俞小鼎,主要研究方向为雷暴和强对流天气临近预报及多普勒雷达应用学.Email:
冰雹尤其是强冰雹预报的重要参数之一是冰雹融化层到地面的高度。长期以来国外英文文献上一直都将湿球温度0℃层(Wet Blub Zero,WBZ)作为冰雹融化层的近似高度,但这一事实一直没有引起国内预报人员和部分研究人员(包括作者在内)的足够注意。以至于一直到现在,国内绝大多数预报人员仍然将干球温度0℃层(Dry Blub Zero,DBZ)作为冰雹融化层的近似高度,这是一个错误。在WBZ和DBZ之间和上下一定范围内存在明显干空气(即温度露点差较大)时,二者高度会有明显的差距。本文主要阐明冰雹融化层的高度应该采用湿球温度0℃层(WBZ)高度而不是干球温度0℃层(DBZ)高度,说明了当对流层尤其对流层中层存在明显干层时,由于蒸发冷却引起的水膜再冻结会有利于大冰雹落地,而此时的冰雹融化层也就是湿球温度0℃层(WBZ)的高度明显低于干球温度0℃层(DBZ)的高度。文中给出了如何根据探空资料的T-logp图确定湿球温度垂直廓线进而确定湿球温度0℃层(WBZ)高度的方法。最后给出两个对比鲜明的例子,进一步说明对流层中层明显干层存在与否对冰雹融化层高度的影响,以及冰雹融化层高度的高低是决定冰雹大小甚至降雹与否的主要因子之一。
The melting level of hail is best estimated by level of the wet bulb temperature zero (WBZ). However, some misunderstanding exist among most weather forecasters in China, they think that hail's melting level is the level of dry bulb temperature zero (DBZ). In this note, we try to explain why the melting level of hail is best estimated by level of the WBZ, and the dry air in mid-troposphere can effectively lower the level of WBZ, being favorable for the hail falls.
冰雹尤其是强冰雹是我国的重要灾害性天气之一,全国各地包括海南在内都有发生。强冰雹是指落在地上的直径≥20 mm的冰雹。长期以来关于中国冰雹的气候、天气背景和雷达回波特征一直有不断的研究,即便是最近几年仍有不少研究(
冰雹的融化层更接近于湿球温度0℃层(WBZ)而不是多数人所认为干球温度0℃层(DBZ)。
大家对于干球温度和湿球温度概念的直接经验主要来自传统的测量相对湿度的干湿球湿度表。干球温度即对应通常的气温,而湿球温度计的酒精球包着湿的纱布,百叶箱内具有自然通风。当相对湿度为100%时,干湿球的温度是相等的,因为包裹湿球酒精球的湿纱布没有任何蒸发降温。如果环境相对湿度较低,则由于包裹湿球酒精球的湿纱布的剧烈蒸发,湿球温度将明显低于干球温度,通过查表可以得到环境相对湿度。
现在回到冰雹的情况。首先记住,在0℃附近,冰的融化潜热和水的蒸发潜热分别为3.3×105和2.5×106J·kg-1,即水的蒸发潜热相当于冰的融化潜热的8倍左右。当冰雹下落到干球温度0℃层以下时,由于融化,其表面出现一层水膜,非常类似于包裹着湿纱布的酒精玻璃球:如果环境大气整层相对湿度近乎100%,则冰雹表面的水膜没有蒸发,其温度与干球温度大致相等;如果环境大气特别是对流层中层大气较干,干空气被夹卷进下沉气流内使得冰雹表面的水膜蒸发并吸收大量的蒸发潜热,使水膜的表面温度降到0℃以下而重新冻结,直到降落到大约湿球温度0℃层附近冰雹才开始真正融化。也就是说,如果整层大气近乎饱和,则WBZ层高度与DBZ层高度大致相等,而如果对流层大气相对湿度较低,尤其是对流层中层存在明显干层,则冰雹开始有效融化的高度将明显低于DBZ的高度,因为其开始有效融化的高度大致对应于WBZ高度,该高度会明显低于DBZ高度。
湿球温度廓线与湿球温度0℃层
Profile of wet bulb temperature and WBZ level
在
(1) 求某一气压层对应的湿球温度:从该气压层的温度出发,让气块从该气压层沿着干绝热曲线上升直到与该气压层露点对应的等饱和比湿线相交;然后从两线交点处沿着湿绝热线下降到气块的起始气压高度,所对应的温度即为该气压层的湿球温度;
(2) 对不同气压层重复上述过程,则得到不同气压层的湿球温度;
(3) 将不同气压层的湿球温度点连接起来,则得到湿球温度垂直廓线,而该垂直廓线与0℃等温线的交点对应高度即为WBZ高度。
在实际过程中,可以只在
根据美国预报员的经验,在其他有利于大冰雹的环境条件满足的情况下,WBZ高度在地面以上2.1~3.2 km时最有利于大冰雹降到地面(
除了WBZ高度外,WBZ到地面之间的平均温度也是影响冰雹融化的重要因子。当对流层中层存在明显干空气层时,不但会使WBZ高度偏低,而且还会导致更强、更冷下沉气流并在大气边界层形成强的冷池,进一步降低WBZ和地面间的平均温度,使得冰雹在下落过程中更不容易融化,掉到地面后也会存在较长时间而不致迅速融化。
除了较大的
在第二节中将给出两个例子,一个具有明显雹暴回波特征,DBZ高度不高,但整层大气相对湿度较大,导致WBZ高度较高,地面没有出现明显降雹的例子;另一个例子是对流层中层具有明显干空气层,有效降低了冰雹融化层高度,同时
2007年8月6日下午,北京城区出现局地强降水,降水区域位于北京海淀和朝阳城区部分(北五环以里),3个区域自动站测到50 mm以上雨量,最大为雨量为64 mm。最强降水时段出现在下午15—16时之间,位于海淀和朝阳之间北四环附近2个自动站测到50 mm以上降水。
从当天08时500 hPa形势(
2007年8月6日08时500 hPa天气图
The 500 hPa weather map at 08:00 BT on 6 August 2007
2007年8月6日08时北京探空曲线
大约13时前后,雷暴在海淀区北部生成,之后缓慢向偏东方向移动。大约14:20左右,演变为超级单体风暴。
2007年8月6日14:18北京SA型天气雷达4.3°仰角反射率因子与径向速度图
Reflectivity and velocity maps of 4.3° elevation 14:18 BT on 6 August 2007
2007年8月6日14:54北京SA雷达9.9°仰角反射率因子图
The reflectivity map of 9.9° elevation 14:54 BT on 6 August 2007
2005年6月14—15日,山东、江苏北部和安徽北部先后遭受强烈雹暴袭击。14日夜间到15日凌晨,一个强烈超级单体雹暴在移过安徽北部的过程中一路降下大冰雹,15日凌晨00:30前后在安徽固镇降下此次过程最大冰雹,直径达12 cm。
2005年6月14日20时500 hPa天气图
The 500 hPa weather map at 20:00 BT on 14 June 2005
2005年6月14日20时徐州探空
14日23时前后,在安徽北部的多单体风暴演化为超级单体风暴,该超级单体风暴在15日00—01时期间最为强盛,具有明显中气旋(图略)、高悬的强反射率因子核心、低层强反射率因子梯度和内凹的弧形入流槽口、中低层弱回波区和宽大强盛的回波悬垂(
2005年6月15日00:22徐州SA雷达反射率因子三维立体图
The 3 D map of the reflectivity from Xuzhou radar at 00:22 BT on 15 June 2005
与2007年8月6日北京雹暴例子相比,虽然都是超级单体雹暴,但2005年6月14—15日安徽超级单体雹暴显然更为强大,其环境条件中,
多数预报人员想当然地认为冰雹融化层的高度是干球温度0℃层高度,而实际上融化层的高度更接近于WBZ高度。本文主要目的就是澄清这一事实。虽然长期以来,国外英文文献上一直都将WBZ作为冰雹融化层的近似高度,但这一事实一直没有引起国内预报人员和部分研究人员包括作者在内的足够注意,以至于一直到现在,国内绝大多数预报人员仍然将DBZ作为冰雹融化层的近似高度。
当对流层大气整层相对湿度近乎饱和时,DBZ和WBZ高度几乎是一样的;但是当对流层大气尤其是对流中层或中下层存在明显干层(即相对湿度较低)时,WBZ高度明显低于DBZ高度:因为当冰雹下落到DBZ以下时,由于融化,其表面出现一层水膜,干空气被夹卷进下沉气流内使得冰雹表面的水膜剧烈蒸发降温,迅速冻结,其表面温度降到0℃以下,直到降落到大约WBZ附近冰雹才开始真正融化。
利用两个差异很大的雹暴个例,进一步说明冰雹融化层高度的高低对冰雹大小甚至降雹与否的可能影响。需要指出的是,根据常规探空确定的WBZ高度只是冰雹融化层的大致高度。实际冰雹融化层高度,与上述计算得到的WBZ高度是有差异的。例如降水发生后对湿度的影响,会对WBZ高度,雷暴本身对环境的扰动越大,则其差异也越大。
建议在MICAPS系统的
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