寶雞市隴縣冰雹氣候特征和新型預(yù)警指標(biāo)研究

孟妙志 張向榮 王仲文 巨歡顏 任歡

摘要利用1980—2016年隴縣的冰雹資料，采用數(shù)理統(tǒng)計方法，分析近37年來隴縣冰雹時空特征；利用多普勒雷達資料對風(fēng)暴發(fā)展特征進行統(tǒng)計分析，探討上游風(fēng)暴對隴縣風(fēng)暴的指標(biāo)性和大小冰雹的回波特征、區(qū)別。結(jié)果表明，隴縣冰雹頻次5.2 次/a，其中直徑>2 cm的大冰雹頻次為1.1 次/a，冰雹主要集中在6、7、8月，最多發(fā)生于14∶00—17∶00；隴縣冰雹主要在北部，上游交界的鄉(xiāng)鎮(zhèn)形成東西向帶狀多雹區(qū)；隴縣冰雹均自上游組合反射率因子（CR）≥45 dBz風(fēng)暴移入隴縣發(fā)展，自西北路華亭移來占主體，單體移入隴縣時間為18～100 min；風(fēng)暴CR≥60 dBz、出現(xiàn)旁瓣回波和三體散射對應(yīng)有大冰雹，風(fēng)暴CR≥55 dBz、出現(xiàn)旁瓣回波對應(yīng)有小冰雹；關(guān)注上游CR≥45 dBz風(fēng)暴動向，可提前預(yù)警隴縣冰雹。雷達冰雹指數(shù)（HI）、風(fēng)暴追蹤信息（STI）產(chǎn)品可參考發(fā)布預(yù)警。

關(guān)鍵詞冰雹；氣候特征；雷達特征；預(yù)警指標(biāo)；寶雞隴縣

中圖分類號S427文獻標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）23-0165-04

Study on Climatic Characteristics and New Early Warning Index of Hail in Longxian County of Baoji City

MENG Miaozhi， ZHANG Xiangrong， WANG Zhongwen et al

（Baoji City Meteorological Bureau of Shannxi Province， Baoji， Shannxi 721006）

AbstractUsing the hail data of Longxian in 1980-2016， the mathematical characteristics of hail in Longxian County were analyzed by mathematical statistics.Using the Doppler radar data to analyze the characteristics of storm development，and discuss the characteristics of upstream storm on the indicators of Longxian storm and the echo characteristics of hail.The results showed that the hail frequency was 5.2 times/a in Longxian County， and the hail frequency was 1.1 times/a with a diameter greater than 2 cm. The hail was mainly concentrated in June， July， August and occurred at 14∶ 00-17∶00.The hail of Longxian County was mainly in the north，towns upstream junction formed the east-west banded hail area.The hail of Longxian County from the upstream CR≥45 dBz storm into the development of Longxian County， since the northwest Huating moved to the main body，monomer moved to Longxian County for 18-100 min.Side echo was related to small hail while thunderstorm CR≥55 dBz，and further three body scattering means large hail while thunderstorm CR≥60dBz.Therefore， the motion of upstream hail（CR≥45 dBz） could indicate the hail produced in Longxian County.Hail index（HI） and storm tracking information（STI） from radar can be considered as a reference for releasing warning of hail.

Key wordsHail；Climatic characteristics；Radar characteristics；Early warning indicators；Longxian County of Baoji

基金項目陜西省氣象局重點科研項目（2016z-5）。

作者簡介孟妙志（1964—），女，甘肅平?jīng)鋈?，高級工程師，從事天氣預(yù)報及其研究工作。

收稿日期2017-07-21

陜西省寶雞市隴縣位于六盤山雹源影響區(qū)，是寶雞冰雹發(fā)生次數(shù)最多、雹災(zāi)影響最重的縣區(qū)，每年都有冰雹天氣出現(xiàn)，易成災(zāi)[1]。寶雞多普勒雷達已經(jīng)于2008年6月啟用，但目前預(yù)報、人工防雹仍使用基于711雷達的參考指標(biāo)[2-3]，缺乏利用多普勒雷達的預(yù)報預(yù)警指標(biāo)。隴縣2015年7月18日、2016年6月12日均出現(xiàn)大冰雹，對隴縣烤煙、玉米等農(nóng)作物造成了嚴重的災(zāi)害，引起社會的高度關(guān)注。筆者利用1980—2016年隴縣記錄資料和寶雞多普勒雷達資料，統(tǒng)計分析近37年來隴縣冰雹氣候特征和雷達特征，提煉基于多普勒雷達的新型短臨預(yù)報預(yù)警指標(biāo)，為及時防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。

1資料與方法

利用隴縣氣象局人工影響天氣辦公室完整記錄的1980—2016年冰雹資料，采用數(shù)理統(tǒng)計方法，分析近37年來隴縣冰雹時空特征。利用多普勒雷達資料對風(fēng)暴發(fā)展特征進行統(tǒng)計分析，探討上游風(fēng)暴對隴縣風(fēng)暴的指標(biāo)性和大小冰雹的回波特征、區(qū)別。

統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)：有冰雹發(fā)生時間和地點的記錄，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位統(tǒng)計。氣象上，根據(jù)冰雹直徑尺寸，分為大冰雹、小冰雹，直徑≥2 cm為大冰雹，直徑<2 cm為小冰雹。經(jīng)統(tǒng)計，2008—2016年隴縣出現(xiàn)5例大冰雹和31例小冰雹過程。

2隴縣冰雹氣候特征

2.1年分布

近37年來隴縣冰雹總次數(shù)為193次，年頻次5.2次/a。冰雹年分布最多為1983年的12次；最少為1995年的0次；有7年冰雹出現(xiàn)次數(shù)大于9次，分別為1980年11次、1982年10次、1983年12次、1991年11次和2002年10次、1981年9次和2015年9次（圖1）。

2.2月分布

隴縣冰雹出現(xiàn)在3—10月，主要出現(xiàn)于6—8月，冰雹頻次分別為1.4、1.1、1.0次/a，6月最多；3和10月均僅出現(xiàn)1次冰雹。單月冰雹發(fā)生最多：6月7次（2016年）、7月4次（2015年）、8月5次（1983年）、9月4次（1991年）、5月3次（2002年）。由此可見，近37年來隴縣冰雹年年有，6月至少1次。

37年中，直徑>2 cm的大冰雹出現(xiàn)總次數(shù)為39次，年頻次1.1次/a，最多年份為1991年，共5次，次多為1999年，共4次，2007年共3次；有12年未觀測到大冰雹。大冰雹出現(xiàn)于4—9月，集中出現(xiàn)在6—8月，累計分別為10、9、8次，9月有6次、5月4次，4月為最少，僅有2次。單月大冰雹發(fā)生最多2次（6、7、8、9月均2次）。由此可見，隴縣每年6月最易有冰雹、大冰雹出現(xiàn)。

2.3日分布

近37年來隴縣冰雹出現(xiàn)在09∶00—22∶00，主要出現(xiàn)在13∶00—20∶00，最多集中在14∶00—17∶00，這個時段是防雹重點。

2.4空間分布

以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位統(tǒng)計，隴縣冰雹呈現(xiàn)自北向南減少分布（圖2），冰雹主要在北部，大冰雹與冰雹分布一致：與上游甘肅交界的鄉(xiāng)鎮(zhèn)形成多雹區(qū)（東西向帶狀），新集川最多（43次），火燒寨次多（34次），河北、李家河、固關(guān)數(shù)量相當(dāng)（30次），排第3。隴縣冰雹分布是六盤山雹源的直接反映。

3隴縣冰雹多普勒雷達特征

3.1冰雹風(fēng)暴路徑

經(jīng)統(tǒng)計，隴縣上游午后發(fā)展的強對流對隴縣對流天氣有關(guān)聯(lián)指示性，隴縣的冰雹風(fēng)暴均自上游移入隴縣發(fā)展，隴縣冰雹與上游雷達組合反射率因子（CR）≥45 dBz風(fēng)暴單體關(guān)聯(lián)度100%。

原始風(fēng)暴在上游形成，風(fēng)暴自西北向東南移進隴縣，移入影響隴縣的路徑，如圖2中箭頭所示，分為西路（天水張家川）、西北路（華亭）、北路（崇信）。經(jīng)統(tǒng)計，大冰雹有2例西北路、1例西路、2例北路；小冰雹主要為西北路，僅1例西路，1例北路?？梢姡]縣冰雹風(fēng)暴自西北路移來居多，即華亭移來占主體，因此與華亭毗鄰的新集川成為隴縣冰雹中心。

統(tǒng)計顯示，原始風(fēng)暴在上游華亭、崇信形成為CR≥45 dBz單體后移入隴縣的時間，大冰雹為20～74 min，平均46 min，小冰雹為18～43 min，平均33 min。大冰雹風(fēng)暴醞釀時間長、移動較慢，小冰雹風(fēng)暴移動較快。

隴縣冰雹與上游CR≥45 dBz對流單體關(guān)聯(lián)度100%，原始風(fēng)暴在上游華亭形成為CR≥45 dBz單體后移入隴縣的時間平均30～40 min，據(jù)此氣象臺可在上游出現(xiàn)CR≥45 dBz的風(fēng)暴時提前發(fā)布短臨預(yù)報，人工影響天氣辦公室及時進行防雹作業(yè)準(zhǔn)備，風(fēng)暴移近隴縣邊界提前發(fā)布冰雹預(yù)警信號。

3.2冰雹雷達因子統(tǒng)計

三體散射和旁瓣回波是風(fēng)暴產(chǎn)生冰雹的指示性特征，統(tǒng)計顯示，隴縣大冰雹單體回波強度強，CR為60～65 dBz 、垂直累積液態(tài)含水量（VIL）為55～65 kg/m2，均出現(xiàn)旁瓣回波和三體散射，三體散射維持12～36 min，平均28 min；風(fēng)暴三體散射出現(xiàn)1～2個體掃開始降冰雹；隴縣小冰雹單體回波強度較強，CR為55～60 dBz、VIL為45～60 kg/m2，僅出現(xiàn)旁瓣回波。6°仰角最先出現(xiàn)旁瓣回波和三體散射特征，因此結(jié)合CR強度、通過高仰角產(chǎn)品特征回波可及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴冰雹特征。

強單體風(fēng)暴降雹同時會激發(fā)新單體，2個單體先后影響造成二次降雹。大冰雹小冰雹各均有4例為2個單體先后影響隴縣降雹。因此，需高度關(guān)注強單體可能造成二次降雹。

4典型大冰雹個例雷達分析

2015年7月18日15∶00—17∶00，寶雞隴縣出現(xiàn)冰雹天氣，降雹持續(xù)30～40 min，最大直徑4 cm，同時出現(xiàn)短時強降水、7級以上大風(fēng)。2016年6月12日18∶00—20∶00，寶雞隴縣出現(xiàn)雷陣雨伴冰雹天氣，先后2次降雹，累計時間35 min，冰雹最大直徑2 cm?！?015.7.18”“2016.6.12”這2次大冰雹天氣集中發(fā)生于隴縣，雷達顯示，對流風(fēng)暴均自上游華亭生成、東南向移入隴縣發(fā)展降雹，強度大、致災(zāi)重。

4.1“2015.7.18”過程雷達特征分析

4.1.1回波演變特征。

隴縣強對流歷時2 h（18日15∶00—17∶00），先后受2個單體風(fēng)暴A、B影響，A是15∶00自上游華亭移入隴縣，15∶09—16∶04影響隴縣，連續(xù)5個體掃出現(xiàn)三體散射和旁瓣回波，回波中心強度60～65 dBz、VIL值55～64 kg/m2，且梯度很大，對應(yīng)隴縣出現(xiàn)第1次降（大）冰雹持續(xù)20 min左右。單體A減弱時在右后一側(cè)形成單體B，16∶11—17∶00影響隴縣，連續(xù)4個體掃出現(xiàn)三體散射，中心強度60～64 dBz、VIL值50～68 kg/m2，且梯度很大，對應(yīng)隴縣出現(xiàn)第2次降冰雹、持續(xù)15 min左右。由圖3可見，單體A、B為中心強度大、結(jié)構(gòu)緊密、梯度大的風(fēng)暴。當(dāng)單體CR≥60 dBz且VIL≥55 kg/m2出現(xiàn)三體散射和旁瓣回波對應(yīng)降大冰雹。

4.1.2超級單體特征。

0.5°、2.4°仰角反射率因子圖（圖4a1、a2）和1.5°仰角徑向速度圖（圖4b）顯示，單體A三體散射特征明顯，有勾狀回波形態(tài)，雙箭頭指向風(fēng)暴的低層入流缺口；而6.0°仰角的圖中雷達反射率因子（R）≥55 dBz強回波中心落在低層弱回波處（圖4a3），即低層入流缺口對應(yīng)的弱回波區(qū)之上有一個強回波懸垂。沿雷達徑向通過最強反射率因子核心做垂直剖面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，強回波懸垂明顯；回波懸垂上R≥50 dBz高度達到9 km，遠在當(dāng)日-20 ℃層（7.6 km）以上，剖面左側(cè)的強回波（達65 dBz）對應(yīng)大冰雹的下降通道，已經(jīng)接地對應(yīng)隴縣出現(xiàn)直徑4 cm的大冰雹。

中氣旋是雹暴的重要特征[4]，“2015.7.18”過程中雷達產(chǎn)品未識別出中氣旋，經(jīng)過人工退模糊后，人工可識別出中氣旋，中氣旋持續(xù)5個體掃。中氣旋、勾狀回波形態(tài)表明單體A是超級單體風(fēng)暴。

4.2“2016.6.12”過程雷達特征分析

17∶56—18∶45，風(fēng)暴單體A1影響隴縣，持續(xù)6個體掃有三體散射和旁瓣回波特征（圖5a、b），CR最大強度為60～65 dBz，VIL中心值達60 kg/m2，且梯度大，隴縣持續(xù)20 min降直徑2 cm冰雹。風(fēng)暴A1減弱時其右前一側(cè)發(fā)展新風(fēng)暴單體A2，影響隴縣（圖5），風(fēng)暴A2持續(xù)5個體掃三體散射和旁瓣回波特征，CR達到 60～65 dBz，VIL中心值達69 kg/m2，且梯度很大，對應(yīng)隴縣出現(xiàn)15 min降直徑2 cm冰雹。

由6月12日隴縣產(chǎn)生冰雹的2個單體旺盛階段（A1單體18∶21和A2單體18∶58）的剖面圖（圖6）可見，2個單體強反射率中心高度達6 km以上，強回波達9 km，三體散射特征明顯。對應(yīng)的徑向速度剖面顯示，A1、A2風(fēng)暴單體中心6 km高度上均有徑向輻合（對應(yīng)強回波中心），這是風(fēng)暴強烈發(fā)展的動力，在風(fēng)暴后側(cè)低層均有徑向輻散。

綜上所述，隴縣“2016.6.21”冰雹是強單體風(fēng)暴過程，強對流歷時100 min（17∶56—19∶36）先后受2個強單體風(fēng)暴影響，A1風(fēng)暴6個體掃、A2風(fēng)暴5個體掃持續(xù)三體散射和旁瓣回波特征，對應(yīng)出現(xiàn)兩輪大冰雹。

4.3最強回波特征

VIL產(chǎn)品是判斷冰雹等災(zāi)害性天氣的有效指標(biāo)之一。降雹單體尤其是強降雹單體在成熟前期有明顯VIL躍增現(xiàn)象[5]，在VIL達到最大值后開始降雹。統(tǒng)計“2015.7.18”和“2016.6.12”2次大冰雹過程中風(fēng)暴單體主要時段VIL最大值演變可見，2次過程中風(fēng)暴單體發(fā)展迅速，經(jīng)1～2個體掃VIL值躍增至最大（60 kg/m2），降雹后快速下降為40 kg/m2。

定義風(fēng)暴單體VIL與頂高之比為VIL密度。有研究表明，風(fēng)暴單體VIL密度超過4 kg/m3，單體會產(chǎn)生大冰雹[6]。

由表1可見，2次風(fēng)暴單體內(nèi)最大反射率因子均超過60 dBz，最大65 dBz，對應(yīng)高度在6～7 km；45 dBz回波高度10～11 km；回波頂高13～15 km。其中VIL為60～69 kg/m2，VIL密度4.4～4.7 kg/m3。

綜上分析，2次過程中風(fēng)暴單體出現(xiàn)三體散射和旁瓣回波時，CR≥60 dBz、VIL持續(xù)≥55 kg/m2且VIL密度>4 kg/m3，對應(yīng)有大冰雹產(chǎn)生。

4.4冰雹指數(shù)和風(fēng)暴追蹤信息產(chǎn)品使用檢驗

對流風(fēng)暴能否產(chǎn)生冰雹及風(fēng)暴未來影響區(qū)域是短臨預(yù)報預(yù)警的重點、難點，寶雞雷達冰雹指數(shù)（HI）和風(fēng)暴追蹤信息（STI）產(chǎn)品是短臨預(yù)報業(yè)務(wù)中的參考，現(xiàn)對這2次大冰雹過程的預(yù)測產(chǎn)品進行檢驗。

HI產(chǎn)品識別出2次過程風(fēng)暴可能產(chǎn)生冰雹：預(yù)測產(chǎn)生大冰雹的概率為100%、冰雹最大直徑為6 cm左右。

“2015.7.18”過程，7月18日15∶15—15∶46、16∶23—16∶48大冰雹概率100%、預(yù)測冰雹直徑5.7 cm，與實況降雹4.0 cm比較略偏大。

“2016.6.12”過程，18∶08—19∶16持續(xù)預(yù)測風(fēng)暴產(chǎn)生大冰雹的概率為100%、冰雹直徑為3～6 cm，與實況

降雹2 cm比較，預(yù)報冰雹直徑偏大。分析可見，當(dāng)單體CR

≥60 dBz且VIL≥55 kg/m2，即對應(yīng)單體出現(xiàn)三體散射時段，HI產(chǎn)品預(yù)測大冰雹的概率為100%，且預(yù)測大冰雹出現(xiàn)（較實況）早、結(jié)束晚，即預(yù)測降雹時間長、有提前量，因此可參考冰雹指數(shù)產(chǎn)品發(fā)布預(yù)警。

STI產(chǎn)品提供未來1 h、每15 min的風(fēng)暴移動路徑預(yù)測。

對比2次過程風(fēng)暴實際軌跡和STI產(chǎn)品預(yù)測風(fēng)暴路徑發(fā)現(xiàn)，2次過程引導(dǎo)氣流均為西北氣流，“2015.7.18”過程中預(yù)測路徑偏向風(fēng)暴右側(cè)、移速差別小，略偏快；“2016.6.12”過程中預(yù)測路徑偏向風(fēng)暴左側(cè)、移速偏快。雷達預(yù)測風(fēng)暴路徑與風(fēng)暴實際軌跡夾角在30°以內(nèi)。由此可見，雷達預(yù)測風(fēng)暴路徑與風(fēng)暴軌跡存在誤差，使用時可考慮預(yù)測風(fēng)暴路徑左右30°區(qū)域受風(fēng)暴影響。

5結(jié)論

（1）隴縣冰雹年頻次為5.2次/a，而大冰雹年頻次為1.1次/a，隴縣每年至少出現(xiàn)1次冰雹；大冰雹和冰雹分布一致：主要在北部，與上游甘肅交界的5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)形成東西向帶狀多雹區(qū)，新集川冰雹最多。

（2）隴縣冰雹與上游CR≥45 dBz風(fēng)暴直接相關(guān)，上游風(fēng)暴經(jīng)西路、西北路、北路移入隴縣發(fā)展，其中經(jīng)（華亭）西北路移入隴縣的居多，對應(yīng)新集川冰雹（大冰雹）最多。上游原始風(fēng)暴移入隴縣的時間為18～100 min，據(jù)此氣象臺可提前發(fā)布冰雹預(yù)警信號，人工影響天氣辦公室及時進行防雹作業(yè)準(zhǔn)備。

（3）風(fēng)暴出現(xiàn)旁瓣回波和三體散射將產(chǎn)生大冰雹，風(fēng)暴只出現(xiàn)旁瓣回波產(chǎn)生小冰雹。強單體風(fēng)暴會激發(fā)新單體，造成二次降雹。

（4）雷達分析表明，“2015.7.18”和“2016.6.12”2次大冰雹非常典型，自上游華亭移入發(fā)展的強單體風(fēng)暴及其右后一側(cè)產(chǎn)生新單體風(fēng)暴，致隴縣產(chǎn)生兩輪降雹。其中“2015.7.18”過程是有勾狀回波形態(tài)、存在中氣旋的超級單體風(fēng)暴，“2016.6.12”過程是強單體風(fēng)暴。

（5）大冰雹產(chǎn)生于風(fēng)暴VIL≥55 kg/m2且CR≥60 dBz出現(xiàn)三體散射和旁瓣回波特征的時段；風(fēng)暴三體散射出現(xiàn)1～2個體掃開始降冰雹。

（6）雷達HI、STI產(chǎn)品可參考發(fā)布預(yù)警。HI產(chǎn)品預(yù)測風(fēng)暴產(chǎn)生大冰雹的概率100%具有提前量、預(yù)測冰雹尺寸偏大。未來風(fēng)暴影響地可考慮STI產(chǎn)品預(yù)測風(fēng)暴路徑左右30°區(qū)域。

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