尋甸縣罕見雙雹災害特征分析
--基于T-LnP圖和X波段雙線偏振雷達

耿 瓊,馮亮亮,李培民

(1.尋甸縣氣象局,云南 尋甸 655200;2.昆明市人工影響天氣中心,云南 昆明 650500;3.昆明藍天氣象信息有限公司,云南 昆明 650034)

0 引言

云貴地區冰雹易發生于春夏季[1-3],年際變化大,且時空分布極不均勻,滇西北等地區小冰雹特征顯著[4],而滇西南則時有超級單體持續降雹發生[5]。一方面北半球極渦、印緬槽、西太副高等大尺度環流間接影響天氣背景[6],另一方面受南支槽、低壓槽、熱低壓等天氣系統直接觸發[7]。除以上因素,復雜下墊面類型與冰雹過程有密切聯系,例如:昆明地區的冰雹災害高發于午后至傍晚時段,且山區、高海拔地區冰雹發生率遠高于低海拔、平壩[1]。特殊大氣層結也是冰雹發生的必要條件,對昆明地區近10年冰雹災害潛勢預報分析指出,冰雹災害主要發生在“上冷下暖”“上干下濕”的大氣層結,中低層溫差常介于13～16 ℃之間[8]。多普勒天氣雷達作為探測強對流天氣有利手段,其回波強度代表了冰雹云發展情況,以云南滇中地區為代表的冰雹強對流發展較旺盛,其強度一般都在 45 dBz 以上,最強可超過59 dBz[9]。

基于雙線偏振多普勒天氣雷達能夠精細化分析強對流天氣過程,關注雙線偏振參量可反演出云中微物理過程,結合探空資料即可做到臨近預報,尤其是在冰雹、大風等強對流天氣過程中有較為精準的應用[10-12]。差分反射率因子(Differential Reflectivity,簡稱ZDR)與被探測物的尺寸和軸比有關,該參數對粒子總數的敏感性差,搭配水平反射率因子可用于判別降水相態。受冰雹下落過程翻滾影響,實際降雹過程中ZDR值趨近于0或為負值,且下落過程中融化水膜可極大改變ZDR[13]。差分傳播相位移率(Specific Differential Phase Shift,簡稱KDP)是單位距離上水平與垂直方向上的偏振回波相位差,該指數受雷達波束充塞系數影響較弱,且不受降水粒子衰減影響,在強降水觀測中有著廣泛應用,常用于定量降水估測及衰減訂正[14]。大尺寸冰雹下落過程中表現為翻滾、外殼融化、密度低的特點,對此KDP響應較差[15]。零滯后相關系數(Zero Lag Correlation Coefficient,簡稱CC)表征水平與垂直偏振回波信號的密切程度,受水凝物尺寸影響,該值對雨強區分較弱,但對冰雹形成敏感,可降至0.9以下[16-17]。

尋甸回族彝族自治縣(以下簡稱尋甸縣)位于昆明東北部,全縣下轄9鎮、4鄉及3個街道辦事處,縣內地勢呈西北高、東南低的階梯狀分布,適宜地理和氣候特征使得該區成為昆明市最大的煙草種植區,年收購量多年保持2×104t(40萬擔)左右,種植出的優質煙葉原料以清、甜、潤等為特色[18]。 2023年8月10日到11日,尋甸縣雞街鎮、功山鎮綱紀村、塘子街道、羊街鎮等地出現罕見雙雹災過程,造成了當地煙草種植區嚴重損失。這兩次冰雹過程均在夜間發生,存在突發性強,間隔時間短,持續時間長的典型特征。但當前關于連續雹災研究較少,且主要集中在東南沿海地區[19]。本文從天氣形勢分析出發,結合探空資料研究大氣穩定性,根據x波段雙線偏振雷達實時監測,對兩次夜間冰雹過程的差異性進行初步分析。

1 數據來源

煙葉受損情況來源于中國人壽財產保險股份有限公司昆明市中心支公司尋甸分公司災后統計。本文使用的環流場資料來源于現代化人機交互氣象信息處理和天氣預報制作系統(Meteorology Information Comprehensive Analysis Process System,簡稱MICAPS)第四版客戶端平臺。該系統作為實時氣象預報業務系統,包含了完整的數據采集與處理,能夠滿足海量氣象數據的快速應用[20]。選取2023年8月10日、8月11日上午8時發布的 500 hPa、700 hPa環流場,早8時及晚20時的T-lnP圖。

本文使用的雷達資料取自尋甸縣河口鎮水冒天村附近的x波段全固態雙線偏振多普勒天氣雷達,該雷達由成都遠望探測技術有限公司生產,型號YW-x1-B,采用雙發雙收模式,探測的偏振參量包括ZDR、KDP、CC等。其中發射與接收頻率均為9 300～9 500 MHz,探測距離在50 km以上(預警≥100 km、定量≥50 km),方位掃描范圍0～360°,俯仰掃描范圍-2～92°,距離分辨率≤75 m,參數測量范圍與參數測量精度如表1所示。分析涉及的物理量包括:組合反射率(Composite Reflectivity,簡稱CR)、垂直積分液態水含量(Vertical Integrated Liquid Water Content,簡稱VIL)、ZDR、φDP、KDP、CC。使用的其他資料包括FY4A一級產品紅外云圖,波段12微米,歐洲中期天氣預報中心發布的降水預報等。

表1 尋甸水冒天x波段全固態雙線偏振多普勒天氣雷達部分性能指標

表2 8月10日落雹點附近x波段雙線偏振雷達物理量(VIL單位:kg·m-2;ZDR單位:dB;強中心回波及高度單位:dBz·km-1;KDP單位:deg·km-1)

表3 8月11日尋甸縣x波段雙線偏振雷達物理量(VIL單位:kg·m-2;ZDR單位:dB;強中心單位:dBz·km-1,KDP單位:deg·km-1)

2 災情實況

2023年8月10日16時40分倘甸鎮降雹,雹粒如黃豆大小;夜間23時20分至40分功山鎮出現冰雹,雹粒如玉米粒大小,受災面積較大。8月11日19時50分至20時20分塘子街道、羊街鎮清水溝村降雹,雹粒在1 cm以上。根據中國人壽財產保險股份有限公司昆明市中心支公司尋甸分公司災后統計,此次強天氣過程是造成尋甸縣2023年煙葉生產經濟受損最嚴重的災害,共造成全縣煙草種植受災約625.7 hm2。 其中“8.10”災損約345.2 hm2(雹災184.2 hm2,洪澇85.1 hm2,風災75.9 hm2);“8.11”災損約280.6 hm2(雹災221.4 hm2,洪澇3.9 hm2,風災55.2 hm2)。

3 特征分析

3.1 8月10日環流及大氣層結特征

8月10日08時,500 hPa等壓面上中高緯呈三槽兩脊,四川省東北部有閉合高壓中心,宜賓市到普洱市存在風切變。同期臺風“卡努”減弱西行其偏東氣流影響長江中下游地區,(圖1a);云南全省處于東西側兩高輻合區域,700 hPa上華南地區暖氣團明顯,伴隨有明顯氣旋性風切變,有利于太平洋偏東水汽向西輸送。西昌(廣西)存在高(低)壓中心,宜賓-昆明-普洱有切變向東南方向發展,尋甸縣恰處于此切變輻合區中,由切變引起的氣旋性輻合抬升加劇局地熱對流過程(圖1b)。

(a)

當存在利于降雹的大尺度環流和中小尺度系統時,探空資料的位溫及穩定度參量可用于冰雹預報[21]。上午8時探空圖顯示零度層位于5.7 km,-20 ℃高度9.1 km;500 hPa以下風向順轉有暖平流,以上風向逆轉有冷平流,下暖上冷的層結可造成對流不穩定(圖2a)。此時沙氏指數(SI)-0.42 ℃顯示中低層大氣層結不穩定,有發生陣雨的可能性,濕對流有效位能(CAPE)1 257 J·kg-1顯示大氣中潛在能量較大有利于較強的上升運動,對流抑制能量(CIN)為3.5J·kg-1和下沉對流有效位能(DCAPE)為0.1J·kg-1,表明對流易觸發且能量在積累過程中并以上升運動為主。16時倘甸鎮降雹(雨)消耗一定的氣團能量,20時探空顯示SI轉正為3.2 ℃發生雷暴的可能性較小,CAPE減小至134 J·kg-1,CIN增大至34.0 J·kg-1,同時受白天地面加熱影響,零度層上升至6.0 km,-20 ℃高度9.5 km(圖2b)。

(a)

濕層變化表現為早8時中低層600 hPa以下為高濕度區,至晚20時,濕度≥80%的區域發展至整個對流層中上部,這是由于低層濕空氣受地面加熱及中低層切變線輻合作用抬升,為夜間天氣過程發展提供了充分條件。

3.2 8月11日環流及大氣層結特征

與前一日環流形勢一致,8月11日08時500 hPa上中國南方大部呈兩高輻合狀態,云南以東大部區域處于暖低壓控制,同時宜賓市到普洱市風切變略微西移(圖1c)。云圖顯示成都-西昌-大理有一低槽云系。四川至云南省存在分散性大雨區,負變壓區控制云南全省。受輻合區暖低壓影響,偏東氣流影響至昆明本地,這在低層形成了700 hPa南北向切變線,為局地對流發展提供充足條件(圖1d)。

8月11日上午8時零度層5.5 km,-20 ℃高度9.1 km,考慮夜間地面降溫氣層收縮,前一日降水使得低層不穩定能量釋放,有利于維持層結穩定,水汽蒸發使得中上層呈高濕特征。600 hPa上有明顯風向切變,此時SI為1.79 ℃,CAPE為30.8 J·kg-1,CIN為167.5 J·kg-1,DCAPE為84.5 J·kg-1(圖2c)。受白天地面熱力作用和低層切變線影響,至20時CAPE達到3158.0 J·kg-1,中高層有明顯干區,CIN為27.0 J·kg-1和DCAPE為377.9 J·kg-1(圖2d),預示著強天氣過程及地面大風災害發生的可能性較高。

綜合分析,兩次強對流天氣過程是在兩高輻合的天氣背景下形成,且二者均收到臺風“卡努”外圍氣流影響,而兩高輻合區中的低壓發展增強是造成低層切變線維持的重要原因,為整個天氣過程提供了充足水汽和不穩定條件,此為滇中地區夏季典型冰雹天氣背景特征[22];具體來說切變線造成的風場輻合是天氣發生的動力條件;下墊面熱力條件使得大氣能量累積,可誘發夜間雷暴發展。但二者大氣層結演變差異較大,其中“8·10”過程大氣能量經歷了由高至低的衰減,但濕層抬升明顯、可延申至對流層頂。 “8·11”濕對流有效位能經歷了由低到高的發展,然而濕層發展較低。結合災損記錄,前者受災類型多元(風雹及洪澇),后者為雹災明顯更強。一方面高低空切變線維持和地面輻射效應進一步加劇了氣層不穩定特征,因此8月11日早晚零度層和-20℃層明顯偏低于前一日,氣團易達到自由對流高度,濕對流有效位能得到充分積累,CAPE增加。

3.3 “8.10”雹災雙偏振參量演變

雷達CR顯示14時開始有零星云團自東北方向生成發展,至19時曲靖市沾益區、馬龍區有帶狀回波生成并西移入境,對流加強發生在夜間23時,此時有一對流單體自會澤縣西移入功山鎮東北的雙龍村(圖3a),其強回波中心達到47.5 dBz,高6.08 km,對流云在移動中發展加強,呈典型單單體風暴特征。隨著低層氣流不斷吸入,風暴頂高逐漸升高,至22時54分整個結構出現前側入流缺口(Front Inflow,簡稱FIN)特點。降雹時間點在23時19分,較強的回波造成“三體散射回波”(Three Body Scatter Spike,簡稱TBSS)及旁瓣(Sidelobe Echo,簡稱SE)(圖3d),對流旺盛區域回波強度超過50 dBz,對流云繼續發展,受云體發展衰減作用,強中心后側形成“V”型缺口(圖3e),云體從初生至成熟階段發展約30分鐘,系統提前預測了落雹區和移動路徑。

(a)

降雹前,功山鎮東部強中心維持在45 dBz,高4.38 km。伴隨對流云發展,云中上升氣流增強,云頂升高,液態水含量增加到5.0 kg·m-2,CC值最低可達0.92,云中粒子一致性較高,此時冰雹報警持續觸發(22時05分),降雹概率大。多普勒徑向速度場顯示,降雹前環境場為反氣旋特征,但在負風區中存在正值(圖4a),預示著對流云發展。至22時54分形成了南正北負的輻合特征,隨著中層氣流持續上升,對流云頂伸高,中氣旋和中反氣旋特征明顯,同時形成入流缺口(圖4c)。 降雹時刻,“逆風區”(零速度線包裹整個負風區)明顯增多(圖4d)。此時 強中心CR和高度分別增至50 dBz及6.99 km,45 dBz回波區域發展至-20 ℃附近,表明云體進一步發展至零度層以上,貝吉龍過程造成過冷水消耗冰晶生長,云中粒子不均一性增加,CC極大值下降至0.85,伴隨大尺寸冰晶碰并破碎、繁生

(a)

進一步使得冰晶粒子增多,這在雙偏振參量上表現為KDP由0增加至0.15～0.35 km-1附近。以上分析顯示整個冰雹過程持續近半小時,中γ系統演變出現強雷暴特征。其中23時30分云體CR達到最強,整個云高發展至8.43 km,55 dBz和45 dBz強中心高至6.01及7.06 km。CC演變顯示降雹時刻可減小至0.9以下,而側向旁瓣區域CC下降更明顯(圖5e)。

(a)

(a)

零度層上過冷水含量增加是冰晶粒子增多的直接原因,較大冰晶在上升氣流中不斷“翻滾”成長為霰,當該過程維持時間較長,就形成了冰雹。降雹時(23時19分)強中心維持在50 dBz且高度開始下降至5.36 km,冰雹云內垂直運動加強,45 dBz以上的強CR區增至7.5 km,VIL也由15 kg·m-2躍增至20 kg·m-2,對應CC范圍在0.00～0.85,表明雹粒較小且密集度高,此時距離觸發首次冰雹報警近1小時。

綜合以上分析,此次降雹過程持續時間長,風暴云在發展過程中表現為中(反)氣旋、旁瓣衰減、“V”型缺口、前側入流等超級單體特點。 x波段雙線偏振雷達提前1小時觸發冰雹預警。降雹前VIL出現兩次顯著躍增過程,增量達到5 kg·m-2,同時強回波中心明顯上升。降雹時,伴隨有強回波區的上升過程,受雹粒下降拖曳作用,最大回波中心下降;且在CR最大時,落雹點附近同時伴隨有風場輻合、及氣旋性環流特征,二者的共同作用是動力維持垂直運動的重要原因。結合CC和KDP可分析冰晶繁生及雹粒增長過程,落雹時落雹點附近CC降低,旁瓣Cc減弱更強。此外,本次過程中ZDR變化較弱,維持在6 dB,僅在旁瓣區域表現為增大特點。這可能是由于冰雹外覆融化成水膜使得介電常數增加,且下降翻滾中雹粒形狀近似球形造成的。

3.4 “8·11”雹災雙偏振參量演變

8月11日下午18時39分在曲靖市馬龍區生成一對流云團發展旺盛,CR最大值在6.54 km,強度達52.0 dBz,而45.0 dBz回波高度可達7.12 km,云頂在10.20 km。

降雹前,VIL維持在15.0 kg·m-2,ZDR顯示為4.0 dB,強回波中心KDP較低在-0.15至0.35 deg·km-1范圍內,CC最大值為0.85(圖7),以上分析表明云內液態水含量較高,對流旺盛,云體發展迅速,有冰晶粒子不斷增長、繁生。至19時46分強中心緩慢移入尋甸縣七星鎮、塘子街道,此時強中心維持在50.0 dBz高6.01 km,45.0 dBz高7.58 km。降雹時,VIL維持15.0 kg·m-2,ZDR從4增大至6dB。KDP迅速增大至7.0 deg·km-1,同時云體繼續對流發展,50 dBz和45 dBz強中心進一步升高,CC下降,以上過程表明落雹時強雷暴單體仍處于積云階段,此時云內粒子直徑較小且密度大,受上升氣流影響,有發展為雨夾雹的可能。

(a)

整個冰雹過程持續至20時20分,此次系統未能及時預警,從整個過程來看,VIL在持續衰減,每次變化5 kg·m-2,同時KDP在落雹時顯著增大且持續時間較長,表現為典型的暴雨特征;相較于以上雙偏振參量,CC能夠較為準確反應整個冰雹過程的發展。

綜合以上分析,此次冰雹預警時效滯后,盡管降雹前VIL維持較高水平,降雹后14分鐘自動提示報警。降雹前CC呈明顯下降特點且維持時間較長。相較于上一日,本次的ZDR與KDP變化明顯,降雹前ZDR明顯增大,KDP極大值由0.35躍增至7.0 deg·km-1,對冰雹伴隨大風過程有較好預警,災后統計表明塘子街道局地風災受損煙葉明顯偏多(18.2 hm2)。有研究指出,KDP核可用于指示融化和降水等導致的負浮力增加,可用于下擊暴流的發展監測[23],與本次冰雹過程分析基本一致。

4 結論與討論

本文基于MICAPS環流場及T-LnP圖,結合x波段雙線偏振雷達參量,從天氣背景、層結穩定性及雷達參量方面初步分析了尋甸縣境內8月10日、8月11日的夜間雙雹災過程,并對造成強天氣過程的動力和熱力條件、雙偏振參量演變情況做了探討,現得出以下結論:

(1)天氣背景顯示兩日均受兩高輻合影響,且臺風外圍偏東氣流可影響至輻合區內,有利于低壓發展;低層風場顯示“8·10”過程受東北-西南向切變控制,“8·11”過程受上游風切變及東側暖低壓誘發的南-北向切變線雙重作用。 探空顯示前“8·10”(“8·11”)過程CAPE隨時間減小(增大),雹災時DCAPE較小(大),早和晚濕層變動差異較大(小),災損顯示前者雹災、風災、洪災明顯,后者則以雹災和風災為主。

(2)雷達回波顯示“8·10”過程呈超級單體特征,整個過程持續約30 min,存在V形缺口、旁瓣、三體散射、前側入流、中(反)氣旋等特征。正式下雹是在雷暴單體成熟階段,此時垂直積分液態水含量完成兩次躍增過程,45 dBz回波中心不斷上升,組合反射率極大值區呈下降特征,整個過程中云高可發展至7.5 km,強回波中心達50 dBz。差分反射率對本次冰雹過程敏感度較弱,僅在旁瓣區域表現為增大特征,零滯后相關系數能夠準確反應出落雹時刻,且在降雹結束后恢復為1.0;預警方面,系統提前一小時成功預測落雹點及冰雹路徑。

(3)“8·11”雹災持續時間相對較短。正式下雹是在對流風暴發展的積云階段,此時垂直積分液態水含量保持在15 kg·m-2,45 dBz回波中心和組合反射率極大值區均不斷上升,強烈垂直運動使冰雹增長速度增快、雹粒生長變大,零滯后相關系數能夠較好反映出落雹前后降水粒子相態演變,差分相位移率維持在較高值預示落雹或伴隨有下擊暴流或陣風鋒;預警方面,系統報警滯后10分鐘。

本文從大氣穩定性和雙偏振參量變化規律切入,以期找到造成連續雹災過程的特殊層結特征和冰雹云演變規律。大氣層結演變表明兩次過程均伴隨濕層抬升和氣團能量增減,根據災后統計情況,“8·10”濕層可達到對流層高層,盡管CAPE較小,但觸發形成強對流天氣過程后可伴隨有洪災;經前一日水汽消耗,“8·11”過程濕層較低且維持在中層,但較高的CAPE和DCAPE則會造成風雹型復合災害,從災后統計也能反映出致災差異性,在做潛勢預測時應注意氣層變化高度差異。雙偏振參量應用上,兩次過程的零滯后相關系數均存在明顯變化,其共同點表現為在降雹時降至最低。業務上從組合反射率和經向速度特征,可大致判斷出冰雹云生命史,再結合雙偏振結果可做到準確預判,同時也要注意x波段雷達衰減較大,造成三體散射、旁瓣等虛假回波更明顯。本次雹災過程差分反射率和差分相移率響應較差,在后續個例分析中應注意差分反射率柱、差分相移率核等的變化情況,驗證二者在本地冰雹落區預報和風區預報的適用性。