（气象学专业论文）多普勒雷达短时临近预报技术研究.pdf

1 揪 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名： 乙垂五 签字日期：矽，ij p 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通 过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生院办理。 口公开口保密(年月) ( 保密的学位论文在解密后应遵守此 协议) 学位论文作者签名： 互暹鼋k 指导教师签名。夕瞅 签字日期： 目录 中文摘要i a 】日i s t r a c t 1 i 第一章前言l 1 1 研究的目的和意义。1 1 2 国内外研究进展2 1 3 研究的方法。3 1 4 技术关键和创新点3 第二章石家庄强对流天气的气候和天气学特征4 2 1 石家庄市雷电特征4 2 1 1 雷暴的时间分布特征4 2 1 2 雷暴的地理分布6 2 1 3 雷电天气系统分型7 2 2 石家庄市冰雹气候特征。1 0 2 2 1 冰雹的时间分布特征1 0 2 2 2 冰雹的地理分布。1 2 2 2 3 冰雹的路径1 3 2 2 4 石家庄冰雹天气系统1 4 第三章强对流天气的雷达回波特征分析18 3 1 雷雨大风的多普勒雷达回波特征1 8 3 1 1 反射率因子p p i 特征及预报指标1 8 3 1 2 弓形回波18 3 1 - 3 阵风锋1 9 3 2 冰雹天气的多普勒雷达回波特征2 2 3 3 短时暴雨的多普勒雷达回波特征2 3 第四章晴空回波在强对流潜势预报中的应用2 8 4 1 利用多普勒雷达资料识别晴空回波原理。2 8 4 1 1 图像定性识别法2 8 4 1 2e v a d 技术定量分析法2 9 4 2 晴空回波定量识别统计特征分析。3 0 4 3 典型个例分析3 3 4 3 1 天气实况简介3 3 4 3 2 图像定性分析j 3 3 4 - 3 3e v a d 技术定量分析3 5 五章风暴相对螺旋度在强对流预报中的应用3 7 5 1 风暴相对螺旋度( s r h ) 简介3 7 5 2 应用雷达产品计算风暴相对螺旋度的方法3 8 5 2 1 多普勒雷达垂直风廓线( v w p ) 产品简介。3 8 5 2 2 应用雷达产品计算风暴相对螺旋度3 8 5 3 风暴相对螺旋度在强对流预报中的应用3 9 5 3 1 不同灾害性天气类型的s r h 特征3 9 5 3 2 远距离和小范围强对流天气的s r h 特征。4 8 5 3 3 预报指标4 9 六章强对流自动报警系统介绍51 6 1 强对流自动报警系统设计思路5l 6 2 散度计算系统简介5 l 第七章2 0 0 9 年过程检验5 4 7 1 典型个例5 4 7 1 12 0 0 9 年8 月4 日强降水5 4 7 1 22 0 0 9 年8 月2 7 日强对流。5 8 7 22 0 0 9 年汛期综合分析6 2 7 2 1 强对流自动报警系统6 2 7 2 2s r h 灾害天气类型监视系统6 3 第八章总结与讨论6 6 8 1 研究成果。6 6 8 2 存在的不足。6 6 参考文献6 7 j 1 5 【谢7 0 中文摘要 本论文以河北省中南部2 0 0 4 , - - - , 2 0 0 8 年共5 年的对流性天气过程作为研究对 象，利用常规观测资料和雷达资料，分析了对流性天气过程产生的天气背景、 雷达回波图像特征；同时，应用e v a d 技术计算得到的平均散度，分析了对流天 气产生的动力学特征；根据风暴相对螺旋度( s r h ) 的变化判断对流发生的时间及 强弱。具体研究开发内容有：分析了对流性天气过程的天气背景，总结出雷 暴、冰雹等灾害性天气的气候和天气学特征。分析多普勒天气雷达回波的强 度和径向速度等图像产品，找出对流天气过程的雷达图像特征。通过分析径向 速度p p i 产品的零速度线的走向，能够定性判断大尺度风向的辐合辐散，根据 相同距离圈正、负速度数值的差异定性判断某个高度层风速的辐合辐散，进而 跟踪对流的发展。利用e v a d 技术计算低层不同高度上的水平散度值，根据低 层散度随时间的变化，判断环境场是否有利于对流天气的发展。通过对2 0 0 5 - - - 2 0 0 8 年5 9 月石家庄雷达扫描范围内共5 0 次强对流天气过程进行分析，得到 了利用晴空回波预警强对流天气的指标。利用雷达垂直风廓线产品( v w p ) 计 算风暴相对螺旋度( s r h ) ，通过对2 0 0 7 - - - , 2 0 0 8 年的2 7 次强对流天气过程的分析， 找出高低层s r h 变化与对流出现时间的关系，归纳总结出不同类型强对流天气 ( 冰雹、大风、短时强降水) 的预报预警指标。根据晴空回波统计结果开发 了“强对流自动报警系统 ，并于2 0 0 9 年6 - 8 月进行了试运行。从2 0 0 9 年汛期 运行情况来看，系统简单方便，运行基本稳定。6 - 8 月除5 天无雷达资料外，共 报警5 6 次，正确率为7 3 6 ，空报率为1 9 5 ，漏报率为6 9 ；辐合平均提 前对流天气出现时间为7 1 h 。总体看来，该报警系统具有漏报少，虚警较多的 特点，对降低强对流天气漏报率，提高强对流天气的临近预报水平有重要意义。 关键词：多普勒雷达，强对流，晴空回波，风暴相对螺旋度，预警 o t h e rw e a t h e rd i s a s t e r s ) a n a l y z i n gt h ep r o d u c t ss u c h 笛t h ed o p p l e rr a d a re c h oi n t e n s i t ya n d r a d i a lv e l o c i t ya n df m d m gt h ed o p p l e rr a d a ri m a g ef e a t u r e so ft h ec o n v e c t i v ew e a ：t h e rp r o c e s s e s b ya n a l y z i n gt h ed i r e c t i o no ft h ez e r od o p p l e rv e l o c i t yc o n t o u ro nt h ep p io ft h er a d i a lv e l o c i t y a n dt h ed i f f e r e n c eo ft h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v ev e l o c i t yv a l u e so nt h es a m ed i s t a n c ef r o mt h e r a d a r 9t oq u a l i t a t i v e l yj u d g et h ec o n v e r g e n c ea n dd i v e r g e n c eo ft h el a r g e s c a l ea n dt h ef i x e d h e i g h tl a y e rw i n df i e l d s ( 查) c o m p u t i n gt h ed i v e r g e n c ev a l u eo nd i f f e r e n th e i g h t so ft h el o w - l e v e l u s i n ge v a da n da c c o r d i n gt ot h et i m i n gc h a n g e so ft h el o w - l e v e ld i v e r g e n c et oj u d g ew e a t h e r t h ee n v i r o n m e n tf i e l d sw e r eb e n e f i tt ot h ed e v e l o p m e n ta n a l y z i n gt h ef i f b ，c o n v e c t i v ew e a t h e r p r o c e s s e sw h i c hh a db e e ns c a n n e db yt h es h i j i a z h u a n gr a d a rs t a t i o nf r o mm a y t os e p t e m b e ro f 2 0 0 5t o2 0 0 8 ，a n ds u m m i n gu pt h ee a r l yw a r n i n gi n d i c a t o r so ft h ec o n v e c t i v ew e a t h e rb yt h e c l e a r - a i re c h o e s c a l c u l a t i n gt h es t o r mr e l a t i v eh e l i c i t y ( s r h ) b yt h er a d a rp r o d u c to ft h e v e r t i c a lw i n dp r o f i l e ( v w p ) f i n d i n gt h er e l a t i o m h i po ft h eh i g h - l e v e ls r ha n dt h et i m eo f o c u r l e n c ea n dt h es t r e n g t ho ft h ec o n v e c t i v ew e a t h e ra n ds u m m i n gu pt h ee a r l yw a r n i n g i n d i c a t o r so fv a r i e t yt y p e sc o n v e c t i v ew e a t h e rs u c ha sh a i l s ，s t r o n gw i n da n ds h o r t - t i m eh e a v y r a i n f a l lb ya r 脚y z i n gt h et w e n t ys e v e nc o n v e c t i v ew e a t h e rp r o c e s s e sf i - o m2 0 0 7t o2 0 0 8 w e d e v e l o p p e dt h e “c o n v e c t i v ew e a t h e ra u t o m a t i ca l a r ms y s t e m ”b a s i n gt h es t a t i s t i c a lr e s u l t so f c l e a r - a i re c h o e s t h es y s t e mh a sb e e nu s e ds i n c ej u n et oa u g u s ti n2 0 0 9 t h es y s t e mw a se a s yt o u a n ds t a b l e t h ec o r r e c tr a t ew a s7 3 6 ，t h ea b s e n tf o r e c a s tq u o t i e t yw a s l9 5 ，a n dt h el e a k f o r e c a s tq u o t i e t yw a s6 9 o v e r a l l t h el e a kf o r e c a s t sw e r el e s st h a na b s e n tf o r e c a s t s i tw a sa l s o i m p o r t a n tt or e d u c et h el e a kf o r e c a s tq u o t i e t ya n di m p r o v et h ec a p a b i l i t yo ft h en o w c a s t i n go f s e v e r ec o n v e c t i v ew e a t h e r k e y w o r d s ：d o p p l e r 船出峨s e v e r ec o n v e c t i v ew e a t h e r , c l e a r - a i re c h o e s ，s t o r mr e l a t i v eh e l i c i t y ( s r h ) ，w a r n i n g 第一章前言 1 1 研究的目的和意义 第一章前言弟一早刖石 对流天气是我国夏季的主要灾害性天气。随着国民经济的快速发展，因突发性灾害天 气造成的经济损失逐年增加。人们迫切要求气象部门提供可靠的强对流天气预报，尤其是 几小时之内的临近预报。同时，由于业务服务的需要，精细化的天气预报服务也成为未来 的发展趋势。 散度在研究强对流天气的动力学本质中必不可少，是衡量速度场辐散、辐合强度的物 理量。常规的天气图资料，每天只有0 8 时和2 0 时( 文中未加特别说明，全部为北京时) 两个观测时次，且只有有限的几个高度，插值计算得到的散度，无论从时间密度还是从空 间密度研究降水的动力学机制都是不实际的。而多普勒天气雷达每6 分钟进行一次体积扫 描，如果能根据雷达资料得到定量化的散度， 来。如何由雷达数据资料得到定量化的散度， 气雷达研究的一个方向。 则整个降水过程的动力条件将完整地展现出 从而研究降水的动力学机制一直是多普勒天 目前约有1 0 0 0 部以上的天气雷达布设在世界各地，用于监测强对流天气、定量估计降 水等，是气象部门的重要探测和监测手段之一。多普勒天气雷达资料具有很高的空间分辨 率( 2 0 0 - - - 0 0 0 m ) 和时间分辨率( 2 - 1 5 m i n ) ，能够提供最高时空精度的高分辨率基本数据( 反 射率因子、平均径向速度和速度谱宽) 。根据雷达操作员的指令，生成操作员指定仰角上的 基本反射率因子、基本径向速度和基本谱宽产品。由数字化的基本数据经过使用特定的算 法生成各种和天气相关的导出产品。这些产品以图像形式显示在荧光屏上，如何识别不同 天气下的雷达图像产品，是雷达应用的最主要的内容。 为了加速发展我国新一代天气雷达，中国气象局与美国合资利用w s r - 9 8 d 的先进技 术研制生产了中国新一代天气雷达( c i n r a d ) 。从1 9 9 8 年起，全国新一代多普勒天气雷 达网工程作为国债项目开始实施。河北省新乐新一代天气雷达站自2 0 0 3 年下半年投入业务 使用，运行稳定，资料比较连续，为预报和科研提供了一定的依据。如何把敏视达公司提 供的速度图像、垂直风廓线( v w p ) 等产品应用到实际的天气分析中，并且挖掘这些软件 没有的特征是本论文的主要目的。 南京信息工程大学硕士学位论文 1 2 国内外研究进展 随着我国多普勒天气雷达的布点工作的展开和投入使用，各种雷达产品在实际业务工 作中的应用也越来越广泛，特别是径向速度平面位置显示( p p i ) 产品，由于在一定条件下 能分析和推断真实的风场结构，尤其受到重视。但是，多普勒天气雷达直接测量得到的是 降水粒子相对于雷达的平均径向速度，它与我们需要的实际水平风速有关但又不同。另外 从雷达显示屏幕上得到的平均径向速度场分布十分复杂，如何由径向风场得到更多的和降 水等天气有关的物理量信息，成为人们一直研究的课题。就多普勒天气雷达的应用来说， 它仍停留在实时监测、提供高时空分辨率的实况资料等方面，预报员仍无法获取适用中小 尺度天气学( 尤其是中b 尺度) 的相关资料。英国著名学者b r o w n i n g 曾经指出：在中小尺 度数值预报模式还不完善的今天，短时预报应建立在对实况充分了解的基础上的外推预报。 现在，实时雷达资料已能供我们使用，但我们却不敢说对实况已充分了解，问题就在于我 们对现有雷达资料中的预报信息知之甚少，也研究得很少。为此，作者试图通过对雷达图 像产品的深入探讨来发掘一些具有预报价值的信息。 由于单多普勒天气雷达只能探测某点的径向速度，不能得到实际的风速，而反演实际 风场需要许多的假设条件，反演风场很难付诸业务使用，故目前的雷达系统产品中没有风 场的反演产品。特别应该指出，在目前所使用的有关速度方面的二级产品中，也没有关于 辐合辐散的信息，如v 1 p 产品、v a i ) 技术中都没有。而强对流天气出现之前，往往在中低 层会有一定的体现，v 1 p 产品很难看出这种信息。 多普勒天气雷达径向速度图像由于探测的是沿雷达径向的速度，虽说根据汤达章等给 出的速度图像识别的方法，可以定性判断对流性天气发生发展的大气风场的结构特征，但 是自动识别实际风场还是有一定的困难。利用e v a d 技术可以避免直接反演风场，定量计 算得到不同高度层平均的水平散度。本论文研究内容之一就是依据晴空回波散度的变化判 断未来对流发生的可能性，目前国内将此技术应用于实际预报业务还比较少。 风暴相对螺旋度( s r h ) 是近年来引入天气分析和预报的一个重要的物理量，它的大小反 映了旋转与沿旋转轴方向运动的强弱程度，是一个诊断和预报对流灾害天气发生发展过程 相当有用的物理量，与多普勒雷达结合应用的文献目前国内还很少见。利用s r h 大小的变 化判断对流天气的类型以及大致出现的时间是本论文研究的另一个内容。 新乐多普勒天气雷达于2 0 0 3 年底投入业务使用，运行稳定，在预报业务中起到了不可 替代的作用。河北省在多普勒天气雷达的分析应用方面做了一定的工作，但还需要更深一 2 第一章前言 步的研究，通过以上几项技术的开发研究，可以极大地提升我省多普勒天气雷达的应用技 术水平，提高短时对流灾害性天气预报的预测预警能力。 1 3 研究的方法 1 、多普勒天气雷达图像识别技术：通过研究径向速度p p i 产品的零速度线的走向，定 性判断大尺度风向的辐合辐散，根据相同距离圈正、负速度数值的差异定性判断某个高度 层风速的辐合辐散，进而跟踪对流的发展。 2 、e v a d 技术计算散度：利用雷达径向速度资料计算低层不同高度上的水平散度值， 根据散度随时间的变化，判断环境场是否有利于对流天气发展。 3 、利用v w p 产品分别计算高、低层的风暴相对螺旋度( s r h ) ，利用s r h 区分强对流 天气类型，判断对流天气出现时间。 1 4 技术关键和创新点 l 、技术关键 多普勒天气雷达图像识别技术； e v a d 技术计算散度； 风暴相对螺旋度( s r h ) 的计算。 2 、创新点 利用雷达资料研究对流灾害，从不同雷达产品、不同侧面分析对流产生前的雷达图 像特征。 利用雷达基数据资料，结合e v a d 技术，计算晴空回波的平均散度随高度和时间的 变化，判断晴空条件下环境场的辐合( 散) 情况。 将雷达资料应用到风暴相对螺旋度( s r h ) 的计算中，判断对流出现的时间。 3 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章石家庄强对流天气的气候和天气学特征 夏季冰雹、大风等强对流天气总是和雷暴活动相伴；而短时暴雨同样大部分伴有雷暴， 2 0 0 5 - - 2 0 0 8 年的4 6 次短时暴雨过程中，只有4 次无雷暴活动。故我们主要分析石家庄雷 暴的气候和天气学特征。又因为冰雹天气的特殊性，需要的天气条件更为典型，因此，我 们对冰雹天气进行了重点分析。 2 1 石家庄市雷电特征 通过对石家庄市及各县( 市) 1 9 7 2 2 0 0 7 年3 6 年雷电资料进行统计分析得出石家庄 雷暴发生的气候特征是：全市年平均雷暴日数2 6 天，最多年份平均为4 l 天，出现在1 9 9 0 年，最少年份为1 7 天，出现在1 9 8 9 年，其中；石家庄市年平均雷暴日数3 0 天，最多为 4 6 天，最少为1 7 天。雷暴的地理分布特征是西部山区多于东部平原。 2 1 1 雷暴的时间分布特征 1 、雷暴初终日期 石家庄市1 7 个站点平均初雷日一般出现在4 月下旬到5 月上旬，平均终雷日一般出现 在9 月下旬到l o 月上旬。其中市区平均初雷日为4 月2 4 日，平均终雷日为9 月2 8 日，最 早的初雷日为1 9 8 2 年3 月1 4 日，最晚终雷日期为1 9 9 0 年1 1 月7 日。全区初雷日期最早 出现在1 9 8 2 年3 月1 4 日，最晚终雷日出现在1 9 8 6 年1 2 月1 1 日。 2 、雷暴年际变化 石家庄市区年平均雷暴日数为3 0 天，最多可达4 6 天，最少为1 7 天；全区年雷暴日数 平均为2 7 天，最多可达4 2 天，最少为1 6 天。从1 9 7 2 - - 一2 0 0 7 年3 6 年间的变化趋势来看， 基本上是围绕年平均雷暴日数累年平均值的上下波动( 如图2 1 ) 。 4 第二章石家庄强对流天气的气候和天气学特征 图2 1 石家庄雷暴日数年变化曲线图 3 、雷暴月变化 由图2 2 可见，石家庄雷暴活动多发生在3 1 1 月份，主要集中在夏季6 8 月，占全 年平均雷暴日数的7 4 6 ，其中7 月份是雷暴活动的最多月。 ；图l 圈l固图曩嘲 图2 2 石家庄雷暴日数月变化图 4 、雷暴日变化 石家庄雷暴活动主要集中在午后至前半夜，后半夜至上午雷暴活动则较少。如图2 3 所 示，雷暴日变化峰值主要出现在午后1 3 2 1 时左右，谷值主要出现在上午5 , - - , 1 2 时左右。 5 o 9 8 7 6 5 4 3 2 l o 南京信息工程大学硕士学位论文 2 1 2 雷暴的地理分布 图2 3 雷暴日变化图 就石家庄市1 7 个县市来说，雷暴日数分布以西部山区居多，井陉、赞皇、市区雷暴日 数达到3 0 天，自西向东部平原逐渐减少至晋县年雷暴日数仅为2 3 天( 图2 4 ) 。 图2 4 全年雷暴日数地理分布图 6 第二章石家庄强对流天气的气候和天气学特征 2 1 3 雷电天气系统分型 形成石家庄雷电的天气系统主要有三种类型：切变线型、冷涡型和西风槽型。这三类 天气系统都可产生强烈的雷暴天气，造成雷击灾害。西风槽型影响时间相对较短( 一般为 数小时) ，雷暴天气随着系统东移而逐渐结束。切变线型雷电影响时间与副热带高压活动密 切相关，由于夏季副热带高压稳定，切变线在其西侧徘徊，对流云频繁生成，雷电天气常 可持续数日。冷涡型常造成连续三天的雷暴天气，“雷雨三后晌”之说是冷涡云系影响的主 要特征之一，原因是冷涡后部冷空气补充南下与午后低空暖湿空气产生对流。 1 、切交线型 切变线多为东北风与西南风的切变，主要特征是切变线在副热带高压西侧活动，对流 云团发展强盛，雷电活动剧烈，其特征是持续时间较长，雷击灾害严重，受灾范围大。2 0 0 5 年8 月1 2 日就是典型的切变线型雷暴天气( 图2 5 ) 。 ( 1 ) 天气特点及灾害情况 2 0 0 5 年8 月1 2 日下午出现雷雨大风天气，发生雷击事故数十起。其中高邑县遭受大风、 暴雨、雷电灾害。过程降水量达7 0 i m m ，测站瞬时最大风速1 5 m s ，造成一村民被雷击死亡。 石家庄市区一工厂车间倒塌，死亡4 人，轻伤1 人。电力设备被雷击造成多条输电线路中断， 石家庄市及各县乡镇的许多单位、家庭也遭受雷击，经济损失严重。 ( 2 ) 天气形势特征 2 0 0 5 年8 月1 2 日0 8 时5 0 0 h p a 图上，副热带高压呈带状结构；且稳定强大，5 8 8 线西 缘达1 1 3 0e ，北缘达4 0 0 n 。切变线在7 0 0 h p a 图上最为清晰，切变线位于张家口经延安到兰 州一线，为大陆高压与副热带高压之间的切变，切变线前部西南风，风速为1 6 - 1 8 r n s ， 切变线后为东北风，风速为4 m s 。而8 5 0 h p a 副热带高压与大陆高压为一体，切变呈西南 风与东南风的切变。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 图2 52 0 0 5 年8 月1 2 日憾时7 0 0 h p a 高度场、温度场、风场 2 、冷涡型 冷涡型是造成雷暴的主要天气类型，多产生强烈的雷电天气。又由于冷涡移动缓慢， 位置比较稳定，东移过程中，涡后冷空气随强偏北气流( 北北东气流) 不断南下，午后低 层温度升高以后，产生垂直不稳定，常造成连续三天的雷暴天气。冷涡越深厚，对流云发 展越强盛，雷电活动越剧烈。常见的冷涡包括：东蒙冷涡和华北冷涡。2 0 0 7 年4 月1 2 日 就是典型的华北冷涡型雷暴天气( 图2 6 ) 。 ( 1 ) 天气特点及灾害情况 受华北冷涡影响，2 0 0 7 年4 月1 2 日石家庄出现雷阵雨天气。1 7 时强对流造成雷击灾 害，导致正定县某公司发生雷击事件，击毁交换机7 台、摄像头8 个，损失5 万元。 ( 2 ) 形势特征 2 0 0 7 年4 月1 2 日华北冷涡向东移动，0 8 时8 5 0 h p a 、7 0 0 h p a 在北京上空形成冷涡中心， 槽线从低压中心开始经河北中南部延伸至山西。高空三层温度槽均滞后于高度槽，温度脊 与高度槽叠加，冷平流控制华北地区，同时5 0 0 h p a 、7 0 0 h p a 和8 5 0 h p a 三层风速都很大， 槽后西北气流及槽前西南气流都有急流带，冷空气强度大，层结不稳定，中低空水汽条件 较差，系统移动快，雷电天气剧烈。 8 第二章石家庄强对流天气的气候和天气学特征 图2 62 0 0 7 年4 月1 2 日嬲时8 5 0 高度场、温度场 3 、西风槽型 西风槽指西风带系统由西向东移动的冷空气形成的低槽产生的雷暴天气。5 0 0 h p a 山西 境内为一低槽，且温度槽与高度槽相重叠，槽线附近常配有急流，系统移动较快。在7 0 0 h p a 图上，水汽条件一般较差，影响时间较短，常伴随狂风暴雨，雷电活动剧烈。2 0 0 4 年5 月 1 6 日为典型的西风槽型( 图2 7 ) 。 ( 1 ) 天气特点及灾害情况 2 0 0 4 年5 月1 6 日石家庄出现雷雨大风天气，并发生雷击事件。雷击事故中，正定县 牛家庄村农户电器被雷电击中：周头乡西台村农业电网供电设备被雷电击坏。 ( 2 ) 形势特征 2 0 0 4 年5 月1 6 日0 8 时5 0 0 h p a 高空图上，槽线从4 0 0 n 以北，沿内蒙南部、山西东部 一直向西南方向延伸到3 0 。n 以南。槽后的西北急流与槽前的西南急流产生强烈的风向风速 切变，并配有2 0 闭合冷中心。 9 南京信息工程大学硕士学位论文 l k 纯l j 咆l 嚣堆 图2 72 0 0 4 年5 月1 6 日5 0 0h p i 高度场、温度场、风场 2 2 石家庄市冰雹气候特征 通过对石家庄市1 9 5 9 - 2 0 0 7 年4 9 年降雹资料进行统计分析，得出冰雹天气在发生时 间、地点上的分布特征，找出冰雹天气主要影响路径、冰雹多发地；分析了冰雹与天气系 统的关系，东蒙冷涡、西来槽、横槽是石家庄市降雹的主要天气系统。 2 2 1 冰雹的时间分布特征 1 、冰雹年际变化 按一日内一个地方出现降雹算一个雹日统计：1 9 5 9 - 2 0 0 7 年4 9 年间，平均每年出现 冰雹7 8 次，最多的3 4 次( 1 9 9 0 年) ，1 9 6 0 和1 9 6 1 年没有出现冰雹，冰雹的年际变化较 大。 历年冰雹出现次数见表2 1 。图2 8 为1 9 5 9 - 2 0 0 7 年石家庄市逐年降雹次数年际变化 曲线图，1 9 5 9 , - 。1 9 7 9 年平均降雹日数为( 3 7 次年) ，进入8 0 年代降雹明显增多，1 9 8 0 - 1 9 9 0 年呈现阶段性峰值，年均降雹( 1 5 5 次年) ，其后明显下降，1 9 9 1 2 0 0 7 年平均降 雹次数为( 5 9 次年) ，高于1 9 5 9 - - 1 9 7 9 年。 表2 11 9 5 9 - 2 0 0 7 年石家庄市逐年降雹次数统计表 年代1 9 5 9 1 9 6 0 1 9 6 l1 9 6 21 9 6 3 1 9 “ 1 9 6 5 1 9 6 61 9 6 71 9 碣 次数lool13 7 2 31 年代1 9 6 91 9 7 01 9 7 11 9 7 21 9 7 31 9 7 41 9 7 51 9 7 61 9 7 71 9 7 8 1 0 第二章石家庄强对流天气的气候和天气学特征 次数 4 423 4 59 4 1 53 年代1 9 7 91 9 8 01 9 8 11 9 8 21 9 8 3 1 9 8 4 1 9 8 51 9 8 6 1 9 8 71 9 8 8 次数 1 0 2 81 2 1 71 4l l1 31 51 82 2 年代1 9 8 91 9 9 01 9 9 l 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 1 4 1 9 9 51 9 9 6 1 9 9 71 9 9 8 次数 1 43 41 891 285334 年代 1 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5嬲2 0 0 7 平均 次数 8l4496l247 8 4 0 3 6 3 2 2 8 2 4 籁 1 6 1 2 8 4 o 1 9 1 9 年代 图2 81 9 5 9 - 2 0 0 7 年石家庄市逐年降雹次数年际变化曲线图 2 、冰雹的月分布 由图2 9 可以看出，4 - 1 1 月均可出现冰雹，但成灾冰雹多产生在5 9 月，5 月下旬 至7 月是石家庄冰雹盛行季节，平均占全年总次数的9 4 2 。 誊 z a r l 一z t l 、 7 ， 、 fa | ， j ? 图2 91 9 5 9 - 2 0 0 7 年石家庄市逐月平均降雹次数变化曲线图 南京信息工程大学硕士学位论文 3 、冰雹的日变化 一日中冰雹多出现在1 5 2 0 时，占全天的6 0 7 ，其中尤以1 6 - 1 9 时出现机率最大 ( 占4 5 2 ) ( 见表2 2 ) ，图2 1 0 为1 9 5 9 - 2 0 0 7 年石家庄市降雹次数日变化曲线图。冰雹 的这种日变化特点，显然与下垫面增温有利于对流发展有关。 表2 2 石家庄市1 9 5 9 - 2 0 0 7 年逐时降雹次数统计表 时次 l 23 4 5 67 8 91 0l l 1 2 次数 5664ll342l1 09 时次1 31 41 51 61 71 81 92 02 l 2 2 2 32 4 次数 1 53 34 14 66 34 13 42 21 31 067 7 0 5 0 4 0 爨3 0 加 1 0 o o24681 01 21 41 81 8加忽“ 时次 图2 1 01 9 5 9 - 2 0 0 7 年石家庄市降雹次数日变化曲线图 比较西北部山区和东部平原降雹日变化，可以明显看出，西北部山区降雹时间早于东 部平原1 2 小时，西部山区1 7 时降雹机率最大，而后迅速减少，东部则出现在1 8 时，之 后缓慢下降，入夜后显著减少。这种时间差与冰雹路径自西向东有关。 2 2 2 冰雹的地理分布 冰雹天气的出现，不仅取决于一定的天气条件，还受到自然地理条件的影响，根据 1 9 5 9 2 0 0 7 年各县( 市) 降雹资料分析，石家庄年降雹日数的分布有以下特点： ( 1 ) 西部山区多于东部平原( 图2 1 1 ) 。其原因有- - ：一是影响石家庄市的降雹天气系 统多自西北侵入，之后向东南移动；二是西北部山区地形起伏，植被分布不均，下垫面升 第二章石家庄强对流天气的气候和天气学特征 ( 降) 温剧烈，有利于对流的发生发展，以致产生雷雨，有时伴有冰雹天气。 ( 2 ) 平原上的多雹区一般在河流或古河道附近，因沙性土壤午后增温剧烈，有利于对 流的发生，产生雷阵雨，有时伴有降雹。如正定的里双店、南楼、曹村、南牛一带原是沙 河古道，为沙性土壤，因此这里是个降雹多，雹灾重的地带。 据资料统计和调查，石家庄还有几个多雹区( 点) ：赞皇县的许亭；新乐的东张村、西 张村；赵县的范庄、谢庄镇；石家庄西南的高迁、窦妪等地。 ( 3 ) 冰雹的发生有成片分布、成带分布、也有零星站点分布，其中以带状分布为多见。 冰雹的地域性很强，其影响范围大小不一，同一次降雹，雹带有的地方宽，有的地方窄， 有时也会出现不连续现象。 2 2 3 冰雹的路径 圈2 1 1 1 9 5 9 - 2 0 0 7 年石家庄市年平均降雹日数空间分布 冰雹的路径主要取决于天气系统所处的位置，同时也与地理环境因素有关。由于石家 庄属西风带，降雹系统多由西向东或由西北向东南移动。从降雹资料分析得出，石家庄降 雹机率较多的地带主要有三条( 如图2 1 2 ) ： 1 3 县、 下到 ，其 会造 第二章石家庄强对流天气的气候和天气学特征 图2 1 31 9 9 9 年5 月m 日横橹降雹个例鬟) o h p s 形势图 ( 实线：高度场，虚线：温度场) 图2 1 42 0 0 8 年5 月1 7 日东蒙冷涡降雹个例5 0 0 h p s 形势图 ( 实线：高度场，虚线：温度场) 1 5 南京信息工程大学硕士学位论文 图2 1 52 0 0 3 年7 月7 日西风槽降雹个例5 0 0 h p a 形势图 ( 实线：高度场，虚线：温度场) 东蒙冷涡降雹特点除强度大，范围广外还有连续性。一个发展深厚的冷涡系统常造成 石家庄市持续3 4 天的降雹，如1 9 8 2 年6 月1 5 一1 7 日，1 9 8 6 年的7 月卜_ 9 日等。这种 连续降雹的天气形势有以下特点：在渤海到贝加尔湖的东部为稳定的东北西南向高压，阻 挡冷涡的东移，在冷涡的后部不断有冷平流加入使其发展加强，冷涡在东蒙地区维持造成 石家庄市连续几日的冰雹天气。 2 242 不同天气系统影响下石家庄市冰雹的分布 1 、东蒙冷涡 分析东蒙冷涡降雹个例，造成石家庄市降雹有以下特点： ( 1 ) 当东蒙冷涡位于1 0 5 。e 1 1 6 。e ，3 8 。n 5 0 。n 度范围，在5 0 0 h p a 图上有闭 合等压线、等温线，具有明显的冷平流，冷空气中心强度t = - 1 2 ，地面图上为低压冷锋， 这种涡的位置造成石家庄市降雹范围大，灾害严重，往往伴有大风、暴雨天气，冰雹路径 从行唐、灵寿经新乐、正定、藁城北部顺木刀沟进入无极、晋县、辛集北部是造成石家庄 市冰雹灾害的主要路径。 ( 2 ) 当冷涡的位置位于1 1 7 。e - - 1 2 0 。e ，5 0 。n 度以北时，冷涡仍在关键区内，造 成的冰雹成片分布，具有不连续性，范围要小得多，灾害不均，但涉及县市较多。 2 、西风槽 一种为关键区( 1 0 5 。e - - 1 2 5 。e ，3 8 。n 5 0 。n ) 内单纯的西风槽( 7 0 0 h p a 以上高 空) 而地面图上无冷锋配合，降雹的主要特点是分散，成片状，并具有跳跃式，影响地区 主要是西部、西北部山区及正定的北部、栾城的西北部、藁城的北部、无极、深泽等县。 1 6 第二章石家庄强对流天气的气候和天气学特征 另一种则是北涡南槽，即在5 5 。n 以北，1 1 0 。e 1 1 5 。e 有冷涡，在关键区内有槽线，地 面上有低压冷锋，造成的天气比较严重，降雹往往是大范围成带状分布，影响的县市较多， 自西北山区向东南方向移动，主要路径平山、灵寿、行唐、正定北部、无极、深泽等县， 如2 0 0 3 年7 月7 日，高邑县境内出现暴雨、大风、冰雹；深泽留村、铁杆夜遭受风雹袭击， 造成直接经济损失约1 8 9 8 万元。 1 9 7 7 年5 月2 5 日，5 0 0 h p a 冷涡中心位于5 3 。n 、1 1 0 。e ，冷涡中心温度为3 2 ，有 5 根闭合等高线，4 根闭合等温线，位置从中心到3 8 。n 、1 0 5 。e 度为明显槽，造成了石 家庄市大范围强雹，涉及行唐、栾城、无极等县市。 3 、横槽 从统计较为严重的横槽降雹个例( 三县以上降雹) 中得到，横槽类型主要影响北部山 区、北部平原、东部平原，主要路径为行唐、正定北部、新乐、藁城北部、无极、深泽、 晋县、到辛集北部，这条路径降雹范围较大，与槽后冷空气强度有关，据统计，当5 0 0 h p a 冷中心强度在- 2 4 c 以下时，造成冰雹范围较大，灾害较严重。而当地面图上为高压时，冷 空气势力较弱，降雹主要影响井陉西南部及赞皇北部，但往往为跳跃式分布。 1 7 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章强对流天气的雷达回波特征分析 3 1 雷雨大风的多普勒雷达回波特征 3 1 1 反射率因子p p l 特征及预报指标 雷暴的多普勒雷达回波多为零散块状小回波，边界不光滑，发展后可能为片状或大块 状。基本反射率图上弱回波面积较大，强回波面积小，核小皮厚。 对于块状小回波( 尺度一般 _ 3 0 d a z 、回波顶高邳k m 时，可能会 伴有雷电活动；当块状小回波发展为较大块状回波或片状回波时，除了预报较强回波中心 雷雨外，还要注意较大面积弱回波区域的雷雨。在较弱回波区，当回波强 交p 2 0 d b z 、回波 顶高之5 k m 时，也可能会有弱雷电活动。雷雨时的垂直累积液态含水量v i l 值可以很低，l l 9 0 k g ，m 2 。 如果要产生大风天气，除具备上述雷电天气需要的反射率因子特征外，还需要一些特 定的条件，比如弓形回波、阵风锋等。 3 1 2 弓形回波 弓形回波是一种产生大风的回波形态，最强的地面风出现在弓形的顶点处。受东蒙冷 涡影响，2 0 0 8 年6 月2 3 日1 4 ：0 0 - - 1 7 ：3 0 北京、保定东部、石家庄东部以及廊坊西部出 现1 4 站冰雹；1 6 ：0 0 一1 9 ：3 0 保定东部、石家庄北部及以东的廊坊、天津和沧州区域出 现2 4 站大风。此次过程中反射率因子图上出现了“弓形回波”( 图3 1 ) 。 自2 3 日1 2 时开始，弱回波在河北省西部和北京西部生成。之后，北京至河北西北部 回波迅速发展加强，但移动比较缓慢。1 4 ：3 0 在北京一保定西北部一石家庄西北部发展形成 东北一西南向的带状回波，长约3 8 0 k i n 。此前，反射率因子大部分小于3 5 d