宁波两次冰雹过程多普勒雷达回波特征分析*

张晶晶 朱佳敏 谢 华 王武军 邬方平

(1.宁波市北仑区气象局,浙江 宁波 315800;2. 奉化市气象局,浙江 奉化 315500)

宁波两次冰雹过程多普勒雷达回波特征分析*

张晶晶1朱佳敏1谢 华1王武军2邬方平2

(1.宁波市北仑区气象局,浙江 宁波 315800;2. 奉化市气象局,浙江 奉化 315500)

基于宁波多普勒天气雷达,结合常规气象观测和浙江省自动气象站资料分析宁波市北仑区2012年7月7日和2013年3月22日2次冰雹天气发现，天气背景存在显著差异,一个由热对流强烈发展引起,另一个则是由强对流带过境造成的。由于季节差异2个例回波强度和特征有所不同,但多普勒雷达图上都有较清楚的回波墙、弱回波区、悬垂结构等特征,垂直积分液态含水量(VIL)在冰雹云发展阶段存在突增,回波顶高(ET)和组合反射率(CR)产品也存在持续的增加。2个例也存在着明显的差异:个例1对流发展极其旺盛,回波顶和强回波中心都非常高,具有深厚的逆风区和气旋性速度特征,PPI产品有较明显的勾状回波;个例2回波顶、强回波中心、0 ℃和-20 ℃层相对于个例1都要低,体现了个例间的季节差异。

冰雹;物理量指标;多普勒天气雷达;回波特征

0 引 言

强对流天气突发性强、历时短、范围小、局地性强,常伴随雷雨大风、冰雹、龙卷等气象灾害,往往是由中小尺度系统直接产生的。Browning指出超级单体(supercell)具有的雷达反射率因子特征,如钩状回波、中空弱回波区(Weak Echo Region, WER)或有界弱回波区(Bounded Weak Echo Region, BWER)等[1-2]。Fujita提出的“中气旋”概念( mesocyclone),揭示了超级单体的旋转特性[3], Browning 建议超级单体可重新定义为具有中气旋的对流单体[4],随后Lemon 等提出了一个新的超级单体的概念模型[5]。在超级单体三维模式中,这种对流单体为上升气流从右前方进入风暴,到了高层气旋式扭转进入云砧区,下沉气流在对流层中层从风暴右边进入,从左后方的低层离开。

随着国内多普勒天气雷达的组网建设,雷达资料在强对流天气的分析、研究和应用中得到了快速加强。郑媛媛等利用S波段多普勒天气雷达资料对2002年5月发生在皖北的一次典型超级单体风暴进行了详细分析发现，此次超级单体南边出现两条明显的出流边界,超级单体反射率因子呈现明显的倒“V”字型结构,反射率因子垂直剖面呈现出典型的有界弱回波区(穹隆)、强大的回波悬垂和回波墙,有较强的中气旋、较大的垂直累积液态水含量和密度等强烈超级单体风暴的典型特征[6]。廖向花等对2008年6月重庆一次超级单体风暴综合分析,发现VIL的突然跃增比冰雹降落时间提前2～3个体扫,对冰雹的短时预报具有较强的指示意义[7]。

冰雹天气在不同地区、不同季节时有发生,具有各自的异同点。张琳娜等将北京地区出现冰雹的主要天气类型分为3类:东北冷涡型、蒙古低涡型和低槽型,总结出对预报冰雹天气发生有意义的参数及其阈值[8]。江玉华等对2008年6月5日发生在重庆市中部的大风冰雹天气过程进行分析得出:大气中显著的水平风切变和垂直风切变及晴空太阳辐射对地面的不均匀加热都有利于诱生涡度;对流有效位能(CAPE)增加,是对流风暴发展的重要条件;在雷达回波结构上有中气旋、高悬强回波核、弱回波区、回波墙、虚假回波、回波强度梯度大等超级单体风暴特征[9]。金飞胜等对2009年2月发生在早春2月黄山地区一次冰雹天气个例发生发展过程进行分析,得出具有明显的季节特征,组合反射率也很高,但由于空气柱气温较低,垂直液态水含量相比初夏的冰雹要小,-20 ℃高度相比初夏低1～2 km[10]。

本文基于宁波多普勒雷达,结合常规气象资料和浙江省自动气象站资料,对宁波市北仑区发生的2次冰雹过程进行了雷达回波特征分析,为冰雹预报提供思路和方法。

1 资料说明

所用资料有宁波多普勒雷达(121.52°E,30.06°N,海拔418 m)、常规天气观测和浙江省自动气象站观测资料。其中常规天气观测包括距离2个例冰雹发生地最近的3个探空站:上海宝山站(58362,121.46°E,31.41°N)、杭州站(58457,120.17°E,30.23°N)和浙江洪家站(58665,121.42°E,28.63°N);宁波3个国家气象站:镇海站 (58561,121.60°E,29.98°N)、鄞州站(58562,121.55°E,29.78°N)和北仑站(58563,121.83°E,29.88°N)。2个例的冰雹落区均为宁波市北仑区,时间分别为2012年7月7日下午(个例1)和2013年3月22日凌晨(个例2)。

2 实况和天气形势

2.1 个例1

2012年7月7日白天受副高边缘和中低层西南风影响,浙江省气温快速升高,热力条件适合对流发展,同时低空(925 hPa)和地面在长江流域一带有东西向风切变,为午后热对流的激发提供良好的抬升条件(图略)。浙江省大部分地区午后先后出现雷暴天气,杭州、宁波、台州和温州等地部分地区伴有短时暴雨、强雷电和8～10级的雷雨大风,过程造成宁波奉化市到北仑区短时气温剧降, 13：52—13：57北仑站出现冰雹,直径最大20 mm,重量平均2 g。

2.2 个例2

2013年3月22日凌晨宁波市自西向东出现雷雨大风等强对流天气,3：30—3：50分北仑区出现持续数分钟的冰雹,直径1 cm左右。与个例1天气背景不同,21日20时200 hPa在赣中—浙南一带有东西向高空急流,急流中心最大风速超过60 m/s,500 hPa中纬度有小槽东移,低层850 hPa从广西到山东存在大范围12 m/s以上的低空急流带,22日夜间地面图上华东地区受低压控制,后半夜出现大范围的区域性雷暴天气(图略)。

3 探空和物理量指标对比分析

2个例冰雹发生前,杭州站探空资料均不同程度地表现出“上干下湿”的层结特征(图略),2012年7月7日08时杭州站500 hPa温度露点差为8 ℃左右,700 hPa约4 ℃,850 hPa以下仅有3 ℃,并存在明显的条件对流不稳定能量;2013年3月21日20时850 hPa以下层次存在逆温,大气层结比较稳定,但850 hPa以下温度露点差仅为3℃左右,500 hPa增大到20 ℃,“上干下湿”特征更明显,有利于雷暴在一定高度层上发展,具有“高架雷暴”的特征[11]。

表1列出了2次冰雹发生前上海宝山、浙江杭州和洪家3个探空站部分物理量指数。表中可见: 3站K指数和SI指数比较,个例1中K指数>38 ℃,SI指数<-2 ℃,而个例2中最大K指数<30 ℃,SI均为正值。其它指数也表明个例1比个例2有更好的强对流发生发展潜势,在强对流天气预报中广泛应用的CAPE和CIN这两个参量[12]对比,个例1中2个探空站CAPE超过2800 J/kg,存在明显的对流不稳定能量,而CIN能量存在则有利于不稳定能量积聚,总体有利于冰雹的形成。

表1 2个例物理量指数对比

通气管指数[13]显示出2个例均存在较强的环境风场的垂直切变。个例2的洪家站位于高层急流中心轴上,2高度层风速分别为44、12 m/s,通气管指数高达1228 m2/s2,表明300 hPa和850 hPa之间存在强烈的垂直风切变。另外,2个例在1000 hPa以上主要是西到西南风,1000 hPa到地面则为偏东风,说明在1000 hPa高度附近存在较大的垂直风向切变,0～2 km垂直风切变分别为11.64、11.18 m/s,0～6 km分别为14.78、26.87 m/s。环境风场的垂直切变对雷暴发生发展有重要的影响,为强对流发展提供了动力条件。

表1中个例1和个例2的0 ℃层位势高度分别约为5100、3700 gpm,-20 ℃层分别约为8400、6400 gpm,2个例间存在较大的差异,原因是个例1发生在夏季,个例2发生在春季,位势高度的差异体现了季节差异,但高度都较适宜于雹云的发生发展[8、12],且2个例的0 ℃层到-20 ℃间的厚度分别在3300、2700 gpm左右,比较接近。

4 多普勒雷达回波特征

4.1 雹暴演变概述

4.1.1 个例1

2012年7月7日中午宁波奉化境内有弱回波从中层(11:58在2.4°仰角,图略)开始逐渐向低层发展,10 min后0.5°仰角上也出现弱回波,20 min后反射率中心强度就发展到65 dBz,30 min后在强单体东北侧又出现2个新的对流单体,此后30 min内这3个对流单体继续发展、合并和加强,12:59在宁波市区南部形成块状回波,中心强度超过50 dBz(图1a), 13:16和13:33的PPI图上表现出钩状回波(图1b—1c,0.5°和1.5°仰角图上也表现),剖面图上出现回波墙、弱回波区和悬垂回波等强单体结构的特征(图略)。回波移向东北,时速约30 km,13:49强单体中心位于宁波市北仑区境内,0.5°～2.4°仰角上中心强度均超过60 dBz(图1d),13:52北仑气象站观测到冰雹。

图1 2012年7月7日2.4°仰角雷达反射率演变图(a—d)

4.1.2 个例2

个例2则表现为回波带的特征,自西北向东南方向移动,02:29强回波带接近雷达站(图2a,白色箭头所指位置),03:16回波带位于宁波东北部海面、镇海到鄞州西部一带,2.4°仰角图上宁波境内有2个中心超过50 dBz的对流单体发展(图2b,2个白色箭头所指位置),03:27 A、B箭头所指的强单体中心强度超过60 dBz,东移至北仑区 (图2c),3 min后北仑区开始出现弹珠大小冰雹,对流单体快速向东偏南方向移动,回波强度维持(图2d),降雹区域也随之移动。

图2 2013年3月22日2.4°仰角雷达反射率演变图(a—d)

4.2 超级单体结构分析

4.2.1 个例1

7月7日13:16个例1中的强单体快速发展形成超级单体风暴并继续发展,PPI图上不同仰角均有较明显的勾状回波(图1b—1c),缺口朝向回波移动方向的右前方。根据许焕斌等描述的PPI回波入流缺口的雷达回波特征[14],这是此次超级单体的入流缺口,具有20～65 dBz的最大回波强度梯度,从低层向高层回波逐渐增强。图3a—3b给出了13:33穿过2.4°仰角反射率因子强度中心沿雹暴前进方向的雷达回波强度和多普勒速度切向剖面。图3a展现了一个典型的超级单体结构,55 dBz以上强回波中心高度超过12 km,65 dBz以上强回波中心高度超过9 km,有典型的回波墙、弱回波区和悬垂回波结构,弱回波区的水平尺度在6 km左右。雷达产品中没有出现中气旋结构,但分析基速度图发现,2.4°及以上仰角可以看到具有气旋性特征的多普勒速度,而切向速度剖面图中可明显看出3～8 km高度都存在气旋性速度区(图3b中黑色椭圆圈区域)。可见个例1气旋性速度特征仅存在于超级单体3 km以上的中高层。

13:44雷达0.5°仰角基速度图上,强回波中心(图3c中箭头所指处)靠近雷达的一侧为朝向雷达的负速度,有-20 m/s的负速度中心存在,远离雷达一侧为离开雷达的正速度,这是由于雹暴后部下沉气流的在低层形成辐散气流所造成,对比13:40宁波市自动站观测资料(图3e),强回波中心附近西北侧有3个气象站出现6级以上偏南风,而南侧多为东北风或偏北风,也表现出气流的辐散;图3c冰雹发生处的偏东方向为大片朝向雷达的负速度区,是雹暴前进右前方的低层入流区域,并在地面实况中得到证实,负速度区仅出现在低层,随着雷达仰角升高消失(图略)。

超级单体或是强单体冰雹云内气流是由两支对峙相切的上升和下沉气流组成[15-17],13:44沿雷达站到强回波中心的基速度剖面(图3d)显示，靠近雷达一侧的下沉气流在高层加强了辐合,约2 km以下高度时向两边辐散,与雷达低仰角基速度和地面风场吻合。由于其上升支在3 km以下来自环境场的偏东风入流不在此径向剖面位置(图3c),所以在图3d中没有表现。图3d中逆风区(负速度区被正速度区包围的区域)向上升展的高度超过13 km,而逆风区的存在体现了水平方向的气流的较强的辐合辐散,有利于冰雹云的发展,达到的高度越高说明对流越深厚,造成的天气会更剧烈。

(a 13:33切向反射率剖面;b 13:33切向基速度剖面;c 13:44 0.5°仰角雷达基速度,黑色箭头所指为强回波中心位置;d 13:44过图c基线的径向基速度剖面;e 13:40地面风场,黑色三角区域为强回波中心位置,小圆形为多普勒雷达站)图3 个例1的切向剖面、0.5°仰角雷达速度、速度径向剖面和地面风场

4.2.2 个例2

个例2的速度径向剖面图演变分析发现,03:10(图4a)前后速度剖面发生较大的变化。图4a显示出速度随高度发生变化,3～7 km是朝向雷达的负速度,其上下都是正速度,表明气流在垂直方向存在着较明显的风切变,3 km以下的正速度区中出现少量的负速度,形成逆风区,说明低层水平方向存在着辐散和辐合。03:10后的径向速度剖面是上下层非常一致的正速度(图略),01:40风暴前沿经过雷达站前后的雷达风廓线产品(VWP)的风向风速变化中也能反映出上述风向风速的变化。垂直风切变和辐散辐合的存在,往往促进对流天气发生发展,也是形成强对流的一个重要条件,个例2的强天气都发生在风暴前沿过境时刻也说明这一点。

与个例1相比,个例2发生在春季,天气剧烈程度相对较弱,但也具有强单体结构特征。图4b显示出 03:16沿雷达站到强回波中心的反射率剖面图上55 dBz以上强回波中心高度接近9 km,也有回波墙、弱回波区和其上的悬垂回波,但60 dBz以上强回波的范围和高度明显小于个例1,且没有个例1中的深厚逆风区和雷达径向上的气旋性速度特征。

AWS风向风速的变化显示出地面风切变向东南方向移动。03:20地面风场(图4c)中能清楚地看到风切变的存在,其东南方向的沿海海面普遍为6～7级偏南风,为冰雹云的发展提供低层入流和充足的水汽,切变线后部个别站点出现6～8级大风,是雷暴下沉气流的后出流边界所致。

(a 03:10基速度径向剖面;b 03:16雷达反射率径向剖面,基线见图2b;c 03:20 AWS地面风场,黑色圆圈:多普勒天气雷达站,黑色弧线:强回波带,对应地面风切变位置)图4 个例2多普勒雷达基速度和反射率因子径向剖面

4.3 垂直积分液态含水量等雷达产品分析

在冰雹云发展阶段,VIL、ET、CR产品,特别是VIL存在明显的突增(表2)。2个例分别在11:52—12:26和3:05—3:22之间VIL都持续增加,平均增速均达到或超过10 kg/(m2·6 min),与李云川等、王华等和廖向花等得到的结论一致[7、12、18];同时ET和CR也同步增加,CR增加的时间相对VIL要提前2～3个体扫结束。

表2 VIL、ET、CR产品在冰雹云发展阶段的突增

另外,2个例还有一个共同点就是，冰雹指数(HI59)都存在连续的实心三角,中气旋产品(M60)都没有出现,与李云川等统计8次冰雹个例中实心三角时有冰雹的正确率为8/8,没有空漏报,而出现中气旋的概率仅为3/8的结果一致[18]。

5 结 语

通过对2012年7月和2013年3月宁波市北仑区2次冰雹过程的分析得到以下结论。

1)这2次冰雹过程发生在天气背景存在差异,个例1冰雹是热对流造成的,存在明显的条件对流不稳定能量、充足的水汽辐合和很好的热力触发条件;个例2冰雹是在高低空急流及较强的风切变所形成的动力条件和低空强劲的暖湿气流形成上干下湿的大气层结所导致,低层层结较稳定,具有“高架雷暴”的天气特征。

2)2个例多普勒雷达反射率图上都有较清楚的回波墙、弱回波区、悬垂结构等特征,但也存在着明显地差异:个例1对流发展极其旺盛,回波顶和强回波中心都非常高,具有深厚的逆风区和气旋性速度特征,PPI产品有较明显的勾状回波;个例2回波顶、强回波中心、0 ℃和-20 ℃层相对于个例1都要低,体现了个例间的季节差异。

3)雷达产品垂直积分液态含水量(VIL)在冰雹云发展阶段存在着平均增速超过10 g/(m2·6 min)的突增,回波顶高(ET)和组合反射率(CR)产品也存在持续的增加,ET与VIL的增加保持同步,CR增加的时间相对VIL要提前2～3个体扫结束。2个例冰雹指数(HI)都存在连续的实心三角,都没有明显的中气旋结构、三体散射长钉(TBSS)特征回波等。

每次冰雹天气的成因不尽相同,加强对高时空分辨率的探测资料,特别是雷达资料的分析,将有助于加深对冰雹天气过程的了解和认识,随着探测手段的进步,今后应当通过分析和总结,寻找冰雹天气临近预报的着眼点,以便提高对冰雹等强对流天气的监测和预报能力。

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2014-09-09

宁波市自然科学基金项目(2013A610124);宁波市气象局港口气象预报技术研究团队项目