“3·23”云南省景谷傣族彝族自治县冰雹灾害天气原因分析

徐八林，陆 鹏，王 欣，陈 卓，徐舒扬，周德丽

(1.云南省大气探测技术保障中心, 云南 昆明 650034;2.普洱市气象台, 云南 普洱 665000;3.成都信息工程大学, 四川 成都 610225)

冰雹是一种常见的灾害性天气，在气象上属于强对流中小尺度天气系统。相对而言冰雹具有尺度小、发展迅速等特点，预报预警技术难度较大，也一直是国内外气象专家研究的重点之一。通常利用常规气象资料和卫星云图难以对这类中小尺度系统作出准确的预报预警，随着雷达技术的不断发展进步，借助于目前我国逐步建设完成的新一代多普勒天气雷达观测的回波资料，并通过总结出来的各种算法指标(如：垂直液态含水量，强回波高度等)，可以较准确的判别冰雹云回波，为冰雹天气预报预警和人工消雹提供依据。美国新一代天气雷达(NEX2RAD )采用的冰雹算法是依据Lemons的强冰雹识别理论[1],由Forsyth D E等人在1981年提出来[2],基本方法是从一系列强对流算法中选取风暴倾斜角等几个因子，分别按照它们对冰雹形成的有效性分别赋予一定的权重，形成冰雹判别算法探测冰雹。该算法在美国多年的业务运行中不断完善，目前在美国具有较强的冰雹探测和预警能力。但在中国业务检验来看，由于各种地形、天气背景等原因，在预警指标的选取、阈值的确定等方面也暴露出许多不足。近年来国内雷达气象工作者充分利用雷达资料也建立了很多冰雹云的识别技术指标和方法[3-6]，在低纬高原也有一些相关研究，如段鹤等[7]、张崇莉等[8]增加多普勒雷达垂直累积液态水含量产品或VIL密度跃增指标作为判断冰雹是否能形成的补充阈值使用。

通常中小尺度天气系统都有大尺度的天气背景，前人研究显示冰雹生成主要受大气的宏观背景条件、地形、对流条件、水汽条件等因素影响，其移动路径又具有明显的局地特征，因此冰雹灾害不仅决定于大气环境条件，而且受地形的影响很大，所以冰雹的预警一直是临近预报的重点和难点。云南地处低纬度高原地区，地理位置特殊,地形地貌复杂多样，地势悬殊较大，山壑纵横，特殊的地形抬升影响，形成了云南多强对流特殊的天气气候特征。云南属于高原季风气候，一年主要分为雨季和干季，夏季风的建立和盛行，加之地形影响，导致强对流天气多发，同时冰雹灾害也相应频现，同时气候变暖、地表覆被土壤等下垫面条件变化也会增加冰雹、山洪灾害的出现风险。气象部门一直致力于研究气象灾害发生的成因，经查阅我省有关研究文献发现：解明恩等[9]研究指出地理环境、气候、人类活动是形成云南气象灾害事件的主要原因，随着全球变暖强对流天气也有所增多的趋势。徐舒扬等[10]研究表明威马逊台风登陆西移进入云南减弱为热带低压后，南海的水汽被偏南气流输送到云南省南部地区，加之云南省相比两广及海南地区地形更加陡峭复杂，在云南省范围内引发了较大规模的气象灾害，死亡人数超过海南、广东、广西三省之和。段玮等[11]对云南冰雹灾害气候特征及其变化进行统计分析认为云南冰雹灾害损失逐年增加，但灾损与全省GDP的比率逐年降低，认为防雹效益明显可能是主要影响因素之一。李湘等[12]对云南2006-2007年冰雹灾害及冰雹灾情资料，选取冰雹直径大于5 mm的22次灾害性冰雹个例进行分型统计，从多普勒雷达产品中分析研究提出一些多普勒雷达统计特征及预警指标。基于上述研究的探讨，本文在介绍普洱一次冰雹灾害为例结合其它个例的基础上，利用多种观测资料，重点以新一代多普勒天气雷达基数据的分析入手，结合丰富的多普勒天气雷达输出产品和NEXRAD冰雹算法。为了进一步把冰雹灾害损失降低，从天气成因方面、云南地形影响等特殊性进行冰雹灾害的雷达资料分析，提出一些有效监测冰雹的发生、发展的技术方法, 进而探讨一点在云南有预警意义的指标因素。通过冰雹识别的技术方法加以分析后得出造成灾害的天气原因和冰雹落区，从而对防灾减灾提供一点应用依据。

1 资料与方法

2018年3月23日普洱市国家级站降水实况资料；Micaps常规资料和区域自动站常规资料；闪电定位仪资料；普洱新一代天气雷达体扫资料。把球坐标系下的雷达反射率体扫资料经九点平滑后插值到统一的笛卡尔坐标系下的网格点上，采用美国NEXRAD的新一代冰雹探测算法等手段，从雹云云顶高度、厚度，雹云移动方向的特征等要素进行分析；其它资料采用常规方法进行分析。由于该次过程尺度小，在卫星云图上难以发现有价值的信息。但普洱新一代天气雷达很好的监测到了这次灾害天气的演变过程。

普洱雷达是CINRAD/CC(3830)天气雷达，是已投入全国气象业务组网运行的新一代多普勒天气雷达，为C波段全相干脉冲多普勒雷达，具有天线增益高、波束窄、发射功率高、脉冲宽、接收灵敏度高、动态接收范围大等特点。普洱雷达站区站号Z9879，天线海拔高度1 926.4 m，经度纬度102.55°E、22.4°N，资料库长为150 m，扫描一周512条径向线，取样时间间隔约为6 min左右一次的连续体扫。文中使用的是VOL原始资料，从1～14层，根据各库资料高度，选取临近该高度平面(间隔1 km)的上下两个仰角的相临库上的数据，采用九点平滑后插值得到ZCAPPI(强度等高平面位置显示)，各格点值为雷达反射率因子等数据。

2 灾情实况

景谷县气象台2018年3月23日17时发布冰雹橙色预警信号如下：目前威远镇已出现强对流云系，可能出现冰雹；预计未来威远镇、正兴镇、益智乡可能出现冰雹、短时强降水、雷电和大风等强对流天气，并可能造成雹灾，请注意防范。

2018年3月23日18:30左右，景谷县遭受冰雹袭击，造成灾情。

2018年3月24日民政部门的初步灾情统计如下：普洱市景谷县傣族彝族自治县遭受冰雹袭击，致使该地区部分乡镇粮食作物、经济作物和群众财产受到影响。灾情影响区域：威远镇、凤山镇、益智乡3个乡镇12个村委会75个村民小组，7 568人不同程度受灾，无人员伤亡，造成经济损失约857.5万元。具体灾情如下：①粮食作物受灾情况。秧苗、小麦等农作物受灾53.5 hm2，直接经济损失61.87万元。其中秧苗受灾2.0 hm2，成灾面积0.6 hm2，经济损失1.3万元；小麦受灾51.5 hm2，成灾面积45.8 hm2，绝收14.4 hm2，经济损失60.57万元。②经济作物受灾情况。烤烟、茶叶等经济作物受灾190.9 hm2，直接经济损失792.03万元。其中，烤烟受灾6.6 hm2，成灾面积2.3 hm2，经济损失6.70万元；茶叶受灾448.0 hm2，成灾面积325.7 hm2，绝收90.7 hm2，经济损失719.32万元；油菜受灾86.3 hm2，成灾79.7 hm2，绝收51.1 hm2，经济损失66.01万元。③民房受损情况。农户民房、太阳能不同程度受损38户，直接经济损失3.6万元。其中民房一般受损17户17间，经济损失2万元；太阳能受灾21户21台，经济损失1.6万元。

3 天气实况背景分析

2018年3月23日，普洱市出现小到中雨，局部大雨天气过程，并伴随明显雷电活动，其中景谷、宁洱多地出现冰雹，宁洱国家气象观测站19:29监测到直径10 mm的冰雹，景谷国家气象观测站17:57出现20.2 m/s的瞬时大风。

站点降水实况：普洱全市288个自动观测站中共出现大雨16站，中雨89站，小雨163站，最大雨量宁洱干田34.9 mm。

3.1 天气背景分析

通过Micaps常规资料和区域自动站常规资料的分析，发现：本次强对流天气的发生，主要是由于500 hPa高原南部有浅槽快速东移经过云南，23日08时850 hPa偏南风风速达12 m/s，有利于将南海的水汽输送到云南上空，滇西大部比湿大于10 g/kg。由于槽前系统性上升运动，配合较好的水汽条件，普洱自22日夜间出现降水。随着高空槽快速东移，500 hPa由西南风转为槽底偏西北气流控制，风速达22 m/s，有利于干侵入而形成不稳定层结；14时普洱市西北部形成明显的地面辐合线，是有利于本次强对流天气发生的动力抬升条件；且辐合线两侧温度差异明显，有利于形成强的对流单体并维持较长时间。

图1 2018年3月23日20时普洱探空站探空图

3.2 探空资料分析

从普洱探空站23日08时的探空资料作logp图可以看出，由于受08时降水的影响，整层水汽条件较好，垂直风切变达12 m/s，Cape=150.9 J。20时探空曲线图(图1)呈锯齿状，中层干包逆温特征明显，说明中层有较强的干冷空气卷入；850 hPa与500 hPa温差达25℃，层结上冷下暖特征明显；Cape=354.1 J,K=37℃，SI=-2.61℃，垂直风切变增大至20 m/s，是有利于强天气特别是冰雹发生的典型层结特点。

3.3 闪电定位仪资料分析

云南省气象局根据云南省国土面积及VLF/LF三维闪电探测仪业务服务重点，为进一步提升云南雷电灾害监测预警能力，更好地服务于云南经济建设，减少因雷击造成的人民生命财产损失，2016年在云南全省新建设了17套三维闪电定位仪，系统建成后与前期建成的6套三维闪电定位仪，组成了23站覆盖云南大部地区的三维闪电监测网。据该网监测的数据(图2)在15:00-17:00时段，普洱共发生闪电926次，其中云闪537次, 云地闪389次, 云闪比58.0%； 正闪160次, 负闪766次，正闪比17.3%； 云闪最大高度27.7 km, 云闪最小高度1.1 km, 云闪平均高度5.5 km。

同时，冰雹灾害性天气通常伴随雷电、大风等灾害天气，也会造成重大灾害。例如2018年8月1日下午云南文山州丘北县天星乡扭倮村7名儿童到扭倮养殖场后山上捡野生菌，雷电冰雹暴雨来临时，7名儿童一起到树下避雨，因雷击当场造成4名儿童当场死亡、3名儿童受重伤。

图2 普洱2018年3月23日15:00-17:00闪电分布图

图3 景谷县对流云回波3月23日16:00 VPPI第二层(1.5°)强度回波图，(色标单位：dBz)

3.4 新一代多普勒天气雷达回波资料分析

2018年3月23日15时的雷达观测发现普洱市景谷县有多单体强对流云生成，部分地区出现了冰雹天气的初步指标。15:50雷达回波图上发现景谷县威远镇和益智乡北偏西一带强度达45 dBz的对流云回波云团三处，出现了较明显的冰雹观测指标(如图3红色区域)。此时的强回波强度位置与闪电定位仪观测的闪电分布情况基本对应(如图2中红圈所示)。

此后，回波云团不断向东南缓慢移动且有发展壮大的趋势，景谷县有区域气象观测站的气象信息员报告18:40出现冰雹大风天气，最大冰雹直径约10 mm，降雹过程持续5 min，造成了冰雹灾害。

值班人员利用近年研究出的低纬高原冰雹特征指标，结合NEXRAD 冰雹算法跟踪监视，观测到了这次降雹的全过程，并结合闪电资料做出了准确及时的临近预报，所以发布了威远镇、正兴镇、益智乡可能出现冰雹、短时强降水和大风等强对流天气的预报。如上述17时及时发布冰雹橙色预警信号反映，落区有两处准确，对接收到预警信息的群众做好防灾减灾提供了帮助。

3.4.1 强度PPI的冰雹云回波演变过程

在读取雷达基数据时，为更清晰反映云团演变过程及冰雹特征，将地物回波及弱回波滤除，雷达回波图中每距离圈30 km。2018年3月23日16时，利用重复频率为900 Hz，天线仰角为0.5°，距离范围为150 km进行观测，发现威远镇、正兴镇、益智乡一带有4块明显的对流云团(图4a)，呈块状，尺度不大，但强度较强。其中在雷达站(方位约为300°，距离为60 km)和(方位约为20°，距离100 km)分别有两处强回波中心，最大强度值达45 dBz以上；回波云团不断移动发展，17时观测到云团合并结合成一块较大的回波云团(图4b)，并且强度也明显加强，对流云团出现合并情况通常会有加强发展情况。并且探空资料的天气背景情况看，有发展壮大趋势并且发展速度会很快。数十分钟后回波强度达到50 dBz，(图4b)红色区域，具明显冰雹特征；18:00对流云团发展南移至景谷南部上空，仍然为块状，强回波中心值达60 dBz(图4c)；18:22该云团仍然在发展壮大，且系统变得深厚强大；18时后景谷县部分区域出现冰雹大风天气，有反映称最大冰雹直径达10 mm，降雹过程持续约25 min，附近的无人值守区域气象站观测到过程降雨量6.6 mm，瞬间极大风速达到21.0 m/s(9级)；19:30(图4d)，回波呈减弱、分散趋势、逐渐移出景谷县。此后，对流云团明显减弱，此次短时冰雹过程结束。

图4 景谷县3月23日16:00分开始雷达(VPPI第二层1.5°仰角，色标单位：dBz)观测冰雹回波强度演变过程图

图5 景谷县3月23日16:00开始雷达 (VPPI第三层2.4°仰角，色标单位：m/s) 观测冰雹速度变化过程图

图6 雷达反演总含水量

图7 雹云单体垂直剖面图(RCS)及V型缺口

3.4.2 速度PPI的冰雹云回波特征

16:00雷达2.4°仰角的径向速度PPI(图5a)，以测站为中心的回波区零速度线明显，在16:00强回波速度图中绿色的负速度区域中出现了明显的 3 处红色正速度区域，有“正”速度和“负”速度相间，说明存在气旋性流动，形成了明显的中气旋特征，特别是与图4对应处有对流回波合并处，气旋性的辐合尤其明显，有研究表明[13]，对流云团的单体合并应是一部分这类强天气过程的触发与维持机制之一。中气旋的出现，加强了冰雹云主体内气流的水平旋转程度，旋转的上升运动使得冰雹云强度不断发展。经过一个多小时的发展，形成了较确定的冰雹云，在速度图上(图5b)负速度区域中的3处红色正速度区域明显变大，并且增强。从平均径向速度场可以看到，在冰雹发生前至冰雹发生时，中低层流场的风场变化为：辐合逐渐加强，高层由无辐散区变为明显的辐散区。另外，随着气旋性辐合的加强对流云团的反射率因子强度逐渐增强，达到或超过55 dBz。随后就在威远镇、凤山镇、益智乡出现冰雹和雷雨大风。此后，回波东南移回波强度和辐合辐散特征减弱，但其辐合辐散特征仍然可见。

3.4.3 垂直积分液态含水量(VIL)分布特征

1971年，Greene等[14]提出VIL(Vertically Integrated I iquid Water content，垂直累计液态含水量)作为一种新的预报因子；之后Winston等[15]在通过检验发现VIL对冰雹的存在有较好的指示作用。目前VIL被已广泛地应用在美国的WS-88D多普勒雷达的PUP产品生成中，成为判别强降水和冰雹等灾害性天气的有效工具之一。付双喜等[16]利用雷达资料的VIL产品进行冰雹预测，在几个个例取得了较好的效果。垂直积分液态含水量VIL是指降水云体中，某一确定底面积的垂直柱体内的总含水量。假设降水云内雨滴谱符合M-P分布，利用M-Z关系计算VIL公式为：

(1)

式中:ZI为第i层高度上的雷达反射率因子(mm6/m3)，Δhi为第i层和第i+1层之间的高度差(m)，N为体扫仰角总数。

由于冰雹单体并非由液态水构成，具有较高的发射率因子，利用Z-I关系反演雨强时值较高，从而导致很强的VIL。由于冰雹形成过程中从液态水转化为冰雹通常会导致VIL值的跃增(图6)，这有助于识别较大的冰雹单体，同时可以反映冰雹粒子在生长区随对流碰撞并长大的事实。因此，VIL值的跃增变化可以很好地反映云中冰雹的形成，也可以预测降雹的可能性大小。为更清晰反映强回波中心区域，在做雷达反演雨量时滤除了25 dBz以下的回波，从17:30-18:02的雷达反演的累计降雨量图6a中可见雷达反演出的垂直液态含水量并不算高，而在在18:02-18:34时明显增强。由于VIL定义为垂直液态含水量，是对雷达反演雨量的垂直积分所得。云南高原地区雷达大多安装在山顶，雷达体扫描时天线最高最低仰角是固定的，不可能很高或过低，探测不到近距离的回波顶部和远距离的回波底部，而使VIL值估计时过低。而在远距离处，最低仰角的底层高度已经很高，与回波顶之间的厚度小于距离较近处的厚度，也会导致了VIL值过低。

3.4.4 反射率垂直剖面(RCS)分析

从反射率垂直剖面图可以看到冰雹云的前期(图7a)、旺盛期(图7b)、减弱期(图7c)的演变过程，17:30的(图7a)回波强度为50 dBz，强回波高度约在6 km以下。18:22是冰雹云处于较旺盛的时期，沿冰雹云运动方向稍偏东的垂直剖面(图7b)，尽管由于强回波云团离雷达站天线太近，体积扫描时天线仰角不能太高，反射率垂直剖面图探测不到最强时回波顶，但是从图7上仍然可看到明显的强回波核(55 dBz以上强区)的悬垂特征，53 dBz的强回波核也出现悬垂，高度达8.5 km。从图上可看到低层强回波核向后倾斜，表明低层有辐合上升运动气流，高层有强的辐散出流，这均是冰雹生长极有利的条件。从图上可以看到，此时50 dBz强回波区高度已达到约8 km，55 dBz高度达到约7.5 km，60 dBz以上的高度约为3.5～6.0 km。分析降雹前的雷达回波资料发现云体强度及强回波区顶高及VIL值在同一时段有明显的跃增，这些指标综合反映出冰雹云内物理特征量的短时急骤变化并逐步形成冰雹的特征。到18:57，冰雹云处于减弱阶段，回波强度降为45 dBz左右，且强回波核高度降仅到3.5 km。另外，图7d中A区域为冰雹回波典型的V型缺口。

4 冰雹指数产品(HI)

目前我国新一代天气雷达使用的冰雹算法HDA(Hail Detection Algorithm)[17]是引进美国的，该冰雹指数产品对于强冰雹具有很好的指示意义，是通过寻找强风暴单体中0℃层之上的高反射率因子作为主要指标进行导出冰雹指数产品HI(Hail Index)[18]。美国的气象学家最早提出这一指标目的主要是为对冰雹的短时临近预报提供一些支持，随后进行了算法指标的研究和改进，在不仅仅依赖于风暴单体的类型、倾斜度和回波悬垂状的探测指标，即在不考虑冰雹单体微观结构变化的情况下估算出风暴单体中冰雹的发生概率。算法最后的导出产品是冰雹产品指数HI，冰雹产品指数HI包括：冰雹概率P(Probability of Hail)；最大可能的冰雹尺寸Smeh(Maximum Expected HailSize)和强冰雹概率POSH(Probability of Severe Hail)。在云南业务应用中发现，冰雹探测算法对冰雹的存在也存在局限性，仅仅是大冰雹尺寸较大(直径>2.5 cm)时探测检验效果显著。主要是因为HDA冰雹算法只考虑了冰雹在0℃层以上的形成过程，而没有重视冰雹形成后下降到冻结层之下的溶化过程，溶化过程会使降雹概率和冰雹尺寸预报偏大。特别在云南相对温暖潮湿的环境中，冰雹下落溶化程度更突出，这会造成算法对降雹概率和冰雹尺寸估计误差更大；对尺寸较小的冰雹，下落到地面观测时就会很小甚至没有。特别是在盛夏季节，地面温度高，冰雹在下降过程中的溶化更为明显。同时，在0℃层之上冰雹是干的, 由于反射率的剧增，M-Z关系对雨水类型成立,对冰雹未必成立；在0℃层之下冰雹表面溶化有层水膜,其M-Z关系与雨水类型也不同。在计算时冰雹指数存在差别,加之云南地处低纬高原，雷达架设海拔相对较高，低层回波探测能力较弱，这也造成了在实际应用中冰雹指数的误差。冰雹指数显示较大时，高空的冰雹在降落过程中溶化或部分溶化，到地面观测仅是产生了局地强降水，说明HDA算法在云南往往会过高估计冰雹天气的可能性，但却能帮助预报局地暴雨。当强冰雹发生的百分比(POSH)大于50%时极有可能产生冰雹，是一个探测冰雹的有效参考指数。虽然我们检验的结果冰雹指数在云南存在较大不确定性，但这次过程预报还是非常可用的，也具有较好的代表性。如：18:29的冰雹指数产品，可以看出标识中景谷县的冰雹指数已达到3，发生强冰雹的可能性极大，在18:40景谷县就出现大风冰雹天气。

5 小 结

本文以2018年3月23日发生在景谷县相对独立的冰雹天气过程为代表，结合云南其它个例，分析得该类灾害天气系统一些特征如下。

(1)各种探测资料综合比较来看：卫星云图上虽然TBB等值线分析方法能较细致地揭示MCS的形成过程，由于此次冰雹云尺度较小，没有比较明显特征；探空雷达能够提供冰雹发生的大尺度天气背景情况；闪电定位仪能够较天气雷达早预警冰雹的发生，但是误报率相对较高；新一代天气雷达能够较好的监测和预警冰雹的发展过程和冰雹的落区；常规地面资料用于检验预报预警的准确率。故宜采用探空雷达、闪电定位仪和新一代天气雷达为主要手段进行这类冰雹灾害天气的综合预警预报。

(2)冰雹灾害性天气通常伴随雷电、大风等灾害天气，也会造成重大灾害。

(3)此次景谷县的冰雹云由块状的强对流云团发展而成，云体尺度不大，冰雹云的雷达回波强度非常强，发展迅速，强中心值达60 dBz以上、垂直累计液态含水量VIL也出现跃增现象、回波强度图上V型缺口等。其它个例也有相似情况。

(4)在冰雹云的雷达反射率垂直剖面图上，可以看到降雹区垂直方向的特强回波区前沿悬垂回波的明显特征。此外图中冰雹云的强回波中心高度远比普通对流性天气的强回波中心高。所以，利用反射率垂直剖面图上的强回波核所在高度、平扫PPI图上强度指标、速度图上的中气旋特征、PPI图上的V型缺口等判别冰雹云，经多次检验在云南均是较好的指标。

(5)VIL的大值区是冰雹产生的必要指标，也是一个较好指标。从垂直液态含水量VIL的原理上看，在云南由于雷达架设较高属高山雷达，或者探测距离较远或较近，均会导致VIL值偏小，所以在云南对于不同距离的雷达探测范围应有不同的VIL冰雹阀值。另外，VIL是由Z—I关系而来的，Z—I关系受冰雹粒子相态影响较大，双偏正雷达应能对此有所改善。