引言

为了有效地监测预测强对流, 我国从1998年开始进行新一代天气雷达监测网的建设^[1], 对灾害性强对流天气的预测能力有了很大的提高, 并在防灾减灾中发挥了积极的作用。广大气象工作者利用单站新一代天气雷达的一些基本监测图像及其分析产品对飑线、冰雹^[2-4]、暴雨^{[5, 6]}、热带气旋^[7]、中尺度气旋等灾害性天气监测、预警的研究, 使防灾减灾能力有所增强。本文利用多普勒天气雷达产品, 对2004年度中发生在河北省中南部地区的冰雹、强风天气过程进行了统计分析。

1 冰雹天气和雷雨天气的多普勒雷达产品分析

应用2004年河北省中南部地区出现8次冰雹天气和1次强风天气的多普勒雷达资料统计得到以下预报参考指标。

1.1 基本反射率

平面显示PPI, 从回波形状、回波尺度、回波移速分析统计中发现, 冰雹天气多发生在回波形状呈块状和带状中, 冰雹云成熟时期的回波尺度一般是25km ×35km, 最大回波尺度达35km ×45km, 回波强度在35dBz以上回波的范围内。在冰雹云的发展初期, 一般移动速度不快, 当冰雹云发展成熟时, 回波移动速度会迅速加快^[8], 且回波中心强度均达55~65dBz (在8次冰雹过程中, 只有一次冰雹强度达70dBz)。另外, 回波主体右侧新生的回波, 往往会出现强烈发展和增强, 而位于回波主体移向左侧的回波则往往会出现减弱或消失。而雷雨天气的回波形状则多为零散的块状小回波, 其边界也不光滑, 当发展以后则多成为片状或大块状的回波块, 弱回波的面积也比冰雹天气回波的面积大得多, 而强回波中心的面积却比冰雹天气回波的面积小得多, 即核小皮厚, 有时在弱回波区中也会出现雷雨天气, 但要求在弱回波区中的回波强度达20dBz以上。这里需指出的是雷雨天气回波块的面积小于10km², 强度大于30dBz。

垂直高显RHI (基本反射率1.5°仰角)。在回波强度RHI图像上, 冰雹云强中心回波的形成往往是从中空形成后, 向上下迅速伸展, 其回波强度一般在50~65dBz之间(8/8), 中心最大强度可达70dBz (1/ 8)。

回波顶高ET。冰雹云的回波顶高一般都在11~15 km之间(8/8), 最高可达19km (1/8)。当回波强度≥ 50 dBz, 当回波顶高≥ 10km时, 产生冰雹天气的几率要大的多。当回波顶超过14km时, 则会出现冰雹直径为2cm的大冰雹。雷雨天气的回波顶高一般达6km, 在弱回波区中产生雷雨的回波顶高只需5km。

1.2 垂直累积液态含水量VIL

当冰雹天气出现时, VIL值一般都在40~65kg·m^-2之间(8/8), 最大可达70kg·m^-2 (6/8), 其高值维持时间也很长, 如果VIL ≥ 40kg·m^-2时, 就有可能会产生冰雹天气。雷雨天气的VIL值一般在30kg·m^-2。

冰雹发展初期, VIL值呈跳跃性的增长, 这一现象说明冰雹云已在酝酿阶段, 低层不断有水汽向上输送, 使冰雹粒子在生长期能够碰并增长。当冰雹出现时VIL一般都比较大, 且VIL值越大, VIL值越高, 维持时间越长, 则冰雹直径就越大, 降雹范围也越大。而雷雨天气的回波在发展阶段VIL值是呈逐渐增长^[8]。利用这一特征, 结合其他产品可以提前发布冰雹的临近预报。

1.3 三体散射

当回波出现三体散射现象时, 则往往伴有直径≥ 30mm的大冰雹出现。因此在日常值班工作中, 当出现回波强度≥ 65dBz时, 值班员应特别关注对三体散射的监测。从8次冰雹统计中得到, 只有一次冰雹天气(2004年6月24日)出现三体散射, 也就是冰雹直径最大, 天气最为剧烈的一次冰雹天气过程。

1.4 冰雹指数

从2004年河北中南部地区出现8次冰雹天气的实况统计得到, 河北省中南部地区的冰雹天气出现都与产品的实心三角相关, 也就是说, 当产品出现实心三角时都有冰雹天气相对应, 其正确率为8/8, 没有漏报和空报。

1.5 中气旋M

统计得到, 当产品有中气旋形成时, 则将会出现超级单体风暴。所以, 中气旋是表征超级单体风暴的重要指标之一。在8次冰雹实况中, 其中只有3次冰雹天气出现中气旋, 这3次冰雹天气均为强雹暴天气。其结论与上海中心气象台的邵玲玲的统计结论是一致的, 用超级单体来预报强风不会产生漏报现象, 但有时在没有超单体风暴时也会出现强风。根据文献[9]统计, 26%的中尺度强风实况并没有伴随M产品, 河北的统计为33%的中尺度强风实况没有伴随M产品, 这是由于大尺度的锋面移动或非气旋性弯曲和切变造成强风而不存在中小尺度的涡旋。因此, 对强风的预报正像文献[9]指出的那样, 还须注重中心底部高度较低的一些产品, 当环境条件有利时, 中高层的中气旋具有向下发展到3km高度以下的潜力, 这时需注意对强风的监测和预警。

2 冰雹天气实例

2004年6月20日15:38 -16:50, 河北邯郸磁县、武安、峰峰、临漳4个县(市、区)的乡镇遭受特大风雹灾害, 冰雹最大直径为8cm, 降雹时间为30分钟, 瞬时大风达11级, 平均降水量为20mm, 涉及4县(市、区) 40个乡镇^[6]。该过程是在冷涡后的西北气流下而形成, 其温度槽落后于高度槽, 中层冷平流势力较强。

2.1 多普勒雷达回波演变

图 1 (见彩页)给出了2004年6月20日13:33 -16:11的基本反射率, 从图 1a (见彩页)中可看到箭头所指的小块状云体是过山的大片回波云区南端新生的小云块, 该云块>30dBz的范围为11km, 中心强度为45dBz, 回波顶高14.9km, 13:47该云块迅速发展, 并与北部的大片回波云区相接(图略); 14:06 (图 1b, 见彩页), >30dBz的回波呈NNE-SSW向, 且范围扩大为40 ×20km 2, 两个中心强度均为55dBz, 回波顶高15.8km; 14:25 (图 1c, 见彩页), 该云块北部的回波迅速减弱, 中心强度为40dBz, 而南部的回波云的强度中心仍为55dBz, 中心范围扩大, 并形成团状云形, 另外在其云团的前侧出现了V型入流的槽口, 这一现象表明了该风暴云团前侧有了明显的上升气流, 回波顶高维持不变(15.8km, 14:19);14:56 (图 1d, 见彩页), 北部的回波消失, 南部的回波云团由NNE -SSW向转向为E-W向, 范围为40 × 18km², 回波顶高还是没变化(15.8km); 15:39 (图 1e, 见彩页), 该云团东移到河北武安县的东部地区, >30dBz的云体为直径35km²的圆形回波, 中心强度达65dBz (15:38武安县城降冰雹), 回波顶高达18.0km (15:41);16:04 (图 1f, 见彩页) -16:50, 云团东南移到河北磁县, 云团中心回波强度达65dBz, 回波顶高达18.6km, 14:11时该回波顶达最高19.2km, 该县的风雹灾害最为严重, 最大冰雹直径为8cm, 风力达11级。17:00风暴东南移出雷达观测的区域^[10]。

2.2 径向速度场及中气旋分析

图 2 (见彩页)是与图 1时次相对应的一组雷达回波速度场, 并与中尺度气旋相叠加。从图 2可看到, 14:25前对应风暴云体的速度场中均看不到正速度, 到14:56 (图 2c, 见彩页)的速度场出现了正负速度, 但不对称, 15:39图中的正负速度对称, 该层在武安县西部可分析出一涡旋, 对应该时次, 15:32武安测站出现18m·s^-1的西北大风和15:38的8cm冰雹天气。图 2d (见彩页)中所标示的○是仰角为1.5°高度层上的涡旋分析, 但M产品并无发报, 直至15:46 -15:58, M产品发报代号为G的中气旋出现。中气旋所经之地, 都相应出现了18~26m·s^-1的大风和冰雹天气。因此, 它的出现预示着对流风暴中强烈上升气流的小尺度涡旋与局地的强风和冰雹相联系。另外, 从速度场分析, 该气旋为气旋式旋转, 风暴的移向完全符合杨国祥等定义的右移风暴。

3 中尺度强风天气实例

2005年4月20日石家庄民航机场受到强风的袭击, 最大风速达29.4m·s^-1, 强沙尘致使能见度低于200m;其突发性和破坏性完全超出了预测。此次大风是由副冷锋快速生成而引起。

图 3 (见彩页)给出的是4月20日08: 21 -10:51多普勒雷达径向速度图, 仰角为1.5°。从图中回波可清楚地看到, 本次过程是无降水的晴空回波速度图, 仅测站附近有速度值, 该过程为小尺度天气, 图 3a~c的天气尺度只有10km, 而图 3d~f的天气尺度为20km, 径向速度等值线呈放射状分布。08:21 (图 3a, 见彩页), 零速度带的形状呈弯向负速度的弓形, 有风向性辐散运动, 也就是说测站该时次大气为辐散运动, 实际风向为西南风; 09:10 (图 3b, 见彩页), 零速度带的形状逐渐由弓形逆转为南北向的直线形, 即该时次的实际风从雷达到屏幕显示边缘对应的高度都是均匀的西风, 且不随高度变化, 正负速度区的大小基本为均等的, 风向辐散性运动逐渐消失; 09:38 (图 3c, 见彩页), 零速度带的形状逆转呈弯向正速度区的弓形, 在负速度场中出现了大面积的速度模糊区, 负速度区域大于正速度区域, 出现风向性辐合, 说明该时次测站的大气运动为辐合运动, 风向由偏西风转为西北风, 按图中色标速度推算, 该时次的负速度风速达到了40m·s^-1, 风速也出现了辐合; 09:55 (图 3d, 见彩页), 零速度带形状的特征与图 3b相同, 但直线呈东东北-西西南向, 风向性辐合现象不明显, 在零速度带两侧的正负速度区域中都出现了速度模糊, 负速度中的模糊区比正速度中的模糊区面积大一些, 风速性辐合更加明显, 说明该时次大气还存在辐合运动; 10:26 (图 3e, 见彩页), 零速度带的形状仍呈直线形, 但该时次的零速度带的两侧正负速度面积均等, 风向、风速性辐合均不明显, 零速度带两侧的正负速度模糊区也随之消失了; 10: 51 (图 3f, 见彩页), 零速度带的形状呈弯向负速度的弓形, 负速度区小于正速度区, 出现风向性辐散, 且正速度区域中再次出现了速度模糊, 正速度区的风速明显大于负速度区的风速值, 风速性辐散也出现了, 大气运动转为辐散, 过程结束。

4 大范围强降水天气的多普勒雷达产品分析 4.1 基本反射率

本文规定强降水日为:河北中南部地区降水量≥ 50mm, 并出现三个测站以上的降水为一个强降水日。2004年河北省主要以冰雹天气为主, 大型的强降水过程个例较少, 因而文中所得到的指标还需大量的天气个例来证实。2004年河北中南部地区出现强降水共有4次(其中有2003年10月10 -12日的一次强降水), 统计得到, 大范围强降水的尺度一般在150~300km之间(4/4), 回波强度为20~30dBz (4/4), 强中心强度达40dBz (4/4)以上, 回波形状呈均匀的片状结构, 一般移动速度都不快, 基本保持为稳定少动, 且维持时间必须在5小时以上。

在RHI图上大范围强降水的高度平均为5~6km, 强中心高度为7~8km (4/4), 最高达9km (3/4)。

4.2 径向速度

在径向速度图上, 大范围强降水的零速度线呈"S"分布。其分布对地面气旋顶部、倒槽顶部以及高空槽前西南气流、高空冷涡及华北回流天气的指示性最好, 如果当高度场和地面气压场较弱时, 速度图上的反应不明显。

4.3 垂直风廓线(VAD)

垂直风廓线(VAD)产品对大范围降水有很好的指示意义, 在降水初期低层和近地面层风向为东-东北风, 到中高层风向顺转为西南风, 风向顺时针的旋转, 说明从低层到高层存在明显的暖平流, 这也是大尺度稳定性降水的条件之一; 当降水趋于结束时, 中高层的风向出现西北风, 因此当垂直风廓线产品在本地中高层出现风向变化时, 可以立即报降水结束。

5 小结

(1) 冰雹天气的垂直累积液态水含量VIL比一般的雷雨天气要大得多。当VIL值有明显的跃增时, 跃增值在15~35kg·m^-2之间, 可以提前发布冰雹的临近预报。而一般雷雨VIL值很小且变化不大。另外, 雷雨天气的雷达回波面积为零散的块状小回波, 边界不光滑, 当发展以后为片状或大块状的回波块, 弱回波的面积也比冰雹天气回波的面积大得多, 而强回波中心的面积却比冰雹天气回波的面积小得多。

(2) 强风的预警, 除对低层产品的运用外, 还要注意中气旋产品的发布和径向速度场的风向突变的观测。

(3) 华北大范围的强降水预报, 首先要注意径向速度低层偏东风的建立及维持时间, 其降水时间和强度都与偏东风的强弱及维持时间有关。

(4) 垂直风廓线产品是判断降水结束预报的好产品, 当在本地中高层出现风向变化时, 可以判断降水即将结束。另外径向风速在距离圈的外围出现了径向速度的不规整时, 也可以预报降水过程的结束。