寻甸县罕见双雹灾害特征分析
--基于T-LnP图和X波段双线偏振雷达

耿 琼,冯亮亮,李培民

(1.寻甸县气象局,云南 寻甸 655200;2.昆明市人工影响天气中心,云南 昆明 650500;3.昆明蓝天气象信息有限公司,云南 昆明 650034)

0 引言

云贵地区冰雹易发生于春夏季[1-3],年际变化大,且时空分布极不均匀,滇西北等地区小冰雹特征显著[4],而滇西南则时有超级单体持续降雹发生[5]。一方面北半球极涡、印缅槽、西太副高等大尺度环流间接影响天气背景[6],另一方面受南支槽、低压槽、热低压等天气系统直接触发[7]。除以上因素,复杂下垫面类型与冰雹过程有密切联系,例如:昆明地区的冰雹灾害高发于午后至傍晚时段,且山区、高海拔地区冰雹发生率远高于低海拔、平坝[1]。特殊大气层结也是冰雹发生的必要条件,对昆明地区近10年冰雹灾害潜势预报分析指出,冰雹灾害主要发生在“上冷下暖”“上干下湿”的大气层结,中低层温差常介于13～16 ℃之间[8]。多普勒天气雷达作为探测强对流天气有利手段,其回波强度代表了冰雹云发展情况,以云南滇中地区为代表的冰雹强对流发展较旺盛,其强度一般都在 45 dBz 以上,最强可超过59 dBz[9]。

基于双线偏振多普勒天气雷达能够精细化分析强对流天气过程,关注双线偏振参量可反演出云中微物理过程,结合探空资料即可做到临近预报,尤其是在冰雹、大风等强对流天气过程中有较为精准的应用[10-12]。差分反射率因子(Differential Reflectivity,简称ZDR)与被探测物的尺寸和轴比有关,该参数对粒子总数的敏感性差,搭配水平反射率因子可用于判别降水相态。受冰雹下落过程翻滚影响,实际降雹过程中ZDR值趋近于0或为负值,且下落过程中融化水膜可极大改变ZDR[13]。差分传播相位移率(Specific Differential Phase Shift,简称KDP)是单位距离上水平与垂直方向上的偏振回波相位差,该指数受雷达波束充塞系数影响较弱,且不受降水粒子衰减影响,在强降水观测中有着广泛应用,常用于定量降水估测及衰减订正[14]。大尺寸冰雹下落过程中表现为翻滚、外壳融化、密度低的特点,对此KDP响应较差[15]。零滞后相关系数(Zero Lag Correlation Coefficient,简称CC)表征水平与垂直偏振回波信号的密切程度,受水凝物尺寸影响,该值对雨强区分较弱,但对冰雹形成敏感,可降至0.9以下[16-17]。

寻甸回族彝族自治县(以下简称寻甸县)位于昆明东北部,全县下辖9镇、4乡及3个街道办事处,县内地势呈西北高、东南低的阶梯状分布,适宜地理和气候特征使得该区成为昆明市最大的烟草种植区,年收购量多年保持2×104t(40万担)左右,种植出的优质烟叶原料以清、甜、润等为特色[18]。 2023年8月10日到11日,寻甸县鸡街镇、功山镇纲纪村、塘子街道、羊街镇等地出现罕见双雹灾过程,造成了当地烟草种植区严重损失。这两次冰雹过程均在夜间发生,存在突发性强,间隔时间短,持续时间长的典型特征。但当前关于连续雹灾研究较少,且主要集中在东南沿海地区[19]。本文从天气形势分析出发,结合探空资料研究大气稳定性,根据x波段双线偏振雷达实时监测,对两次夜间冰雹过程的差异性进行初步分析。

1 数据来源

烟叶受损情况来源于中国人寿财产保险股份有限公司昆明市中心支公司寻甸分公司灾后统计。本文使用的环流场资料来源于现代化人机交互气象信息处理和天气预报制作系统(Meteorology Information Comprehensive Analysis Process System,简称MICAPS)第四版客户端平台。该系统作为实时气象预报业务系统,包含了完整的数据采集与处理,能够满足海量气象数据的快速应用[20]。选取2023年8月10日、8月11日上午8时发布的 500 hPa、700 hPa环流场,早8时及晚20时的T-lnP图。

本文使用的雷达资料取自寻甸县河口镇水冒天村附近的x波段全固态双线偏振多普勒天气雷达,该雷达由成都远望探测技术有限公司生产,型号YW-x1-B,采用双发双收模式,探测的偏振参量包括ZDR、KDP、CC等。其中发射与接收频率均为9 300～9 500 MHz,探测距离在50 km以上(预警≥100 km、定量≥50 km),方位扫描范围0～360°,俯仰扫描范围-2～92°,距离分辨率≤75 m,参数测量范围与参数测量精度如表1所示。分析涉及的物理量包括:组合反射率(Composite Reflectivity,简称CR)、垂直积分液态水含量(Vertical Integrated Liquid Water Content,简称VIL)、ZDR、φDP、KDP、CC。使用的其他资料包括FY4A一级产品红外云图,波段12微米,欧洲中期天气预报中心发布的降水预报等。

表1 寻甸水冒天x波段全固态双线偏振多普勒天气雷达部分性能指标

表2 8月10日落雹点附近x波段双线偏振雷达物理量(VIL单位:kg·m-2;ZDR单位:dB;强中心回波及高度单位:dBz·km-1;KDP单位:deg·km-1)

表3 8月11日寻甸县x波段双线偏振雷达物理量(VIL单位:kg·m-2;ZDR单位:dB;强中心单位:dBz·km-1,KDP单位:deg·km-1)

2 灾情实况

2023年8月10日16时40分倘甸镇降雹,雹粒如黄豆大小;夜间23时20分至40分功山镇出现冰雹,雹粒如玉米粒大小,受灾面积较大。8月11日19时50分至20时20分塘子街道、羊街镇清水沟村降雹,雹粒在1 cm以上。根据中国人寿财产保险股份有限公司昆明市中心支公司寻甸分公司灾后统计,此次强天气过程是造成寻甸县2023年烟叶生产经济受损最严重的灾害,共造成全县烟草种植受灾约625.7 hm2。 其中“8.10”灾损约345.2 hm2(雹灾184.2 hm2,洪涝85.1 hm2,风灾75.9 hm2);“8.11”灾损约280.6 hm2(雹灾221.4 hm2,洪涝3.9 hm2,风灾55.2 hm2)。

3 特征分析

3.1 8月10日环流及大气层结特征

8月10日08时,500 hPa等压面上中高纬呈三槽两脊,四川省东北部有闭合高压中心,宜宾市到普洱市存在风切变。同期台风“卡努”减弱西行其偏东气流影响长江中下游地区,(图1a);云南全省处于东西侧两高辐合区域,700 hPa上华南地区暖气团明显,伴随有明显气旋性风切变,有利于太平洋偏东水汽向西输送。西昌(广西)存在高(低)压中心,宜宾-昆明-普洱有切变向东南方向发展,寻甸县恰处于此切变辐合区中,由切变引起的气旋性辐合抬升加剧局地热对流过程(图1b)。

(a)

当存在利于降雹的大尺度环流和中小尺度系统时,探空资料的位温及稳定度参量可用于冰雹预报[21]。上午8时探空图显示零度层位于5.7 km,-20 ℃高度9.1 km;500 hPa以下风向顺转有暖平流,以上风向逆转有冷平流,下暖上冷的层结可造成对流不稳定(图2a)。此时沙氏指数(SI)-0.42 ℃显示中低层大气层结不稳定,有发生阵雨的可能性,湿对流有效位能(CAPE)1 257 J·kg-1显示大气中潜在能量较大有利于较强的上升运动,对流抑制能量(CIN)为3.5J·kg-1和下沉对流有效位能(DCAPE)为0.1J·kg-1,表明对流易触发且能量在积累过程中并以上升运动为主。16时倘甸镇降雹(雨)消耗一定的气团能量,20时探空显示SI转正为3.2 ℃发生雷暴的可能性较小,CAPE减小至134 J·kg-1,CIN增大至34.0 J·kg-1,同时受白天地面加热影响,零度层上升至6.0 km,-20 ℃高度9.5 km(图2b)。

(a)

湿层变化表现为早8时中低层600 hPa以下为高湿度区,至晚20时,湿度≥80%的区域发展至整个对流层中上部,这是由于低层湿空气受地面加热及中低层切变线辐合作用抬升,为夜间天气过程发展提供了充分条件。

3.2 8月11日环流及大气层结特征

与前一日环流形势一致,8月11日08时500 hPa上中国南方大部呈两高辐合状态,云南以东大部区域处于暖低压控制,同时宜宾市到普洱市风切变略微西移(图1c)。云图显示成都-西昌-大理有一低槽云系。四川至云南省存在分散性大雨区,负变压区控制云南全省。受辐合区暖低压影响,偏东气流影响至昆明本地,这在低层形成了700 hPa南北向切变线,为局地对流发展提供充足条件(图1d)。

8月11日上午8时零度层5.5 km,-20 ℃高度9.1 km,考虑夜间地面降温气层收缩,前一日降水使得低层不稳定能量释放,有利于维持层结稳定,水汽蒸发使得中上层呈高湿特征。600 hPa上有明显风向切变,此时SI为1.79 ℃,CAPE为30.8 J·kg-1,CIN为167.5 J·kg-1,DCAPE为84.5 J·kg-1(图2c)。受白天地面热力作用和低层切变线影响,至20时CAPE达到3158.0 J·kg-1,中高层有明显干区,CIN为27.0 J·kg-1和DCAPE为377.9 J·kg-1(图2d),预示着强天气过程及地面大风灾害发生的可能性较高。

综合分析,两次强对流天气过程是在两高辐合的天气背景下形成,且二者均收到台风“卡努”外围气流影响,而两高辐合区中的低压发展增强是造成低层切变线维持的重要原因,为整个天气过程提供了充足水汽和不稳定条件,此为滇中地区夏季典型冰雹天气背景特征[22];具体来说切变线造成的风场辐合是天气发生的动力条件;下垫面热力条件使得大气能量累积,可诱发夜间雷暴发展。但二者大气层结演变差异较大,其中“8·10”过程大气能量经历了由高至低的衰减,但湿层抬升明显、可延申至对流层顶。 “8·11”湿对流有效位能经历了由低到高的发展,然而湿层发展较低。结合灾损记录,前者受灾类型多元(风雹及洪涝),后者为雹灾明显更强。一方面高低空切变线维持和地面辐射效应进一步加剧了气层不稳定特征,因此8月11日早晚零度层和-20℃层明显偏低于前一日,气团易达到自由对流高度,湿对流有效位能得到充分积累,CAPE增加。

3.3 “8.10”雹灾双偏振参量演变

雷达CR显示14时开始有零星云团自东北方向生成发展,至19时曲靖市沾益区、马龙区有带状回波生成并西移入境,对流加强发生在夜间23时,此时有一对流单体自会泽县西移入功山镇东北的双龙村(图3a),其强回波中心达到47.5 dBz,高6.08 km,对流云在移动中发展加强,呈典型单单体风暴特征。随着低层气流不断吸入,风暴顶高逐渐升高,至22时54分整个结构出现前侧入流缺口(Front Inflow,简称FIN)特点。降雹时间点在23时19分,较强的回波造成“三体散射回波”(Three Body Scatter Spike,简称TBSS)及旁瓣(Sidelobe Echo,简称SE)(图3d),对流旺盛区域回波强度超过50 dBz,对流云继续发展,受云体发展衰减作用,强中心后侧形成“V”型缺口(图3e),云体从初生至成熟阶段发展约30分钟,系统提前预测了落雹区和移动路径。

(a)

降雹前,功山镇东部强中心维持在45 dBz,高4.38 km。伴随对流云发展,云中上升气流增强,云顶升高,液态水含量增加到5.0 kg·m-2,CC值最低可达0.92,云中粒子一致性较高,此时冰雹报警持续触发(22时05分),降雹概率大。多普勒径向速度场显示,降雹前环境场为反气旋特征,但在负风区中存在正值(图4a),预示着对流云发展。至22时54分形成了南正北负的辐合特征,随着中层气流持续上升,对流云顶伸高,中气旋和中反气旋特征明显,同时形成入流缺口(图4c)。 降雹时刻,“逆风区”(零速度线包裹整个负风区)明显增多(图4d)。此时 强中心CR和高度分别增至50 dBz及6.99 km,45 dBz回波区域发展至-20 ℃附近,表明云体进一步发展至零度层以上,贝吉龙过程造成过冷水消耗冰晶生长,云中粒子不均一性增加,CC极大值下降至0.85,伴随大尺寸冰晶碰并破碎、繁生

(a)

进一步使得冰晶粒子增多,这在双偏振参量上表现为KDP由0增加至0.15～0.35 km-1附近。以上分析显示整个冰雹过程持续近半小时,中γ系统演变出现强雷暴特征。其中23时30分云体CR达到最强,整个云高发展至8.43 km,55 dBz和45 dBz强中心高至6.01及7.06 km。CC演变显示降雹时刻可减小至0.9以下,而侧向旁瓣区域CC下降更明显(图5e)。

(a)

(a)

零度层上过冷水含量增加是冰晶粒子增多的直接原因,较大冰晶在上升气流中不断“翻滚”成长为霰,当该过程维持时间较长,就形成了冰雹。降雹时(23时19分)强中心维持在50 dBz且高度开始下降至5.36 km,冰雹云内垂直运动加强,45 dBz以上的强CR区增至7.5 km,VIL也由15 kg·m-2跃增至20 kg·m-2,对应CC范围在0.00～0.85,表明雹粒较小且密集度高,此时距离触发首次冰雹报警近1小时。

综合以上分析,此次降雹过程持续时间长,风暴云在发展过程中表现为中(反)气旋、旁瓣衰减、“V”型缺口、前侧入流等超级单体特点。 x波段双线偏振雷达提前1小时触发冰雹预警。降雹前VIL出现两次显著跃增过程,增量达到5 kg·m-2,同时强回波中心明显上升。降雹时,伴随有强回波区的上升过程,受雹粒下降拖曳作用,最大回波中心下降;且在CR最大时,落雹点附近同时伴随有风场辐合、及气旋性环流特征,二者的共同作用是动力维持垂直运动的重要原因。结合CC和KDP可分析冰晶繁生及雹粒增长过程,落雹时落雹点附近CC降低,旁瓣Cc减弱更强。此外,本次过程中ZDR变化较弱,维持在6 dB,仅在旁瓣区域表现为增大特点。这可能是由于冰雹外覆融化成水膜使得介电常数增加,且下降翻滚中雹粒形状近似球形造成的。

3.4 “8·11”雹灾双偏振参量演变

8月11日下午18时39分在曲靖市马龙区生成一对流云团发展旺盛,CR最大值在6.54 km,强度达52.0 dBz,而45.0 dBz回波高度可达7.12 km,云顶在10.20 km。

降雹前,VIL维持在15.0 kg·m-2,ZDR显示为4.0 dB,强回波中心KDP较低在-0.15至0.35 deg·km-1范围内,CC最大值为0.85(图7),以上分析表明云内液态水含量较高,对流旺盛,云体发展迅速,有冰晶粒子不断增长、繁生。至19时46分强中心缓慢移入寻甸县七星镇、塘子街道,此时强中心维持在50.0 dBz高6.01 km,45.0 dBz高7.58 km。降雹时,VIL维持15.0 kg·m-2,ZDR从4增大至6dB。KDP迅速增大至7.0 deg·km-1,同时云体继续对流发展,50 dBz和45 dBz强中心进一步升高,CC下降,以上过程表明落雹时强雷暴单体仍处于积云阶段,此时云内粒子直径较小且密度大,受上升气流影响,有发展为雨夹雹的可能。

(a)

整个冰雹过程持续至20时20分,此次系统未能及时预警,从整个过程来看,VIL在持续衰减,每次变化5 kg·m-2,同时KDP在落雹时显著增大且持续时间较长,表现为典型的暴雨特征;相较于以上双偏振参量,CC能够较为准确反应整个冰雹过程的发展。

综合以上分析,此次冰雹预警时效滞后,尽管降雹前VIL维持较高水平,降雹后14分钟自动提示报警。降雹前CC呈明显下降特点且维持时间较长。相较于上一日,本次的ZDR与KDP变化明显,降雹前ZDR明显增大,KDP极大值由0.35跃增至7.0 deg·km-1,对冰雹伴随大风过程有较好预警,灾后统计表明塘子街道局地风灾受损烟叶明显偏多(18.2 hm2)。有研究指出,KDP核可用于指示融化和降水等导致的负浮力增加,可用于下击暴流的发展监测[23],与本次冰雹过程分析基本一致。

4 结论与讨论

本文基于MICAPS环流场及T-LnP图,结合x波段双线偏振雷达参量,从天气背景、层结稳定性及雷达参量方面初步分析了寻甸县境内8月10日、8月11日的夜间双雹灾过程,并对造成强天气过程的动力和热力条件、双偏振参量演变情况做了探讨,现得出以下结论:

(1)天气背景显示两日均受两高辐合影响,且台风外围偏东气流可影响至辐合区内,有利于低压发展;低层风场显示“8·10”过程受东北-西南向切变控制,“8·11”过程受上游风切变及东侧暖低压诱发的南-北向切变线双重作用。 探空显示前“8·10”(“8·11”)过程CAPE随时间减小(增大),雹灾时DCAPE较小(大),早和晚湿层变动差异较大(小),灾损显示前者雹灾、风灾、洪灾明显,后者则以雹灾和风灾为主。

(2)雷达回波显示“8·10”过程呈超级单体特征,整个过程持续约30 min,存在V形缺口、旁瓣、三体散射、前侧入流、中(反)气旋等特征。正式下雹是在雷暴单体成熟阶段,此时垂直积分液态水含量完成两次跃增过程,45 dBz回波中心不断上升,组合反射率极大值区呈下降特征,整个过程中云高可发展至7.5 km,强回波中心达50 dBz。差分反射率对本次冰雹过程敏感度较弱,仅在旁瓣区域表现为增大特征,零滞后相关系数能够准确反应出落雹时刻,且在降雹结束后恢复为1.0;预警方面,系统提前一小时成功预测落雹点及冰雹路径。

(3)“8·11”雹灾持续时间相对较短。正式下雹是在对流风暴发展的积云阶段,此时垂直积分液态水含量保持在15 kg·m-2,45 dBz回波中心和组合反射率极大值区均不断上升,强烈垂直运动使冰雹增长速度增快、雹粒生长变大,零滞后相关系数能够较好反映出落雹前后降水粒子相态演变,差分相位移率维持在较高值预示落雹或伴随有下击暴流或阵风锋;预警方面,系统报警滞后10分钟。

本文从大气稳定性和双偏振参量变化规律切入,以期找到造成连续雹灾过程的特殊层结特征和冰雹云演变规律。大气层结演变表明两次过程均伴随湿层抬升和气团能量增减,根据灾后统计情况,“8·10”湿层可达到对流层高层,尽管CAPE较小,但触发形成强对流天气过程后可伴随有洪灾;经前一日水汽消耗,“8·11”过程湿层较低且维持在中层,但较高的CAPE和DCAPE则会造成风雹型复合灾害,从灾后统计也能反映出致灾差异性,在做潜势预测时应注意气层变化高度差异。双偏振参量应用上,两次过程的零滞后相关系数均存在明显变化,其共同点表现为在降雹时降至最低。业务上从组合反射率和经向速度特征,可大致判断出冰雹云生命史,再结合双偏振结果可做到准确预判,同时也要注意x波段雷达衰减较大,造成三体散射、旁瓣等虚假回波更明显。本次雹灾过程差分反射率和差分相移率响应较差,在后续个例分析中应注意差分反射率柱、差分相移率核等的变化情况,验证二者在本地冰雹落区预报和风区预报的适用性。