基于風廓線雷達產品的冰雹過程分析

摘要 利用貴州省威寧縣氣象局的風廓線雷達基礎數據及其二次開發產品、雨量站和MICAPS的實況數據，對2019年6月11日發生在威寧本站的一次冰雹大風天氣過程進行綜合分析。結果表明：水平廓線產品可反映出冷暖平流的時空變化及垂直分布，更早探測冷空氣入侵、風場切變情況及低空急流強度；大氣折射率結構常數和垂直速度可以指示降水的發生、持續時間及降水強度情況；強降水發生前有較強風垂直切變，降水過程中風垂直切變值整體大于0.2 s-1，風垂直切變的增強會引起垂直速度和地面大風的增大；若以大于15 dBZ和小于10 dBZ為降水的起止標志，風廓線雷達反射率因子較其他產品可以更清晰地指示降水的開始和結束。

關鍵詞 冰雹；風廓線；雷達產品；低空急流；垂直速度；風垂直切變；大氣折射率結構常數

中圖分類號 P413 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）08-0187-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.08.044

Analysis of Hail Process Based on Wind Profile Radar Products

LI Yuan1，YANG Zhe2，3，XU Wen-long2 et al

（1.Guizhou Meteorological Service Center，Guiyang，Guizhou 550002;2.Guizhou Provincial Center for Atmospheric Detection Technology and Support， Guiyang，Guizhou 550081;3.Guizhou Weather Modification Office， Guiyang，Guizhou 550081）

Abstract Based on the wind profile radar basic data of Guizhou Weining Meteorological Bureau， the secondary development products， rainfall data and MICAPS live data， a hail gale weather process occurred at Weining Station on June 11， 2019 was comprehensively analyzed.The results showed that the horizontal profile product could reflect the space-time change and vertical distribution of cold and warm advection， and detect the cold air intrusion， wind field shear and low-level jet intensity earlier.The atmospheric refractive index structure constant and vertical velocity could indicate the occurrence， duration and intensity of precipitation.There was strong wind vertical shear before the occurrence of heavy precipitation， and the wind vertical shear value in the precipitation process was more than 0.2 s-1 as a whole，the enhancement of wind vertical shear would cause the increase of vertical velocity and surface gale.If more than 15 dBZ and less than 10 dBZ were used as the starting and ending signs of precipitation， the wind profile radar reflectivity factor value could more clearly indicate the beginning and end of precipitation than other products.

Key words Hail;Wind profile;Radar product;Low-level jet;Vertical velocity;Wind vertical shear;Atmospheric refractive index structure constant

冰雹大風等強對流天氣嚴重威脅到農作物的收成，畢節市威寧縣又是貴州省受冰雹災害影響較大的區縣之一，冰雹過程一般伴隨大風一起發生，因此對于風場信息的探測可在一定程度預測出冰雹等強對流天氣過程。風廓線雷達可對本站風場進行24 h連續觀測［1］，利用其探測到的高時空分辨率風場信息可以識別出冷暖平流、風切變、急流等天氣系統，可應用于強對流天氣的預報預警［2］。周志敏等［3］通過對一次降雹過程的風廓線雷達探測資料的研究，得出水平風可分辨冷暖平流，垂直速度隨高度變化可反映對流強弱。李典等［4］研究發現風廓線雷達垂直速度、信噪比與降水的發生、結束有較好的對應關系，且垂直風切變與急流的變化相關。李彥良等［5］研究表明由風廓線雷達資料推算出的風切變值、急流指數和風暴相對螺旋度等特征量在降雹天氣過程中有波動變化。董保舉等［6］分析風廓線雷達資料在暴雨天氣過程中的變化，發現垂直速度、大氣折射率結構常數、信噪比等產品可以較好地反映出降水的開始、結束及其強度。孫貞等［7］利用3部風廓線雷達基礎數據分析計算得到冷暖平流、風暴相對螺旋度、散度、渦度等二次產品，較好指示了強對流天氣過程發生前的冷暖平流及其高低空配置和高中低空的輻合輻散情況。宋巧云等［8］總結了風廓線雷達資料在業務中的應用，認為風廓線雷達基本數據及其二次開發產品有利于中小尺度天氣系統的臨近預報預警。筆者利用風廓線雷達基礎資料及其反演產品在一次降雹天氣過程中的時空變化進行深入分析，旨在提升風廓線雷達對于冰雹天氣過程的識別與預警能力。

1 天氣形勢及實況分析

1.1 降水實況資料

2019年6月11日貴州省威寧縣氣象局站內發生一次冰雹、大風、短時強降水強對流天氣過程，根據本站地面觀測資料獲知此次過程主要降水時段為15：15—15：43（圖1），其中降雹時段為15：20—15：25，冰雹直徑為5～10 mm，冰雹顆粒個數為20粒/m2。

1.2 天氣背景形勢

6月11日08：00 500 hPa貴州西北部位于淺槽的南端，整體受偏西風控制，而700 hPa攀西地區至云南東北部有明顯切變存在，850 hPa貴州西北部至四川盆地中部一帶有倒槽切變，切變北風一側有強的負變溫；地面有強冷空氣進入四川盆地，14：00已開始從盆地南部一帶進入貴州西北部。威寧站海拔為2 237.5 m，氣壓大致為770 hPa，在低層切變、地面冷空氣以及地形的共同作用下，利于對流的觸發。

2 風廓線雷達產品分析

2.1 水平風廓線

如圖2所示，降雹前數個小時，本站風向由近地面的南風向上順轉為西風，整體主要以西南風為主，且風速隨高度的增加而增大，最大風速可達16 m/s，表明經過長時間西南暖濕氣流的輸送為本地天氣系統發展積累了必要的水汽和能量。6月11日12：42從地面至1 800 m高度風向順轉，而1 800 m以上風向開始逆轉，表明此刻本站上空暖平流上疊加了冷平流，開始為大氣不穩定層結積蓄力量，這有利于對流天氣的發展。13：30近地面出現水平風垂直切變和風速大于12 m/s的地面大風，3 000 m左右同樣出現水平風的垂直切變，并在該高度以上出現最大風速大于40 m/s的低空急流區，該時刻溫度平流配置為暖平流之上疊加更強的冷平流，說明此時冷空氣已經入侵該地區，為強對流天氣過程的發生提供能量，且該時刻比記錄的降雹時間提前了近3 h。14：48—15：24近地面出現風向不連續線，且隨著降雹的臨近低層風切變逐漸加強；3.5～4.5 km高度出現較強的低空急流，強低空急流和風切變為強對流天氣過程的發展提供充足的水汽和動力條件。15：24—15：54高度2～5 km低空急流和暖平流風強均已達到最大值，同時地面大風和風切變也已處于此次對流過程的最大強度范圍，這些可反映出對流單體下沉氣流強勁。

2.2 大氣折射率結構常數

大氣湍流活動造成折射率不均勻從而引發對電磁波的散射，風廓線雷達可從該散射信號中獲取到風場信息。大氣折射率結構常數（C2n）又與溫度、濕度等氣象要素的變化起伏有一定關系，溫濕度的變化又會影響到水汽壓的變化。水汽壓表征了大氣中的水汽含量，當降水即將發生時空氣中的水汽含量會逐漸增多進而會導致C2n逐漸增大。

從圖3可以看出，降水天氣到來前（11日13：30之前）C2n最大值為-125 dB左右，大值區（即數值≥-130 dB區域）的最大高度在1 500 m以下；隨著降雨降雹時刻的臨近（13：30—15：06），C2n的最大值和大值區高度也隨之增大，此處可利用C2n大值區高度的增長來判別降水天氣的發生；15：15 發生降水，此時C2n最大值達-114 dB，大值區高度大于5 280 m（該邊界層風廓線雷達最大探測高度為5 280 m）。C2n值及其大值區高度可對降水天氣具有明顯的指示意義。

2.3 垂直速度 此處的垂直速度為空氣垂直運動速度和降水粒子降落速度之和，正速度代表垂直向下，反之向上。如圖4所示，6月11日12：00之前垂直速度整體以上升氣流為主，表明本站上空主要受上升氣流控制，可將近地層來自西南方向的暖濕氣流抬升至高空，形成一定強度的上升運動，并與高空中干冷氣流融合后冷卻形成不穩定層結，為對流的發展積蓄力量。12：06—14： 42低層氣流依然呈上升態勢，而中高層氣流開始下沉，表明低空暖濕氣流在持續抬升，促使不穩定能量進一步加強。14：48從地面到高空全部轉變為較強的下沉氣流，15：06高空中向下的垂直速度強于低層，此時高空與低空的氣流開始發生對換，強對流運動形成。15：12—15：42風場以下沉氣流為主，而降雨和降雹時間分別于15：15和15：20開始，并于15：43結束降水，該下沉氣流與降水持續時間段基本同步。表明風廓線雷達的垂直速度可以較好反映出降水粒子的下降速度及強度。

2.4 風垂直切變

一般的風垂直切變是指垂直高度上高層風與低層風矢量變化，根據風垂直切變算法［9］，通過計算相鄰高度層之間風速和風向間的變化值，即可得到隨高度時間分布的風切變（圖5）。從圖5可以看出，6月11日12：06—14：42風垂直切變區域面積和風垂直切變值均逐漸增大，其中13：12在3 000～4 500 m出現了大于0.2 s-1的較強垂直風切變區域（世界民航組織認為上下層厚度為30 m時風矢量差大于6 m/s為嚴重，即為0.2 s-1），切變增強了氣流的上下擾動，導致對流運動的增強［10］，預示著強天氣過程的發生。14：48風垂直切變區域中心值到達0.6 s-1最大值，對應該時刻垂直速度也到達最大值，表明風垂直切變增強與風垂直速度變大有一定對應關系。15：12—15：54大于0.2 s-1的風垂直切變區域從底層到高層幾乎都有分布，部分高度風垂直切變值最大可達-0.5 s-1，而此時還伴隨著較大的地面大風、短時強降雨和降雹等過程，表明風垂直切變的增大會導致降水量、地面風、垂直速度的增強。

2.5 反射率因子

根據該風廓線雷達性能參數及其此次過程的探測時段譜數據，再利用雷達氣象方程計算出本站上空隨高度時間變化的反射率因子強度［11］，其中該反射率因子尚未作強度訂正，但其具體數值具有一定參考性。從圖6可以看出，6月11日12：06—14：42降水發生前反射率因子均在15 dBZ以下，此時雷達探測到的回波以湍流回波為主；14：48在4 000 m以上的高度層反射率因子達到50 dBZ以上，表明此時該區域有較大尺寸或較大數量的降水粒子形成；15：12反射率強回波中心（反射率為45 dBZ左右）開始向下移動并靠近地面，僅3 min后地面觀測到降水發生，此刻接近地面的回波強度為15 dBZ左右（淺綠色處），15：20左右回波強中心幾乎落地，而此時正是冰雹降落時刻。15：42左右強回波消失，且接近地面回波強度為10 dBZ左右（深藍色處），而此時降水已經停止；15：48中高空又出現強回波并為下一次降水積蓄能量。如果以大于15 dBZ為降水開始標志，小于10 dBZ為降水結束標志，對比其他對降水的起止有指示意義的風廓線雷達產品，反射率因子可以更加準確清晰地反映出降水的基本情況。

3 結論

該研究通過對2019年6月11日發生于威寧縣氣象局站內一次降雹天氣過程的風廓線雷達水平風廓線、大氣折射率結構常數、垂直速度及其二次開發的垂直風切變和反射率因子等產品進行深入分析，得到以下結論：

（1）風廓線雷達的水平廓線產品可以較好地展示出降雹前后冷暖平流的垂直分布及隨時間的變化，提前探測到冷空氣入侵、風場切變以及低空急流強度，為冰雹天氣的預報預警提供一定支撐。

（2）由于有降水發生時，降水的下落是影響垂直速度增加的主要因素，所以垂直速度在一定程度上可以反映出降水的開始、結束及降水強度。

（3）C2n會受溫度、濕度的變化影響，降雨臨近時空氣中溫度、濕度都會產生較大變化從而引起C2n值變大。C2n≥-130 dB 的大值區高度在5 280 m以上且其最大值達-114 dB預示著有降水發生。

（4）風垂直切變會擾動氣流場，增加對流運動強度進而導致強天氣過程發生。探測結果顯示：降水發生前高空會有較強的風垂直切變，降水過程中風垂直切變值大于0.2 s-1的區域從低空延伸至高空，且風垂直切變值最大可達-0.5 s-1或以上。風垂直切變值的增大會引起較大地面大風、較大降雨或降雹。

（5）降水發生前雷達探測回波以湍流回波為主，反射率因子小于10 dBZ；降水過程中回波強中心會從高空向地面下移，以反射率因子大于15 dBZ和小于10 dBZ為有、無降水標志，與其他可以指示降水起止的風廓線雷達產品比較，風廓線雷達反演的反射率因子可以較好指示降水發生與結束。

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基金項目 中國氣象局云霧物理環境重點開放實驗室開放課題（2020Z007）；貴州省科技廳項目（黔科合基礎-ZK〔2023〕一般200，黔科合支撐〔2023〕一般 193）。

作者簡介 李源（1991—），男，貴州貴陽人，助理工程師，從事氣象探測技術應用研究。*通信作者，工程師，碩士，從事氣象雷達數據處理及應用研究。

收稿日期 2023-05-06