云南冰雹災(zāi)害的多普勒雷達特征統(tǒng)計及預(yù)警指標*

李 湘，張騰飛，胡 娟，魯韋坤

(1.云南省氣象臺，云南 昆明 650034；2.云南省人影中心，云南 昆明 650034；3.云南省氣候中心，云南 昆明 650034)

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云南冰雹災(zāi)害的多普勒雷達特征統(tǒng)計及預(yù)警指標*

李 湘1，張騰飛2，胡 娟1，魯韋坤3

(1.云南省氣象臺，云南 昆明 650034；2.云南省人影中心，云南 昆明 650034；3.云南省氣候中心，云南 昆明 650034)

利用云南省2006-2007年多普勒雷達產(chǎn)品及冰雹災(zāi)情資料，選取冰雹直徑大于5 mm的22次災(zāi)害性冰雹天氣過程進行分型統(tǒng)計。結(jié)果表明：云南春季南支槽影響型雹災(zāi)回波水平尺度大，回波核高度高，易出現(xiàn)典型鉤狀回波、弓形回波、“V”型缺口、弱回波區(qū)、懸垂結(jié)構(gòu)等典型的超級單體特征；夏季中緯度西風(fēng)槽影響型和減弱的西行臺風(fēng)影響型雹災(zāi)水平尺度、回波形狀和垂直伸展高度均不如前者典型，但易出現(xiàn)三體散射現(xiàn)象。春季南支槽影響型雹災(zāi)的聯(lián)合預(yù)警指標有回波強度大于50 dBz、回波核高于6 km、30 dBz水平尺度大于30 km、WER大于4 km、出現(xiàn)典型超級單體特征、速度場出現(xiàn)風(fēng)場輻合、氣旋性輻合、逆風(fēng)區(qū)等、VIL出現(xiàn)明顯躍增(最好大于30 kg/m2)、冰雹概率大于100%、出現(xiàn)中尺度氣旋；夏季中緯度西風(fēng)槽影響型和減弱的西行臺風(fēng)影響型雹災(zāi)的聯(lián)合預(yù)警指標有回波強度大于50 dBz、回波核高于4 km、30 dBz水平尺度大于20 km、速度場出現(xiàn)風(fēng)場輻合、氣旋性輻合、逆風(fēng)區(qū)等、出現(xiàn)三體散射現(xiàn)象、VIL出現(xiàn)明顯躍增(最好大于30 kg/m2)、冰雹概率大于80%、出現(xiàn)中尺度氣旋。

冰雹災(zāi)害；多普勒雷達；統(tǒng)計特征；預(yù)警指標；云南

云南地處低緯高原和青藏高原東南麓，強大的地形作用使得中小尺度天氣系統(tǒng)頻繁發(fā)生。在2007-2010年氣象災(zāi)害經(jīng)濟損失比例中，風(fēng)雹災(zāi)害成為僅次于旱災(zāi)、洪澇、低溫雨雪冰凍的第四大氣象災(zāi)害，僅2009年云南大風(fēng)、冰雹和雷電災(zāi)害就造成285.6萬人受災(zāi)，58人死亡(其中大風(fēng)、冰雹災(zāi)害造成12人死亡)，直接經(jīng)濟損失高達142 171.4萬元。本人已對云南災(zāi)害性冰雹的時空分布及大尺度環(huán)流特征進行了分型討論[1]。關(guān)于多普勒雷達在冰雹監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用，不少學(xué)者都做過細致的研究，但多針對S波段雷達[2-5]，缺乏針對云南C波段雷達冰雹災(zāi)害回波特征及產(chǎn)品特征的分型統(tǒng)計分析[6-8]，而5 cm的C波段雷達相較于10 cm的S波段雷達有探測范圍小，對冰雹等大粒子衰減大等特點，加上云南地形復(fù)雜，山體對回波的阻擋作用明顯，急需提出切實好用的災(zāi)害性冰雹預(yù)警指標，為云南的防災(zāi)減災(zāi)工作提供重要支持。

1 冰雹災(zāi)害的環(huán)流分型

選取云南2006-2007年收集到的冰雹直徑5 mm及以上的雹災(zāi)22次，并依據(jù)降雹當(dāng)日08：00和20：00探空資料按影響系統(tǒng)進行了環(huán)流分型(表1)，其中南支槽影響型有(N型)8次、中緯度西風(fēng)槽影響型有(D型)9次、減弱的西行臺風(fēng)影響型有(T型)5次。有4次N型降雹發(fā)生在非汛期，雷達處于關(guān)閉狀態(tài)，有1次T型降雹發(fā)生時未收集到雷達數(shù)據(jù)，因而在表1中沒有給出。

2 雹云的基本反射率與強回波核高度特征

冰雹云的后向散射能力遠遠大于一般性降水，在雷達PPI圖上表現(xiàn)為強的基本反射率，表2中給出了各類型冰雹云發(fā)展到最強盛時的基本反射率，從中可見云南90%的雹災(zāi)冰雹云基本反射率因子大于50 dBz，小于50 dBz的雹災(zāi)中，1次是接近雷達的最大探測距離(150 km)，距離衰減嚴重，1次是屬于有組織的弓形回波降雹，冰雹云的水平尺度很大，在雷達回波圖中很好識別，比較各降雹類型的反射率因子，未發(fā)現(xiàn)不同類型之間有明顯差異，因此將50 dBz作為云南災(zāi)害性冰雹預(yù)警的臨界值。

表1 雹災(zāi)環(huán)流分型及降雹前冰雹云的垂直液態(tài)水含量(VIL)變化特征

(注：表中*為該個例未收集到VIL產(chǎn)品數(shù)據(jù))

表2 冰雹云的最大反射率及強回波核高度(35～40 dBz)

(注：表中*為未收集到基數(shù)據(jù)用組合反射率產(chǎn)品替代，**為該型有3次雹災(zāi)未收集到基數(shù)據(jù)而未參與統(tǒng)計)

強回波核所在高度能夠很好地反映出降雹對流單體風(fēng)暴中心的伸展高度，表2中同時給出了35～40 dBz強回波核高度(H)，可見強回波核H<4 km的雹災(zāi)出現(xiàn)1次(前文中提到距離衰減嚴重的那次雹災(zāi))，48 km的雹災(zāi)出現(xiàn)4次，剔除距離衰減個例，所有雹災(zāi)35～40 dBz強回波核均出現(xiàn)在4 km以上(接近或高于降雹當(dāng)日的零度層高度)，其中5次南支槽影響型雹災(zāi)強回波核高度均大于6 km，2007年4月7日發(fā)生在寧洱縣境內(nèi)的雹災(zāi)強回波核高度達9.5 km，說明南支槽影響型降雹強回波核所在高度更高，冰雹粒子的碰并增長區(qū)厚度更大，十分有利于大冰雹的產(chǎn)生，因此可將春季南支槽型35～40 dBz強回波核高度高于6 km，夏季中緯度西風(fēng)槽影響型和減弱的西行臺風(fēng)影響型35～40 dBz強回波核高度高于4 km作為云南災(zāi)害性冰雹的預(yù)警指標之一。

3 雹云的水平尺度及形狀特征

冰雹云中強回波的尺度與上升氣流密切相關(guān)，強回波的水平尺度越大，說明對流發(fā)展過程越劇烈，產(chǎn)生降雹的可能性越大[9]，從表3中可見冰雹云發(fā)展強盛期30 dBz的水平尺度均大于20 km，75%的冰雹云水平尺度大于30 km，前文中提到的有組織的弓形回波降雹水平尺度達120 km，在弓形回波前部出現(xiàn)了冰雹直徑達60 mm的強雹災(zāi)。發(fā)展成熟的冰雹云外形結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出非典型鉤狀回波、典型鉤狀回波、弓形回波、帶狀回波、“V”型缺口、出流邊界等特殊形狀(圖1)，其中典型鉤狀回波和非典型鉤狀回波出現(xiàn)的概率較高，而弓形回波和帶狀回波出現(xiàn)的較少(表3)。從不同類型雹災(zāi)的水平尺度和形狀特征看，南支槽型雹災(zāi)水平尺度更大、出現(xiàn)了更多的典型鉤狀回波、弓形回波、帶狀回波、“V”型缺口等超級單體特征，而中緯度西風(fēng)槽影響型和減弱的西行臺風(fēng)影響型雹災(zāi)出現(xiàn)了更多的非典型鉤狀回波特征，回波的水平尺度也相對小一些，因此將云南南支槽影響型雹災(zāi)的水平尺度指標定為30 km，其它類型降雹水平尺度指標定為20 km。

表3 冰雹云的水平尺度及形狀特征

(注：表中*為未收集到基數(shù)據(jù)用0.5°仰角產(chǎn)品代替)

(a)普洱雷達站2007年4月7日17：38 (b)昆明雷達站2006年7月16日17：02

(c)昆明雷達站2006年7月27日18：06 (d)文山雷達站2006年4月6日23：07

4 雹云的垂直結(jié)構(gòu)特征

為了更直觀地了解冰雹云的垂直結(jié)構(gòu)特征，我們利用Micaps3.1提供的基數(shù)據(jù)交互工具對降雹前后雷達基本反射率做沿低層入流方向的VCS垂直剖面(圖略)，從中可以看到有近一半的雹災(zāi)出現(xiàn)了典型的弱回波區(qū)(WER)和懸垂結(jié)構(gòu)特征，由于WER的尺度直接反映了雹暴上升氣流的強度和區(qū)域大小，與冰雹災(zāi)害密切相關(guān)，我們統(tǒng)計了已出現(xiàn)的WER尺度特征(表略)，發(fā)現(xiàn)云南的雹災(zāi)WER的水平尺度大都在3～10 km之間，比我國東部雹災(zāi)WER尺度小，但南支槽影響型雹災(zāi)的WER尺度要大一些(WER>8 km的雹災(zāi)均為南支槽影響型)，傾斜的懸垂結(jié)構(gòu)也更加明顯，這與南支槽影響型大的環(huán)境風(fēng)垂直切變密切相關(guān)。下面我們以WER尺度最大、維持時間最長的2007年4月7日發(fā)生在寧洱縣的南支槽影響型雹災(zāi)為例，仔細分析冰雹云發(fā)展期、強盛期、減弱期的垂直結(jié)構(gòu)變化特征，7日16：00，位于普洱雷達站北側(cè)20 km附近的對流開始逐漸發(fā)展東擴，17：38寧洱縣(原普洱哈尼族彝族自治縣)出現(xiàn)了典型的鉤狀回波和有界弱回波區(qū)(BWER)，回波中心強度達60 dBz(圖1a)，從沿入流方向并過風(fēng)暴中心的VCS垂直剖面(圖2a)可見，17：59冰雹云迅速發(fā)展出現(xiàn)傾斜特征，強回波核上升到離地面4 km高度上，正下方出現(xiàn)WER，18：07冰雹云強烈發(fā)展，懸垂結(jié)構(gòu)更加典型，強回波核上升到離地面6 km的高度，BWER清晰可見，說明冰雹云已發(fā)展到強盛階段，18：18強回波核高度開始下降，冰雹云水平尺度明顯擴大，說明冰雹云已開始減弱，18：29強回波核高度繼續(xù)下降，并在近地面形成“回波墻”，18：30寧洱縣黎明鄉(xiāng)出現(xiàn)30 mm強冰雹，降雹點正是“回波墻”的位置。

5 雹云的三體散射特征(TBSS)

三體散射(TBSS)是指雷達能量在強反射率因子區(qū)向前散射而形成的異?；夭ǎ３尸F(xiàn)類似細長釘子狀從強回波區(qū)沿徑向伸展，俞小鼎等人給出了東部S波段雷達“三體散射的一些個例”[10]，指出三體散射特征是大冰雹存在的充分和非必要條件，表4中給出了云南冰雹云三體散射特征，從表中可見，不考慮地物遮擋和附近其它對流單體回波的遮擋，15次雹災(zāi)中有10次出現(xiàn)了三體散射，出現(xiàn)三體散射的概率明顯比S波段雷達高，結(jié)合前文的分析還發(fā)現(xiàn)在冰雹云水平尺度、強回波高度、懸垂結(jié)構(gòu)等特征不明顯的彌勒、澄江、江川等雹災(zāi)中出現(xiàn)了較為明顯的三體散射特征，從表4中還可以看出觀測到三體散射的雹災(zāi)直徑從5～40mm不等，不一定對應(yīng)20mm以上的大冰雹，因此三體散射現(xiàn)象可以作為云南冰雹預(yù)警一個切實好用的補充指標，但不能作為大冰雹的預(yù)警指標使用。

6 雹云的速度場特征

強雹災(zāi)在雷達徑向速度上往往伴隨有風(fēng)向輻合、氣旋性風(fēng)場輻合、中尺度氣旋、逆風(fēng)區(qū)等強的中小尺度天氣特征，降雹前30min雷達徑向速度往往就有所體現(xiàn)，逐漸在成片的正速度或負速度區(qū)中出現(xiàn)小范圍符號相反的速度(較弱的逆風(fēng)區(qū))、風(fēng)向輻合區(qū)或氣旋性輻合流場特征，從表5的統(tǒng)計結(jié)果看風(fēng)場輻合出現(xiàn)了3次，氣旋性輻合流場出現(xiàn)6次，逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)8次， 8次雹災(zāi)降雹前30min沒有明顯的中小尺度天氣特征，1次出現(xiàn)了速度模糊，速度場中的風(fēng)場輻合、氣旋性輻合、逆風(fēng)區(qū)可作為冰雹天氣識別與預(yù)警的參考指標。

圖2 2007年4月7日普洱雷達基本反射率沿入流方向并過風(fēng)暴中心的VCS垂直剖面圖

表4 冰雹云的三體散射特征

有無三體散射地點/冰雹直徑/mmN型D型?T型合計/次有三體散射江川/15～40彌勒/30、彌勒/20、彌勒/10、澄江/10石林/20、峨山/15、澄江/15、江川/10、江川/510無三體散射蒙自/60、寧洱/30澄江/20、元謀/20安寧/205附近回波遮擋墨江/25麗江/7、嵩明/10、江川/154地形遮擋彝良/151

(注：表中*為該型有3次雹災(zāi)未收集到基數(shù)據(jù)而未參與統(tǒng)計)

表5 冰雹云的徑向速度特征統(tǒng)計

7 雹云的垂直液態(tài)水含量特征(VIL)

VIL產(chǎn)品是假定回波均由液態(tài)水形成的條件下，通過經(jīng)驗公式將反射率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成垂直累加的相當(dāng)液態(tài)水含量產(chǎn)品，在許多地區(qū)VIL是冰雹預(yù)報一個很好用的指標。表1以雷達特征分析的可能降雹開始時間為基準，統(tǒng)計了降雹前20～30min、降雹前10min、降雹時和降雹后的VIL值，實際降雹時間往往比用雷達特征分析的可能降雹時間要晚一些，即實際預(yù)警提前量比統(tǒng)計結(jié)果更長。從表中可以看到在雹災(zāi)發(fā)生前20～30min有50%的雹災(zāi)VIL值在10kg/m2及以下，50%的雹災(zāi)VIL值已明顯增大，若選30kg/m2為閥值則有3次雹災(zāi)可被識別出來；在降雹前10min有6個降雹過程可被識別出來，降雹時有15個降雹過程可被識別出來，降雹前30min到降雹時VIL值出現(xiàn)了明顯的躍增，可作為冰雹預(yù)警的一個重要指標。

8 雹云的冰雹指數(shù)(HI)和中氣旋(M)特征

冰雹指數(shù)是風(fēng)暴結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生冰雹的一個指標，它是在0 ℃層以上檢查高反射率值，然后計算出包括小冰雹概率、大冰雹概率和最大冰雹尺寸的一種產(chǎn)品。表6中統(tǒng)計了降雹前20～30min、降雹前10min、降雹時的冰雹概率和冰雹直徑，從表中可以看出降雹前30min有14次雹災(zāi)被預(yù)報出可能降雹，降雹前10min所有的雹災(zāi)均被預(yù)報可能降雹，但冰雹指數(shù)是基于0 ℃層設(shè)定計算的反射率因子繁衍產(chǎn)品，在產(chǎn)品繁衍時采用了固定的0 ℃層(3.2km)，可能給冰雹指數(shù)的計算帶來偏差，如2007年4月7日發(fā)生在江川的降雹過程冰雹直徑異常偏高，且統(tǒng)計時還發(fā)現(xiàn)冰雹指數(shù)雖然對冰雹過程的識別率較高，但空報率也非常高，在利用時最好結(jié)合其它指標聯(lián)合使用。

若對流風(fēng)暴具有很強的氣旋性旋轉(zhuǎn)特征(正負速度中心在10km以內(nèi)，速度差在25m/s或以上，且呈現(xiàn)出三維對稱結(jié)構(gòu))，在中氣旋產(chǎn)品中將被識別出中尺度氣旋，從降雹過程的中尺度氣旋產(chǎn)品中可以看出20次雹災(zāi)僅有4次被識別出有中尺度氣旋存在， 1次在降雹前30min發(fā)現(xiàn)有中尺度氣旋，降雹前5min再次發(fā)現(xiàn)有中尺度氣旋，其它3次均在降雹前5min發(fā)現(xiàn)有中尺度氣旋，可見中尺度氣旋作為一種強風(fēng)暴特有的速度特征，在云南作為冰雹預(yù)報指標使用有一定的局限性，主要是多數(shù)對流風(fēng)暴雖然存在氣旋性輻合流場，但遠遠達不到被定義為中尺度氣旋的強度，但若發(fā)現(xiàn)有中尺度氣旋存在則意味著對流風(fēng)暴將強烈發(fā)展，應(yīng)及時發(fā)布冰雹、大風(fēng)等強對流預(yù)警。

表6 降雹前的冰雹指數(shù)和中氣旋特征統(tǒng)計

(注：表中降雹地點若相同則按出現(xiàn)順序排序)

表7 冰雹災(zāi)害綜合預(yù)警指標

9 冰雹災(zāi)害的綜合預(yù)警指標

通過以上的分析，可以看出云南不同天氣型的冰雹災(zāi)害在雷達回波特征上有較為明顯的差別，春季南支槽影響型降雹水平尺度大，強回波中心高度高，出現(xiàn)了較多典型鉤狀回波、弓形回波、帶狀回波、“V”型缺口等特征，弱回波區(qū)和傾斜的懸垂結(jié)構(gòu)也很明顯，三體散射出現(xiàn)的頻率卻不高；而許多夏季中緯度西風(fēng)槽影響型和減弱的西行臺風(fēng)影響型的降雹個例在水平尺度、回波形狀、垂直伸展高度上都不如南支槽型典型，卻出現(xiàn)了三體散射現(xiàn)象，因此對各天氣型冰雹災(zāi)害的預(yù)警指標應(yīng)分別討論，同時多種指標的聯(lián)合使用也十分必要。表7中綜合給出了不同天氣型的雷達回波特征及產(chǎn)品閥值。若雷達回波中心強度達到50dBz(指標1)，則預(yù)示可能出現(xiàn)冰雹天氣，此時應(yīng)進一步關(guān)注其它指標的變化。若回波水平尺度、垂直伸展高度進一步增大，回波形狀也出現(xiàn)了降雹指征(指標2、3、4)，則預(yù)示發(fā)生冰雹的可能性增大，此時應(yīng)考慮發(fā)布冰雹預(yù)警信號；若水平尺度上變化不大，但速度場上有明顯的指征(指標6)，VIL值也出現(xiàn)躍增(產(chǎn)品指標1)，同時冰雹概率在80%～100%(產(chǎn)品指標3)，也應(yīng)考慮發(fā)布冰雹預(yù)警信號；若水平尺度上變化不大，速度場上也無明顯的特征，但VIL值出現(xiàn)了明顯的躍增(產(chǎn)品指標1)，同時伴隨有三體散射現(xiàn)象(指標7)，也應(yīng)考慮發(fā)布預(yù)警信號。 若VIL值進一步躍增到30kg/m2及以上(產(chǎn)品指標2)應(yīng)立即發(fā)布冰雹預(yù)警信號。若出現(xiàn)了中尺度氣旋(產(chǎn)品指標4)或典型冰雹形狀特征(指標5)應(yīng)立即發(fā)布強冰雹預(yù)警信號。

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DopplerRadarStatisticalCharacteristicsandEarlyWarningIndexofYunnanHailDisaster

Li Xiang1, Zhang Tengfei2, Hu Juan1and Lu Weikun3

(1.YunnanMeteorologicalObservatory,Kunming650034,China; 2.YunnanWeatherModificationCenter,Kunming650034,China; 3.YunanClimateCenter,Kunming650034,China)

UsingDopplerradarproductsandhaildisasterdataofYunnanProvinceduring2006-2007andselecting22hailingprocesswithhaildiametersgreaterthanorequalto5mm,thehailweathersareclassifiedstatisticallyanalyzed.Resultsshowthat,TheSouthernBranchtroughtypehailsinspringhasecholargehorizontalscalesandhighkernel,aswellastypicalhookechoandbowechoandVnotchandweakechoregionandoverhangingstructure,ontheotherhand,themidlatitudewesterlytroughtypeandwestwardtyphoontypehailsinsummereasytoproducethreebodyscattering.InspringthereareafewJointearly-warningindexsuchasechostrengthmorethan50dBz,kernelhigherthan6km, 30dBz-horizontalscalegreaterthan30km,WERgreaterthan4km,typicalsupercellcharacteristics，windfieldconvergence,thecyclonicconvergence,adversewindarea,VILjump,hailprobabilitygreaterthan100%andmeso-scalecyclone;InsummertherearestillafewJointearly-warningindexsuchasechostrengthmorethan50dBz,kernelhigherthan4km, 30dBz-horizontalscalegreaterthan20km,windfieldconvergence,thecyclonicconvergence,adversewindarea,threebodyscattering,VILjump,hailprobabilitygreaterthan80%andmeso-scalecyclone.

haildisaster;Dopplerradar;statisticalcharacteristics;earlywarningindex

2014-12-12

2015-02-02

國家自然科學(xué)基金項目(41265001)；云南省氣象局預(yù)報員專項(TQ201506)；云南省科技惠民計劃(2014RA002);中國氣象局云霧物理環(huán)境重點開放實驗室開放課題(2009001)

李湘(1982-)，女，云南麗江人，工程師，主要從事短期、短臨天氣預(yù)報及研究. E-mial：nopear0852@sina.com

P406；X43

A

1000-811X(2015)03-0088-07

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.03.017

李湘，張騰飛，胡娟，等. 云南冰雹災(zāi)害的多普勒雷達特征統(tǒng)計及預(yù)警指標[J].災(zāi)害學(xué), 2015,30(3):088-093. [Li Xiang,Zhang Tengfei,Hu juan,et al. Doppler radar statistical characteristics and early warning index of Yunnan hail disaster[J].Journal of Catastrophology, 2015,30(3)：088-093.]