伊犁河谷冰雹及其雷達回波特征分析

孫鳴婧，劉俊哲，陳春艷，施俊杰，鄭育琳

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；3.巴州氣象局，新疆 庫爾勒 841000）

冰雹是新疆的主要災害性天氣之一，常給農牧業(yè)生產造成慘重損失，嚴重制約著新疆糧棉、特色林果業(yè)的發(fā)展[1]。由于冰雹空間尺度小、生命史短、突發(fā)性強，準確預報冰雹一直是短時臨近預報中的難點和重點。目前，天氣雷達是國內外冰雹預警及地面人工防雹作業(yè)最有效和最快速的探測手段[2-3]，預報員如何根據(jù)雷達探測資料識別雹云回波、確定落區(qū)及強度對冰雹的預報和預警十分重要。

我國常用回波強度、回波頂高、累積垂直液態(tài)含水量來做冰雹預警，然而在不同地區(qū)，總結出的冰雹預警指標也不盡相同，有些指標甚至差異很大[4-8]。福建龍巖將回波強度≥60 dBZ、回波頂高≥8 km作為冰雹預警指標[9]；安徽地區(qū)冰雹云的最大回波強度基本在55 dBZ以上，回波頂高平均在12.1 km[10]；湘西北山區(qū)夏季冰雹云的回波頂高均在9 km以上，垂直液態(tài)水含量一般為30～35 kg/m2[11]。以往的研究表明，在新疆的不同地區(qū)，冰雹的雷達回波表現(xiàn)特征并不一致，如在新疆喀什地區(qū)冰雹預警指標為組合反射率≥50 dBZ、回波頂高≥9 km、垂直液體水含量≥20 kg/m2等[12]；在阿克蘇地區(qū)判別冰雹的初步指標為反射率因子為50.7 dBZ、回波頂高為9.4 km、垂直積分液態(tài)水含量為12.8 kg/m2[13]。由于冰雹的強局地性，建立合理的分區(qū)預報、預警指標才能有效提高冰雹預報預警能力。

新疆天山西部的伊犁河和特克斯河流域是當?shù)乇⒅匾吹兀酝鶎Υ说乇⒌难芯慷酁檎烟K縣冰雹個例分析[14]，對于河谷其他縣市的冰雹分析或雷達回波指標凝練很少，日常業(yè)務中科學支撐薄弱。本文將統(tǒng)計近12 a發(fā)生在伊犁河谷地區(qū)冰雹的時空分布、雹云雷達回波產品各項指標，并分析典型雹云個例的雷達回波特征，為伊犁河谷地區(qū)冰雹的臨近預警提供參考。

1 資料和方法

冰雹常由中小尺度天氣系統(tǒng)造成，其尺度小于現(xiàn)行的氣象觀測網，因此使用氣象臺站觀測到的地面降雹資料存在一定局限性。為最大限度減少冰雹觀測數(shù)據(jù)遺漏，本文收集了中國氣象局災情直報信息作為冰雹實況的補充。2010—2021年共統(tǒng)計出冰雹152次（其中2021年只有災情資料，未收集到地面觀測資料，因此在分析時間變化時所用資料時間為2010—2020年），根據(jù)其發(fā)生時間和地點分析其時空分布特征。剔除雷達資料缺失和回波上無明顯對流風暴的個例，最終得到23次有較完整冰雹實況和雷達資料的過程（表1）。一次冰雹過程可能受多個對流單體影響，23次冰雹過程共32個雹暴單體，通過追蹤這32個雹暴的演變，歸納總結伊犁河谷地區(qū)冰雹的雷達回波特征。

表1 有完整雷達探測數(shù)據(jù)的冰雹個例集

2 伊犁河谷冰雹的時空分布特征

2.1 年、月變化

伊犁河谷每年都有冰雹發(fā)生，但次數(shù)分布不均勻，逐年變化呈多波動型，可預測性低。2010—2020年平均每年14次，其線性趨勢呈略減少態(tài)勢。2013年出現(xiàn)冰雹最多，2014年最少（圖1）。

圖1 2010—2020年冰雹次數(shù)的年（a）、月（b）變化

伊犁河谷降雹都發(fā)生在4—10月，集中出現(xiàn)在4—9月，與新疆汛期時間一致，與內地沿海城市有較大差異[15]。其中5—8月較多，占比86%，6月出現(xiàn)冰雹頻次最高，占比30%；其次是7月，占比29%。記錄中，最早的冰雹出現(xiàn)在4月5日（2010年新源縣），最晚出現(xiàn)在10月1日（2011年特克斯縣、昭蘇縣）。

2.2 日變化

伊犁河谷冰雹日變化特征顯著，主要出現(xiàn)在午后到夜間（13—23時），占比95%，其中16—19時為冰雹高發(fā)期，占比59%；最易出現(xiàn)冰雹的時次是17時，占比20%（圖2）。與我國東部城市相比，伊犁河谷出現(xiàn)冰雹的時間跨度大（前半夜也易發(fā)生），其他省市多發(fā)生在傍晚，如安徽的冰雹主要集中在15—18時[10]、唐山地區(qū)冰雹高發(fā)期在16—18時[16]等。伊犁河谷冰雹易發(fā)時間與新疆其他地市也不完全相同，阿克蘇地區(qū)冰雹易發(fā)時段為15—20時，高發(fā)時段為18—20時[13]，這對新疆強對流天氣的監(jiān)測及預警提出了更大的挑戰(zhàn)。

圖2 冰雹次數(shù)的日變化

2.3 空間分布

昭蘇縣出現(xiàn)冰雹次數(shù)最多，11 a共有84次，占伊犁河谷地區(qū)冰雹總數(shù)（152次）的一半以上，平均每年發(fā)生冰雹8次；其次是特克斯縣，共19次，1 a約8次；霍城縣次之，共14次；尼勒克縣共出現(xiàn)9次、霍爾果斯市出現(xiàn)7次、察布查爾縣和伊寧市出現(xiàn)6次、新源縣出現(xiàn)4次、鞏留縣出現(xiàn)2次。

圖3為多普勒雷達監(jiān)測的32個雹暴單體的移動路徑圖。冰雹多發(fā)在南部沿山的昭蘇縣和特克斯縣及北部沿山的霍城縣、尼勒克縣和霍爾果斯市，這與河谷的山脈地貌息息相關，山脈的地形強迫抬升更利于強對流天氣的發(fā)生。雹云的移動路徑基本與山脈走向一致，在伊犁河谷北部雹云自西北向東南移動，在南部雹云自西南向東北移動。

圖3 伊犁河谷冰雹云移動路徑

3 冰雹云的雷達回波特征

3.1 回波強度

冰雹云是強對流風暴的產物，根據(jù)微波散射理論，當產生的冰雹尺寸越大時，其回波也會越強，因此冰雹云的最強回波常被作為冰雹預報預測指標。在伊犁河谷地區(qū)，發(fā)展旺盛的冰雹云回波強度可達70 dBZ以上。表2統(tǒng)計了32次冰雹云的最大反射率因子值，其范圍為49～72 dBZ，與其他地區(qū)相比，最強回波反射率因子跨度大。總體來看99%的最大反射率因子在50 dBZ以上（美國國家氣象局環(huán)境預報中心給出的參考值也是50 dBZ[17]），冰雹云最強回波常分布在55～60 dBZ，占比47%，與喀什地區(qū)一致[12]。因此在日常業(yè)務監(jiān)測伊犁河谷地區(qū)雷達回波時，如反射率因子發(fā)展到50 dBZ以上時，就應警惕出現(xiàn)冰雹的可能性。

表2 反射率因子強度分級統(tǒng)計

3.2 回波高度

回波頂高是用來分析對流云強弱和云體內上升氣流伸展高度的指標。伊犁河谷地區(qū)冰雹云的最大回波頂高為13.3 km，最小為6.8 km，平均回波頂高為11 km，與甘肅、湘西北地區(qū)、喀什地區(qū)相當。99%的冰雹云回波頂高在8 km以上，冰雹云出現(xiàn)在11～12 km最多，占比31%。幾乎所有冰雹云的回波頂高都在8 km以上，因此當回波頂高發(fā)展到8 km時，就應警惕出現(xiàn)冰雹的可能，及時做好預警。

回波頂高的逐月分布呈單峰型，峰值在6月，即伊犁河谷地區(qū)的冰雹云在6月發(fā)展最高（圖4）。4—6月，回波頂高隨時間推移增大，冰雹云的強度越來越強，而7—8月回波頂高則呈下降趨勢，冰雹云的強度逐漸減弱。產生冰雹的強對流風暴最顯著的特征是反射率因子高值區(qū)向上擴展到較高的高度，伊犁河谷地區(qū)50 dBZ的強回波核也同樣在6月發(fā)展的最高，2021年6月6日50 dBZ強回波核伸至10.6 km。

圖4 伊犁河谷冰雹云（強）回波頂高

3.3 冰雹云垂直累積液體水含量

垂直累積液體水含量（VIL）是將反射率因子數(shù)據(jù)轉化為等價的液體水值，它對于判別帶有大冰雹的風暴有重要參考意義，如果有VIL值異常大，則發(fā)生冰雹的可能性很大[17]。將冰雹云單體發(fā)展過程中VIL的最大值記為VILmax，表3統(tǒng)計了伊犁河谷31個單體的VILmax（剔除2017年4月14日伊寧個例，雷暴處于靜椎區(qū)，VIL值不可用），其平均值為19.6 kg/m2。不同雹暴VILmax差異很大，最小值為5.02 kg/m2，出現(xiàn)在2020年8月11日的昭蘇縣，最大冰雹直徑0.5～1 cm；最大值出現(xiàn)在2021年6月6日的特克斯縣，為47.7 kg/m2（無冰雹直徑記錄）。有記錄的最大冰雹直徑3 cm個例中（2016年5月28日的霍爾果斯市）對應單體VILmax僅27.1 kg/m2，可見單體的VILmax與降雹直徑沒有明顯的對應關系。

表3 單體最大VIL值分段統(tǒng)計

多項研究指出VIL的變化，尤其是躍增的特性，可作為判斷降雹的指標之一。圖5給出雹暴單體VIL的時間序列變化（單體VILmax出現(xiàn)時記為0，時間單位為雷達體掃間隔，約5～6 min），多數(shù)單體VIL的時間變化序列呈波動狀態(tài)，基本都出現(xiàn)了1～2次躍增，單體VIL出現(xiàn)多次躍增，地面降雹往往也呈間歇性。遺憾的是新疆降雹實況時間記錄多為10 min級甚至小時級，無法與5 min級的體掃對應比較，得出更具參考性的指標，但在伊犁河谷降雹過程中，都伴隨著VIL的躍增。

圖5 冰雹云單體VILmax時間序列變化單體（VILmax出現(xiàn)時間記為0）

4 冰雹個例分析

根據(jù)傳統(tǒng)的分類方法[2，17]將對流風暴分為4類：普通單體風暴、多單體風暴、線風暴和超級單體風暴。

伊犁河谷冰雹云中最常見的為多單體風暴（表4），9 a共出現(xiàn)11次，其次是普通單體風暴，線風暴和超級單體風暴出現(xiàn)次數(shù)較少。普通單體風暴和多單體風暴均在昭蘇縣出現(xiàn)次數(shù)最多，值得注意的是霍城縣是線風暴和超級單體風暴出現(xiàn)最多的地方，這可能是霍城縣北部山脈對西南氣流起輻合抬升作用，為對流風暴的發(fā)展提供了有利地形條件。

表4 4類對流風暴參數(shù)統(tǒng)計

對比4類對流風暴的回波強度發(fā)現(xiàn)，普通單體、多單體、線風暴和超級單體風暴的最強回波范圍及平均值依次逐漸增強，這指示了伊犁河谷地區(qū)對流風暴的強度排序。但回波頂高卻與之相反，超級單體回波頂高在4類中最低，普通單體和多單體的回波頂高相對較高，這與對流風暴越強回波頂高越高[18]相悖，以超級單體風暴為例，風暴成熟時0.5°仰角上觀察到30 m/s左右的雷達徑向速度，較強的水平風場可能抑制了對流在垂直方向的發(fā)展。3次超級單體風暴均伴隨著低層鉤狀回波和有界弱回波區(qū)，其中2次出現(xiàn)旁瓣回波，但未發(fā)現(xiàn)三體散射，只有普通單體風暴出現(xiàn)過1次三體散射現(xiàn)象。線風暴低層易出現(xiàn)鉤狀回波和垂直回波懸垂。

4.1 普通單體風暴

2018年6月30日17—18時，伊犁州昭蘇縣昭蘇鎮(zhèn)、昭蘇馬場、洪納海鄉(xiāng)出現(xiàn)暴雨、冰雹等惡劣天氣，降雹持續(xù)約20 min。造成此次冰雹的對流風暴為普通單體風暴。

17：10，>45 dBZ的回波生成于昭蘇以西邊境外，隨后向西南方向發(fā)展。17：15，回波強度＞50 dBZ，回波頂高達10 km，GR2軟件開始識別出冰雹。隨后回波繼續(xù)加強發(fā)展，最強回波達59.5 dBZ、回波頂高達13.2 km，50 dBZ的強回波核高達9.4 km，且在垂直方向上反射率因子大值區(qū)基本重疊，沒有傾斜，剖面圖上表現(xiàn)為高懸的回波質心，無弱回波區(qū)或有界弱回波區(qū)。對應的徑向速度圖上存在明顯的正負速度對，低層有明顯輻合，但高層輻散不明顯。19:21雹暴消亡，生命史約2 h。

此次雹暴還伴隨著三體散射現(xiàn)象，17：41在2.4°和3.4°仰角雷達徑向上均觀測到三體散射長釘（TBSS），共維持了5個體掃約20 min，由此判斷降雹最晚17：41開始。而VIL在17：31出現(xiàn)躍增，由13.1 kg/m2升至30.1 kg/m2，從VIL出現(xiàn)躍增到降雹，時間10 min。

4.2 多單體風暴

2021年6月6日15—17時，特克斯縣闊克鐵熱克鄉(xiāng)、喬拉克鐵熱克鎮(zhèn)、喀拉托海鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨冰雹等災害天氣。造成闊克鐵熱克鄉(xiāng)、喬拉克鐵熱克鎮(zhèn)降雹的雹云為普通單體風暴，其在東移北上過程中分裂發(fā)展，形成多單體風暴，繼而造成喀拉托海鎮(zhèn)降雨降雹。

14：20，特克斯西邊界生成一對流單體A0（圖6 a黃色箭頭始端），其在北上東移的過程中逐漸增強，在14：38—15：58的15個體掃中，GR2軟件均預警了大冰雹，回波強度均在50 dBZ以上，回波頂高在11 km以上，VIL出現(xiàn)了3次躍增，躍增量分別是13.6、8.6、9 kg/m2，預警指標也適用于此個例。約15：40前后，對流單體A0造成降雹，降雹時間與災情記錄時間一致。

15：46（圖6b），A0的西側出現(xiàn)了新單體，普通單體風暴開始發(fā)展為多單體風暴。16：03，A0開始減弱，分裂成A和B兩個單體（圖6c），并在西側新生了單體C、D；隨后多單體風暴整體東移，在風暴的西側、西北側不斷有新的單體生成（圖6d），這些單體分別增長、成熟、衰減。以G—F—C一條線上的3個單體為例做剖面（圖6e），可清晰的看出多單體風暴的傳播過程，G在發(fā)展并趨于成熟（通常最強烈的天氣都由這個階段的對流單體產生），F(xiàn)在減弱趨于衰亡，C已處于衰亡階段。

圖6 2.4°仰角反射率因子（a、b、c、d）及垂直剖面（e）

普通單體風暴在15：23前后發(fā)展為多單體風暴，此后不斷有新的單體在多單體固定一側生成，說明有利的天氣條件一直在持續(xù)。到20時前后多單體風暴消亡，共歷時4.5 h，生命史較長。

4.3 線風暴

2016年6月19日19—20時，霍城縣出現(xiàn)強對流天氣，其中尺度系統(tǒng)為線風暴，此線風暴由多單體風暴演變而來。18：55霍城縣東部有3個孤立對流單體A、B、C（圖7），A緩慢東南移并不斷發(fā)展加強，B和C兩側不斷有新的對流單體生成并互相靠攏加強（圖7a）；19：12這些分散的對流單體結合在一起成，呈斷線型排列（圖7b），初具線風暴特征，最大回波強度達56 dBZ。隨后線風暴繼續(xù)南下，D單體移速快，19：39與線風暴合并，在線風暴的東側仍有新的單體生成。19：45線風暴發(fā)展到成熟階段（圖7d），長度約40 km，顯著特征是回波整體呈弱“弓形”結構。

圖7 2.4°仰角反射率因子（a，b，c）、垂直剖面（d）及徑向速度（e）

從雷達不同仰角徑向速度的演變來看，無論是高層還是低層，徑向速度均以線風暴為界，南北兩側分別為正速度區(qū)和負速度區(qū)（以2.4°仰角為例，圖e），即線風暴北側為強西北風，南側為弱東南風，線風暴生成于南北氣流匯合處。但此線風暴的組織性較差，多個單體分布較零落，強回波頂高不超過5 km。20：00，颮線開始斷裂成三段，后逐漸減弱消亡，生命史約1.5 h。

4.4 超級單體風暴

2015年7月5日霍城縣多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)短時強降水和冰雹等強對流天氣（圖8），此次風暴幾乎具有超級單體風暴的所有特征：反射率因子圖上有典型的鉤狀回波、前側入流缺口，垂直剖面上有懸垂結構和有界弱回波區(qū)、速度圖上有中氣旋。

16：42，霍城縣西北邊境線附近出現(xiàn)46 dBZ回波，此后回波向東南傳播發(fā)展，并不斷與其南部的弱回波合并，17：25最強回波超過50 dBZ（圖8a），GR2軟件提示冰雹預警。對流風暴繼續(xù)加強，形態(tài)由塊狀回波發(fā)展為弓形回波，并在低層反射率因子圖上出現(xiàn)典型的鉤狀回波和弱回波區(qū)WER（圖8b），風暴已經出現(xiàn)超級單體風暴特征。17：47最大回波中心達到61 dBZ，回波頂高達9.5 km，50 dBZ的強回波頂高為4.8 km。在反射率因子垂直剖面圖上可以看到回波懸垂、有界弱回波區(qū)BWER以及BWER左側的回波墻（圖8d），速度圖上明顯的正負速度對為氣旋式輻合（圖8e），指示著有中氣旋存在，此時風暴已發(fā)展為成熟的超級單體風暴。隨后反射率因子繼續(xù)加強，最大至72 dBZ，50 dBZ強回波核心增高至5.8 km，17：58，50 dBZ強回波底高已由17：47的802 m降至0，說明強回波核開始接地，正在產生大降水或冰雹。18：16風暴組織結構變得松散，逐漸消亡，整個超級單體生命史約2 h。

在17：42后的4個體掃中，低層均有旁瓣回波（圖8b），這是目標物回波強度特別強的表現(xiàn)，伊犁河谷3次超級單體個例2次都出現(xiàn)過旁瓣回波。

圖8 2.4°仰角反射率因子（a、b、c）、垂直剖面（d）及徑向速度（e）

5 結論與討論

通過分析2010—2021年伊犁河谷地區(qū)152次冰雹的時空分布特征及32個雹云單體的雷達回波特征得出以下結論：

（1）5—8月是伊犁河谷冰雹高發(fā)期，其中6月出現(xiàn)冰雹最多，且冰雹云在6月發(fā)展最為旺盛；16—19時是冰雹日變化高峰期，其中17時發(fā)生冰雹次數(shù)最多。

（2）冰雹云最強回波在49～72 dBZ，大部分冰雹的最強回波都在50 dBZ以上；回波頂高在6.8～13.3 km，99%的雹云頂高都在8 km以上；VILmax值跨度大，為5.02～47.7 kg/m2，VIL的躍增對冰雹預警有較好的指示意義。反射率因子達50 dBZ、回波頂高超過8 km、VIL出現(xiàn)明顯躍增可作為伊犁河谷冰雹的預警指標。

（3）冰雹的空間分布與河谷喇叭口地形息息相關，南部沿山的昭蘇縣和特克斯縣及北部沿山的霍城縣、尼勒克縣和霍爾果斯市是冰雹的多發(fā)地。昭蘇縣的冰雹占伊犁河谷地區(qū)冰雹總數(shù)的一半以上，它也是最常出現(xiàn)普通單體風暴和多單體風暴的地方，而線風暴和超級單體風暴多發(fā)在霍城縣。伊犁河谷雹暴多為多單體，其次是普通單體，線風暴和超級單體出現(xiàn)較少，其平均回波強度由大到小依次是超級單體、線風暴、多單體、普通單體風暴。

（4）普通單體反射率因子大值區(qū)在垂直方向上基本重疊，沒有傾斜；多單體一般出現(xiàn)在較為有利的天氣條件下，不斷有單體在同一側新生、增長、成熟、衰減，會對同一地區(qū)反復影響，且生命史較長；伊犁河谷已出現(xiàn)的線風暴組織性都較差，結構松散，回波頂高不高，低層常出現(xiàn)鉤狀回波；已出現(xiàn)的超級單體基本具備所有典型雷達回波特征，但有些個例中氣旋特征不顯著。

伊犁河谷因其特殊地理地形，雹暴也具有其特殊性，在此觀測到的超級單體風暴的回波頂高是4類雹暴中最低的，低層較大水平風速，對風暴在垂直方向的發(fā)展可能有抑制作用，這還需要更精細的探測資料來論證。本文所能收集到的降雹時間分辨率多為小時級或10 min級，對應5～6 min的雷達體掃時間過粗，雷達回波指標的時間精度有待進一步提高。