承德市冰雹時空分布特征及雷達預(yù)警指標分析

張曉輝，高艷春，易永力，譚國明，相 云

（1.承德市氣象局，河北 承德 067000；2.河北省氣象科學研究所，河北 石家莊 050021）

冰雹作為一種自然災(zāi)害，對人民群眾的生命財產(chǎn)危害巨大，一場強烈的冰雹會對農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、交通、通信、城市建筑等造成毀滅性的打擊。近年來，已有許多國內(nèi)外的專家學者對冰雹天氣特征進行了分析研究，Po akal等[1]、Tuovinen等[2]、Berthet等[3]、Mohr等[4]研究發(fā)現(xiàn)，山脈附近和中緯度地區(qū)是歐洲冰雹的多發(fā)地，且冰雹發(fā)生的時間主要集中在5—9月的下午和傍晚時段；López等[5]、Winston等[6]通過對雷達探測冰雹的判別方法研究，提出以垂直累積液態(tài)含水量、最大反射率因子等雷達參量作為變量的判別分析模型。符琳等[7]通過對近50 a我國北方冰雹趨勢的成因分析發(fā)現(xiàn)，20世紀80年代末至今降雹次數(shù)基本低于近50 a的平均值；蘇永玲等[8]通過對比不同環(huán)流背景下冰雹特征發(fā)現(xiàn)，冰雹發(fā)生在冷渦背景下以動力強迫為主，在副高背景下以熱力強迫為主；吳迎旭等[9]通過分析發(fā)現(xiàn)，在非典型環(huán)流系統(tǒng)下，產(chǎn)生冰雹的主要因子有不穩(wěn)定層結(jié)、低層水汽輸送或輻合、地面輻合抬升；魏勇等[10]對石河子地區(qū)3次冰雹天氣過程的雷達回波特征分析發(fā)現(xiàn)，回波強度和回波頂高度的變化、速度對和逆風區(qū)的出現(xiàn)以及垂直累積液態(tài)含水量增加等，都對產(chǎn)生冰雹有指示意義；王存亮等[11]分析了石河子一次強冰雹天氣的多普勒天氣雷達特征，得到＞50 dBZ強回波區(qū)及＞60 dBZ強回波中心和中氣旋及逆風區(qū)的出現(xiàn)、＞50 dBZ強回波區(qū)高度遠高于當天0℃層的高度等特點，對冰雹的預(yù)報有很好的指示作用。

河北省冰雹天氣的時空分布及雷達產(chǎn)品特征分析表明[12-15]，20世紀80年代末—90年代初降雹達到高峰期，冰雹日數(shù)在1994年發(fā)生明顯突變，冰雹云回波強度普遍＞60 dBZ，垂直累積液態(tài)含水量普遍＞35 kg/m2，回波頂高普遍在8～11 km，基本徑向速度圖上表現(xiàn)為輻合。這些研究都為冰雹災(zāi)害的研究提供了理論依據(jù)。承德地處華北東北部，多山地，地形地貌十分復雜，易于冰雹天氣的發(fā)生，復雜地形也使冰雹預(yù)報難度加大，需深入細致的研究。目前承德本地冰雹的研究取得了一定進展，王宏等[16]通過分析一次颮線過程的雷達產(chǎn)品，得到大風、冰雹等強對流天氣與垂直累積液態(tài)含水量的劇減、躍增和持續(xù)高的回波頂高存在一定的關(guān)系；高艷春等[17]分析發(fā)現(xiàn)，冰雹等強對流天氣發(fā)生在低云頂亮溫發(fā)展前端高梯度區(qū)的概率較大；彭九慧等[18]利用GIS技術(shù)總結(jié)了承德市冰雹災(zāi)害的風險區(qū)劃，得到豐寧冰雹災(zāi)害風險最高。但這些研究主要是針對承德市冰雹個例和冰雹災(zāi)害風險區(qū)劃分析，并未對冰雹的氣候特征及雷達預(yù)警指標進行系統(tǒng)的歸納總結(jié)，因此本文利用1981—2016年承德市冰雹資料、2012—2016年11次冰雹天氣過程的多普勒雷達回波資料，詳細分析了承德市冰雹的時空分布特征以及冰雹天氣的多普勒雷達回波特征，并得到承德市冰雹預(yù)警定量指標和定性的判別依據(jù)，以期為承德市冰雹天氣的災(zāi)害研究和防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料及來源

1981—2016年承德市9個氣象觀測站的冰雹觀測資料，2012—2016年承德市C波段雷達觀測資料，均來源于承德市氣象局。

1.2 資料處理與方法

本文規(guī)定在各站冰雹觀測記錄中，某站在某日（00—24時BT，下同）觀測記錄有冰雹，不論時間長短，都記為一個冰雹日。

考慮到承德市觀測站處于雷達靜錐區(qū)，而豐寧、圍場、平泉、興隆和寬城距雷達站＞100 km，受地形影響，低仰角的雷達回波無法被探測到。因此本文選取距離雷達站20～50 km的隆化、灤平、承德縣的11次冰雹過程進行分析。

利用線性變化傾向率方法[19]對承德市冰雹的氣候趨勢進行分析。

2 承德市冰雹的時空分布特征

2.1 冰雹的空間分布特征

承德市1981—2016年出現(xiàn)冰雹總次數(shù)為717次，年平均為19.9次。從1981—2016年冰雹次數(shù)空間分布（圖1）可知，冰雹次數(shù)由北向南總體趨于減少，北部高海拔地區(qū)冰雹最多，尤其是豐寧和圍場，冰雹次數(shù)＞100次，東部的平泉也是冰雹的多發(fā)區(qū)，冰雹次數(shù)接近90次，寬城最少，為64次，其他地區(qū)為65～77次。承德市冰雹多發(fā)區(qū)在東北部高海拔的區(qū)域。

圖1 1981—2016年承德市各站冰雹次數(shù)空間分布（單位：次）

2.2 冰雹的時間變化特征

2.2.1 冰雹的年變化特征

由1981—2016年冰雹時間序列（圖2）得出，承德市冰雹年代際變化顯著，總體呈先增后減的趨勢，冰雹出現(xiàn)次數(shù)最多的是1990年，為58次；出現(xiàn)次數(shù)最少的是2009年，僅3次。從冰雹的線性趨勢線可知，1981—1990年承德市冰雹次數(shù)以24.3次/10 a的速度遞增，20世紀90年代以后，出現(xiàn)頻率趨于減少，每10 a減少10.8次，此傾向率通過了0.01的顯著性檢驗。

圖2 1981—2016年承德市冰雹次數(shù)逐年變化和線性趨勢

2.2.2 冰雹的月變化特征

統(tǒng)計1981—2016年承德市冰雹出現(xiàn)時間發(fā)現(xiàn)，承德市冰雹出現(xiàn)在3—11月，主要集中在5—8月。月冰雹出現(xiàn)次數(shù)呈明顯的“單峰型”分布，3—6月冰雹次數(shù)迅速增加，6月達到峰值，7月以后呈逐月下降的趨勢。5—8月降雹總數(shù)為569次，占全年降雹總數(shù)的79.4%，其中6月冰雹出現(xiàn)次數(shù)最多，為220次，占全年降雹總數(shù)的30.7%（圖3）。每年的5—8月河北省受冷渦影響頻繁，90%的降雹是由冷渦造成的[20]，500 hPa形勢場上，冷渦中心一般位于貝加爾湖附近或內(nèi)蒙古中部到河北北部一帶，其南部為低槽[12]，冷渦攜帶的冷空氣沿高空槽南下到達河北上空，而低層受暖平流影響，形成“上冷下暖”的不穩(wěn)定層結(jié)，午后到傍晚時段隨著熱力和動力條件的加強，在地面冷鋒、中尺度輻合線、干線等觸發(fā)下，導致降雹發(fā)生[21]。

圖3 1981—2016年承德市冰雹次數(shù)的月分布

2.2.3 冰雹的日變化及持續(xù)時間

熱力條件在冰雹天氣發(fā)生時起重要作用[22]。由承德市各時段出現(xiàn)冰雹的百分比（圖4a）可知，承德市冰雹日變化特征明顯，主要出現(xiàn)在08—20時，占冰雹出現(xiàn)幾率的84.5%，其中12—20時，冰雹出現(xiàn)幾率占78.9%。12—16時冰雹出現(xiàn)幾率逐漸增加，14—17時是全天冰雹出現(xiàn)幾率最大的幾個時次，均＞10%。這是因為此時段地面氣溫較高，不穩(wěn)定能量易累積，導致近地層大氣極不穩(wěn)定，只要有中小尺度系統(tǒng)觸發(fā)，就極易發(fā)生冰雹天氣[23]。由此可見，日輻射通過下墊面對邊界層的增熱作用，是導致冰雹天氣發(fā)生的重要熱力因素。

冰雹持續(xù)時間長短是影響冰雹災(zāi)害輕重的因素之一，一般持續(xù)時間越長災(zāi)害越嚴重[24]。從冰雹的持續(xù)時間（圖4b）來看，承德市冰雹持續(xù)時間在10 min以內(nèi)的占總次數(shù)的87.4%，在10～20 min的占10.4%，＞20 min的僅占2.1%。

圖4 1981—2016年承德市冰雹發(fā)生時段（a）及持續(xù)時間（b）的百分比序列

3 冰雹雷達預(yù)警指標分析

3.1 冰雹的雷達產(chǎn)品特征分析

表1是承德市11次冰雹過程的組合反射率、回波頂高、垂直累積液態(tài)含水量、垂直累積液態(tài)含水量躍增的特征統(tǒng)計。

表1 冰雹的雷達產(chǎn)品統(tǒng)計

冰雹過程最大回波強度均＞58 dBZ，其中僅有2014年6月9日承德縣冰雹過程最大回波強度為58 dBZ，其余過程最大回波強度均＞60 dBZ，占99%，2014年5月19日灤平和2014年8月21日隆化冰雹過程出現(xiàn)的最大回波強度最強，達65 dBZ。因此可將最大回波強度＞60 dBZ，作為承德市冰雹預(yù)警的一個參考依據(jù)。

回波頂高是對流天氣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，上升氣流又是決定云內(nèi)所能形成的最大水滴或冰雹尺度的重要因素[25]，且回波頂高的高度為雹胚生長提供了足夠長的增大路徑[26]，回波頂高度越高，云內(nèi)上升氣流越強，雹胚生長路徑越長，越易產(chǎn)生冰雹。根據(jù)河北本地冰雹的預(yù)警指標，發(fā)生冰雹的回波頂高一般在8～11 km[12-14]。由表1可知，除2013年6月11日灤平和2014年6月9日承德縣冰雹過程的回波頂高＜10 km外，其余均＞10 km，占82%，2014年5月19日和2016年5月1日灤平冰雹過程的回波頂高最高，達13 km。因此可將回波頂高＞10 km作為冰雹預(yù)警的參考依據(jù)之一。必須指出的是，一些回波頂高達到上述的高度時也未曾有冰雹的發(fā)生，所以在冰雹預(yù)報時要把回波頂高和其他回波特征聯(lián)系起來分析，以減少冰雹空報的發(fā)生。

上述冰雹過程的最大垂直累積液態(tài)含水量VILmax最小為33 kg/m2，分別出現(xiàn)在2013年6月11日和2014年6月16日灤平的冰雹過程中；VILmax最大為63 kg/m2，出現(xiàn)在2012年6月18日隆化的冰雹過程中。冰雹過程主要發(fā)生在5—8月，路亞奇等[27]研究發(fā)現(xiàn)，5—9月降雹的VILmax指標分別為36、31、33、33、39 kg/m2，因此上述冰雹過程5—6月降雹的VILmax指標與此研究結(jié)果相差不大，而7—8月本文得到的VILmax較后者的明顯偏大，由于本文研究的個例中，7和8月的個例僅各一次，得到降雹的VILmax指標不具普遍性，因此可將VILmax＞38、33 kg/m2分別作為承德市5、6月冰雹的預(yù)警指標之一。垂直累積液態(tài)含水量的躍增可作為降雹的主要指標[28-29]。在冰雹發(fā)展初期的2～4個體掃垂直累積液態(tài)含水量一般會有一個跳躍性增長，除2014年5月19日灤平冰雹過程外，其余過程降雹前相鄰2個體掃垂直累積液態(tài)含水量均有明顯躍增，且2個相鄰體掃躍增值在20～33 kg/m2，這與王福俠等[14]得到的“降雹前相鄰2個體掃垂直累積液態(tài)含水量的躍增值在10～30 kg/m2”基本一致。因此可將相鄰2個體掃垂直累積液態(tài)含水量的躍增值＞20 kg/m2作為承德市冰雹的預(yù)警指標之一。

3.2 冰雹的雷達回波特征分析

3.2.1 回波形狀和移速

分析上述冰雹過程的回波形狀和移速發(fā)現(xiàn)，除2013年5月19日和2016年5月1日冰雹過程回波呈帶狀外，其余過程冰雹云回波都呈塊狀。在冰雹云發(fā)展初期，一般移動速度不大，發(fā)展較成熟時，移速明顯加大，不同回波移動速度相差較大，一般在30～60 km/h。

3.2.2 徑向速度

冰雹云回波因持續(xù)時間短、突發(fā)性強，在基本徑向速度資料中，以分析中小尺度特征為主。分析上述冰雹過程的基本徑向速度資料可知，出現(xiàn)冰雹天氣時基本徑向速度資料上一般伴有風場的輻合，在11次冰雹個例中中尺度徑向輻合占9次，其中出現(xiàn)弱風切變2次，反氣旋式輻合3次（圖5a），氣旋式輻合2次（圖5b），純輻合2次，無明顯特征的冰雹過程占2次，無明顯特征的冰雹過程則是在西南氣流的背景下出現(xiàn)。因此中尺度徑向輻合是承德市冰雹云回波的典型風場結(jié)構(gòu)。

圖5 2012年7月11日14：36 1.5°V（a，反氣旋式輻合）和2014年8月21日16：24 1.5°V（b，氣旋式輻合）

3.2.3 風暴頂輻散

風暴頂輻散是與風暴中強上升氣流密切相關(guān)的小尺度特征[29-30]，產(chǎn)生冰雹需要強烈的上升運動。上述冰雹過程中，6次過程出現(xiàn)風暴頂輻散（圖6），說明風暴頂輻散可以作為承德市判斷冰雹發(fā)生的依據(jù)，但是在利用風暴頂輻散判斷地面冰雹時，檢驗風暴頂輻散有時非常困難，必須使用適當?shù)难鼋菍︼L暴頂取樣，當風暴距雷達較近時，必須使用高仰角，此時穿過風暴頂取樣將不在同一高度。因此，風暴頂輻散不可以獨立作為地面降雹的判據(jù)，應(yīng)與反射率因子特征配合使用以增加其可靠性。

圖6 徑向速度圖中的風暴頂輻散

3.2.4 “V”型缺口

根據(jù)“V”型缺口的定義和最佳觀測仰角[31-32]，分析上述冰雹過程的反射率因子圖發(fā)現(xiàn)，7次冰雹過程出現(xiàn)“V”型缺口（圖7），因此，可將“V”型缺口作為承德市冰雹的預(yù)警依據(jù)之一。雖然“V”型缺口可以作為冰雹的預(yù)警依據(jù)，但是它同樣給其他天氣的預(yù)報預(yù)警帶來弊端，由于出現(xiàn)“V”型缺口時，缺口區(qū)內(nèi)回波出現(xiàn)空缺或嚴重衰減，對缺口區(qū)內(nèi)晴雨預(yù)報錯誤或降水預(yù)報量級偏小，導致缺口區(qū)內(nèi)冰雹、雷暴、大風等漏報。

圖7 反射率因子圖上的“V”型缺口

4 結(jié)論

通過分析承德市1981—2016年冰雹資料和2012—2016年11次冰雹天氣過程的多普勒雷達回波資料，得出以下結(jié)論：

（1）承德市冰雹分布呈北多南少的特點，主要分布于東北部的高海拔地區(qū)，東南部低海拔地區(qū)較少。

（2）承德市冰雹年代際變化顯著，20世紀80年代是冰雹高峰，每10 a增加24.3次，90年代至今呈逐漸減少的趨勢，每10 a減少10.8次。

（3）承德市出現(xiàn)冰雹的季節(jié)性顯著，最早出現(xiàn)在3月，最晚出現(xiàn)在11月。冰雹次數(shù)的月變化呈“單峰型”分布，冰雹主要集中在5—8月，6月冰雹最多。從冰雹的日變化來看，冰雹主要出現(xiàn)在14—17時。冰雹的持續(xù)時間較短，一般在10 min以內(nèi)，持續(xù)時間＞20 min的很少。

（4）最大回波強度＞60 dBZ、回波頂高＞10 km、相鄰2個體掃垂直液態(tài)累積含水量的躍增值＞20 kg/m2，在5、6月時垂直液態(tài)累積含水量分別＞38、33 kg/m2等雷達產(chǎn)品特征，可以作為承德市冰雹預(yù)警的定量指標。中尺度徑向輻合、風暴頂輻散、“V”型缺口等都可以作為承德市冰雹預(yù)警的定性判斷依據(jù)。

致謝：感謝河北省氣象局正高級工程師付桂琴對本文提出的寶貴修改意見。