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  暴雨灾害   2019, Vol. 38 Issue (1): 48-58.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2019.01.006

论文

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2019.01.006

资助项目

金华市科技局社会发展类一般项目(2015-3-029)

第一作者

严红梅, 主要从事短时临近预报研究。E-mail:676462492@qq.com

文章历史

收稿日期:2017-03-27
定稿日期:2017-11-02
金华地区18次冰雹天气的大气环境与雷达回波特征分析
严红梅1 , 梁亮1 , 黄艳1 , 刘学华1 , 钱华峰1 , 史瑞琴2     
1. 浙江省金华市气象局, 金华 321000;
2. 武汉区域气候中心, 武汉 430074
摘要:利用MICAPS、多普勒雷达资料和中尺度气象资料,统计了近9 a来金华地区共18次冰雹个例,并对其形成的天气学机制和雷达回波特征进行了分析研究。结果表明:(1)金华地区的冰雹天气型分为西风槽型和副热带高压影响型两类,年际高发时段集中在春季和盛夏,日际则集中在午后。(2)对流有效位能和风垂直切变是影响该区域冰雹产生的重要因子,夏季冰雹大多产生在高能弱切变环境下,春季冰雹大多产生在低能强切变环境下,大冰雹多出现在高能环境下,极易出现在高能且中等以上切变环境中。(3)冰雹发生前大气的水汽含量较高,整层大气可降水量(PWV)的平均值可达40.8 mm,而湿球温度0℃层则适宜。(4)冰雹单体生命史均超过1 h,0.5°仰角最大反射率因子值超过60 dBz;冰雹云风暴顶高分布与回波顶高度分布一致,且具有较明显的季节变化。(5)单体的垂直累积液态水含量(VIL)先增后降,中间至少有一次跃增过程,其最大值出现后的突降时间与降雹时间基本一致;强天气概率(SWP)产品相对冰雹出现有12~160 min不等的提前量。
关键词冰雹    天气型    雷达回波    大气环境    
Study on the atmospheric environment and radar echo characteristics of 18 hail events in JinHua
YAN Hongmei1 , LIANG Liang1 , HUANG Yan1 , LIU Xuehua1 , QIAN Huafeng1 , SHI Ruiqin2     
1. Jinhua Meteorology Bureau of Zhejiang Province, Jinhua 321000;
2. Wuhan Regional Climate Center, Wuhan 43007
Abstract: Using micaps data, Doppler radar data and mesoscale meteorological data, etc, eighteen hail events occurred in Jinhua area during 9 years were analyzed. The results showed that:(1) the weather types of hail in Jinhua can be classified into two types, i.e., westerly trough type and subtropical high type. The annual high occurrence time is concentrated in spring and summer, while the diurnal peak is concentrated in the afternoon. (2) The convective available potential energy and wind vertical shear are two important factors for hail generation. Hail in summer mostly occurred in high energy and weak wind shear environment. Hail in spring mostly occurred in the low energy and strong wind shear environment. Large hail occurred in high energy environment, especially in the high energy and medium shear environment. (3) The moisture content of the atmosphere before the occurrence of hail is very high. The average value of PWV can reach 40.8 mm, and level of wet blub zero is appropriate. (4) The lifetime of hail is more than 1 hour, and the maximum radar base reflectivity is above 60 dBz. The distribution of storm top height of hailstorm cloud is consistent with that of echo top height, and has an obvious seasonal variation. (5) VIL (storm cell) of hail storm increases first and then decreases, with at least one jump in the middle. The sudden drop time after the maximum value is basically the same as the hail time. Strong weather probability (SWP) product is ahead 12~160 min of hail.
Key words: hail    the weather types    radar echo    atmospheric environment    
引言

冰雹天气发生的范围小、时间短、来势猛、强度大,并常伴随狂风暴雨,易对人民群众的生产生活造成重大损失,且预报难度大,是浙江省主要的灾害性天气之一。目前一些学者对北京、江西、安徽等地冰雹天气的发生机制做了大量研究,廖晓农等[1]、雷蕾等[2]研究表明,北京在高能带的中心,特别是在-30 ℃至-10 ℃层内有高对流有效位能(CAPE)时,大冰雹的出现可能性极大,且冰雹的发生一般在低层有较深厚的逆温层,且K指数在临近6 h内出现4 ℃左右的增幅;金米娜等[3]指出江西冰雹的发生需要有利的环境条件,特别是适宜的0 ℃层和-20 ℃层高度有利于冰雹增长;鲁德金等[4]对安徽地区春夏季冰雹云雷达回波特征分析表明,春夏季冰雹云回波强度至少为55 dBz,单体最大垂直累积液态水含量(VIL)至少为30 kg·m-2,大多为40~80 kg·m-2。对于金华地区的冰雹,邵伟军等[5]、赵贤产等[6]、方桃妮等[7]的研究表明,6.0°仰角首先能探测到-6 ℃层高度附近回波强度大于等于30 dBz的对流单体,距降雹提前约40 min,而合适的0 ℃层和-20℃层有利于小冰雹的形成。以上研究往往是基于某个典型个例或者数量较少的几个个例,研究样本及时间尺度均有不足。金华作为浙中农业生产中心城市,每年雹灾造成的经济损失较为严重,对冰雹天气监测预报预警的能力亟待提高。本文收集统计了金华雷达建站以来(2007—2015年)较为典型的18次冰雹过程,从相对较长的时间尺度、较多样本数量上,对金华地区冰雹天气形成的天气学机制和雷达回波特征进行了详细研究,以期找出能较好表征冰雹天气本地化的物理量和阈值,弥补相关研究的空白,为冰雹天气的潜势预报提供一定的科学参考。

1 资料和方法

多普勒雷达资料选取金华雷达站2007—2015年的数据,探空资料选取衢州、杭州国家气象站数据。参考廖晓农等[8]研究方法,根据个例发生时间,若冰雹生成时间在上午(14时前,北京时,下同),则取当日08时的探空资料;若在下午(14—20时),则对08时探空资料,用14时的地面温度和露点温度进行订正;若在夜间(20时之后),则用当日20时探空资料。另外,分别用0—6 km的风矢量差和0—2 km的风矢量差代表深层及低层的风垂直切变。冰雹风暴单体最强时刻最大反射率因子及其高度、基于单体的VIL、最高质心高度峰值来源于SCIT算法输出的风暴结构属性。冰雹天气时间来源于金华市气候影响评价及相关的灾情资料。统计2007—2015年金华地区18次典型的冰雹个例情况如表 1所示。

表 1 2007—2015年金华地区18次冰雹个例情况表 Table 1 List of 18 hail events in Jinhua from 2007 to 2015.
2 降雹时间分布特征 2.1 月变化和日变化特征

图 1a金华地区降雹日数的月分布,从中可见,金华降雹天气集中在2—11月,其中春季(2—5月)和盛夏(7—8月)的降雹概率最大;7月份最多,8月次之;9、10月无冰雹过程。原因主要是由于春季暖湿气流活跃,与南下的冷空气交汇,易产生强烈的对流天气;盛夏太阳辐射最大,地面收支热量较大,低层大气湍流加强,易发生热对流天气。春季和盛夏均是激烈天气的易发期,因此易出现冰雹。图 1b给出金华地区降雹时间的日分布,从中可见,上午时段(06—12时,北京是,下同)无降雹发生,下午时段(12—18时)降雹达66.6%,夜间时段(18—06时)为33.3%。可见,下午时段为金华地区降雹高发期,下午是一日中最需关注的时段,同时也说明热力条件是产生冰雹的重要因素之一。

图 1 金华地区降雹日数的月分布(a)和降雹时间的日分布(b) Fig. 1 (a) Monthly distribution of hailing days and (b) daily distribution of hailing time in Jinhua.
2.2 冰雹生命史特征

研究表明,所有个例的冰雹单体生命史均超过1 h,有的甚至超过2 h,比一般对流单体生命史(20~40 min)更长。生成时间段在11—20时的冰雹单体占总数的78%,同时该时段内地面温度也通常达到极大值,梁爱民等[9]研究表明,此段时间内的CAPE达到最大,而对流抑制能量最小。因此,该时段冰雹天气发生的概率较大。

3 天气学背景

通过对所有冰雹天气个例的天气学进行分型,得出金华的冰雹天气主要受高空槽和副热带高压(以下简称副高)两类天气系统影响。

3.1 高空槽型

此类天气系统对金华冰雹天气的影响主要分为冷涡槽后和槽前型两类,尤其是槽前型发生比例较大,占冰雹天气发生总数的33.3%。冷涡槽前型天气形势通常在高低空均为一致西南气流,且200 hPa有急流、700 hPa及以下西南气流加强或同时存在急流带,高低空急流耦合形成强烈的垂直上升运动;地面场上,冰雹天气发生前,整个浙江省均处于暖气团的控制,随后有中路冷空气南下或海上回流的冷空气,使得原本高温高湿的大气得以触发,此时产生的冰雹天气也往往伴随着短时强降水和大风,此类冰雹天气型多属于“湿对流”。冷涡槽后型的500 hPa高空通常为一致的西北气流,且风场大多与温度线交角较大,具有较强的冷平流;中低层(850 hPa)在淮河上游地区一般有一个20 ℃的暖中心。此类天气形势地面场在降雹之前多为东南风或南风,带来海上暖湿空气,有利于对流层下层的增温增湿,上层干冷侵入,中低层暖湿抬升,触发强天气。

3.2 副热带高压型

此类天气型主要发生在春夏交际和盛夏时节,分为副高边缘型和副高控制型。当副高减弱南压或东退时,西风带有低槽东移,低层(850 hPa)有槽切或冷式切变配合,地面有弱冷空气扩散,冰雹天气多沿副高边缘发生;当副高脊线维持在25°—32°N之间,金华处于副高588 dagpm线控制下,地面为弱脊或倒槽内的偏南风控制中,近地面气温较高,若近地层(925 hPa)有小扰动触发,则热对流天气多发,易产生冰雹天气,统计表明此类天气形势下产生的冰雹以大冰雹居多。

4 环境背景特征

强对流天气发生的条件是,低层有较充足的水汽、不稳定层结和气块到达凝结高度的抬升机制[10]。冰雹是强对流天气的一种,对流风暴中的强上升气流是产生冰雹的必要条件,产生冰雹典型环境的探空特征主要有以下三方面:1)较大的对流有效位能(CAPE),特别是-10 ℃到-30 ℃层之间的CAPE值,反映了不稳定能量在冰雹区积聚[11];2)较强的深层垂直风切变(Wsr);3)适宜的冰雹融化层到地面的高度,且冰雹的融化层更接近于湿球温度0 ℃层[12](文中湿球温度0 ℃层高度是指到地面的高度)。

通常认为暖季中高纬度地区0—6 km风矢量差超过12 m·s-1为中等以上垂直风切变,CAPE值为1 000 J·kg-1以上为中等以上对流有效位能[13]。因此,将0—6 km风矢量差小于12 m·s-1定义为弱切变,12~20 m·s-1为中切变,超过20 m·s-1为强切变。

对冰雹日的临近探空指数分布特征进行统计(图 2),从中可见:1)从不稳定能量看,冰雹出现之前探空的CAPE均值为1 785 J·kg-1,极大值为4 802 J·kg-1,极小值为162 J·kg-1;环境对流有效位能的变化具有明显的季节性,7、8月份较高,其它月份相对较低,表明不稳定能量(即浮力)条件不是强上升气流发生发展的唯一因素。2)从大气可降水量(PWV)看,冰雹发生前大气的水汽含量较高,均值为40.8 mm,极大值为59.7 mm;结合探空图(图略)的温湿分布特征可知,水汽主要集中于低层,中高层则会出现相对较干的区域。3)从垂直风切变(Wsr)看,0—6 km的Wsr均值在16 m·s-1左右,深层Wsr较大,利于对流风暴的持续发展。4)湿球温度0 ℃层高度在2.3~4.1 km,平均高度位于3.3 km左右,-20 ℃层的平均高度则位于7.7 km左右,符合苏浙沪地区出现冰雹的适宜0 ℃及-20 ℃层高度[14]

图 2 2007—2015年金华地区冰雹日临近探空指数分布特征 (a) CAPE (单位: J·kg-1), (b) PWV (单位: mm), (c) 0 ℃和-20 ℃层高度(单位: km), (d) Wsr (单位: m·s-1) Fig. 2 Distribution characteristics of approaching sounding indices of hail day in Jinhua from 2007 to 2015. (a) CAPE (unit: J·kg-1), (b) PWV (unit: mm), (c) 0 ℃ and-20 ℃ height (unit: km), (d) Wsr (unit: m·s-1)

表 2给出不同对流有效位能及不同风垂直切变下的冰雹个例分布,从中可见,对流有效位能和风垂直切变是影响金华冰雹天气发生的两个重要因子,冰雹天气不仅能在对流有效位能和深层风垂直切变均较大的条件下产生,而且在高能中切变或弱切变、低能强切变或中切变的条件下也能产生,但无个例在低能弱切变条件下产生。大多数高能中切变或弱切变发生在盛夏(7—8月),所有低能强切变或中切变均发生在春季(2—5月)。超过2 cm的冰雹80%是在高能环境下产生的,20%出现在低能强切变环境下,本文根据俞小鼎[15]的定义方法,将直径2 cm及以上的冰雹称为大冰雹,直径2 cm以下的冰雹称为小冰雹。总之,大冰雹多产生在高能环境下,如果在低能环境下则须满足强切变条件。

表 2 不同对流有效位能及不同风垂直切变下的冰雹个例分布 Table 2 Distribution of hail cases of different kinds of convective available potential energy and different wind shears.
5 雷达回波特征 5.1 冰雹云的雷达回波强度特征

冰雹云是强风暴的产物,根据微波散射的理论[16],冰雹尺寸较大,其回波强度特别强。在降雹过程中,冰雹云体所观测到的最大基本反射率(MaxREF)达到55 dBz以上,对流发展旺盛的冰雹云回波强度可达到65~73 dBz[17]。对所有个例的最大反射率因子进行统计可知,MaxREF均在60 dBz以上,且大冰雹的MaxREF普遍高于小冰雹。

5.2 冰雹云的雷达回波高度特征

冰雹云的上升气流特别强,故它的回波顶高度ET (18 dBz以上的回波所能达到的最大高度)特别高,反映了风暴发展的强烈程度。分析冰雹单体个例的ET月份变化(图 3a中蓝点)可知,2—8月,ET随时间推移而增大;从11月起呈下降趋势,表明其具有明显的季节性变化特征;ET的高度范围为8~18 km,均值为13.8 km,最大值为18 km。SCIT算法中规定冰雹单体30 dBz回波的最大高度为风暴顶高,30 dBz回波高度(图 3a中红点)范围为5.6~14.3 km,均值为10.9 km,最大值达14.3 km,30 dBz回波高度比ET高度低,分布与ET分布一致。

图 3 (a) 冰雹云回波顶高度(蓝点)和30 dBz回波高度(红点)的月分布(单位:km);(b)冰雹云最大单体VIL值的月分布(单位: kg·m-2);(c)冰雹云个例的最大单体VIL值随时间的变化(单位: kg·m-2);(d)冰雹云回波剖面上50 dBz回波伸展高度和-20 ℃等温线所在高度(单位: km) Fig. 3 Monthly distribution of (a) echo top height (blue dot) and 30 dBz reflectivity height (red dot) of hail storm cloud (unit: km), (b) monthly distribution of maximum VIL (unit: kg·m-2) of storm cell of hail storm cloud, (c) variation of maximum VIL (unit: kg·m-2) of storm cell of hail storm cloud cases, and (d) 50 dBz echo stretching height and -20 ℃ isotherm height (unit: km).
5.3 冰雹云的单体VIL特征

VIL的大小反映了风暴发展的强弱,从单体VIL值的计算方法中可知,单体VIL值与最大反射率和垂直高度有关[18]。最大单体VIL值为降雹过程中雷达探测到的单体VIL值的极大值。由最大单体VIL值的月分布(图 3b)分析可知,最大单体VIL值的最小为28 kg·m-2,最大为77 kg·m-2,平均为50.4 kg·m-2。单体VIL值的大小与降雹直径没有明确关系,这与Steven等人[19]研究结论一致。2007年7月23日冰雹天气个例中单体VIL值高达77 kg·m-2,冰雹直径只有5 mm,而在2010年5月1日的个例中单体VIL值只有28 kg·m-2,冰雹直径为30 mm。

选取5个个例的冰雹单体,分别作其最大单体VIL值随时间的变化图(图 3c),时间单位为雷达体扫间隔(约6 min),从中可见,最大单体VIL值出现后突降的时间与降雹时间基本一致,冰雹不是发生在VIL值最大的时刻;最大单体VIL值随时间的总体变化特征为先增大至峰值,然后再降低,且中间至少有一次跃增过程。这与当时的天气形势、地形、不稳定能量等因素有关[20]。最大单体VIL值多次跃增时,地面降雹往往也呈现间歇性。

5.4 冰雹云单体50 dBz回波伸展高度和-20 ℃层高度对比

出现大冰雹的条件之一是-20 ℃等温线高度之上出现超过50 dBz的反射率因子。图 3d给出冰雹云回波剖面上50 dBz回波伸展高度和-20 ℃等温线所在高度,从中可见,大部分冰雹个例50 dBz回波伸展高度超过-20 ℃等温线的高度,大部分大冰雹个例50 dBz回波伸展高度超过-20 ℃等温线高度2.6 cm以上,但有4个个例50 dBz回波伸展高度未超过-20 ℃等温线高度,分别是2009年2月23日、2009年2月25日、2010年5月1日和2014年7月16日个例。但这四个个例中有三个个例产生了2 cm以下的小冰雹,而2010年5月1日的个例产生了3 cm大冰雹,它的-20 ℃高度和湿球温度0 ℃高度相对偏低,分别为6.7 km和2.3 km,50 dBz等温线高度为5.5 km,其成因有待进一步的深入研究。

5.5 强天气概率SWP的特征

SWP表征了风暴单体未来30 min内发展成强对流风暴的概率大小,出现冰雹时SWP产品均能有所体现,SWP相对冰雹预报有一定的提前量。对冰雹个例分析可知,该产品可以有12~160 min不等的提前量。相比小冰雹,2 cm以上大冰雹出现时,91%的样本SWP值均超过10。因此,SWP产品也可作为冰雹天气预报的一个参考。

6 冰雹典型个例分析

选取副高控制型和槽前型的典型冰雹个例各一个,从天气形势及雷达回波特征方面进行详细分析。

6.1 2007年7月26日金华—义乌大冰雹过程

2007年7月26日19:20—19:50 (北京时,下同),在浙江省义乌市上溪镇与城西街道正中部突发局地冰雹、大风天气,最大冰雹直径3~5 cm,降雹过程持续约10 min,最大风速大于等于8级,实测降水量30 min达26.4 mm。

6.1.1 天气形势

7月22日以来浙中地区高空处于副高脊线北侧,持续晴热高温天气。26日08时河套中部附近有低槽东移,华东中北部地区高空受副高脊线北侧偏南气流控制,中低层为一致西南气流,其中湘西至徽东一带有急流带生成,近地层(952 hPa)在赣东一带有弱的风向辐合,浙江省地面处于倒槽头部的偏南风中,浙中一带从11 h开始,近地面(1 000 hPa)一直有弱东北风和东南风的辐合存在。前期持续晴热高温大气积累了足够的能量,近地层的弱辐合起到触发抬升作用,引发了该天气过程。

6.1.2 对流参数分析

金华无探空站,选取离金华最近的衢州站探空资料,利用地面观测资料对当日14时的探空图进行订正(图 4a),从中可见,衢州站午后的CAPE值较大,达到2 237 J·kg-1;0—6 km的垂直风切变较小,但由于冰雹出现在傍晚,衢州20点探空500 hPa为10 m·s-1西南风,925 hPa为2 m·s-1东北风,两层之间风矢量差为12 m·s-1,已到达中等强度垂直风切变,因此能导致较高组织化的风暴产生;PWV达到40.9 mm,湿球温度0 ℃高度和-20 ℃高度分别为3.33 km和8 km左右;各项指数均表明金华附近的环境场极其不稳定。

图 4 2007年7月26日14时衢州站(a)订正探空T-LogP图和(b)2010年2月25日20时探空T-LogP Fig. 4 (a) Corrected T-LogP diagram from Quzhou station at 14 BT on 26 July 2007 and (b) T-LogP diagram from Quzhou station at 20 BT on 25 February 2010.
6.1.3 地面辐合线

冰雹发生除具备不稳定条件外,还需一定的触发机制才能使潜在不稳定能量释放并产生强对流[21],近地面层辐合为雷暴新生提供了重要的抬升机制[22]图 5给出2007年7月26日不同时次地面辐合线的演变图,从中可见,从11时开始浙西有弱的地面辐合线不断生成,并逐渐扩展,17时其东段延伸至浙东一带,20时辐合明显加强,贯穿整个浙中。辐合线的不断加强,增强了低层的抬升作用,触发了强对流天气(强对流和冰雹发生在18:50—20:30)。

图 5 2007年7月26日11时(a)、14时(b)、17时(c)、20时(d)地面辐合线的演变图(虚线表示地面辐合线) Fig. 5 Evolution of surface convergence lines at (a) 11:00 BT, (b)14:00 BT, (c)17:00 BT, and (d) 20:00 BT on 26 July 2007 (Dotted line represents surface convergence line).

此次强对流有很强的局地性,可能与上溪镇附近中型水库提供了有利的水汽供应有较大关系。另外,从中尺度气象监测站风向数据(图略)分析可知,18 h义乌北部包括上溪站的风向,均由偏南风转为偏北风,义乌北部1 h气温下降了2~4 ℃。可以推断有弱的冷平流扩散,与原地暖气团交汇,且地面辐合线起到了一定的触发作用,激发了上溪镇附近的强对流天气。

6.1.4 雷达回波特征分析

该过程开始时间为18:50,从基本反射率因子(R) 6.0°仰角(图略)分析可知,义乌上溪镇西北方约5 km处出现强度大于等于30 dBz的回波,其它仰角无明显回波。18:56回波增强至48 dBz,2.4°仰角的回波强度达30 dBz,说明雷暴单体已开始向上向下发展。19:02起0.5°仰角的回波强度已达35 dBz,上层最强已达57 dBz。19:08最强回波达62 dBz,云顶距地高度猛增至12.2 km,此时ET达14 km。19:14回波强度值(64 dBz)与VIL值(62 kg·m-2)均达顶峰,ET值高达16 km,回波核高度升至8.3 km,19:14上溪站10 min降水量0.6 mm。19:26 (图 6a1a2)回波核高度下降至距地6.4 km,地面风速增大,1 min平均风速最大9.8 m·s-1,此时上溪站10 min降水量为9.8 mm,≥55 dBz回波的高度达5~6 km,在1.5°仰角沿71.6°方位上出现了钉子状的三体散射现象(TBSS,图 6a1a2圆圈所示),并持续了两个体扫,0.5°—4.3°仰角上有明显的钩状回波(图 6b1-b3),垂直剖面图上呈回波墙特征(图 6c1-c6)。19:38强回波核高度骤降至1.9~0.9 km,强回波范围扩大,地面开始降冰雹,此时该地10 min降水量达17.4 mm,1 min平均风速最大10.7 m·s-1。19:44开始,回波从中高层向下逐层减弱,最强下降到59 dBz,云顶高度降低,上溪站10 min降水量降至3.8 mm,转为一般性降水。从组合反射率(CR)分析可知,回波单体呈单泡结构,形状呈圆形或椭圆形,水平直径仅15~20 km,属中γ尺度系统。

图 6 2007年7月26日金华雷达19:26和19:32强度的三体散射图(a1—a2)和19:26的0.5°、1.5°、4.3°三个仰角的反射率因子图(b1—b3)以及19:14—19:44反射率因子剖面演变图(单位: dBz) (c1—c6, P1、P2分别为作剖面线的起点和终点,deg为作剖面时的方位角单位,km为剖面线点距离雷达站的距离单位,下同) Fig. 6 (a1, a2) Three body scattering echoes of intensity at 19:26 and 19:32 and (b1-b3) reflectivity at 0.5°, 1.5° and 4.3° elevations at 19:26, and (c1-c6) evolution of cross section of reflectivity from 19:14 to 19:44 from Jinhua radar on 26 July 2007 (unit: dBz) (P1 and P2 are the start and end points of the section line, respectively. The azimuth unit is degree when making a profile and the distance unit is km for a profile point distance from the radar station).

该过程从速度图上未观察到中气旋。从反射率因子剖面演变(图 6c1c6)分析可知,19:14—19:20垂直剖面图上,55 dBz以上回波扩展到近12 km,远超过-20 ℃等温线的高度(约8.2 km),此时应该是风暴发展最旺盛的阶段;19:26,55 dBz以上回波扩展高度有所下降,为8.4 km,但仍超过-20 ℃等温线的高度;19:32,55 dBz以上回波扩展高度明显下降至6 km处,此时回波核心高度也明显下降,强回波逐渐接地,冰雹降落;19:38仍明显看到强回波接地,降雹仍在持续;19:44分回波减弱,此时降雹过程已趋于结束。

图 7给出2007年7月26日金华雷达探测到的最大单体VIL值和SWP的时间演变图,从中可见,19:02,最大单体VIL值从7 kg·m-2增至33 kg·m-2,19:08又骤增至55 kg·m-2,19:14达顶峰62 kg·m-2。上溪站19:04—19:14的10 min降水量为0.6 mm,19:32、19:38这两个体扫的最大单体VIL值分别下降至49 kg·m-2、42 kg·m-2,19:32实况地面已开始降冰雹,和图 7a中降雹时间段对应,即最大单体VIL值第一次出现(19:14)后的突降时间段(19:32—19:38);19:44开始,回波从中高层向下逐层减弱,最大单体VIL值降至35 kg·m-2,之后不断降低直至过程结束。这次冰雹过程发生前的19:02,SWP产品(数值为7)就已有所体现,之后随着雷暴发展SWP值不断增加,19:08达到最大值18,下一体扫稍降至16,19:26又增至18,降雹结束后SWP值迅速降低。

图 7 2007年7月26日金华雷达探测到的冰雹最大单体VIL值(a, 单位: kg·m-2)和SWP (b, 单位: %)的时间演变 Fig. 7 Evolution of (a) the maximum VIL (unit: kg·m-2) of storm cell and (b) SWP (unit: %) of hail storm detected by Jinhua radar on 26 July 2007.
6.2 2010年2月25日大冰雹过程

2010年2月25日19—23 h金华市中北部地区出现了一次较明显的强对流天气,并伴有短时大到暴雨、8—10级雷雨大风与冰雹,其中最大冰雹直径为3 cm。

6.2.1 天气形势

2010年2月25日08时500 hPa高原槽东移,金华市高空处于槽前强盛的西南气流中,低层位于暖式切变的南侧,且低空有西南急流存在,金华市处于急流出口左侧,存在强对流天气产生的充足水汽与动力条件(图略)。地面图上,强对流天气发生前整个浙江省均处于暖低压的控制下,冷高压主体偏北,北方冷空气势力较弱,低层没有形成强锋区,但有弱冷空气不断从河西—河套地区扩散南下,弱干冷空气与强暖湿空气交汇,有利于触发强对流(图略)。

6.2.2 对流参数分析

图 4b给出的2010年2月25日20时探空图分析可知,衢州站CAPE值较小,仅为492 J·kg-1;0—6 km垂直风切变较大,约为33 m·s-1,厚而强的垂直风切变有利于维持风暴单体内的强上升气流,属于低能高切变环境。从2010年2月25日20时探空图物理量数据得到PWV为41 mm,超过18个个例PWV均值(40.8 mm),550 hPa以下较湿,500 hPa以上较干,上干下湿层结有利对流发展。

6.2.3 雷达回波特征分析

该过程造成金华市兰溪朱家镇附近出现3 cm冰雹和10级以上雷雨大风。过程开始前的18:51 (图略),在距离雷达50 km处的龙游北部地区,仰角6.0°上的雷达反射率已达40 dBz,下个体扫2.4°和3.4°仰角的回波强度达50 dBz以上,说明回波已经开始向上向下发展,此时VIL值仅为5 kg·m-2。19:03 (图 8a),回波继续东移北抬加强,最强反射率因子已达到62 dBz,径向速度和强度回波中气旋识别图上均观测到中气旋,各个仰角的转动速度[23]表 3,底高和顶高分别在0.6 km和4.7 km左右,强回波中心高度为2.9 km,且VIL有明显增加,从前一时次的14 kg·m-2增加至30 kg·m-2。中气旋的出现,加强了雷暴主体内气流的水平旋转程度,旋转的上升运动使得雷暴不断发展。19:09—19:15 (图 8bc),雷暴强度增大,高度逐渐增高,19:15最大回波强度为66 dBz,中心高度到达3.9 km,此时中气旋维持。19:21 (图 8d),回波已到达建德与兰溪黄店交界处,低层1.5°以下处于雷达挡角区,看不到完整回波,2.4°仰角以上回波较明显,强回波中心值达72 dBz,径向速度图的各个仰角仍能看到中气旋(图略),且转动速度上下一致为12 m·s-1 (表 3),底高和顶高分别为1.0 km和7.5 km,回波中心高度有所下降,由上一时次的3.9 km下降到2.7 km,剖面图上有界弱回波区(图 9a1-a4)。强度回波3.4°仰角有倒“V”型结构雏形出现(图 9b1-b4),VIL值明显增加,从前一时次的34 kg·m-2增加至50 kg·m-2,达到顶峰值,说明超级单体逐渐发展成熟。19:27 (图 8e)回波强度维持,高度相比上一时次又略有增加,顶高上升至7.8 km,中心高度为3.2 km,速度图1.5°仰角上仍能观察到中气旋,此时中气旋自动识别产品没有识别出中气旋,可能是此地挡角原因,且旋转速度较大(表 3)。参照中气旋识别判据[24],该中气旋为中等强度中气旋,剖面图上可见明显垂悬结构(图 9a1-a4),70 dBz以上回波接地,VIL值开始减小,地面已观测到冰雹。19:33 (图 8f),强回波中心高度迅速降低至1.6 km,降雹持续,由于低层中等强度中气旋的存在,使该超级单体持续发展,且30 dBz高度仍在7 km以上,VIL为48 kg·m-2,相比上一体扫略有上升,2.4°仰角以上可见清晰的倒“V”型结构(图 9b1-b4)。19:39 (图略),强回波中心高度已下降至0.3 km,VIL下降至43 kg·m-2,2.4°仰角以上倒“V”型结构明显(图 9b1-b4),降雹仍持续,但此时速度图上中气旋已消失(图略)。19:45之后降雹结束。该降雹过程中,中气旋持续了6个体扫,之后迅速减弱消失。该中气旋的出现是雷暴走向成熟阶段的标志之一,中气旋的长时间持续为超级单体提供了能量和水汽,为大冰雹和大风的产生和持续提供了有利条件。

图 8 2010年2月25日19:03 (a)、19:09 (b)、19:15 (c)、19:21 (d)、19:27 (e)、19:33 (f)金华雷达1.5°径向速度(单位: m·s-1)和雷达反射率因子(单位: dBz)(黄色圈为中气旋) Fig. 8 Radial velocity (unit: m·s-1) at 1.5° and radar reflectivity (unit: dBz) at (a) 19:03, (b) 19:09, (c) 19:15, (d) 19:21, (e) 19:27, and (f)19:33 BT from Jinhua radar on 25 February 2010 (Yellow circle represents middle cyclone).

表 3 中气旋过程各仰角速度(单位: m·s-1) Table 3 Velocity of mesocyclone at different elevation angles (unit: m·s-1).

图 9 2010年2月25日金华雷达19:21—19:45反射率因子剖面的时间演变(a1—a4, 单位:dBz)和4.3°仰角反射率因子倒“V”型回波图(b1—b4) Fig. 9 (a1-a4) Evolution of cross section of reflectivity factor (unit: dBz) and (b1-b4) reverse"V"type echo of reflective at 4.3° angle from 19:21 to 19:45 from Jinhua radar on 25 February 2010.

从最大反射率因子MaxREF来看(图 10a),该过程MaxREF超过70 dBz,且超过60 dBz的反射率因子持续时间超过2 h;最大单体VIL值(图 10b)偏低,为50 kg·m-2,与6.1节的个例中最大单体VIL值的差值达62 kg·m-2。该过程中VIL出现多次跃增,降雹出现在VIL达到最大值后开始第一次跃减之后,此过程的回波顶高ET和30 dBz回波最大高度均不高(图 10c),可见春季冰雹发展高度明显比夏季冰雹低,春季冰雹不需要很高的VIL值也能产生大冰雹。从SWP (图 10d)可见,冰雹发生前约半个小时SWP已有所体现,且SWP值达到峰值后冰雹就出现了。因此,SWP对冰雹预报具有较好的提前量。

图 10 2010年2月25日冰雹个例最大反射率因子MaxREF (a, 单位: dBz)、最大单体VIL值(b, 单位: kg·m-2)、回波顶高ET (红线)和30 dBz回波最大高度(蓝线) (c, 单位: km)以及强天气概率SWP (d, 单位: %)随时间的演变 Fig. 10 Evolution of (a) maximum radar base reflectivety (unit: dBz), (b) maximum VIL of storm cell of hail storm case (unit:kg·m-2), (c) echo top (red line) height and 30 dBz reflectivity height (blue line) (unit: km) and (d) SWP (unit: %) with radar time on 25 February 2010.
7 结论

(1) 金华地区冰雹年际高发时段集中在春季和盛夏,日际则集中在午后。高空槽型和副热带高压型是金华产生冰雹的主要天气形势,其中槽前型最多,其次是副高控制型,且此类型天气下产生的冰雹往往以大冰雹居多。

(2) 对流有效位能和风的垂直切变是影响金华地区冰雹产生的两个重要因子,对流有效位能有明显的季节性。冰雹天气除在低能弱切变条件下没有发生,在高能强切变、高能中切变/弱切变、低能强切变/中切变条件下均能产生。相对小冰雹,大冰雹大多产生在高能环境下,若在低能环境下产生则须满足高切变环境。

(3) 冰雹单体生命史均超过1 h,最大反射率因子MaxREF均超过60 dBz,MaxREF值大冰雹高于小冰雹;单体VIL值具有明显的季节性,VIL最大值出现后突降的时间与降雹时间基本一致,冰雹往往不是出现在VIL值最大时,春季在不高的VIL值下也能产生大冰雹,且春季冰雹发展高度明显比夏季冰雹低;相对2 cm以下小冰雹,大部分大冰雹个例50 dBz回波伸展高度远超过-20 ℃等温线的高度。

(4) 中气旋的出现,加强了雷暴主体内气流的水平旋转程度,旋转的上升运动使得雷暴强度不断发展,中气旋的长时间持续为超级单体提供了能量和水汽,为大冰雹和大风的产生和持续提供了有利条件。

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