劉靄薇 周筠珺 曾 勇 鄒書平 楊 哲

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610225;2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)警預(yù)報與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;3.貴州省人工影響天氣辦公室,貴州 貴陽 550081)

0 引言

冰雹是嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一,具有突發(fā)性和極強的致災(zāi)性,對農(nóng)業(yè)、交通、通訊、城市建筑等方面都可能造成很大的危害,給人們帶來經(jīng)濟損失和安全隱患。雹暴發(fā)展過程以及其中雹胚生成增長等微物理演變過程的研究對于防雹減災(zāi)作業(yè)至關(guān)重要。

20世紀(jì)80年代中國學(xué)者提出:降雹前云參量躍增與冰雹在云中的關(guān)系甚大[1]。段鶴等[2]在對滇南冰雹的統(tǒng)計研究中得出冰雹的初始特征和發(fā)展階段特征預(yù)報方法,指出冰雹云發(fā)展階段有回波中心強度躍增和回波頂高躍增。孫傳東等[3]在對六盤水市冰雹時空分布特征、雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析時發(fā)現(xiàn),降雹前45 dBZ回波頂高出現(xiàn)躍增可作為該市冰雹預(yù)警的一個重要參考指標(biāo)。李成鵬等[4]在對人工防雹過程的雷達(dá)回波對比分析中發(fā)現(xiàn)回波強度躍增和回波頂高躍增相對應(yīng)是冰雹發(fā)生的重要物理量臨界指標(biāo)。曾勇等[5]在對貴州中西部一次多站次降雹過程冰雹云單體發(fā)展演變進(jìn)行分析時發(fā)現(xiàn)冰雹云經(jīng)歷兩次躍增階段,一次躍增階段屬于遞增式增長,二次躍增階段屬于波動型增長。上述研究都從側(cè)面證明了雹暴爆發(fā)性增長是降雹前的重要征兆,但都缺乏對雹暴爆發(fā)性增長階段及其前后熱動力、微物理、閃電活動相互作用的研究,對這一階段內(nèi)雹暴云體熱動力如何作用于微物理演變以對成雹產(chǎn)生貢獻(xiàn)的過程缺乏深入理解分析。

幾十年來,中國通過影響云微物理過程減少雹災(zāi)的催化技術(shù)主要是基于Sulakvelize提出的“累積帶”理論[6],其基本依據(jù)是認(rèn)為雷達(dá)強回波區(qū)是由大量過冷卻大水滴組成,認(rèn)為累積帶是冰雹生成主要場所和主要生長區(qū)域。根據(jù)這一原理形成了“利益競爭”(beneficial competition)的防雹方法,雖然防雹效果存在一定爭議[7-8],但仍有不少學(xué)者已在研究中證實過冷水累積帶或累積區(qū)存在。周玲等[9]應(yīng)用三維冰雹云模式對陜西旬邑地區(qū)的一次降雹過程進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)冰雹云中存在過冷雨水的累積區(qū),其出現(xiàn)在最大上升氣流之上,是冰雹生長的區(qū)域,累積區(qū)里過冷雨水量變化趨勢為先增加后減少,在雹形成期間達(dá)到最大;胡朝霞等[10]通過對旬邑1997-1999年14例冰雹云過程的模擬發(fā)現(xiàn)雹云中大多存在累積帶,持續(xù)時間約6 min,厚度4 km左右,是雹胚產(chǎn)生的源地;鄭凱琳等[11]利用三維冰雹云模式和三維粒子增長運行模式,進(jìn)一步證實了雹云中存在過冷水累積區(qū),并且發(fā)現(xiàn)累積區(qū)是大冰雹形成的雹胚源地,但并非是雹胚和冰雹最主要的增長區(qū);郭欣等[12]通過數(shù)值模擬的方法研究2014年北京一次大冰雹形成過程發(fā)現(xiàn)-35℃～-10℃層存在高過冷水累積區(qū),冰雹增長過程主要依靠雹胚撞凍過冷水。上述研究均證實雹云中累積帶多出現(xiàn)于雹暴發(fā)展階段,雹云中過冷水累積帶的存在是雹胚形成和冰雹初期增長的重要條件。然而由于冰雹形成機理十分復(fù)雜,雹暴爆發(fā)性增長階段熱動力達(dá)到怎樣的條件形成累積帶,以及累積帶成雹機制在爆發(fā)性增長階段如何作用使雹增長的過程尚不清晰,并且雹暴在不同地形和氣候因素影響下差異較大,探尋雹云內(nèi)部成雹機制需要精細(xì)的觀測和局地特征的研究。

利用貴州威寧雪山X波段雙線偏振雷達(dá)體掃數(shù)據(jù),對貴州威寧地區(qū)2018-2019年共23個降雹單體進(jìn)行統(tǒng)計分析,從雹暴中強回波體積增長、上升氣流強度變化兩個參量劃分雹暴的爆發(fā)性增長階段,以此為基礎(chǔ)對微物理演變和閃電活動過程進(jìn)行分析。由于貴州雹暴天氣中孤立單體降雹樣本數(shù)大于其他3種類型,其中2018年4月25日降雹密度達(dá)到200～300粒/m2,降雹強度大。以2018年4月25日的一次孤立單體降雹為例,從動力、微物理和閃電活動特征進(jìn)行詳細(xì)分析。旨在探究孤立單體雹暴爆發(fā)性增長過程熱動力結(jié)構(gòu)變化對“累積帶”微物理過程及雹暴閃電活動帶來的影響,為雹暴的監(jiān)測預(yù)警和人工防雹作業(yè)提供一定的參考。

1 資料與方法

文中采用的雷達(dá)資料主要來自貴州省威寧縣雪山鎮(zhèn)X波段雙偏振雷達(dá)(27.06°N,104.09°E),雷達(dá)天線海拔高度為2.472 km,掃描方式 VCP11,最大探測范圍175 km,采用雙發(fā)雙收模式,可探測7個參量,包含:反射率(ZH)、徑向速度(V)、譜寬(W)、差分反射率(ZDR)、差分傳播相移率(KDP)、差分傳播相移(ΦDP)和零滯后相關(guān)系數(shù)(ρHV)。

衛(wèi)星資料來源于中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心網(wǎng)站(www.nsmc.org.cn/),探空資料來源于貴州省氣象局,再分析資料來自歐洲中心ERA5數(shù)據(jù)。

由于X波段雙線偏振天氣雷達(dá)的探測資料受雷達(dá)站周圍環(huán)境噪音和信號衰減等原因影響,存在相位折疊和回波衰減等問題,所以在使用X波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)時需要進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理,包括差分相移退折疊、濾波、衰減訂正3個步驟。使用徑向連續(xù)性檢查法退差分相位折疊[13];采用綜合小波去噪[14]進(jìn)行濾波;采用自適應(yīng)約束算法[15-16]對反射率(ZH)以及差分反射率(ZDR)進(jìn)行衰減訂正。由于雹暴過程沒有RHI數(shù)據(jù)資料,為使分析更加清晰直接,采用Barnes插值方法來對多層雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值[17]。

采用模糊邏輯粒子識別的方法對水成物粒子進(jìn)行識別,該算法總體分為4個步驟:模糊處理、規(guī)則推導(dǎo)、集成和退模糊處理。將雷達(dá)反射率(ZH)、差分反射率(ZDR)、差分傳播相移率(KDP)、相關(guān)系數(shù)(ρHV)、溫度參數(shù)(T)作為參數(shù)建立粒子識別模型,將水成物粒子識別結(jié)果分為7種[18-24]:毛毛雨(DZ)、雨(RN)、聚合物(AG)、低密度霰(LDG)、高密度霰(HDG)、雨夾雹(RH)、冰晶(CR),其中低密度霰粒子密度區(qū)間為0.25 g/cm3＜密度≤0.55 g/cm3,高密度霰粒子密度區(qū)間為0.55 g/cm3＜密度＜0.9 g/cm3。將高于0℃高度的雨(RN)稱為過冷水(SWA)。采用不對稱T型函數(shù),函數(shù)閾值設(shè)置參考已有的研究成果,根據(jù)貴州威寧X波段雷達(dá)的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

根據(jù)威寧地區(qū)2018和2019年的降雹記錄,整理了23個冰雹天氣過程。根據(jù)雹云的不同形態(tài)、結(jié)構(gòu)將雹暴單體分為孤立單體、多單體(非颮線,下同)、颮線和MCS 4個類型[25-26](表1)。

表1 2018-2019年降雹個例基本情況表

續(xù)表1

2 威寧爆發(fā)性增長特征

爆發(fā)性增長階段為單體降雹前雹暴核心強回波體積增長快、上升氣流強的時段。利用2018-2019年23個降雹個例的雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)首先對雹暴爆發(fā)性增長階段回波特征、動力特征及微物理特征進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.1 四種類型雹暴回波及動力特征

為研究單體爆發(fā)性增長特征,首先從單體的體積增長發(fā)展情況分析。由于降雹前云體內(nèi)關(guān)鍵微物理過程主要發(fā)生在0℃層以上,利用威寧X波段雙偏振雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)提取反射率三維數(shù)據(jù)統(tǒng)計單體降雹前體積增長變化,根據(jù)前后兩次體掃統(tǒng)計出的0℃層以上30 dBZ、40 dBZ、45 dBZ 3個強度等級回波庫數(shù)差表示在兩次體掃時間間隔內(nèi)單體體積變化,計算公式如下:

其中:Vn及Vn-1分別表示第n時刻及上一時刻的回波體積;Δt為體掃時間間隔,統(tǒng)一采用6 min進(jìn)行計算。提取單位時間體積增長的最大速率ΔVmax(單位:庫/min)和該最大速率出現(xiàn)時間相比降雹時間的提前量Tlead-ΔVmax(單位:min)。

另外,為定量分析雹暴動力場特征,利用威寧X波段雙偏振雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)中的徑向速度計算徑向速度垂直分量,正值(或負(fù)值)可在一定程度表征上升(或下沉)氣流強度。根據(jù)雹暴單體的核心位置(雹暴中心反射率30 dBZ以上區(qū)域)提取每一個體掃時間的上升速度最大值UPmax(單位:m/s),用以表征這一時刻單體內(nèi)上升氣流強度。記錄最大上升速度出現(xiàn)時間相比降雹時間的提前量Tlead-UPmax。

為了將上升氣流和體積增長結(jié)合起來更精確地定義單體爆發(fā)性增長的時間,將各強度等級的回波增長最大速率出現(xiàn)時間較降雹時間提前量Tlead-ΔVmax與最大上升速度出現(xiàn)時間較降雹時間提前量Tlead-UPmax的相關(guān)性進(jìn)行分析。其中0℃層以上45 dBZ回波最大增長速率出現(xiàn)時間提前量Tlead-ΔVmax(45 dBZ)與最大上升速度出現(xiàn)時間較降雹時間提前量Tlead-UPmax的相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為0.77821;Tlead-ΔVmax(40 dBZ)與Tlead-UPmax的相關(guān)系數(shù)為0.743;Tlead-ΔVmax(30 dBZ)與Tlead-UPmax的相關(guān)系數(shù)為0.66947(均通過顯著性檢驗)。

圖1為0℃層以上強回波中心(指0℃高度以上大于45 dBZ范圍,下同)體積增長速率最大值與單體內(nèi)徑向速度垂直分量最大值進(jìn)行分類型對比,由圖1可知,多單體個例總體體積增長最大速率和最大上升氣流強度均為4個類型中最高的;颮線系統(tǒng)的最大體積增長速率和上升氣流強度均略低于多單體系統(tǒng);孤立單體上升氣流強度差異較大,體積增長最大速率總體略低于多單體及颮線系統(tǒng);MCS各個例的體積增長速率和上升氣流強度差異較大。

2.2 雹暴微物理特征

利用模糊邏輯算法識別垂直剖面水成物粒子分布。由于冰雹出現(xiàn)在組合反射率強的雹云核心區(qū)域,為研究冰雹云垂直方向微物理結(jié)構(gòu),本文選擇的剖面方向為0℃層高度以上反射率最強的方向。

統(tǒng)計爆發(fā)性增長階段內(nèi)水成物粒子數(shù)量,計算得出各項水成物粒子增長速率。根據(jù)各項水成物粒子增長速率與上升氣流強度的擬合結(jié)果(圖2),發(fā)現(xiàn)單體爆發(fā)性增長階段各冰晶(CR)、低密度霰(LDG)、雨夾雹(RH)、過冷水(SWA)最大增長速率與上升氣流強度相關(guān)性較高,相關(guān)系數(shù)分別為0.41267、0.62082、0.47799、0.43822,均通過95%顯著性檢驗。表明在爆發(fā)性增長階段,強上升氣流主要對以上水成物粒子有貢獻(xiàn)作用,其中對低密度霰的貢獻(xiàn)最大。在后續(xù)個例分析中將具體分析水成物粒子之間轉(zhuǎn)化機制。

3 個例分析

由于威寧地區(qū)孤立單體降雹頻繁,結(jié)構(gòu)較為典型,選取一次具有“累積帶”特征的孤立單體降雹過程進(jìn)行詳細(xì)個例分析。2018年4月25日下午在貴州威寧發(fā)生降雹過程,降雹地點為得磨,根據(jù)記錄降雹時間在13:40左右,降雹顆粒達(dá)包谷子大小,降雹密度達(dá)200～300粒/m2。

3.1 天氣背景

2018年4月25日08時500 hPa環(huán)流形勢(圖3)顯示中國西南地區(qū)處于南支槽前西南氣流控制下,繞青藏高原南下的冷平流沿西南氣流影響降雹地。中層干冷空氣向降雹地輸送,上干下濕的層結(jié)條件(圖4)形成對流不穩(wěn)定環(huán)境。

3.2 雷達(dá)回波及徑向速度演變特征

根據(jù)威寧雪山的X波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)所作的組合反射率圖,確定降雹單體,分析組合反射率回波演變特征。圖5為降雹單體演變過程,組合反射率顯示2018年4月25日12:40左右在威寧西南部形成并向東發(fā)展,于13:20-13:38降雹。

12:40左右威寧縣西南邊界處生成一個對流單體;12:52其組合反射率最大值大于45 dBZ,12:58單體中心強度增強至50 dBZ以上;13:09單體中心強度增強至55 dBZ以上并且單體西側(cè)出現(xiàn)“V型缺口”,有偏西北氣流流入;13:20、13:26單體發(fā)展至最強,單體中心反射率最大值達(dá)到60 dBZ,“V型缺口”維持但呈減弱趨勢;13:43后1.45°仰角已識別不到地面降雹,但單體在降雹結(jié)束后經(jīng)歷了一個短暫的減弱階段后(13:38-13:55),在14:00又有第二次發(fā)展,并且單體再次出現(xiàn)“V型缺口”的特征;14:12單體中心強度達(dá)到第二個峰值,反射率最大值為58.5 dBZ;14:18后單體呈減弱消散趨勢快速向東移動。

圖6為單體0℃層以上大于45 dBZ回波體積及徑向速度垂直分量最大值的時間序列圖,由圖可見在12:58-13:15上升氣流和強回波體積增長均達(dá)到最大值。根據(jù)上述組合反射率演變分析及回波體積和徑向速度垂直分量隨時間變化情況將此次雹暴過程劃分為生成階段(12:40-12:58)、爆發(fā)性增長階段(12:58-13:15)、成熟穩(wěn)定階段(13:15-13:38)、降雹后減弱階段(13:38-13:55)、二次增長階段(13:55-14:18)、減弱消散階段(14:18-14:46)。本文主要分析雹暴爆發(fā)性增長特征,故主要對爆發(fā)性增長階段及其前后單體熱動力、微物理過程進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.3 熱動力及微物理特征

利用威寧X波段雙偏振雷達(dá)徑向速度數(shù)據(jù)提取徑向速度垂直分量,其中核心區(qū)域(反射率＞30 dBZ)正徑向速度最大值表征上升氣流強度隨時間變化,負(fù)徑向速度最小值表征下沉氣流強度隨時間變化(圖略)。結(jié)果顯示,爆發(fā)性增長階段開始時上升氣流強度達(dá)到最大值,徑向速度分量最高達(dá)2.86 m/s;爆發(fā)性增長階段中下沉氣流強度也有所增加,13:03達(dá)到-3.13 m/s。在爆發(fā)性增長階段雹暴內(nèi)部動力場變化劇烈,且最下沉氣流的出現(xiàn)晚于最大上升氣流,與固態(tài)粒子在這一階段大量形成以及拖曳作用有關(guān)。

圖7 為爆發(fā)性增長階段(12:58、13:03、13:09、13:15)單體組合反射率及其垂直剖面反射率、粒子識別和徑向速度的對比圖。根據(jù)垂直剖面粒子識別結(jié)果,在爆發(fā)性增長中后期(13:03、13:09、13:15)發(fā)現(xiàn)水成物粒子具有“累積帶”特征(圖7c2～c4),爆發(fā)性增長階段后“累積帶”特征消失。徑向速度垂直剖面顯示累積帶存在時中層有風(fēng)速輻合,說明此時上升氣流增強。過冷水“累積帶”大概位于2.5～4 km高度,處于0℃ ～-20℃;低密度霰(LDG)和冰晶(CR)主要分布于3.6～6.5 km高度(-10℃高度以上);高密度霰主要分布于1～3.5 km高度(-10℃高度以下)。單體爆發(fā)性增長時段中期(13:03、13:09)低密度霰(LDG)和高密度霰(HDG)數(shù)量明顯增多,并且在爆發(fā)性增長時段后期(13:15)有大量雨夾雹(RH)形成。下面根據(jù)粒子數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行分析,其中過冷水(SWA)粒子數(shù)量用高于0℃層高度的RN粒子數(shù)量代表。

圖8為各項水成粒子每個時刻在垂直剖面中庫數(shù)占比,由圖知,CR、LDG粒子庫數(shù)占比在爆發(fā)性增長開始后有明顯上升,均在爆發(fā)性增長時段內(nèi)達(dá)到峰值;SWA、HDG粒子庫數(shù)占比在爆發(fā)性增長時段中后期同樣有所提高。圖9為各項水成物粒子單位時間增長速率隨時間變化,顯示在爆發(fā)性增長前期LDG和SWA粒子增長速率均達(dá)到峰值,分別為132庫/min、17.8庫/min;爆發(fā)性增長中期,HDG粒子增長速率達(dá)到峰值79.7庫/min;爆發(fā)性增長后期RH粒子增長速率在達(dá)到峰值61.7庫/min。根據(jù)粒子識別出的雨夾雹(RH)分布位置(圖7c4),處于2～4 km高度,與高密度霰(HDG)分布位置更接近,并且雨夾雹粒子增長速率峰值出現(xiàn)在高密度霰增長速率峰值后一個體掃間隔,從而推斷在這一時段高密度霰為雨夾雹的主要轉(zhuǎn)化源。

綜上,在爆發(fā)性增長前期單體內(nèi)上升氣流強度突增,正徑向速度垂直分量最大值在爆發(fā)性增長前期達(dá)到最大值2.86 m/s,并且在爆發(fā)性增長階段維持在2 m/s以上,將大量水汽輸送至-10℃高度以上形成大量冰晶和低密度霰,同時0℃ ～-20℃高度范圍內(nèi)過冷水堆積形成“累積帶”,過冷水粒子增長速率最高達(dá)到17.8庫/min;爆發(fā)性增長后期大量雹的產(chǎn)生主要依靠高密度霰在“累積帶”區(qū)域撞凍過冷水形成雹。

3.4 雷電活動與微物理相互作用特征

對貴州三維閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計,本次過程總閃次數(shù)為68次,其中正地閃占5.9%、負(fù)地閃占55.9%、云閃占38.2%。圖10為12分鐘閃電頻次與水成物粒子庫數(shù)占比隨時間變化,由圖所示,貴州三維閃電探測到本次降雹過程的首次閃電發(fā)生在爆發(fā)性增長開始后,爆發(fā)性增長階段中期閃電頻次躍增,對應(yīng)CR、LDG增長速率較快。閃電位置與單體中心基本吻合,大多數(shù)云閃在粒子識別圖中位于低密度霰和冰晶混合區(qū)域(圖略)。在第一個閃電峰值(13:09)和第二個閃電峰值(13:38)前冰晶粒子庫數(shù)占比也達(dá)到峰值,與曾勇等[27]的觀測研究結(jié)論一致。根據(jù)非感應(yīng)起電機制原理[28-29],爆發(fā)性增長階段受上升氣流影響雹云內(nèi)冰晶和霰的數(shù)量增多,存在大量粒子間轉(zhuǎn)換過程,加大了霰和冰晶之間非感應(yīng)起電率,使閃電頻次在爆發(fā)性增長時段突增。

4 結(jié)論

為探究雹暴爆發(fā)性增長過程熱動力、微物理特征,并針對爆發(fā)性增長過程熱動力和微物理相互作用為降雹前體物所做貢獻(xiàn)及影響,利用威寧23次降雹個例統(tǒng)計雹暴爆發(fā)性增長階段回波特征、動力特征、微物理特征,并且以2018年4月25日孤立單體降雹過程為例進(jìn)行詳細(xì)的個例分析,對其爆發(fā)性增長階段熱動力結(jié)構(gòu)對水成物粒子分布產(chǎn)生的影響、對雹前期生成并堆積過程產(chǎn)生的貢獻(xiàn)進(jìn)行討論,并且結(jié)合閃電討論了微物理演變過程和雷電活動的相互作用。主要結(jié)論如下:

(1)通過統(tǒng)計,0℃層以上45 dBZ體積增長最大速率出現(xiàn)時間較降雹時間的提前量為5～15 min,與最大上升氣流(本文用徑向速度垂直分量表征上升氣流強度)提前量相關(guān)性最大,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.778。

(2)通過統(tǒng)計,在爆發(fā)性增長階段上升氣流強度與低密度霰最大增長速率相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.62,上升氣流對低密度霰(LDG)數(shù)量增長的貢獻(xiàn)最大;其次對雨夾雹、過冷水、冰晶的貢獻(xiàn)略低于低密度霰,相關(guān)系數(shù)分別為:0.48(雨夾雹)、0.44(過冷水)、0.41(冰晶)。

(3)2015年4月25日雹暴在爆發(fā)性增長階段正徑向速度垂直分量最大值階段維持在2 m/s以上(峰值2.86 m/s)。在缺少垂直風(fēng)速觀測的條件下,孤立單體雹暴徑向速度垂直分量大于2 m/s并維持12 min(兩個體掃間隔)以上可作為爆發(fā)性增長的參考依據(jù)。

(4)爆發(fā)性增長前期強上升氣流將大量水汽輸送至-10℃高度以上形成大量冰晶和低密度霰,同時0℃～-20℃高度范圍內(nèi)過冷水大量堆積形成“累積帶”,過冷水粒子增長速率最高達(dá)到每分鐘17.8距離庫數(shù)。

(5)爆發(fā)性增長后期雨夾雹大量生成,其主要貢獻(xiàn)源為高密度霰在“累積帶”區(qū)域過冷水條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)化,高密度霰粒子庫數(shù)減少1.94%。

(6)閃電活動受上升氣流影響雹云內(nèi)冰晶和霰的數(shù)量急劇增多、動力場變化劇烈的影響,非感應(yīng)起電率增加,在爆發(fā)性增長過程探測到首次閃電,并且在爆發(fā)性增長后期閃電頻次突增達(dá)到首個峰值。

以上結(jié)果反映出貴州威寧孤立單體雹暴及其內(nèi)部“累積帶”在爆發(fā)性增長階段的特征變化,為人工防雹作業(yè)和冰雹預(yù)警提供一定參考。

致謝:感謝成都市科技治霾新技術(shù)新產(chǎn)品應(yīng)用示范項目(2018-ZM01-00038-SN)對本文的支持