基于CINRAD/CA雷达的2次强天气对比分析

杨淑华　鞠志辉　张玉芳　秦雅娟　陈真　李腊平

摘 要：为了研究不同类型强对流天气在多普勒雷达产品中的表现特征，利用山西北部大同地区CINRAD/CB波段多普勒雷达，对2012年7月5日广灵县冰雹和2011年7月21日左云县短时强降水对比分析。结果表明：（1）冰雹天气低层逆温层较厚，短时暴雨逆温层浅薄；（2）冰雹天气强回波区所在高度在-20℃等温线之上，短时暴雨在0℃层等温线以下；（3）冰雹天气65～60 dBz回波所在高度超过短时暴雨4～5 km左右；（4）冰雹天气低层有弱回波区、中高层有悬垂回波；（5）中气旋、中尺度辐合区及风暴顶辐散是冰雹天气的特征，深厚的湿层及急流长时间维持是短时暴雨特征；（6）冰雹天气低层风向顺转中层逆转高层顺转，短时暴雨风向整层顺转；（7）降雹过程有持续高VIL值及对应大的梯度变化值，而短时暴雨VIL跃升量很小。

关键词：冰雹；短时暴雨；多普勒雷达产品；对比分析

中图分类号：P415.2 文献标志码：A 论文编号：2014-0111

0 引言

冰雹和短时强降水是2种不同性质的强对流天气，均由中小尺度天气系统造成，由于其突发性和局地性强，使预报难度较大。由于对山西北部短时强降水和冰雹对比研究的文献较少，可借鉴的经验不多。随着多普勒雷达在短临预报中的应用，使得更准确地监测强天气成为可能。张晓东[1]对一次大暴雨雷达回波特征进行了分析，并做了数值模拟；彭九慧等[2]对2次冷涡天气的多普勒雷达资料进行对比分析；沈永生等[3]对雨雪冰冻天气的多普勒雷达特征进行分析；居丽玲等[4]将雷电监测预警网数据与多普勒雷达特征进行综合分析，研究闪电的多普勒雷达特征；梁红等[5]对沈阳一次局地大暴雨过程中逆风区的回波演变进行研究；刁秀广等[6]对下击暴流雷达回波特征进行分析；赵武等[7]对安阳出现的一次对流天气的多普勒雷达回波进行研究；江玉华等[8]对重庆地区一次出现冰雹的超级单体风暴多普勒雷达回波进行分析；金飞胜等[9]对黄山地区一次早春多单体冰雹进行研究。

因此，笔者选取山西北部2012年最严重的一次冰雹过程和2011年出现的有气象记录以来最强的一次短时强降水过程在CINRAD/CA上的特征进行对比分析，以期找出2类天气的异同点，为今后短临天气预报提供参考。

1 天气背景分析

1.1 实况概述

由图1（a）可见，2011年7月21日17：00山西省左云县境内突降短时强降水，降水持续3 h，小时雨强34.3 mm，总降水量达69.7 mm。由图1（b）可见，2012年7月5日19：00—22：00山西省广灵县出现短时强降水天气，小时雨强14.7 mm，19：41—19：50壶泉镇、斗泉乡、蕉山乡、加斗乡、宜兴乡、作疃乡、梁庄乡还遭受冰雹大风袭击，冰雹直径10 mm，瞬时最大风速达17.9 m/s。

1.2 环流形势和系统配置比较

由图2（a～b）可见，2次强对流天气具有相似的高空环流形势，即500 hPa均为2槽1脊型，不同点是7月5日的环流经向度比7月21日大，且有东北冷涡存在，大同位于冷涡底部；而7月21日的环流较平直，有小的西风槽扰动，大同位于冷槽底部，西南气流相对强盛。地面图上（见图2c～d）两者均受黄河气旋控制，但前一次过程气旋中心偏东偏北，中心强度为995 hPa，后一次过程气旋中心偏西偏南，且中心强度为990 hPa。

图3是2011年7月21日高空綜合分析图（a）和2012年7月5日高空综合分析图（b）。2种天气不同点是：7月21日强降水天气在850 hPa图上低空急流为10 m/s，指示有弱的对流活动，700 hPa图上无干冷空气侵入，强降水落区在850 hPa辐合区上、500 hPa冷槽前部；7月5日冰雹天气在850 hPa图上低空急流达 22 m/s，指示有强的对流活动[10]，700 hPa上有干冷空气侵入，风从干区吹向湿区，与干线交角小于40℃，风速8 m/s，指示中等强度对流活动[11]，冰雹落区在850 hPa辐合区东部、500 hPa冷槽之上。

相同点：温度脊都在最大湿区以西，指示强对流活动[12]。

1.3 层结稳定度对比分析

产生对流天气的另一个重要因素是大气垂直稳定度。由于大同站无探空观测，因此采用上游地区的内蒙古东胜探空资料来分析。由图4（a～b）可见，层结为下湿暖湿、中上层500 hPa高度附近相当干冷，且图4（a）上存在逆温，这些都是出现强对流天气的典型特征。图4（b）上虽然也有逆温但厚度较薄，对强对流爆发贡献不大。从风场垂直分布情况来看，2012年7月5日（见图4（a））风场表现为低层为西南风，到了700 hPa高度后顺转为西风，并且风速加大为12 m/s，到了400 hPa高度顺转为西北风，风速14 m/s，即从低层到400 hPa高度之间为暖平流，且出现低空急流，表明暖湿气流在当地有较强的辐合，为冰雹天气提供充足的水汽和动力条件。到300 hPa风向开始逆转为西南风，表明该层有冷空气侵入，这种冷空气叠加在暖湿气流之上的配置为强对流天气的产生提供了不稳定条件。2011年7月21日（见图4（b））风场表现为低层为东北风，到了700 hPa高度后顺转为西北风，风速为4 m/s，到了500 hPa高度风向仍为西北风，风速为8 m/s，表明低层没有出现急流。从整层风场看低层为暖平流，到了中高层也没有出现冷平流，因此2011年7月21日只产生短时强降水而无冰雹、大风。由图4（c～d）可见，订正后的对流有效位能CAPE值显著增加，产生冰雹的对流有效位能比只产生暴雨的对流有效位能大453 J/kg，表示潜在不稳定能量更强。

由图5（a）可见，7月5日冰雹天气在低层850 hPa温度露点差在4℃左右，中高层500～700 hPa温度露点差均大于16℃，为显著干区，这种下湿上干的结构为强对流天气的产生提供不稳定能量。由图5（b）可见，2011年7月21日暴雨天气在低层850 hPa到高层500 hPa温度露点差均在在4℃，表明整层为湿层，这种较厚的湿层为暴雨天气的产生提供充足的水汽。

2 多普勒雷达产品对比分析

2.1 基本反射率因子（R）及其剖面（RCS）产品分析

由图6（a）可知，低层入流区对应风暴前沿，即东南方向，风暴高反射率因子区从低层到高层向入流一侧倾斜，反映出低层弱回波区和中高层的悬垂回波结构，并且风暴顶位于低层高反射率梯度之上。由相应的垂直剖面图（见图6（b））可见，低层具有宽广的弱回波区（WER）及左侧回波墙、高层具有高悬反射率核。65 dBZ回波所在高度超过8 km；60 dBZ回波所在高度接近9 km。由俞小鼎等[13]研究可知，判断大冰雹的方法是根据相对于0℃和-20℃层等温线的位置，强回波区必须扩展到0℃层等温线以上才能产生冰雹，当强回波区扩展到-20℃层高度以上时，对强降雹的潜势贡献最大。由图6（a）可见，当日大同0℃层所在高度大约在4346 m，-20℃层所在高度大约7571 m。可见60 dBZ回波所在高度超过-20℃层大约1400 m。在径向速度剖面图上，2 km左右高度上有强的辐合区、8 km以上存在风暴顶辐散。从当日回波强度、形状和强回波区所在高度来看，都可以判断是雹暴回波。

由图7（a）可知，低层入流区对应弓形回波后侧，即西北方向，风暴高反射率因子区从低层到高层没有发生倾斜，说明从低层到高层无弱回波区和悬垂结构。由相应的垂直剖面图（见图7（b））可见，此回波低层无弱回波区（WER），但左侧有回波墙层具有回波悬垂。65 dBZ回波高度在4 km以下；60 dBZ回波所在高度在5k m左右。从当天的探空资料可知大同0℃层等温线高度4251 m，-20℃层高度为7784 m，65 dBZ回波高度在0℃等温线高度以下，更未超过-20℃层高度，这是未产生冰雹主要原因。由于其回波顶高接近11 km加上较长的持续时间是产生短时强降水的主要原因。径向速度剖面图上，没有强的垂直风切变及风暴顶辐散也是降水维持时间较短的原因之一，也可以作为无冰雹的一个判据。

2.2 风暴相对径向速度（SRM）产品分析

对弱切变及中气旋的判断均按照俞小鼎等[14]《多普勒天气雷达原理与业务应用》中制定的标准执行。图8是2012年7月5日19：22风暴单体成熟阶段2.5°—6.0°仰角风暴相对径向速度图。可见2.4°仰角上涡旋中心在（114°，71km），核区直径1.6 km，最大平均轉速为17 m/s，为弱中气旋。3.4°仰角上涡旋中心在（114°， 72 km），核区直径2.6 km，最大平均转速为16 m/s，为弱中气旋。4.3°～6.0°仰角上没有中气旋，但有中尺度辐合线，6.0°仰角上有风暴顶辐散。由分析可见，中气旋、中尺度辐合及风暴顶辐散是广灵地区降雹的主要原因。

图9是2011年7月21日17：50风暴单体成熟阶段0.5°—6.0°仰角风暴相对径向速度图。可见0.5°—2.4°仰角上有中尺度辐合线，2.4°仰角上有1个直径0.9 km中尺度涡旋，旋转速度18 m/s，但只维持1个体扫，没有达到中气旋标准。3.4°—4.3°仰角上有逆风区特征，表明存在垂直风切变及强辐合，预示着降水增强。另外，0.5°—4.3°仰角上有12 m/s的西南急流，且维持了80 min以上。由于低层辐合及急流长时间维持为短时强降水的产生输送了充足的水汽和足够的动力条件。

2.3 垂直液态含水量（VIL）对比分析

垂直液态含水量的定义为云底上部单位面积上的可降水量[15]。图10（a）为2012年7月5日降雹前后垂直液态含水量随时间演变图。19：22风暴单体成熟时VIL值为48 km/m2，19：34 VIL值增大到53 km/m2，19：47降雹时VIL值陡降到38 km/m2，差值为15 m/m2，降雹后VIL值为23 km/m2，降雹前后VIL值从53 km/m2降为23 km/m2，下降了30 km/m2。图10（b）为2011年7月21日短时强降水前后垂直液态含水量随时间演变图，降水开始时VIL值为38 km/m2，降水最强时VIL值为43 km/m2，整个降水过程只有5 km/m2的跃升量。由此可知，降雹过程VIL对应大的梯度变化值，而短时强降水没有这个特征。

2.4 风廓线产品（VWP）对比分析

由图11可见，冰雹天气的VWP（见图11（a））特征为湿层浅薄，2.7 km以下风向顺转，风速随高度递增，中层风向随高度逆转，高层风向随高度顺转，中高层非常干燥，这种下湿上干的形式有利于对流天气的加强发展。短时强降水的VWP（见图11（b））特征为从低层到中层均为西南气流，中层到高层为西北气流，风向随高度顺转，有暖平流。这种深厚的湿层为强降水的产生提供了充足的水汽。二者显著的区别是冰雹天气中层有干冷空气侵入，短时强降水整层都为暖平流。

3 结论

（1）冰雹和短时强降水风暴的显著区别是冰雹风暴单体有典型的弱回波区和悬垂回波结构，这种结构同时表征了中气旋的存在，正是由于中气旋造成了冰雹、大风等强对流天气。

（2）风暴单体内部2 km左右存在辐合区及中气旋，降雹前垂直积分液态水含量在48 kg/m2以上并出现跃增现象有利于产生冰雹和大风天气。

（3）垂直风廓线反映了不同高度的风垂直切变、冷暖平流以及辐合辐散情况，它对强对流预报有很好的指示意义。冰雹过程湿层浅薄中层有干冷空气侵入，短时强降水湿层较厚，且整层都为暖平流。

4 讨论

（1）本研究只选取了2次过程进行对比分析，因而对于风暴单体内部更多的结构特征有待于进一步研究；得出的结论可以作为参考但不能作为阈值，应对更多的个例进行研究，从而得出有指导意义的阈值。

（2）本研究基于CINRAD/CA波段多普勒雷达，得出的结论对于其他波段多普勒雷达的应用有待推敲、商榷。

参考文献

[1] 张晓东.一次大暴雨雷达回波特征及数值模拟[J].气象科技，2010，38（5）：550-557.

[2] 彭九慧，杨庆红，王宏，等.两次冷涡天气的多普勒雷达资料对比分析[J].气象科技，2009，37（5）：545-548.

[3] 沈永生，杨远航，章达华，等.雨雪冰冻天气多普勒雷达产品特征[J].气象科技，2010，38（2）：189-192.

[4] 居丽玲，牛生杰，陈连友.一次致灾雷暴过程的闪电雷达回波特征分析[J].气象科技，2011，39（4）：429-437.

[5] 梁红，陈立德，李大为，等.沈阳一次局地大暴雨过程中逆风区的回波演变[J].气象与环境学报，2011，27（3）：12-17.

[6] 刁秀广，赵振东，高慧东，等.三次下击暴流雷达回波特征分析[J].气象，2011，37（5）：522-531.

[7] 趙 武，刘燕.对流天气的多普勒雷达回波特征的个例分析[J].气象水文海洋仪器，2011（1）：45-48.

[8] 江玉华，刘娟，何跃，等.一次伴随冰雹的超级单体风暴特征[J].气象科技，2011，39（2）：172-181.

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[10] 熊秋芬，章丽娜，王秀明，等.强天气预报员培训手册[M].北京：中国气象局气象干部培训学院，2012：11.

[11] 熊秋芬，章丽娜，王秀明，等.强天气预报员培训手册[M].北京：中国气象局气象干部培训学院，2012：16.

[12] 熊秋芬，章丽娜，王秀明，等.强天气预报员培训手册[M].北京：中国气象局气象干部培训学院，2012：11.

[13] 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天气雷达原理与业务应用[M].北京：气象出版社，2006：149-150

[14] 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天气雷达原理与业务应用[M].北京：气象出版社，2006：118.

[15] 王炜，贾惠珍.用雷达垂直累积液态含水量资料预测冰雹[J].气象，2002，28（1）：47-48.