黔東南地區(qū)冰雹天氣雷達臨近預警指標研究

李路長，白 慧，楊勝忠，龍?zhí)鞆姡?艷

(貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000)

1 引言

冰雹是我國分布最廣的一種對流性災害天氣［1］，也是貴州春季常見的災害性天氣。貴州特別是貴州西部是冰雹頻發(fā)的地區(qū)［2］，然而近年來黔東南地區(qū)冰雹天氣過程出現(xiàn)多發(fā)態(tài)勢，僅2012—2013年就出現(xiàn)了多達10 次影響大、災情重的冰雹天氣過程，給黔東南社會經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全帶來較為嚴重的影響。近些年來，國內(nèi)外氣象工作者一直在研究強對流災害天氣的短時臨近預警系統(tǒng)，并得出了適合當?shù)氐呐R近預警指標和方法［3－5］。由于黔東南新一代天氣雷達投入業(yè)務(wù)應(yīng)用僅有2 a 多時間，到目前為止還沒有氣象工作者總結(jié)出本地區(qū)的冰雹雷達回波特征和預警指標。本文利用常規(guī)探空資料和新一代天氣雷達資料，從雷達在冰雹災害天氣中的應(yīng)用角度出發(fā)，通過對2011年5月黔東南新一代天氣雷達投入業(yè)務(wù)運行以來的冰雹天氣個例進行分析和總結(jié)，找出黔東南地區(qū)冰雹天氣雷達識別特征和預警指標，為今后冰雹災害短時臨近預警積累經(jīng)驗和提供有價值的參考。

2 資料收集和資料整理

本文使用的資料主要為2012—2013年貴州省黔東南各縣市氣象局報告記錄的冰雹資料和黔東南新一代多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)反演得到的產(chǎn)品以及相應(yīng)的常規(guī)探空資料，對10 次冰雹天氣過程中共30 塊降雹云團的回波形態(tài)、移動路徑、風暴最強回波強度dBzM、最強回波所對應(yīng)的高度HT、風暴頂高TOP、0℃層距地面的高度、－20℃層距地面的高度等參數(shù)進行統(tǒng)計分析，因收集到的地面降雹時間多為估計時間，冰雹降落到地面也需要一定時間等因素影響，所以分析時主要考察冰雹發(fā)生前10個體掃、冰雹發(fā)生時各次體掃和冰雹發(fā)生后4個體掃的雷達回波變化特征，提取可用于短時臨近預報和預警黔東南地區(qū)冰雹天氣的識別特征。

3 冰雹天氣過程概況

分析2012—2013年黔東南地區(qū)10 次影響范圍較廣、成災較重的冰雹天氣過程(見表1)。由表1看出，10 次冰雹天氣過程中，有5 次強對流風暴是由西北部移入黔東南，即由黔南甕安和福泉之間進入黃平，然后東移快速發(fā)展、加強生成雹暴，由這條路徑移入的風暴大多向偏東方向移動，僅有一次向東南方向移動;有3 次對流風暴由西南部進入黔東南，即由黔南都勻附近進入丹寨、雷山，然后向偏東北方向發(fā)展、增強成強對流風暴產(chǎn)生冰雹天氣;有2次對流風暴由西部進入黔東南，即由黔南貴定和福泉附近進入凱里，然后快速發(fā)展、加強成雹暴向東移動產(chǎn)生冰雹。由西北部和西部進入黔東南的對流風暴產(chǎn)生的冰雹天氣影響范圍廣，西南部進入黔東南的風暴產(chǎn)生的冰雹主要影響黔東南南部地區(qū)。多數(shù)冰雹天氣發(fā)生在下午到上半夜，極少數(shù)發(fā)生在凌晨以后。

表1 2012—2013年黔東南地區(qū)冰雹天氣過程統(tǒng)計

4 冰雹天氣雷達短時臨近預警指標分析

對黔東南地區(qū)10 次冰雹天氣過程產(chǎn)生冰雹的30個強風暴的回波形態(tài)、最強回波強度dBzM、45 dBz 強回波伸展高度H45dBz、回波頂高與0℃層高度差(ET－H0)、最強回波高度與0℃層高度差(HTH0)、風暴頂高與－20℃層高度差(TOP－H－20)、垂直液態(tài)累積含水量VIL、VIL 密度VILM、VIL 密度與(ET－H0)的乘積VILE 共9個識別因子進行了統(tǒng)計分析(表2)。

表2 2012—2013年黔東南地區(qū)冰雹識別因子統(tǒng)計特征

4.1 基本反射率因子形態(tài)和強度指標分析

由表2 可知，30個回波單體形狀主要以片狀和塊狀為主，鉤狀和帶狀出現(xiàn)的頻次也較高;過程發(fā)生、發(fā)展前期主要以塊狀、鉤狀、帶狀為主，后期以片狀、塊狀為主。三體散射長釘(TBSS)特征出現(xiàn)了10 次，其中6 次地面出現(xiàn)了超過30 mm 的大冰雹;V型缺口特征出現(xiàn)了5 次，其中4 次伴隨著鉤狀特征的出現(xiàn)，同時地面降落20 mm 左右的大冰雹。利用同屏顯示方式顯示4個不同仰角的基本反射率因子圖，可以發(fā)現(xiàn)在降雹前均存在弱回波區(qū)WER，特別是大冰雹降落前具有寬闊的弱回波區(qū)特征。因此，將風暴出現(xiàn)弱回波區(qū)WER 特征作為冰雹的預警參考條件。同時，所有冰雹云中的dBzM≥55 dBz，最小的為55 dBz，最大的為67 dBz，其中22個雹云(占73%)的dBzM 在55～65 dBz 之間，8個雹云dBzM＞65 dBz，因此將dBzM≥55 dBz 作為可能降雹的參考依據(jù)之一。

4.2 ET 和H45 dBz指標分析

回波頂高是衡量對流風暴發(fā)展強弱程度的重要標志，它反映了云內(nèi)垂直上升氣流的強度，回波頂高越高，云內(nèi)上升氣流越強。分析圖1a 發(fā)現(xiàn)，降雹前ET 均在8 km 以上，最高達到19 km，90%的冰雹云ET 回波頂高在9～16 km 之間。因此，可將ET≥9 km定為有利于黔東南地區(qū)降雹的基本參考指標之一。

圖1 冰雹云回波頂高(a)、45 dBz 強回波伸展高度(b)點聚圖

根據(jù)Smith 等［8］提出的云內(nèi)最初冰雹增長為中數(shù)體積水汽凝結(jié)體的直徑是0.4～0.5 cm 的理論，有學者得出“冰雹云初期等效雷達反射率因子為44 dBz”的結(jié)論［9］;湯興芝等［5］對利用45 dBz 強回波伸展高度作為冰雹指標進行了統(tǒng)計和檢驗。從圖1b看出:H45dBz最小為7.4 km，最大為14 km，其中在8.6 km 以上的有29個，占97%。因此，將H45dBz≥8.6 km 作為黔東南地區(qū)冰雹預警指標之一。

4.3 ET－H0、HT－H0、TOP－H－20指標分析

回波頂高與0℃層高度差反映了在0℃溫度層以上產(chǎn)生冰雹的對流風暴發(fā)展程度，該高度差值越大，風暴在0℃層以上發(fā)展越旺盛，形成大冰雹的概率越大。分析圖2a 可看出:ET－H0在4 km 以下的有1 塊，在4～6.5 km 之間的有5 塊，在6.5 km 以上的有24 塊，占80%。因此，選擇ET－H0≥6.5 km 作為黔東南地區(qū)冰雹預警指標之一。分析圖2b 可知，HT－H0在－2～2 km 的有23個，說明最強回波高度伸展高越接近0℃層或超過0℃層一定的高度，降雹的可能性越大。因此，可選擇HT－H0≥－2 km 作為冰雹預警參考條件。分析圖2c 可知:大多數(shù)風暴TOP－H－20在－1～5 km 之間降雹落點數(shù)有28個，在－1～3 km之間有23個，說明風暴發(fā)展越接近或超過－20℃層高度，即風暴頂高必須在－20℃層高度附近或以上時，降雹的概率越大。因此選擇TOP－H－20≥－1 km 作為冰雹預警參考條件。

圖2 冰雹云回波頂高與0℃層高度差(a)、冰雹云最強回波高度與0℃層高度差(b)、風暴頂高與－20℃層高度差(c)點聚圖

4.4 VILM、VILE 指標分析

由于垂直累積液態(tài)水含量VIL 容易受到季節(jié)、強回波傾斜、回波移速過大、雷達掃描策略等因素影響，導致VIL 值偏小。分析圖3a 可知，黔東南地區(qū)冰雹云的VILM 值范圍在2.07～5.91 g·m－3之間，其中VILM 值在2.5～5 g·m－3之間的雹暴有25個，占83%，在2.5 g·m－3及以下的3個，占10%，在5 g·m－3及以上的2個，占6.7%。因此，可將VILM值≥2.5 g·m－3作為冰雹預警參考指標。分析圖3b可知，VILE 值在20～45 g·m－2之間的雹暴有23個，占77%，在20 g·m－2及以下的有3個，占10%，在40 g·m－2及以上的有4個，占13%。因此，可將VILE 值≥20 g·m－2作為冰雹預警參考指標。

圖3 冰雹云VIL 密度(a)、VIL 密度與ET－H0 的乘積VILE(b)點聚圖

5 冰雹預警指標回代檢驗

為檢驗上文總結(jié)的冰雹預警指標的性能，用2012年發(fā)生在黔東南地區(qū)的冰雹天氣過程對最強回波強度(dBzM)等8個預警指標進行回代檢驗(見表3)。回代檢驗統(tǒng)計主要考慮預警的一個提前量，因此統(tǒng)計特征值是以每塊冰雹云下冰雹之前的第6～4個體掃得到的雷達回波為準。由表3 看出:①dBzM≥55 dBz、ET≥9 km 作為黔東南地區(qū)冰雹預警指標是合適的;②ET－H0≥6.5 km、HT－H0≥－2 km、TOP－H－20≥－1 km、VILM ≥2.5 g·m－3、VILE≥20 g·m－2作為預警指標能很好的識別冰雹，但因回波頂高、最強回波高度、風暴頂高易受到雷達掃描方式的嚴重影響，還需要更多冰雹個例進行檢驗和修正;③H45dBz≥8.6 km 在檢驗中出現(xiàn)了一個個例不能識別。因此，考慮預警的一個提前量和檢驗統(tǒng)計值，將H45dBz修正為≥7.5 km 作為黔東南地區(qū)冰雹天氣預警指標。

表3 2012年黔東南地區(qū)冰雹預警指標回代檢驗統(tǒng)計表

續(xù)表3 2012年黔東南地區(qū)冰雹預警指標回代檢驗統(tǒng)計表

6 結(jié)論與討論

①黔東南地區(qū)降雹回波形態(tài)以片狀和塊狀為主，降雹前均存在弱回波區(qū)WER，特別是大冰雹降落前具有寬闊的弱回波區(qū)特征，冰雹云的回波形態(tài)可以輔助預警人員進行冰雹預警，當出現(xiàn)弱回波區(qū)WER，特別是當出現(xiàn)TBSS 或V 型缺口的時候，預警人員應(yīng)該立即發(fā)布大冰雹預警。

②10 次冰雹天氣過程大多數(shù)冰雹云具有以下特征:最強回波強度dBzM≥55 dBz，回波頂高ET≥9 km，45 dBz 強回波伸展高度H45dBz≥8.6 km，回波頂高與0℃層高度差ET－H0≥6.5 km，最強回波高度與0℃層高度差HT－H0≥－2 km，風暴頂高與－20℃層高度差TOP－H－20≥－1 km，VIL 密度VILM≥2.5 g·m－3，VIL 密度與ET－H0的乘積VILE≥20 g·m－2。

③通過對個例回代檢驗發(fā)現(xiàn):最強回波強度dBzM≥55 dBz 和回波頂高ET≥9 km 作為黔東南地區(qū)冰雹預警指標是合適的;回波頂高與0℃層高度差ET－H0≥6.5 km、最強回波高度與0℃層高度差HT－H0≥－2 km、風暴頂高與－20℃層高度差TOPH－20≥－1 km、VIL 密度VILM≥2.5g·m－3、VIL 密度與ET－H0的乘積VILE≥20 g·m－2作為預警指標能很好的識別冰雹，但還需要更多冰雹個例進行檢驗和修正;將45 dBz 強回波伸展高度H45dBz修正為≥7.5 km 作為黔東南地區(qū)冰雹天氣預警指標。

④由于黔東南新一代天氣雷達投入業(yè)務(wù)應(yīng)用時間較短，冰雹災害個例資料較少。因此，黔東南地區(qū)冰雹天氣預警閾值和指標還需要在下一步的業(yè)務(wù)工作中進行進一步的檢驗和修正。

［1］俞小鼎. 強對流天氣臨近預報［M］. 中國氣象局培訓中心，2010.1.

［2］周永水，周明飛，原野. 多普勒雷達產(chǎn)品在貴州山區(qū)的降雹特征［J］. 貴州氣象，2012，36(1).

［3］馮晉勤，黃愛玉，等. 基于新一代天氣雷達產(chǎn)品閩西南強對流天氣臨近預報方法研究［J］. 氣象，2012，38(2):197－203.

［4］李德俊，唐仁茂，等. 強冰雹和短時強降水天氣雷達特征及臨近預警［J］. 氣象，2011，37(4):474－480.

［5］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］. 暴雨災害，2009，28(3):261－265.

［6］肖艷姣，劉黎平. 新一代天氣雷達網(wǎng)資料的三維格點化及拼圖方法研究［J］. 氣象學報，2006，64(5):647－656.

［7］張培昌，杜秉玉，戴鐵丕. 雷達氣象學［M］. 北京:氣象出版社，2001，499.

［8］Smith P L，Myers C G，Orville H D.Radar reflectivity factor calculations in numerical cloud models using bulk parameterization of precipitation［J］.Appl Meteor，1975，14(9):1156－1165.

［9］李金輝，樊鵬. 冰雹云提前識別及預警的研究［J］. 南京氣象學院學報，2007，30(1):114－119.