冰雹天气是由强对流系统引起的一种破坏性极大的天气现象,由于其空间尺度小、局地性强、生命史短等特征^[1],预报和预警难度很大^[2⇓⇓-5]。新一代多普勒天气雷达作为监测强对流天气的重要手段,其回波特征可直观反映对流单体的结构、形态,有助于提高强对流天气演变规律的认识^[6⇓-8]。随着我国新一代多普勒天气雷达网的不断加密,国内对多普勒天气雷达在冰雹天气探测与预警方面做了大量研究,通过对雷达产品特征的归纳总结,建立了冰雹天气的识别方法和预警指标^{[9⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-21]},有效提高了冰雹天气的临近预报水平。

甘肃地处黄土高原、内蒙古高原和青藏高原的交汇地带,地形复杂多样,气温差异大,尤其是甘肃河东地区,山地、丘陵、沟壑等纵横交错,是冰雹等强对流天气的多发地带,加之复杂的地质环境条件,容易引发山洪、滑坡、泥石流等次生灾害,给农业生产和人民生命财产安全造成严重危害。近年来针对甘肃省的冰雹等强对流天气特征做了广泛研究^{[22⇓⇓⇓⇓-27]},通过认识本地冰雹天气的雷达回波特征,在剖析冰雹天气成因的基础上,提出本地强对流天气潜势预报的参数化方案,并不断探索冰雹短时临近预报方法,不仅为当地冰雹天气的识别提供了依据,也为人工消雹提供了一定参考。目前对冰雹天气的研究往往是在冰雹天气的环流特征、物理量诊断的基础上,结合多普勒雷达产品,分析冰雹发生的阈值特征。对不同冰雹天气环流背景下,多普勒雷达产品的特征差异分析也多见于个例研究^{[18⇓⇓⇓⇓-23]}。利用统计资料,针对不同典型天气环流形势下的冰雹天气,对比分析其多普勒雷达产品阈值特征,对其预报、预警具有重要意义^[26⇓-28]。刘新伟等^[17]明确指出8个雷达产品在不同冰雹天气中表现出显著性差异,为甘肃冰雹天气的分类预报预警提供了可靠依据。但此研究并未详细探讨冰雹天气的环流背景特征,而分析对比不同环流形势下冰雹天气雷达产品之间的差异,将有助于预报员打破常规业务预警指标,可以有效提高冰雹潜势预报、预警的准确率。因此,本文在刘新伟等的研究基础上,利用常规气象观测资料对甘肃省河东地区近10 a发生的冰雹天气进行环流分型,对不同环流形势下的冰雹天气雷达产品特征进行对比分析,总结雷达产品的峰值阈值,对比雷达产品之间的差异,以期为冰雹天气临近预报提供定量化的判据。

由于甘肃省出现冰雹的最大直径为9~55 mm,造成严重雹灾的冰雹直径多在10 mm以上^[28]。因此,根据2008—2017年甘肃省河东地区所有自动气象观测站冰雹观测资料和灾情资料(本站或乡镇有灾情记录),选取冰雹直径大于等于10 mm的以冰雹为主的天气过程(剔除混合短时强降水和雷暴大风过程)作为研究对象,共筛选出75个冰雹个例,天气分型资料源于地面及高空观测数据。本文是刘新伟等^[17]研究成果的进一步拓展,文中雷达资料及数据提取处理方法与该研究一致。雷达数据来源于甘肃省兰州、天水、西峰3部C波段多普勒天气雷达产品,其中对反射率因子进行了质量控制,主要通过隶属函数滤除地物杂波^[29]。雷达数据的提取方法是根据地面观测到的冰雹点经纬度信息,提取相应时段内的M(M≥1)个雷达体扫数据。如某地点在13:00—13:30(北京时,下同)出现了冰雹天气,则雷达体扫时间从13:02开始,逐6 min体扫,提取30 min内完整的5个(13:02、13:08、13:14、13:20和13:26)雷达体扫数据作为1个冰雹天气过程雷达数据。

选取8个对冰雹预报较为重要的雷达产品^[17]:最大反射率因子(Z_max)及其所在高度(HZmax)、回波顶高(ET)、核心区厚度(H)、45 dBZ以上质心高度(H_{45 dBZ})、风暴体大于等于30 dBZ所在最大高度(TOP)、垂直累积液态水含量(VIL)及垂直累积液态水含量密度(VILD),这些产品在冰雹天气发生时都有比较明显的特征。

引用《甘肃省强对流天气中尺度分析业务技术规范》^[30]中冰雹天气分型方法,将所选个例进行中尺度诊断,按照主要影响系统分为3种冰雹天气类型:西北气流型、低槽型、低涡型。低槽型发生次数最多,占41.3%,西北气流型次之,占34.7%,低涡型最少,占24.0%。

环流形势为西高东低,新疆为一高压脊,甘肃省位于脊前西北气流中,有时在西北气流中有小波动东移,冷平流明显,涡度较小[图1(a)](图1基于中华人民共和国自然资源部审批的审图号为GS(2019)3082号的标准地图制作,底图无修改)。中尺度环境配置特点:斜压性强,上冷下暖的层结不稳定特征明显,对流有效位能(CAPE)中心值大于等于500 J·kg^-1,700 hPa相对湿度较小(40%~60%),500 hPa槽线或切变线不明显,但低层常有辐合、切变线,冰雹落区通常在700 hPa切变线或地面辐合线附近[图1(b)]。

500 hPa有明显高空槽东移,并有温度槽配合,温度槽往往落后于高度槽,且经向度比高度槽更大,槽线附近有较明显的冷平流[图1(c)]。中尺度环境配置特点:700 hPa相对湿度为60%~70%,700~500 hPa 假相当位温 θ_se700-500≥4 ℃,CAPE≥100 J·kg^-1,冰雹落区500 hPa涡度大于5×10^-5 s^-1,降雹区常发生在高空槽(切变线)及地面辐合线附近[图1(d)]。

低涡型包括甘肃本地涡和河套(华北、华东、蒙古)涡两种,其主要特点为500 hPa低涡位于甘肃省河西东部到河东或位于河套、华北、华东、蒙古等地,700 hPa也可能存在对应低涡,河西有弱冷空气配合,此种类型低涡底部冷平流较强,甘肃降雹区处于低涡后部或底部冷平流影响区[图1(e)]。中尺度环境配置特点:700 hPa相对湿度大于70%,500 hPa相对湿度较小(40%~50%),整层正涡度较大,500 hPa涡度在5×10^-5 s^-1以上,层结不稳定,700~500 hPa 假相当位温 θ_se700-500≥4 ℃,冰雹落区位于切变线后侧与地面辐合线之间[图1(f)]。

冰雹的潜势预报与对流单体强度有直接关系,从雷达观测角度看,冰雹的发生可根据雷达回波特征来判断。表1统计了3种冰雹天气型的8种雷达产品平均值和标准差,不同冰雹天气型下雷达产品的概率密度分布见图2。这里定义峰值阈值范围为概率密度分布在25%~75%的数值,以便分析各雷达产品在不同冰雹天气型下的变化特征。

由于冰雹云的后向散射能力远大于其他云类,在雷达PPI图上表现为较强的反射率,从表1及图2(a)可以看出,3种降雹天气型的Z_max集中分布在51~65 dBZ,平均值为59 dBZ左右,其对应HZmax基本在2.0 km以上,最高可达7.0 km左右[图2(b)]。3种降雹天气型的Z_max和HZmax峰值阈值范围基本相同,分别为55~65 dBZ,3.0~5.4 km。当Z_max在56~62 dBZ,HZmax在3.5~4.5 km时,西北气流型出现冰雹天气的概率明显高于其他2种天气型,其离散程度也最小。

ET在一定程度上反映了对流发展的强烈程度,其高度可为雹胚的增长提供足够的生长路径。从图2(c)可以看出,低槽型的ET分布范围与其他2种天气型均有所不同,低槽型ET为5.0~12.0 km,而其他2种天气型主要集中在8.0~14.0 km,说明低槽型ET达到5.0 km即可能出现降雹,而西北气流型和低涡型需在8.0 km以上。另外,低槽型ET峰值阈值范围为9.0~11.0 km,平均值为9.9 km,而其他2种天气型的ET峰值阈值范围为11.0~13.7 km,平均值均在11.5 km左右,说明出现冰雹天气时,低槽型的ET要明显低于西北气流型和低涡型。

西北气流型、低槽型和低涡型的H主要集中在1.5~6.7 km[图2(d)],其峰值阈值范围分别为4.1~6.9 km、3.9~5.7 km和3.0~6.7 km。西北气流型和低涡型H的最大值均为8.2 km,低槽型为6.7 km。当H>6.0 km,西北气流型出现冰雹天气的概率要远高于其他2种天气型。另外,西北气流型H平均值最大,为5.8 km,其他2种天气型在4.8 km左右,且低涡型H的离散程度相对较大。由此可见,出现冰雹天气时,西北气流型的H略高于其他2种天气型。

西北气流型、低槽型和低涡型的H_{45 dBZ}集中分布在1.8~5.8 km[图2(e)],其峰值阈值范围差异较小,分别为3.5~5.0 km、3.0~4.5 km、2.5~4.6 km。西北气流型的H_{45 dBZ}平均值为4.2 km,明显大于其他2种天气型(表1),说明在西北气流型下,降雹回波核伸展高度更高,冰雹粒子的碰并增长区厚度更厚,更有利于大冰雹产生。另外,当H_{45 dBZ}在3.0~4.5 km时,西北气流型出现冰雹天气的概率要明显高于其他2种天气型。

从图2(f)看出,3种冰雹天气型的TOP集中分布在6.0~10.0 km,西北气流型的TOP峰值阈值范围为7.2~9.7 km,平均值为8.5 km,低槽型和低涡型的TOP峰值阈值范围基本相同为6.2~8.5 km,平均值分别为7.3 km和7.6 km,说明出现冰雹天气时,西北气流型TOP平均值普遍要高于其他2种天气型。另外,当TOP>9.0 km时,西北气流型出现冰雹天气的概率也明显大于其他2种天气型。

VIL大小反映对流单体的综合强度,是判别冰雹等灾害性天气的有效指标之一^[31]。从VIL概率密度分布[图2(g)]可以看出,3种冰雹天气型的VIL集中分布在15.0~46.0 kg·m^-2,其最小值均在11.0 kg·m^-2以上,但3种天气型的VIL范围仍有区别,西北气流型VIL最大可达71.0 kg·m^-2,而低槽型最大为46.0 kg·m^-2。低槽型和低涡型的VIL峰值阈值范围基本相同为24.2~42.8 kg·m^-2,而西北气流型偏大,为33.0~47.9 kg·m^-2。另外,西北气流型、低槽型和低涡型的VIL平均值分别为39.6、31.6、33.0 kg·m^-2(表1),其离散度均较大。当出现冰雹天气时,西北气流型VIL要明显大于其他2种天气型。

鉴于VIL阈值会随最大VIL、ET和季节变化而改变,AMBUM等^[32]定义VIL密度(VILD)为VIL与ET之比来进行强对流天气研究。3种冰雹天气型的VILD集中在1.4~4.4 g·m^-3,西北气流型、低槽型和低涡型的峰值阈值范围分别为3.0~4.1、2.6~4.1、2.2~3.4 g·m^-3,其中低涡型的峰值阈值要明显小于其他2种天气型。研究表明,如果VILD>4.0 g·m^-3,则对流单体几乎肯定产生直径大于20 mm的强冰雹^[6],这在所选个例中也有体现,西北气流型和低涡型完全符合,低槽型只有1例不符合。另外,统计分析(表1)发现,出现冰雹天气时,低涡型的VILD平均值在3.0 g·m^-3以下,明显低于其他2种天气型,这在图2(h)上也有所反映。当VILD<3.7 g·m^-3时,低涡型出现冰雹的概率要明显大于其他2种天气型。

判断大冰雹的辅助指标还包括三体散射、旁瓣回波、有界弱回波、回波悬垂和V型缺口等特征^[33],表2统计了3种冰雹天气型出现这5种雷达回波特征的次数及其占比。在75个冰雹个例中,共出现三体散射23次,旁瓣回波30次,有界弱回波21次,回波悬垂46次,V型缺口7次。由于V型缺口出现较少,下文不再对其进行讨论。通过对比发现,3种冰雹天气型回波悬垂占比均在61%以上,低槽型三体散射和旁瓣回波占比分别为35.5%和48.4%,明显高于其他2种天气型,而有界弱回波占比最低,只有12.9%,其他2种天气型均在38%以上。由此可见,出现冰雹天气时,3种天气型下出现回波悬垂的概率均较高,低槽型出现三体散射和旁瓣回波的可能性较大,而出现有界弱回波的可能性略小。另外,出现三体散射和旁瓣回波特征具有一定的预报提前量,在75个冰雹个例中,对流风暴单体出现三体散射和旁瓣回波特征至观测到冰雹的时间提前量最大为30 min,平均18 min。

为了更好地分析河东地区不同冰雹天气型下多普勒雷达产品特征,选取天水多普勒天气雷达观测到的直径大于等于20 mm的强冰雹^[6]典型天气过程个例,分别为2015年5月30日(西北气流型)、2011年8月25日(低槽型)、2012年6月20日(低涡型)。表3统计了3个个例的具体信息及对应的多普勒雷达产品统计特征,通过综合分析,总结三者的多普勒雷达产品特征量的差异。

2015年5月30日16:15—17:00,礼县共5个乡镇出现冰雹天气,直接经济损失1000多万元。此次过程发生前,高空500 hPa欧亚大陆中高纬为一槽一脊的环流形势,整个亚洲上空受宽广的槽区控制,但槽的位置偏北,我国大部仍受西北气流控制,新疆北部有弱冷空气下滑,青海东部冷平流较明显,低层700 hPa临夏至甘南东部有弱切变线。随着冷平流不断东移,扰动气流使陇南北部产生上升运动,加之前期不稳定能量积聚,造成局地冰雹天气,属于典型的西北气流型冰雹天气过程(图略)。从5月30日的雷达回波演变过程来看,15:40开始,在岷县东部地区有块状回波生成并快速发展,于16:10左右移入礼县地区,此时Z_max为50 dBZ,HZmax为5.0 km,ET为9.0 km,VIL为38 kg·m^-2,TOP达到6.8 km。随后回波继续加强,于16:35达到最强,Z_max达65 dBZ,对应高度为5.5 km,ET维持在11.0 km左右,VIL为48.0 kg·m^-2,而TOP伸展到8.5 km高度,H为5.0 km,H_{45 dBZ}为4.0 km,VILD为4.4 g·m^-3。此次冰雹过程中,从16:25开始,0.5°~4.3°仰角的基本反射率图上均存在明显的三体散射及旁瓣回波结构特征,16:35三体散射长度达到最长为12.0 km,旁瓣回波延伸长度为7.0 km[图3(a)],这种现象持续大约30 min。从反射率因子剖面图上[图3(b)]上可以看到,存在明显的有界弱回波区和其上的回波悬垂,三维回波图[图3(c)]也能明显看到风暴底后侧入流及强回波的三维前倾结构。强回波维持20 min左右后逐步东移减弱消散。

2011年8月25日18:55—19:30,天水市麦积山区、张家川县和定西市通渭县共11个乡镇出现冰雹天气,造成直接经济损失2000多万元。此次过程发生前,高空500 hPa欧亚大陆中高纬为两槽一脊的环流形势,东亚大槽控制着蒙古国以东地区,甘肃陇东南地区受深厚的槽区影响,温度槽明显落后于高度槽,槽后冷平流明显,低层700 hPa平凉西北部至陇南北部有明显的切变线,陇南至天水一带湿度条件均较好(比湿在6.0 g·kg^-1以上)。随着高空槽逐步东移,干冷空气入侵陇南地区,引发本地不稳定能量释放,造成局地强对流天气,属于典型的低槽型冰雹天气过程(图略)。

从8月25日雷达回波演变过程看,17:50左右秦安地区有强对流风暴发展,并在秦安—清水中部一带出现阵风锋,该阵风锋沿着东北—西南向快速移动,至18:40左右进入甘谷—秦州—清水南部地区,受阵风锋触发,清水与麦积交界处开始有对流发展,18:50阵风锋减弱消散,但触发的风暴体快速发展移动进入麦积山区,此时Z_max达50 dBZ,HZmax为2.8 km。19:08风暴体发展至成熟阶段,Z_max达59 dBZ,HZmax为2.5 km,ET为8.0 km,VIL为25.0 kg·m^-2,TOP为6.1 km。此次冰雹过程中,19:08在0.5°~4.3°仰角反射率因子图[图4(a)]上均明显存在旁瓣回波结构特征,其延伸长度达10.0 km以上。从反射率因子剖面图[图4(b)]明显看出低层的有界弱回波区和中层的悬垂回波结构,三维回波图[图4(c)]也表现出风暴体后侧入流和三维前倾结构。强回波维持30 min左右后逐渐减弱消散。

2012年6月20日19:20—20:00,平凉市静宁县和庄浪县共5个乡镇出现冰雹天气,造成直接经济损失1000多万元。此次过程发生前,高空500 hPa欧亚大陆中高纬为三槽两脊的环流形势,蒙古中部存在一冷涡中心,对应700 hPa也有低涡,陇东南大部处于低涡底部冷平流控制中,高空槽线位于内蒙古中部至平凉北部,而700 hPa槽线位于武威南部至兰州中部一带,高低空表现出明显的前倾结构,增加了层结不稳定性,有助于强对流天气的发生。此次冰雹天气主要发生在低涡底部的冷平流控制区中,属于典型的低涡型冰雹天气过程(图略)。

从6月20日雷达回波演变过程来看,19:00庄浪北部有弱回波发展南移,19:20移入静宁和庄浪交界处并快速发展,19:38左右Z_max已经增强到55 dBZ,HZmax伸展到3.1 km,风暴体逐步趋于成熟阶段,于19:44达到最强,此时Z_max为58 dBZ,HZmax伸展至4.6 km,VIL达33.0 kg·m^-2,ET达11.0 km,TOP为8.0 km,H为4.0 km,H_{45 dBZ}在5.0 km左右。同时在1.5°~4.3°仰角反射率因子图[图5(a)]上均能明显看到旁瓣回波,其延伸长度大概为6.0 km,19:50旁瓣回波明显减弱,只在1.5°和2.4°仰角能够观测到,且在1.5°仰角上出现弱的三体散射(图略)。从19:44的反射率因子剖面图[图5(b)]上能够明显看到有界弱回波区和强回波悬垂结构,三维回波图[图5(c)]上也表现出风暴体后侧入流和前倾结构。20:10之后,风暴体逐渐减弱消散。

以上3个个例的雷达反射率因子强度均维持在55 dBZ以上,西北气流型个例最强回波达65 dBZ,H_{45 dBZ}均在4.0 km以上。通过对比(表3)发现,冰雹天气出现时,低槽型个例的ET为8.0 km,而西北气流型和低涡型为11.0 km,西北气流型个例的H、TOP、VIL和VILD均大于其他2种天气型,低涡型个例的VILD低于其他2种天气型,这些特征都与前文中分析的多普勒雷达产品特征一致。另外,3个个例回波结构紧密,边界清晰,都存在明显的有界弱回波区、回波悬垂和旁瓣回波结构特征,西北气流型和低涡型个例均出现三体散射,不同的是西北气流型个例在0.5°~4.3°仰角均发现三体散射,且结构特征明显、持续时间较长,而低涡型个例只在1.5°仰角发现弱三体散射结构特征。

通过对2008—2017年符合标准的75个冰雹天气个例进行中尺度诊断分析后,按照主要影响系统分为3种冰雹天气型:西北气流型、低槽型、低涡型,其中,低槽型占41.3%,西北气流型占34.7%,低涡型占24.0%。

(1)出现冰雹天气时,选取的8种雷达产品特征3种天气型表现为Z_max和HZmax无明显差异,西北气流型的H、H_{45 dBZ}、TOP和VIL要明显大于其他2种天气型,低槽型的ET明显低于其他2种天气型,低涡型的VILD明显低于其他2种天气型。

(2)3种冰雹天气型出现回波悬垂的频率在61.0%以上;低槽型出现三体散射和旁瓣回波的可能性较大,而出现有界弱回波的可能性略小,西北气流型和低涡型出现有界弱回波的频率均达到38.5%。另外,3种天气型出现三体散射和旁瓣回波具有一定的预报提前量,最大为30 min,平均18 min。

(3)3种冰雹天气型个例回波结构紧密,边界清晰,都存在明显的有界弱回波区、回波悬垂和旁瓣回波结构特征,反射率因子强度大于55 dBZ,西北气流型个例的H、TOP、VIL和VILD明显较高,低槽型个例的ET、低涡型个例的VILD较低。

本文在刘新伟等^[17]的研究基础上进一步细化分析了不同环流形势下冰雹天气的8个雷达产品特征,为冰雹天气临近预报提供了定量化的判据。但是,对不同环流形势下冰雹天气雷达产品存在差异的原因未深入分析,同时对冰雹直径与雷达产品之间的关系亦未做研究,这也将是后期的研究内容。