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甘肃平凉地区冰雹天气的气候特征和雷达回波分析

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第31卷第2期 2013年6月 王若升,张干 旱 气 象 Journal of Arid Meteorology v。1.31 N0.2 June,2013 彤,樊晓春,等.甘肃平凉地区冰雹天气的气候特征和雷达回波分析[J].干旱气象,2013,31(2):373—377,doi:10.11755/j.issn. 1006—7639(2013)一02—0373 甘肃平凉地区冰雹天气的气候特征和雷达回波分析 王若升 ,张 彤2,樊晓春 ,王丽娜 ,赵 果2,吴颖娟 (1.甘肃省平凉市气象局,甘肃平凉744000;2.中国科学院寒区旱区环境与 兰州730000) 工程研究所,寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室,甘肃摘 要:利用甘肃平凉市7个气象台站1965—201 1年冰雹观测资料详细分析了平凉冰雹的时空分布 特征、气候特征。同时利用2003~2011年平凉辖区内乡镇冰雹观测资料和冰雹日探空资料及2009 2011年雷暴云多普勒雷达资料分析了平凉市冰雹日的层结特征及雷达回波特征。分析结果表明:平 凉市冰雹高发区位于六盘山和关山山脉两侧的华亭、庄浪和崆峒区。1980年代是降雹的高峰期, 1990年代至今冰雹发生的次数是减少的。一Lt中冰雹天气主要发生在17~22时。对流层上层(300 —600 hPa)不稳定是平凉降雹的主要特征。平凉冰雹云回波强度>50 dBZ,回波顶高度在8 km以 上,垂直液态含水量在20 kg・m~,强中心平均高度在6 km左右,45 dBZ回波高度高于0 oC层高度2 km。 关键词:冰雹;气候特征;回波特征 文章编号:1006—7639(2013)一02—0373—05 doi:10.11755/j.issn.1006—7639(2013)一02—0373 中图分类号:P458.1 21.2 文献标识码:A 引 言 冰雹天气由于其空间尺度小、生命史短、突发性 强、发展演变迅速、破坏力大,预报难度极大而深受 但由于各地气候等条件差异,应用不尽相同。本文 利用平凉市7县区近47 a的冰雹基本观测资料和 近3 a的多普雷达回波资料,分析了平凉市冰雹的 时空分布特征、环流背景、冰雹天气的层结参数特征 及雷达回波特征,探索平凉市冰雹短时临近预报方 法,为平凉市人工消雹和防灾减灾工作提供参考。 人们的关注。冰雹是影响甘肃平凉市的主要气象灾 害,且常伴有短时强降水、大风等,对人民生活、生命 财产安全造成严重危害,加之平凉市地处黄土高原, 多山地、丘陵地区,地形复杂,天气多变,冰雹多,危 害重。目前对这类天气的预报手段有限,国内外利 用加密的中尺度观测及卫星、雷达资料,采用变分同 1 资料说明 所用资料为平凉市7县区1965~2011年气象 部门测站冰雹观测资料,2003—2011年平凉、民勤、 兰州、银川站的探空资料,2009~201 1年平凉市102 化技术融入非静力中尺度模式等方法研究该类天 气¨J。天气雷达从半个多世纪以前开始应用于气 象领域,一直是监测和预警强对流天气的主要工具, 个雷暴单体(其中普通雷电单体35个,短时强降水 33个,冰雹单体34个),固原、西峰新一代天气雷达 资料,包括基本反射率、组合反射率、基本速度、回波 顶高、垂直积分液态含水量等产品。 特别是我国新一代多普勒天气雷达网的建设,使得 雷达的性能大大提高,对于雷达的使用效率也有很 大提高。吴爱敏等通过新一代天气雷达观测,利用 基本数据产品和物理量产品,分析了庆阳市冰雹过 程中雷达回波强度、速度、云顶高度、垂直积分液态 2冰雹天气的气候特征 2.1 冰雹天气的空间分布特征 含水量的特征 J,为冰雹预报提供了可靠的依据, 分析平凉市7县区气象台站1965~2011年47 收稿日期:2012—10—09;改回日期:2012—12—18 基金项目:中国科学院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室开发基金项目(LPCC201 107)资助 作者简介:王若升(1974一),男,高级工程师,主要从事短期天气预报研究.E—mail:plwrs@163.eom 374 干 旱 气 象 3l卷 a的降雹Et数分布(图1),可以看出降雹次数分布 有明显的地域特点,自中部向东西2侧降雹次数趋 于减少,中部的华亭、南部的庄浪冰雹次数最多,降 月。47 a来各月降雹总数分布图(图3)可以看出,3 月份开始降雹次数逐月增加,6月份达到最高,降雹 总数为93次,每年6月份平均降雹1.98 d,随后又 呈逐月下降趋势,其它月份无降雹。主要降雹时段 在4—9月,占冰雹总数的95%。另外统计3月和 10月的降雹区域主要是崆峒、庄浪和华亭,说明六 盘山山脉2侧冰雹天气来的早,结束晚。 雹日为9l、83次,崆峒为次多,降雹日数为75次。 东部的泾川次数最少,平均每年不到1次。可见沿 着六盘山脉和关山2侧的区域为平凉市降雹中心, 张鸿发等研究指出 j,在六盘山东侧,沿六盘山南 北走向,强雷达回波频数等值线形成一带状,带上有 几个相对大的中心,说明山脉起着对雷暴云强回波 频数增加的作用,这可能是山脉下坡作用和背风波 作用等影响的结果。 图1 1965~2011年平凉降雹总次数分布 Fig.1 Spatila distribution of total hail days from 1965 to 2011 2.2冰雹天气的时间变化特征 2.2.1冰雹的年代际及年际变化 平凉市各气象台站在近47 a计出现冰雹 440次,其中1965~1970年计69次,平均每年 11.5次;1970年代共出现111次,平均每年11.1 次;1980年代143次,平均每年l4.3次;1990年代 68次,平均每年6.8次;2001年至2010年45次,平 均每年4.5次。可见1980年代是降雹的高峰期, 1990年代至今冰雹相对较少,总的趋势来看,冰雹 发生的次数是减少的。 从1965~201i年的逐年降雹时序图上看(图 2),冰雹的年际变化显著,降雹发生最多的是1984 年,降雹次数为25次,2009年最少,没有冰雹发生。 从线性趋势可以看出平凉市降雹频率是趋于减少 的,每10 a减少2.2次,此倾向率通过了仅=0.O1 的显著性 检验。 2.2.2冰雹天气的月分布特征 平凉冰雹的季节性特征非常明显,47 a来平凉 降雹最早的月份为3月,出现在1997年3月28日 的庄浪县,最晚结束是在2010年10月19日的华亭 县,可见3~10月为平凉市降雹期,雹期长达8个 暴 姻鞋 ∞∞∞ ∞如∞如加m O 图2 1965~2011年降雹时间序列和线性趋势 Fig.2 Time series and trends of annual hail days from 1965 to 2011 r  .,广_] 3 4 5 6 7 8 9 l0 月份 图3 1965~2011年降雹月分布 Fig.3 The monthly total hail days from 1965 to 201 1 2.2.3冰雹天气发生的日变化特征 计算1965~2011年不同时段发生冰雹的百分 率(图4)可以看出,平凉市冰雹的Et变化特征也非 常明显。降雹的主要时段集中在午后至傍晚时分, 尤以傍晚时分发生频率最高,上午和23时以后没有 降雹发生。下午17时前平凉冰雹的发生率较小,12 ~l7时降雹发生率为6.5%,17时起降雹概率逐渐 增加,并于2O时左右冰雹发生率达最大,占冰雹总 数的27.4%,后逐渐降低,22时以后降雹很小只占 冰雹总数的2.9%,17~22时降雹发生率达90. 6%,大部分冰雹发生在午后至傍晚时分,说明热力 条件在冰雹天气发生时起重要作用。 第2期 王若升等:甘肃平凉地区冰雹天气的气候特征和雷达回波分析 375 3.2.1层结稳定度 3O 5 l7. l —— 统计发现冰雹发生前一日的O8时或20时平凉 , 13. 0 —— 及其上游民勤、兰州、银川站的探空层结至少有2站 】 7. _)  —— 篓20 l5 6.3 5 0 l 6. I —— 表现为条件不稳定,且平凉低层都有逆温层。由表 1可以看出降雹当日平凉本站层结有如下特征:对 流层上层的不稳定能量明显增大,冰雹日对流层上 嘲 r_1 时问 2n.9 层平均温差明显高于普通雷暴日,降雹日20时500 与300 hPa的温差平均为25.4℃,最高为31℃,平 均温差高于普通雷暴日0.6 oC,这是由于西风带冷 槽侵袭时,对流层顶下降,对流层中上层降温造成 600至300 hPa之间的对流层上部不稳定¨ ;降雹 日对流层下层不稳定也很明显,20时500与700 hPa之间的温差平均为19 cc,最高为26℃,平均温 差高于普通雷暴Et 2.2 oC;20时平均 指数为29.9 ℃,最大为39℃,55.8%的 指数>29.9 oC,平均 图4—13中各时段发生冰雹的百分率 Fig.4 The percentage of the hail occurrence during the different time of a day 3 冰雹天气的天气学特征 3.1 冰雹天气环流背景特征 指数高于普通雷暴日3.6 oC;20时平均 指数为 一冰雹天气是局地强对流系统,它的发生往往是 0.51,75%小于0℃,小于普通雷暴2.1 oC;20时 在一定的大尺度环流背景下 ,王若升等对平凉 市冰雹发生当日或前一日08时500 hPa的天气图 进行了合成分析 J,总结了平凉冰雹天气发生时主 要的环流形势背景:57%的冰雹天气发生在蒙古冷 500与700 hPa假相当位温平均差为一0.66℃,高 于普通雷暴2.2 qC;中低空的风向或风速切变明显, 有时层结曲线与露点曲线的分布互呈“喇叭口”,即 显著的上干下湿状态。 3.2.2 0 oC层和一20℃层高度 冰雹的形成需要一定的环境场温度,合适的0℃ 涡控制的天气背景下,有25%的冰雹天气受河套低 压槽影响,15%的冰雹天气是西方小槽东移造成,还 有5%的冰雹天气发生在西南气流中。可见蒙古冷 涡是造成平凉降雹的主要天气形势,这种形势往往 持续数日,造成平凉连续数日降雹。 3.2冰雹天气发生时的探空层结特征 层和一20℃层高度是冰雹形成的必要条件。统计发 现降雹当13 08时平凉0℃层高度平均为4.4 km,并 随月份先增后降,5月平均为4.0 km,6、7、8月在4.4 —4.6 km之间,97%的0 oC层高度在5 km之下,91% 强对流天气是一种强烈的对流运动,其发生要 求有一定的不稳定能量的积累 。利用2003~ 2010年平凉市7县(区)境内发生的356次强对流 天气过程,其中冰雹过程73次,统计冰雹天气过程 前一天和当日平凉本站及周边地区兰州、银川的探 的0 oC层高度在4 km之上。降雹当13 08时平凉一 20℃层平均高度为7.3 km,也是随月份先增后降,7 月达最大,为7.6 km,5、6月最低,为6.9 km。0℃层 平均高度比一20℃层平均高度低2.9 km。同时与普 通雷暴日比较发现,冰雹日0 oC层平均高度与普通雷 暴0℃层平均高度相差不大,而一20℃层平均高度 冰雹13较普通雷暴日偏低0.2 km。 空资料发现,冰雹发生日08时或2O时平凉探空层 结有明显的特征。 表1 平凉站冰雹天气平均对流参数 Tab.1 The average convective parameters of hail weather at Pingliang station 376 干 旱 气 象 31卷 4冰雹天气的新一代雷达产品特征 应用2009—2011年平凉市102个雷暴单体 4.4强中心所在高度 我们选用组合反射率(CR)最大值所在高度统 计分析表明,3种云体最大回波强度平均高度差异 cinrad—cd多普勒雷达资料,其中普通雷暴单体35 个,短时强降水33个,冰雹单体34个,统计了冰雹 云基本反射率、组合反射率、基本速度、回波顶高、垂 直积分液态含水量等产品的特征,分析了冰雹云雷 达回波与短时强降水回波及普通雷暴的差异(表 明显,冰雹云为6.2 km,短时强降水云团为3.2 km。 而普通雷暴强中心所在高度平均为3.65 km,也高 于强降水回波的高度。 4.5 45 dBZ强回波顶对应的高度 2)。 表2平凉冰雹回波特征量平均值 Tab.2 The average echo characteristics of hail weather at Pingliang station 雷阵雨伴冰雹59.3 11.9 6.2 38.1 8.0 雷阵雨伴强降水52.5 9.4 3.2 25.1 3.0 雷阵雨45.1 6.7 3.6 4.9 4.5 4.1回波强度 统计3种云的组合反射率发现冰雹云回波强度 最大,平均最大回波强度为59.3 dBZ,最大65 dBZ, 最小50 dBZ;短时强降水回波强度较冰雹云弱,平 均最大回波强度为52.5 dBZ,最大达65 dBZ,最小 40 dBZ;普通雷暴回波强度最弱,平均最大回波强度 为45 dBZ,最大达60 dBZ,最小30 dBZ。 4.2回波顶高 冰雹云发展最旺盛,平均回波顶高可达11.9 km,最高达15.2 km,最低9.1 km;短时强降水次 之,平均9.4 km,最高13.7 km,最低5 km;普通雷 暴平均顶高6.7 km,最高10.7 km,最小4 km。 4.3最大垂直积分液态含水量 通过分析冰雹、雷雨大风、短时强降水发生前 (30~60 min)VIL变化,显示23次冰雹强对流天气 过程降雹前1 h的VIL在不断地升高或维持高值, 降雹前的30 min左右VIL值更是跃增,达到过程最 大值后地面开始降雹,降雹后VIL迅速减小;同时, 从最大液态含水量统计可以看出,冰雹云和强降水 回波的垂直累积液态含水量明显大于普通雷暴,冰 雹云平均最大垂直积分液态含水量达38.1 kg/m 、 最大达60 kg/m 、最小20 kg/m ;强降水回波平均 最大垂直积分液态含水量达25.1 kg/m 、最大55 kg/m 、最小5 kg/m ,普通雷暴平均<5 kg/m 。 在多普勒雷达资料中,新的冰雹算法中判断冰 雹的主要判据是检验0 oC与一20℃高度以上有无 超过45 dBZ的反射率因子,0℃层高度与45 dBZ的 反射率因子回波顶高度的距离差用于判断冰雹的有 无。经统计,平凉市冰雹云45 dBZ回波高度平均值 为8 km、最低7 km,最高12 km以上,短时强降水平 均值为3 km、普通雷暴平均值为4.5 km,可见冰雹 云45 dBZ回波顶明显高于短时强降水和普通雷暴。 分析2009年46次雷暴云45 dBZ强回波区高 度位置及相对于0℃等温线高度的位置,发现冰雹 云45 dBZ强回波的高度都位于0℃层高度之上,且 在0℃层高度2 km以上。而短时强降水天气过程 45 dBZ强回波高度都位于0 oC层高度之下;普通雷 暴天气45 dBZ强回波的高度位于0℃层高度之下, 或与0℃层高度差<1 km。可见45 dBZ强回波区 高度及相对于0 oC等温线高度差是区别冰雹云的一 个主要依据。 由以上分析可见平凉地区冰雹云新一代天气雷 达产品有明显的特征,冰雹云回波强度、回波顶高 度、垂直累积液态含水量、强中心高度等与普通雷暴 及短时强降水雷暴有显著的差异,这些差异可作为 冰雹天气短时临近预报的主要判断依据。 5结论 (1)平凉市冰雹的分布与六盘山脉的走向有密 切关系,沿着六盘山脉和关山2侧的区域为平凉地 区降雹中心,中部的华亭、崆峒和南部的庄浪是冰雹 高发区,东部降雹最少。 (2)平凉冰雹的年代际变化明显,20世纪80年 代是降雹高峰期,90年代至2l世纪初逐渐减少;降 雹最多的年份是1984年,最少的年份是2009年,平 凉市降雹频率是趋于减少的,每10 a减少2.2次。 (3)平凉降雹季节性变化显著,最早发生在3 月,最迟为l0月,雹期长达8个月。6月份冰雹高 发,庄浪、华亭、崆峒等地区冰雹天气来的早,结束 迟。 (4)平凉市冰雹主要发生在午后至傍晚时分, 尤以傍晚时分发生频率最高,特别是l7—22时为主 第2期 王若升等:甘肃平凉地区冰雹天气的气候特征和雷达回波分析 377 要的降雹时段,占90.6%。 (5)冰雹日平凉本站层结有如下特征:对流层 上层的不稳定能量明显,500与300 hPa的温差在 25℃以上,K指数>25.9 oC,SI指数<0 oC。 [5]张鸿发,左洪超.平凉冰雹云回波特征分析[J].气象学报, 2002,60(1):110一l15. 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Analysis of the Climate Features and Radar Echo of the Hail Weather in Pingliang of Gansu Province WANG Ruosheng ,ZHANG Tong ,FAN Xiaochun ,WANG Lina ,ZHAO Guo ,WU Yingjuan (1.Pingliang Meteorological Bureau ofGansu Province,Pingliang 744000,China; 2.Key Laboratory fo , Surface Process and Climate Change in Cold and Arid Regions: Cold and Arid Regions Environmentaf and Engineeirng Research Isntitute,cAS, nzhou 730000, ian) Abstract:Based on the hail observation data from seven stations in Pingliang of Gansu Province from 1965 to 201 1,the temporal and spatial distribution of hail weathers and its climate features in Pin ̄iang were analyzed in detail.At the same time,the stratification fea・ ture and radar echo characteristics were analyzed by using the hail observation data and the sounding data in hail days from 2003 to 201 1,and Doppler radar data of thunder cloud in Pingliang from 2009 to 201 1.The results show that the hi gh risk area of hail weather was located in Huating,Zhuanglang and Kongtong of Pingliang area.Hail weather occurred frequently in the 1980s and reduced from the 1990s.In a day,hail mainly occurred from 17:00 to 22:00.The instability of the upper troposphere(from 300 to 600 hPa)is the main characteristic of hail weather in Pingliang.Echo intensity of hail cloud in Pingliang was more than 50 dBZ,echo top height was more than 8 km,vertical liquid water content was 20 kg.m~,strong center average height was about 6 km,tlle 45 dBZ echo height was 2 km higher than the height of0 oC layer. Key words:hail weather;climatic characteristic;radar echo characteristics 

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