基于CINRAD/CA雷達的2次強天氣對比分析

楊淑華　鞠志輝　張玉芳　秦雅娟　陳真　李臘平

摘 要：為了研究不同類型強對流天氣在多普勒雷達產品中的表現特征，利用山西北部大同地區CINRAD/CB波段多普勒雷達，對2012年7月5日廣靈縣冰雹和2011年7月21日左云縣短時強降水對比分析。結果表明：（1）冰雹天氣低層逆溫層較厚，短時暴雨逆溫層淺薄；（2）冰雹天氣強回波區所在高度在-20℃等溫線之上，短時暴雨在0℃層等溫線以下；（3）冰雹天氣65～60 dBz回波所在高度超過短時暴雨4～5 km左右；（4）冰雹天氣低層有弱回波區、中高層有懸垂回波；（5）中氣旋、中尺度輻合區及風暴頂輻散是冰雹天氣的特征，深厚的濕層及急流長時間維持是短時暴雨特征；（6）冰雹天氣低層風向順轉中層逆轉高層順轉，短時暴雨風向整層順轉；（7）降雹過程有持續高VIL值及對應大的梯度變化值，而短時暴雨VIL躍升量很小。

關鍵詞：冰雹；短時暴雨；多普勒雷達產品；對比分析

中圖分類號：P415.2 文獻標志碼：A 論文編號：2014-0111

0 引言

冰雹和短時強降水是2種不同性質的強對流天氣，均由中小尺度天氣系統造成，由于其突發性和局地性強，使預報難度較大。由于對山西北部短時強降水和冰雹對比研究的文獻較少，可借鑒的經驗不多。隨著多普勒雷達在短臨預報中的應用，使得更準確地監測強天氣成為可能。張曉東[1]對一次大暴雨雷達回波特征進行了分析，并做了數值模擬；彭九慧等[2]對2次冷渦天氣的多普勒雷達資料進行對比分析；沈永生等[3]對雨雪冰凍天氣的多普勒雷達特征進行分析；居麗玲等[4]將雷電監測預警網數據與多普勒雷達特征進行綜合分析，研究閃電的多普勒雷達特征；梁紅等[5]對沈陽一次局地大暴雨過程中逆風區的回波演變進行研究；刁秀廣等[6]對下擊暴流雷達回波特征進行分析；趙武等[7]對安陽出現的一次對流天氣的多普勒雷達回波進行研究；江玉華等[8]對重慶地區一次出現冰雹的超級單體風暴多普勒雷達回波進行分析；金飛勝等[9]對黃山地區一次早春多單體冰雹進行研究。

因此，筆者選取山西北部2012年最嚴重的一次冰雹過程和2011年出現的有氣象記錄以來最強的一次短時強降水過程在CINRAD/CA上的特征進行對比分析，以期找出2類天氣的異同點，為今后短臨天氣預報提供參考。

1 天氣背景分析

1.1 實況概述

由圖1（a）可見，2011年7月21日17：00山西省左云縣境內突降短時強降水，降水持續3 h，小時雨強34.3 mm，總降水量達69.7 mm。由圖1（b）可見，2012年7月5日19：00—22：00山西省廣靈縣出現短時強降水天氣，小時雨強14.7 mm，19：41—19：50壺泉鎮、斗泉鄉、蕉山鄉、加斗鄉、宜興鄉、作疃鄉、梁莊鄉還遭受冰雹大風襲擊，冰雹直徑10 mm，瞬時最大風速達17.9 m/s。

1.2 環流形勢和系統配置比較

由圖2（a～b）可見，2次強對流天氣具有相似的高空環流形勢，即500 hPa均為2槽1脊型，不同點是7月5日的環流經向度比7月21日大，且有東北冷渦存在，大同位于冷渦底部；而7月21日的環流較平直，有小的西風槽擾動，大同位于冷槽底部，西南氣流相對強盛。地面圖上（見圖2c～d）兩者均受黃河氣旋控制，但前一次過程氣旋中心偏東偏北，中心強度為995 hPa，后一次過程氣旋中心偏西偏南，且中心強度為990 hPa。

圖3是2011年7月21日高空綜合分析圖（a）和2012年7月5日高空綜合分析圖（b）。2種天氣不同點是：7月21日強降水天氣在850 hPa圖上低空急流為10 m/s，指示有弱的對流活動，700 hPa圖上無干冷空氣侵入，強降水落區在850 hPa輻合區上、500 hPa冷槽前部；7月5日冰雹天氣在850 hPa圖上低空急流達 22 m/s，指示有強的對流活動[10]，700 hPa上有干冷空氣侵入，風從干區吹向濕區，與干線交角小于40℃，風速8 m/s，指示中等強度對流活動[11]，冰雹落區在850 hPa輻合區東部、500 hPa冷槽之上。

相同點：溫度脊都在最大濕區以西，指示強對流活動[12]。

1.3 層結穩定度對比分析

產生對流天氣的另一個重要因素是大氣垂直穩定度。由于大同站無探空觀測，因此采用上游地區的內蒙古東勝探空資料來分析。由圖4（a～b）可見，層結為下濕暖濕、中上層500 hPa高度附近相當干冷，且圖4（a）上存在逆溫，這些都是出現強對流天氣的典型特征。圖4（b）上雖然也有逆溫但厚度較薄，對強對流爆發貢獻不大。從風場垂直分布情況來看，2012年7月5日（見圖4（a））風場表現為低層為西南風，到了700 hPa高度后順轉為西風，并且風速加大為12 m/s，到了400 hPa高度順轉為西北風，風速14 m/s，即從低層到400 hPa高度之間為暖平流，且出現低空急流，表明暖濕氣流在當地有較強的輻合，為冰雹天氣提供充足的水汽和動力條件。到300 hPa風向開始逆轉為西南風，表明該層有冷空氣侵入，這種冷空氣疊加在暖濕氣流之上的配置為強對流天氣的產生提供了不穩定條件。2011年7月21日（見圖4（b））風場表現為低層為東北風，到了700 hPa高度后順轉為西北風，風速為4 m/s，到了500 hPa高度風向仍為西北風，風速為8 m/s，表明低層沒有出現急流。從整層風場看低層為暖平流，到了中高層也沒有出現冷平流，因此2011年7月21日只產生短時強降水而無冰雹、大風。由圖4（c～d）可見，訂正后的對流有效位能CAPE值顯著增加，產生冰雹的對流有效位能比只產生暴雨的對流有效位能大453 J/kg，表示潛在不穩定能量更強。

由圖5（a）可見，7月5日冰雹天氣在低層850 hPa溫度露點差在4℃左右，中高層500～700 hPa溫度露點差均大于16℃，為顯著干區，這種下濕上干的結構為強對流天氣的產生提供不穩定能量。由圖5（b）可見，2011年7月21日暴雨天氣在低層850 hPa到高層500 hPa溫度露點差均在在4℃，表明整層為濕層，這種較厚的濕層為暴雨天氣的產生提供充足的水汽。

2 多普勒雷達產品對比分析

2.1 基本反射率因子（R）及其剖面（RCS）產品分析

由圖6（a）可知，低層入流區對應風暴前沿，即東南方向，風暴高反射率因子區從低層到高層向入流一側傾斜，反映出低層弱回波區和中高層的懸垂回波結構，并且風暴頂位于低層高反射率梯度之上。由相應的垂直剖面圖（見圖6（b））可見，低層具有寬廣的弱回波區（WER）及左側回波墻、高層具有高懸反射率核。65 dBZ回波所在高度超過8 km；60 dBZ回波所在高度接近9 km。由俞小鼎等[13]研究可知，判斷大冰雹的方法是根據相對于0℃和-20℃層等溫線的位置，強回波區必須擴展到0℃層等溫線以上才能產生冰雹，當強回波區擴展到-20℃層高度以上時，對強降雹的潛勢貢獻最大。由圖6（a）可見，當日大同0℃層所在高度大約在4346 m，-20℃層所在高度大約7571 m。可見60 dBZ回波所在高度超過-20℃層大約1400 m。在徑向速度剖面圖上，2 km左右高度上有強的輻合區、8 km以上存在風暴頂輻散。從當日回波強度、形狀和強回波區所在高度來看，都可以判斷是雹暴回波。

由圖7（a）可知，低層入流區對應弓形回波后側，即西北方向，風暴高反射率因子區從低層到高層沒有發生傾斜，說明從低層到高層無弱回波區和懸垂結構。由相應的垂直剖面圖（見圖7（b））可見，此回波低層無弱回波區（WER），但左側有回波墻層具有回波懸垂。65 dBZ回波高度在4 km以下；60 dBZ回波所在高度在5k m左右。從當天的探空資料可知大同0℃層等溫線高度4251 m，-20℃層高度為7784 m，65 dBZ回波高度在0℃等溫線高度以下，更未超過-20℃層高度，這是未產生冰雹主要原因。由于其回波頂高接近11 km加上較長的持續時間是產生短時強降水的主要原因。徑向速度剖面圖上，沒有強的垂直風切變及風暴頂輻散也是降水維持時間較短的原因之一，也可以作為無冰雹的一個判據。

2.2 風暴相對徑向速度（SRM）產品分析

對弱切變及中氣旋的判斷均按照俞小鼎等[14]《多普勒天氣雷達原理與業務應用》中制定的標準執行。圖8是2012年7月5日19：22風暴單體成熟階段2.5°—6.0°仰角風暴相對徑向速度圖。可見2.4°仰角上渦旋中心在（114°，71km），核區直徑1.6 km，最大平均轉速為17 m/s，為弱中氣旋。3.4°仰角上渦旋中心在（114°， 72 km），核區直徑2.6 km，最大平均轉速為16 m/s，為弱中氣旋。4.3°～6.0°仰角上沒有中氣旋，但有中尺度輻合線，6.0°仰角上有風暴頂輻散。由分析可見，中氣旋、中尺度輻合及風暴頂輻散是廣靈地區降雹的主要原因。

圖9是2011年7月21日17：50風暴單體成熟階段0.5°—6.0°仰角風暴相對徑向速度圖。可見0.5°—2.4°仰角上有中尺度輻合線，2.4°仰角上有1個直徑0.9 km中尺度渦旋，旋轉速度18 m/s，但只維持1個體掃，沒有達到中氣旋標準。3.4°—4.3°仰角上有逆風區特征，表明存在垂直風切變及強輻合，預示著降水增強。另外，0.5°—4.3°仰角上有12 m/s的西南急流，且維持了80 min以上。由于低層輻合及急流長時間維持為短時強降水的產生輸送了充足的水汽和足夠的動力條件。

2.3 垂直液態含水量（VIL）對比分析

垂直液態含水量的定義為云底上部單位面積上的可降水量[15]。圖10（a）為2012年7月5日降雹前后垂直液態含水量隨時間演變圖。19：22風暴單體成熟時VIL值為48 km/m2，19：34 VIL值增大到53 km/m2，19：47降雹時VIL值陡降到38 km/m2，差值為15 m/m2，降雹后VIL值為23 km/m2，降雹前后VIL值從53 km/m2降為23 km/m2，下降了30 km/m2。圖10（b）為2011年7月21日短時強降水前后垂直液態含水量隨時間演變圖，降水開始時VIL值為38 km/m2，降水最強時VIL值為43 km/m2，整個降水過程只有5 km/m2的躍升量。由此可知，降雹過程VIL對應大的梯度變化值，而短時強降水沒有這個特征。

2.4 風廓線產品（VWP）對比分析

由圖11可見，冰雹天氣的VWP（見圖11（a））特征為濕層淺薄，2.7 km以下風向順轉，風速隨高度遞增，中層風向隨高度逆轉，高層風向隨高度順轉，中高層非常干燥，這種下濕上干的形式有利于對流天氣的加強發展。短時強降水的VWP（見圖11（b））特征為從低層到中層均為西南氣流，中層到高層為西北氣流，風向隨高度順轉，有暖平流。這種深厚的濕層為強降水的產生提供了充足的水汽。二者顯著的區別是冰雹天氣中層有干冷空氣侵入，短時強降水整層都為暖平流。

3 結論

（1）冰雹和短時強降水風暴的顯著區別是冰雹風暴單體有典型的弱回波區和懸垂回波結構，這種結構同時表征了中氣旋的存在，正是由于中氣旋造成了冰雹、大風等強對流天氣。

（2）風暴單體內部2 km左右存在輻合區及中氣旋，降雹前垂直積分液態水含量在48 kg/m2以上并出現躍增現象有利于產生冰雹和大風天氣。

（3）垂直風廓線反映了不同高度的風垂直切變、冷暖平流以及輻合輻散情況，它對強對流預報有很好的指示意義。冰雹過程濕層淺薄中層有干冷空氣侵入，短時強降水濕層較厚，且整層都為暖平流。

4 討論

（1）本研究只選取了2次過程進行對比分析，因而對于風暴單體內部更多的結構特征有待于進一步研究；得出的結論可以作為參考但不能作為閾值，應對更多的個例進行研究，從而得出有指導意義的閾值。

（2）本研究基于CINRAD/CA波段多普勒雷達，得出的結論對于其他波段多普勒雷達的應用有待推敲、商榷。

參考文獻

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