黔东南地区冰雹天气雷达临近预警指标研究

李路长，白 慧，杨胜忠，龙天强，周 艳

(贵州省黔东南自治州气象局，贵州 凯里 556000)

1 引言

冰雹是我国分布最广的一种对流性灾害天气［1］，也是贵州春季常见的灾害性天气。贵州特别是贵州西部是冰雹频发的地区［2］，然而近年来黔东南地区冰雹天气过程出现多发态势，仅2012—2013年就出现了多达10 次影响大、灾情重的冰雹天气过程，给黔东南社会经济和人民生命财产安全带来较为严重的影响。近些年来，国内外气象工作者一直在研究强对流灾害天气的短时临近预警系统，并得出了适合当地的临近预警指标和方法［3－5］。由于黔东南新一代天气雷达投入业务应用仅有2 a 多时间，到目前为止还没有气象工作者总结出本地区的冰雹雷达回波特征和预警指标。本文利用常规探空资料和新一代天气雷达资料，从雷达在冰雹灾害天气中的应用角度出发，通过对2011年5月黔东南新一代天气雷达投入业务运行以来的冰雹天气个例进行分析和总结，找出黔东南地区冰雹天气雷达识别特征和预警指标，为今后冰雹灾害短时临近预警积累经验和提供有价值的参考。

2 资料收集和资料整理

本文使用的资料主要为2012—2013年贵州省黔东南各县市气象局报告记录的冰雹资料和黔东南新一代多普勒天气雷达基数据反演得到的产品以及相应的常规探空资料，对10 次冰雹天气过程中共30 块降雹云团的回波形态、移动路径、风暴最强回波强度dBzM、最强回波所对应的高度HT、风暴顶高TOP、0℃层距地面的高度、－20℃层距地面的高度等参数进行统计分析，因收集到的地面降雹时间多为估计时间，冰雹降落到地面也需要一定时间等因素影响，所以分析时主要考察冰雹发生前10个体扫、冰雹发生时各次体扫和冰雹发生后4个体扫的雷达回波变化特征，提取可用于短时临近预报和预警黔东南地区冰雹天气的识别特征。

3 冰雹天气过程概况

分析2012—2013年黔东南地区10 次影响范围较广、成灾较重的冰雹天气过程(见表1)。由表1看出，10 次冰雹天气过程中，有5 次强对流风暴是由西北部移入黔东南，即由黔南瓮安和福泉之间进入黄平，然后东移快速发展、加强生成雹暴，由这条路径移入的风暴大多向偏东方向移动，仅有一次向东南方向移动;有3 次对流风暴由西南部进入黔东南，即由黔南都匀附近进入丹寨、雷山，然后向偏东北方向发展、增强成强对流风暴产生冰雹天气;有2次对流风暴由西部进入黔东南，即由黔南贵定和福泉附近进入凯里，然后快速发展、加强成雹暴向东移动产生冰雹。由西北部和西部进入黔东南的对流风暴产生的冰雹天气影响范围广，西南部进入黔东南的风暴产生的冰雹主要影响黔东南南部地区。多数冰雹天气发生在下午到上半夜，极少数发生在凌晨以后。

表1 2012—2013年黔东南地区冰雹天气过程统计

4 冰雹天气雷达短时临近预警指标分析

对黔东南地区10 次冰雹天气过程产生冰雹的30个强风暴的回波形态、最强回波强度dBzM、45 dBz 强回波伸展高度H45dBz、回波顶高与0℃层高度差(ET－H0)、最强回波高度与0℃层高度差(HTH0)、风暴顶高与－20℃层高度差(TOP－H－20)、垂直液态累积含水量VIL、VIL 密度VILM、VIL 密度与(ET－H0)的乘积VILE 共9个识别因子进行了统计分析(表2)。

表2 2012—2013年黔东南地区冰雹识别因子统计特征

4.1 基本反射率因子形态和强度指标分析

由表2 可知，30个回波单体形状主要以片状和块状为主，钩状和带状出现的频次也较高;过程发生、发展前期主要以块状、钩状、带状为主，后期以片状、块状为主。三体散射长钉(TBSS)特征出现了10 次，其中6 次地面出现了超过30 mm 的大冰雹;V型缺口特征出现了5 次，其中4 次伴随着钩状特征的出现，同时地面降落20 mm 左右的大冰雹。利用同屏显示方式显示4个不同仰角的基本反射率因子图，可以发现在降雹前均存在弱回波区WER，特别是大冰雹降落前具有宽阔的弱回波区特征。因此，将风暴出现弱回波区WER 特征作为冰雹的预警参考条件。同时，所有冰雹云中的dBzM≥55 dBz，最小的为55 dBz，最大的为67 dBz，其中22个雹云(占73%)的dBzM 在55～65 dBz 之间，8个雹云dBzM＞65 dBz，因此将dBzM≥55 dBz 作为可能降雹的参考依据之一。

4.2 ET 和H45 dBz指标分析

回波顶高是衡量对流风暴发展强弱程度的重要标志，它反映了云内垂直上升气流的强度，回波顶高越高，云内上升气流越强。分析图1a 发现，降雹前ET 均在8 km 以上，最高达到19 km，90%的冰雹云ET 回波顶高在9～16 km 之间。因此，可将ET≥9 km定为有利于黔东南地区降雹的基本参考指标之一。

图1 冰雹云回波顶高(a)、45 dBz 强回波伸展高度(b)点聚图

根据Smith 等［8］提出的云内最初冰雹增长为中数体积水汽凝结体的直径是0.4～0.5 cm 的理论，有学者得出“冰雹云初期等效雷达反射率因子为44 dBz”的结论［9］;汤兴芝等［5］对利用45 dBz 强回波伸展高度作为冰雹指标进行了统计和检验。从图1b看出:H45dBz最小为7.4 km，最大为14 km，其中在8.6 km 以上的有29个，占97%。因此，将H45dBz≥8.6 km 作为黔东南地区冰雹预警指标之一。

4.3 ET－H0、HT－H0、TOP－H－20指标分析

回波顶高与0℃层高度差反映了在0℃温度层以上产生冰雹的对流风暴发展程度，该高度差值越大，风暴在0℃层以上发展越旺盛，形成大冰雹的概率越大。分析图2a 可看出:ET－H0在4 km 以下的有1 块，在4～6.5 km 之间的有5 块，在6.5 km 以上的有24 块，占80%。因此，选择ET－H0≥6.5 km 作为黔东南地区冰雹预警指标之一。分析图2b 可知，HT－H0在－2～2 km 的有23个，说明最强回波高度伸展高越接近0℃层或超过0℃层一定的高度，降雹的可能性越大。因此，可选择HT－H0≥－2 km 作为冰雹预警参考条件。分析图2c 可知:大多数风暴TOP－H－20在－1～5 km 之间降雹落点数有28个，在－1～3 km之间有23个，说明风暴发展越接近或超过－20℃层高度，即风暴顶高必须在－20℃层高度附近或以上时，降雹的概率越大。因此选择TOP－H－20≥－1 km 作为冰雹预警参考条件。

图2 冰雹云回波顶高与0℃层高度差(a)、冰雹云最强回波高度与0℃层高度差(b)、风暴顶高与－20℃层高度差(c)点聚图

4.4 VILM、VILE 指标分析

由于垂直累积液态水含量VIL 容易受到季节、强回波倾斜、回波移速过大、雷达扫描策略等因素影响，导致VIL 值偏小。分析图3a 可知，黔东南地区冰雹云的VILM 值范围在2.07～5.91 g·m－3之间，其中VILM 值在2.5～5 g·m－3之间的雹暴有25个，占83%，在2.5 g·m－3及以下的3个，占10%，在5 g·m－3及以上的2个，占6.7%。因此，可将VILM值≥2.5 g·m－3作为冰雹预警参考指标。分析图3b可知，VILE 值在20～45 g·m－2之间的雹暴有23个，占77%，在20 g·m－2及以下的有3个，占10%，在40 g·m－2及以上的有4个，占13%。因此，可将VILE 值≥20 g·m－2作为冰雹预警参考指标。

图3 冰雹云VIL 密度(a)、VIL 密度与ET－H0 的乘积VILE(b)点聚图

5 冰雹预警指标回代检验

为检验上文总结的冰雹预警指标的性能，用2012年发生在黔东南地区的冰雹天气过程对最强回波强度(dBzM)等8个预警指标进行回代检验(见表3)。回代检验统计主要考虑预警的一个提前量，因此统计特征值是以每块冰雹云下冰雹之前的第6～4个体扫得到的雷达回波为准。由表3 看出:①dBzM≥55 dBz、ET≥9 km 作为黔东南地区冰雹预警指标是合适的;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作为预警指标能很好的识别冰雹，但因回波顶高、最强回波高度、风暴顶高易受到雷达扫描方式的严重影响，还需要更多冰雹个例进行检验和修正;③H45dBz≥8.6 km 在检验中出现了一个个例不能识别。因此，考虑预警的一个提前量和检验统计值，将H45dBz修正为≥7.5 km 作为黔东南地区冰雹天气预警指标。

表3 2012年黔东南地区冰雹预警指标回代检验统计表

续表3 2012年黔东南地区冰雹预警指标回代检验统计表

6 结论与讨论

①黔东南地区降雹回波形态以片状和块状为主，降雹前均存在弱回波区WER，特别是大冰雹降落前具有宽阔的弱回波区特征，冰雹云的回波形态可以辅助预警人员进行冰雹预警，当出现弱回波区WER，特别是当出现TBSS 或V 型缺口的时候，预警人员应该立即发布大冰雹预警。

②10 次冰雹天气过程大多数冰雹云具有以下特征:最强回波强度dBzM≥55 dBz，回波顶高ET≥9 km，45 dBz 强回波伸展高度H45dBz≥8.6 km，回波顶高与0℃层高度差ET－H0≥6.5 km，最强回波高度与0℃层高度差HT－H0≥－2 km，风暴顶高与－20℃层高度差TOP－H－20≥－1 km，VIL 密度VILM≥2.5 g·m－3，VIL 密度与ET－H0的乘积VILE≥20 g·m－2。

③通过对个例回代检验发现:最强回波强度dBzM≥55 dBz 和回波顶高ET≥9 km 作为黔东南地区冰雹预警指标是合适的;回波顶高与0℃层高度差ET－H0≥6.5 km、最强回波高度与0℃层高度差HT－H0≥－2 km、风暴顶高与－20℃层高度差TOPH－20≥－1 km、VIL 密度VILM≥2.5g·m－3、VIL 密度与ET－H0的乘积VILE≥20 g·m－2作为预警指标能很好的识别冰雹，但还需要更多冰雹个例进行检验和修正;将45 dBz 强回波伸展高度H45dBz修正为≥7.5 km 作为黔东南地区冰雹天气预警指标。

④由于黔东南新一代天气雷达投入业务应用时间较短，冰雹灾害个例资料较少。因此，黔东南地区冰雹天气预警阈值和指标还需要在下一步的业务工作中进行进一步的检验和修正。

［1］俞小鼎. 强对流天气临近预报［M］. 中国气象局培训中心，2010.1.

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