多源观测资料在冰雹监测预警中的应用.pdf

研究论文第17 卷第5期沙漠与绿洲气象2023年10 月Desert and Oasis Meteorology武冰路，赵京波，纪策，等.多源观测资料在冰监测预警中的应用 J沙漠与绿洲气象，2 0 2 3，17（5）：7 9-8 5.doi:10.12057/j.issn.1002-0799.2023.05.010开放科学（资源服务）标识码（OSID）：多源观测资料在冰電监测预警中的应用武冰路！，赵京波，纪策？，黄浩杰，隆雪4（1.中国气象局气象干部培训学院河北分院，河北保定0 7 10 0 0;2.沧州市气象局，河北沧州0 6 10 0 0；3.廊坊市气象局，河北廊坊0 6 50 0 0；4.河北省气象台，河北石家庄0 50 0 0 0）摘要：利用常规观测、气象卫星、双偏振雷达、风廊线雷达、地基GPS水汽等资料对2 0 2 0 年6月2 5日河北中部一次特大冰雪天气过程进行分析，探讨多源观测资料在冰雪监测预警中的应用。结果表明：受华北冷涡的影响，上冷下暖的不稳定层结为强对流的发生提供了有利的环流背景。在地面辐合线与地形抬升的作用下，强对流云团迅速生成并发展。超长生命史的超级单体风暴导致了本次大面积降電，风暴中的冰粒子与其他相态粒子的双偏振特征具有明显的区别，因此可以通过双偏振雷达识别冰電粒子。多源观测资料的定量化融合分析能提供更加精确的数据信息，从而为冰天气的监测预警提供更多的参考价值。关键词：多源观测资料；冰霓；双偏振雷达；风廊线雷达；定量化产品中图分类号：P458.121.2文献标识码：A文章编号：10 0 2-0 7 9 9(2 0 2 3)0 5-0 0 7 9-0 7受华北冷涡的影响，我国京津冀地区常常发生冰電、大风、暴雨、雷电等强对流天气。由于强对流天气突发性强、对流强度大，引发的风灾害与次生灾害往往导致严重的经济损失和人员伤亡。随着静止气象卫星时空分辨率增大、双偏振雷达和风廓线雷达的布控以及多源观测资料融合的业务化开展，国内强对流天气预报预警技术也在不断提升，众多专家在短时临近预报预警方面取得了丰硕的研究成果。任素玲等2 使用FY-4A白天对流风暴产品研究华北强雷暴天气，发现多通道扫描成像仪RGB合成参数较单通道卫星图像更具有监测优势。孙伟等3 使用S波段双偏振多普勒雷达对苏州一次冰電天气过程进行分析，发现双偏振参量在强对流短时临近预报和冰识别方面具有很强的应用潜力。黄治勇等利用风廓线雷达分析冰天气过收稿日期：2 0 2 2-0 2-2 3；修回日期：2 0 2 3-0 2-0 8基金项目：中国气象局气象干部培训学院科研项目（2 0 2 2 CMATCQN11)作者简介：武冰路（1991一），女，工程师，主要从事卫星气象研究。E-mail:通信作者：赵京波（197 2 一），男，高级讲师，主要从事气象教育培训研究。E-mail:程，发现将风廓线雷达资料与地面天气图相结合可以追踪降電前中低层的中尺度系统演变以及冷暖平流的变化，从而为冰電等强对流天气的监测和预警提供更好的条件。王彦等5利用风廓线雷达资料分析一次强降水过程的垂直风切变特征，发现低空急流指数的变化对短时强降水的峰值有一定的指示作用。闵凡花等16 通过分析大气可降水量在重庆夏季暴雨中的作用，发现大气可降水量对于强降水的短时临近预报有较好的指示性意义。研究表明，造成冰天气的中尺度天气系统是复杂的17-9。尽管雷达图像识别和临近预报外推算法有很大业务应用价值10-13,但冰天气的精细化预报、预警仍是工作中的难点。本文利用多源观测资料对冰灾害性天气发生发展过程对发生在河北省中部一次特大冰電天气过程进行分析，观察造成特大冰的云团特征与超级单体的内部结构，并利用定量化产品寻找冰天气预警指标，以期为今后华北地区冰電天气监测预警提供依据。1实况与灾情2020年6 月2 5日河北省保定市发生强对流天79研究论文气，主要以冰電为主，降電时段主要集中在14:0 0 一19:00。如图1所示，保定市多个地面观测站观测到冰。14:2 8，涞源观测到直径为0.8 cm的冰；15:55，易县观测到直径为2.6 cm的冰電；17:0 9，满城观测到直径为0.9cm的冰電；17:3 2，保定观测到直径为0.9cm的冰電。18：46，沧州市肃宁县（与保定相邻）观测到直径为3.5cm的大冰。此外，多位居民在顺平、望都、博野、鱻县等地拍摄到大如鸡蛋的冰，大量农作物、车辆被砸。实地考察发现，此次降霍范围广，受灾区域呈西北一东南带状分布。初步统计，本次强对流天气造成直接损失4591万元，53人因冰雷灾害受伤。40.0NV图例气象台观测站观赛站监测到冰斑公居民看到冰粒39.5N39.0N38.5N图16 月2 5日0 8：0 0 2 6 日0 8:0 0 保定市冰電落区与降水量（单位：mm）分布2环流背景与对流潜势分析2020年6 月2 5日0 8:0 0,2 0 0 hPa急流轴穿过河北省中部（图2）；50 0 hPa，河北省位于华北冷涡东南部的疏散槽中，槽后2 0 m/s的西北大风指向河北中部，冷温槽与干区相配合；8 50 hPa显示河北省沙漠与绿洲气象Desert and Oasis Meteorology受暖脊控制，其西部有切变线；地面处于锋前暖区中。综上，此次环流的高低空配置形成了上冷下暖的不稳定层结，为强对流的发生提供了有利的背景场。2005008501000N图2 2 0 2 0 年6 月2 5日0 8:0 0 中尺度分析深州涞源易县高店定兴陈水曲阳定州114E115E0.1102550100250第17 卷第5期2023年10 月由北京站6 月2 5日0 8：0 0 与14:0 0 的温度对数压力图（图3）可知，6 0 0 hPa以下风随高度顺转，表明中低空有暖平流，50 0 hPa以上风随高度逆转，91020km表明高空有冷平流，有利于不稳定层结的维持。对116E比0 8：0 0 与14：0 0 的探空曲线可以看出，“下湿mm上干”的状态更加明显。从各项物理量指标来看，08:00CAPE值为8 2 5.6 J/kg，14:0 0 CA PE值增大到158 7.9J/kg，大气热力不稳定度进一步增大；08：0 0 的0 6 km高度的风矢量差为12 m/s，垂直风切变为2 10 g-,14:00的0 6 km的风矢量差增大到18 m/s，垂直风切变增大到3 10-g强的垂直风切变将导致上升气流和下沉气流在相当长的时间内共存，有利于冰粒子的生成与发展。另外，0 层与-2 0 层高度分别为3.8.6.6 km，保证了冰電200a2003004005006007008009001000-60-50-40-30-20-1001020 3040温度/图32020年6 月2 5日0 8:0 0（a）、14:0 0（b）北京站温度对数压力图803004005006007008009001000-60-50-40-30-20-10010203040温度/武冰路等：多源观测资料在冰電监测预警中的应用粒子在下降过程中不融化成水滴。3对流初生的监测与分析高时空分辨率的静止气象卫星云图可以监测对流初生，达到提前预警的目的。11:0 0 12:0 0 的3 幅可见光云图（图4）可以看到，11:0 0 在张家口、保定、大同三市交界的山区有弱的对流云生成，1h之后就发展为若干个中等强度的对流云团。从12：0 0 的卫星云图可以看出，对流云与低云有着明显的区别，它们由冰晶粒子组成，具有很高的云顶高度，在云团的东部依稀可见卷云羽和暗影。通过分析地面自动站资料发现，在对流云生成的地方有西北风与西南风构成的辐合线。随着时间的推移，辐合线上逐渐出现中尺度涡旋。由此可知，在地面辐合线的触发下，a39.8N39.2N38.6Nd40.2N39.8N39.49Na39.6N39.1N38.6Nd39.69N39.1N38.60N图514:0 0(a)、15:0 0(b)16:0 0(c)、17:0 0 d）、18:0 0(e）19:0 0(f)雷达反射率因子图叠加风暴轨迹配合西部山区地形的强迫抬升作用，强对流云团迅速生成并发展。4对流风暴的移动与发展对流云初生后迅速发展，14：0 0 已经发展成为多个对流单体风暴，且具有很高的反射率因子值，表明风暴强度大。通过分析这些风暴单体的STI数据发现进人保定市境内的风暴单体生命史大多在16：0 0 之前消亡，有3 个强对流风暴的生命史超过3 h,分别为D1(13:4217:24).C3(15:1218:12)、K0(12:4821:36）。将这3 个对流风暴的STI轨迹叠加在雷达图上发现其轨迹均呈带状分布，基本都沿着西北一东南向移动，与风暴承载层的平流方向一致，风暴轨迹与降落区有较好的对应关系。b39.8Nb39.2N定市38.6N沧州石114.0E115.0F114.39E115.2E卫里云阳色标车拔尚度色标图411:0 0、11:3 0、12:0 0 可见光云图（a、b.c）和地面自动站风场叠加图（d、e f)114.2E115.0EC30KO114.2E115.0E1039.8N39.2N市38.6N115.0PF114.040.2N39.8N39.4N116.1E200m39.6N39.1PN38.6N115.8Ee39.6N39.1N38.6N115.8E520（紫色：D1,红色：C3,绿色：KO）市石家市115.09E115.040.2N39.8N39.4N114.3F115.2E海洋5001000mKC114.2E115.0EKO114.2E115.0E25迎州114.0115.0F116.1E114.3F地3000m39.6N39.1N38.60N115.8E39.6N39.1N38.6N115.8E1550115.0E115.2E116.1E114.2E115.0E114.2E115.0E70115.8E115.8E7581研究论文5超级单体的双偏振特征分析由于超级单体K0在17:3 0 给保定站带来了冰天气，因此分析当时的雷达图像特征将有利于更加深刻地理解引发降電的超级单体特征，为冰電预警提供更多有用的信息。图6 是超级单体KO在17：3 0 的雷达图像。反射率因子图（图6 a）显示超级单体KO的回波中有明显的“三体散射回波”，最大反射率因子超过7 0 dBZ，超级单体中心与周围回波构成了极大的反射率因子梯度。差分反射率因子Z表示水平极化和垂直极化回波的反射率因子之比的对数，Z可以反映超级单体中水凝物粒子的形状、密度与成分构成。图6 b显示，反射率因子在6 0 dBZ以上的地方Z数值较小，为0 0.2 dB。由于冰電在下落过程中不断翻转、摆动，导致Z接近于0,因此该处的水凝物粒子为冰粒子。反射率因子在50 55dBZ的地方Za为大值区，为3 5dB。由于大水滴在下落过程中受到重力的作用变成更加扁平的形态，导致其水平极化与垂直极化之比较大，因此Z大值区的水凝物粒子为大水滴粒子。在Z图上有一条灰色低值区（箭头所指位置），这是非均匀波束充塞导致的。相关系数Cc可反映一定区域内粒子形态（大小和指向)的相关性。某区域内粒子形态越一致，其相关性越好，Cc就越大。由图6 e可以看出，对流风暴东南部的降水粒子均一性较好，Cc值一般接近1；处于融化层的冰水混合物均一性较差，粒子形态变化呈现多样性，Cc值略有降低，为0.94 0.99；冰粒子在下落过程中发生翻滚使得其散射性质发生较大变沙漠与绿洲气象Desert and Oasis Meteorology化，Cc值更小，在0.9以下。差分相移率K是指在特定距离内水平偏振回波和垂直偏振回波相位之间的差值，表征不同偏振在传播路径上因传播系数不同引起的相位变化。由于K产品的计算与Ce相关，当Cc0.9时不计算K，导致K出现一些“空洞”，即在有回波的地方，K没有数据。通常大冰的Cc0.9,因此K的“空洞”可以作为识别大冰電的一个指标。6定量化产品在冰雪预警中的应用6.1定量化风廓线产品风廓线雷达通过探测大气的折射指数从而实现测风目的。与测风气球相比，风廓线雷达具有连续性和实时性。由保定市14：0 0 2 0：0 0 风廓线雷达产品时序图（图7）可知，17：0 0 18：3 0 某些时段缺少数据，这是因为当时保定市发生了冰電与短时强降水，强天气破坏了依靠瑞流尺度大小进行测风的风廓线测风原理，导致在强天气临近时刻，风廓线雷达在近地层没有数据，这一现象可作为强天气临近的预警指标。风羽显示，16：0 0 开始，0 1km的风由偏南风转为偏东风，表示有气旋过境；16：3 0 的垂直速度为负值，也证明此时该地由于风的辐合产生了上升运动。0 6 km和0 3 km的垂直风矢量差在16:0 016:30发生跃增。0 6 km的垂直风矢量差从14m/s跃增到3 5m/s,03km的垂直风矢量差从5m/s跃增到14m/s，表明0 6 km和0 3 km的垂直风切变在短时间内发生了跃增，1h后保定市出现冰天气。可见垂直风切变在短时间内跃增对强对流天的第17 卷第5期2023年10 月d0.507图6 17:3 0 0.5仰角超级对流单体的双偏振雷达图(a为反射率因子Z;b为差分反射率因子Za;c为相关系数Cc;d为差分相移率K）82武冰路等：多源观测资料在冰监测预警中的应用发生具有明显指示意义。此外，研究表明，风廓线仪探测到的垂直速度值随高度的波动可能反映了大气中垂直热交换的强度，因而垂直速度有可能成为判断对流发展强弱的一个重要指标(4。16:2 0 一16：30,03km的垂直速度随高度的波动较之前明显增大，说明此时大气中不同层次之间热力或动力差异较大，为对流风暴的维持与发展提供了有利条件。17:0017:50，垂直速度突变，由0.2 m/s迅速增大到14m/s，表明大气中具有强烈的下沉运动，与当地降電时间相对应。65U/21014-1.6-1.2-0.8-0.4?03km垂直风矢量差+0 6 km垂直风矢量差图7 保定市14:0 0 2 0:0 0 风羽、垂直风矢量差及垂直速度（单位：m/s）6.2定量化CPS水汽产品大气可降水量（Pw）是指单位面积上整层大气水汽全部凝结至地面的降水量，是表征大气中水汽含量的重要指示因子，地基CPS反演的大气可降水量具有精度高、时空分辨率高等优点。通过观察保定市大气可降水量随时间的演变可以直观地分析保定市上空水汽的变化，从而对强对流天气的预警提供帮助。保定市0 8：0 0 2 0:0 0 大气可降水量时序图（图8）显示，14：0 0 保定市的大气可降水量开始逐渐增大，为风暴的维持提供了水汽供应，17：0 0 大气可降水量达到3 8.6 mm，18:0 0 达顶点，为42.9mm，与保定市发生强对流的时间一致。可见，某地大气可降水量随时间连续增大，对当地强对流的发生具有一定的指示意义。454863827图：保定市0 8：0 0 2 0:0 0 大气可降水量6.3定量化卫星产品定量化卫星数据产品可以更加精确地展示某一区域上空的对流云信息。由保定市的云顶最低气温与云顶高度的时间序列图（图9）可知，云顶最低气温在12:0 0 13:0 0 急剧下降，从2 42 K下降到2 2 2 K，对照卫星云图发现，此时对流云开始进入保定市内。13：0 0 一14:2 0 云顶最低气温继续下降，云顶高度随之升高，此时对流云具有明显的上冲云顶。14：2 0 之后云顶最低气温一直维持在2 10 2 3 0 K，云顶最大高度为13 15km，上冲云顶突破了对流层顶。将卫40星云参数与降電时间对照发现，13:2 0 14:2 0，云顶585050最低气温持续下降（云顶高度持续上升），8 min后在涞源站观测到冰；16：40 17:2 0，云顶最低气温持续下降（云顶高度持续上升），12 min后在保定站观测到冰電。这一现象从侧面反映了冰的形成过程：電胚进入到上升气流中，穿过过冷水积累区，然1516810121700.40.81.21.61416182022时181920时后被上升气流带到中高层，当上升气流不能承托電粒时发生降電。从冰预警的角度分析，当某地的云顶最低气温连续下降、云顶高度连续升高时，意味着当地将有冰電天气发生。245云顶最低气温-24023523022522021512图9保定市上空对流云云顶最低气温与云顶高度时间序列6.4定量化雷达产品风暴追踪信息精确地展示出风暴参数随时间的变化。由13:0 0 19:0 0 K0各项参数的时间序列（图10）可知，液态水含量在13:3 6 14:0 6 由16 kg/m迅速跃增到6 2 kg/m；最大反射率因子从13：2 4开始持续增大，14:0 6 增至6 3 dBZ表明14:0 6 之前为冰孕育期。14:0 6 之后液态含水量在6 0 8 0 kg/m，最大反射率因子也一直在6 0 dBZ以上，符合处于冰電发展维持阶段的特征。14:0 6 之后K0的最大反射率因子高度在2 6 km，代表粒子的上升下沉运动一直非常旺盛，与冰的孕育（上升）、成熟（下降）、再孕育、再成熟这种反复过程有显著对应关系。调查发现K0导致的地面降電有2 次被准确地-云顶高度162513121109131415161718时83研究论文记录下来，一次是17:3 2 保定站降，一次是18：46肃宁站降。与KO的最大反射率因子高度对照发现，17:0 6 一17:3 0，最大反射率因子高度陡降，由6.1km下降到2.5km;18:1818:30，最大反射率因子高度再次陡降，由7.1km下降到1.3 km，意味着此时风暴中的冰粒子正在以极大的速度下降，相同时刻风廓线雷达的下沉速度陡增也证明了这结论。另外，14:48 14:54和15:2 415:3 0，最大反射率因子高度也发生了陡降，在后续调查中发现此时雷达回波对应的地面上也发生了電灾，遗撼的是没有准确的降时间可以对照。通过以上分析，可以得出这样的结论：对流风暴的液态含水量和最大反射率因子持续高位，同时最大反射率因子所在高度发生陡降意味着地面即将降，可作为冰電预警的关键指标之一。最大反射率因子-最大反射率因子高度1013141516171819日时图10对流风暴KO各项参数随时间的演变7结论与讨论利用多源观测资料对2 0 2 0 年6 月2 5日一次特大冰電天气过程进行分析，得出以下结论：（1）特大冰電天气过程是在华北冷涡的环流背景下生成的。通过分析各项物理量指标发现，较大的CAPE值、中等以上强度的垂直风切变、合适的0 层高度为强冰電的产生提供了有利的环境条件。（2）在地面辐合线与地形共同作用下，对流风暴迅速新生并发展成超级单体。造成本次大面积降的对流风暴为超长生命史的超级单体风暴，其中冰電粒子的双偏振特征与降水粒子有明显的区别，因此可以通过双偏振雷达识别粒子相态，从而为强对流分类预警提供参考。（3）风廓线雷达、GPS水汽、卫星、多普勒天气雷达中的定量化产品为冰天气的短临预报与预警提供了更加精准的数据信息，为冰電预警指标的形成提供更多的参考。例如，0 6 km和0 3 km的垂直沙漠与绿洲气象Desertand Oasis Meteorology风切变迅速增强、下沉速度陡增、对流风暴的液态含水量和最大反射率因子持续高位的同时最大反射率因子所在高度发生陡降都意味着当地即将发生冰等强对流天气，应该提前预警，避免灾害的发生。参考文献：I】张仙。冷涡背景下京津冀地区连续降特征分析 D南京：南京信息工程大学，2 0 13.2任素玲，赵玮，曹冬杰，等.FY-4A白天对流风暴和闪电产品在华北强雷暴天气分析中的应用 J海洋气象学报，2020,40(1):33-46.3孙伟，曹舒娅，沈建.基于多源探测资料的 412非典型冰苞特征分析 J热带气象学报，2 0 2 1.3 7（2）：2 18-2 3 2.4黄治勇，周志敏，徐桂荣，等.风廓线雷达和地基微波辐射计在冰天气监测中的应用 高原气象，2 0 15,3 4（1）：269-278.5王彦，刘一玮，孙晓磊.利用风廓线雷达资料分析一次强降水过程的风垂直切变特征J.暴雨灾害，2 0 17,3 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065000,China;4.Hebei Meteorological Observatory,Shijiazhuang 050000,China)Abstract To explore the application of multi-source observation data in hail monitoring andwarning,the conventional sounding data,satellite meteorological data,dual polarization radar data,windprofile radar data,and ground-based GPS water vapor data were used to study a strong convectiveweather process in central Hebei on June 25,2020.It was found that the effect of the north China coldvortex produced a suitable circulation conditions for the emergence of severe convection.Strongconvection weather occurred and developed rapidly under the action of the ground convergence lineand topographic uplift.A super monomer with extended life cycle was the main mechanism triggeringthis large-scale hail.Dual polarization radar was capable of distinguishing between hail and otherphase particles since hail was plainly distinct from other phase particles.The quantitative fusionanalysis of multi-source observation data can provide more accurate data information,so as to providemore reference value for the monitoring and early warning of hail weather.Key words multi source observation data;hail;dual polarization radar;wind profile radar;quantitativeproducts85