河北承德地區(qū)冰雹天氣雷達(dá)預(yù)警指標(biāo)分析

（承德市氣象局，河北承德市，067000） 張曉輝 尤國軍 易永力 譚國明 周士茹

冰雹作為一種自然災(zāi)害，對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)危害巨大，一場(chǎng)強(qiáng)烈的降雹會(huì)對(duì)局地的農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、交通、通信、城市建筑造成毀滅性的災(zāi)害，尤其是對(duì)煙草、棉花、水果等經(jīng)濟(jì)作物的損害更為嚴(yán)重。承德地處華北東北部，地形地貌十分復(fù)雜，冰雹是承德地區(qū)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。由于冰雹多發(fā)生在農(nóng)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵期，農(nóng)作物遭遇降雹將會(huì)受損，甚至危害到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此確定承德地區(qū)冰雹天氣本地預(yù)警指標(biāo)是非常有必要的。

多普勒天氣雷達(dá)的安裝布網(wǎng)為我國對(duì)冰雹、雷雨大風(fēng)天氣的探測(cè)和預(yù)警能力的提高提供了強(qiáng)有力的手段[1-2]。近年來，許多氣象工作者利用新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行了一些個(gè)例研究[3-5]，對(duì)冰雹天氣的預(yù)報(bào)提供了有力的依據(jù)。在短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中，要判斷未來的天氣是否會(huì)出現(xiàn)冰雹是短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的難點(diǎn)。王福俠[6]分析了河北中南部地區(qū)2004年的8次冰雹過程,總結(jié)得出當(dāng)回波強(qiáng)度大于等于50dBz，回波頂高大于等于10km，垂直累積液態(tài)含水量大于等于35kg/m2時(shí)容易降雹，垂直累積液態(tài)含水量越大，冰雹直徑越大。張崇莉[7]對(duì)麗江市2006～2010年出現(xiàn)的31次冰雹天氣過程的多普勒雷達(dá)回波資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明∶冰雹云回波具有較高的基本反射率因子值，成熟階段的冰雹云在PPI圖上多呈點(diǎn)狀、塊狀、帶狀，強(qiáng)烈的冰雹過程中還會(huì)出現(xiàn)鉤狀回波、線狀回波、弓形回波、V型缺口、指狀回波及三體散射現(xiàn)象等。王令[8]通過對(duì)北京地區(qū)2001年和2002年出現(xiàn)的32次降雹時(shí)伴隨出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象分類和對(duì)雹云多普勒天氣雷達(dá)徑向速度場(chǎng)圖像特征的分析統(tǒng)計(jì)，得出“大風(fēng)區(qū)”、“中氣旋”是經(jīng)常出現(xiàn)降雹的多普勒徑向速度圖像特征。目前還沒有對(duì)承德地區(qū)冰雹天氣多普勒雷達(dá)的相關(guān)預(yù)警指標(biāo)的總結(jié)、分析。對(duì)2012～2016年承德市區(qū)周邊縣出現(xiàn)的11次冰雹天氣過程的多普勒雷達(dá)回波資料特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從中得出冰雹天氣多普勒雷達(dá)預(yù)警指標(biāo)，為冰雹天氣的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

利用2012～2016年承德地區(qū)常規(guī)氣象觀測(cè)資料、C波段多普勒雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料，采用雷達(dá)基數(shù)據(jù)反演及統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)承德地區(qū)11次冰雹天氣過程的雷達(dá)回波強(qiáng)度（19號(hào)產(chǎn)品）、回波頂高（41號(hào)產(chǎn)品）、速度回波（27號(hào)產(chǎn)品）、垂直累積液態(tài)含水量（57號(hào)產(chǎn)品）、組合反射率（37號(hào)產(chǎn)品）等產(chǎn)品的演變進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

由于承德市區(qū)處于雷達(dá)靜錐區(qū)內(nèi)，而豐寧、圍場(chǎng)、興隆、寬城和平泉等縣區(qū)距離雷達(dá)又較遠(yuǎn)（均超過50km），因此本次研究主要選取隆化縣、灤平縣、承德縣出現(xiàn)的冰雹過程進(jìn)行分析。

表1 冰雹的雷達(dá)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2 冰雹的雷達(dá)參數(shù)特征分析

結(jié)合目前對(duì)雷達(dá)參數(shù)判別冰雹的有效性研究，再根據(jù)雷達(dá)業(yè)務(wù)運(yùn)行的實(shí)際情況，甄選出3種雷達(dá)參數(shù)，即對(duì)承德地區(qū)11次冰雹過程的回波強(qiáng)度、回波頂高、垂直累積液態(tài)含水量等雷達(dá)判別因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表1）。

2.1 回波強(qiáng)度

雷達(dá)發(fā)射電磁波進(jìn)入大氣，在大氣中碰到云粒子、雨粒子或空氣介質(zhì)，入射電磁波向四面八方散射開來，雷達(dá)接收粒子的后向散射能量，粒子越大，后向散射的能量越大，雷達(dá)回波強(qiáng)度越大，在雷達(dá)回波強(qiáng)度圖上就會(huì)變現(xiàn)為大值區(qū)[1]。分析承德地區(qū)近5年的11次冰雹過程（表1）發(fā)現(xiàn)，最大回波強(qiáng)度均超過58dBz，2014年6月9日承德縣冰雹回波強(qiáng)為最小值58dBz；2014年5月19日灤平縣和2014年8月21日隆化縣冰雹回波強(qiáng)為最大值65dBz。其中有10次冰雹回波的最大回波強(qiáng)度超過60dBz，占99%。將回波強(qiáng)度超過58dBz作為冰雹預(yù)警的參考依據(jù)之一。

2.2 回波頂高

回波頂高度ET(Echo Top)是衡量對(duì)流天氣強(qiáng)弱程度的重要標(biāo)志，它反映了云內(nèi)垂直上升氣流的強(qiáng)度，回波頂高度越高，云內(nèi)上升氣流越強(qiáng)，而上升氣流又是決定云內(nèi)所能形成的最大水滴或冰雹尺度的重要因素[1]。分析11次冰雹過程，除2013年6月11日灤平冰雹和2014年6月9日承德縣冰雹回波頂高低于10km，分別為7km和8km，其余回波頂高均超過10km，占82%，因此將回波頂高超過7km作為冰雹預(yù)警的參考依據(jù)之一。必須指出的是，在研究中發(fā)現(xiàn)，一些回波頂高達(dá)到上述的高度時(shí)也未曾有冰雹的發(fā)生，所以在考慮冰雹的發(fā)生時(shí)要把回波頂高和其他回波特征聯(lián)系起來分析，減少冰雹空?qǐng)?bào)的發(fā)生。

2.3 垂直累積液態(tài)含水量

Greene[9]等提出了一種新的預(yù)報(bào)因子，垂直累計(jì)液態(tài)含水量VIL（Vertically Integrated Liquid Water conten）,Winston等發(fā)現(xiàn)VIL對(duì)冰雹的存在有較好的指示作用。分析11次冰雹過程，垂直累積液態(tài)水含量最小為33kg/m2，對(duì)應(yīng)回波強(qiáng)度為63dBz，冰雹直徑為6mm；最大為63kg/m2，對(duì)應(yīng)最大回波強(qiáng)度63dBz。其中垂直累積液態(tài)水含量超過為38kg/m2占82%，因此可將垂直累積液態(tài)水含量超過33kg/m2作為承德地區(qū)冰雹預(yù)警的參考依據(jù)之一。

另外，在分析這11次冰雹過程的回波時(shí), 還發(fā)現(xiàn)在冰雹發(fā)展初期的2～4個(gè)體掃垂直累積液態(tài)含水量一般會(huì)有一個(gè)跳躍性增長(zhǎng)，通過對(duì)這11次冰雹過程的研究發(fā)現(xiàn)，除2014年5月19日灤平冰雹過程，降雹前相鄰兩個(gè)體掃垂直累積液態(tài)含水量沒有明顯躍增外，其余均有明顯躍增，且兩個(gè)相鄰體掃躍增值在20～33kg/m2之間，因此垂直累積液態(tài)含水量的躍增對(duì)預(yù)報(bào)冰雹具有非常重要的意義。

3 冰雹的雷達(dá)回波特征分析

主要是對(duì)冰雹過程中雷達(dá)回波的形狀、移速，徑向速度特征以及是否存在“三體散射”、V型缺口等現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表2）。

3.1 回波形狀和移速

表2 冰雹的雷達(dá)回波特征統(tǒng)計(jì)表

統(tǒng)計(jì)這11次冰雹過程發(fā)現(xiàn)，大部分冰雹云回波都是塊狀，只有2013年5月19日和2016年5月1日回波呈帶狀。在冰雹云在發(fā)展初期，一般移動(dòng)速度不大，發(fā)展較成熟時(shí)，移速加大，不同回波移動(dòng)速度相差較大，一般在30～60km/h。

3.2 徑向速度（2.4°仰角）

冰雹回波因持續(xù)時(shí)間短、突發(fā)性強(qiáng)，在基本徑向速度資料中以分析中小尺度特征為主。分析11個(gè)冰雹個(gè)例的基本徑向速度圖，出現(xiàn)冰雹天氣時(shí)基本徑向速度資料上一般伴有風(fēng)場(chǎng)的輻合，風(fēng)場(chǎng)輻合主要以輻合線及逆風(fēng)區(qū)為主。逆風(fēng)區(qū)是指在低仰角沒有速度模糊的基本徑向速度圖中，凡在同一方向的速度區(qū)中，出現(xiàn)的另一種方向的速度區(qū)為逆風(fēng)區(qū)，且風(fēng)區(qū)不能跨越測(cè)站原點(diǎn)。在11次冰雹個(gè)例中風(fēng)場(chǎng)輻合占8次，其中逆風(fēng)區(qū)占4次；大風(fēng)區(qū)1次，速度模糊2次。因此風(fēng)場(chǎng)輻合、大風(fēng)區(qū)以及徑向速度模糊都是冰雹回波的典型風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，都有利于冰雹的形成。

3.3 三體散射

三體散射是由于雷達(dá)能量在強(qiáng)反射率因子能量區(qū)(回波很強(qiáng))向前散射造成的異?；夭ā?duì)這11次冰雹過程研究發(fā)現(xiàn)，有3次出現(xiàn)“三體散射”現(xiàn)象，這3次分別出現(xiàn)在2012年6月18日灤平縣、2014年8月21日隆化縣以及2015年5月17日承德縣，冰雹直徑均超過10mm，觀測(cè)位置均位于3.4°和4.3°仰角的基本反射率因子圖上，最大回波強(qiáng)度均超過65dBz。觀測(cè)時(shí)出現(xiàn)三體散射現(xiàn)象對(duì)預(yù)報(bào)員來說非常容易識(shí)別，而觀測(cè)到三體散射可以肯定有大冰雹。當(dāng)回波強(qiáng)度高于65dBz時(shí),要注意觀測(cè)三體散射回波。

3.4 V型缺口

Lemon等在“風(fēng)暴結(jié)構(gòu)來識(shí)別冰雹”中提到了V型缺口，將其視為冰雹的識(shí)別指標(biāo)。C波段雷達(dá)中V型缺口內(nèi)往往殘留有強(qiáng)度為0～15dBz的回波,因此將C波段雷達(dá)中V型缺口定義為∶遠(yuǎn)離雷達(dá)一側(cè)出現(xiàn)的呈近似于V型的缺口，缺口內(nèi)無回波或存在0-15dBz的弱回波。夏文梅[10]對(duì)V型缺口在C波段多普勒雷達(dá)中的應(yīng)用研究中指出V型缺口的最佳觀測(cè)仰角為0.5～2.4°?？紤]到承德市是多山地形，如果仰角太低對(duì)雷達(dá)回波的探測(cè)將會(huì)受到地形的阻擋，因此選用2.4°仰角去觀測(cè)。

統(tǒng)計(jì)這11次冰雹過程的雷達(dá)回波發(fā)現(xiàn)，除2012年6月18日隆化縣、2014年5月19日灤平縣、2015年5月17日承德縣冰雹過程中未出現(xiàn)V型缺口外，其余過程中均有V型缺口出現(xiàn)，因此，可以將雷達(dá)中V型缺口（2.4°）作為承德市冰雹識(shí)別的指標(biāo)。

另外，假定出現(xiàn)V型缺口時(shí)，就開始發(fā)布回波未來影響區(qū)域有冰雹出現(xiàn)，將開始出現(xiàn)V型缺口的時(shí)間和開始降雹的時(shí)間之差視為V型缺口對(duì)冰雹的提前預(yù)警時(shí)間。那么對(duì)上述8次有V型缺口特征并出現(xiàn)降雹的過程中，V型缺口對(duì)冰雹預(yù)警的時(shí)間提前量為7～21min。

4 結(jié)論與討論

（1）通過對(duì)承德地區(qū)11次冰雹過程雷達(dá)參數(shù)特征的統(tǒng)計(jì)分析得到，最大回波強(qiáng)度超過58dBz、回波頂高超過7km、垂直液態(tài)累計(jì)含水量超過33kg/m2，都可以作為承德地區(qū)冰雹預(yù)警的定量指標(biāo)；并且垂直累積液態(tài)含水量的躍增，兩個(gè)相鄰體掃躍增值在20～33kg/m2之間，對(duì)預(yù)報(bào)冰雹具有非常重要的意義。

（2）通過對(duì)承德地區(qū)11次冰雹過程雷達(dá)回波特征的統(tǒng)計(jì)分析得到，冰雹回波的形狀主要分為塊狀或帶狀兩種，徑向速度圖上，逆風(fēng)區(qū)、大風(fēng)區(qū)、中尺度輻合以及徑向速度模糊，基本反射率因子圖上，三體散射回波、強(qiáng)回波遠(yuǎn)離雷達(dá)一側(cè)出現(xiàn)的V型的缺口等這些雷達(dá)的回波特征，為承德地區(qū)冰雹預(yù)警的定性判斷提供了重要的依據(jù)。

（3）V型缺口對(duì)承德地區(qū)冰雹預(yù)警的時(shí)間提前量為7～21min。另外，實(shí)際預(yù)報(bào)值班中，在雷達(dá)反射率因子圖上對(duì)強(qiáng)回波（≥45dBz）作垂直剖面，剖面圖上，45dBz回波質(zhì)心出現(xiàn)的位置作為判別冰雹出現(xiàn)的依據(jù)，若45dBz回波質(zhì)心出現(xiàn)在0℃層附近，則該回波可能產(chǎn)生冰雹；若45dBz回波質(zhì)心出現(xiàn)在-20℃層附近，則該回波肯定產(chǎn)生冰雹，可將45dBz回波頂高度超過0℃層高度，作為承德地區(qū)冰雹預(yù)警的指標(biāo)之一，運(yùn)用到以后的實(shí)際工作當(dāng)中。