廣東冰雹天氣的高山雷達產品特征分析

郝建平?李波?梁羅德?曹剛

摘 要 采用河源新一代天氣雷達所探測的數據，該雷達站海拔1 056 m，相對高度接近1 000 m，周圍無遮擋，是廣東省海拔最高、凈空環境最好的一個臺站，也是廣東省唯一的高山站，其獲取的數據質量高，具有一般高山站的特點。對2013年，發生在其探測范圍內的3次大范圍降雹天氣過程雷達產品進行分析，發現：當滿足以下2～3個條件（CR產品強度大于等于65 dBZ；VIL值大于等55 kg/m2；MEHS大于等于4；ET在短時間內有較大幅度的上升）時，基本就能確定將會有降雹發生或者已經開始降雹，夏季相對于春季以上各數值需要適當的上調，當距離雷達站很近時，各數據需相應的下調。另外，當開始降雹前，VIL值在短時間內有一次陡降然后陡升的過程。

關鍵詞 雷達產品；冰雹；特征分析；廣東省

中圖分類號：P412.25 文獻標志碼：B 文章編號：1673-890X（2014）15-0-04

冰雹是由強對流天氣系統引起的一種劇烈的氣象災害。它具有范圍較小、持續時間較短、來勢猛和強度大等特點，常常伴隨著局地的狂風、急劇降溫、強降水等災害性天氣過程。中國是冰雹災害頻繁發生的國家，每年都給農業、建筑、通訊、電力、交通以及人民生命財產帶來巨大損失。據有關資料統計，我國每年因冰雹所造成的經濟損失達幾億元甚至幾十億元。雖然廣東省是一個冰雹災害相對來說較少發生的區域，但是，在全球氣候變暖、極端自然災害頻發的大背景下，近幾年廣東雹災呈增加的趨勢，每年的春季以及春夏交替的季節是冰雹天氣的高發季節。由于冰雹天氣具有尺度小、持續時間短以及危害大等特點，用傳統天氣學方法預報冰雹顯得非常困難，但是，對于冰雹天氣的預報又顯得非常重要，隨著雷達探測技術的發展以及雷達布網密度的增加，對于冰雹等強對流天氣的監測及臨近預報變為可能。近年來，對于在雷達圖上識別并預報冰雹天氣的研究越來越多：鄭媛媛、俞小鼎[1-3]等對2002年發生在合肥的超級單體進行了研究；姜麟、廖玉芳[4-6]等通過基本反射率、徑向速度、回波頂高、垂直累積液態含水量等雷達產品對冰雹等強對流天氣進行研究；丁小劍[7]等人發現在降雹前垂直累積液態含水量（VIL）值有明顯的反應。但是，利用高山雷達站產品對廣東冰雹天氣的研究還比較少，通過對幾塊降雹單體整個生命史所對應的各雷達產品特征情況進行分析以尋找廣東降雹云在各種雷達產品上的一般特征情況。

1 2013年3月20日冰雹天氣雷達產品特征分析

2013年3月20日下午，東莞部分地區出現了8級左右的雷雨大風及短時強降水，并出現了強冰雹，此次冰雹天氣共造成9人死亡，272人受傷。東莞位于河源雷達站西南方向約100 km左右，處于CINRAD/SA雷達的有效探測范圍內，這種距離下CINRAD/SA雷達探測所得的數據質量較高。對于此次過程所采用的雷達資料為14：36—18：00，每6 min取1次數據，14：36前，該雷暴云已經存在并發展到一定階段，由于雷達探測距離的限制，在此時間之前該雷暴云未被探測到，直到14：36，雷達風暴追蹤信息產品（STI）才識別出該單體并編號，18：00該雷暴云消散，前后持續將近

4 h，為超級單體雷暴云。由于具體的降雹時間及地點很難確認，所以，認為降雹時間為在雷達圖上觀測到三體散射的時間（即觀測到三體散射現象則認定為降雹發生）。分析基本反射率各個仰角產品發現出現三體散射的時間段為15：36—17：12，此時間段即為降雹時間。通過分析此超級單體整個生命史中組合反射率強度（CR）、回波頂高（ET）、垂直累積液態水含量（VIL）的變化情況，繪制出圖（1）所示的各值隨時間變化的曲線，回波強度、VIL值對應左邊縱軸，回波頂高對應右邊縱軸。分析圖中各數據發現，在14：42之前，各值都處于較低水平，14：48開始，CR、VIL值有1次躍增，12 min內VIL值從46 kg/㎡上升到64 kg/㎡， CR也從59 dBZ上升到63 dBZ，ET從10.9 km迅速上升到13.3 km，維持2個體掃時間后各值迅速降低。從15：00—15：30，VIL、ET持續降低，但是變化幅度不大，CR前半時間有所降低，后半時間又上升，變化幅度為6 dBZ左右，變化幅度不明顯。從15：30—15：42，VIL躍增勢增長，從42 kg/㎡增長到56 kg/㎡、CR也持續增大，ET變化不明顯。15：48降雹開始直到降雹結束這段時間內，VIL上升達到59 kg/㎡，隨著降雹的持續，VIL也有所變化，最大達到67 kg/㎡，CR維持在65 dBZ以上，位于70 dBZ左右小幅度變化，ET最低9.6 km，最高13.6 km；其中，降雹最強的時刻在16：00左右，此時VIL值達到66 kg/㎡，ET達到13.6 km，CR為69 dBZ，各值均達到峰值。降雹結束直到雷暴云消散階段，雖然CR有一定程度下降，但是總體不明顯，但是VIL則是1個明顯的下降過程，從降雹時候的55 kg/㎡降低到27 kg/㎡，ET高度也降低到7 km左右。圖（2）為HI（冰雹指數）產品中冰雹最大尺寸數據MEHS（該數值精確到1.0，按小數點后一位四舍五入）隨時間變化曲線。HI產品是WSR—88D冰雹探測算法（HDA）的圖形輸出結果，WSR—88D冰雹探測算法利用風暴單體識別和跟蹤算法（SCIT）輸出結果，查找0℃等溫線高度上的強反射率因子值，0℃等溫線上的強反射率因子值越強（至少40 dBZ），發生高度越高（可超過負20℃等溫線），產生冰雹的可能性就越大，冰雹尺寸也越大；由于在弱風和熱帶環境中，冰雹指數趨向于過高估計冰雹發生的可能性，降雹云與雷達之間的距離也影響該數值的大小，所以需要尋找一個適合當地一般規律的數值作為參考值。分析圖（2）發現，當MEHS大于等于4：00，都有降雹，小于4：00，無冰雹產生。

小結：對于該超級單體降雹發生前的短時間內，VIL有一次跳躍式的下降，然后緊隨著跳躍式的增長，直到降雹發生；降雹過程中，VIL都位于54 kg/㎡以上，VIL值越大，冰雹強度越強，降雹結束伴隨著VIL短時間內的陡降；CR在降雹前以及降雹過程中變化幅度不大，有時候甚至未降雹比降雹時候的值都要大，這跟CR產品的算法有一定關系，但是當降雹發生時，CR值都位于65 dBZ以上，有時候可以超過70dBZ；一般降雹時，ET值都維持在11 km左右的高度，比一般對流性降水單體的ET值稍高，但是差別不是很明顯，當強冰雹發生時，ET在短時間內可以發展到將近14 km的高度，高度越高，降雹強度越強，ET值的大小可以作為強冰雹是否發生的一個參考指標；對于距離河源雷達站100 km左右的雷暴單體，當HI顯示MEHS大于等于4：00，基本可以判定已經開始降雹，數值越大，降雹強度越強。endprint

2 2013年3月23日冰雹天氣雷達產品特征分析

2013年3月23日下午，雷達站西北面出現超級單體雷暴，并產生冰雹天氣，圖（3）為該超級單體雷暴云整個生命史過程中各雷達產品數據隨時間變化的曲線，該超級單體降雹時間為18：00—18：54。分析發現：CR從該單體被識別直到降雹發生，中間有短時間的降低，總體來說是在穩定增長，但是強度不大，一直維持在60 dBZ以下，開始降雹以及降雹過程中，CR值迅速增大，從60 dBZ增長到最大時達到71 dBZ，隨著降雹的結束，CR值也迅速的減小；ET在降雹前以及降雹過程中變化不明顯，都維持在9 km左右，甚至降雹前的回波頂高大于降雹發生時，這可能跟超級單體的移動路徑有關系，當超級單體移到距離雷達站較近時，由于雷達仰角的限制，所測得的ET值要比實際的低，當雷暴云距離雷達較近時，ET值參考意義不大；VIL在降雹發生前有跳躍式的增長，隨著降雹強度的加強，VIL也相應的增加，在整個降雹過程中，VIL基本維持在40 kg/㎡以上，隨著降雹的結束，VIL也迅速降低，由于ET值在VIL值的算法中占了一定的比重，在距離雷達站較近時VIL也會相應的偏小，從另一方面來說，在雷暴云距離雷達站較近的時候，如果用VIL值的大小作為一個判斷是否有冰雹發生的參考量時，其相應的閾值需要適當的調低。分析HI產品中MEHS數據隨時間變化曲線發現：降雹前，MEHS都小于3，降雹過程中，MEHS都大于等于3，最大的達到7，在18：48與18：54，雖然這兩個時段仍然降雹，但是該值為1，這跟HI產品的算法有關系，VIL值在該算法中占了一定的權重，VIL值的大小又與ET有關，所以ET的偏小導致了MEHS的偏小。在雷暴云距離雷達站較近時，如果出現HI產品的報警，則需要特別注意是否有冰雹產生。

3 2013年7月12日局地冰雹天氣雷達產品分析

2013年7月12日下午，位于雷達站東北方向約100 km處出現了冰雹天氣，圖（4）是該降雹云整個生命史過程中各中雷達產品數據隨時間變化的曲線，該降雹雷暴單體相對于前2個個例來說生命史較短，從雷達風暴追蹤產品識別出該單體到其消亡約1.5 h，為一般性雷暴單體，其降雹時間為17：50—18：10，持續大約10～20 min。分析發現：CR值在該雷暴云整個生命史過程中變化幅度不明顯，一直維持在60 dBZ左右，降雹時該值超過64 dBZ，最大達到69 dBZ；ET在降雹前基本穩定，維持在9 km左右，當降雹發生時，ET迅速增長，達到13 km左右的高度，當降雹結束后，ET又迅速減小到8 km左右，相對于前2個個例來說降雹發生時ET的高度較高，可能跟季節有關系，夏季零度層的高度相對春季來說更高，冰雹的形成與零度層的高度有關，所以降雹的產生需要雷暴云發展得更高；VIL表現為在降雹前有一次跳躍式的降低以及跳躍式的上升，在降雹發生時，VIL值達到58 kg/m2，最高達到65 kg/m2，隨著降雹的結束，VIL值迅速降低，相比消散階段，發展階段的雷暴單體有更高的VIL值。分析HI產品發現：MEHS都大于5，最高達到8，說明夏季HI產品對于冰雹天氣的預報誤報率更高，需要設定更高的閾值。

4 結論

（1）雷暴單體在降雹發生時，CR值一般都大于65 dBZ，但是當CR大于65 dBZ時，卻不一定有冰雹產生，CR值越大，產生冰雹的可能性越大；春季ET值的高度對于是否降雹沒有明顯的指示作用，當ET在10 km左右的高度即可產生冰雹，與一般對流性降水差別不大，但是當強冰雹發生時，ET還是有較明顯的反應，表現為短時間內的迅速上升，在夏季降雹時，ET值較一般對流性降水要大，通常需要發展到13 km左右的高度。

（2）雷暴單體的VIL在降雹前有一次陡降隨后在短時間內又陡升的過程，降雹時VIL一般大于等于55 kg/m2，夏季通常情況下大于春季，但是當雷暴云距離雷達站較近時，由于雷達仰角的限制，不能準確的測得回波頂高，從而所獲得的VIL值會偏小，在使用VIL產品時，要注意雷暴單體距離雷達站的距離。

（3）對于HI產品中冰雹最大尺寸數據（MEHS）：當MEHS越大，產生冰雹的可能性就越大，降雹的強度也越強，在春季，一般情況下當MEHS大于等于4：00，都會有冰雹產生，在夏季，當MEHS大于等于5時才會產生冰雹，當雷暴云距離雷達站很近的時候，MEHS顯得更加的敏感，當HI產品出現報警時，需要特別注意是否有冰雹產生。

（4）綜上所述，降雹時一般都會具有以下幾個特征：CR產品強度大于等于65 dBZ；VIL大于等于55 kg/m2；MEHS大于等于4；ET在短時間內有較大幅度的上升。當滿足以上兩到三個條件時，基本就能確定將會有降雹發生或者已經開始降雹。夏季相對于春季以上各數值需要適當的上調，當距離雷達站很近時，各數據需相應的下調。

參考文獻

[1] 鄭媛媛，俞小鼎，等.一次典型超級單體風暴的多普勒天氣雷達觀測分析[J].氣象學報，2004，62（3）：317-328.

[2] 俞小鼎，王迎春，陳明軒.新一代天氣雷達與強對流天氣預警[J].高原氣象，2005，24（3）：456-464.

[3] 俞小鼎，周小剛，王秀明. 雷暴與強對流臨近天氣預報技術進展.氣象學報[J]，2012，70（3）：311-337.

[4] 姜 麟，王衛芳，韓桂榮，等. 江蘇一次夏季強雷暴天氣過程的綜合分析[J].氣象科學，2006，26（3）：316-322.

[5] 廖玉芳，潘志祥，郭慶，等.基于單多普勒天氣雷達產品的強對流天氣預報預警方法[J].氣象科學，2006，26（5）：564-571.

[6] 廖玉芳，俞小鼎，唐小新，等.基于多普勒天氣雷達觀測的湖南超級單體風暴特征[J]. 南京氣象學院學報，2007，30（4）：433-443.

[7] 丁小劍，唐明暉，陳德橋，等. 兩次冰雹過程多普勒天氣雷達產品的對比分析[J].氣象與環境科學，2010，33（2）：42-47.

（責任編輯：趙中正）endprint