黔江CD雷達產(chǎn)品特征及其在短臨預(yù)警中的應(yīng)用

易田 何春輝 李文英

（重慶市黔江區(qū)氣象局，重慶 40900）

0 引言

黔江區(qū)新一代天氣雷達為成都784廠生產(chǎn)的CINRAD/CD型雷達，位于黔江區(qū)城東八面山中山頂，海拔高度1725 m，屬于高山雷達。

黔江區(qū)CD雷達自2007年11月建成并投入業(yè)務(wù)運行以來，對渝東南片區(qū)強對流天氣監(jiān)測和預(yù)警、短時臨近天氣預(yù)報、人工影響天氣、重大社會活動氣象保障服務(wù)等方面有較好的指導(dǎo)作用，促進了本地中小尺度災(zāi)害性天氣的預(yù)警能力，較大地提升了黔江氣象應(yīng)急保障能力，在防災(zāi)減災(zāi)和自然資源開發(fā)中發(fā)揮了出明顯經(jīng)濟效益。進一步系統(tǒng)地研究雷達產(chǎn)品特征及短時臨近自動預(yù)警技術(shù)，提高雷達產(chǎn)品的應(yīng)用能力，更好地進行強對流天氣的監(jiān)測和預(yù)警，指導(dǎo)人工影響天氣工作，是業(yè)務(wù)工作的需要，也是氣象防災(zāi)減災(zāi)、氣象為農(nóng)服務(wù)的需要。

本文所有雷達資料均為黔江CD雷達產(chǎn)品資料，其中短時強降水和大風的觀測資料來源于黔江站及區(qū)域自動站資料，冰雹資料以各區(qū)縣上報災(zāi)情及報表記錄情況為準。

1 黔江CD雷達產(chǎn)品特征分析

強對流天氣最主要的類型有雷暴、短時強降水、冰雹、雷雨大風等。由于短時強降水、冰雹、雷雨大風一般都伴隨雷暴，因此不再單獨分析雷暴的雷達產(chǎn)品特征，重點分析能夠造成較大災(zāi)害的短時強降水、冰雹、雷雨大風等3種不同的災(zāi)害性天氣類型，分析其雷達產(chǎn)品特征的異同。本文中短時強降水指1 h雨量≥20 mm的降雨，雷雨大風定義為瞬時風速≥17 m/s。

1.1 短時強降水雷達產(chǎn)品特征

1.1.1 短時強降水特征

短時強降水作為最為普遍的一種強對流天氣，是造成暴洪、山體滑坡、城市內(nèi)澇等氣象災(zāi)害及次生災(zāi)害的直接原因。2010年“7.9”暴雨，造成了黔江區(qū)內(nèi)大小滑坡點達100多處，2015年“7.22”暴雨，12—13時2個小時雨量達56.2 mm，造成城區(qū)大面積積水，內(nèi)澇嚴重。黔江區(qū)內(nèi)最大小時雨強為89.5 mm/h（金洞2013年6月22日）。

根據(jù)2012—2016年黔江降雨資料分析，黔江南部地區(qū)發(fā)生短時強降水的次數(shù)較多，中部地區(qū)發(fā)生短時強降水的次數(shù)較為平均，北部地區(qū)發(fā)生短時強降水的次數(shù)相對較少；小時雨強的大值區(qū)也出現(xiàn)在南部高海拔地區(qū)和迎風坡地帶（圖1）。這種分布與黔江區(qū)地形有明顯的關(guān)系，南部地區(qū)嶺谷相間，山嶺主要呈南北走向，這導(dǎo)致了處于高海拔和迎風坡位置的水市、五里、馬喇等地成為短時強降水的高發(fā)區(qū)；而處于背風坡地帶的白土、新華、濯水等地短時強降水較少；中北部地區(qū)地勢較為平緩，短時強降水分布則較為均勻一些。

圖1 短時強降水事件發(fā)生頻次空間分布（a）和小時雨強極大值分布（b）Fig. 1 Spatial distribution of frequency of short-term heavy precipitation events (a) and maximum value of hourly rainfall intensity (b)

黔江區(qū)短時強降水有3個易發(fā)時段：主高峰在00—06時、次高峰在09時及15—16時，其中，主高峰00—06時段出現(xiàn)短時強降水的概率達到42%，而次高峰09時和16時單小時出現(xiàn)短時強降水的概率均超過了5%。短時強降水的持續(xù)時間和過程總雨量均呈明顯的單峰型特征，其中71%的持續(xù)時間集中在30～90 min內(nèi)，59%的持續(xù)時間集中在40～80 min內(nèi)（圖2）。

1.1.2 短時強降水的雷達產(chǎn)品特征

對黔江出現(xiàn)短時強降水時段的CD雷達資料進行分析，造成渝東南地區(qū)短時強降水的回波類型有單體回波、片狀回波（塊狀回波）、帶狀回波（線狀回波）等（圖3），最強回波強度一般都超過50 dBz，大部分超過55 dBz，強回波的持續(xù)時間從十幾分鐘到十幾個小時不等，以下午到晚上發(fā)生居多。

受西風帶的影響，強回波移動方向以西南—東北向或西—東向為主，少數(shù)為南—北向或轉(zhuǎn)向。8月，受東風波影響，多東—西向或東南—西北向。局地熱對流引發(fā)的短時強降水一般持續(xù)時間短，呈現(xiàn)穩(wěn)定少動的特點。

短時強降水的強度場具有的共同特征：一是回波強度一般超過50 dBz，大部分超過55 dBz；二是區(qū)域性短時強降水一般為層狀云回波中夾雜大片的對流性回波，且具有明顯的“列車效應(yīng)”。黔江雷達的速度場較為凌亂，分析具有一定的難度，但是也具有一些共同的特點：一是強降雨區(qū)域一般均伴有風向或風速的輻合；二是區(qū)域性短時強降水發(fā)生時有明顯的低空急流和輻合區(qū)（圖4a和4b）?；夭敻咭话愠^9 km，大部分超過14 km（圖4c）。VIL值一般在6～20 dBz，超過30 dBz時不能確定是否夾雜小冰雹。VWP資料作為參考，一般用于區(qū)域性的短時強降水過程中，當發(fā)現(xiàn)風速增強且順時針旋轉(zhuǎn)角度加大時，回波將會繼續(xù)發(fā)展，降雨持續(xù)。降水量產(chǎn)品對降雨量級的估計有一定的指示意義，當1 h降雨量達到30 mm時，一般會對應(yīng)短時強降水（圖4d）。

圖2 短時強降水過程的持續(xù)時間分布特征（a）和過程總雨量分布特征（b）Fig. 2 Duration distribution characteristics (a) and total rainfall distribution characteristics (b) of short-term heavy precipitation process

圖3 造成短時強降水的不同形態(tài)雷達回波（a）單體回波；（b）帶狀回波；（c）為片狀回波Fig. 3 Various forms of radar echoes causing short-time heavy precipitation(a) single echo, (b) strip echo, (c) sheet echo

1.2 冰雹的雷達產(chǎn)品特征

冰雹是由強對流天氣系統(tǒng)引起的一種劇烈的氣象災(zāi)害，它具有局地性強、突發(fā)性強、持續(xù)時間短、破壞性大等特點，常常伴隨著局地的狂風、短時強降水等災(zāi)害性天氣。根據(jù)江玉華等和李珂等研究發(fā)現(xiàn)，渝東南是重慶市冰雹天氣出現(xiàn)較多的地區(qū)之一，年均降雹日數(shù)為0.4～1.2 d。此外，渝東南受武陵山、方斗山影響，基本上是以局地對流冰雹為主，增加了渝東南地區(qū)冰雹預(yù)報的難度。因此，通過雷達資料識別冰雹云，及時抓住有利防雹作業(yè)時機，開展防雹減災(zāi)作業(yè)非常重要。

選擇2011—2014年多普勒雷達資料比較齊全的冰雹個例共7個，在這7次冰雹天氣過程中，主要回波特征如表1所示。

判別冰雹云的雷達回波指標應(yīng)綜合分析，從回波形狀、強度、頂高、VIL值及特征、冰雹指數(shù)、速度場特征等全方位考慮，總結(jié)出可能降雹的冰雹云的回波特征如下：

1）冰雹回波大部分都是塊狀，且邊界清楚整齊，回波強度≥60 dBz、回波頂高≥14 km、垂直累積液態(tài)含水量≥38 kg/m時（圖5），可能產(chǎn)生降雹。

2）VIL值對識別冰雹回波有很好的指示意義。利用VIL的大小和高強VIL值的維持時間可以預(yù)測冰雹的大小和降雹時間，一般VIL值越大，維持時間越長，冰雹直徑越大，降雹范圍越大。VIL在降雹前1～3個體掃一般會有一個明顯的躍增，降雹開始時VIL值出現(xiàn)峰值，降雹開始時間與VIL峰值的時間基本一致，降雹發(fā)生后VIL值迅速減?。▓D6）。而一般雷雨垂直累積液態(tài)含水量很小且變化不大，依據(jù)此特征結(jié)合其他方法可以提前發(fā)布冰雹的臨近預(yù)報，這對于識別冰雹云、掌握人工防雹的最佳時機具有非常重要的意義。

3）冰雹指數(shù)產(chǎn)品具有一定的使用價值，冰雹指數(shù)為連續(xù)實心三角形、標值大于4且持續(xù)多個體掃時，降雹的可能性很大。

圖4 一些對短時強降水有指標意義的雷達產(chǎn)品（a）低空急流；（b）輻合區(qū)；（c）達到19 km的回波頂高；（d）超過30 mm/h的1 h雨強Fig. 4 Some radar products with indicator significance for short-term heavy precipitation(a) low-altitude jet stream, (b) the convergence zone,(c) the echo top height reaching 19 km, (d) 1-hour rain intensity exceeding 30 mm/h

表1 7次冰雹天氣過程雷達產(chǎn)品特征值統(tǒng)計Table 1 Statistics of characteristic values of radar products in 7 hail weather processes

4）徑向速度圖上出現(xiàn)明顯的風速輻合特別是中層徑向輻合、陣風鋒、輻合區(qū)等特征時，易降雹并產(chǎn)生地面大風。

對于人工防雹來說，只要出現(xiàn)上述任何一項特征都應(yīng)該做出預(yù)警，經(jīng)值班員綜合各項資料分析后確定是否開展人工防雹作業(yè)。

1.3 雷雨大風的雷達產(chǎn)品特征

一般的，把出現(xiàn)極大風速≥17 m/s的大風，并伴有雷雨的這種強對流天氣稱為雷雨大風天氣。雷雨大風天氣具有明顯的中小尺度特征和突發(fā)性、局地性和破壞性等特點，是天氣預(yù)報中的難點。

圖5 2014年8月1日冰雹回波的速度圖（a）、反射率因子圖（b）和VIL圖（c）Fig. 5 Velocity (a), reflectivity factor (b) and VIL (c) of hail echo on 1 August 2014

圖6 2013年7月30日VIL值演變Fig. 6 Snapshoot of VIL value on 30 July 2013

渝東南地區(qū)出現(xiàn)的大風局地性非常強，主要發(fā)生在8月，占比達47%。其中大部分大風過程是由于帶狀回波造成的?；夭◤姸纫话憔苓_到60 dBz以上，速度圖雜亂，有大風區(qū)或輻合區(qū)，部分能分析出中層徑向輻合?；夭敻咭话愠^14 km，最高可超過20 km。VIL值大小不等，有小于10 kg/m的，也有超過50 kg/m的，但是沒有冰雹的大風天氣VIL值大部分在25～40 kg/m。VWP上低層大部分為東北風或偏東風主導(dǎo)。1 h降水量產(chǎn)品一般大于25 mm。

局地大風的發(fā)生一般伴隨著短時強降水、冰雹等，且發(fā)生站點很少。但是部分由帶狀回波造成的大風天氣也可能涉及較大的區(qū)域。其中2013年8月16—18日下午到傍晚，受臺風“尤特”帶來的東風波氣流影響，黔江區(qū)曾連續(xù)3 d出現(xiàn)局地大風天氣，其中16日和18日，出現(xiàn)大風的站點多，影響范圍大，極大風速超過25 m/s（10級）（表2）。

這次雷雨大風表現(xiàn)在雷達回波上有2個明顯的特征：一個是在反射率因子圖上表現(xiàn)為明顯的帶狀回波（弓形回波）特征；另一個是在徑向速度圖上表現(xiàn)出來的成片的速度大值區(qū)（帶），或者是中層徑向輻合（圖7、圖8）。這些特征可以作為預(yù)報雷雨大風的指標。

表2 2013年8月16日和18日黔江區(qū)出現(xiàn)大風的站點及相應(yīng)的小時雨強Table 2 Stations of gale and corresponding hourly rain intensity in Qianjiang District on 16 and 18 August 2013

2 黔江雷達短時臨近自動預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

由于雷達PUP軟件不能提供基于強對流天氣的聲音報警功能，因此，研發(fā)具有自動報警功能的短時臨近自動預(yù)警系統(tǒng)，為預(yù)報員提供提醒功能（特別是夜間）非常必要，有利于提高短時臨近預(yù)報水平。

黔江雷達短時臨近自動預(yù)警系統(tǒng)是重慶市氣象局業(yè)務(wù)技術(shù)攻關(guān)面上項目《黔江區(qū)CD雷達產(chǎn)品特征分析及短時臨近自動預(yù)警研究》的研究成果，預(yù)警使用Visual C++語言開發(fā)，以雷達基數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對雷達基數(shù)據(jù)二值化，均值濾波、開啟運算、閉合運算，采用區(qū)域生長法分離出單個回波聯(lián)通區(qū)域，并對每個回波聯(lián)通區(qū)域的特征進行自動分析計算，實現(xiàn)自動識別、跟蹤和預(yù)警，有效提高了黔江區(qū)域內(nèi)強對流天氣短時臨近預(yù)警能力。

計算每個回波連續(xù)的位置、強度、回波頂高、垂直液態(tài)水含量、雨強等的變化，再根據(jù)雷達回波和黔江邊界之間的距離及影響開始時間，及時進行預(yù)警。

圖7 黔江雷達2013年8月16日16：31時1.5°仰角基本反射率因子（a）和徑向速度（b）Fig. 7 Basic reflectivity factor (a) and radial velocity diagram (b) of 1.5°elevation of Qianjiang radar at 16:31 on 16 August 2013

圖8 黔江雷達2013年8月18日15：26時1.5°仰角基本反射率因子（a）和徑向速度（b）Fig. 8 Basic reflectivity factor (a) and radial velocity diagram (b) of 1.5°elevation of Qianjiang radar at 15:26 on 18 August 2013

2015年8月29日09：55和2015年8月29日10：01相鄰兩個體掃雷達回波表明（圖略），軟件非常準確地追蹤到了同一塊對流云團的移動，繼而自動判斷對流云團的回波強度、面積變化、回波頂高、移動情況等，根據(jù)設(shè)定條件實現(xiàn)計算機自動預(yù)報預(yù)警。

3 結(jié)論

1）黔江區(qū)短時強降水的發(fā)生次數(shù)南部較多、北部較少、中部地區(qū)較為平均。短時強降水有3個易發(fā)時段：即主高峰的00—06時、次高峰的09時及15—16時。短時強降水的持續(xù)時間和過程總雨量均呈明顯的單峰型特征，短時強降水的回波類型有單體回波、片狀回波（塊狀回波）、帶狀回波（線狀回波）等，強回波的持續(xù)時間從十幾分鐘到十幾個小時不等，以下午到晚上發(fā)生居多。受西風帶的影響，強回波移動方向以西南—東北向或西—東向為主，少數(shù)為南—北向或轉(zhuǎn)向。

2）冰雹回波大部分都是塊狀，且邊界清楚整齊，回波強度大于等于60 dBz、回波頂高大于等于14 km、垂直累積液態(tài)含水量大于等于38 kg/m時，可能產(chǎn)生降雹。VIL值對識別冰雹回波有很好的指示意義。利用VIL的大小和高強VIL值的維持時間可以預(yù)測冰雹的大小和降雹時間，一般VIL值越大，維持時間越長，冰雹直徑越大，降雹范圍越大。VIL在降雹前1～3個體掃一般會有一個明顯的躍增，降雹開始時VIL值出現(xiàn)峰值，降雹開始時間與VIL峰值的時間基本一致，降雹發(fā)生后VIL值迅速減小。冰雹指數(shù)產(chǎn)品具有一定的使用價值，冰雹指數(shù)為連續(xù)實心三角形、標值大于4且持續(xù)多個體掃時，降雹的可能性很大。徑向速度圖上出現(xiàn)明顯的風速輻合特別是中層徑向輻合、陣風鋒、輻合區(qū)等特征時，易降雹并產(chǎn)生地面大風。

3）大風局地性非常強，主要發(fā)生在8月，占比達47%。其中大部分大風過程是由于帶狀回波造成的?；夭◤姸纫话憔苓_到60 dBz以上，速度圖雜亂，有大風區(qū)或輻合區(qū)，部分能分析出中層徑向輻合?；夭敻咭话愠^14 km，最高可超過20 km。VIL值大小不等，有小于10 dBz的，也有超過50 dBz的，但是沒有冰雹的大風天氣VIL值大部分在25～40 kg/m。VWP上低層大部分為東北風或偏東風主導(dǎo)。1 h降水量產(chǎn)品一般大于25 mm。預(yù)報雷雨大風兩個最明顯的特征：一個是在反射率因子圖上表現(xiàn)為明顯的帶狀回波（弓形回波）特征；另一個是在徑向速度圖上表現(xiàn)出來的成片的速度大值區(qū)（帶），或者是中層徑向輻合。