黔江CD雷達產品特征及其在短臨預警中的應用

易田 何春輝 李文英

（重慶市黔江區氣象局，重慶 40900）

0 引言

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

黔江區CD雷達自2007年11月建成并投入業務運行以來，對渝東南片區強對流天氣監測和預警、短時臨近天氣預報、人工影響天氣、重大社會活動氣象保障服務等方面有較好的指導作用，促進了本地中小尺度災害性天氣的預警能力，較大地提升了黔江氣象應急保障能力，在防災減災和自然資源開發中發揮了出明顯經濟效益。進一步系統地研究雷達產品特征及短時臨近自動預警技術，提高雷達產品的應用能力，更好地進行強對流天氣的監測和預警，指導人工影響天氣工作，是業務工作的需要，也是氣象防災減災、氣象為農服務的需要。

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

1 黔江CD雷達產品特征分析

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品特征，重點分析能夠造成較大災害的短時強降水、冰雹、雷雨大風等3種不同的災害性天氣類型，分析其雷達產品特征的異同。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、城市內澇等氣象災害及次生災害的直接原因。2010年“7.9”暴雨，造成了黔江區內大小滑坡點達100多處，2015年“7.22”暴雨，12—13時2個小時雨量達56.2 mm，造成城區大面積積水，內澇嚴重。黔江區內最大小時雨強為89.5 mm/h（金洞2013年6月22日）。

根據2012—2016年黔江降雨資料分析，黔江南部地區發生短時強降水的次數較多，中部地區發生短時強降水的次數較為平均，北部地區發生短時強降水的次數相對較少；小時雨強的大值區也出現在南部高海拔地區和迎風坡地帶（圖1）。這種分布與黔江區地形有明顯的關系，南部地區嶺谷相間，山嶺主要呈南北走向，這導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區；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)

黔江區短時強降水有3個易發時段：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時單小時出現短時強降水的概率均超過了5%。短時強降水的持續時間和過程總雨量均呈明顯的單峰型特征，其中71%的持續時間集中在30～90 min內，59%的持續時間集中在40～80 min內（圖2）。

1.1.2 短時強降水的雷達產品特征

對黔江出現短時強降水時段的CD雷達資料進行分析，造成渝東南地區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，強回波的持續時間從十幾分鐘到十幾個小時不等，以下午到晚上發生居多。

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，少數為南—北向或轉向。8月，受東風波影響，多東—西向或東南—西北向。局地熱對流引發的短時強降水一般持續時間短，呈現穩定少動的特點。

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”。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：一是強降雨區域一般均伴有風向或風速的輻合；二是區域性短時強降水發生時有明顯的低空急流和輻合區（圖4a和4b）。回波頂高一般超過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，一般用于區域性的短時強降水過程中，當發現風速增強且順時針旋轉角度加大時，回波將會繼續發展，降雨持續。降水量產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，一般會對應短時強降水（圖4d）。

圖2 短時強降水過程的持續時間分布特征（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 冰雹的雷達產品特征

冰雹是由強對流天氣系統引起的一種劇烈的氣象災害，它具有局地性強、突發性強、持續時間短、破壞性大等特點，常常伴隨著局地的狂風、短時強降水等災害性天氣。根據江玉華等和李珂等研究發現，渝東南是重慶市冰雹天氣出現較多的地區之一，年均降雹日數為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，增加了渝東南地區冰雹預報的難度。因此，通過雷達資料識別冰雹云，及時抓住有利防雹作業時機，開展防雹減災作業非常重要。

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綜合分析，從回波形狀、強度、頂高、VIL值及特征、冰雹指數、速度場特征等全方位考慮，總結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、垂直累積液態含水量≥38 kg/m時（圖5），可能產生降雹。

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值出現峰值，降雹開始時間與VIL峰值的時間基本一致，降雹發生后VIL值迅速減小（圖6）。而一般雷雨垂直累積液態含水量很小且變化不大，依據此特征結合其他方法可以提前發布冰雹的臨近預報，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）冰雹指數產品具有一定的使用價值，冰雹指數為連續實心三角形、標值大于4且持續多個體掃時，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品（a）低空急流；（b）輻合區；（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品特征值統計Table 1 Statistics of characteristic values of radar products in 7 hail weather processes

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

對于人工防雹來說，只要出現上述任何一項特征都應該做出預警，經值班員綜合各項資料分析后確定是否開展人工防雹作業。

1.3 雷雨大風的雷達產品特征

一般的，把出現極大風速≥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性、局地性和破壞性等特點，是天氣預報中的難點。

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

渝東南地區出現的大風局地性非常強，主要發生在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。回波強度一般均能達到60 dBz以上，速度圖雜亂，有大風區或輻合區，部分能分析出中層徑向輻合。回波頂高一般超過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。1 h降水量產品一般大于25 mm。

局地大風的發生一般伴隨著短時強降水、冰雹等，且發生站點很少。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，黔江區曾連續3 d出現局地大風天氣，其中16日和18日，出現大風的站點多，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出來的成片的速度大值區（帶），或者是中層徑向輻合（圖7、圖8）。這些特征可以作為預報雷雨大風的指標。

表2 2013年8月16日和18日黔江區出現大風的站點及相應的小時雨強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警系統應用

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，研發具有自動報警功能的短時臨近自動預警系統，為預報員提供提醒功能（特別是夜間）非常必要，有利于提高短時臨近預報水平。

黔江雷達短時臨近自動預警系統是重慶市氣象局業務技術攻關面上項目《黔江區CD雷達產品特征分析及短時臨近自動預警研究》的研究成果，預警使用Visual C++語言開發，以雷達基數據為基礎，通過對雷達基數據二值化，均值濾波、開啟運算、閉合運算，采用區域生長法分離出單個回波聯通區域，并對每個回波聯通區域的特征進行自動分析計算，實現自動識別、跟蹤和預警，有效提高了黔江區域內強對流天氣短時臨近預警能力。

計算每個回波連續的位置、強度、回波頂高、垂直液態水含量、雨強等的變化，再根據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，根據設定條件實現計算機自動預報預警。

3 結論

1）黔江區短時強降水的發生次數南部較多、北部較少、中部地區較為平均。短時強降水有3個易發時段：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，強回波的持續時間從十幾分鐘到十幾個小時不等，以下午到晚上發生居多。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，少數為南—北向或轉向。

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、垂直累積液態含水量大于等于38 kg/m時，可能產生降雹。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值出現峰值，降雹開始時間與VIL峰值的時間基本一致，降雹發生后VIL值迅速減小。冰雹指數產品具有一定的使用價值，冰雹指數為連續實心三角形、標值大于4且持續多個體掃時，降雹的可能性很大。徑向速度圖上出現明顯的風速輻合特別是中層徑向輻合、陣風鋒、輻合區等特征時，易降雹并產生地面大風。

3）大風局地性非常強，主要發生在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。回波強度一般均能達到60 dBz以上，速度圖雜亂，有大風區或輻合區，部分能分析出中層徑向輻合。回波頂高一般超過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。1 h降水量產品一般大于25 mm。預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出來的成片的速度大值區（帶），或者是中層徑向輻合。