寻甸县罕见双雹灾害特征分析——基于T-LnP图和X波段双线偏振雷达.pdf

第 卷第 期 年 月云 南 地 理 环 境 研 究 收稿日期:修订日期:.基金项目:中国气象局成都信息工程大学人工影响天气联合研究中心开放课题“昆明市昼(夜)间冰雹天气过程的结构特征及热(动)力条件分析”()“地形因子对烤烟种植区冰雹灾害风险影响与对策研究(以寻甸县为例)”().作者简介:耿 琼()女 云南省罗平县人 工程师 研究方向为人工影响天气 通信作者:冯亮亮()男 甘肃省白银市人 硕士 研究方向为人工影响天气 寻甸县罕见双雹灾害特征分析 基于 图和 波段双线偏振雷达耿 琼 冯亮亮 李培民(寻甸县气象局 云南 寻甸 昆明市人工影响天气中心 云南 昆明 昆明蓝天气象信息有限公司 云南 昆明)摘要:利用 年 月 日、日 探空和环流场数据以及 波段双线偏振雷达物理量 从天气背景、大气稳定性、降水粒子相态特征分析了寻甸县境内的连续两次夜间雹灾过程 结果表明:()两高辐合是本轮过程的天气背景 台风“卡努”外围偏东气流影响下辐合区风场切变加强 月 日雹灾表现为高湿度层(相对湿度)从白天到夜间转变以 为界 最高可达 湿对流有效位能从 减小至 月 日雹灾过程 高湿度层从白天到夜间转变以 为界 最高可达 ()“”冰雹过程中是典型超级单体结构 垂直积分液态水含量跃增最大达 、降雹时零滞后相关系数降低至 以下、差分反射率和差分相位移率变化较弱 且预警系统提前一小时触发报警 云体在成熟阶段降雹“”冰雹过程中垂直积分液态水含量维持稳定 差分相移率随冰雹云发展由 增大至 云体在积云阶段降雹 预警系统滞后 分钟触发报警关键词:冰雹 气象灾害 寻甸县 双线偏振雷达中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言云贵地区冰雹易发生于春夏季 年际变化大 且时空分布极不均匀 滇西北等地区小冰雹特征显著 而滇西南则时有超级单体持续降雹发生 一方面北半球极涡、印缅槽、西太副高等大尺度环流间接影响天气背景 另一方面受南支槽、低压槽、热低压等天气系统直接触发 除以上因素 复杂下垫面类型与冰雹过程有密切联系例如:昆明地区的冰雹灾害高发于午后至傍晚时段 且山区、高海拔地区冰雹发生率远高于低海拔、平坝 特殊大气层结也是冰雹发生的必要条件 对昆明地区近 年冰雹灾害潜势预报分析指出 冰雹灾害主要发生在“上冷下暖”“上干下湿”的大气层结 中低层温差常介于 之间 多普勒天气雷达作为探测强对流天气有利手段 其回波强度代表了冰雹云发展情况 以云南滇中地区为代表的冰雹强对流发展较旺盛 其强度一般都在 以上 最强可超过 基于双线偏振多普勒天气雷达能够精细化分析强对流天气过程 关注双线偏振参量可反演出云中微物理过程 结合探空资料即可做到临近预报 尤其是在冰雹、大风等强对流天气过程中有较为精准第 期耿 琼等:寻甸县罕见双雹灾害特征分析 基于 图和 波段双线偏振雷达的应用 差分反射率因子(简称)与被探测物的尺寸和轴比有关该参数对粒子总数的敏感性差 搭配水平反射率因子可用于判别降水相态 受冰雹下落过程翻滚影响 实际降雹过程中 值趋近于 或为负值 且下落过程中融化水膜可极大改变 差分传播相位移率(简称)是单位距离上水平与垂直方向上的偏振回波相位差 该指数受雷达波束充塞系数影响较弱 且不受降水粒子衰减影响 在强降水观测中有着广泛应用 常用于定量降水估测及衰减订正 大尺寸冰雹下落过程中表现为翻滚、外壳融化、密度低的特点 对此 响应较差 零滞后相关系数(简称)表征水平与垂直偏振回波信号的密切程度 受水凝物尺寸影响 该值对雨强区分较弱 但对冰雹形成敏感可降至 以下 寻甸回族彝族自治县(以下简称寻甸县)位于昆明东北部 全县下辖 镇、乡及 个街道办事处 县内地势呈西北高、东南低的阶梯状分布 适宜地理和气候特征使得该区成为昆明市最大的烟草种植区 年收购量多年保持 (万担)左右 种植出的优质烟叶原料以清、甜、润等为特色 年 月 日到 日 寻甸县鸡街镇、功山镇纲纪村、塘子街道、羊街镇等地出现罕见双雹灾过程 造成了当地烟草种植区严重损失 这两次冰雹过程均在夜间发生 存在突发性强 间隔时间短 持续时间长的典型特征 但当前关于连续雹灾研究较少 且主要集中在东南沿海地区 本文从天气形势分析出发 结合探空资料研究大气稳定性 根据 波段双线偏振雷达实时监测 对两次夜间冰雹过程的差异性进行初步分析 数据来源烟叶受损情况来源于中国人寿财产保险股份有限公司昆明市中心支公司寻甸分公司灾后统计 本文使用的环流场资料来源于现代化人机交互气象信息处理和天气预报制作系统(简称)第四版客户端平台 该系统作为实时气象预报业务系统 包含了完整的数据采集与处理 能够满足海量气象数据的快速应用 选取 年 月 日、月 日上午 时发布的 、环流场 早 时及晚 时的 图本文使用的雷达资料取自寻甸县河口镇水冒天村附近的 波段全固态双线偏振多普勒天气雷达该雷达由成都远望探测技术有限公司生产 型号 采用双发双收模式 探测的偏振参量包括、等 其中发射与接收频率均为 探测距离在 以上(预警、定量)方位扫描范围 俯仰扫描范围 距离分辨率 参数测量范围与参数测量精度如表 所示 分析涉及的物理量包括:组合反射率(简称)、垂直积分液态水含量(简 称)、使用的其他资料包括 一级产品红外云图 波段 微米 欧洲中期天气预报中心发布的降水预报等表 寻甸水冒天 波段全固态双线偏振多普勒天气雷达部分性能指标 参数测量范围参数测量精度反射率因子()径向速度()速度谱宽()差分反射率因子 差分传播相移 差分传播相移率 相关系数 灾情实况 年 月 日 时 分倘甸镇降雹 雹粒如黄豆大小 夜间 时 分至 分功山镇出现冰雹 雹粒如玉米粒大小 受灾面积较大 月 日 时 分至 时 分塘子街道、羊街镇清水沟村降雹 雹粒在 以上 根据中国人寿财产保险股份有限公司昆明市中心支公司寻甸分公司灾后统计 此次强天气过程是造成寻甸县 年烟叶生产经济受损最严重的灾害 共造成全县烟草种植受灾约 其中“”灾损约(雹灾 洪涝 风灾 )“”灾损约 (雹灾 洪涝 风灾 )云南地理环境研究第 卷 特征分析 月 日环流及大气层结特征 月 日 时 等压面上中高纬呈三槽两脊 四川省东北部有闭合高压中心 宜宾市到普洱市存在风切变 同期台风“卡努”减弱西行其偏东气流影响长江中下游地区(图)云南全省处于东西侧两高辐合区域 上华南地区暖气团明显 伴随有明显气旋性风切变 有利于太平洋偏东水汽向西输送 西昌(广西)存在高(低)压中心 宜宾 昆明 普洱有切变向东南方向发展寻甸县恰处于此切变辐合区中 由切变引起的气旋性辐合抬升加剧局地热对流过程(图)当存在利于降雹的大尺度环流和中小尺度系统时 探空资料的位温及稳定度参量可用于冰雹预报 上午 时探空图显示零度层位于 高度 以下风向顺转有暖平流 以上风向逆转有冷平流 下暖上冷的层结可造成对流不稳定(图)此时沙氏指数()显示中低层大气层结不稳定 有发生阵雨的可能性 湿对流有效位能()显示大气中潜在能量较大有利于较强的上升运动对流抑制能量()为 和下沉对流有效位能()为 表明对流易触发且能量在积累过程中并以上升运动为主 时倘甸镇降雹(雨)消耗一定的气团能量 时探空显示 转正为 发生雷暴的可能性较小 减小至 增大至 同时受白天地面加热影响 零度层上升至 高度 (图)湿层变化表现为早 时中低层 以下为高湿度区 至晚 时 湿度 的区域发展至整个对流层中上部 这是由于低层湿空气受地面加热及中低层切变线辐合作用抬升 为夜间天气过程发展提供了充分条件()()()()图 年 月 日(、)和 月 日(、)上午 时 (、)及 (、)环流场 其中绿线代表 小时等变温(单位:)、细红线代表等温线(单位:)、黑线是位势高度场(单位:)、粗红线为切变线 (、):(、)(:)(:)(:)第 期耿 琼等:寻甸县罕见双雹灾害特征分析 基于 图和 波段双线偏振雷达 月 日环流及大气层结特征与前一日环流形势一致 月 日 时 上中国南方大部呈两高辐合状态 云南以东大部区域处于暖低压控制 同时宜宾市到普洱市风切变略微西移(图)云图显示成都 西昌 大理有一低槽云系 四川至云南省存在分散性大雨区 负变压区控制云南全省 受辐合区暖低压影响 偏东气流影响至昆明本地 这在低层形成了 南北向切变线 为局地对流发展提供充足条件(图)月 日上午 时零度层 高度 考虑夜间地面降温气层收缩 前一日降水使得低层不稳定能量释放 有利于维持层结稳定 水汽蒸发使得中上层呈高湿特征 上有明显风向切变 此时 为 为 为 为 (图)受白天地面热力作用和低层切变线影响 至 时 达到 中高层有明显干区 为 和 为 (图)预示着强天气过程及地面大风灾害发生的可能性较高()()()()图 年 月 日(、)和 月 日(、)上午 时(、)及晚上 时(、)图 :(、):(、)(、)(、)综合分析 两次强对流天气过程是在两高辐合的天气背景下形成 且二者均收到台风“卡努”外围气流影响 而两高辐合区中的低压发展增强是造成低层切变线维持的重要原因 为整个天气过程提供了充足水汽和不稳定条件 此为滇中地区夏季典型冰雹天气背景特征 具体来说切变线造成的风场辐合是天气发生的动力条件下垫面热力条件使得大气能量累积 可诱发夜间雷暴发展 但二者大气层结演变差异较大 其中“”过程大气能量经历了由高至低的衰减但湿层抬升明显、可延申至对流层顶“”湿对流有效位能经历了由低到高的发展 然而湿层发展较低 结合灾损记录 前者受灾类型多元(风雹及洪涝)后者为雹灾明显更强 一方面高低空切变线维持和地面辐射效应进一步加剧了气层不稳定特征 因此 月 日早晚零度层和 层明显偏低于前一日 气团易达到自由对流高度 湿对流有效位能得到充分积累 增加“”雹灾双偏振参量演变雷达 显示 时开始有零星云团自东北方向生成发展 至 时曲靖市沾益区、马龙区有带状云南地理环境研究第 卷回波生成并西移入境 对流加强发生在夜间 时此时有一对流单体自会泽县西移入功山镇东北的双龙村(图)其强回波中心达到 高 对流云在移动中发展加强 呈典型单单体风暴特征 随着低层气流不断吸入 风暴顶高逐渐升高 至 时 分整个结构出现前侧入流缺口(简称)特点 降雹时间点在 时 分 较 强 的 回 波 造 成“三 体 散 射 回 波”(简 称)及 旁 瓣(简称)(图)对流旺盛区域回波强度超过 对流云继续发展 受云体发展衰减作用 强中心后侧形成“”型缺口(图)云体从初生至成熟阶段发展约 分钟 系统提前预测了落雹区和移动路径()()()()()()图 年 月 日功山镇降雹前后的组合反射率图()(单位:)以及预估落雹区 其中 分别为 时 分、时 分、时 分、时 分、时 分以及 时 分雷达回波 ()(:):第 期耿 琼等:寻甸县罕见双雹灾害特征分析 基于 图和 波段双线偏振雷达 降雹前 功山镇东部强中心维持在 高 伴随对流云发展 云中上升气流增强 云顶升高 液态水含量增加到 值最低可达 云中粒子一致性较高 此时冰雹报警持续触发(时 分)降雹概率大 多普勒径向速度场显示 降雹前环境场为反气旋特征 但在负风区中存在正值(图)预示着对流云发展 至 时 分形成了南正北负的辐合特征 随着中层气 流持续上升 对流云顶伸高 中气旋和中反气旋特征明显 同时形成入流缺口(图)降雹时刻“逆风区”(零速度线包裹整个负风区)明显增多(图)此时 强中心 和高度分别增至 及 回波区域发展至 附近 表明云体进一步发展至零度层以上 贝吉龙过程造成过冷水消耗冰晶生长 云中粒子不均一性增加 极大值下降至 伴随大尺寸冰晶碰并破碎、繁生 ()()()()()()图 年 月 日功山镇降雹前后()的径向速度场演变 雷达仰角 其中 分别为 时 分、时 分、时 分、时 分、时 分以及 时 分雷达回波 ():云南地理环境研究第 卷进一步使得冰晶粒子增多 这在双偏振参量上表现为 由 增加至 附近 以上分析显示整个冰雹过程持续近半小时 中 系统演变出现强雷暴特征 其中 时 分云体 达到最强整个云高发展至 和 强中心高至 及 演变显示降雹时刻可减小至 以下 而侧向旁瓣区域 下降更明显(图)零度层上过冷水含量增加是冰晶粒子增多的直 接原因 较大冰晶在上升气流中不断“翻滚”成长为霰 当该过程维持时间较长 就形成了冰雹 降雹时(时 分)强中心维持在 且高度开始下降至 冰雹云内垂直运动加强 以上的强 区增至 也由 跃增至 对应 范围在 表明雹粒较小且密集度高 此时距离触发首次冰雹报警近 小时()()()()()()图 月 日功山镇降雹前后零滞后相关系数演变()雷达仰角 其中 分别为 时 分、时 分、时 分、时 分、时 分以及 时 分雷达回波 :第 期耿 琼等:寻甸县罕见双雹灾害特征分析 基于 图和 波段双线偏振雷达表 月 日落雹点附近 波段双线偏振雷达物理量(单位:单位:强中心回波及高度单位:单位:)(:)时间冰雹报警强中心 强中心:报警 /:报警 /:报警 /:报警 /:报警 /:不报警 /注:强中心 表示局部最大反射率因子及对应高度 强中心 表示 的反射率因子及对应高度()()()()图 降雹过程中 最强时(时 分)组合反射率()、径向速度()、()、()()()()()(:)综合以上分析 此次降雹过程持续时间长 风暴云在发展过程中表现为中(反)气旋、旁瓣衰减、“”型缺口、前侧入流等超级单体特点 波段双线偏振雷达提前 小时触发冰雹预警 降雹前出现两次显著跃增过程 增量达到 同时强回波中心明显上升 降雹时 伴随有强回波区的上升过程 受雹粒下降拖曳作用 最大回波中心下降 且在 最大时 落雹点附近同时伴随有风场辐合、及气旋性环流特征 二者的共同作用是动力维持垂直运动的重要原因 结合 和 可分析冰晶繁生及雹粒增长过程 落雹时落雹点附近降低 旁瓣 减弱更强 此外 本次过程中云南地理环境研究第 卷变化较弱 维持在 仅在旁瓣区域表现为增大特点 这可能是由于冰雹外覆融化成水膜使得介电常数增加 且下降翻滚中雹粒形状近似球形造成的“”雹灾双偏振参量演变 月 日下午 时 分在曲靖市马龙区生成一对流云团发展旺盛 最大值在 强度达 而 回波高度可达 云顶在 降雹前 维持在 显示为 强回波中心 较低在 至 范围内 最大值为 (图)以上分析表明云内液态水含量较高 对流旺盛 云体发展迅速 有冰晶粒子不断增长、繁生 至 时 分 强中心缓慢移入寻甸县七星镇、塘子街道 此时强中心维持在 高 高 降雹时 维持 从 增大至 迅速增大至 同时云体继续对流发展 和 强中心进一步升高 下降 以上过程表明落雹时强雷暴单体仍处于积云阶段 此时云内粒子直径较小且密度大受上升气流影响 有发展为雨夹雹的可能整个冰雹过程持续至 时 分 此次系统未能及时预警 从整个过程来看 在持续衰减每次变化 同时 在落雹时显著增大且持续时间较长 表现为典型的暴雨特征 相较于以上双偏振参量 能够较为准确反应整个冰雹过程的发展表 月 日寻甸县 波段双线偏振雷达物理量(单位:单位:强中心单位:单位:)(:)时间冰雹报警强中心 强中心:不报警 /:不报警 /:不报警 /:报警 /:报警 /:不报警 /:不报警 /:不报警 /注:强中心 表示局部最大反射率因子及对应的区域宽度 强中心 表示 的反射率因子及对应的区域宽度 综合以上分析 此次冰雹预警时效滞后 尽管降雹前 维持较高水平 降雹后 分钟自动提示报警 降雹前 呈明显下降特点且维持时间较长相较于上一日 本次的 与 变化明显 降雹前 明显增大 极大值由 跃增至 对冰雹伴随大风过程有较好预警 灾后统计表明塘子街道局地风灾受损烟叶明显偏多()有研究指出 核可用于指示融化和降水等导致的负浮力增加 可用于下击暴流的发展监测 与本次冰雹过程分析基本一致 结论与讨论本文基于 环流场及 图 结合 波段双线偏振雷达参量 从天气背景、层结稳定性及雷达参量方面初步分析了寻甸县境内 月 日、月 日的夜间双雹灾过程 并对造成强天气过程的动力和热力条件、双偏振参量演变情况做了探讨 现得出以下结论:()天气背景显示两日均受两高辐合影响 且台风外围偏东气流可影响至辐合区内 有利于低压发展 低层风场显示“”过程受东北西南向切变控制“”过程受上游风切变及东侧暖低压诱发的南北向切变线双重作用 探空显示前“”(“”)过程 随时间减小(增大)雹灾时 较小(大)早和晚湿层变动差异较大(小)灾损显示前者雹灾、风灾、洪灾明显 后者则以雹灾和风灾为主第 期耿 琼等:寻甸县罕见双雹灾害特征分析 基于 图和 波段双线偏振雷达()()()()()()()图 月 日寻甸县塘子街道风、雹灾强回波中心与相关系数低值区随时间演变()().云南地理环境研究第 卷()雷达回波显示“”过程呈超级单体特征 整个过程持续约 存在 形缺口、旁瓣、三体散射、前侧入流、中(反)气旋等特征正式下雹是在雷暴单体成熟阶段 此时垂直积分液态水含量完成两次跃增过程 回波中心不断上升 组合反射率极大值区呈下降特征 整个过程中云高可发展至 强回波中心达 差分反射率对本次冰雹过程敏感度较弱 仅在旁瓣区域表现为增大特征 零滞后相关系数能够准确反应出落雹时刻 且在降雹结束后恢复为 预警方面 系统提前一小时成功预测落雹点及冰雹路径()“”雹灾持续时间相对较短 正式下雹是在对流风暴发展的积云阶段 此时垂直积分液态水含量保持在 回波中心和组合反射率极大值区均不断上升 强烈垂直运动使冰雹增长速度增快、雹粒生长变大 零滞后相关系数能够较好反映出落雹前后降水粒子相态演变 差分相位移率维持在较高值预示落雹或伴随有下击暴流或阵风锋 预警方面 系统报警滞后 分钟本文从大气稳定性和双偏振参量变化规律切入 以期找到造成连续雹灾过程的特殊层结特征和冰雹云演变规律 大气层结演变表明两次过程均伴随湿层抬升和气团能量增减 根据灾后统计情况“”湿层可达到对流层高层 尽管 较小 但触发形成强对流天气过程后可伴随有洪灾经前一日水汽消耗“”过程湿层较低且维持在中层 但较高的 和 则会造成风雹型复合灾害 从灾后统计也能反映出致灾差异性在做潜势预测时应注意气层变化高度差异 双偏振参量应用上 两次过程的零滞后相关系数均存在明显变化 其共同点表现为在降雹时降至最低 业务上从组合反射率和经向速度特征 可大致判断出冰雹云生命史 再结合双偏振结果可做到准确预判同时也要注意 波段雷达衰减较大 造成三体散射、旁瓣等虚假回波更明显 本次雹灾过程差分反射率和差分相移率响应较差 在后续个例分析中应注意差分反射率柱、差分相移率核等的变化情况验证二者在本地冰雹落区预报和风区预报的适用性参考文献:王占良 莫云凯 段福君 晋宁烟区冰雹灾害时空分布特征及环流形势分析.云南地理环境研究 ():朱府鸿 赵海俊 近 年石屏县冰雹的气候特征及降雹预警指标研究.云南地理环境研究 ():顾天红 李阳 姚浪 毕节市冰雹天气环境参数特征分析.云南地理环境研究 ():张振秀 陈焘 朱淳源 滇西北局地小冰雹天气分析.云南地理环境研究 ():张腾飞 张杰 尹丽云 滇西南一次超级单体持续降雹过程分析.云南大学学报(自然科学版)():尹丽云 云南强对流(冰雹)过程的发展演变特征分析与机理研究.昆明:云南大学 李红梅 金文杰 尹丽云 等 云南近 年冰雹特征及成因分析 /中国气象学会 第 届中国气象学会年会 云降水物理与人工影响天气进展论文集 :蒋雯玉 王占良 王菲 昆明地区冰雹灾害事件的大气层结特征分析.云南地理环境研究 ():武秀兰 夏彬僖 朱睿 云南滇中地区强对流雷达回波统计分析.云南地理环境研究 ():冯亮 肖辉 孙跃 波段双偏振雷达水凝物粒子相态识别应用研究.气候与环境研究 ():张蔚然 刘黎平 吴翀 波段相控阵偏振雷达观测墨脱地区云降水宏观特征的统计研究.大气科学 ():吴嘉伟 周红根 刘爱兵 等 /双偏振雷达差分反射率的标定与应用.气象水文海洋仪器 ():王超 基于双线偏振雷达的冰雹云演变的微物理和动力特征的提取方法及应用研究.南京:南京信息工程大学 荀爱萍 赵玉春 李菲 等 波段双偏振相控阵雷达定量降水估测研究.暴雨灾害 ():李云 沃伟峰 方艳莹 双偏振雷达偏振参量产品在宁波的初步释用.浙江气象 ():第 期耿 琼等:寻甸县罕见双雹灾害特征分析 基于 图和 波段双线偏振雷达 毕力格 苏立娟 佟小林 等 波段双偏振雷达在冰雹和强降水天气识别中的初步应用.内蒙古气象():李晶 曾刚 郭泽勇 等 双线偏振天气雷达零滞后相关系数在临近预报中的应用.中国科技论文 ():黄初龙 基于 的烤烟气候适宜性分析及精细化区划 以寻甸县为例.农业与技术 ():林诗诗 程晶晶 林辉 等 福建漳州连续 次冰雹天气过程分析.气象水文海洋仪器 ():高嵩 毕宝贵 李月安 等 预报业务系统建设进展与未来发展.应用气象学报 ():顾天红 张艳梅 李力 等 图在贵州冰雹天气中的特征检验及适用性分析.云南大学学报(自然科学版)():尹丽云 徐远 郭荣芬 等 滇中夏季冰雹天气背景及防雹作业时机的分析研究.云南大学学报(自然科学版)():.():():()“”()()“”“”: