应用气象学报  2006, 17 (3): 281-287   PDF    
引用本文
王令, 郑国光, 康玉霞, 房文, 卞素芬, 许焕斌. 多普勒天气雷达径向速度图上的雹云特征[J]. 应用气象学报, 2006, 17(3): 281-287.
Wang Ling, Zheng Guoguang, Kang Yuxia, Fang Wen, Bian Sufen, Xu Huanbin. Hailstorms Characteristics in Doppler Radar Radial Velocity Fields[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2006, 17(3): 281-287  
多普勒天气雷达径向速度图上的雹云特征
王令1, 郑国光2, 康玉霞1, 房文2, 卞素芬1, 许焕斌3     
1. 北京市气象台, 北京 100089;
2. 中国气象科学研究院, 北京 100081;
3. 北京应用气象研究所, 北京 100029
2005-04-13 收到, 2005-07-14 收到修改稿.
资助项目: 国家自然科学基金项目 (40275001)、北京市科技计划项目“奥运会气象保障科学技术试验与研究” 03课题及河北省科学基金项目 (401485) 共同资助    
摘要: 不同的强对流天气造成的灾害和社会影响差别很大。通过对北京地区2001年和2002年出现的32次降雹时伴随出现的天气现象分类和对雹云多普勒天气雷达径向速度场图像特征的分析统计, 得出“大风区”、“中气旋”是经常出现降雹的多普勒径向速度图像特征。“大风区”常伴随出现强风冰雹, 而“中气旋”则常伴随出现暴雨冰雹, 这对于判别冰雹云产生什么样的天气现象是有指示意义的。
关键词: 冰雹云    多普勒天气雷达    径向速度特征    临近预报    
Hailstorms Characteristics in Doppler Radar Radial Velocity Fields
Wang Ling1, Zheng Guoguang2, Kang Yuxia1, Fang Wen2, Bian Sufen1, Xu Huanbin3     
1. Beijing Meteorological Observatory, Beijing 100089;
2. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081;
3. Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing 100029
Abstract: In severe hailstorms, hailstones always falls accompanied with some other weather disasters such as thunder, strong wind and rainstorm. Generally speaking, different kinds of strong convective weather bring damage and even social influences to different extents. Beijing is one of the areas that hail occurs frequently and suffers from previous damage every year. With the widely deployment of Doppler radars all over the country in recent years, more studies on the local convective weather systems including hails are gradually put into practice. It is well-known that the hail formation relates closely to various atmospheric physical conditions. The formation of those large hailstones to a great extent relies on the changes of wind structure which always has a storm scale. Among the 32 hailstorms occurred in 2001 and 2002 of Beijing, four kinds of weather phenomena are categorized according to their surface observation including hailfall together with wind and rain, hailfall with wind only, hailfall with rain only, and the others. The radar image characteristics and the Doppler radar radial velocity fields from these 32 hailstorms observed in Beijing are discussed in detail. Statistical analysis shows that the characteristics of "gale region" and "mesocyclone" can always be identified from the radar echo images. The "gale region" is an area which displays a maximum Doppler radar radial velocity along the wind direction in radar PPI (V) echoes. The radial velocity is more than 20 m/s. On the front edge of the wind, the velocity grads is so great that the wind direction changes abruptly. The "gale region" is a downwards airflow related to cold air, often stimulates squall line and falls into the category of β mesoscale synoptic system. Observed from radar PPI (V) echoes, the "mesocyclone" is a cyclonic convergence or rotating area in the Doppler radar radial velocity fields. It is easy to be identified from continuous animated radar echoes. Different air flows converge together and form such a special cyclone. With a small scale and short lifetime, the "mesocyclone" belongs to γ mesoscale synoptic system where weather disaster bursts out very easily. In terms of the statistical analysis, the "gale region" observed in the Doppler radar radial velocity fields usually appears with hailfall together with strong wind, while the "mesocyclone" generally indicates the occurrence of heavy rain besides the hailfall. Though the physical pro-cess of hail formation is very complicated and also there are many other scientific hypothesis on the mechanism of hail formation, the characteristics of "gale region" and "mesocyclone" observed in the Doppler radar radial velocity fields indicate the dynamic structure of the atmospheric stream field is in favor of the occurrence of those previous mentioned convective phenomena. And the study can contribute to the forecast of weather phenomena probably occurring in the detected hailstorm. Combined with other observations, it can improve the ability of the nowcasting for the severe convective disastrous weather too.
Key words: hailstorm     Doppler weather radar     characteristics of radial velocity     nowcasting    
引言

强对流风暴是冰雹云生长的基础。研究指出[1], 雹云降雹与大气的各种物理条件密切相关, 生长成较大的冰雹很大程度上依赖于风暴尺度结构的变化。由于这些结构上的变化, 出现在相似热力环境中的风暴所产生的冰雹可以有不同的数量、大小及分布。对流风暴可以产生多种类型的天气现象:雹、风雨雹、风雹、雨雹等。雷暴大风是常发生在雷暴外流区前缘的天气现象, 它和雷暴冷堆强度有一定的相关性。伴有强降水的超级单体风暴在国内外的观测中也被发现和研究[2]。北京地处山地与平原的过渡带, 其北部及东北部是燕山山脉和军都山的一部分, 西部属太行山余脉, 受自然地理条件的影响, 使北京成为多雹地区[3-4]。

多普勒天气雷达可以探测降水粒子的径向速度, 可了解强风暴的三维动力结构。国外从20世纪70年代就开始使用多普勒天气雷达研究强风暴[5-9]。在国内, 葛润生等[10]利用多普勒天气雷达资料, 对北京地区雹暴气流结构进行了研究, 得到不同于传统的超级单体雹暴中的气流模式。近几年随着多普勒天气雷达的布网, 对冰雹等强对流天气系统的研究正在逐步开展[11-14]。北京市气象台曾利用天气雷达回波强度图和地面降雹资料进行了综合分析, 得出一些适合北京地区识别冰雹云的方法和指标[15]。

在北京新一代多普勒天气雷达CINRAD-CC 2001年和2002年观测的基础上, 结合地面降雹记录和地面自动站网的观测记录, 对19个降雹日的32块雹云回波进行了分析, 发现天气雷达多普勒径向速度场在降雹前存在一些较为明显的特征。在以往对雹云路径、回波强度、高度和高度梯度、特殊形状等雷达参数分析的基础上, 增加对风场的识别, 对风暴单体是否能发展为冰雹云及伴随什么天气现象, 给临近预报和防雹工作提供重要的判别参考信息。

1 降雹过程的分类

雹云是可产生降雹的风暴云体。降雹过程不只是针对冰雹这一特殊天气现象而言, 而且经常还有其他的灾害天气伴随出现, 特别是雷雨大风及暴雨, 它们造成的影响和危害也很大。北京地区2001年和2002年出现的19个降雹日的32块雹云伴随出现的天气情况如表 1所示。表中极大风的风向、风速、1 h降雨量资料来源于距离雹云最近的自动气象站和台站记录, 降雹资料 (包括由对流风暴产生的冰粒或霰) 来源于气象站记录和目击者报告。将32块雹云产生的天气分类为风雨雹、风雹、雨雹和其他4种类型。风雨雹为降雹时伴有大于20 mm/h的降水, 并伴有超过17 m/s的风; 风雹为降雹时风速大于17 m/s, 而降水小于20 mm/h; 雨雹为降雹时伴有大于20 mm/h的降水, 风速小于17 m/s; 其他为降雹时段风速小于17 m/s, 降水小于20 mm/h的情况。

表 1 北京地区2001年和2002年出现的32块雹云产生的降雹天气分类

表 1中的雹云按2001年6月7日—2002年8月22日出现的时间顺序编号。雹云编号后面括号中的数字为发现雹云时的雷达回波强度 (单位: dBz)。从表 1中可以看出, 降雹时极易伴随大风出现, 即使不出现灾害性大风其风速也是较大的。而同一次降雹过程或同一降雹日在不同时间、不同地点出现不同的天气现象。表 1中发现雹云雷达回波时的强度有的在40 dBz以下, 远未达到降雹雷达回波强度标准。

各类降雹天气现象的月分布如图 1所示, 6月降雹最多, 风雹出现5次, 雨雹和风雨雹却没出现。雨雹和风雨雹合计5次, 仅有一次风雨雹出现于5月, 其余4次出现于7, 8月份, 而7, 8月份正是北京的多雨季节。

图 1. 北京地区2001年和2002年各类降雹天气现象分类的月分布统计

2 雷达多普勒径向速度场与实际风的关系

雷达多普勒径向速度场与实际风的关系比较复杂, 当雷达探测的径向与实际风矢量在同一方向时才与实际风的风向、风速相等, 大多数情况下仅为实际风矢量在雷达某一径向的投影。

2.1 雷达多普勒径向速度场分析原则

雷达获取的多普勒径向速度是实际风矢量在雷达径向上的投影。在分析时注意: ① 同样大小的实际风矢量与雷达扫描径向的夹角越接近于0°则多普勒径向风速度越接近于实际风速; 同样大小的实际风矢量与雷达扫描径向的夹角越接近于90°则多普勒径向风速度越小, 零径向速度线上的实际风向与雷达波束垂直; ② 当雷达作360°PPI扫描时, 所采集到的是圆锥面上的资料, 在径向距离增加的同时, 距地面的高度也在增加。因此, 当在探测区域内风场比较均匀时, 出现的一个径向风的大值区, 则认为与这一高度的实际风向、风速近于相等。根据上述多普勒径向速度图像分析的原则, 发现有两种多普勒径向速度图像特征, 它们对雹云出现什么样的天气现象有先期识别的指示意义。

2.2 径向速度图像的“大风区”

分析多普勒径向速度图像时发现, 冰雹云出现时经常具有一种“大风区”特征。“大风区”是指PPI (V) 图像中, 风的来向所在象限出现一个多普勒径向风的大值区, 风速达到20 m/s以上, 其前沿风速梯度大或为风向突变 (回波不经过雷达原点)。在北京“大风区”主要出现在雷达站的西北象限, 与冷空气的来向有关。分析认为: “大风区”图像与下沉的冷空气堆相联系。彩图 2a为“大风区”示意图, “+”代表多普勒径向速度的方向离开雷达, “-”代表径向速度方向朝向雷达 (下同); 彩图 2b是2001年6月7日18:16 (北京时, 下同) 的PPI (V) 图像, 是一张“大风区”实际观测图, 天线仰角1.5°。彩图 2b右下侧方框内图像是实测 (小方框内) 图放大了的“大风区”。这一“大风区”于18:15在延庆区佛爷顶气象站 (参看上在图 6中的位置, 下同) 降雹, 冰雹直径18 mm, 18:31出现极大风速为17.5 m/s的偏北大风, 带来的雨量为4.9 mm。

图 2. "大风区"示意图 (a) 和"大风区"举例 (单位: m·s-1) (b)

当“大风区”移过雷达站后, 它原来具有的特征不明显了, 这并不代表“大风区”结构消失, 而是雷达扫描线随探测距离增加离地面高度也增加, 造成实际风的低层前沿探测不到。而在其他象限, 由于实际风矢量在雷达径向上投影的原因, 使得这一特征难以发现。

2.3 径向速度场中的“中气旋”

本文中的“中气旋”是指在某一仰角PPI (V) 的多普勒径向速度场中出现气旋性的辐合或旋转, 在连续时次的动态图上更容易发现。彩图 3为“中气旋”的示意图和实际观测图。彩图 3a表明, 多普勒径向风的“-”值区总是位于零径向风速线的右侧。彩图 3b中左上角的方框中的图像为实际 (小方框中) 图像放大了的“中气旋”图像。这个“中气旋”于2002年5月10日18:20给北京通州区气象站 (参见图 6中的位置) 造成17.7 m/s的大风、15 mm直径的冰雹、20 mm/h的降水。

图 3. "中气旋"示意图 (a) 和"中气旋"举例 (单位: m·s-1) (b)

在北京使用天气雷达探测时, 当距离超过30 km时, 使用1.5°仰角及以下的图像, 尽量取回波的下部, 30 km内使用较高仰角图像, 尽量减少地物回波的遮挡。“中气旋”的尺度范围在30 km以下, 零风速线两侧的风速相差较大, 即这一“牛眼”不一定对称, 且位于回波的中下部。“中气旋”能够出现在任意象限, “中气旋”零速线两侧的多普勒径向速度绝对值越大表示“中气旋”越强。

3 PPI (V) 上雹云的多普勒径向速度图像统计特征

冰雹云的空间尺度比较小, 在PPI (Z) 图上经常呈块状, 分布十分不均匀, 因此利用VAD等方法[16]生成的产品对风场的表达不准确。雷达观测员在图像上直接判断雹云风场结构不仅需要经验, 而且需要理解这些结构的物理意义和在天气系统中的位置, 这样才能提高临近预报和指挥防雹作业的可靠性和时效。

3.1 雷达多普勒径向速度图像统计

对表 1中列举的雹云进行雷达多普勒径向图像分析统计后得出“大风区”为12次, “中气旋”为10次, 其他分别为:辐合 (风速未达到大风区20m/s的标准) 7次, 气旋性辐合2次, 反气旋性辐合1次。各种雷达多普勒径向图像特征出现时伴随的天气现象如表 2。

表 2 北京地区2001年和2002年出现的32块雹云的多普勒径向速度特征分类

从表 2中可以看出, “大风区”易产生风雹天气, 强烈的辐合也会产生风雹。风雨雹全部由“中气旋”生成, 平均的结果“中气旋”产生的降雨量18.8 mm大于“大风区”产生的降雨量4.7 mm。与“反气旋性辐合”雹云对应的天气特征是:风速14 m/s, 降雨量5.2 mm, 冰雹直径4 mm, 总的来说灾害天气现象不强烈。在分析过程中, 对雷达头顶回波的多普勒径向速度场识别有一定的困难。如对北京市区的天安门、石景山的2次降雹都难以看出“大风区”的迹象和“中气旋”的结构。它们与雷达站距离均小于10 km, 城市下垫面影响多普勒径向风场的结构, 只能看到气旋性辐合。降水量却分别达到28.6 mm, 19.4 mm, 风速分别为13.5 m/s, 6.1 m/s。

3.2 雹云的多普勒径向速度特征出现时间与实况比较

雷达多普勒径向速度特征形成的时间提前于地面实况, 对预报来讲是有意义的, 而分析者对某些特征有过多种类的解释则是不利的。对雷达多普勒径向速度场出现图像特征时间和实况出现时间进行比较, 得到图 4。图 4的纵坐标为天气现象出现与雷达多普勒径向速度特征出现的时间之差。横坐标为雷达多普勒径向速度场图像特征, 图中出现的负值为观测到的雷达图像特征晚于天气现象的过程。

图 4. 雹云的多普勒径向速度图像特征出现时间与实况出现时间比较

从图 4中统计结果结合表 1中的雷达回波强度可以看出:多普勒径向风场图像特征出现的时间一般都早于灾害天气出现的时间。当回波发展的初始阶段强度还未达到强对流的标准时, 多普勒径向风场有时已经出现有利于回波进一步发展的结构特征。无论是大风还是冰雹, “大风区”图像比天气现象出现的时间提前量大于“中气旋”的提前量, 这是由于“大风区”与冷空气相联系, 它是一股下沉气流, 经常激发飑线天气, 属于β-中尺度的天气系统。“中气旋”是风暴单体中不同气流交汇形成的涡旋, 尺度更小, 属于γ-中尺度的天气系统, 存在的时间更短, 极易出现突发性灾害天气。

3.3 雹云的多普勒径向速度特征与强度特征

对雹云图像的识别仅依靠雹云的多普勒径向速度图像特征是不够的, 还要结合雷达的强度场进行分析。一块云是否会发展为冰雹云, 首先分析云的多普勒径向速度特征, 用以判断云体处于天气系统的部位, 是否利于进一步发展, 下一步结合雷达回波强度、高度、形状特征等判别[15], 两者结合才能判断一块云是否能成为雹云。过去的许多分析表明雹云有一些特殊的强度场特征, 如钩状回波 (PPI), 悬垂回波 (RHI), 弱回波区 (RHI), “ V”形缺口 (PPI、RHI) 等, 应用这些强度图的经验是必不可少的。

4 降大冰雹雹云的多普勒雷达图像特征

在对2001和2002年降雹资料的统计过程中, “大风区”和“中气旋”对识别冰雹直径大小的指示意义不明显。但是, 大雹 (直径大于40 mm的冰雹) 在多普勒雷达图像中有明显指示意义的图像特征。在统计中第6, 12, 29块冰雹云是3次降大冰雹的个例。

根据上述3个大雹个例的雷达回波图像可以看出, 它们在PPI (Z) 图上都有“V”形缺口, 且持续时间都超过15 min。彩图 5为2001年7月25日连续4个时次、1.5°仰角的PPI (Z) 图像, 强中心的强度大于55 dBz, 从图中可以看出“V”形缺口随雷达回波强中心的移动而移动。“V”形缺口形成是由于大冰雹粒子对电磁波的强衰减, 使大粒子后面的回波不能被雷达徒测到造成的特殊雷达回波形状。“V”形缺口前的回波强度为55 dBz以上。在3个个例PPI (V) 动态图上, 都有低层径向风风速加大的过程。低层径向风风速加大指示低层辐合加强, 对流发展更加旺盛, 说明大冰雹产生于发展旺盛的强对流云中。

图 5. 2001年7月25日北京郊区昌平 (参见图 6a中的位置) 降雹时的雷达回波强度图 (单位: dBz, 仰角:1.5°, 距离每圈30 km)

从RHI (Z) 图上, 产生大冰雹的回波高度都大于12 km。在RHI (V) 图中, 3次降雹都出现了低层辐合高层辐散的多普勒径向速度风场结构。

5 雷达资料应用举例

对上述雹云多普勒径向速度特征分析结果在2003年7月后雷达回波观测分析中进行应用, 效果较好, 举例说明如下。

5.1 2003年7月20日雹云

2003年7月20日15:40左右天气预报会商时, 短时预报指出:本市有雷雨天气, 局部有冰雹。预报依据是: ① 低涡后部的冷空气是有利的天气形势背景; ② 雷达回波强度于15:30已达到50 dBz, 多普勒径向速度场中回波区为辐合, 回波将进一步发展。16:00时回波发生合并, 多普勒径向速度场中出现“中气旋”, 云体的尺度约10 km, 没有发现径向速度大值区, 由此进一步明确有冰雹、暴雨。事实是, 该日16:00左右北京怀柔区的九渡河、黄花城、红庙、东宫等村持续降雹30 min, 冰雹有乒乓球大小。因未发生在气象站上, 测不到当时风的情况, 根据黄花城的水文资料15:00—16:00降雨量达到36 mm。

5.2 2004年6月18日雹云

2004年6月16日、17日的降水使北京上空的湿度较大, 18日北京处于低压后部, 高空有弱冷空气。从12:00开始北京市西部出现降水回波, 移动缓慢, 考虑有局地暴雨天气出现。14:00发现延庆西北方向有强对流回波生成, 15:00移近延庆, 多普勒径向速度场中出现“中气旋”, 回波高度达到12 km, 强度60 dBz, 移动速度15 km/h。马上通报延庆区有冰雹、雷雨大风、局地暴雨天气。15:40雷达值班员天气会商指出:受雷雨回波带东移影响, 短时内仍有大范围雷雨天气, 回波移动缓慢易造成局地暴雨, 由于回波高度达12 km, 强度60 dBz个别地方有冰雹。18:26雷雨回波带的南端再一次加强, 在北京市区出现新生回波, 多普勒径向速度场中是气旋性辐合特征, 回波高度10 km, 判断市区可能出现暴雨和冰雹。在后来的演变中不断有回波在市区生成发展, 形成一条短带, 滞留在市区上空长达2 h。事后收集到的地面灾情资料如表 4, 地面灾情资料验证了当时的分析判断是准确的。此次灾情发生的位置如图 6所示。

表 4 2004年6月18日北京地区灾害天气记录

图 6. 北京地区部分气象台站分布示意图 (a) 部分郊区气象台站分布, (b) 部分城区自动站分布

6 结论

降雹过程是一个复杂的大气物理过程, 冰雹形成机制也有多种科学假说[17-18]。但“大风区”、“中气旋”的多普勒径向速度场特征能表征冰雹云体的动力结构, 对发生什么样的天气现象有启示意义。当然还不能说出现这些特征就一定出现冰雹及相伴的天气, 但是它们的出现表示大气中流场的动力结构有利于这些天气现象的发生, 结合其他资料分析, 能使冰雹的短时预报时效提前, 对伴随冰雹出现的其他灾害天气有一定的指标意义。

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