冰雹云和雷雨云单体VIL演变特征对比分析

以3D-Barnes方案插值的兰州站新一代天气雷达反射率因子等高平面资料,用垂直累积液态含水量(Vertically Integrated Liquid Water Content,简称:VIL)的理论模式计算单体VIL、用MAX函数逐次提取最大VIL(简称:VILmax),采用统计和分段函数处理技术,对2004—2005年5~8月青藏高原东北侧的32个强对流云单体VILmax的演变特征及其在冰雹云识别中的应用进行了分析。结果表明:(1)强对流云单体VILmax在演变过程中均是先增加,后减少,在时间序列曲线中表现为单峰型特征,其中冰雹云单体VILmax存在"爆发式增长及突然降低"现象,这是区别雷雨云单体的一个重要特征;(2)冰雹云单体首次降雹前4个资料时间间隔内VILmax将出现两次"爆发式增长"现象,第一次爆发式增长时不会降雹,维持1~2个资料时间间隔后第二次出现时开始降雹;同一单体再次降雹前没有第一次"爆发式增长"现象,出现"突然降低"现象时降雹均停止;(3)VILmax变化率(简称:GVIL-max)的"正(负)峰"现象与冰雹云单体VILmax的"爆发式增长及突然降低"现象对应的时间完全吻合,利用GVILmax建立的冰雹云识别流程在实际业务中具有较高的使用价值。     

青藏高原东北侧雹云单体最大垂直累积液态含水量的演变特征及其在降雹定时判断中的应用

以3D-Barnes方案插值的新一代天气雷达反射率因子等高平面资料,用垂直累积液态含水量(Vertically Integrated Liquid Water Content,简称:VIL)的理论模式计算雹云单体在演变过程中的VIL、用MAX函数逐个提取最大VIL(简称;VILmax),采用统计和分段函数处理技术,对2004-2005年5-8月青藏高原东北侧的16个雹云单体的VILmax的演变特征及其与地面降雹的时间关系进行详细分析.结果表明,(1)雹云单体出现降雹时所需的VILmax存在明显的时空差异,但同一雹云单体在演变过程中其VILmax均存在"爆发式增长"和"爆发式降低"现象;(2)雹云单体在首次降雹前4个资料时间间隔(22 min)内其VILmax将出现2次"爆发式增长"现象,出现第1次"爆发式增长"现象时地面不会降雹,维持1-2个资料时间间隔(5-11 min)后出现第2次"爆发式增长"现象时地面开始降雹;同一雹云单体再次降雹时没有第1次"爆发式增长"现象,出现"爆发式降低"现象时地面降雹停止;(3)通过个例总结并定义的雹云单体最大垂直累积液态含水量变化率(简称:GVILmax)的"正(负)峰"现象与VILmax的"爆发式增长(降低)"现象所对应的时间完全吻合,且利用GVILmax "正(负)峰"现象识别雹云单体"爆发式增长(降低)"现象具有明显的指示意义;根据雹云单体GVILmax "正(负)峰"现象与地面降雹的时间关系建立的经验公式计算降雹的时间误差在1个资料时间间隔(5-6 min)内.     

VIL产品在高山雷达中的应用研究

利用2006—2009年丽江市气象台的冰雹观测记录、短时强降水、民政部门提供的冰雹灾情资料和丽江CINRAD/CC雷达观测资料,对垂直累积液态水含量(Vertically Integrated Liquid Water Con-tent,VIL)进行了统计分析。结果表明,当VIL值>5kg·m-2时将会出现强对流天气,当VIL≥21kg·m-2时预示着发生冰雹的可能性极大,是人工防雹作业启动的关键值,冰雹云中的VIL值远远大于带来短时强降水的普通对流云;在降雹前VIL值都有明显的跃增;距离雷达站较近或较远区域的VIL值会被低估,在37kg·m-2以下也会降雹,通常降雹的VIL值大都在37kg·m-2以上。     

冰雹云垂直累积含水量密度与降雹大小的关系研究

垂直累积含水量（Vertically Integrated Water Content,简称：VIWC）包括单位底面积的垂直柱体内固态和液态水质量的总和,是以3D—Barnes方案插值的新一代天气雷达反射率因子等高平面资料,假定固态和液态水滴反射得到的反射率因子都满足由液态水滴引起的经验导出关系,将垂直积分改为离散求和的方式进行计算的。利用VIWC与云体高度之比计算垂直累积含水量密度（Vertically Integrated Water Content Density,简称：VIWCD）,用MAX函数逐个提取冰雹云在降雹时段内的最大VIWCD（简称;VIWCDmax）,采用统计和回归处理技术,对2004—2006年兰州新一代天气雷达监测到的54例冰雹云在降雹时段内VIWCDmax与地面最大降雹直径之间的关系进行了分析。结果表明：最大冰雹直径相同的冰雹云内部雹胚竞食成雹粒的数密度在降雹时段内基本相当,雹粒尺度是影响雷达反射率因子的重要因素,它决定了冰雹云的雷达回波强度和地面降雹的大小;冰雹云VIWCDmax与地面最大降雹直径之间存在函数式（6）的关系;冰雹云倾斜结构和雷达扫描模式是影响（6）式效果的2个重要因素。     

VIL和VIL密度在冰雹云判据中的应用

利用2002—2005年济南CINRAD/SA雷达资料,统计分析了基于网格的对流云的垂直累积液态含水量(VIL)分布特征,同时对VIL密度(VILD)及0℃层以上的VIL值(VILH)也进行了分析,结果表明,冰雹云和非降雹对流云的VIL、VILD和VILH值有明显差异。降雹单体特别是强降雹单体在成熟前期有明显的VIL跃增现象,强降雹单体的VIL跃增量达15.4 kg.m-2。冰雹云的最大VIL、VILD和VILH平均值比非降雹对流云的最大平均值分别高出20 kg.m-2、1.7 g.m-3和16 kg.m-2。不同月份的VIL、VILD、VILH阈值对冰雹特别是大冰雹的识别具有很好的指示意义。基本上是在VIL达到最大值后开始降雹,5~7月3个月降雹单体的降雹时间分别滞后于VIL跃增后的体扫时间约4.8、11.4和12.3 min。     

西宁地区冰雹VIL变化特征

通过对2013—2016年西宁地区冰雹过程中VIL(Vertical Integrated Liquid Water Content)特征分析,得出了VIL对冰雹预警的判别指标和对冰雹路径指示:西宁地区降雹时间多出现在VIL最大值出现后的2~4个体扫,且在VIL值跃增后4~5个体扫时间内;86.4%的降雹区在VIL达到最大值的周围区域4.5~21.0km范围内;冰雹出现时VIL阈值6、7、9月均为23kg·m~(-2),8月为28kg·m~(-2),跃增值6、9月为5kg·m~(-2),7、8月为10kg·m~(-2);经时效检验,VIL指标具有较好的预警提前性;VIL对冰雹路径有很好的指示意义,可以通过VIL的移动速度和方向外推做出降雹时间及落区预警。     

垂直累积液态水含量应用拓展浅析

利用吉林省2003、2004年多普勒雷达资料，对层状云连续性降水和对流云降水整层垂直累积液态水含量(Vertically Integrated Liquid Water，简称VIL)及0℃层上、下层VIL的分布特点进行了分析，指出VIL可应用于人工增雨作业区域的选择、暴雨和强风暴的分析以及降水机制等研究。     

闽北春季冰雹CINRAD雷达产品特征分析

利用建阳新一代天气雷达特征参数资料,结合常规探空资料和实况资料,对近6a(2008~2013)闽北春季(3~6月)地面降雹出现前垂直积分液态含水量(VIL)的演变特征、强中心高度(Ht)、风暴顶高(TOP)和组合反射率强度(CR)临界值进行统计分析发现:降雹前,94%的雹云单体的VIL出现了"跃增"现象,1个体扫时间△VIL≥12kg?m~(-2),且跃增后的VIL≥31kg?m~(-2),VIL跃增时间提前量△T平均为5.7个体扫时间;降雹前6min内总样本的Ht平均值高度陡降了1.4km,所有的小冰雹降雹前VIL都只有一次跃增,降雹前VIL多次跃增的,冰雹直径都较大。     

一次局地性强冰雹天气的环境背景及雷达产品特征分析

利用常规气象观测资料、多普勒雷达资料和FNL再分析资料等,对2020年4月17日发生在贵州省安顺市的一次局地性冰雹天气过程进行分析。结果表明:高原短波槽、中低层切变线、低空急流和地面辐合线是导致此次局地性强冰雹天气的主要影响系统,冰雹出现在850 hPa湿舌的顶端和地面高温中心附近;C波段雷达的反射率因子图上TBSS和前侧入流缺口共同出现,表征了大冰雹的产生,风暴单体具有明显的强回波悬垂和低层弱回波区,且大于50 dBz的强回波伸展高度明显超过-20℃层高度,表明了风暴在垂直方向强烈发展;VIL值在降雹前后有明显的变化,降雹前1～2个体扫VIL有跃增现象,降雹期间VIL≥30 kg·m~(-2),且在出现大冰雹时VIL≥50 kg·m~(-2),而在降雹结束后,VIL值迅速减小。     

一次致雹超级单体结构特征分析

利用常规观测资料、多普勒雷达资料,对发生在徐州地区的一次冰雹天气的环流背景、降雹超级单体结构特征进行了分析。结果表明,此次强对流发生在前倾槽背景下,500 hPa高空槽东移过程中其后部冷空气南下,叠置在低层槽前西南暖湿急流之上,促进了大气层结不稳定发展。产生冰雹的对流风暴具有明显的超级单体结构特征,风暴中伴有旋转强烈的中气旋,持续时间约30 min,且最大切变高度都在0℃层高度以上。进一步分析发现,中气旋旋转速度中心和切变值中心均位于中高层,风暴中的旋转趋于向上发展,旋转强度在中高层有明显的跃升,且冰雹出现前后,位于风暴内中高层的旋转经历了尺度减小、旋转加剧的变化,风暴中的旋转导致风暴呈现出有界弱回波区和强回波悬垂结构特征。此外,尽管此次冰雹过程的垂直累积液态水含量(Vertically Integrated Liquid,下文简称VIL)值较小,但可以看到VIL值在冰雹发生前后有明显的跃增现象,这一现象对判断小冰雹的发生有一定的指示意义。     

多物理参量检验防雹效果的研究

除使用地面冰雹资料（即冰雹动能、质量、降雹强度等）外，还选用了反映雹云变化的雷达回波参量等１０个物理参量，作为作业效果的检验量，检验防雹效果。结果表明：高炮作业后雷达回波顶高、强度及３０ｄｂｚ强回波顶高显著地比作业前小；作业区比未作业区冰雹动能、冰雹质量、冰雹动能通量、质量通量、最大冰雹直径、数密度以及降雹持续时间也有明显减小。     

CINRAD/CC雷达探测冰雹云特征个例分析

利用马鞍山C波段多普勒雷达对2005年6月15日凌晨发生在安徽省江淮地区的冰雹云进行追踪观测,应用探测获得的资料结合大气层结热力结构,分析了产生冰雹云的大气稳定度和对流不稳定能量(CAPE)。雷达回波分析表明,这次冰雹云在平面位置显示(PPI)上具有入流缺口和辉斑回波(TBSS),在垂直剖面上具有强大的回波悬垂和有界弱回波区的回波墙等特征。对气象产品如风暴跟踪信息(STI)、垂直累积液态含水量(VIL)和中气旋的分析,证实了这次降雹的最大直径为50 mm左右。     

西藏冰雹的时空分布特征及危险性区划

冰雹对西藏农牧业的影响仅次于干旱和霜冻,每年因雹灾造成的农业减产,是影响西藏粮食生产稳步发展的重要因素。利用西藏30年有关冰雹资料,对西藏地区的冰雹天气和灾情进行了详尽分析和研究。结果表明:西藏的藏北、藏南各有1个多雹区;各地冰雹具有季节性强、随季节变化迅速、雹日高度集中、以小冰雹(D<0.5cm)为主和降雹持续时间短(<10min)等特点;冰雹造成的危害中部大于东、西部,农区大于牧区。以冰雹的大小和持续时间为主要致灾因子,将西藏高原降雹分为3个灾变等级,并结合冰雹灾情和地表覆被类型,将西藏冰雹的危险性划分为4个等级区域。     

过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其催化效果的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式，对美国对流降水协作试验（CCOPE）期间观测的1981年8月1日雹云进行模拟，讨论在过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其碘化银催化效果。结果表明:(1) 自然云的模拟与观测事实一致，如最大上升气流速度、云顶高度、流场结构以及雹胚组成等。(2) 雹胚以霰为主，霰主要来自冰雪晶与过冷小水滴的碰冻，其次来自雪的积聚转化；霰、冻滴和冰雹在形成后主要靠碰并过冷云水增长。(3)人工催化试验表明，碘化银主要以凝华核（包括凝结－冻结）的作用产生大量的人工冰晶，加速了过冷水向冰晶的转化，过冷云水因而大量减少；催化后霰和冻滴的数浓度增大，对过冷云水的竞争增强，其平均尺度减小导致转化成雹的数量减少；冰雹碰冻过冷云水的增长在催化后也被削弱，导致冰雹总质量进一步减少。此外，催化后降雨量也显著减少。     

2006-2022年黔南州冰雹特征分析

【目的】为了解黔南州的冰雹特征。【方法】利用2006—2022年多普勒天气雷达、常规气象观测资料以及人工影响天气作业站点冰雹观测等资料,采用统计学方法分析了影响黔南州冰雹个例的冰雹直径、降雹持续时间、冰雹日变化、冰雹云移动速度等特征。【结果】黔南州的降雹主要出现在3、4月份,降雹以中冰雹为主,冰雹日变化明显,一天中冰雹主要发生在15时—次日00时,白天17—20时冰雹频发。降雹持续时间短,65%的降雹持续时间在5 min以内。冰雹云单体的移动速度范围为16~102 km·h-1,平均速度50 km·h-1。冰雹云单体的维持时间最短仅为17 min,最长可达290 min,平均122 min。冰雹云移动路径主要以西南路径为主,其次是西北路径和偏西路径。西南路径降雹点主要分布在黔南州中部一线,西北路径降雹点主要分布在黔南州中西部的惠水、长顺,偏西路径的降雹点主要在黔南州中北部。影响黔南的冰雹云源地有境外移入和黔南州境内生成的两类,主要源地在安顺市、黔南州、黔西南州东部和北部、毕节市东部和南部以及贵阳市南部,不同路径的冰雹云源地具有明显的分布差异。【结论】本文研究成果可进一步提高对黔南冰雹特征的认识。     

庆阳2次强对流天气过程的新一代雷达资料对比分析

通过新一代天气雷达观测,利用基本数据产品和物理量产品,分析了庆阳市2005年5月30日强冰雹过程和7月1～2日连续暴雨过程中雷达回波强度、速度、云顶高度、垂直积分液态含水量的特征,并将2次过程的雷达产品特征进行了对比分析。结果表明:冰雹和连续性暴雨回波反射率因子差异大,冰雹回波发展移动快,达50 km/h,中心强度超过50 dBZ;回波移动前沿梯度大,速度图上出现速度模糊,雷达探测出中气旋,云顶高度超过12 km;降雹前VIL出现跃增,中心超过20 kg/m2都有降雹。而连续暴雨强度只有25～35 dBZ,移速慢,零速度线分布有规律,能反映低空急流和冷暖气团移动规律,云顶高度低,仅为5～8 km,降水过程中VIL变化小。     

超级单体风暴中大冰雹增长机制的模拟研究

为调查超级单体中大冰雹的运行增长机制,使用三维冰雹分档对流云模式结合三维粒子运行增长模式,对一例超级单体风暴进行了数值模拟.实测风暴的结构如中气旋、弱回波区、前悬回波等被很好地模拟再现,显示了模式对超级单体具有良好的模拟能力.雹胚在风暴发展阶段由过冷雨滴冻结产生,主要分布在主上升气流区上部,在主上升气流区西北侧中高层也有相当数量的雹胚粒子,冰雹主要分布在主上升气流区东侧.风暴发展阶段产生的雹胚有7％～8％增长到1 cm以上,1％左右增长到2 cm以上,这些大冰雹绝大多数起源于主上升气流区北侧的高层云区,气旋性进入主上升气流区按照简单的上—下形式增长,少数大冰雹起源于主上升气流区西北侧风暴后部中高层,气旋性地沿着主上升气流区的边缘按照下—上—下形式运动增长,表明了超级单体中大冰雹存在两条增长路径.     

下垫面对雹云形成发展的影响

利用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting)对2005年5月31日发生在北京地区的一次强冰雹天气过程进行了数值模拟研究,并与观测的雷达回波、冰雹云移动路径和冰雹落区进行比较,在此基础上探讨了城市和农田两种下垫面对雹云的影响。结果表明,由于"城市热岛"效应的作用,城市下垫面的地面感热通量显著增加,有利于雹云的发展增强和大冰雹的形成,使地面累积降雹量增加,但对雹云移动路径影响不大。农田下垫面具有较大的潜热通量,局地蒸发强,有利于大量小冰雹的形成,云中冰雹含量增加,但降雹强度较弱,地面累积降雹量小。     

青藏高原东部冰雹形成机理的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展和改进的三维冰雹云模式,对青藏高原东部甘肃省玛曲县的一例冰雹云过程进行了模拟研究。结果表明:玛曲冰雹云中冰雹胚胎以霰胚为主;在地面降水中,固态降水占降水总量的46%,而霰占固态降水的65%,霰主要靠撞冻雨水和云水增长;雹云中存在较弱的过冷雨水累积带,累积带的维持时间也很短,累积带中的过冷雨水有利于雹块的增长,但不起主要作用;雹块的增长主要是通过雹撞冻云水,其次是撞冻雨水增长。