內蒙古通遼地區(qū)冰雹天氣的雷達回波判別指標

祁雁文

（內蒙古通遼市氣象局，內蒙古 通遼 028000）

內蒙古通遼地區(qū)冰雹天氣的雷達回波判別指標

祁雁文

（內蒙古通遼市氣象局，內蒙古 通遼 028000）

通過對內蒙古通遼市新一代天氣雷達建站以來至2013年發(fā)生在通遼地區(qū)的冰雹天氣過程，以及各種雷達回波產品在冰雹發(fā)生前一段時間內的表現(xiàn)特征以及探空資料進行分析可知：雷達反射率因子產品的鉤狀回波、“V”型缺口和三體散射（即長釘狀回波）、弓形回波、“人”字形回波（LEWP）和菱形回波等特征，徑向速度圖上明顯的輻合場或輻合帶、“中氣旋”“逆風區(qū)”等特征，以及回波頂高，VAD風廓線產品，垂直積分液態(tài)含水量，中氣旋產品，強度和速度的剖面圖等都有指示意義的表征，并且通過以上特征總結出相應的量化指標，作為未來是否會有冰雹出現(xiàn)的判斷依據，應用到實際的短時臨近預報工作中，以期提高冰雹的預報預警能力。

三體散射；弓形回波；中氣旋；逆風區(qū)；風暴頂輻散

內蒙古通遼市處在中緯度地帶，屬溫帶大陸性半干旱氣候，四季氣候差異大。該市是強對流天氣的頻發(fā)區(qū)，冰雹是通遼地區(qū)夏季的主要氣象災害之一，也是氣象預報的難點之一。由于冰雹具有突發(fā)性、局地性、不確定性和隨機性以及持續(xù)時間短的特點，長期以來預報效果都不是十分理想。新一代天氣雷達以其高時空分辨率、及時準確的遙感探測能力，正好彌補了常規(guī)觀測預報的不足，成為冰雹天氣監(jiān)測預警方面極為有效的工具。國內外氣象學者應用多普勒雷達產品對產生暴雨、冰雹等災害性天氣的中小尺度系統(tǒng)特征進行了大量的分析研究［1-6］，形成了大量預報指標和概念模型，為預報員提供了豐富的理論指導。但由于冰雹的地域性很強，各地預報冰雹的指標也有所不同，通遼新一代天氣雷達建成運行了多年，積累了一定數量的歷史個例資料，有必要建立屬于本地的冰雹預報模型。

1 0℃和-20℃溫度層高度與強回波頂高之間的關系

1.1 非汛期（4月、5月、9月）

1.1.1 0℃層高度特點：在非汛期（4月、5月、9月），除了最低0℃層高度出現(xiàn)在2010年4月29日科爾沁左翼中旗的冰雹過程中，僅為670m（是由于該季節(jié)氣溫較低，但當天的-20℃層高度卻為3811m，0℃層高度與-20℃層之間的厚度約為3141）。其他個例0℃層高度均在1688～3735m。

1.1.2 -20℃層高度特點：在非汛期 （4月、5月、9月），-20℃層高度在3811～6758m，最低的出現(xiàn)在2010年4月29日科爾沁左翼中旗的冰雹過程中，-20℃層高度約為3811m。

1.1.3 0℃層高度與-20℃層之間的厚度特點：在非汛期（4月、5月、9月），除了2011年 5月 22日霍林河的冰雹過程中，0℃層高度與-20℃層之間厚度約為2534m。其他個例0℃層高度與-20℃層之間的厚度均在2714～3141m。

1.1.4 強回波伸展的高度特點：在非汛期（4月、5月、9月），只有1例，即 2011年 9月 13日扎魯特旗的冰雹過程中，強回波（≥45 dBz或40 dBz）伸展的高度為6.5 km，小于-20℃層的高度（6.8 km），分析原因可能是因為做剖面圖時的誤差或是由于該站距離通遼（54135）探空站較遠，采用54135站的數據會有較大誤差的緣故，如果取另外一個相鄰近的探空站50834（索倫）站的資料，-20℃層的高度為6.3 km，該高度小于強回波（≥45dBz或40 dBz）伸展的高度（6.5 km）。其他個例強回波（≥50 dBz或45 dBz）伸展的高度均大于-20℃層的高度。在2010年5月10日科爾沁左翼后旗的冰雹過程中，13時55分發(fā)生冰雹，前一小時即12時55分，由圖1可見，≥50 dBz的強回波伸展的高度達5.8 km，大于當天08時-20℃層的高度（4.1 km）。

1.2 汛期（6—8月）

1.2.1 0℃層高度特點：在汛期（6—8月），0℃層高度均在2858～4700 m。最高0℃層高度出現(xiàn)在2008年7月26日巴雅爾的冰雹過程中，為4700m。

1.2.2 -20℃層高度特點：在汛期（6—8月），-20℃層高度在5590～7642 m，最高的也出現(xiàn)在2008年7月26日巴雅爾的冰雹過程中，為7642 m。

1.2.3 0℃層高度與-20℃層之間的厚度特點：在汛期（6—8月），所有個例0℃層高度與-20℃層之間的厚度均在2660～3180 m，該值較小，表明在上空具有較大的溫度梯度，易形成極不穩(wěn)定的大氣層結。最大厚度出現(xiàn)在2013年6月15日巴雅爾的冰雹過程中，0℃層高度與-20℃層之間厚度約為3180 m。

1.2.4 強回波伸展的高度特點：在汛期（6—8月），除了2012年6月9日科爾沁區(qū)的冰雹過程，由于雷達靜錐區(qū)的存在，雷達探測不到該站近距離高空回波的信息外，其他個例≥50 dBz的強回波中心伸展的高度均大于-20℃等溫線的高度，有時提前時間量可以長達1 h。例如：2013年6月15日巴雅爾的冰雹過程中，在冰雹發(fā)生前一小時，≥50 dBz的強回波中心伸展的高度已經達到7.6 km，而實際-20℃等溫線所在的高度為6.4 km。再如：2013年8月4日科爾沁左翼后旗的冰雹過程中，在冰雹發(fā)生前40多分鐘，≥50 dBz的強回波中心伸展的高度就達到8.5 km，遠遠超過-20℃等溫線所在的高度7.1 km。又有：2011年8月1日科爾沁左翼中旗的冰雹過程中，在冰雹發(fā)生前大約一小時，即12時39分，≥50 dBz的強回波中心伸展的高度達到12 km以上，遠遠超過-20℃等溫線所在的高度7.3 km；12時45分，≥50 dBz的強回波中心伸展的高度達到14 km（見圖2），表明對流發(fā)展非常旺盛，云發(fā)展得特別高，利于冰雹的產生。

2 通遼地區(qū)冰雹天氣各種雷達回波產品特征分析

2.1 反射率因子產品

2.1.1 平顯圖上（PPI）特點：冰雹云的反射率因子圖上回波的強度都很大，對于非汛期（4月、5月、9月）的冰雹過程來講，回波的最強中心在45（48）dBz以上，最強中心強度可達65 dBz以上。對于汛期（6—8月）的冰雹個例來講，回波的最強中心均在50（53）dBz以上，最強中心強度可達 65 dBz以上。冰雹云的回波具有特殊的形態(tài)特征，有以下幾種：

①弓形回波：如2008年6月6日庫倫、青龍山的冰雹過程 （見圖3），有時還伴隨有明顯的陣風鋒，如2009年7月30日開魯的冰雹過程。

圖1 2010年5月10日12時55分強度剖面圖

圖2 2011年8月1日12時45分強度剖面圖

圖3 2008年6月6日17時29分反射率因子圖

圖4 2010年7月18日15時10分反射率因子圖

圖5 2011年8月1日13時34分反射率因子圖

②鉤狀回波：如2010年7月18日舍伯吐的冰雹過程（見圖4）。強冰雹云伴隨著強的低層上升入流的進一步發(fā)展，入流缺口會演變成鉤狀，常常出現(xiàn)在回波移動方向的右側或右后側。最強的回波區(qū)出現(xiàn)在鉤狀部位及其附近，地面降雹常出現(xiàn)在相應的強回波區(qū)范圍內。鉤狀回波一般在幾分鐘內形成，持續(xù)時間為幾分鐘至幾十分鐘。

③“V”型缺口：有時可以看到，在冰雹回波的右側有一個“V”型缺口。這個缺口是雷達發(fā)射的電磁波通過冰雹云時，由于冰雹云對電磁波的強烈衰減作用而造成的。如2011年8月1日科爾沁左翼中旗的冰雹過程（見圖5）。

④“人”字形回波或稱為LEWP（回波波動模態(tài)）：如2013年8月4日扎魯特旗的冰雹過程。

⑤菱形回波：表現(xiàn)為強的單體回波，如2008年5月21日扎魯特旗的冰雹過程和2012年8月25日巴雅爾的冰雹過程。

⑥三體散射（又稱長釘狀回波）：三體散射現(xiàn)象是指由于云體中冰雹的散射作用非常強烈，由冰雹側向散射到地面的雷達回波被散射回冰雹，再由冰雹將其一部分能量散射回雷達，在冰雹區(qū)向后沿雷達徑向的延長線上出現(xiàn)由地面散射造成的虛假回波，稱為三體散射回波或“長釘狀回波”。如2008年8月24日扎魯特旗的冰雹過程。

2.1.2 剖面圖上（RHI）特點：由以上論述可以得出，不管是在非汛期（4月、5月、9月），還是在汛期（6—8月），除了一些特殊例子（比如數據的誤差還有雷達探測本身的局限——靜錐區(qū)的存在）以外，強回波（≥50 dBz或 45 dBz）伸展的高度均大于-20℃層的高度。

此外，從垂直結構分析，在低層均有較大的弱回波區(qū)（WER），而在中、高層有明顯的回波懸垂結構存在。如果對流發(fā)展的特別旺盛，則會在低層存在明顯的有界弱回波區(qū)（BWER）和中高層的回波懸垂，會在圖像上表現(xiàn)為低層的回波“穹窿”結構。

2.2 徑向速度產品

2.2.1 平顯圖上（PPI）特點：在徑向速度圖上均能探測到明顯的輻合場或輻合帶特征，若輻合比較強烈，都會伴隨有“中氣旋”的特征，有時雖達不到中氣旋的標準，但也會達到弱的雷暴尺度渦旋特征。有時還會有“逆風區(qū)”的出現(xiàn)。也有時還會出現(xiàn)“V”型缺口。

2.2.2 剖面圖上（RHI）特點：由文獻［7-8］可知，大尺度運動風向的改變主要由冷暖平流和輻合輻散2個方面引起。在速度圖的剖面顯示可以得出：這些個例對流風暴均具有風暴頂的輻散的特征，強烈的風暴頂輻散意味著雷暴中上層具有很強的上升氣流速度，表明了風暴發(fā)展的旺盛，有利于冰雹的生長，且大多配合有低層的輻合，如2013年5月19日開魯的冰雹過程（見圖6）。

2.3 回波頂高產品

2.3.1 非汛期（4月、5月、9月）：風暴的回波頂高在 5（5）～11（11）km，最高可達 11 km。

圖6 2013年5月19日13時01分速度剖面圖

2.3.2 汛期（6—8月）：風暴的回波頂高在9（10）km以上，最高可達 15（16）km。

2.4 VAD風廓線產品 從平均風的風向風速隨高度和時間變化的垂直剖面圖可得出風場的垂直結構，分析該產品得出，當冰雹天氣發(fā)生時或發(fā)生前一段時間內，測站上空多表現(xiàn)為濕層較淺薄，形成“上干下濕”的不穩(wěn)定層結結構。并常常伴有明顯的低空急流和強的垂直風切變，如2011年8月1日科爾沁左翼中旗的冰雹過程：低層有急流存在，有利于低空的輻合，造成不穩(wěn)定能量及觸發(fā)機制；在0.6 km與0.9 km之間存在偏北風和偏南風之間的強切變。再有2009年7月30日開魯的冰雹過程：13時21分，在0.9 km與1.2 km之間存在偏南風和西北風之間的垂直風切變，且風隨高度順時針旋轉，表明有暖平流，暖濕氣流源源不斷地輸送到發(fā)展中的上升氣流中，強的垂直風切變有利于上升氣流和下沉氣流在相當長的時間內共存，利于強對流的進一步發(fā)展，有利于形成冰雹。有時，還有高空急流存在，高空急流的強烈抽吸作用，會促進低層空氣、水汽的輻合。

2.5 中氣旋產品 當有發(fā)展比較旺盛的對流時（通常出現(xiàn)在6—8月），會出現(xiàn)中氣旋產品信息。但并不是所有個例都會有中氣旋產品信息，有一些個例并沒有顯示。

2.6 垂直累積液態(tài)水含量（VIL）產品 從垂直累積液態(tài)水含量（VIL）產品來看，在對流風暴運動發(fā)展過程中，VIL值也逐漸增大，在降雹前有明顯的躍增，垂直累積液態(tài)水含量的數值變化對于冰雹天氣的預警有較強的指示意義，并且具有一定的提前量。

2.6.1 非汛期 （4月、5月、9月）：VIL值躍增量不大，躍增至 20（23）～35（38）kg/m2以上，最高可達 60（63）kg/m2。

2.6.2 汛期（6—8月）：VIL值在降雹前均有明顯的躍增，除了2例（2013年7月13日庫倫旗的冰雹過程和2013年8月14日舍伯吐的冰雹過程）外，其他個例VIL值均躍增至60（63）kg/m2以上，最高可達 70 kg/m2。

3 小結

通過以上各種雷達回波產品的特征分析，總結出冰雹天氣的以下預報指標：

①由于鉤狀回波、“V”型缺口和三體散射是冰雹天氣特有的雷達回波特征，所以當出現(xiàn)這3種回波時，表明一定有冰雹天氣發(fā)生。而當反射率因子圖上出現(xiàn)弓形回波（或有時伴有陣風鋒）、“人”字形回波 （LEWP）或菱形回波這幾種特殊形態(tài)的回波時，則高度警示可能會有冰雹天氣發(fā)生。

②強回波（對于非汛期，是指≥50 dBz或45dBz的回波；對于汛期，是指≥50 dBz的回波）伸展的高度大于-20℃層等溫線的高度。該項指標除了對于2次過程外，即2011年9月13日扎魯特旗的冰雹過程，由于剖面誤差或該站距離通遼（54135）探空站較遠，數據有誤差的緣故，還有2012年6月9日科爾沁區(qū)的冰雹過程，由于雷達靜錐區(qū)存在的緣故，其他個例均滿足，有時提前時間量可以長達1 h。所以該結論可以作為判斷是否會產生冰雹天氣的一個非常有指示意義的指標。

③在強度的垂直剖面圖上，在垂直結構上，低層有較大的弱回波區(qū)（WER），中、高層有明顯的回波懸垂，或者在低層呈現(xiàn)出明顯的有界弱回波區(qū)（BWER）和中高層的回波懸垂，在圖像上呈現(xiàn)出低層的回波“穹窿”結構。則表明出現(xiàn)冰雹的可能性極大，可以作為預報冰雹天氣的一個重要指標。

④如果在徑向速度圖上出現(xiàn)“V”型缺口，則表明一定會有冰雹天氣發(fā)生。若探測到明顯的輻合場或輻合帶，在高懸的強回波這一特征前提下，并且伴隨有“中氣旋”或弱雷暴尺度的渦旋，表明發(fā)生冰雹天氣的可能性極大。若同時還伴有“逆風區(qū)”，表明出現(xiàn)冰雹天氣的概率會更高。以上特征可以作為冰雹天氣的一個重要預報指標。

⑤在速度的垂直剖面圖上，如果能夠分析出風暴頂的輻散，或者風暴頂的輻散配合低層的輻合，則表明冰雹天氣出現(xiàn)的可能性極大。因此，風暴頂的輻散或風暴頂輻散+低層的輻合的特征也可以作為預報冰雹的有利指標。

⑥回波頂高如果在9km以上，表明極有可能出現(xiàn)冰雹，要立即發(fā)布冰雹天氣的預報預警信息。但是如果在非汛期，不需要等到9km以上，有時回波頂高發(fā)展到5 km以上，也有可能出現(xiàn)冰雹，還需要結合其他特征指標綜合判別。

⑦在垂直風廓線（VWP）產品上，如果測站上空表現(xiàn)為濕層較淺薄，形成“上干下濕”的不穩(wěn)定層結結構，且在低層有明顯的低空急流和強的垂直風切變，那么就要提高警惕考慮是否會有冰雹發(fā)生，但還需結合其他指標綜合判別，如果同時還伴有高空急流的存在，則冰雹出現(xiàn)的可能性會大大提高。所以風廓線產品的以上特征也可以作為預報冰雹的一個較重要的指標。

⑧如果在汛期（6—8月）的中氣旋產品上可以探測到中氣旋信息（有黃色圓圈表示）時，往往預示著有冰雹天氣要發(fā)生了。因此，中氣旋產品信息的出現(xiàn)是判斷冰雹天氣的一個特別重要的指標。

⑨如果VIL產品的值有一個明顯的躍增過程，躍增至60（63）kg/m2或以上，則表明一定會有冰雹天氣的發(fā)生。如果在非汛期（4月、5月、9月），VIL值突然增大，躍增至 20（23）～35（38）kg/m2以上時，也要考慮是否會有冰雹天氣的發(fā)生，數值越大，出現(xiàn)冰雹的可能性就越大，但還需結合其他指標綜合來判斷。

［1］伍志方，葉愛芬，胡勝，等.中小尺度天氣系統(tǒng)的多普勒統(tǒng)計特征［J］.熱帶氣象學報，2004，20（4）：391-400.

［2］俞小鼎，張愛民，鄭媛媛，等.一次系列下?lián)舯┝魇录亩嗥绽仗鞖饫走_分析［J］.應用氣象學報，2006，17（4）：385-393.

［3］康鳳琴，張強，馬勝萍，等.青藏高原東北邊緣冰雹形成機理［J］.高原氣象，2004，23（6）：749-757.

［4］李金輝，樊鵬.冰雹云提前識別及預警的研究［J］.南京氣象學院學報，2007，30（1）：114-119.

［5］李秀琳，賈金海.VIL產品在人工防雹中的應用［J］.陜西氣象，2008（3）：13-15.

［6］王令，鄭國光，康玉霞，等.多普勒天氣雷達徑向速度圖上的雹云特征［J］.應用氣象學報，2006（3）：281-286.

［7］胡明寶，高太長，湯達章.多普勒天氣雷達資料分析與應用［M］.北京：解放軍出版社，2000.

［8］夏文梅，張亞萍，王凌震，等.復合風場的單多普勒速度特征［J］.氣象科學，2003，23（2）：209-216.

Discriminant Index of Radar Echo for Forecast of Hail Weather in Tongliao Area of Inner Mongolia

QI Yan-wen
（Tongliao Municipal Meteorological Bureau of Inner Mongolia，Tongliao 028000，China）

In the present study,we analyzed the hail weather process occurred in Tongliao region of Inner Mongolia from the establishment of the new weather radar station to the year of 2013 and assessed the features of radar echo products obtained a period before the occurrence of hail as well as the radiosonde data.We found that the following features of the radar echo products all had an indicative significance for the forecast of hail weather：the hook echo of radar reflectivity factor,V-notch,three scattering （spike-shaped echo）,bow-shaped echo,herringbone echo （LEWP）,diamond echo;the convergence field or convergence zone,mesocyclone,and adverse wind area in radial velocity map;echo top height,VAD wind profile products,vertically integrated liquid water content,mesocyclone products,profile of intensity and velocity.Based on the above features,we summarized the corresponding indicators which could be used as a judgment basis for the forecast of hail weather in the practical work of short-term forecast and nowcasting to improve the forecasting and warning capability for the hail weather in Tongliao region.

three body scattering；bow-shaped echo；mesocyclone； adverse wind area；divergence in storm top

P426.64；P457.6

A文章順序編號：1672-5190（2016）08-0093-04

2016-07-08

項目來源：2016年內蒙古自治區(qū)氣象局青年基金項目（nmqnqx 201612）。

祁雁文（1983—），女，工程師，主要從事短期、短時臨近天氣預報工作。

（責任編輯：錢英紅）