(shù)為28℃,2016年11月10日過程,秋冬季節(jié)轉(zhuǎn)換,冷空氣活動(dòng)頻繁,22℃已經(jīng)表示較大層結(jié)不穩(wěn)定。700hPa與500hPa溫差變化范圍為15~23℃,中位數(shù)為18℃。
850hPa溫度露點(diǎn)差變化范圍1~49℃,中位數(shù)值為7℃,500hPa溫度露點(diǎn)差為2~40℃,中位數(shù)為20℃。基本能夠表征冰雹天氣需要“上干下濕”的層結(jié)特征。值得注意的是,“上冷下暖”、“上干下濕”的概念是相對(duì)的,在單獨(dú)某一個(gè)個(gè)例中表征意義更明顯。以2014年5月20日冰雹天氣為例,850hPa和500hPa溫差達(dá)到31℃,700hPa和500hPa溫差達(dá)到18℃,850hPa溫度露點(diǎn)差6℃,500hPa溫度露點(diǎn)差為42℃,層結(jié)非常不穩(wěn)定,符合“上冷下暖”“上干下濕”特征較為明顯。另外,某一特征層的溫度,濕度狀況不能完全表示整層大氣垂直溫濕分布狀況,單獨(dú)個(gè)例應(yīng)具體靈活分析。
從對(duì)流有效位能(CAPE)看,變化范圍為0~1 356J/kg,23次個(gè)例中只有2次的CAPE值大于1 000J/kg。因此值得注意的是,CAPE為1 000J/kg以下時(shí),大連地區(qū)仍然有可能出現(xiàn)冰雹天氣。強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前的CAPE值大小不能單獨(dú)作為隨后幾小時(shí)內(nèi)發(fā)生的強(qiáng)對(duì)流強(qiáng)弱的指標(biāo)。DCAPE表示中層相對(duì)干冷的空氣侵入對(duì)流風(fēng)暴體后,濕絕熱下沉中與負(fù)浮力相關(guān)聯(lián)的下沉能量,是指示雷暴大風(fēng)的有效參量。從表2可以看出,大部分個(gè)例中伴隨的強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象中有雷暴大風(fēng),但是冰雹前的探空資料均沒有出現(xiàn)DCAPE值,因此,強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前的探空DCAPE參量不能有效指示大連地區(qū)冰雹過程中可能伴隨產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)。
地面露點(diǎn)溫度變化范圍為0~20℃。冰雹發(fā)生前探空資料上不一定非得對(duì)應(yīng)較好的低層水汽條件。垂直風(fēng)切變,23個(gè)個(gè)例的0~6km垂直風(fēng)切變?cè)?~20m/s變化。但是,較為強(qiáng)烈的冰雹過程如2014年5月20日,0~6km垂直風(fēng)切變?yōu)?6m/s,2016年11月10日0~6km垂直風(fēng)切變?yōu)?1m/s,均達(dá)到中等強(qiáng)度。
3 雷達(dá)回波特征
對(duì)流風(fēng)暴單體的生命史分為初始、發(fā)展、成熟和消亡4個(gè)階段。通過實(shí)際業(yè)務(wù)分析雷達(dá)回波形態(tài)演變過程發(fā)現(xiàn),初始-發(fā)展階段的雷達(dá)回波開始加強(qiáng)發(fā)展,具有明顯回波中心,中心強(qiáng)度達(dá)到40~45dBZ;冰雹出現(xiàn)的階段劃為成熟階段;冰雹天氣結(jié)束到回波減弱消散的階段劃為消亡階段。在發(fā)展到成熟階段的雷達(dá)回波通常呈現(xiàn)出高懸強(qiáng)回波、低層弱回波區(qū)(或有界弱回波區(qū))、中氣旋等特征。風(fēng)暴單體的水平尺度為5~40km,人工觀測(cè)到的冰雹持續(xù)時(shí)間在2~40min不等。從發(fā)展階段識(shí)別出冰雹雷達(dá)回波特征到成熟階段出現(xiàn)降雹之間發(fā)出落區(qū)準(zhǔn)確的預(yù)警,提前時(shí)間非常有限。從雷達(dá)回波形態(tài)看,23次過程中單體(包括超級(jí)單體和多單體)回波過程有19次,占83%。出現(xiàn)超級(jí)單體風(fēng)暴過程有3個(gè),占13%,大多數(shù)對(duì)流風(fēng)暴單體未發(fā)展到超級(jí)單體階段就會(huì)消亡,因此,成熟階段的高懸的強(qiáng)回波、低層弱回波區(qū)(WER)或有界弱回波區(qū)(BWER)、中氣旋等特征不十分明顯。
前文提到的0℃層高度和-20℃層高度僅作為指示有利于冰雹產(chǎn)生的探空參量。冰雹強(qiáng)度還要分析能夠產(chǎn)生冰雹的對(duì)流風(fēng)暴單體成熟階段時(shí)強(qiáng)回波高度分別與0℃層高度和-20℃層高度的差值。大量研究把強(qiáng)回波高度與0℃層高度之間的厚度、強(qiáng)回波高度與-20℃層高度之間的厚度作為地面降雹強(qiáng)度的判據(jù)指標(biāo)。按照遼寧省氣象局規(guī)定,40dBZ作為強(qiáng)回波的起始強(qiáng)度。23次過程(表3)H40dBZ-H0范圍為2.6~6.6km,中位數(shù)為4km,H40dBZ-H-20為-0.8~3.3km,中位數(shù)為0.9km。組合反射率因子(CR)為45~65dBZ,中位數(shù)為55dBZ;回波頂高(ET)為7~14km,中位數(shù)為12km。
垂直累積液態(tài)水(VIL)產(chǎn)品是判斷冰雹和雷暴大風(fēng)的有效雷達(dá)產(chǎn)品指標(biāo)。
公式(1)中,Z為基本反射率因子值,M為液態(tài)水含量(g/m3)。M是由每個(gè)仰角的反射率因子數(shù)值轉(zhuǎn)換成每個(gè)4km×4km網(wǎng)格點(diǎn)上的液態(tài)水含量,然后對(duì)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)垂直累加得到VIL,單位是kg/m2。由于VIL反映的是單位面積上氣柱的整體強(qiáng)度,VIL值越大,對(duì)應(yīng)的高反射率深厚區(qū)域的上升氣流越強(qiáng)。一旦冰雹的VIL臨界值被確定,可用于辨別強(qiáng)風(fēng)暴或大冰雹。另外,快速降低的VIL值與雷暴大風(fēng)也有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但是,由于雷達(dá)站附近的靜錐區(qū),雷達(dá)站附近的VIL值被低估,當(dāng)對(duì)流風(fēng)暴距離雷達(dá)站水平距離超過200km,VIL的可信度也較低。上文中提到,大連地區(qū)79%的冰雹落區(qū)出現(xiàn)在北部地區(qū)(瓦房店、普蘭店和莊河),地形以丘陵為主,可能存在遮擋,另外,北部冰雹落區(qū)距離雷達(dá)站水平直線距離一般在100km左右,容易造成VIL值偏小。23次過程中,對(duì)流風(fēng)暴成熟階段VIL最大值范圍為28~60kg/m2,中位數(shù)為45kg/m2。
VIL密度為VIL除以回波頂高的商,簡(jiǎn)稱DVIL。23次過程DVIL為3.2~5g/m3。中位數(shù)為3.6g/m3。其中強(qiáng)冰雹過程,DVIL范圍同樣為3.2~5g/m3,中位數(shù)為3.7g/m3。2013年6月27日過程DVIL為3.2g/m3,小于南方地區(qū)DVIL為3.5g/m3的閾值,同樣出現(xiàn)最大直徑超過20mm的大冰雹。此次過程VIL最大值達(dá)到45g/m2達(dá)到中位數(shù),ET達(dá)到14km,超過12km的中位數(shù)值,造成DVIL值偏小。因此,DVIL難以單獨(dú)用來區(qū)分普通冰雹和強(qiáng)冰雹過程。
遼寧省氣象局對(duì)冰雹的預(yù)警信號(hào)分為橙色和紅色2個(gè)級(jí)別。橙色級(jí)別預(yù)警的雷達(dá)回波特征為:(1)回波組合反射率(CR)≥45dBZ;(2)垂直累積液態(tài)水含量(VIL)≥30kg/m2;(3)強(qiáng)回波主體高度位于2.5~5km,40dBz回波伸展到4km以上。紅色級(jí)別預(yù)警對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波特征為:(1)回波組合反射率(CR)≥55dBZ;(2)垂直累積液態(tài)水含量(VIL)≥40kg/m2;(3)強(qiáng)回波主體高度位于3.5~6.5km,40dBz回波伸展到5.5km以上。大連地區(qū)23個(gè)個(gè)例的雷達(dá)回波特征基本符合以上預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。
4 小結(jié)與討論
本文對(duì)2005—2016年大連地區(qū)23次冰雹天氣過程的探空參量特征和雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析研究,結(jié)論如下:
(1)大連地區(qū)冰雹天氣出現(xiàn)時(shí)段主要集中在午后到傍晚時(shí)段,占全部個(gè)例的61%。冰雹落區(qū)主要集中在瓦房店、普蘭店和莊河所在的北部地區(qū),占全部落區(qū)次數(shù)的79%。從月份看,5到11月均有可能出現(xiàn)冰雹天氣。強(qiáng)冰雹個(gè)例占57%。
(2)由于季節(jié)不同,0℃層高度為1~4.2km,中位數(shù)為3.5km,-20℃層高度為4.5~7.4km,中位數(shù)為6.5km。層結(jié)穩(wěn)定度方面,850hPa與500hPa溫差中位數(shù)為28℃,700hPa與500hPa溫差中位數(shù)為18℃。大體上,500hPa溫度露點(diǎn)差要明顯大于850hPa溫度露點(diǎn)差。但是,“上冷下暖”、“上干下濕”的概念是相對(duì)的,在某一具體過程中指示特征更明顯。對(duì)流有效位能(CAPE)、0~6km垂直風(fēng)切變和地面露點(diǎn)溫度對(duì)冰雹的指示意義不大。DCAPE不能有效指示冰雹過程中伴隨的雷暴大風(fēng)。
(3)產(chǎn)生冰雹的對(duì)流單體的水平尺度為5~40km,人工觀測(cè)到的冰雹持續(xù)時(shí)間為2~40min。單體(包括超級(jí)單體和多單體)回波過程19個(gè)占83%。其中超級(jí)單體風(fēng)暴3個(gè),因此大部分對(duì)流風(fēng)暴成熟階段的高懸的強(qiáng)回波、低層弱回波區(qū)(WER)或有界弱回波區(qū)(BWER)、中氣旋等特征不一定明顯。預(yù)警時(shí)間提前量有限。
(4)雷達(dá)回波特征方面,H40dBZ-H0中位數(shù)為4km,H40dBZ-H-20中位數(shù)為0.9km。組合反射率因子(CR)為45~65dBZ,中位數(shù)為55dBZ;回波頂高(ET)為7~14km,中位數(shù)為12km。VIL最大值為28~60kg/m2,中位數(shù)為45kg/m2。DVIL為3.2~5g/m3。其中強(qiáng)冰雹過程,DVIL中位數(shù)為3.7g/m3。值得注意的是,這些雷達(dá)回波參量達(dá)到最小閾值就有可能產(chǎn)生冰雹天氣,單一的參量閾值不能單獨(dú)用來判斷冰雹產(chǎn)生與否,多種參量綜合判斷才會(huì)取得更好效果。
今后的研究重點(diǎn)應(yīng)放在對(duì)流風(fēng)暴單體初始和發(fā)展階段識(shí)別出雷達(dá)回波中的冰雹特征上,提高預(yù)警時(shí)間的提前量和落區(qū)的精細(xì)化程度。
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(責(zé)編:張宏民)