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，常給農牧業生產造成慘重損失，嚴重制約著新疆糧棉、特色林果業的發展[1]。由于冰雹空間尺度小、生命史短、突發性強，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最有效和最快速的探測手段[2-3]，預報員如何根據雷達探測資料識別雹云回波、確定落區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、累積垂直液態含水量來做冰雹預警，然而在不同地區，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]；湘西北山區夏季冰雹云的回波頂高均在9 km以上，垂直液態水含量一般為30～35 kg/m2[11]。以往的研究表明，在新疆的不同地區，冰雹的雷達回波表現特征并不一致，如在新疆喀什地區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地冰雹重要源地，以往對此地冰雹的研究多為昭蘇縣冰雹個例分析[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，日常業務中科學支撐薄弱。本文將統計近12 a發生在伊犁河谷地區冰雹的時空分布、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造成，其尺度小于現行的氣象觀測網，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據遺漏，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），根據其發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冰雹的雷達回波特征。

表1 有完整雷達探測數據的冰雹個例集

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生，但次數分布不均勻，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勢。2013年出現冰雹最多，2014年最少（圖1）。

圖1 2010—2020年冰雹次數的年（a）、月（b）變化

伊犁河谷降雹都發生在4—10月，集中出現在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，最早的冰雹出現在4月5日（2010年新源縣），最晚出現在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，主要出現在午后到夜間（13—23時），占比95%，其中16—19時為冰雹高發期，占比59%；最易出現冰雹的時次是17時，占比20%（圖2）。與我國東部城市相比，伊犁河谷出現冰雹的時間跨度大（前半夜也易發生），其他省市多發生在傍晚，如安徽的冰雹主要集中在15—18時[10]、唐山地區冰雹高發期在16—18時[16]等。伊犁河谷冰雹易發時間與新疆其他地市也不完全相同，阿克蘇地區冰雹易發時段為15—20時，高發時段為18—20時[13]，這對新疆強對流天氣的監測及預警提出了更大的挑戰。

圖2 冰雹次數的日變化

2.3 空間分布

昭蘇縣出現冰雹次數最多，11 a共有84次，占伊犁河谷地區冰雹總數（152次）的一半以上，平均每年發生冰雹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9次、霍爾果斯市出現7次、察布查爾縣和伊寧市出現6次、新源縣出現4次、鞏留縣出現2次。

圖3為多普勒雷達監測的32個雹暴單體的移動路徑圖。冰雹多發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，發展旺盛的冰雹云回波強度可達70 dBZ以上。表2統計了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%，與喀什地區一致[12]。因此在日常業務監測伊犁河谷地區雷達回波時，如反射率因子發展到50 dBZ以上時，就應警惕出現冰雹的可能性。

表2 反射率因子強度分級統計

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、喀什地區相當。99%的冰雹云回波頂高在8 km以上，冰雹云出現在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，因此當回波頂高發展到8 km時，就應警惕出現冰雹的可能，及時做好預警。

回波頂高的逐月分布呈單峰型，峰值在6月，即伊犁河谷地區的冰雹云在6月發展最高（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向上擴展到較高的高度，伊犁河谷地區50 dBZ的強回波核也同樣在6月發展的最高，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）是將反射率因子數據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，則發生冰雹的可能性很大[17]。將冰雹云單體發展過程中VIL的最大值記為VILmax，表3統計了伊犁河谷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，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出現時記為0，時間單位為雷達體掃間隔，約5～6 min），多數單體VIL的時間變化序列呈波動狀態，基本都出現了1～2次躍增，單體VIL出現多次躍增，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出現時間記為0）

4 冰雹個例分析

根據傳統的分類方法[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11次，其次是普通單體風暴，線風暴和超級單體風暴出現次數較少。普通單體風暴和多單體風暴均在昭蘇縣出現次數最多，值得注意的是霍城縣是線風暴和超級單體風暴出現最多的地方，這可能是霍城縣北部山脈對西南氣流起輻合抬升作用，為對流風暴的發展提供了有利地形條件。

表4 4類對流風暴參數統計

對比4類對流風暴的回波強度發現，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，其中2次出現旁瓣回波，但未發現三體散射，只有普通單體風暴出現過1次三體散射現象。線風暴低層易出現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、昭蘇馬場、洪納海鄉出現暴雨、冰雹等惡劣天氣，降雹持續約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。隨后回波繼續加強發展，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基本重疊，沒有傾斜，剖面圖上表現為高懸的回波質心，無弱回波區或有界弱回波區。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出現躍增，由13.1 kg/m2升至30.1 kg/m2，從VIL出現躍增到降雹，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、喬拉克鐵熱克鎮、喀拉托海鎮出現暴雨冰雹等災害天氣。造成闊克鐵熱克鄉、喬拉克鐵熱克鎮降雹的雹云為普通單體風暴，其在東移北上過程中分裂發展，形成多單體風暴，繼而造成喀拉托海鎮降雨降雹。

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的西側出現了新單體，普通單體風暴開始發展為多單體風暴。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。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，霍城縣出現強對流天氣，其中尺度系統為線風暴，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和負速度區（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日霍城縣多個鄉鎮出現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、速度圖上有中氣旋。

16：42，霍城縣西北邊境線附近出現46 dBZ回波，此后回波向東南傳播發展，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。對流風暴繼續加強，形態由塊狀回波發展為弓形回波，并在低層反射率因子圖上出現典型的鉤狀回波和弱回波區WER（圖8b），風暴已經出現超級單體風暴特征。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，此時風暴已發展為成熟的超級單體風暴。隨后反射率因子繼續加強，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，伊犁河谷3次超級單體個例2次都出現過旁瓣回波。

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期，其中6月出現冰雹最多，且冰雹云在6月發展最為旺盛；16—19時是冰雹日變化高峰期，其中17時發生冰雹次數最多。

（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地。昭蘇縣的冰雹占伊犁河谷地區冰雹總數的一半以上，它也是最常出現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在垂直方向上基本重疊，沒有傾斜；多單體一般出現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，會對同一地區反復影響，且生命史較長；伊犁河谷已出現的線風暴組織性都較差，結構松散，回波頂高不高，低層常出現鉤狀回波；已出現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。