
关中北部冰雹天气环境参量及雷达特征预警指标
Nowcasting Indicators of Hail Weather Environmental Parameters and Radar Echo in the North of Guanzhong Region
为了提高当地冰雹预报预警及防御能力,利用地面气象观测资料、探空和双偏振雷达资料,分析2011—2020年关中北部的冰雹个例,总结冰雹天气环境发生的参量预报预警指标和雷达识别特征。结果表明:关中北部冰雹集中发生在5—8月,且6月和7月为高发时段;具有明显日变化特征,主要发生时段为14:00—18:00。暖季降雹的不稳定条件预警指标为K指数≥25.0℃,850 hPa和500 hPa的温差≥25.3℃,沙氏指数≤-1.1℃;能量条件预警指标为对流有效位能≥562 J/kg;水汽条件预警指标为500 hPa温度露点差≥9.0℃;垂直风切变预警指标为0~6 km深层风垂直切变≥7.3 m/s或0~3 km低层风垂直切变≥4.3 m/s;特殊层高度预警指标为0℃层和-20℃层高度分别为3.4~4.0 km和7.2~8.1 km。双偏振雷达识别特征预警指标为回波强度超过53 dBz,回波顶高超过10 km,回波悬垂高度超过1.8 km,且出现三体散射长钉,长钉长度超过5.2 km;速度场上低层有辐合,辐合强度超过10.5 m/s;垂直液态水含量VIL最大值高于15 kg/m2,VIL跃增值≥10 kg/m2,VIL密度≥2.6 g/m3。双偏振雷达的差分反射率因子、差分传播相移因子、零延迟相关系数等偏振参量对冰雹相态的识别也有很好的指示意义。该指标预报准确率较高,但也存在一定的空报。
To improve the local hail forecast and natural disaster prevention, based on data from surface meteorological observation, sounding station and dual polarization radar, hail incidents in the north of Guanzhong region from 2011 to 2020 were analyzed. The nowcasting indicators of hail weather environment parameters and radar identification characteristics were summarized. The results showed that hail mainly occurred from May to August in the north of Guanzhong and mostly in June and July. Hailstorm had obvious diurnal variation characteristics, the main stage was 14:00 to 18:00. The warning indexes of unstable conditions for hail were K index≥ 25.0℃, temperature difference between 850 hPa and 500 hPa≥25.3℃, and Schaefer index≤-1.1℃. The warning index of energy condition was convective effective potential energy≥562 J/kg. The warning index of water vapor condition was temperature dew-point difference ≥9.0℃. The early-warning index of vertical wind shear was deep wind vertical shear in 0-6 km≥7.3 m/s or shallow wind vertical shear in 0-3 km≥4.3 m/s. The height warning indexes of special layer were between 3.4-4.0 km for 0℃ layer and 7.2-8.1 km for -20℃ layer, respectively. The identification characteristics of dual-polarization radar were echo intensity equal to or more than 53 dBz, echo top height was more than 10 km, strong echo overhanging height was more than 1.8 km, and three-body scattering spike with length was more than 5.2 km. There was convergence in the lower layer of the velocity field, and the convergence intensity was more than 10.5 m/s. The maximum VIL was more than 15 kg/m2, the VIL increment was ≥10 kg/m2, and the VIL density was ≥ 2.6 g/m3. Polarization parameters such as differential reflectivity factor, differential propagation phase shift factor and zero delay correlation coefficient also had good indication significance for the recognition of hail. The forecast accuracy of the indicators was high, but there were certain empty predictions.
冰雹 / 探空资料 / 物理量 / 回波特征 / 预警指标 {{custom_keyword}} /
hail / sounding data / physical quantity / echo characteristics / nowcasting indicators {{custom_keyword}} /
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主要介绍了强冰雹天气的有利环境背景条件和强雹暴的多普勒天气雷达识别和预警技术。主要结论如下: (1)有利于强冰雹的环境条件是-10℃和-30℃之间的对流有效位能较大; 0~6 km之间的垂直风切变较大; 0℃层距离地面高度适中。(2)强冰雹的主要的雷达回波特征:高悬的强回波;低层的弱回波区(WER)、中高层的回波悬垂和有界弱回波区(BWER);中气旋。(3)能够有效判断强冰雹发生的3个辅助特征指标:VIL密度,风波顶辐散和S波段三体散射长钉(TBSS),具体如下:①强冰雹发生对应的VIL密度阈值是3. 5 g/m3,如果达到4 g/m3,几乎肯定发生强冰雹;②产生强冰雹的正负速度差值的阈值是38 m /s;③S波段雷达回波中出现TBSS是存在强冰雹的充分非必要条件。
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冰雹的大小、浓度和末速度等特征参量对冰雹云及人工防雹研究至关重要。基于Parsivel激光降水粒子谱仪观测的2013年5月22日陕西渭北一次降雹过程的资料,结合雷达反射率回波和自动站分钟降水量,分析了降雹过程中的雨强、雨量、最大冰雹直径、数浓度、谱分布及冰雹末速度等物理量随时间的演变。结果表明:(1)计算了降雹过程的平均粒子谱分布,并使用M-P分布对雨滴和冰雹分段进行了拟合。直径0.3~4.75 mm的雨滴谱拟合相关系数为0.95,直径5.5~11 mm的冰雹谱拟合相关系数为0.99;(2)冰雹数浓度占总降水粒子数浓度的0.3%,而冰雹对总降水量的贡献为37%;(3)降雹过程中,雨滴和冰雹数浓度同时增加或减小,冰雹分钟数浓度最大为5 m<sup>-3</sup>,雨滴分钟数浓度最大为1 423 m<sup>-3</sup>。(4)国内首次现场观测了冰雹的末速度,使用实测值拟合得到了平均冰雹末速度与冰雹直径的经验公式,经验公式计算的冰雹末速度平均相对误差为2.8%。
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利用中国2005-2009年2 000多个国家级气象观测站雨量资料和2002-2011年部分探空站探空资料, 研究了中国短时强降水、 强冰雹、 雷暴大风以及混合型强对流天气的环境参数特征, 通过环境参数特征的对比分析, 将上述四种强对流天气加以区分, 并对所选取的探空数据和环境参数进行了分类和对比分析, 结果表明: (1)通过T-logp图温湿曲线形态、 500~700 hPa和850~500 hPa温差、 0 ℃、 -20 ℃层和平衡层高度、 地面和1.5 km高度的露点温度、 1.5 km高度温度露点差、 对流有效位能和0~6 km垂直风切变等区分上述四种类型强对流天气的环境背景; (2)纯粹短时强降水天气(包括I、 II型)与强冰雹天气、 雷暴大风天气环境参数的区别比较显著, 前者与后两者相比主要表现在较小的700~500 hPa和850~500 hPa温差, 弱的垂直风切变, 较高的0 ℃层、 -20 ℃层和平衡层高度, 较大的地面和地面以上1.5 km处的露点温度, 其中短时强降水I型(占了纯粹短时强降水的大多数)以其整层较高的相对湿度与其他类型强对流的环境背景差异最为明显; (3)混合型强天气与强冰雹天气、 雷暴大风天气在T-logp图温湿曲线形态、 对流有效位能及0~6 km垂直风切变诸方面特征相似, 表现为对流层中层存在明显干层、 较大的对流有效位能和0~6 km垂直风切变, 但在相对较高的平衡层高度、 较高地面和地面以上1.5 km处露点温度及较小的850~500 hPa温差等方面与纯粹短时强降水更为接近。
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利用甘肃平凉市7 个气象台站1965 ~2011 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。一日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 - 2,强中心平均高度在6 km 左右,45 dBZ 回波高度高于0 ℃层高度2km。
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在综合分析国内外降水粒子相态识别方法的基础上,结合我国双线偏振雷达的应用需求,建立了一套利用双线偏振雷达探测资料识别降水粒子类型的识别模式,并根据美国KOUN雷达观测资料对该模式进行了分析验证,同时检验了模式中的几个偏振参数:差分反射率因子Z<sub>DR</sub>、差传播相移K<sub>DP</sub>、水平偏振和垂直偏振回波功率零滞后互相关系数ρ<sub>HV</sub>(0)对不同降水粒子的识别效果。通过分析认为:利用该识别模式得到的结果基本合理,可以反映降水区域内降水粒子的相态结构,但还需要对资料作进一步的研究。同时在识别各类降水粒子方面,Z<sub>DR</sub>的效果要高于K<sub>DP</sub>和ρ<sub>HV</sub>(0),在缺乏相关资料的情况下可以考虑用Z<sub>H</sub>和Z<sub>DR</sub>配对识别的结果作为真实的结果。
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