大连地区冰雹天气探空和雷达资料特征分析

时间：2024-05-24

刘晓初+李潇潇

摘要：该文利用常规观测资料、天气雷达资料和灾情评估资料，对2005—2016年大连地区的23次冰雹过程进行了分析研究。结果表明：（1）大連地区冰雹天气发生在6月的比例占61%，发生在下午到傍晚时段的比例占65%，落区为北部地区占79%，强冰雹过程占57%；（2）天气尺度影响系统中，东北冷涡占57%，西风槽占39%；（3）0℃层高度、-20℃层高度、 850hPa与500hPa温差、700hPa与500hPa温差、500hPa温度露点差、850hPa温度露点差综合分析能够较好地指示冰雹天气；（4）H40dBZ-H0、H40dBZ-H-20、VIL最大值、DVIL等雷达参量特征值能够作为冰雹识别指标。

关键词：大连地区；冰雹过程；强对流天气预警

中图分类号 P457 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）02-03-0088-05

Abstract：This paper examines 23 hail events occurred in Dalian area during 2005—2016 by using conventional observation data，weather radar data and weather-related disaster reports. The results indicate：（1）61% of all cases occurred in June. 65% of all cases occurred during afternoon and dark. 79% of all impact regions are northern area. Severe hail cases account for 57% of all cases.（2）Of all the synoptic systems associated，cold vortex over northeast China accounts for 57%，westerly trough accounts for 39%.（3）0℃ layer height，-20℃ layer height，850hPa and 500hPa temperature difference，700hPa and 500hPa temperature difference，500hPa depression of the dew point，850hPa depression of the dew point are effective indicator of hail when jointly considered.（4）H40dBZ-H0，H40dBZ-H-20，maximum of VIL and DVIL can be used as radar characteristic parameters in indicating hail.

Key words：Dalian area；Hail event；Severe convective weather warning

强对流天气包括雷电、短时强降雨、冰雹、雷暴大风、龙卷等中小尺度的灾害性天气现象。其中，冰雹具有突发性强、空间尺度小、持续时间短、破坏力强等特点。俞小鼎等[1-2]认为灾害性强对流天气中的强冰雹天气通常指落在地面上的冰雹直径达到2cm以上。对流风暴内持续时间较长的强上升气流和不宜太高的0℃层高度是大冰雹的必要条件。强对流天气预报一般分为潜势预报和临近预警两个阶段。潜势预报主要利用模式输出和探空等资料对有利于对流风暴发生发展的中尺度环境潜势和落区进行预报，从而为临近预警提供前瞻性指导。孙继松等[3]认为，热力不稳定能量释放是一个迅速的过程，大多数热力层结不稳定条件只与对流的初始强度有关，也就是说，探空分析只在对流发生前有意义。对流风暴成熟阶段周围环境大气一般处于中性热力层结，对流风暴消亡阶段，周围环境大气层结一般趋于稳定。另外，俞小鼎等[4]提出，当湿球0℃高度与干球0℃之间或上下一定范围内存在明显干层时，应采用湿球0℃层高度作为冰雹的融化层高度。通常，有利于冰雹产生的探空条件包括[5]：（1）位于-10℃和-30℃等温线之间的对流有效位能（CAPE值）较大；（2）0～6km垂直风切变较大；（3）0℃层高度适宜，但是不同地区有各自特征。雷蕾等[6]对北京地区强对流发生前的探空资料研究后发现，有利于冰雹的探空特征有：0℃层和-20℃层的高度分别在4km和7.4km左右，较大的低层垂直风切变，850hPa和500hPa温差达到28℃等。张琳娜等[7]发现北京冰雹日探空资料中存在较大DCAPE值，表明冰雹常伴有雷暴大风。强对流天气的短时临近预警在0～2h以内，主要依靠天气雷达、加密自动站等观测设资料对对流风暴单体本身演变进行探测分析做出精细化的强对流天气类型、强度和落区预警。大量研究[8]将强回波（如45dBZ）顶部高度和0℃层高度之间的差值作为冰雹识别指标之一。许多研究中提到[9，10]，强冰雹发生时天气雷达上能够观测到相应的回波特征：后侧V型缺口、三体散射（TBSS）回波、中高层强回波悬垂、低层弱回波区（WER）和有界弱回波区（BWER）等。汪应琼等[11]在研究宜昌一次超级单体风暴时发现DVIL≥3.5g/m3时，出现直径超过2cm的冰雹可能性较大。周后福等[12]在研究中将DVIL≥4.0g/m3作为皖西南地区大冰雹预警指标。

大连地区，尤其是大连北部地区，在春夏、夏秋季节交替时段，冰雹天气频繁出现，给工农业生产造成了一定的经济损失，对人民生命财产安全构成危害。以2014年5月20日发生在瓦房店冰雹灾害为例，冰雹直径最大3cm，个别村屯地面冰雹堆积厚度达2.5cm，部分乡镇果树和蔬菜受灾，受灾水果面积1.998万hm2，按照辽宁省气象局《冰雹评估等级标准》，属二级雹灾。

大连气象台曾在2006年编写成《短时强对流预报指标》，其中包括了各种强对流天气的雷达回波指标，但是距离现在较为久远。近年来，灾害性强对流过程的雷达回波总结仅仅停留在个例分析层面上，缺乏对单项强对流天气的探空资料和雷达回波特征的分析总结。为此，本文利用常规观测资料、天气雷达资料和灾情评估资料，分析总结了近年来大连地区冰雹天气的基于探空资料的潜势预报指标和基于天气雷达产品的临近预报指标，研究结果对于提升冰雹的预报预警水平具有重要的现实意义。

1 资料与方法

根据自动站观测资料、天气雷达资料和灾情上报信息综合判断，2005—2016年大连地区共发生23次冰雹过程。从发生月份看，5—11月均有可能出现冰雹天气。其中5、6、7、8、9、10、11月分别发生3、14、1、1、1、2、1次。值得注意的是，7月仅有的1次冰雹过程，发生在7月1日，8月仅有的一次冰雹过程，发生在8月27日。大体上，大连地区7—8月以短时强降雨过程居多，冰雹过程较少。6月份发生次数最多，占61%；从发生时间段看，以6h为间隔，08：00—14：00，2次；14：00—20：00，15次；20：00—02：00，4次，02：00—08：00，3次。结果表明，冰雹发生时间大多集中在下午到傍晚时段，占65%；从冰雹落区看，23次冰雹过程的县级单位落区达到33个。因为1次冰雹过程落区可能包括多个县级区域，如2006年10月13日过程，落区为金州、普兰店、瓦房店；2016年11月10日过程，落区为大连、旅顺，其中，大连市内2次，旅顺2次，金州3次，瓦房店9次，普兰店12次，庄河5次，北部地区（瓦房店、普兰店和庄河）的冰雹落区次数占79%。另外，23次冰雹过程中有13次是强冰雹过程，冰雹落地时直径达到2cm，占全部过程的57%。

2 冰雹发生前的探空特征

从天气尺度影响系统划分看，23次冰雹过程受东北冷涡影响13次，占57%；西风槽9次，占39%；蒙古低涡1次，占4%。其中，强冰雹过程受东北冷涡影响的6次，占46%；西风槽6次，占46%；蒙古低涡1次，占8%。

选取0℃层高度、-20℃层高度、850hPa与500hPa温差，700hPa与500hPa温差，850hPa温度露点差，500hPa温度露点差，对流有效位能，地面露点温度，0～6km垂直风切变等参量作为冰雹发生前的探空指标进行分析。由于部分参量变化范围过大，为了减少极端值得影响，用中位数代替平均值。

0℃层高度是暖云和冷云的分界高度。-20℃层高度是大的水凝物粒子由固态自然变为液态的下界。适宜的0℃层高度、-20℃层高度是产生冰雹的重要的环境参量。23次个例，0℃层高度的变化范围为1～4.2km，中位数为3.5km；-20℃层高度变化范围为4.5～7.4km，中位数为6.5km。详细地，5—9月，0℃层高度为3～4.2km，-20℃层高度为6.1～7.4km。10—11月由于冷空气开始南下，0℃层高度降低为1～2.5km，-20℃层高度降低为4.5～5.1km（表1）。

层结稳定度方面，23次冰雹过程对应的850hPa与500hPa温差范围为26～36℃，中位数为28℃，2016年11月10日过程，秋冬季节转换，冷空气活动频繁，22℃已经表示较大层结不稳定。700hPa与500hPa温差变化范围为15～23℃，中位数为18℃。

850hPa温度露点差变化范围1～49℃，中位数值为7℃，500hPa温度露点差为2～40℃，中位数为20℃。基本能够表征冰雹天气需要“上干下湿”的层结特征。值得注意的是，“上冷下暖”、“上干下湿”的概念是相对的，在单独某一个个例中表征意义更明显。以2014年5月20日冰雹天气为例，850hPa和500hPa温差达到31℃，700hPa和500hPa温差达到18℃，850hPa温度露点差6℃，500hPa温度露点差为42℃，层结非常不稳定，符合“上冷下暖”“上干下湿”特征较为明显。另外，某一特征层的温度，湿度状况不能完全表示整层大气垂直温湿分布状况，单独个例应具体灵活分析。

从对流有效位能（CAPE）看，變化范围为0～1 356J/kg，23次个例中只有2次的CAPE值大于1 000J/kg。因此值得注意的是，CAPE为1 000J/kg以下时，大连地区仍然有可能出现冰雹天气。强对流发生前的CAPE值大小不能单独作为随后几小时内发生的强对流强弱的指标。DCAPE表示中层相对干冷的空气侵入对流风暴体后，湿绝热下沉中与负浮力相关联的下沉能量，是指示雷暴大风的有效参量。从表2可以看出，大部分个例中伴随的强对流天气现象中有雷暴大风，但是冰雹前的探空资料均没有出现DCAPE值，因此，强对流发生前的探空DCAPE参量不能有效指示大连地区冰雹过程中可能伴随产生的雷暴大风。

地面露点温度变化范围为0～20℃。冰雹发生前探空资料上不一定非得对应较好的低层水汽条件。垂直风切变，23个个例的0～6km垂直风切变在2～20m/s变化。但是，较为强烈的冰雹过程如2014年5月20日，0～6km垂直风切变为16m/s，2016年11月10日0～6km垂直风切变为11m/s，均达到中等强度。

3 雷达回波特征

对流风暴单体的生命史分为初始、发展、成熟和消亡4个阶段。通过实际业务分析雷达回波形态演变过程发现，初始-发展阶段的雷达回波开始加强发展，具有明显回波中心，中心强度达到40～45dBZ；冰雹出现的阶段划为成熟阶段；冰雹天气结束到回波减弱消散的阶段划为消亡阶段。在发展到成熟阶段的雷达回波通常呈现出高悬强回波、低层弱回波区（或有界弱回波区）、中气旋等特征。风暴单体的水平尺度为5～40km，人工观测到的冰雹持续时间在2～40min不等。从发展阶段识别出冰雹雷达回波特征到成熟阶段出现降雹之间发出落区准确的预警，提前时间非常有限。从雷达回波形态看，23次过程中单体（包括超级单体和多单体）回波过程有19次，占83%。出现超级单体风暴过程有3个，占13%，大多数对流风暴单体未发展到超级单体阶段就会消亡，因此，成熟阶段的高悬的强回波、低层弱回波区（WER）或有界弱回波区（BWER）、中气旋等特征不十分明显。

前文提到的0℃层高度和-20℃层高度仅作为指示有利于冰雹产生的探空参量。冰雹强度还要分析能够产生冰雹的对流风暴单体成熟阶段时强回波高度分别与0℃层高度和-20℃层高度的差值。大量研究把强回波高度与0℃层高度之间的厚度、强回波高度与-20℃层高度之间的厚度作为地面降雹强度的判据指标。按照辽宁省气象局规定，40dBZ作为强回波的起始强度。23次过程（表3）H40dBZ-H0范围为2.6～6.6km，中位数为4km，H40dBZ-H-20为-0.8～3.3km，中位数为0.9km。组合反射率因子（CR）为45～65dBZ，中位数为55dBZ；回波顶高（ET）为7～14km，中位数为12km。

垂直累积液态水（VIL）产品是判断冰雹和雷暴大风的有效雷达产品指标。

公式（1）中，Z为基本反射率因子值，M为液态水含量（g/m3）。M是由每个仰角的反射率因子数值转换成每个4km×4km网格点上的液态水含量，然后对每个网格点垂直累加得到VIL，单位是kg/m2。由于VIL反映的是单位面积上气柱的整体强度，VIL值越大，对应的高反射率深厚区域的上升气流越强。一旦冰雹的VIL临界值被确定，可用于辨别强风暴或大冰雹。另外，快速降低的VIL值与雷暴大风也有较强的对应关系。但是，由于雷达站附近的静锥区，雷达站附近的VIL值被低估，当对流风暴距离雷达站水平距离超过200km，VIL的可信度也较低。上文中提到，大连地区79%的冰雹落区出现在北部地区（瓦房店、普兰店和庄河），地形以丘陵为主，可能存在遮挡，另外，北部冰雹落区距离雷达站水平直线距离一般在100km左右，容易造成VIL值偏小。23次过程中，对流风暴成熟阶段VIL最大值范围为28～60kg/m2，中位数为45kg/m2。

VIL密度为VIL除以回波顶高的商，简称DVIL。23次过程DVIL为3.2～5g/m3。中位数为3.6g/m3。其中强冰雹过程，DVIL范围同样为3.2～5g/m3，中位数为3.7g/m3。2013年6月27日过程DVIL为3.2g/m3，小于南方地区DVIL为3.5g/m3的阈值，同样出现最大直径超过20mm的大冰雹。此次过程VIL最大值达到45g/m2达到中位数，ET达到14km，超过12km的中位数值，造成DVIL值偏小。因此，DVIL难以单独用来区分普通冰雹和强冰雹过程。

辽宁省气象局对冰雹的预警信号分为橙色和红色2个级别。橙色级别预警的雷达回波特征为：（1）回波组合反射率（CR）≥45dBZ；（2）垂直累积液态水含量（VIL）≥30kg/m2；（3）强回波主体高度位于2.5～5km，40dBz回波伸展到4km以上。红色级别预警对应的雷达回波特征为：（1）回波组合反射率（CR）≥55dBZ；（2）垂直累积液态水含量（VIL）≥40kg/m2；（3）强回波主体高度位于3.5～6.5km，40dBz回波伸展到5.5km以上。大连地区23个个例的雷达回波特征基本符合以上预警标准。

4 小结与讨论

本文对2005—2016年大连地区23次冰雹天气过程的探空参量特征和雷达回波特征进行分析研究，结论如下：

（1）大连地区冰雹天气出现时段主要集中在午后到傍晚时段，占全部个例的61%。冰雹落区主要集中在瓦房店、普兰店和庄河所在的北部地区，占全部落区次数的79%。从月份看，5到11月均有可能出现冰雹天气。强冰雹个例占57%。

（2）由于季节不同，0℃层高度为1～4.2km，中位数为3.5km，-20℃层高度为4.5～7.4km，中位数为6.5km。层结稳定度方面，850hPa与500hPa温差中位数为28℃，700hPa与500hPa温差中位数为18℃。大体上，500hPa温度露点差要明显大于850hPa温度露点差。但是，“上冷下暖”、“上干下湿”的概念是相对的，在某一具体过程中指示特征更明显。对流有效位能（CAPE）、0～6km垂直风切变和地面露点温度对冰雹的指示意义不大。DCAPE不能有效指示冰雹过程中伴随的雷暴大风。

（3）产生冰雹的对流单体的水平尺度为5～40km，人工观测到的冰雹持续时间为2～40min。单体（包括超级单体和多单体）回波过程19个占83%。其中超级单体风暴3个，因此大部分对流风暴成熟阶段的高悬的强回波、低层弱回波区（WER）或有界弱回波区（BWER）、中气旋等特征不一定明显。预警时间提前量有限。

（4）雷达回波特征方面，H40dBZ-H0中位数为4km，H40dBZ-H-20中位数为0.9km。组合反射率因子（CR）为45～65dBZ，中位数为55dBZ；回波顶高（ET）为7～14km，中位数为12km。VIL最大值为28～60kg/m2，中位数为45kg/m2。DVIL为3.2～5g/m3。其中強冰雹过程，DVIL中位数为3.7g/m3。值得注意的是，这些雷达回波参量达到最小阈值就有可能产生冰雹天气，单一的参量阈值不能单独用来判断冰雹产生与否，多种参量综合判断才会取得更好效果。

今后的研究重点应放在对流风暴单体初始和发展阶段识别出雷达回波中的冰雹特征上，提高预警时间的提前量和落区的精细化程度。

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