基于X波段雷達(dá)的門源地區(qū)人工防雹指標(biāo)研究

趙占秀，王曉雍，任得萍

青海省海北州氣象臺(tái)，青海海晏 810200

門源縣地處青藏高原東北部，祁連山山脈最東南端，海拔在2 388~5 254 m之間，屬大陸性高原氣候。經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)主要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)年景完全依賴天氣情況而定，完全是“靠天吃飯”。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)年景影響最大的氣象災(zāi)害主要有冰雹、干旱、霜凍等，且以冰雹最為嚴(yán)重。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，每年造成的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失中冰雹災(zāi)害的比重達(dá)50%以上。

近年來，為進(jìn)一步增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)能力，氣象部門應(yīng)不斷加大氣象現(xiàn)代化建設(shè)力度。2007年組建的門源縣氣象局人工影響天氣體系在防雹工作中取得了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。2011年新建的方艙式X波段雷達(dá)，在強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警方面發(fā)揮了重要作用，尤其在防災(zāi)減災(zāi)和人影指揮工作中發(fā)揮了第一道防線的作用。業(yè)務(wù)人員在利用雷達(dá)進(jìn)行防雹指揮方面缺乏參考標(biāo)準(zhǔn)，在防雹作業(yè)指導(dǎo)時(shí)存在一定的不確定性。

隨著新一代天氣雷達(dá)技術(shù)的迅速發(fā)展，針對(duì)降雹機(jī)制和人工防雹新技術(shù)的理論研究均取得了新的進(jìn)展[1-3]，為開展人工防雹作業(yè)提供了指導(dǎo)依據(jù)。省內(nèi)外工作者將理論結(jié)合實(shí)際開展多普勒天氣雷達(dá)資料的人工防雹指標(biāo)研究，得出的定量化指標(biāo)值和閾值為防雹作業(yè)提供有效參考。這些指標(biāo)與閾值是否應(yīng)用于X波段雷達(dá)防雹作業(yè)還有待研究。畢力格，畢力格等[4]利用X波段雙偏振雷達(dá)，通過雙偏振參量的特征對(duì)比分析，較好地識(shí)別了短時(shí)強(qiáng)降水與冰雹天天氣過程。青海省內(nèi)利用多個(gè)冰雹個(gè)例，分析X波段雷達(dá)的各產(chǎn)品參量特征，找出判別冰雹天氣的閾值，并應(yīng)用于人工影響天氣作業(yè)的研究并不多。此處利用門源X波段方艙式雷達(dá)和降雹資料，分析得出人工影響天氣的閾值，為高效開展人影防雹作業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料選取和分析方法

1.1 資料的選取

選取2016—2018年5—9月的31個(gè)冰雹天氣個(gè)例（將1次局地降雹作為1個(gè)個(gè)例），根據(jù)每個(gè)個(gè)例降雹的具體時(shí)間，找出與之相對(duì)應(yīng)的門源雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料。由于冰雹出現(xiàn)時(shí)間與雷達(dá)觀測(cè)資料時(shí)間有可能不一致，將冰雹出現(xiàn)時(shí)的最近1個(gè)雷達(dá)體掃作為降雹時(shí)。降雹時(shí)往前選取3個(gè)雷達(dá)體掃，降雹時(shí)往后選取2個(gè)雷達(dá)體掃，總共選取6個(gè)雷達(dá)體掃。根據(jù)每個(gè)冰雹個(gè)例的具體時(shí)間點(diǎn)，從整理的雷達(dá)資料中找出與之相對(duì)應(yīng)的6個(gè)基數(shù)據(jù)。由于雷達(dá)資料有限，可進(jìn)行分析的個(gè)例有12個(gè)（表1）。

表1 與雷達(dá)資料相對(duì)應(yīng)的冰雹個(gè)例

1.2 資料的讀取

利用整理出來的雷達(dá)基數(shù)據(jù)，通過GLC-36型多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品終端對(duì)基數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得到每一個(gè)個(gè)例序列化的組合反射率、垂直積分液態(tài)水含量、回波頂高、最強(qiáng)回波高度等產(chǎn)品。在GLC-36型多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品終端界面中拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)會(huì)顯示經(jīng)度、緯度信息，依據(jù)冰降雹點(diǎn)的經(jīng)度、緯度信息，讀出經(jīng)緯度在1′誤差范圍以內(nèi)的雷達(dá)產(chǎn)品特征值。讀取個(gè)例數(shù)據(jù)時(shí)，由于存在靜錐區(qū)，無法讀取浩門鎮(zhèn)本站的雷達(dá)各參量特征值，故剔除2個(gè)冰雹個(gè)例資料。

每個(gè)個(gè)例得到了一組序列化組合反射率、垂直積分液態(tài)水含量、回波頂高、最強(qiáng)回波高度的值，共有10個(gè)個(gè)例，得到10組特征值。通過對(duì)最強(qiáng)回?fù)芨叨戎档钠拭娣治?，選取回波強(qiáng)度等于30 dBz的強(qiáng)回波高度值。1個(gè)冰雹個(gè)例得到4個(gè)特征量值和序列化值，通過對(duì)這10個(gè)個(gè)例各特征量值的變化分析可知，在降雹前回波強(qiáng)度有所增強(qiáng)，回波頂高升高，降雹結(jié)束后各參量則與之相反，組合反射率、回波頂高及強(qiáng)回波的最大值都出現(xiàn)在降雹前，冰雹天氣中回波頂高往往提前于降雹一個(gè)體掃，垂直積分液態(tài)水含量有明顯躍增。

1.3 分析方法

從10個(gè)冰雹個(gè)例中讀取每個(gè)個(gè)例各特征量的最大值，并分析出這10個(gè)個(gè)例的最大值、最小值及平均值（表2）。

表2 冰雹個(gè)例雷達(dá)各特征參量

2 雷達(dá)產(chǎn)品分析

2.1 組合反射率

組合反射率表示的是在一個(gè)體積掃描中，將常定仰角方位掃描中發(fā)現(xiàn)的最大反射率因子投影到笛卡爾格點(diǎn)上的產(chǎn)品[5]。降雹天氣的組合反射率在32.5~49.0 dBz，平均為39.5 dBz，其中回波強(qiáng)度≥35 dBz的概率為70%，≥40 dBz的概率為50%，說明回波強(qiáng)度≥35 dBz出現(xiàn)冰雹的可能性較大，但通過回波強(qiáng)度不能很快判別門源地區(qū)會(huì)出現(xiàn)哪一類天氣。

2.2 回波頂高

回波頂高度是衡量對(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。降雹天氣回波頂高在6.0～9.7 km，平均值為7.8 km，其中回波頂高≥7 km的概率為80%，≥8 km的概率為50%，說明回波頂高≥7 km易出現(xiàn)冰雹天氣。

2.3 強(qiáng)回波的高度

強(qiáng)回波（≥30 dBz）高度比回波頂高更能說明冰雹云的結(jié)構(gòu)特征。在一定條件下，積雨云垂直發(fā)展越高，回波頂高越高，地面出現(xiàn)降雹的概率越大。但在云中含水量較少時(shí)，即使積雨云垂直發(fā)展很高，也不能形成含水量積累區(qū)，云中雹塊仍不能充分增長(zhǎng)，這時(shí)地面可能沒有降雹。這種積雨云雷達(dá)回波的垂直剖面上，強(qiáng)回波主要在底部，且水平尺度較小時(shí)，易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。而當(dāng)強(qiáng)回波出現(xiàn)在云的中上部時(shí)，降雹的可能性大。降雹時(shí)范圍在5.0～8.8 km,平均值為7.1 km，其中≥6 km的概率為90%，≥7 km的概率為50%，冰雹天氣強(qiáng)回波高度在6 km左右。

2.4 垂直積分液態(tài)水含量

垂直液態(tài)水含量（VIL）是由Greene等人于1971年提出的一種新預(yù)報(bào)因子。雷達(dá)體積掃描資料中的反射率因子值，都是由液態(tài)水的后向散射所造成，反映了降水云體中在某一確定底面積的液態(tài)水混合比的垂直積分。液態(tài)水混合比是通過測(cè)量的反射率因子和雨滴之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：M=3.44×10-6Z4/7[5]。1986年，Winston等人發(fā)現(xiàn)VIL對(duì)冰雹的存在有較好的指示作用，成為判別強(qiáng)降水及其降水潛力、強(qiáng)對(duì)流天氣造成的暴雨、暴雪、冰雹等災(zāi)害性天氣使用率較高的有效工具之一。

分析冰雹天氣的垂直積分液態(tài)水含量值得出：降雹的范圍在0.3~2.0 kg/m2，平 均 值 為1.7 kg/m2，其 中，≥0.7 kg/m2的概率為90%，≥1 kg/m2的概率為60%，降雹時(shí)或降雹前一個(gè)體掃內(nèi)垂直積分液態(tài)含水量躍增，對(duì)冰雹天氣預(yù)警的提前量可達(dá)5~15 min；冰雹天氣垂直積分液態(tài)水含量的平均值高于短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

通過對(duì)上述數(shù)據(jù)的分析得出各雷達(dá)參量平均值，在平均值附近選取各雷達(dá)參量的不同值，得出百分率（表3）。

表3 冰雹個(gè)例各雷達(dá)特征參量的百分率

對(duì)百分率較大的冰雹天氣各雷達(dá)特征參量值進(jìn)行綜合分析，同時(shí)滿足回波強(qiáng)度≥35 dBz、回波頂高≥7 km的概率為60%，強(qiáng)回波的高度≥6 km、垂積分液態(tài)水含量≥0.7 kg/m2，將雷達(dá)各特征參量的綜合值作為冰雹天氣的閾值。

門源縣局業(yè)務(wù)人員申請(qǐng)空域并開展人工指揮防雹作業(yè)。根據(jù)防雹作業(yè)點(diǎn)實(shí)際情況，在防雹作業(yè)前，作業(yè)人員需要進(jìn)行作業(yè)準(zhǔn)備，因此在冰雹預(yù)警時(shí)，若預(yù)警時(shí)間過早，則冰雹云特征不明顯，識(shí)別有困難；反之，則使作業(yè)人員沒有充足的準(zhǔn)備時(shí)間[6]。研究表明，成災(zāi)的雹云會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的成熟期（一般大于30 min），防雹作業(yè)應(yīng)在雹云成熟期內(nèi)盡早開展[7]。由于云系移到降雹點(diǎn)的上空時(shí)，冰雹云已處于成熟期。冰雹云的回波強(qiáng)度≥32.5 dBz、強(qiáng)回波的高度≥5 km、垂積分液態(tài)水含量≥0.7 kg/m2、回波頂高≥6 km的概率為90%，上述綜合值初步制定為門源地區(qū)人工防雹指標(biāo)（表4）。

表4 冰雹天氣各雷達(dá)特征參量的百分率

3 結(jié)論

（1）各特征參量的最大值都出現(xiàn)在降雹前，其中回波頂高往往提前于降雹一個(gè)體掃，垂直積分液態(tài)水含量有明顯的躍增。

（2）防雹作業(yè)的指標(biāo)為回波強(qiáng)度≥32.5 dBz、強(qiáng)回波的高度≥5 km、垂積分液態(tài)水含量≥0.7 kg/m2、回波頂高≥6 km。