龍巖市氣象局 劉 君 肖秀珠 賴巧珍 鄧宇陽
基于龍巖市新一代天氣雷達(dá)資料的冰雹識別與預(yù)警
龍巖市氣象局 劉 君 肖秀珠 賴巧珍 鄧宇陽
利用福建省龍巖市2001~2013年41次冰雹過程的新一代天氣雷達(dá)資料,對冰雹和雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水,以及冰雹自身過程發(fā)展階段和成熟階段的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析,結(jié)果表明,三體散射、V型缺口、鉤狀回波等是冰雹特有的雷達(dá)反射率回波的形態(tài)特征;回波強(qiáng)度、強(qiáng)回波核高度、回波頂高和VIL可用于判斷冰雹,其閾值分別為60dBz、5.3km、8km 和30kg/m2。冰雹的雷達(dá)強(qiáng)回波核(≥60dBz)高度都在零度層以上,冰雹的45dBz雷達(dá)回波伸展高度絕大多數(shù)在-20℃層以上。根據(jù)以上特征判據(jù)和閾值,對龍巖2014—2015年35次強(qiáng)對流天氣(其中有8次出現(xiàn)冰雹)進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn),預(yù)報(bào)10次冰雹,其中8次預(yù)報(bào)正確,2次空報(bào),沒有漏報(bào)。該文還分析了冰雹直徑與雷達(dá)回波形態(tài)特征和數(shù)據(jù)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)如果出現(xiàn)三體散射、V型缺口、鉤狀回波特征,冰雹直徑普遍≥2cm,VIL密度大于2.9,冰雹直徑≥2cm,冰雹直徑與風(fēng)暴頂輻散、弱回波區(qū)伸展高度等沒有明顯相關(guān)關(guān)系。
新一代天氣雷達(dá) 冰雹 識別與預(yù)警
天氣雷達(dá)因其高時(shí)空分辨率特點(diǎn),成為監(jiān)測預(yù)警冰雹的一種有效工具。隨著冰雹的雷達(dá)資料研究,國外在冰雹等強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測和預(yù)報(bào)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)步。我國新一代天氣雷達(dá)布網(wǎng)以來,在強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測與預(yù)警方面已發(fā)揮了明顯效益, 國內(nèi)各地關(guān)于天氣雷達(dá)識別冰雹與預(yù)警的研究較多,如廖向花等[1]、王福俠等[2]、樊志超等[3]、王芬等[4]分別分析了重慶、河北中南部地區(qū)、湘西北山區(qū)、黔西南地區(qū)等地的冰雹過程,總結(jié)了一些冰雹天氣的雷達(dá)回波特征指標(biāo);吳劍坤等[5]、刁秀廣等[6]對風(fēng)暴頂輻散、VIL密度與冰雹尺寸等進(jìn)行了研究,對當(dāng)?shù)乇⑻鞖忸A(yù)警起到了很好作用。但是因地域差異、雷達(dá)型號等因素,這些特征指標(biāo)一般只適用于當(dāng)?shù)乇⒌淖R別和預(yù)警。
福建省龍巖市俗稱閩西,屬于山區(qū)地形,每年冰雹頻繁發(fā)生,給當(dāng)?shù)貛砭薮蠼?jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。龍巖市煙草等農(nóng)業(yè)種植面積廣泛,煙草種植生產(chǎn)是當(dāng)?shù)卣?cái)稅和農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)收入的重要來源,在當(dāng)?shù)責(zé)煵菰苑N生長時(shí)期恰好是冰雹頻繁發(fā)生時(shí)段,冰雹經(jīng)常使煙草等農(nóng)作物絕收或質(zhì)量等級下降,造成巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。近年,陳秋萍等[7]、馮晉勤等[8]、劉君等[9~10]針對福建和閩西的冰雹雷達(dá)資料分析也取得了較多研究成果。冰雹的監(jiān)測預(yù)警水平在逐步提高。但是預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率仍然不是很理想,還無法滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求。本文對福建省龍巖市新一代天氣雷達(dá)運(yùn)行以來積累的(2001~2013年)近12年63次冰雹過程的天氣雷達(dá)資料,在目前研究的基礎(chǔ)上,借鑒國內(nèi)外研究成果,進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究分析,以滿足冰雹的精確預(yù)報(bào)預(yù)警。
1.1 冰雹的年際變化
福建省龍巖市每年均有冰雹出現(xiàn),2001年~2013年共有63次冰雹天氣。冰雹次數(shù)最多的是2005年,為14次,出現(xiàn)最少的年份是2002年、2003年、2009年和2010年,均只發(fā)生1次。每年平均約有5次冰雹天氣過程(圖1)。
圖1 龍巖市2001~2013年冰雹年際變化圖
1.2 冰雹的月際變化
龍巖一年中,冰雹出現(xiàn)在3~8月份和11月份,其余各月沒有出現(xiàn)冰雹;主要出現(xiàn)在3~5月,占76%,以4月份30次為最多(占48%),接近全年63次的一半(圖2)。冰雹出現(xiàn)時(shí)間最早為3月1日(2004年上午8:30~9:00,發(fā)生在上杭縣藍(lán)溪鎮(zhèn)),最遲為11月10日(2004年下午17時(shí)許,發(fā)生在漳平市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn))。
圖2 龍巖市2001~2013年冰雹月際分布圖
1.3 冰雹的日變化
冰雹是強(qiáng)對流性天氣,具有明顯的日變化,63次冰雹天氣過程中有41次有精確降雹時(shí)間。14~22時(shí)(即下午到上半夜)為冰雹高峰期,共有32次,占冰雹總次數(shù)的80%。下半夜、早晨到中午時(shí)段偶有冰雹發(fā)生(圖3)。
圖3 龍巖市2001~2013年冰雹日變化
1.4 冰雹的空間分布
根據(jù)冰雹天氣影響地點(diǎn)(精確到鄉(xiāng)鎮(zhèn)),繪制出冰雹的空間分布圖(圖4),可以看出,2001~2013年冰雹主要出現(xiàn)在永定、上杭、武平、長汀和連城等縣,其中永定中西部、武平東部、上杭東部和連城部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)生冰雹次數(shù)較多,最多的鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)5次冰雹天氣。在龍巖(新羅區(qū))和漳平冰雹出現(xiàn)較少。
冰雹的這種空間分布,首先主要與當(dāng)?shù)氐牡匦斡嘘P(guān),冰雹主要形成在相對海拔較高、地形起伏不平的山區(qū)。由于冰雹天氣主要出現(xiàn)在午后到夜里,在山區(qū)和平原地區(qū)之間,形成強(qiáng)烈的熱力差異造成不穩(wěn)定而產(chǎn)生局地強(qiáng)迫上升運(yùn)動(dòng),有利于強(qiáng)對流的啟動(dòng)和發(fā)生。其次,目前的冰雹實(shí)況反饋記錄機(jī)制還不夠完善,龍巖市部分縣市是煙草種植區(qū),由于冰雹對煙草影響嚴(yán)重,在煙草種植區(qū)發(fā)生的冰雹天氣一般都有記錄反饋,而煙草種植少或沒有煙草種植的地方冰雹的記錄反饋不很完善,有些地方出現(xiàn)了冰雹也可能沒有記錄。龍巖市2001~2013年冰雹的空間分布圖中,冰雹主要發(fā)生地和冰雹發(fā)生較多的地方一般也是煙草種植較多的地方。
圖4 龍巖市2001~2013冰雹的空間分布圖
2.1 冰雹和雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)回波特征對比分析
我們對冰雹的雷達(dá)反射率回波的形態(tài)特征與雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對流的雷達(dá)反射率回波的特征進(jìn)行比較(表1),分析了V型缺口、鉤狀回波、三體散射、正負(fù)速度對“牛眼”、弱回波區(qū)等特征在3類強(qiáng)對流出現(xiàn)的概率,當(dāng)短時(shí)強(qiáng)降水或雷雨大風(fēng)同時(shí)伴有冰雹時(shí)按冰雹統(tǒng)計(jì)。分析發(fā)現(xiàn),這些特征出現(xiàn)的概率,冰雹明顯多于雷雨大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水。雷雨大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水只出現(xiàn)弱回波區(qū)、“牛眼”特征,沒有出現(xiàn)三體散射、V型缺口和鉤狀回波。所以可以把三體散射、V型缺口、鉤狀回波作為冰雹的特有特征。
冰雹中,弱回波區(qū)、“牛眼”特征出現(xiàn)的概率最大,絕大多數(shù)冰雹過程都出現(xiàn),其次分別為三體散射、V型缺口和鉤狀回波。由于龍巖地處山區(qū),且雷達(dá)站所處海拔較高(1508m)以及雷達(dá)型號(CINRAD/SA)等因素,所以V型缺口和鉤狀回波特征出現(xiàn)的概率很小。
表1 冰雹和雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)回波特征對比分析表
2.2 冰雹和雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)對比分析
通過對冰雹、雷雨大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)回波強(qiáng)度、強(qiáng)回波核高度、回波頂高、垂直積分液態(tài)含水量等數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)冰雹的這些數(shù)據(jù)最大,其次是雷雨大風(fēng),短時(shí)強(qiáng)降水的最小。而且對比冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水的回波強(qiáng)度、垂直積分液態(tài)含水量發(fā)現(xiàn):冰雹的回波強(qiáng)度都不小于60 dBz,而短時(shí)強(qiáng)降水的回波強(qiáng)度絕大多數(shù)小于60 dBz;冰雹的垂直積分液態(tài)含水量絕大多數(shù)不小于30 kg/m2,而短時(shí)強(qiáng)降水則絕大多數(shù)小于等于30 kg/m2。分析可見,雷達(dá)回波強(qiáng)度60 dBz和垂直積分液態(tài)含水量30 kg/m2是冰雹與短時(shí)強(qiáng)降水的臨界值。
因?yàn)槔子甏箫L(fēng)可能有時(shí)也會伴有冰雹,雷雨大風(fēng)常發(fā)生在對流單體的邊緣附近,所以測站只記錄了大風(fēng),而測站周邊的冰雹實(shí)況無法取得。這樣可能導(dǎo)致冰雹與雷雨大風(fēng)的這些數(shù)據(jù)大小區(qū)別不是很明顯。
表2 冰雹和雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)對比分析表
冰雹云進(jìn)入成熟階段開始降雹,以2004年11月10日上杭、漳平的一次冰雹過程為例分析(如圖5、圖6),在成熟階段即降雹階段,回波強(qiáng)度、回波頂高、強(qiáng)回波核高度和VIL分別在60 dBz、8km、6km和30kg/m2以上。
圖5 2004年11月10日上杭、漳平冰雹過程回波強(qiáng)度圖
根據(jù)記錄的冰雹實(shí)況時(shí)間和地點(diǎn),統(tǒng)計(jì)了每個(gè)冰雹過程開始降雹時(shí)的一些主要雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)(表3)。從表3可以看出,在開始降雹時(shí)回波強(qiáng)度、強(qiáng)回波核高度、回波頂高、垂直積分液態(tài)含水量最小數(shù)值分別為60dBz、5.3km、8km、30 kg/m2。也就是當(dāng)回波強(qiáng)度超過60dBz、強(qiáng)回波核高度超過5.3 km、回波頂高超過8 km和垂直積分液態(tài)含水量超過30 kg/m2、出現(xiàn)冰雹的可能性就非常大,這些數(shù)據(jù)可以作為判斷冰雹出現(xiàn)的閾值。
表3 冰雹過程雷達(dá)資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表
續(xù)表3
本文收集了降雹日探空的零度層和負(fù)20度層高度,以降雹時(shí)間接近08時(shí)或20時(shí)探空資料為準(zhǔn)。因?yàn)辇垘r站只有從2007年開始增加4~6月的探空資料,所以其他時(shí)段探空資料以廈門站為準(zhǔn)。
分析發(fā)現(xiàn),降雹時(shí)的零度層高度在3620~5267.1m之間,-20℃層高度在7135.6~8507.1m之間。冰雹的45dBz雷達(dá)回波伸展高度在7.2~13.6km之間,絕大多數(shù)都在-20℃層高度以上(如圖7)。同時(shí)分析發(fā)現(xiàn),冰雹的強(qiáng)回波核(≥60dBz)高度在零度層以上(圖8)。
圖7 45dBz回波高度和和0℃層、-20℃層高度對比圖
圖8 大于或等于60dBz回波高度和0℃層、-20℃層高度對比圖
5.1 雷達(dá)回波特征分析應(yīng)用
在龍巖當(dāng)?shù)?,?dāng)雷達(dá)監(jiān)測出現(xiàn)弱回波區(qū)和多普速度正負(fù)對即“牛眼”時(shí),對流有可能繼續(xù)發(fā)展成為冰雹,進(jìn)入冰雹預(yù)警的準(zhǔn)備工作。若出現(xiàn)三體散射現(xiàn)象,說明實(shí)況已經(jīng)出現(xiàn)冰雹,出現(xiàn)V型缺口、鉤狀回波等也基本可以認(rèn)為是冰雹回波,立即進(jìn)行冰雹預(yù)警。
5.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用
將回波強(qiáng)度、強(qiáng)回波核高度、回波頂高和垂直積分液態(tài)含水量大等于60dBz、5.3km、8km、25 kg/m2作為冰雹預(yù)警的閾值,即當(dāng)這四個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)達(dá)到閾值時(shí)進(jìn)行冰雹預(yù)警。另外將45dBz雷達(dá)回波伸展到負(fù)20度層高度以上和強(qiáng)回波核(≥60dBz)高度在零度層以上作為冰雹預(yù)警的參考條件。
5.3 2014~2015年強(qiáng)對流預(yù)報(bào)預(yù)警試驗(yàn)
表4 2014~2015年龍巖冰雹預(yù)報(bào)情況表
續(xù)表4
2014年~2015年龍巖出現(xiàn)35次強(qiáng)對流天氣過程,其中有8次出現(xiàn)冰雹,對其進(jìn)行了試驗(yàn)預(yù)報(bào),據(jù)本文提出的冰雹預(yù)警判據(jù)標(biāo)準(zhǔn),預(yù)報(bào)10次冰雹,8次冰雹預(yù)報(bào)正確,2次空報(bào),沒有漏報(bào)。分析2次冰雹空報(bào)的原因,可能實(shí)況有冰雹,而測站剛好位于冰雹對流單體的邊緣附近,沒有記錄到冰雹。預(yù)報(bào)試驗(yàn)可見,冰雹預(yù)警閾值和判據(jù)在龍巖當(dāng)?shù)氐谋㈩A(yù)報(bào)預(yù)警準(zhǔn)確率高,可以在實(shí)際業(yè)務(wù)中開展應(yīng)用。
6.1 冰雹直徑與雷達(dá)反射率回波的形態(tài)特征關(guān)系
2001~2013年共有19次冰雹天氣過程有記錄冰雹的直徑大小,冰雹的直徑大小在1~5cm之間。通過對冰雹直徑大小和雷達(dá)反射率回波的形態(tài)特征分析(表5),發(fā)現(xiàn)如果出現(xiàn)三體散射、V型缺口或鉤狀回波特征,冰雹的直徑普遍大于或等于2厘米。但是,沒有出現(xiàn)這三種雷達(dá)特征,冰雹的直徑也有大于2cm的情況。所以這三種特征是冰雹大于或等于2cm的充分而非必要條件。絕大多數(shù)的冰雹過程都有弱回波區(qū)、“牛眼”特征,這兩個(gè)特征和冰雹的大小沒有明顯關(guān)系。
表5 冰雹直徑和雷達(dá)回波形態(tài)特征
續(xù)表5
6.2 冰雹的直徑與雷達(dá)回波強(qiáng)度、高度關(guān)系
理論上,雷達(dá)的回波強(qiáng)度、強(qiáng)回波核高度、回波頂高和垂直積分液態(tài)含水量等這些數(shù)據(jù)越大,冰雹的直徑越大。但從圖9a分析可見,冰雹直徑大小與這些數(shù)據(jù)均沒有明顯的正相關(guān)關(guān)系,即這些雷達(dá)數(shù)據(jù)越大,冰雹直徑并不一定也大。原因可能有兩種,一是冰雹直徑與這些雷達(dá)數(shù)據(jù)確實(shí)沒有關(guān)系,二是目前的冰雹調(diào)查反饋機(jī)制,冰雹實(shí)況記錄可能存在偏差,使得無法發(fā)現(xiàn)冰雹直徑和這些雷達(dá)數(shù)據(jù)關(guān)系的真面目。
6.3 冰雹直徑與VIL密度關(guān)系
垂直積分液態(tài)含水量與回波頂高的比值稱為VIL密度(即 VIL/ET)。龍巖有冰雹直徑大小記錄的19次冰雹過程,冰雹直徑在1~5cm之間,VIL密度在2.5~5.8之間,通過對冰雹直徑和VIL密度的相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)很小,沒有相關(guān)性。同時(shí)分析了VIL與45dBz回波高度的比值和冰雹直徑大小的相關(guān)性,也沒有很大相關(guān)性。但是約70%的樣本對應(yīng)關(guān)系還是較好,VIL密度越大,冰雹直徑也越大。冰雹直徑大于或等于2cm以上,一般VIL密度大于2.9(圖9b)。
6.4 冰雹的直徑與風(fēng)暴頂輻散強(qiáng)度關(guān)系
風(fēng)暴單體一般中低層為輻合,風(fēng)暴頂為輻散,理論上風(fēng)暴頂輻散強(qiáng)度與風(fēng)暴的強(qiáng)度有關(guān)。風(fēng)暴頂輻散可以用風(fēng)暴頂基本速度的正負(fù)速度對的差值來表征(即△V),龍巖19次冰雹過程的△V在15~45之間,通過對冰雹直徑和△V的相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)很小,幾乎沒有相關(guān)性(圖9 c)。
圖9 冰雹直徑與雷達(dá)數(shù)據(jù)關(guān)系圖
6.5 冰雹的直徑與弱回波伸展高度關(guān)系
把歷史冰雹過程的雷達(dá)基數(shù)據(jù)回放成SWAN的數(shù)據(jù)格式,利用SWAN的360度剖面功能,讀取冰雹過程最大的弱回波區(qū)高度,以40dBz強(qiáng)度為弱回波區(qū)邊界,因?yàn)檫@個(gè)強(qiáng)度邊界更加明顯清晰。由于軟件兼容性等問題,2010年以前的數(shù)據(jù)SWAN服務(wù)器暫且無法回放,所以弱回波區(qū)伸展高度數(shù)據(jù)不完整。從已經(jīng)取得的數(shù)據(jù)看,這兩者相關(guān)性也不明顯。
(1)通過對龍巖市歷史冰雹和新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,掌握了冰雹的時(shí)空分布規(guī)律,得到了冰雹預(yù)警判據(jù)標(biāo)準(zhǔn),提高了冰雹識別與預(yù)警的水平。
(2)三體散射、V型缺口、鉤狀回波等是冰雹特有的雷達(dá)反射率回波的形態(tài)特征;回波強(qiáng)度、強(qiáng)回波核高度、回波頂高和VIL可用于判斷冰雹,其閾值為分別為60dBz、5.3km、8km和30kg/m2。冰雹的雷達(dá)強(qiáng)回波核(≥60dBz)高度都在零度層以上,冰雹的45dBz雷達(dá)回波伸展高度絕大多數(shù)在-20℃層以上。
(3)對冰雹直徑大小與雷達(dá)回波特征和數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,如果出現(xiàn)三體散射、V型缺口、鉤狀回波特征,冰雹直徑普遍≥2cm;如VIL密度大于2.9,冰雹直徑≥2cm;冰雹直徑與風(fēng)暴頂輻散、弱回波區(qū)伸展高度等沒有明顯相關(guān)關(guān)系。
(4)冰雹直徑與一些雷達(dá)數(shù)據(jù)沒有相關(guān)性;可能在目前的冰雹調(diào)查反饋機(jī)制下,實(shí)況冰雹記錄有偏差。今后應(yīng)該加強(qiáng)冰雹實(shí)況調(diào)查的科學(xué)性、及時(shí)性,掌握可靠的實(shí)況數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上繼續(xù)開展進(jìn)一步研究。
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