河北承德地区冰雹天气雷达预警指标分析

（承德市气象局，河北承德市，067000） 张晓辉 尤国军 易永力 谭国明 周士茹

冰雹作为一种自然灾害，对人民群众的生命财产危害巨大，一场强烈的降雹会对局地的农业、畜牧业、交通、通信、城市建筑造成毁灭性的灾害，尤其是对烟草、棉花、水果等经济作物的损害更为严重。承德地处华北东北部，地形地貌十分复杂，冰雹是承德地区的主要气象灾害之一。由于冰雹多发生在农作物生长的关键期，农作物遭遇降雹将会受损，甚至危害到人民群众的生命财产安全，因此确定承德地区冰雹天气本地预警指标是非常有必要的。

多普勒天气雷达的安装布网为我国对冰雹、雷雨大风天气的探测和预警能力的提高提供了强有力的手段[1-2]。近年来，许多气象工作者利用新一代天气雷达数据对强对流天气进行了一些个例研究[3-5]，对冰雹天气的预报提供了有力的依据。在短时临近预报中，要判断未来的天气是否会出现冰雹是短时临近预报的难点。王福侠[6]分析了河北中南部地区2004年的8次冰雹过程,总结得出当回波强度大于等于50dBz，回波顶高大于等于10km，垂直累积液态含水量大于等于35kg/m2时容易降雹，垂直累积液态含水量越大，冰雹直径越大。张崇莉[7]对丽江市2006～2010年出现的31次冰雹天气过程的多普勒雷达回波资料进行统计分析，结果表明∶冰雹云回波具有较高的基本反射率因子值，成熟阶段的冰雹云在PPI图上多呈点状、块状、带状，强烈的冰雹过程中还会出现钩状回波、线状回波、弓形回波、V型缺口、指状回波及三体散射现象等。王令[8]通过对北京地区2001年和2002年出现的32次降雹时伴随出现的天气现象分类和对雹云多普勒天气雷达径向速度场图像特征的分析统计，得出“大风区”、“中气旋”是经常出现降雹的多普勒径向速度图像特征。目前还没有对承德地区冰雹天气多普勒雷达的相关预警指标的总结、分析。对2012～2016年承德市区周边县出现的11次冰雹天气过程的多普勒雷达回波资料特征进行统计分析，从中得出冰雹天气多普勒雷达预警指标，为冰雹天气的短时临近预报提供参考依据。

1 资料与方法

利用2012～2016年承德地区常规气象观测资料、C波段多普勒雷达基数据资料，采用雷达基数据反演及统计方法，对承德地区11次冰雹天气过程的雷达回波强度（19号产品）、回波顶高（41号产品）、速度回波（27号产品）、垂直累积液态含水量（57号产品）、组合反射率（37号产品）等产品的演变进行了统计分析。

由于承德市区处于雷达静锥区内，而丰宁、围场、兴隆、宽城和平泉等县区距离雷达又较远（均超过50km），因此本次研究主要选取隆化县、滦平县、承德县出现的冰雹过程进行分析。

表1 冰雹的雷达参数统计表

2 冰雹的雷达参数特征分析

结合目前对雷达参数判别冰雹的有效性研究，再根据雷达业务运行的实际情况，甄选出3种雷达参数，即对承德地区11次冰雹过程的回波强度、回波顶高、垂直累积液态含水量等雷达判别因子进行统计分析（表1）。

2.1 回波强度

雷达发射电磁波进入大气，在大气中碰到云粒子、雨粒子或空气介质，入射电磁波向四面八方散射开来，雷达接收粒子的后向散射能量，粒子越大，后向散射的能量越大，雷达回波强度越大，在雷达回波强度图上就会变现为大值区[1]。分析承德地区近5年的11次冰雹过程（表1）发现，最大回波强度均超过58dBz，2014年6月9日承德县冰雹回波强为最小值58dBz；2014年5月19日滦平县和2014年8月21日隆化县冰雹回波强为最大值65dBz。其中有10次冰雹回波的最大回波强度超过60dBz，占99%。将回波强度超过58dBz作为冰雹预警的参考依据之一。

2.2 回波顶高

回波顶高度ET(Echo Top)是衡量对流天气强弱程度的重要标志，它反映了云内垂直上升气流的强度，回波顶高度越高，云内上升气流越强，而上升气流又是决定云内所能形成的最大水滴或冰雹尺度的重要因素[1]。分析11次冰雹过程，除2013年6月11日滦平冰雹和2014年6月9日承德县冰雹回波顶高低于10km，分别为7km和8km，其余回波顶高均超过10km，占82%，因此将回波顶高超过7km作为冰雹预警的参考依据之一。必须指出的是，在研究中发现，一些回波顶高达到上述的高度时也未曾有冰雹的发生，所以在考虑冰雹的发生时要把回波顶高和其他回波特征联系起来分析，减少冰雹空报的发生。

2.3 垂直累积液态含水量

Greene[9]等提出了一种新的预报因子，垂直累计液态含水量VIL（Vertically Integrated Liquid Water conten）,Winston等发现VIL对冰雹的存在有较好的指示作用。分析11次冰雹过程，垂直累积液态水含量最小为33kg/m2，对应回波强度为63dBz，冰雹直径为6mm；最大为63kg/m2，对应最大回波强度63dBz。其中垂直累积液态水含量超过为38kg/m2占82%，因此可将垂直累积液态水含量超过33kg/m2作为承德地区冰雹预警的参考依据之一。

另外，在分析这11次冰雹过程的回波时, 还发现在冰雹发展初期的2～4个体扫垂直累积液态含水量一般会有一个跳跃性增长，通过对这11次冰雹过程的研究发现，除2014年5月19日滦平冰雹过程，降雹前相邻两个体扫垂直累积液态含水量没有明显跃增外，其余均有明显跃增，且两个相邻体扫跃增值在20～33kg/m2之间，因此垂直累积液态含水量的跃增对预报冰雹具有非常重要的意义。

3 冰雹的雷达回波特征分析

主要是对冰雹过程中雷达回波的形状、移速，径向速度特征以及是否存在“三体散射”、V型缺口等现象进行统计分析（表2）。

3.1 回波形状和移速

表2 冰雹的雷达回波特征统计表

统计这11次冰雹过程发现，大部分冰雹云回波都是块状，只有2013年5月19日和2016年5月1日回波呈带状。在冰雹云在发展初期，一般移动速度不大，发展较成熟时，移速加大，不同回波移动速度相差较大，一般在30～60km/h。

3.2 径向速度（2.4°仰角）

冰雹回波因持续时间短、突发性强，在基本径向速度资料中以分析中小尺度特征为主。分析11个冰雹个例的基本径向速度图，出现冰雹天气时基本径向速度资料上一般伴有风场的辐合，风场辐合主要以辐合线及逆风区为主。逆风区是指在低仰角没有速度模糊的基本径向速度图中，凡在同一方向的速度区中，出现的另一种方向的速度区为逆风区，且风区不能跨越测站原点。在11次冰雹个例中风场辐合占8次，其中逆风区占4次；大风区1次，速度模糊2次。因此风场辐合、大风区以及径向速度模糊都是冰雹回波的典型风场结构，都有利于冰雹的形成。

3.3 三体散射

三体散射是由于雷达能量在强反射率因子能量区(回波很强)向前散射造成的异常回波。对这11次冰雹过程研究发现，有3次出现“三体散射”现象，这3次分别出现在2012年6月18日滦平县、2014年8月21日隆化县以及2015年5月17日承德县，冰雹直径均超过10mm，观测位置均位于3.4°和4.3°仰角的基本反射率因子图上，最大回波强度均超过65dBz。观测时出现三体散射现象对预报员来说非常容易识别，而观测到三体散射可以肯定有大冰雹。当回波强度高于65dBz时,要注意观测三体散射回波。

3.4 V型缺口

Lemon等在“风暴结构来识别冰雹”中提到了V型缺口，将其视为冰雹的识别指标。C波段雷达中V型缺口内往往残留有强度为0～15dBz的回波,因此将C波段雷达中V型缺口定义为∶远离雷达一侧出现的呈近似于V型的缺口，缺口内无回波或存在0-15dBz的弱回波。夏文梅[10]对V型缺口在C波段多普勒雷达中的应用研究中指出V型缺口的最佳观测仰角为0.5～2.4°。考虑到承德市是多山地形，如果仰角太低对雷达回波的探测将会受到地形的阻挡，因此选用2.4°仰角去观测。

统计这11次冰雹过程的雷达回波发现，除2012年6月18日隆化县、2014年5月19日滦平县、2015年5月17日承德县冰雹过程中未出现V型缺口外，其余过程中均有V型缺口出现，因此，可以将雷达中V型缺口（2.4°）作为承德市冰雹识别的指标。

另外，假定出现V型缺口时，就开始发布回波未来影响区域有冰雹出现，将开始出现V型缺口的时间和开始降雹的时间之差视为V型缺口对冰雹的提前预警时间。那么对上述8次有V型缺口特征并出现降雹的过程中，V型缺口对冰雹预警的时间提前量为7～21min。

4 结论与讨论

（1）通过对承德地区11次冰雹过程雷达参数特征的统计分析得到，最大回波强度超过58dBz、回波顶高超过7km、垂直液态累计含水量超过33kg/m2，都可以作为承德地区冰雹预警的定量指标；并且垂直累积液态含水量的跃增，两个相邻体扫跃增值在20～33kg/m2之间，对预报冰雹具有非常重要的意义。

（2）通过对承德地区11次冰雹过程雷达回波特征的统计分析得到，冰雹回波的形状主要分为块状或带状两种，径向速度图上，逆风区、大风区、中尺度辐合以及径向速度模糊，基本反射率因子图上，三体散射回波、强回波远离雷达一侧出现的V型的缺口等这些雷达的回波特征，为承德地区冰雹预警的定性判断提供了重要的依据。

（3）V型缺口对承德地区冰雹预警的时间提前量为7～21min。另外，实际预报值班中，在雷达反射率因子图上对强回波（≥45dBz）作垂直剖面，剖面图上，45dBz回波质心出现的位置作为判别冰雹出现的依据，若45dBz回波质心出现在0℃层附近，则该回波可能产生冰雹；若45dBz回波质心出现在-20℃层附近，则该回波肯定产生冰雹，可将45dBz回波顶高度超过0℃层高度，作为承德地区冰雹预警的指标之一，运用到以后的实际工作当中。