海南岛热带孤立对流云系特征_邢峰华.pdf

第 41 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.41 No.3June，2023干旱气象Journal of Arid Meteorology海南岛热带孤立对流云系特征邢峰华1，2，黄彦彬1，李春鸾3，黄菲婷2，李光伟1，敖杰1（1.海南省气象科学研究所，海南 海口 570203；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203；3.海南省海口市气象局，海南 海口 570203）摘要：孤立对流云系是海南岛一种重要的对流云系形态，深入研究其发展演变规律有助于对流云系识别追踪及提升人工影响天气作业效率。基于20152020年海南岛S波段双偏振多普勒天气雷达（CINRAD/SA-D）探测资料，对典型孤立对流云系个例的双偏振特征以及全岛范围内孤立对流云系的发展演变特征开展综合分析，结果表明：海南岛孤立对流云系典型个例（2020年7月26日）在发展阶段出现明显差分反射率（ZDR）柱和差分相移率（KDP）柱，证明云系内部对流运动较强。20152020年39月海南岛共计发生475次孤立对流云系个例，占对流云系个例（4 017次）的11.82%；西南低压槽、变暖高压脊及南下冷锋 3 种天气系统较易触发孤立对流云系。36 月孤立对流云系高发，占比76.84%，明显高于其他月份；3月是孤立对流云系个例发生频次最多的月份，孤立对流云系占对流云系的47.48%。一日之中，14：0017：00孤立对流云系出现频次最多，占总次数（475次）的72.84%。海南岛孤立对流云系在西南及中部山区高发，占比约88.84%；移向以偏东北及偏东南方向为主，主要受偏西风、偏南风影响；移动速度主要集中在620 kmh1，移动距离主要为620 km，超过半数的孤立对流云系移动距离未超过20 km。关键词：孤立对流云系；海南岛；统计特征；双偏振雷达文章编号：1006-7639（2023）03-0442-08 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-03-0442中图分类号：P426.5 文献标志码：A引 言对流云系通常会伴随局地雷暴、大风、冰雹等剧烈的天气现象，给社会造成的潜在危害不可忽视。基于宏微观物理特性可将对流云系细分为簇状对流云系、嵌入式组织化对流云系及孤立对流云系等，目前相关研究主要集中在影响相对较大的嵌入式组织化对流云系和簇状对流云系等方面（Bluestein and Jain，1985；Parker and Johnson，2000），对于孤立对流云系的研究偏少。然而，孤立对流云系作为海南岛内对流云系的一种重要形态，其云系典型特征尚存在较大不确定性，缺乏针对性研究（王春乙等，2014）。对于孤立对流云系，国内外从多角度开展了研究。例如针对美国西部58月的孤立对流云系，分析云内上升气流及垂直结构的演变规律（Rowe et al.，2011；Lombardo and Colle，2010）；还有相关研究重点关注澳大利亚、非洲等地区的孤立对流云系，分析其不同发展阶段的云内水凝物粒子演变特征等（Zhang and Fu，2018；Frey et al，2014；Futyan and Del Genio，2007）。国内针对孤立对流云系的研究则重点分析云系生命史和发生频率等特征（岳治国和牛生杰，2007；朱士超等，2019）。研究对流云系特征的探测设备通常以多普勒天气雷达为主。有研究通过天气雷达探测资料，对安徽地区对流云系进行分类统计，并深入研究其发展演变规律（朱士超等，2017；袁野等，2008）；有研究基于天气雷达资料对冀东及山东等地的强对流云系垂直结构及流场特征等展开研究（王莎邢峰华，黄彦彬，李春鸾，等.海南岛热带孤立对流云系特征 J.干旱气象，2023，41（3）：442-449，XING Fenghua，HUANG Yanbin，LI Chunluan，et al.Characteristics of tropical isolated convective clouds in Hainan IslandJ.Journal of Arid Meteorology，2023，41（3）：442-449，DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-03-0442收稿日期：2021-10-20；改回日期：2023-03-16基金项目：海南省自然科学基金项目（421QN372、420RC754、122QN424）和海南省气象局科研项目（hnqxZC202112）共同资助作者简介：邢峰华（1989），男，工程师，主要从事大气物理及人工影响天气等研究。E-mail：。通信作者：黄彦彬（1967），男，研究员，主要从事大气物理及人工影响天气等研究。E-mail：。第 3 期邢峰华等：海南岛热带孤立对流云系特征等，2019；万明波等，2015），从而提高当地强对流云系短临预报算法准确率。双偏振雷达作为天气雷达的新一代升级产品，在水平和垂直两个方向同时发射偏振波束，借此可以深入了解对流云系的垂直结构等特征（郭飞燕等，2023；赖晨等，2020；林文等，2020）。应用新一代双偏振天气雷达针对对流云系也开展了一系列研究，如有研究系统总结我国闽南地区强对流超级单体的偏振特征（潘佳文等，2020），明显提升其预报预警能力；有研究基于双偏振雷达等资料对山东地区一次台风扰动引起的强对流云系微物理特征进行分析总结，加深对其粒子垂直分布特征的理解（申高航等，2021）。海南岛内降雨量较大但空间分布不均，导致其西部沿海地区的干旱灾害较为严重，深入研究岛内对流云系特点从而高效开展人工增雨有助于缓解当地旱情。海南岛内孤立对流云系因其具有局地性强、生命史较短且不确定性大等特点，在灾害类天气预报预警、人工影响天气等业务中属于较难把握的一种对流云系，深入研究其发展演变规律对海南岛数值模式预报及提升人工增雨作业效率等具有重要意义。本文拟基于 20152020 年海口市 S波段双偏振多普勒天气雷达探测资料，对典型孤立对流云系个例的双偏振特征及海南岛内孤立对流云系的发展演变特征进行综合统计分析，以期为识别、追踪、预报热带对流云系提供一定参考。1资料与方法1.1资 料采用 20152020 年海口市 S 波段双偏振多普勒天气雷达（110.15E，20.00N；海拔 65.0 m；型号CINRAD/SA-D）探测资料（时间分辨率6 min，径向分辨率250 m，方位分辨率0.93），主要探测产品包括雷达反射率因子（ZH）、差分反射率因子（ZDR）、差分相移率（KDP）和相关系数（Correlation Coefficient，CC）等。该雷达为海南省正常运行的业务雷达，功能运行稳定、探测数据完整且质量可靠，能够反映全岛范围内对流云系演变特征。文中附图涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网下载的审图号为 GS（2022）1873号的标准地图制作，底图无修改。文中时间为北京时。1.2方 法对海南岛内的对流云系采用主、客观结合的方式开展识别与统计，具体判定方法：当云系ZH最大值超过 38.0 dBZ 时可判定为一次对流云系个例（Rao et al，2008）。使用该方法可以有效识别对流云系个例（黄钰等，2015；邢峰华等，2020）。从识别出的所有对流云系个例中，主观筛查出自始至终并未与外围其他云系发生合并、连接等过程的孤立对流云系个例（Lombardo and Colle，2010；岳治国和牛生杰，2007；朱士超等，2019）。此外，对于孤立对流云系个例所处的天气系统分类标准参考符晓虹等（2015）相关研究成果进行识别并统计，根据低压槽、高压脊控制海南省的空间位置及性质等因素，将和孤立对流云系关系密切的天气系统主要归纳为华南沿海槽、南海低压槽、西南低压槽、越南低压槽、变暖高压脊和南下冷锋。筛选出孤立对流云系个例后，需进一步查找其生成时刻，首次出现 ZH最大值达 25.0 dBZ 的时刻（并且其ZH可以维持发展加强趋势至少超过3个雷达探测时次，即18 min）为其生成时刻，从而确保该次个例的生成时刻不会受到雷达数据异常等因素影响，随后选取孤立对流云系生成地经纬度为其生成位置。孤立对流云系的移向、移动速度均以其质心为准来计算，而质心的确定主要依靠 TITAN（Thunderstorm Identification，Tracking，Analysis and Nowcasting）系统（王子周，2011）进行定位并进行人工检验。确定其质心的移向为孤立对流云系的移向，统计过程中的方位判定按照该云系生成时刻的质心位置为基准点，分为东北北（022.5）、东北（22.545）、东北东（4567.5）、正东（67.590）、东南东（90112.5）、东南（112.5135）、东南南（135157.5）、正南（157.5180）、西南南（180202.5）、西南（202.5225）、西南西（225 247.5）、正 西（247.5 270）、西 北 西（270 292.5）、西 北（292.5 315）、西 北 北（315337.5）共计15个空间方位；而移动速度则以其质心平均每小时移动距离来确定；孤立对流云系的移动距离通过测算其质心的移动距离获得，以初次发现该孤立对流云系时刻的云系质心位置为起点，其ZH25.0 dBZ位置为终点，将起点至终点的直线距离定义为其移动距离。2典型个例分析2.1孤立对流云系发展演变2020年7月26日08：00海南岛主要受越南低压槽影响，且由于海南岛处于西太平洋副热带高压西南侧边缘，气流以偏东方向为主且中低层（25 km）存在弱的风切变，具备一定的对流触发条件。08：00海口探空数据显示0 层高度约为5.27 km。44341 卷干旱气象2020 年 7 月 26 日 17：20 左右在海南岛屯昌县境内西南部区域出现了一次典型孤立对流云系个例，该云系自生成后向东南方向缓慢移动，17：57左右发展到最旺盛阶段，反射率因子（ZH）峰值达到60.0 dBZ，随后进入减弱阶段，18：40左右本次典型个例结束。云系移动距离约23 km，整个生命史约80 min。以下分别以17：29、17：57和18：26作为该云系初始阶段、旺盛阶段和减弱阶段的代表时次对其双偏振特征进行详细分析。在该孤立对流云系初始阶段（17：29）图1（a），雷达探测显示云系内部含有两个相对较强的ZH中心，其中位于北部的ZH峰值达45.0 dBZ左右，处于较快速发展阶段，位于南部的ZH峰值为40.0 dBZ左右，面积较小；在云系发展旺盛阶段（17：57）图1（b），云系内部经过不断发展、合并，强回波（ZH40.0 dBZ）面积明显增大，ZH峰值达到60.0 dBZ，说明云系内部对流辐合运动较为强盛；云系减弱阶段（18：26）图1（c），ZH较17：57明显降低，强回波（ZH40.0 dBZ）面积明显减小，后续探测显示该云系在18：40左右ZH整体在20.0 dBZ之下，该过程趋于结束。2.2孤立对流云系双偏振特征图2为2020年7月26日17：29、17：57和18：26海口雷达 ZH、ZDR、KDP和 CC 垂直剖面。可以看出，17：29云系内部两个强ZH中心清晰可见，较强ZH主要集中在 0 层之下（主要分布在 34 km 高度）；17：57云内结构不再松散，强回波（40.0 dBZ）区域主要分布在 28 km 高度，说明此时云系内部对流运动旺盛；18：26，0 层之上已基本不存在ZH超过30.0 dBZ的区域，云系内部对流运动已趋于减弱。17：29的ZDR基本为正值，中低层ZDR最大可达4.00 dB左右，而云系大部分区域ZDR为1.102.20 dB；17：57超过2.00 dB的区域明显增大（主要集中在云系中低层），且0 层之上也开始出现超过 2.00 dB的区域（ZDR柱现象），ZDR柱的存在说明云内存在较强的上升气流，此时云内粒子以较大的雨滴、过冷水及水包膜的冰相粒子为主；18：26 ZDR整体明显下降，中低层大部分区域ZDR仅