晉城地區(qū)冰雹天氣的多普勒雷達回波特征分析

任鵬娟+程海霞+趙珺

摘要 利用長治市新一代天氣雷達CINRAD/CC的基本產(chǎn)品和導出產(chǎn)品，詳細分析并歸納了晉城市冰雹雷達回波的識別特征。結(jié)果表明，冰雹云回波較高的基本反射率因子值、三體散射、垂直積分液態(tài)含水量躍增、中氣旋、冰雹指數(shù)、垂直剖面產(chǎn)品中雹云的強回波核的結(jié)構(gòu)特征可作為冰雹天氣臨近預報的重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞 冰雹；雷達回波特征；三體散射；回波頂高；山西晉城

中圖分類號 P412.25 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）02-0214-03

Analysis on Doppler Radar Echo Characteristics of Hail in Jincheng Area

REN Peng-juan CHENG Hai-xia ZHAO Jun

（Jincheng Meteorological Bureau in Shanxi Province，Jincheng Shanxi 048026）

Abstract Using basic products and derived products of new generation weather radar CINRAD/CC of Changzhi City，the radar echo recognition characteristics of hail in Jincheng City were analyzed and summarized in detail. The results showed that the basic reflectivity of hail cloud echo top height，TBSS，sharp increase of vertical integrated liquid water content，mesocyclone，hail index，structure characteristics of hail cloud strong center in vertical profile products could be used as important evidences for nowcasting of hail weather in Jincheng City.

Key words hail；radar echo characteristics；TBSS；echo top height；Jincheng Shanxi

冰雹是山西晉城地區(qū)的主要災(zāi)害性天氣之一，從歷史資料統(tǒng)計來看，冰雹出現(xiàn)的主要時段在5月下旬到8月中旬，最早出現(xiàn)在3月上旬，最遲出現(xiàn)在10月下旬，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來很大影響。晉城市最嚴重的一次冰雹發(fā)生在2010年14：00—16：00，陽城縣7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的39個村遭遇特大冰雹襲擊，未收獲的小麥、蔬菜、西瓜、薯類等作物近乎絕收，玉米、谷子葉片脫落，直接經(jīng)濟損失達5 000萬元以上。

冰雹是強對流單體產(chǎn)物，降雹發(fā)生時常伴隨大風、局地暴雨和強雷電，給國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)造成嚴重損失[1]。隨著我國新一代天氣雷達觀測網(wǎng)的建成和業(yè)務(wù)化運行，多普勒雷達已成為研究冰雹、暴雨等強對流單體的主要工具之一[2]。目前，對強對流單體基于S波段雷達回波分析的比較多，晉城主要使用的是長治的C波段雷達，C波段雷達衰減引起的回波失真比S波段雷達更嚴重，因而晉城冰雹回波在多普勒雷達上的特征反映和外省存在一定程度上的差異。本文統(tǒng)計分析2012年發(fā)生在晉城的4次冰雹天氣的雷達觀測資料，以期找出晉城地區(qū)冰雹天氣的多普勒雷達產(chǎn)品關(guān)鍵特征量及閾值，為冰雹天氣預報預警提供理論依據(jù)。

1 資料來源

本文利用山西省長治市2012年多普勒雷達站觀測的雷達基本數(shù)據(jù)資料、晉城各觀測臺站地面觀測資料及民政局災(zāi)情統(tǒng)計報告，對其中的4次致災(zāi)嚴重的冰雹天氣過程（6月23日發(fā)生在澤州縣晉廟鋪鎮(zhèn)、6月24日發(fā)生在高平市原村鎮(zhèn)、7月29日發(fā)生在晉城、7月29日發(fā)生在陵川縣奪火鎮(zhèn)），從回波強度、回波伸展高度、弱回波區(qū)（WER）或有界弱回波區(qū)（BWER）、“三體散射”長釘、垂直積分液態(tài)水含量、回波頂高、中氣旋、強度垂直剖面特征等8個方面的多普勒天氣雷達回波特征進行統(tǒng)計分析，提取可用于業(yè)務(wù)預報的晉城天氣雷達冰雹云識別指標，為晉城市冰雹預報警提供科學依據(jù)。

2 雷達回波特征分析

2.1 組合反射率因子

從組合反射率因子分析，冰雹天氣天氣過程的初始回波中心強度在30 dBZ左右，其中6月23日發(fā)生在澤州縣晉廟鋪鎮(zhèn)、6月24日發(fā)生在高平市原村鎮(zhèn)、7月29日發(fā)生在晉城的冰雹天氣，均為帶狀回波，7月29日發(fā)生在陵川縣奪火鎮(zhèn)的大冰雹天氣為塊狀回波，回波成熟階段中心強度在60 dBZ以上，回波頂高超過9 km，從回波頂高發(fā)展到9 km至冰雹出現(xiàn)時間基本有30 min的提前量，從回波達到最大值到出現(xiàn)冰雹提前量不足10 min。因此，回波頂高作為冰雹的預警有一定的指示意義。

2.2 三體散射

Lemon[3]指出，在觀測到三體散射后的10～30 min內(nèi)地面有可能出現(xiàn)大于2.5 cm的降雹，要產(chǎn)生一個能分辨出的三體散射長釘（TBSS），風暴核的反射率因子必須大于63 dBZ。俞小鼎[4]指出，較S波段雷達回波相比，C波段雷達回波中出現(xiàn)三體散射的機會更多，在C波段條件下，小冰雹也有可能產(chǎn)生三體散射。廖玉芳等[5-6]對發(fā)生在我國的三體散射進行了全面分析，發(fā)現(xiàn)除了0 ℃層到地面距離非常高的情況，幾乎所有三體散射個例都伴有大冰雹。

從4次冰雹過程的基本反射率分析，有3次大冰雹在2.4、3.4、4.3、6.0°仰角以上高度上都出現(xiàn)了三體散射現(xiàn)象，且1次沿雷達徑向延長線有其他回波的遮擋難以辨認，以2012年6月24日下午發(fā)生在高平原村一帶冰雹天氣為例，從16：25觀測到的2.4、3.4、4.3、6.0°等仰角三體散射現(xiàn)象（圖1），可以看出同一時刻仰角越高，三體散射的現(xiàn)象越明顯。endprint

從時間提前量來看，取晉城觀測站7月29日14：10開始的降雹個例分析，7月29日13：48，6.0°仰角高度出現(xiàn)了三體散射現(xiàn)象，13：53也出現(xiàn)了三體散射現(xiàn)象，13：58 2.4、3.4°相繼出現(xiàn)三體散射現(xiàn)象，最高仰角比出現(xiàn)冰雹的時間提前了22 min，各仰角均出現(xiàn)三體散射現(xiàn)象，且較冰雹出現(xiàn)時間提前了10 min。因此，三體散射現(xiàn)象出現(xiàn)作為冰雹的預警意義重大。

2.3 垂直累積液態(tài)水含量（VIL）

從本次統(tǒng)計分析來看，強對流云單體在發(fā)展演變過程中VILmax均是先增加，后減少；VIL大值中心區(qū)與降雹區(qū)基本一致；VIL大值中心區(qū)移動方向與強回波的移動方向基本一致。

從VILmax演變特征（圖2）分析，冰雹云的VILmax基本都在30 kg/m2以上；對冰雹過程來說，VILmax存在爆發(fā)式增長及突然降低的現(xiàn)象，由于本次2012年冰雹災(zāi)害基本均出現(xiàn)在山區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，對冰雹的確切時間無法統(tǒng)計，現(xiàn)僅從2012年7月29日14：10—14：21晉城測站冰雹直徑6 mm的冰雹過程的VIL演變進行分析，以期得出VIL的演變在冰雹預報上的提前量分析。7月29日13：38—13：53，VIL從5 kg/m2躍增至35 kg/m2，回波強度從45 dBZ增至60 dBZ，對冰雹預警有17 min左右的提前量，且從4次冰雹過程分析得出，VIL值和躍增量越大，冰雹的強度越大。

2.4 中氣旋（M）

在收集到的4個冰雹個例中，只有6月23日下午澤州縣晉廟鋪的一次大冰雹天氣和7月29日晉城市測站的冰雹天氣過程探測到了中氣旋，發(fā)生在晉城市澤州縣晉廟鋪的冰雹過程無法判斷中氣旋的出現(xiàn)對其發(fā)生過程是否具有提前量，7月29日的冰雹過程在14：09觀測到了中氣旋，而冰雹14：10開始，加上資料處理間隔，這次冰雹過程中氣旋的預警指標提前量只有6 min左右。

2.5 冰雹指數(shù)（HI）

從搜集到的個例冰雹指數(shù)分析，所有的冰雹個例在HI圖上均有冰雹指示，且時間提前量較長，在20 min以上，對冰雹指數(shù)有一定的指示意義，但在2次短時強降水出現(xiàn)時也有冰雹指示，實際觀測中卻沒有，并且降雹過后仍然有指示，存在較高的虛警率。因此，作為一種直觀、方便快捷的探測冰雹工具使用，冰雹指數(shù)（HI）產(chǎn)品可被用作指導產(chǎn)品，發(fā)預警時要結(jié)合其他產(chǎn)品使用。

2.6 反射率因子垂直剖面

對成熟階段冰雹云基本反射率因子回波作VCS垂直剖面產(chǎn)品（圖3），本文的剖面圖均沿著雷達徑向通過最強反射率因子核心，4次冰雹天氣過程垂直剖面產(chǎn)品上均可以看出，冰雹天氣的回波頂高基本都在12 km以上且強回波核中心所達到的高度基本均在8 km以上。雹云的強回波核的結(jié)構(gòu)特征主要有懸垂狀、穹窿、回波墻、有界弱回波區(qū)（BWER）或弱回波區(qū)（WER）等特征。因此，回波核剖面特征及所達高度可作為冰雹云回波預測的重要參考。

3 結(jié)論

通過對2012年4次冰雹天氣過程的多普勒天氣雷達回波特征進行統(tǒng)計分析，找出晉城市強對流天氣的多普勒雷達產(chǎn)品部分特征量及閾值，并得出一些強對流天氣的預警指標。

（1）首先從雷達的基本反射率或組合反射率分析回波強度、形狀入手，分析回波是否發(fā)展、范圍是否擴大，周圍是否有回波生成，回波是否有合并增強的趨勢。回波的強度超過50 dBZ就應(yīng)該分析其出現(xiàn)冰雹的可能性。

（2）冰雹天氣的三體散射現(xiàn)象比較明顯，回波較強的情況下，可以在雷達PUP上顯示2.4°及以上仰角，分析是否有三體散射現(xiàn)象出現(xiàn)，若出現(xiàn)三體散射現(xiàn)象，則可判斷該強對流云團為雹暴，“雹釘”長度愈長，降大冰雹概率愈大。

（3）垂直積分液態(tài)含水量對冰雹特別敏感，冰雹發(fā)生前垂直積分液態(tài)含水量躍增，并且發(fā)生冰雹時，其垂直積分液態(tài)含水量都在30 kg/m2以上，垂直積分液態(tài)含水量對降雹前躍增，可作為臨近預報的一個重要依據(jù)。

（4）冰雹指數(shù)作為一種方便、直觀的雷達輸出產(chǎn)品使用，但需結(jié)合其他產(chǎn)品使用。

（5）從雹云的基本反射率因子回波作VCS垂直剖面產(chǎn)品，觀察是否有強大的回波懸垂、強回波核高度、回波墻及有界弱回波區(qū)等特征的出現(xiàn)，可作為冰雹天氣的一個重要指標。

（6）中氣旋是超級單體風暴的特征，因而觀測到中氣旋就可以發(fā)布冰雹等強天氣預警。

4 參考文獻

[1] 湯興芝，黃興友.冰雹云的多普勒天氣雷達識別參量及其預警作用[J].暴雨災(zāi)害，2009（28）：261-265.

[2] 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用[M].北京：氣象出版社，2006：1-314.

[3] LEMON L R.The radar“three-body scatter sprike”：An operational large-hail signature[J].Wea Forecasting，1998（13）：327-340.

[4] 俞小鼎.新一代天氣雷達業(yè)務(wù)應(yīng)用論文集[G].北京：氣象出版社，2008：472.

[5] 廖玉芳，俞小鼎，郭慶，等.一次強對流系列風暴個例的多普勒天氣雷達資料分析[J].應(yīng)用氣象學報，2003（14）：656-662.

[6] 廖玉芳，俞小鼎，吳林林，等.強雹暴的雷達三體散射統(tǒng)計個例與個例分析[J].高原氣象，2007（26）：812-820.endprint