新疆阿克蘇地區冰雹時空分布及雷達回波特征

朱思華，羅 繼，曲良璐

（1.新疆維吾爾自治區人工影響天氣辦公室，新疆 烏魯木齊 830002；2.阿克蘇地區氣象局，新疆阿克蘇 843000）

新疆阿克蘇地區地處天山南麓、塔里木盆地西北部，總面積為1 313 hm2，占新疆面積的8%，北部為中天山山脈，南部為塔克拉瑪干沙漠，中部麓礫質扇形地、沖積平原區、戈壁、綠洲相間。由于幅員遼闊、地形復雜，區域氣候差異明顯，降水較少，具有暖溫帶大陸性干旱氣候特征[1]。阿克蘇地區是新疆重要的棉花、特色林果等作物生產區，作物種植規模大、產值高，是國家級優質棉種植基地和著名的瓜果之鄉。新疆是國內冰雹災害多發區[2]，阿克蘇地區是新疆雹災最嚴重的區域[3]，每年5—9月均會有不同程度的冰雹災害，對當地棉花和林果業生產構成嚴重威脅。“一帶一路”戰略發展對防災減災能力提出了更高要求，適時開展人工防雹作業是保障各種農作物生長免受冰雹災害的重要舉措。

有學者在冰雹頻次及災害分析中得出，近60 a新疆冰雹頻次增多，6月頻次最多[4]，而且1984—2014年新疆雹災經濟損失總體呈波動上升趨勢[5]，阿克蘇地區是3個雹災高風險區之一[3]；在冰雹預報方面，通過分析34個冰雹個例，得出了阿克蘇冰雹天氣的判識指標[6]，分析了阿克蘇地區冰雹云超級單體雷達回波特征，從技術角度提出了基于雷達圖像的回波強度與支持向量機的雹云判別新方法[7]，得出冰雹發生前后動力、水汽、能量、層結不穩定狀況，并得出了一些預報指標[8-12]。雹災人工防御研究得出，阿克蘇地區1978—2013年人工防雹作業后冰雹災害明顯減少[13]，張繼東等[14]初步歸納了人工影響天氣作業安全的一些保障措施。在全球氣候變暖背景下，分析阿克蘇地區近10 a冰雹天氣時間和空間分布及變化特征，選取10場典型冰雹天氣過程，揭示冰雹對流云回波強度、回波頂高、垂直液態水含量、回波形態等雷達回波二次產品特征，對準確地判識雷達冰雹云回波提供經驗和技術指標，結合近10 a人工防雹作業的季節和作業高峰時段的分布特點，進一步增強人工防雹作業效果，最大限度地減少雹災損失，提升冰雹防災減災能力和水平。

1 資料和方法

依據“新疆氣象災情直報系統”中阿克蘇地區9縣市資料和阿克蘇地區人工影響天氣辦公室人工防雹作業信息，統計2010—2019年阿克蘇地區9縣市共145次冰雹及受災面積和經濟損失，分析近10 a阿克蘇地區冰雹天氣的時間變化及空間分布特征、人工防雹作業次數的時間和空間特征。其中，春季為4—5月，夏季為6—8月，秋季為9—10月。阿克蘇地區9縣市分布見圖1。

圖1 阿克蘇地區9縣市地理位置分布

選用阿克蘇地區9縣市2009—2019年10場冰雹天氣過程，利用阿克蘇新一代C波段天氣雷達VCP11模式體掃三維數據，應用美國Gibson Ridge Software LLC公司GR2Analyst雷達產品處理軟件，生成反射率因子（R）和任意垂直剖面、回波頂高（ET）、垂直積分液態水含量（VIL）等二次產品。

2 冰雹時空分布

2.1 時間變化

2.1.1 年和季變化

圖2為2010—2019年阿克蘇地區9縣市145次冰雹發生次數的年、季和月變化。對于年變化（圖2a），近10 a年平均冰雹次數為14.5次·a-1，呈現略增加趨勢，冰雹次數年平均增加速率為0.32次·a-1，其中，2019年冰雹次數最多（23次），其次是2011年（22次），2015年最少，僅8次。

圖2 2010—2019年阿克蘇地區9縣市年、季（a）和月（b）冰雹累計數次變化

對于季節變化（圖2a），除冬季無冰雹外，其余三季均有出現。春季、夏季、秋季冰雹次數年平均變化速率分別為0.24、-0.16、0.25次·a-1，春季和秋季為增加趨勢，夏季為減少趨勢。冰雹次數春、夏、秋三季分別出現了45次、83次（最多）、17次（最少）。各季冰雹發生最多年份分別為：春季是2019年，為11次；夏季是2017年，為12次；秋季是2019年，為7次。冰雹發生季節最少年份分別為：春季是2012年和2017年，均為2次；夏季是2015年，為4次；秋季是2010、2013和2018年，均未出現。2019年春季、秋季和年冰雹次數均居首位。

近年來，阿克蘇地區氣候增暖增濕趨勢明顯。1971—2019年氣溫增加率為0.2℃/10 a，降水增加率為7.2 mm/10 a。暖濕環境更有利于冰雹天氣的發生。春季是冷暖交替季節，具備一定的水汽、熱力條件且0℃層高度適宜，尤其是5—6月0℃層平均高度為3.8～4.2 km，對流運動更容易達到冰雹凝結高度，形成冰雹。近10 a來，夏季系統性降水和陰雨天氣增多，夏季氣溫降低0.1℃，冰雹日數有所減少。增暖增濕氣候使雷暴、冰雹等強對流天氣活動時間延長，9月0℃層高度適宜（4 km），強對流天氣仍較頻繁，10月也偶有冰雹天氣發生（2019年10月10—13日沙雅縣出現強冰雹災害），秋季冰雹出現頻次有所增加。

2.1.2 月變化

圖3顯示了近10 a阿克蘇地區冰雹次數月分布狀況，冰雹天氣最多月份為5和6月，累計次數均為40次，7月為30次，8月為13次，9月為11次，4月最少，為5次，10月次少，為6次。從冰雹次數累計變化看（圖2b），冰雹月的年際變化起伏較大，年際差異較為明顯，4—10月冰雹最多年份依次為：4月是2019年，為3次；5月是2011年，為9次；6月是2018年，為6次；7月是2013年，為7次；8月是2017年，為4次；9月是2014年，為4次；10月是2019年，為4次。冰雹最少月份除2010年6月為2次外，其余月均為無冰雹月。無冰雹月分別是：2010—2016年4月，2014年5月，2015年和2019年7月，2010、2013和2019年8月，2010、2011、2013、2016和2018年9月，10月除2011和2019年分別出現2次和4次之外，其余年份均無冰雹。

圖3 2010—2019年4—10月阿克蘇地區逐月冰雹累計次數

2.1.3 日變化

圖4為阿克蘇地區冰雹次數逐時變化分布，一日中除04—07時、08—11時未出現過冰雹天氣外，其余時次均有出現。冰雹天氣有2個峰值時段，最高峰時段18—20時累計出現45次（占31.0 %），次高峰時段15—18時出現47次（占32.4 %），這2個高峰時段共92次（占63.4 %）。從逐時變化看，18—19時出現次數最多，共24次（2011年6次）；其次是19—20時，出現21次；16—17時出現19次；00—01時、02—03時、03—04時、07—08時、12—13時、13—14時冰雹很少，均出現了1次。15—20時是冰雹易發時段，18—20時為高發時段，18—20時出現冰雹次數最多的為2011年，共發生11次，其次是2016年，發生7次。

圖4 2010—2019年阿克蘇地區9縣市冰雹逐時發生縣次分布

冰雹每年最早和最晚出現時間年際差異較大，近10 a冰雹最早出現于2013年4月18日沙雅縣境內，冰雹直徑約0.5 cm。冰雹最晚出現時間也在沙雅縣境內，是2019年10月13日。

2.2 空間變化

2.2.1 年和季分布

由于復雜的地形地貌，阿克蘇地區冰雹分布具有區域差異性，從近10 a阿克蘇地區冰雹發生頻次統計情況看（表1），年降雹次數最多的是位于西北部的溫宿縣，為28次；位于東南部的沙雅縣次多，為25次；靠近中部的阿瓦提縣和阿克蘇市均為17次；最少的是西北部淺山一帶的烏什縣和東部平原地帶新和縣，僅有8次和9次。春季出現冰雹的次數西部多于東部，溫宿縣最多，為9次；其次是阿克蘇市和阿瓦提縣，均為7次；沙雅縣6次，而靠山區一帶的烏什和拜城較少。夏季出現冰雹次數較多的是溫宿縣（15次）和沙雅縣（14次）；拜城縣也較多，出現11次。秋季出現冰雹次數較多的是沙雅縣（5次）、溫宿縣（4次）。綜上所述，沙雅縣和溫宿縣冰雹次數較多，是阿克蘇地區冰雹頻發區。

表1 2010—2019年阿克蘇地區9縣市冰雹次數

2.2.2 月分布

5—7月9縣市全都出現冰雹，其余月份有部分縣市出現冰雹。月冰雹發生頻次最高的縣市如下：4、5、8和9月是溫宿縣（4月為2次，5月為7次，8月和9月為4次）；6月是沙雅縣，為11次；7月是阿瓦提縣，為8次；10月是沙雅縣，為3次。月冰雹次數最多的縣市分別為：溫宿縣（8和9月均為4次），沙雅縣（6月11次），阿瓦提縣（7月8次）。

結合各縣市冰雹年際變化，年冰雹次數最多的是2011和2019年（均為22次），沙雅縣（6次）和溫宿縣（4次）較多。年冰雹次數較多的是溫宿縣（2012年出現5次）和庫車縣（2016年出現5次）。冰雹次數最少年份是2015年，溫宿縣仍為出現冰雹次數最多的縣（2次）。

3 雷達回波特征

3.1 三種對流風暴的雷達產品特征

冰雹對流云回波按不同結構可分為超級單體、多單體風暴和單體風暴。選取阿克蘇地區10場冰雹天氣過程，按三種結構進行分類統計。新一代天氣雷達的二次產品數據主要包括1.5°仰角的反射率因子（R）及垂直結構、回波頂高（ET）、垂直積分液態水含量（VIL）四類，表2為10場冰雹過程中雷達回波最強時刻的主要產品特征。雷達主要產品能反映冰雹云雷達回波強度特征，由表2可知，1.5°仰角反射率因子平均值為50.7 dBZ，回波頂高平均值為9.4 km，垂直積分液態水含量平均值為12.8 kg·m-2。對應冰雹最大直徑、持續時間和強度排序，進一步印證了1.5°仰角反射率因子越強、回波頂高越高、垂直積分液態水含量越大，則冰雹強度越強的結論[6]。

3.2 超級單體風暴

10場冰雹天氣中有5場對流云結構為超級單體風暴（表2），超級單體風暴的雷達回波最強，表現為回波強度最強、回波頂高最高、垂直液態水含量最大。1.5°仰角的反射率因子平均值為55.6 dBZ，最強回波達64.5 dBZ（2009年8月19日），最弱回波為50.5 dBZ。平均回波頂高為10.6 km，最大回波頂高為11.3 km（2009年8月19日），其余均在10.0 km以上。平均垂直液態水含量為12.8 kg·m-2，最強為51.2 kg·m-2（2009年8月19日），其余為11.5～16.1 kg·m-2。

表2 阿克蘇地區10場冰雹新一代天氣雷達產品最強時刻的主要物理量值

超級單體風暴具有特殊結構，PPI上“V”形缺口。4場超級單體風暴PPI上，1.5°仰角的反射率因子及反射率因子剖面（圖5）中，由于上升和下降氣流強，在低層對流風暴運動的右后方均有“V”形缺口。垂直結構RHI有弱回波區或有界弱回波區。超級單體出現時大氣層結非常不穩定，低層上升氣流較強，降水質點被攜帶上升，加上高空輻散和環境風作用，反射率因子核心區偏向一側，在風暴右后側出現穹隆回波。當低層回波很弱，低空傾斜上升的氣流在風暴右前方形成云沾，上升氣流區下方出現較弱回波的穹隆回波，RHI上形成弱回波區（圖5b～5d），當上升氣流增強，低層無回波，上升氣流區下方出現無回波的穹隆，形成有界弱回波區（圖5a），有界弱回波區或弱回波區面積越大、弱回波區上部回波越強、弱回波區高度越高，則冰雹越強。

圖5 阿克蘇新一代天氣雷達1.5°仰角的反射率因子及反射率因子剖面

3.3 多單體風暴

多單體風暴由幾個處于不同發展階段的單體組成，10場冰雹天氣中僅有1場對流云回波結構為多單體風暴，該多單體風暴回波圖像中（圖6），1.5°仰角的反射率因子為51.0 dBZ、回波頂高為9.3 km、垂直液態水含量為10.0 kg·m-2，僅有一次的強度明顯低于超級單體風暴的平均強度，其中，1.5°仰角的反射率因子較超級單體風暴平均偏弱4.1 dBZ、回波頂高平均偏低1.2 km、垂直液態水含量平均偏小10.6 kg·m-2，3個不同發展階段的單體構成多單體風暴，中間風暴的前進方向右側不斷有新單體生成和并入，并在風暴內部繼續發展增強為主要單體，且有超級單體結構，PPI上低層風暴右后方有“V”形缺口，垂直結構RHI上有弱回波區，其它2個老單體減弱或消散。

圖6 2013年7月8日15：47阿克蘇新一代天氣雷達1.5°仰角的反射率因子及反射率因子剖面

3.4 單體風暴

10場冰雹天氣中有4場對流云結構為單體風暴（表2）。4場單體風暴1.5°仰角的反射率因子平均為46.3 dBZ，平均回波頂高為8.1 km，平均垂直液態水含量為3.9 kg·m-2，其強度明顯低于超級單體和多單體風暴的平均強度。與超級單體相比，單體風暴1.5°仰角的反射率因子平均偏弱8.9 dBZ，回波頂高平均偏低2.4 km，垂直液態水含量平均偏小16.7 kg·m-2；與多單體相比，單體風暴1.5°仰角的反射率因子平均偏弱4.8 dBZ，回波頂高平均偏低1.2 km，垂直液態水含量平均偏小6.1 kg·m-2。

單體風暴與超級單體風暴相比，最大不同是PPI上無“V”形缺口，RHI上無穹隆結構，高低層最強回波位置基本重疊。旺盛階段上升氣流與下沉氣流共存，回波強度增強，水平和垂直尺度不斷擴大，當回波水平和垂直尺度大且強時，冰雹天氣較強。2015年5月18日最強回波為48.5 dBZ、回波頂高為8.9 km，垂直液態水含量7.0 kg·m-2（表2），較其它3次冰雹天氣垂直液態水含量偏大，更有利于較強冰雹出現。

超級單體為冰雹云中最強的對流風暴，與其它兩類對流風暴相比，1.5°仰角的反射率因子強度比多單體風暴偏強約4.1 dBZ，比單體風暴偏強約8.9 dBZ；回波頂高比多單體風暴偏高約1.2 km，比單體風暴偏高約2.4 km；垂直液態水含量比多單體風暴偏大10.6 kg·m-2，比單體風暴偏大16.7 kg·m-2，超級單體風暴是冰雹天氣中需高度關注的對流風暴。

4 人工防雹作業時段與冰雹發生時段對比

阿克蘇地區當地政府和氣象工作者十分關注冰雹防御。按照阿克蘇地區人工防雹提前作業、前置足量作業的原則，在冰雹云生成初期開展人工干預，提前消耗不穩定能量和對流云水汽，利用作業彈爆炸效果減弱或破壞上升運動發展，從而避免和減輕冰雹災害的損失。從作業時間時次分布情況可知：作業時間分布呈“單峰”分布，與冰雹發生時次分布情況相似。14—22時為主要作業時段，平均作業次數達8次以上。作業高峰時段集中在16—19時，該時段年平均作業次數達20～22次，其中17—18時作業次數最多。阿克蘇地區防雹作業指標一般為雷達回波組合反射率≥30 dBZ，回波中心高度達到對流中層（春季為4 km，夏季為5～6 km）且有發展趨勢即可開展消雹作業。從冰雹發生高峰時段與作業高峰時段時間差可以看出，作業時間比冰雹發生時間提前1～2 h（圖7）。這與冰雹云生命史和雷達回波強度從30 dBZ發展到50 dBZ以上所需時間相吻合，也間接表明提前作業時間量比較合理。

圖7 2010—2019年阿克蘇地區人工防雹作業次數與冰雹發生次數逐時分布

5 結論

選用2010—2019年近10 a阿克蘇地區冰雹天氣發生頻次數據、10場冰雹天氣過程資料，分析了冰雹天氣的時間變化和空間分布特征，并重點就冰雹天氣過程中的雷達回波特征展開分析，得出以下結論：

（1）近10 a阿克蘇地區出現的冰雹次數平均為14.5次·a-1，年冰雹次數最多的是2011和2019年，最少的是2015年。夏季出現的冰雹次數減少，而年、春季和秋季出現的冰雹次數均呈增多趨勢。5—7月為冰雹高發期，7月上旬、6月上旬、5月中旬冰雹頻次較高。4月中旬開始出現冰雹，10月中旬結束。15—20時是冰雹易發時段，18—20時為高發時段。

（2）阿克蘇地區冰雹天氣年、春季、秋季的空間分布呈現出東南部臨近沙漠地帶和西北部靠山區一帶較多、平原相對較少的特點，主要表現為東南部沙雅縣和西北部溫宿縣為冰雹高發區。月分布中，5—7月9縣市均有冰雹，4—9月逐月出現冰雹次數最多的分別是溫宿（2次）、溫宿（7次）、沙雅（11次）、阿瓦提（8次）、溫宿（4次）、溫宿（4次）、沙雅（3次）、庫車（3次），也呈現出東南部沙雅縣和西北部溫宿縣2個高發中心和頻發區。

（3）阿克蘇地區10場冰雹天氣雷達的主要產品能較好地判定冰雹強度，主要產品的平均值（1.5°仰角反射率因子為50.7 dBZ、回波頂高為9.4 km、垂直積分液態水含量為12.8 kg·m-2）可作為判識冰雹的初步指標，分析印證了回波越強、回波頂高越高、垂直積分液態水含量越大，則冰雹越強。

（4）10場冰雹天氣對流云結構有5場為超級單體風暴，PPI上有“V”形缺口，垂直結構RHI有弱回波區或有界弱回波區，有界弱回波區或弱回波區面積越大、弱回波區上部回波越強、弱回波區高度越高，則冰雹越強。1.5°仰角反射率因子平均值為55.6 dBZ，回波頂高平均值為10.6 km；垂直液態水含量平均值為12.8 kg·m-2；最強回波為64.5 dBZ；最大回波頂高為11.3 km；最強垂直液態水含量為51.2 kg·m-2。多單體風暴和單體風暴雷達回波的主要產品值明顯小于超級單體，超級單體與其它兩類對流風暴相比，1.5°仰角的反射率因子強度較多單體風暴偏強約4.1 dBZ，較單體風暴偏強約8.9 dBZ；回波頂高比多單體風暴偏高約1.2 km，比單體風暴偏高約2.4 km；垂直液態水含量較多單體風暴偏大10.6 kg·m-2，比單體風暴偏大16.7 kg·m-2。

（5）近10 a阿克蘇地區9縣市人工防雹作業需重視春秋兩季冰雹增多的趨勢，防雹作業主要時段是午后至傍晚，16—19時為作業高峰時段，比冰雹高發時段提前1～2 h。