閩北春季冰雹CINRAD雷達產品特征分析

彭建東，張麗凡，黃待靜

（1.南平市氣象局，福建 南平353000；2.建甌市氣象局，福建 建甌353100）

南平市地處福建省北部，又稱閩北。該市多為山區，地形復雜，是冰雹等中小尺度災害性天氣易發地區。閩北全年各月都可能出現冰雹，以3～6 月份最多，其它月份較少，而春季又為煙葉生長的關鍵期，特別是閩北“十九大”煙葉生產規劃落實以來，冰雹等強對流天氣對煙葉生產的影響將越來越大。

目前天氣雷達是冰雹等中小尺度災害性天氣最主要的探測手段[1]。近年來隨著我國新一代多普勒天氣雷達的建設和產品開發應用，在冰雹等強對流天氣監測方面取得了顯著成就[2-5]。國內外的研究表明[6-12]，垂直積分液態水含量（VIL）、強中心高度（Ht）、風暴頂高（TOP，即≥30dBz 回波所在高度）和組合反射率因子（CR）等物理量產品對冰雹等強對流天氣具有較好的指示作用。

VIL 作為一種新的預報因子最早由Greene[13]等提出。Amburn[14]等進一步研究發現，VIL對冰雹有很好的判別作用，并得到一些判別指標。20 世紀80 年代以后VIL已經成為美國天氣雷達判別強對流天氣造成的暴雨、暴雪、和冰雹等災害性天氣的一種有效工具。在國內，VIL在冰雹云識別預報和人工影響天氣作業條件識別等方面也得到了較好的應用，是使用率較高的雷達產品之一。如付雙喜[15]、刁秀廣[16]、劉治國[17]等對VIL資料在冰雹識別預測方面進行了研究分析，均取得了較好的效果，發現冰雹云VIL變化也具有自身的獨特變化特征，如降雹前VIL值“躍增”式增長（或爆發式增長）等，但其判別指標因各地氣候天氣差異和雷達型號不同有較大差異。另外，湯興芝[18]對宜昌地區進行了統計分析，指出利用45dBz雷達強回波高度可較好地識別冰雹云，且降雹前45dBz 回波頂高會出現躍增現象并有一定的提前量。俞小鼎[19]等指出，如果-20℃等溫線對應的高度之上有超過45dBz 的反射率因子核，則有可能產生大冰雹。但這些研究都是基于本地化應用的基礎上展開的，因此有必要利用CINRAD 雷達資料產品開展對閩北春季冰雹的本地化應用研究，找出閩北春季冰雹云VIL、Ht、TOP 和CR 等產品本地化的預測和識別指標，以期為本地冰雹預報識別和人工防雹作業提供參考和指導。

1 資料說明

文中使用的資料為：2008～2013 年建陽多普勒天氣雷達資料、邵武高空探測資料、地面實況觀測資料和人工收集的降雹實況資料。分析地面實況與人工收集降雹實況等資料可得：近6a3～6月南平市共出現18 個降雹日（見表2），結合建陽多普勒天氣雷達資料可知，期間對我市造成明顯降雹的雹云單體共計有31個。利用邵武探空資料分析18個降雹日當天08時或20時（北京時）的0℃層和-20℃層高度特征，統計發現，降雹時0℃層高度一般在3.9～5.3km、-20℃層高度在6.9～8.8km。文章的主要目的是利用建陽新一代天氣雷達（CINRAD/SA）的逐體掃資料分析31 個雹云單體從初生、發展、成熟到消亡不同發展時期的VIL、CR 及強中心高度Ht、風暴頂高TOP 等雷達產品數據資料的演變特征，找出冰雹的本地化的預測和識別指標。分析VIL 時應選用距離雷達站20～150km 范圍內的降雹樣本資料（因為距離太近，風暴上層雷達探測不到，強度、高度和VIL 等值嚴重失真；受地球曲率和最低探測仰角0.5°的影響，距離太遠則雷達探測不到風暴的底部，也會使強度、高度和VIL值失真）。

2 雹云單體的雷達資料統計分析

2.1 雹云單體降雹前VIL、CR、Ht、TOP特征

文中主要分析降雹樣本實況出現前的VIL、CR、Ht、TOP等雷達產品數據演變特征，表1為從31個雹云單體的VIL、CR、Ht、TOP 等雷達產品數據中讀取的關鍵指標。

由表1可得：3～6月閩北雹云單體降雹前VILmax最小為32kg?m-2，最大為85kg?m-2，平均為54.6kg·m-2；降雹前雹云單體最強組合反射率因子CR 最小為60dBz，最大為74dBz，平均為67.9dBz；降雹前時雹云單體Ht-H0 最小為1.2km，最大為5km，平均為2.4km；降雹前雹云單體風暴頂高TOP最小為7.6km，最大為16.4km，平均為11.6km。

降雹時雹云單體VIL 最小為26kg?m-2，最大為71kg?m-2，平均為45.4kg?m-2；降雹時雹云單體組合反射率因子CR最小為57dBz，最大為74dBz，平均為65.4dBz。

另外，統計分析雹云單體的Ht變化曲線發現31個雹云單體在降雹前Ht都出現不同程度的下降，為了客觀的表示這一特征，分析總樣本的Ht平均值的時間演變曲線就顯得很有必要。按體掃時間順序對每一個雹云單體的Ht依次取值，將最接近降雹時間的體掃時間定義為T，前一個體掃時間為T-1，后一個體掃時間為T+1，以此類推，制作成Ht 時間序列，每個降雹單體樣本均可得到一個Ht 隨時間變化的序列。通過對31個樣本對應體掃時間的Ht值求平均，得到閩北冰雹云Ht 平均值的時間變化曲線（圖1），從圖中的總樣本Ht的變化曲線可以看出，冰雹云的強中心高度先是緩慢增加，再快速降低，接著再抬升，降雹前T-1～T時間段冰雹云的Ht平均值高度在6分鐘內陡降了1.4km，從4.9km直接降到了3.5km。

表1 2008～2013年春季（3～6月）的雹云單體特征物理量值

2.2 冰雹樣本VIL躍增識別指標

圖1 雹云單體總樣本Ht平均值的時間演變曲線

表2 2008～2013年3～6月份的雹云單體VIL躍增情況

文章重點分析的是雹云單體VIL 躍增情況，表2給出了2008～2013年春季所有雹云單體VIL 的躍增情況，從表2 中可以看到，31 個雹云單體樣本中有30個樣本的VIL值發生了躍增，1個體掃時間VIL躍增值最小為12kg?m-2，最大為43kg?m-2，VIL 躍增時間提前量平均為5.7 個體掃時間。如果將躍增條件設定為1個體掃時間△VIL≥12kg?m-2，且躍增后的VIL≥31kg?m-2，則有29 個雹云單體樣本符合條件，不符合條件的2個雹云單體樣本分別為2010.5.18 政和（D6）、2008.04.08光澤（V8）。下面將詳細分析這2個不符合條件的雹云單體樣本。

（1）2010.5.18 政和（D6）：圖2 給出了雹云單體D6 的各雷達產品數據變化特征曲線，從VIL 曲線看，其VIL 值在降雹時15:14 達到最大71kg?m-2，在此之前VIL一直是緩慢增加的，1個體掃的最大增幅出現在14:56～15:02，VIL 由46kg?m-2增加到55kg?m-2，增加了9kg?m-2，達不到本文設定的躍增標準，屬于漏報。雖然雹云單體D6降雹前VIL值沒有發生躍增，但是從其它雷達產品數據變化特征曲線也可以得出該單體將降雹的信號：（1）從CR變化曲線看，CR由起初的56dBz一直在逐漸增加，在降雹時間的前一個體掃時刻達到最大值74dBz，由此判斷整個單體是非常強的；（2）從TOP變化曲線可以看出降雹前TOP 曲線是呈線性增加的，推斷整個單體回波是一直向上發展的，TOP 最高伸展到12km，接近對流層頂的高度；（3）雹云單體D6 的Ht 在降雹前2 個體掃時刻達到最大值9.9km，之后的2 個體掃時間D6的強中心高陡然下降到2.7km，從探空資料可得當日0℃高度為4.9km，-20℃高度為8.2ktm，換而言之，16:02～16:14 期間，雹云單體D6 的強中心高度從-20℃層以上高度迅速降至0℃層高度以下。綜上，可以判斷這是一個雹云單體。

（2）2008.04.08 光澤（V8）：其只滿足給定的2 個躍增條件（1個體掃時間△VIL≥12kg?m-2，且躍增后的VIL≥31kg?m-2）中的前一個條件，后一個條件不滿足，屬于漏報。

綜上，若躍增條件定為1 個體掃時間△VIL≥12kg?m-2，且躍增后的VIL≥31kg?m-2，則有29個雹云單體樣本符合條件，2個雹云單體樣本漏報，準確率為94%，漏報率6%。

圖2 雹云單體D6降雹前的CR、VIL、TOP、Ht變化曲線

2.3 降雹直徑跟VIL的關系

每次降雹除了一些恰好發生在氣象臺站附近的會有準確直徑的數據，其它收集到的冰雹直徑資料多為描述，諸如拇指大小等。由于形狀描述的模糊，一般情況下記錄的冰雹直徑跟實際大小大概會存在幾毫米的誤差?；谏鲜鲈?，文中在統計冰雹直徑時不采用具體直徑，而是將之歸納為4 個等級，黃豆、蠶豆、鴿子蛋、乒乓球，它們的直徑分別大約為5mm、10 mm、20 mm和40 mm，冰雹直徑接近哪個等級就將之歸為該等級（1 代表黃豆大小、2 代表蠶豆大小、3 代表鴿子蛋大小、4 代表乒乓球大小）。擬合發現冰雹直徑與降雹前VILmax成正相關，擬合相關系數R2=0.661，兩者之間強相關。而冰雹直徑與降雹時的VIL 雖然也成正相關，但擬合相關系數R2=0.406，兩者之間相關性不好。說明冰雹直徑只跟降雹前VILmax有關聯，且降雹前VILmax越大，冰雹直徑也可能越大。

2.4 降雹直徑跟VIL躍增的關系

扣除1個VIL值未發生躍增的雹云單體樣本，分析剩下30 個雹云單體樣本從初生發展到降雹的過程，可以發現雹云單體總樣本的VIL 的躍增情況可分為3種（這里只統計雹云單體第一次降雹前的VIL躍增分類，一個單體多次降雹的情況也只統計第一次降雹前的VIL躍增情況）：

圖3 VIL值與冰雹直徑等級分布圖（左圖的VIL值為降雹前VILmax，右圖的VIL值為降雹時的VIL）

（1）只有一次躍增，該類型共19 個樣本，其中9個降雹直徑等級1，9 個降雹直徑等級2，1 個降雹直徑等級3。

（2）連續的多次躍增，如雹云單體2010.05.18光澤（R3）在13:32～13:50期間VIL連續躍增了3次，先從36kg?m-2躍增到49kg?m-2再躍增到61kg?m-2最后躍增到80kg?m-2，1 個體掃時間分別躍增了13kg?m-2、12kg?m-2、19kg?m-2。該類型共6 個樣本，其中4個降雹直徑等級2，1 個降雹直徑等級3，1 個降雹直徑等級4。

（3）不連續的多次躍增，這種情況是指間隔時間很短（一般為1 個體掃時間）的多次躍增，而間隔時間很長的一般都對應著多次降雹過程。如雹云單體2011.06.20 邵武（N7），降雹時間為19:09，在18:33～18:51VIL變化情況為33kg?m-2～65kg?m-2～54kg?m-2～70kg?m-2，期間第一個體掃間隔VIL 躍增了32kg?m-2，第二個體掃間隔VIL值減少了11kg?m-2，第三個體掃間隔VIL值躍增了16kg?m-2，VIL兩次躍增之間間隔了1個體掃時間，且該體掃間隔（18:39～18:45）VIL 值沒有不但沒有增加反而有所下降。該類型共5 個樣本，其中4個降雹直徑等級2，1個降雹直徑等級3。

圖4 不同躍增分類的雹云單體樣本數

綜上，所有的小冰雹降雹前VIL 都只有一次躍增，降雹前VIL多次躍增的，冰雹直徑都較大。

3 結論

（1）統計近6a（2008～2013）年閩北春季（3～6月）的降雹情況，發現降雹時0℃層高度在3.9～5.3km，-20℃層高度在6.9～8.8 km。降雹前的VILmax最小為32 kg?m-2，且降雹前VILmax越大，冰雹直徑也可能越大。CR、TOP 臨界值分別為60dBz、7.6Km，Ht臨界值為0℃層以上1.2km。

（2）若將躍增條件設定為一個體掃時間△VIL≥12kg ?m-2，且 躍 增 后 的VIL≥31kg ?m-2，則 準 確 率94%，漏報率6%。VIL躍增時間提前量△T平均為5.7個體掃時間。降雹前6min內總樣本的Ht平均值高度陡降了1.4Km。

（3）所有的小冰雹降雹前VIL都只有一次躍增，降雹前VIL多次躍增的，冰雹直徑都較大。