冷渦背景下局地冰雹云圖特征分析

王兆華,鄒大偉,王建波

1.泰安市氣象局,山東泰安271000

2.山東省氣象局,山東濟(jì)南250000

冷渦背景下局地冰雹云圖特征分析

王兆華1,鄒大偉1,王建波2

1.泰安市氣象局,山東泰安271000

2.山東省氣象局,山東濟(jì)南250000

靜止衛(wèi)星是監(jiān)測(cè)和研究冰雹天氣最有效的工具之一，因此開(kāi)展專門針對(duì)冰雹天氣的靜止衛(wèi)星資料的研究十分必要。產(chǎn)生冰雹的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)是在一定的大尺度背景天氣系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生、發(fā)展和演變的，絕大多數(shù)冰雹的發(fā)生都與高空冷渦相伴。本文主要針對(duì)冷渦系統(tǒng)引起的冰雹天氣，選取了近3年魯中山區(qū)地區(qū)3次冰雹天氣過(guò)程的資料進(jìn)行對(duì)比分析，重點(diǎn)研究了冰雹云空間尺度、時(shí)間尺度、云頂、云體形狀、溫度梯度等的共同特征。初步統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：當(dāng)東北冷渦持續(xù)維持，不斷有冷空氣侵入山東省時(shí)，配合地面的觸發(fā)系統(tǒng)，容易誘發(fā)冰雹天氣。冰雹多發(fā)生在冰雹云發(fā)展和成熟階段，冰雹發(fā)生時(shí)，云體一般呈橢圓狀，色調(diào)白亮，生命周期較短；另外，冰雹的發(fā)生區(qū)域一般不在TBB的中心區(qū)域而是冰雹云的上風(fēng)一側(cè)，TBB梯度區(qū)與冰雹的發(fā)生區(qū)域有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在TBB中心溫度小于-30℃的對(duì)流云中，TBB梯度大于10（℃/0.05°）的區(qū)域是冰雹易發(fā)區(qū)。

冰雹;衛(wèi)星云圖;冷渦

強(qiáng)對(duì)流天氣由于具備空間尺度較小、生命史較短、發(fā)展速度較快、危害性較強(qiáng)等特點(diǎn)，往往對(duì)人民的生產(chǎn)安全有著嚴(yán)重的威脅。其中冰雹是強(qiáng)對(duì)流天氣中預(yù)報(bào)難度很大的一種災(zāi)害性天氣，由于尺度小、生命史短，常規(guī)的氣象資料很難揭示其演變過(guò)程。冰雹對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的損失是巨大的，對(duì)人民的生產(chǎn)安全有著嚴(yán)重的威脅，所以研究冰雹的發(fā)生機(jī)制，提高其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和延長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效，是值得深入研究的重要課題。

目前的常規(guī)探空站網(wǎng)，無(wú)論是空間分布還是觀測(cè)的時(shí)間頻次都不足以揭露產(chǎn)生冰雹的中小尺度系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和演變。靜止氣象衛(wèi)星的觀測(cè)具有時(shí)空分辨率高、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，是監(jiān)測(cè)和研究冰雹天氣最有效的工具之一[1]。目前，我國(guó)擁有FY-2D、FY-2E、FY-2F三顆業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星，星下點(diǎn)水平分辨率達(dá)到紅外通道5 km、可見(jiàn)光通道1.25 km，時(shí)間分辨率為30 min（汛期可達(dá)15 min）。因此，開(kāi)展針對(duì)冰雹天氣的衛(wèi)星云圖特征分析研究，總結(jié)預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，配合多種監(jiān)測(cè)資料可以為冰雹天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐[2]。

本文主要針對(duì)一類非常重要的導(dǎo)致魯中山區(qū)地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的天氣尺度系統(tǒng)——冷渦系統(tǒng)下的冰雹天氣的衛(wèi)星資料特征進(jìn)行分析，對(duì)冰雹云的空間尺度、時(shí)間尺度、云體形狀、云頂亮度溫度及亮溫梯度等進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探討、為預(yù)報(bào)冰雹的發(fā)生發(fā)展提供參考依據(jù)、同時(shí)為人工消雹提供有用的依據(jù)。

1 分析方法及資料處理

1.1 分析技術(shù)和方法

冰雹云系特征分析的主要內(nèi)容包括：

(1)紅外云圖的發(fā)展變化特征分析：發(fā)展變化及云系分布并與冰雹實(shí)況、天氣形勢(shì)對(duì)應(yīng)分析；TBB特征分析：包括極值、梯度等。

(2)可見(jiàn)光云圖發(fā)展變化及分布特征分析：發(fā)展變化及云系分布特征、分析云的種類、結(jié)構(gòu)、邊界、暗影、上沖云頂?shù)取?/p>

(3)在具體統(tǒng)計(jì)計(jì)算中，根據(jù)冰雹出現(xiàn)的時(shí)間記錄，向前推1 h，向后推0.5 h，作為提取衛(wèi)星資料的時(shí)間范圍。由出現(xiàn)冰雹地區(qū)的0.05°×0.05°經(jīng)緯度網(wǎng)格點(diǎn)為中心，選取0.25°×0.25°范圍的網(wǎng)格點(diǎn)作為提取衛(wèi)星資料的空間范圍。以此為基礎(chǔ)，研究冰雹天氣出現(xiàn)時(shí)段和分析區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星云圖紅外亮溫及相應(yīng)梯度的極值和平均值特征，研究冰雹天氣在衛(wèi)星云圖上的量化特征[3]。

1.2 冰雹天氣過(guò)程的資料處理

主要對(duì)比分析2012年～2014年三次較為典型的冷渦影響的局地冰雹天氣過(guò)程，分析并整理冰雹的演變過(guò)程，給出具體的時(shí)間和經(jīng)度范圍。整理對(duì)應(yīng)的云圖資料，使用FY-2D靜止衛(wèi)星的紅外1通道（10.3 μm～11.3 μm，下文簡(jiǎn)“IR1通道”）、可見(jiàn)光通道（下文簡(jiǎn)稱“VIS通道”）資料及IR1通道的黑體亮溫（TBB）資料。衛(wèi)星資料的時(shí)間間隔為60 min或30 min，格式為HDF。主要分析冰雹云圖的以下4個(gè)特征：（1）冰雹云體的形狀；（2）冰雹云體的范圍；（3）黑體亮溫（TBB）（4）TBB梯度。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，下面對(duì)魯中山區(qū)的冰雹云系特征進(jìn)行分析。

表1 冰雹云衛(wèi)星云圖特征分析Table 1 The characteristics of a hail in the satellite cloud map

2 冰雹天氣云系特征的初步分析

2.1 天氣形勢(shì)分析

產(chǎn)生冰雹的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)是在一定的大尺度背景天氣系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生、發(fā)展和演變的，絕大多數(shù)冰雹的發(fā)生都與高空冷渦相伴，高空冷平流加之低層暖濕空氣的活躍，以及地面受太陽(yáng)輻射加熱，使大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，促進(jìn)了強(qiáng)雷暴云的發(fā)展，導(dǎo)致冰雹的產(chǎn)生。

圖1 冰雹強(qiáng)對(duì)流天氣形勢(shì)中尺度分析個(gè)例（2014年6月9日14時(shí)）Fig.1Acase analysis on the hail in strong convection weather

冷渦的主要特點(diǎn)是降雹前一天有高空冷渦在我國(guó)東北維持，并有冷中心或冷槽配合（如圖1）。冰雹天氣發(fā)生時(shí)，山東省一般處于冷渦主槽后部，高空為西北氣流控制，低空為偏西氣流，有時(shí)低層有明顯的西南暖濕急流為其提供水汽，往往對(duì)應(yīng)更強(qiáng)的冰雹天氣，此時(shí)地面一般表現(xiàn)為弱的冷鋒或地面輻合線[4]。

冷渦造成的降雹，主要是在中午前后開(kāi)始，充足的日照可使低層迅速增溫增濕，大氣不穩(wěn)定度加劇，同時(shí)北方高空干冷空氣沿槽后西北氣流下滑，造成高層干冷空氣與低層暖濕的層結(jié)不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定形勢(shì)的維持，為對(duì)流的發(fā)展和冰雹的形成提供了能量來(lái)源。當(dāng)冷渦維持時(shí)，冷渦后部不斷有冷空氣隨高空槽侵入，成為冰雹產(chǎn)生的觸發(fā)機(jī)制；另外地面輻合線也是觸發(fā)局地冰雹的重要的中尺度天氣系統(tǒng)[5]。

2.2 冰雹云的云狀特征

將對(duì)流云團(tuán)的生命史分為發(fā)生、發(fā)展、成熟和消亡四個(gè)階段，冰雹則多發(fā)生于對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展階段或成熟階段的初期[6]。三次冰雹發(fā)生時(shí)，如圖1冰雹云團(tuán)呈現(xiàn)為橢圓狀，邊界較為光滑，色調(diào)十分白亮，且對(duì)流云團(tuán)發(fā)展迅速，移動(dòng)較快，生命周期相對(duì)較短。黑色虛線圈內(nèi)為冰雹發(fā)生區(qū)域，可以看到冰雹發(fā)生的區(qū)域均出現(xiàn)在云團(tuán)偏西的邊緣一側(cè)（如圖1a～c），也就是強(qiáng)天氣發(fā)生在上風(fēng)一側(cè)的概率要遠(yuǎn)大于下風(fēng)一側(cè)，這也給業(yè)務(wù)中冰雹的預(yù)警帶來(lái)一定的提前量[7]。同時(shí)可以看到，冰雹發(fā)生的時(shí)次，一般上風(fēng)邊界比較光滑和整齊，而下風(fēng)邊界有卷云砧出現(xiàn)，也表明此處較強(qiáng)的垂直風(fēng)切邊。降雹過(guò)程結(jié)束后，對(duì)流云團(tuán)一般進(jìn)入成熟階段，云型長(zhǎng)寬比逐漸增大，云體相對(duì)增大，亮度降低（如圖2d～f）[8]。

圖2 冰雹紅外云圖Fig.2 Satellite infrared image of a hail

2.3 冰雹出現(xiàn)時(shí)的云圖黑體亮溫特征

紅外云圖的云頂黑體亮溫（TBB）是指示對(duì)流強(qiáng)弱的參考指標(biāo)，TBB越低[9]，云頂越高，對(duì)流活動(dòng)一般越強(qiáng)，產(chǎn)生降雹的可能性一般也越大[10]。如圖3a～c所示，黑色虛線圈內(nèi)為冰雹發(fā)生區(qū)域，三次冰雹發(fā)生的區(qū)域并不在TBB低值中心區(qū)，因此黑體亮溫TBB對(duì)冰雹天氣的表征能力有限。

圖3 冰雹發(fā)生時(shí)黑體亮溫（TBB）圖像Fig.3 Satellite image of TBB during hail occurrence

從圖3中可以看出，實(shí)際冰雹發(fā)生區(qū)域一般都在對(duì)流云的邊緣，也就是TBB梯度的大值區(qū)，因此TBB梯度相對(duì)TBB而言，對(duì)冰雹的發(fā)生有更好的表征作用。使用0.25°×0.25°范圍的網(wǎng)格點(diǎn)計(jì)算冰雹發(fā)生區(qū)域的TBB梯度值，三次冰雹過(guò)程發(fā)生過(guò)程中，TBB梯度均大于12(℃/0.05°)；冰雹結(jié)束后，TBB梯度迅速減小（圖略）。

對(duì)于那些云頂亮度較低的對(duì)流云團(tuán)，在TBB梯度大于10(℃/0.05°)的區(qū)域往往是冰雹易發(fā)區(qū)。

2.4 判斷冰雹天氣發(fā)生的步驟

冰雹天氣的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)是強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)之一，結(jié)合以上所歸納的冰雹云衛(wèi)星云圖的特點(diǎn)，在實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中，判斷是否有冰雹天氣的發(fā)生，可遵循以下步驟如圖4所示：（1）判斷是否有冷渦系統(tǒng)維持，并不斷有冷空氣侵入影響山東；（2）當(dāng)冷渦維持，中午至傍晚前后，極易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣；（3）利用每小時(shí)一次的紅外、可見(jiàn)光云圖資料跟蹤監(jiān)視云系的發(fā)展演變，同時(shí)結(jié)合天氣雷達(dá)進(jìn)行加密觀測(cè)；（4）發(fā)現(xiàn)有類似冰雹云團(tuán)發(fā)展，分析出對(duì)流云團(tuán)的移動(dòng)速度，云體的垂直高度、云區(qū)范圍、云團(tuán)的溫度梯度和發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合相應(yīng)的雷達(dá)圖及其他自動(dòng)站資料綜合判斷是否將有冰雹天氣的發(fā)生；（5）最后做出冰雹落區(qū)和強(qiáng)度預(yù)報(bào)。

圖4 冰雹短時(shí)預(yù)報(bào)流程圖Fig.4 Prediction of flow chart for hail

3 結(jié)論

本文對(duì)2012～2014年共3次發(fā)生在魯中山區(qū)的冰雹天氣過(guò)程進(jìn)行分析，研究了對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展和演變的特征，以及對(duì)流云系云狀、黑體亮溫TBB及TBB梯度等數(shù)據(jù)冰雹發(fā)生前后的變化趨勢(shì)，初步總結(jié)了基于靜止氣象衛(wèi)星資料對(duì)冰雹進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警的分析技術(shù)方法和著眼點(diǎn)。初步統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：當(dāng)東北冷渦持續(xù)維持，不斷有冷空氣侵入我省時(shí)，配合地面的觸發(fā)系統(tǒng)，容易誘發(fā)冰雹天氣。冰雹云一般呈橢圓狀，色調(diào)白亮，生命周期較短，在云圖上表現(xiàn)較為明顯；同時(shí)，冰雹較多發(fā)生在冰雹云的上風(fēng)一側(cè)，在業(yè)務(wù)中為預(yù)報(bào)預(yù)警帶來(lái)一定的提前量。另外，冰雹的發(fā)生區(qū)域一般不在TBB的中心區(qū)域，TBB梯度大值區(qū)與冰雹的發(fā)生區(qū)域有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在TBB中心溫度小于-30℃的對(duì)流云中，TBB梯度大于10(℃/0.05°)的區(qū)域往往是冰雹易發(fā)區(qū)。

[1]陳渭民.衛(wèi)星氣象學(xué)[M].2版.北京:氣象出版社,2003:451-453

[2]張晰瑩,方麗娟,景學(xué)義.黑龍江省產(chǎn)生冰雹的衛(wèi)星云圖特征[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2004,2:106-112

[3]趙俊榮,楊雪.罕見(jiàn)強(qiáng)冰雹的中尺度云團(tuán)特征及其落區(qū)分析[C].沈陽(yáng):第29屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì),2012(s4):121-124

[4]許田新,王楠,劉瑞芳,等.2006年陜西兩次強(qiáng)對(duì)流冰雹天氣過(guò)程的對(duì)比分析[J].高原氣象,2010(2):187-189

[5]胡渝寧,李森.基于FY2D靜止氣象衛(wèi)星云圖中雷暴云團(tuán)的識(shí)別[C].沈陽(yáng):第29屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì),2012(s1):446-451

[6]朱亞平,程周杰,劉健文,等.一次鋒面氣旋云系中強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的識(shí)別[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2009(4):1132-1133

[7]白潔,王洪慶,陶祖鈺,等.GMS衛(wèi)星紅外云圖強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的識(shí)別與追蹤[J].熱帶氣象學(xué)報(bào),1997(2):976-979

[8]李森,劉健文,劉玉玲.基于FY2D靜止衛(wèi)星云圖的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)識(shí)別[J].氣象水文海洋儀器,2010(2):32-36

[9]盛日鋒,王俊,遲竹萍,等.一次局地冰雹過(guò)程的TBB分析[J].山東氣象,2006(4):78-81

[10]樊志超,高繼林,王治平,等.湘西北山區(qū)夏季冰雹云多普勒雷達(dá)定量判別指標(biāo)[J].氣象,12,2006:299-303

Analysis on Characteristics of the Hail in the Satellite Cloud Map under a Background of Cold Vortex

WANG Zhao-hua1,ZOU Da-wei1,WANG Jian-bo2
1.Taian Meteorological Bureau,Taian 271000,China
2.Shandong Meteorological Bureau,Jinan 250000,China

It is very necessary to carry out the research on satellite data during the hail weather as satellite is one of the most effective tools in monitoring and researching.The occurrence and development of a hail most happen in a large scale background weather system mostly along with the cold vortex.This paper aimed at the hail caused by cold vortex and selected three hail weather processes to produce in the mountainous area of Shandong in recent three years and put focus on the common features of spatial scale,time scale,cloud top,cloud shape,temperature gradient and so on during the hail.The preliminary statistical results showed when the cold vortex in northeast sustained and there was an effect of the constant strong cold air in Shandong,it was easy to induce hail weather in Shandong Province with the trigger system on the ground. Hail occurred during the development and mature of hail cloud and at this time the cloud generally showed the oval shape, white color,and short lifetime.In addition,the hail didn't occur in the center of the TBB but the center of gradient.There was a better corresponding relation between the TBB gradient and the hail occurrence.The hail easy occurrence area was in the central temperature of TBB less than-30℃and its gradient greater than 10(℃/0.05°).

Hail;Satellite Cloud Map;cold vortex

P4

A

1000-2324(2015)03-0408-04

2015-03-24

2015-04-18

王兆華(1978-),女,山東泰安人,助理工程師,主要從天氣預(yù)報(bào)工作.E-mail:zoudaw@163.com