内蒙古东北部一次雹暴天气的雷达和闪电特征分析_高宇.pdf

收稿日期:2 0 2 2-0 8-0 3作者简介:高宇(1 9 8 9),女,工程师,本科,就职于兴安盟气象局,主要从事中短期天气预报工作。内蒙古东北部一次雹暴天气的雷达和闪电特征分析高 宇(兴安盟气象局,内蒙古 乌兰浩特 1 3 7 4 0 0)摘 要:利用多普勒天气雷达资料、A D T D闪电定位仪资料以及 N C E P/N C A R 再分析资料,对2 0 2 0年6月2 0日午后内蒙古东北部一次以冰雹为主的强对流天气的环境条件、冰雹单体的雷达回波演变和闪电特征进行了综合分析。结果表明:6月2 0日强对流天气主要发生在冷槽东移和地面暖倒槽强烈发展的环流形势下,倒槽锋生过程中地面辐合线的长时间维持促使对流风暴生成加强东移,造成下游大范围冰雹灾害。本次强对流天气是多个风暴单体共同作用的结果,多单体相互作用过程中移动缓慢,叠加效应使同一地区经历多次冰雹天气,损失严重。强对流天气过程降雹区出现高强度的正地闪,闪电的空间分布与雷达回波一致,降雹期间正闪频次跃增,降雹后正闪频次跃减。关键词:多单体雹暴;正地闪;倒槽锋生;内蒙古 中图分类号:P 4 5 8.1+2 1.2(2 2 6)文献标识码:A 文章编号:1 0 0 76 9 2 1(2 0 2 3)0 20 0 8 60 5 兴安盟地处内蒙古自治区东北部,大兴安岭中段,复杂的地形和地貌使得兴安盟成为内蒙古地区强对流天气的多发区之一,平均年雷电日数超过1 0 0 d。由于冰雹、短时强降水、雷雨大风等强对流性天气持续时间短、局地性强的特点,给国民经济和人民生命财产安全造成严重的损失。近年来,随着强对流天气专项研究的增多,我国强对流天气的分析预报能力大大提升。高晓梅等通过对2 0 1 6年6月1 4日出现在山东的一次强对流天气的环境条件、风暴雷达特征的分析,得出当对流风暴的回波底增高,反射率因子和垂直液态水含量最大的时段,山东易出现大冰雹,而且中气旋厚度、最大切变和持续时间与天气的强烈程度相关性较大1;苟阿宁等通过对湖北省一次强雹暴过程中不同雹暴单体的闪电和雷达回波特征的分析,指出降雹均发生在风暴的成熟阶段,小冰雹发生时地闪频次下降幅度较小,大冰雹发生时地闪频次下降幅度较大,且正地闪比例明显增大2。郭润霞等利用V L F/L F三维闪电监测定位资料,结合雷达观测等资料对北京地区一次典型大雹天气过程的全闪活动特征进行了分析,指出降雹发生前,闪电活动主要分布在对流系统的后部,闪电数较少,且以负地闪活动为主;降雹期间,闪电频数显著增加,云闪及正地闪活动明显加强;降雹结束之后,闪电频数明显减少3。从诸多学者的研究发现,目前对于强对流天气的监测主要以雷达和闪电定位系统为主,且取得了很多有意义的研究成果。对于内蒙古东北部的兴安盟地区而言,由于境内没有多普勒天气雷达,受周边多普勒天气雷达观测范围、遮挡等的影响,依靠雷达很难发现发生在兴安盟西北部的强对流风暴,因此研究不同类型强对流天气过程中的闪电活动特征十分有意义。为此,笔者对2 0 2 0年6月2 0日发生在兴安盟的以冰雹为典型特征的强对流天气过程进行分析,利用A D T D闪电定位仪资料、多普勒天气雷达资料和N C E P/N C A R(1 1)再分析资料等,分析降雹过程中的雷达回波和闪电特征,以期为提高强对流天气的预警水平提供科学参考和技术支撑。1 资料来源兴安盟境内共有3个A D T D闪电定位监测仪,监测范围覆盖整个兴安盟,闪电定位仪通过测量闪电回击辐射的电磁场来确定闪源的位置和电流强度。为了更好地研究对流风暴各个阶段的特征,本文所用的闪电资料范围为4 4 N4 8.5 N,1 1 9 E682 0 2 3年1月内 蒙 古 科 技 与 经 济J a n u a r y 2 0 2 3第2期 总第5 1 6期I n n e r M o n g o l i a S c i e n c e T e c h n o l o g y&E c o n o m yN o.2 T o t a l N o.5 1 61 2 4 E。多普勒雷达资料为兴安盟周边C波段多普勒雷达资料,白城雷达有效探测半径为1 5 0 k m,霍林郭勒雷达有效探测半径为2 0 0 k m。冰雹记录来自灾情资料和观测站的人工记录,由于部分地区没有具体的降雹时间,结合雷达回波特征选取雷达识别到6 0 d B Z强回波出现和消失的时间为降雹起止时间。2 强对流天气及灾情实况2 0 2 0年6月2 0日(简称“6.2 0”过程)1 7:0 02 0:0 0,受高空短波槽影响,兴安盟科右前旗、乌兰浩特市、扎赉特旗出现大范围强对流天气,3个旗县共1 2个乡镇遭受风雹灾害,最大冰雹直径4 c m,持续时间1 5 m i n以上,瞬时极大风速 2 2.2 m/s(1 0级)。科右前旗东部、乌兰浩特市出现短时强降水,最大雨强出现在科尔沁镇为6 0.2 mm/h,见图1(a),降雹呈现“雹打一条线”特征,主要降雹带位于兴安盟中部,另一条降雹带位于兴安盟东北部。闪电发生区域与强天气落区相对应,见图1(b),闪电中正地闪比例非常高。上述地区农作物、牲畜、房屋等受到不同程度的损失。据兴安盟应急管理局统计,3个旗县市1 2个乡镇受灾人口接近6万人,农作物受灾面积约3 1 4 6 7 h a,房屋倒塌1 7 7间,损失林果、林木3 5 6 9 8棵,直接经济损失达2.6 1亿元。因此,笔者以冰雹单体的雷达回波演变特征和闪电特征为切入点,旨在为冰雹天气预警提供科学参考。(a)6 h降水量(mm)和强天气落区 (b)闪电实况图1 2 0 2 0年6月2 0日1 4:0 02 0:0 0强天气和闪电分析(注:“+”代表正地闪;“-”代表负地闪)3 天气形势及环境场条件2 0 2 0年6月2 0日0 8:0 0-2 0:0 0,5 0 0 h P a中高纬冷涡盘踞,见图2,与-2 0冷中心配合,冷涡中心缓慢东移。冷涡底部1 1 5 E1 2 0 E范围内有短波槽引导冷空气东移(-1 2冷温槽),6月2 0日白天正好从兴安盟中北部地区划过。7 0 0 h P a形势与5 0 0 h P a相似,冷中心强度-2,冷涡底部4 6 N附近(兴安盟中部)存在1 0暖中心,2 0日午后随着冷空气的入侵,暖中心逐渐被冷温槽取代,兴安盟中北部在8等温线控制范围内。8 5 0 h P a无明显低涡中心,低压走向呈东北西南向的狭长带状,涡后切变线从内蒙古东北部向西南延伸至蒙古国与内蒙古交界处,配合切变线有暖温度脊向兴安盟中北部伸展。地面图上,内蒙古中部到东北地区为狭长的倒槽控制区,倒槽顶部南侧为明显的暖平流,倒槽加深,午后冷空气侵入倒槽,促使倒槽锋生加深为气旋,在倒槽发展为气旋的过程中,倒槽顶部形成明显的辐合线,见图3。午后冷空气东移叠加于低层暖空气之上,倒槽发展促使地面辐合抬升作用增强,在辐合线的触发下,强对流天气发生发展。图2 2 0 2 0年6月2 0日1 4:0 0 5 0 0 h P a高度场、8 5 0 h P a温度场和风场78高宇 内蒙古东北部一次雹暴天气的雷达和闪电特征分析2 0 2 3年第2期图3 2 0 2 0年6月2 0日2 0:0 0海平面气压场、1 0 m风场和2 m温度场4 雷达回波特征本次雹暴天气影响较重的地区位于兴安盟中部索伦到乌兰浩特一线,尤其乌兰浩特周边乡镇冰雹直径大,损失严重,因此本文重点分析了这一区域风暴单体的雷达回波特征。4.1 组合反射率因子特征2 0 2 0年6月2 0日1 4时左右,风暴单体生成于兴安盟与呼伦贝尔市交界处,初生时回波呈块状,边缘清晰,并快速发展成较强单体,1 4:4 5回波中心强度达到5 0.5 d B Z(图4为冰雹过程主要时段C R演变图),1 5:3 0风暴单体已经完全移入兴安盟境内,回波强度达到5 6 d B Z,在初始风暴单体移动的过程中,在其西北和西南方向又有孤立的新生风暴单体生成,与初始风暴单体相比强度和范围较弱,中心值在4 5 d B Z左右。1 5:3 01 7:0 0期间,三个风暴单体以孤立个体形式在高空引导气流的作用下不断向东南方向移动,在移动过程中,初始风暴单体中心强度始终维持在5 5 d B Z以上,西北和西南方向的两个风暴单体强度先减弱后又增强,1 7:0 2三个单体的中心强度都在5 6 d B Z以上。根据索伦地面观测站的记录数据,索伦镇1 7:0 5第一次出现冰雹,持续时间1 8 m i n,由分析可知,此阶段的冰雹是由西南方向的风暴单体(图4 d中黑色圆圈,以下简称“单体”)产生的。1 7:3 0初始风暴单体和其西北部的风暴单体逐渐减弱。与此同时,在兴安盟西北部和单体正南2 0 k m位置不断有新生单体生成,并快速发展成中心强度超过5 0 d B Z的强回波。两个 方 向 的 多 个 单 体 移 动 方 向 近 乎 垂 直。1 8:0 0之后,多个风暴单体逐渐弥合成片,但5 0 d B Z以上强中心的边界仍较清晰。1 8:5 0多个风暴单体连接成线,正好沿大石寨到乌兰浩特一带排列,根据乌兰浩特地面观测站的记录数据,乌兰浩特市区出现冰雹的时间为1 9:1 6,持续了1 3 m i n,由分析可知,此阶段的冰雹也是由单体产生的。从组合反射率因子特征分析可知,大石寨到乌兰浩特一线冰雹主要发生时段在1 8:0 01 9:3 0,由于沿线上有多个风暴单体不断经过同一区域,叠加效应明显,因此造成大范围严重的冰雹灾害。(a)1 4:4 5 (b)1 5:3 0 (c)1 6:0 0 (d)1 7:0 0 (e)1 7:3 0 (f)1 8:0 4 (g)1 9:0 1 (h)2 0:0 0图4 冰雹过程中C R演变(单位:d B Z)88总第5 1 6期内 蒙 古 科 技 与 经 济4.2 雹暴单体的雷达回波特征本次雹暴天气是多个风暴单体共同作用的结果,从前文的分析可知,风暴单体主要生成在两个位置,一个是兴安盟西北部阿尔山市与科右前旗交界处,另一个是兴安盟中部阿力得尔苏木附近,在这两个区域不断有新生风暴单体生成并向中部地区移动,在中部地区多个单体相互作用,移动缓慢,使得同一地区经历多次冰雹,造成严重损失。本次雹暴天气,风暴单体从初生到最终消散共持续了6 h,而在此段时间中,单体维持时间超过3 h,所到之处几乎都产生严重的冰雹灾害,因此重点分析了单体在本次雹暴天气中的雷达回波特征。图5 霍林郭勒雷达站1 7:5 3雹暴单体反射率因子剖面图6 白城雷达站1 8:4 8雹暴单体反射率因子剖面在2 0 2 0年6月2 0日1 5时左右,单体发源于兴安盟西北部的阿尔山市境内,1 5:3 6回波强度达到5 1 d B Z,回波顶高1 4 k m。此后,在单体东南移动的过程中,回波中心强度始终维持在5 5 d B Z左右,单体的形状和范围变化不大。1 7:2 4在单体移动 到 索 伦 附 近 时,中 心 回 波 强 度 增 强 到6 1.5 d B Z,5 0 d B Z以上强回波中心逐渐向低层伸展,在造成雹灾最严重的地区,几乎都出现了6 0 d B Z以上的强回波中心。选取1 7:5 3霍林郭勒雷达站和1 8:4 8白城雷达站监测到的单体沿移动方向的反射率因子剖面,明显看到悬垂回波结构,回波顶向入流的东南方向伸展,5 5 d B Z强回波中心已经扩展到最低仰角,6 0 d B Z以上强回波伸展到1 0 k m以上,在东移的过程中,6 0 d B Z回波逐渐扩展到2 k m,当天0 8时索伦探空站H-2 0=7.1 k m,6 0 d B Z的回波高度已经远远超过了-2 0等温线的高度,大冰雹的回波特征已经非常明显,见图5、图6。白城雷达站在1 8:4 8监测到旁瓣回波特征(2.4 仰角,距地5 k m)也为判断冰雹提供了有利依据。径向速度图上(图略),在霍林郭勒雷达的监测范围内,由于单体的移动方向与雷达径向近乎垂直,所以径向速度很小,正速度区大于负速度区,1 8:4 8白城雷达站在0.5 和1.4 仰角上在单体入流缺口附近呈现气旋性辐合旋转特性,正速度中心值1 2 m/s,负速度中心值-7.5 m/s,在3 k m以下出现中气旋的低层特征,中高层没有明显的中气旋特征,不能判断此单体为超级单体,但速度特征表明该时段雹暴单体为处于成熟阶段的强单体风暴。5 冰雹过程中的闪电特征天气雷达是探测强对流天气最直接最有效的手段,能够直观地了解强对流天气的发生和发展过程,兴安盟地区的冰雹天气以高空冷槽型居多,冰雹单体生成最多的区域在兴安盟西北部,而周边几部多普勒天气雷达受探测半径和遮挡的限制,往往不能很好地显示冰雹单体的初期特征,A D T D闪电定位资料探测范围广,探测效率高,可以很好地补充雷达探测的不足,以下对冰雹天气中的闪电特征进行分析。图7 2 0 2 0年6月2 0日1 6:0 02 0:0 0逐时闪电分布98高宇 内蒙古东北部一次雹暴天气的雷达和闪电特征分析2 0 2 3年第2期5.1 闪电分布特征2 0 2 0年6月2 0日1 5时开始,兴安盟西北部与呼伦贝尔交界处开始出现闪电,初生闪电均为正闪,1 6时之后随着对流风暴的加强发展,闪电频次增多,闪电活动范围扩大,从逐小时闪电分布可以看出,闪电的活动区域与雷达反射率因子有很好的对应关系(见图7)。1 6:0 01 7:0 0多个孤立的对流风暴单体发展,闪电的分布与对流风暴单体区域一致,通过不同时刻反射率因子(1.5 仰角)与前1 0 m i n闪电分布叠加(图略),发现闪电主要分布在4 0 d B Z以上回波区域内,在风暴单体的初生阶段,闪电主要在风暴单体的中心活动,当风暴单体逐渐成熟后,闪电 分 布 在 沿 单 体 移 动 方 向 对 流 云 的 后 部。1 7:0 01 9:0 0多个风暴单体逐渐弥合成线,闪电也沿着回波带呈线状排列,这一时段仍以正闪为主。1 9:3 0之后,风暴单体强度减弱,逐渐移出兴安盟境内,此阶段风暴单体中开始出现负闪,正闪的分布主要分布在单体移动方向的前部,正闪和负闪分布分散。5.2 闪电频次变化图8 闪电频次随时间变化2 0 2 0年6月2 0日午后强对流天气过程,风暴单体最长生命史3 h,冰雹影响时段1 7:0 02 0:0 0,因此以1 0 m i n间隔来分析强对流主要发生区域内(4 5.8 N4 7 N,1 2 0.5 E1 2 3 E)1 6:3 02 0:3 0闪电频次的变化。1 7:0 01 7:4 0闪电频次经历两次跃增到跃减,第一次与索伦镇记录出现冰雹的时段一致,在降雹期间闪电活动活跃,降雹后闪电迅速减少。第二次与闪电活动区相对应的为从呼伦贝尔移入兴安盟境内的初始风暴单体,1 7:1 8该风暴单体首次出现6 0 d B Z以上的回波,强回波维持了2个体扫,之后单体减弱,到1 7:5 4单体消散,虽然该区域没有冰雹记录,但通过与索伦镇第一次冰雹特征的对比,初始风暴单体在1 7:2 01 7:4 0所经过的区域应该也有冰雹产生。1 7:4 0之后,闪电频次有所增加,变化平稳,1 8:1 01 8:4 0和1 9:0 01 9:4 0闪电频次又经历了2次跃增到跃减,与乌兰浩特市及周边乡镇出现冰雹的时段相一致。通过冰雹出现区域不同时段的闪电频次变化发现在降雹期间或风暴单体强烈发展阶段闪电频次显著增加,在降雹后或风暴单体消散阶段闪电频次迅速减小,在本次降雹过程中正闪比例非常高,只在多单体风暴的消散阶段才出现零星负闪。6 结论与讨论本文利用多普勒雷达资料、A D T D闪电监测资料N C E P/N C A R再分析资料分析了2 0 2 0年6月2 0日午后兴安盟中部的以冰雹为典型特征的强对流天气过程的环境场特征、雷达回波和闪电活动特征,得出以下结论:6月2 0日强对流天气发生在冷槽东移与低层暖湿气流交汇的环流形势下,倒槽锋生使其顶部地面辐合加强,地面辐合线触发了此次强对流天气。降雹是多单体风暴共同作用的结果,其中生成于兴安盟西北部的风暴单体持续时间长,虽然不伴有深厚持久的中气旋,但前侧入流缺口、旁瓣回波等特征仍表明该单体为发展旺盛的强单体风暴。强对流区伴有明显的正地闪,闪电主要分布在4 0 d B Z以上回波所在的区域。风暴成熟阶段闪电主要分布在风暴单体移动方向的后部,在风暴初生和消散阶段位于风暴中心和风暴前部,风暴消散阶段出现零星负地闪。降雹期间正闪频次显著增加,闪电活动强烈,降雹后正闪频次显著减少。笔者对强对流天气中闪电活动与雷达回波的对应性进行了简单的分析,由于本次天气过程中强天气种类复杂,因此对于冰雹天气中闪电活动特征的分析结论不具备代表性,但此个例体现的特征给强对流天气的预报预警提供了新的思路和技术支撑,笔者会在今后的工作中加以完善。参考文献1 高晓梅,孙雪峰,秦瑜蓬,等.山东一次强对流天气的环境条件和对流风暴特征J.干旱气象,2 0 1 8,3 6(3):4 4 7-4 5 5.2 苟阿宁,王晓玲,钟敏,等.湖北省一次强雹暴闪电和雷达回波特征分析J.气象与环境学报,2 0 1 5,3 1(3):7-1 4.3 郭润霞,张文龙.北京一次大雹天气过程的闪电活动特征分析J.气象与环境学报,2 0 1 9,3 5(3):1 0-1 7.09总第5 1 6期内 蒙 古 科 技 与 经 济