一次中尺度冰雹天气预警案例分析

1、一次中尺度冰雹天气预警案例分析张玉峰，王爱玲，张文喜，王安俊，郭文远，张启绍，刘燕（安阳市气象局，河南 安阳455000）摘 要：运用常规天气图、物理量场、新一代多普勒天气雷达回波图、4要素气象自动站等相关资 料，对2010年6月17日夜里发生在安阳的一次冰雹伴随短时强降水的强对流天气进行中尺度天气分析。 结果表明：高低空有利形势的配置，地面辐合产生强烈上升运动，进而引发不稳定能量的释放，是这次中 尺度对流性天气形成的直接原因。地面辐合线能准确预示对流的发生地区；VIL数值曲线的突发拐点对于 说明冰雹生成过程和降落时间的精确预报有重要意义；气旋性辐合中心就是对流最旺盛的地方，也是冰雹 最容易出

2、现的地点。关键词：雹暴物理量场强对流地面辐合雷达产品引言中尺度天气系统局地性强，生命史短，对流剧烈，经常带来暴雨、冰雹、大风、强雷电等灾害性天气， 危害极大，目前是天气学研究的重要课题。尤其是200km以下中尺度因为时间、空间尺度小，数值预报网 格分辨率低的原因极易造成漏报，且实况案例较少，资料匮乏，预报难度大。新一代多普勒天气雷达的业 务应用，给我们提供更多更好的参考依据。冰雹天气因为危害性大，是气象工作者共同面对的难题之一， 目前国内外也取得很大突破。Amburn1等利用VIL与回波顶高度之比定义为VIL密度，应用于冰雹判别， 张兵研究了冰雹出现地区的“点”、“线”、“面”特征，付双喜把V

3、IL作为判别冰雹的重要工具，王炜4 等利用VIL参数来预测冰雹，已经取得不错效果。2010年6月17日夜晚安阳市区遭受强对流天气袭击，安阳、汤阴、内黄、滑县4个市县相继出现雷 暴天气。其中安阳观测站在21:34开始观测到雷电，21:41起到22:16止出现35分钟降水，降水量合计8.9mm， 并于21:56到22:03出现8分钟的冰雹，最大直径13mm，22:00出现瞬时风速达到12.3m/s。图1为6月 17日降水量实况图，4个市（县）有多个雨量站点出现短时强降雨，最大降水量34.0mm。图中黄色箭头指 示为对流云团生成位置和移动路径，沿途均有冰雹出现报告，冰雹“线”性落区特征明显。这次强对

4、流天 气出现在三夏时期，给安阳农业生产造成一定损失。图1 2010年6月17日降水量实况图（单位：mm）安阳气象台于2010年6月17日21时50分发布雷电黄色预警信号：预计未来安阳市（县）、汤阴、内 黄、滑县将发生雷电活动，部分地区有较大的风和降水，局部地区有冰雹，可能造成灾害事故，请注意防 范。总体而言，预警发布较为合理，达到预警效果，但是在冰雹出现时间的提前量方面仍有不足，主要原 因是预警冰雹受技术及经验限制，为保证准确率无法更早的做出预警。本文运用常规天气图、物理量场、 新一代多普勒天气雷达回波图、4要素气象自动站等相关资料，对本次冰雹伴随短时强降水的强对流天气 过程进行中尺度天气分析

5、，对其背景形势、环境场条件、热力一动力条件进行诊断分析，为以后中小尺度 强对流天气，尤其是冰雹天气的精细化预报提供参考。1天气形势分析1.1高空背景形势分析通过对2010年6月17日20时中尺度系统进行分析，绘制中尺度综合分析图（图略）。200hPa上自宁 夏河南到山东有超过40m/s的高空急流轴，在其左侧有正的相对涡度，有利于对流天气的出现。500hPa上 内蒙古地区存在一低涡，中心温度为-12C以下，自北向南沿太行山脉有一低槽，槽线自北向南位于山西中 部，温度槽落后于高度槽，利于槽的增强。整个华北及山西北部、内蒙中部地区为大范围显著降温区，降 温区南侧、长江以北为干舌。700hPa上槽线位

6、于北京一安阳位置。850hPa上石家庄一德州有一东西方向切 变线，安阳上空有一水平方向温度脊线，河南山东以南广大地区为湿区，太原一济南南部广大地区为20C 以上高温区。925hPa上渤海湾一安阳为切变线。地面中尺度分析，整个河南省处于30C高温控制范围之内，豫北为低压中心，另外有一条地面辐合线， 其南端位于河南济源，北端位于山东聊城，呈西南一东北走向，长度超过500km，其南侧为西南风和南风， 北侧为东北风，有显著风向辐合。豫北地区成为一单汇辐合流场，周围地区气流在此交汇聚集，必然形成 强烈的上升运动，3h后对流云在辐合线中段北侧100km的安阳市生成。地面辐合是对流性天气发生的触发 机制，认

7、识到这一点对于我们将来制作精细化预报有重要意义。冷空气从低涡中心分裂出去并南下影响我国华北广大地区，受影响地区普遍出现对流性天气。6月17 日安阳雹暴天气就是在这样的环流形势背景下发生的。从地面实况看，冷空气所到之处，整个华北平原、 山东半岛多有对流性天气发生，而黄河以南地区，未受冷空气影响，因此当天没有对流性天气出现。1.2探空资料分析按照冰雹形成规律，冰雹的主要生成区是在0-20C层区域，该区域也被称做过冷水积累区。一般认 为适宜冰雹的0C层高度以600hPa为宜，因为这个高度不太高也不太低，既能保证云的发展高度有利于冰 雹生长，同时当冰雹降落时也不会因为暖层过厚而被融化成为雨水。通常-2

8、0C层高度在400hPa附近，当 -20C层与0C层之间的厚度较小时，表明大气在低层为暖湿气层，高空有冷空气侵入，层结趋于不稳定， 有利于冰雹形成叽T-Lnp图可以反映探空站上空各种气象要素垂直分布情况，由于安阳市区没有探空站， 我们参考6月17日08时最近的郑州、济南探空站资料（图略）进行分析，发现6月17日0C层高度基本 上在580hPa，高度4.2km，-20C高度层在400hPa左右，高度约6.8km，大气中层不稳定，易出现冰雹天 气。物理量场诊断分析2.1水汽条件水汽通量是单位时间内流经某一单位面积的水汽质量。水汽通量散度是表示输送来的水汽集中程度的 物理量。我们分析6月17日20时

9、925hPa水汽通量散度（图略）、比湿（图略）和水汽通量（图略）发现， 虽然安阳地区存在-30X10-7g cm-2 hPa-1 s-1的水汽通量散度，但是比湿只有10g kg-1，而水汽通量更 是只有5g cm-2 hPa-1 s-1。研究表明，强对流天气形成暴雨以上强降水的产生需要有充足的水汽供给和 长时间的水汽辐合。因此即使安阳地区处于水汽辐合的中心，能够形成强对流天气，但是没有充沛的水汽 供给，所以不能形成更大降水。2.2动力条件散度是指流体运动时单位体积的改变率，当低层散度为负时为辐合，高层散度为正时为辐散，有利于 天气系统的发展增强。从6月17日20时散度垂直剖面图看出（图2），安

10、阳地区上空存在有较好配置:300hPa 高空有25X10-5 s-1正值中心，低空925hPa有-25X10-5 s-1中心。这种低层辐合、高层辐散的配置有利 于加强空气的抽吸运动，形成安阳地区气流的剧烈上升运动。这是最终形成强对流天气的直接动力因素。涡度是衡量空气质块旋转强度的物理量，可以用来分析气压场的变化。从850hPa低空涡度场看出（图 略），华北地区有较大涡度区，中心最大值超过20X10-5 s-1，安阳地区涡度要略小于20X10-5 s-1。上升 运动是形成强对流天气的决定因子，从850hPa低空垂直速度场上可以看出（图略），安阳偏东100km地区 存在-20m s-i的强上升中心

11、，安阳也出现很大的上升速度，插值计算约为-16m s-i。图2 2010年6月17日20时沿115 E散度垂直剖面（单位：10-5 S-1 ） 2.3不稳定条件K指数对于大气稳定度有一定指示意义。K指数表达式为：K= （T850- T500）+ Td850-（T-Td）700通常情况下，K值越大气层越不稳定，当20CK0C表示气层较稳定，SI0C表示气层不稳定。一般认为SI负值越低，气层越不稳定，当日SI指 数达到-2C，表明发生雷暴的可能性较大。新一代雷达产品分析3.1反射率因子R和液态水含量VIL从雷达回波反射率因子R图中可以看出，21:24时起对流开始在安阳生成，安阳上空自东北向西南有4

12、 个爆米花状对流云胞依次生成，直径不超过10km，中心最大强度25dBz，17分钟后到21:41时，发展成熟 开始产生降水，此时反射率因子强度超过50dBz，8分钟后到21:56时开始降雹，此时反射率因子强度达到 55dBz。这时的云体发展成为类似飑线的条状对流云带，只是尺度要小的多，长约100km，宽约20km，中心 最大回波强度为55dBz，并维持一个准稳定状态，向东南方向移动，最后移出我市。根据天气雷达原理，反射率因子Z等于单位体积内所有粒子的直径的6次方的总和，与粒子直径和总 数目有关。云滴的直径很小，通常小于0.1mm，所以雷达通常观测不到云。毛毛雨直径小于0.5mm，反射率 因子强

13、度也不超过15dBz。层状云雨滴的直径小于3mm，反射率因子强度也不超过35dBz。对流性降水雨滴 最大直径约5mm，超过这个尺寸，水滴将会破裂，由于直径偏大，反射率因子强度通常在35dBz或以上。 而当云体内产生冰雹后，因为冰雹直径可以获得更大尺度，后向散射能力显著增强，可以形成更大的反射 率因子，特别是大冰雹，尤其显著。新的冰雹算法认为当融化层高度以上反射率因子超过45dBz时候，一 定有冰雹形成，并开始有降落到地面的可能性。垂直液态水含量VIL是指降水云体中，某一处确定底面积的垂直柱体的总含水量。垂直液态水含量与 基本反射率的强度相关，VIL方程为：M=3.44X10-3Z4/7将不同高

14、度层的M值进行垂直积分，就可以得到VIL6。当某一高度层的反射率因子Z不变而VIL增大， 是由于雷暴云体内横截面上降水物的物理特征不变，对流旺盛导致云体获得纵深发展，也即云体增高了， 其内部总降水物的数量增大了。我们采用较高雷达仰角，这样可以获得0C层以上高度的产品资料，并收集不同时刻反射率因子R和 液态水含量VIL产品，绘制了随时间变化曲线凡，见图3,以求更加直观的描述雨滴和冰雹生成的物理过程。 对比发现反射率因子R随时间先线性增加到50dBz后基本稳定的变化特点，而液态水含量VIL的值却呈现 突然变化，以折线形式表现出来。这张图上面有几个重要时刻需要我们着重分析：18 21:24 21:3

15、0 21:37 21:43 21:49 21:55 22:01 22:07 22北京时间(hh:mm)含水态液o o O3 2 10 3o o O6 5 4o o o o o O 5 4 3 2 1图3 2010年6月17日反射率因子R和液态水含量VIL时间变化图21:18时刻，雷达开始检测到粒子产生的后向散射。雷暴进入发展形成阶段，反射率因子R随后 开始以较快速度准线性增长，液态水含量VIL增长十分缓慢。21:34时刻，第一声闻雷时间，表明云顶已达-20C层高度，此时雷达观测到0C层以上出现最大 反射率因子R为45dBz，说明云体内有冰雹形成，在其后的时间里液态水含量VIL迅速增加，表明冰雹

16、在 快速增长。21:41时刻，此时开始产生降水，雷暴进入成熟阶段，但是高层仍然以上升气流为主，因此反射 率因子R不再增长，液态水含量VIL仍保持快速增长，说明云体内更高高度上有冰雹在增长。21:49时刻，此时反射率因子R和液态水含量VIL的值都达到55，并停止增大，说明云体内发展 成熟，对流旺盛，基本达到顶峰状态。21:56时刻，即7分钟后开始有冰雹降落到地面。由于拖曳作用，下沉气流显著，在4分钟后于 22:00时刻地面记录到12.3m/s的最大风速。此后R和VIL都维持在5060这样一个较高值的区间内略有 变化，2h后随对流云消散迅速降低。3.2径向速度图V图4 2010年6月17日21:3

17、7 (a)和21:49 (b)平均径向速度图V从图4 (a)可以看到21:37时，有一西南一东北向条状的辐合区，其两边风向相反，当中将红色、绿色区域分割开的是0速度线，也就是辐合线(见图中黑色箭头所指部分)，而且成S状弯曲，因此这里为一 较大气旋中心，说明未来这里的对流将会发展的更加旺盛。而从21:49平均径向速度图4(b)中可以看出， 也即12分钟后，原本S形状的辐合线已经被扭曲，出现两个显著突起，说明这里出现了两个小尺度的气旋 性辐合，即图上用黑色圆圈部位，其中北部气旋中心因为缺少有效监测手段，无法知道是否也有冰雹降落， 而南部气旋中心正好出现在气象观测站上空，7分钟后观测记录到有冰雹降落

18、。结论高空急流出口区的左侧形成的次级环流，有助于触发不稳定能量释放，生成对流性天气8。地面辐合是对流性天气发生的触发机制，地面辐合线的位置有利于我们寻找对流的生成地。当低 层辐合，高层辐散时，对流得到增强而发展。当-20C层与0C层之间的厚度较小时，表明大气在低层为暖湿气层，高空有冷空气侵入，层结 趋于不稳定，有利于冰雹形成。VIL曲线能表明雹云中冰雹状态：VIL曲线突然快速增大说明云体内有冰雹生成并在增长，VIL 不再增大说明冰雹已经增长到最大，不再增长，随后将开始降落。认识这一点对于我们及时制作发布冰雹 天气预警有重要意义。0C高度层以上出现强度45dBz的反射率因子回波，说明高层有冰雹生成。气旋性辐合中心位置 对冰雹落区有一定预报意义。参考文献：Amburn S A， Worlf P L. VIL density as a hail indicator J. Weather Forecasting， 1997, 12 (2)： 473-478.刘兵，戴泽军，胡振菊，等。张家界多个例降雹过程对比分析J.气象，2009, 35 (7)： 23-32.付双喜，安林，康凤琴，等.VIL在识别冰雹云中的应用及估测误差分析】J.高原气象，2004， 23 (6)： 810814.王炜，贾惠珍。用雷达垂直累计液态含水量资料预测冰雹】J.气象，2002, 28 (1)： 47-48.朱乾