云南滇中地区强对流雷达回波统计分析

武秀兰，夏彬僖，朱 睿

(1.云南省峨山彝族自治县气象局，云南 玉溪 653100；2.玉溪市气象局，云南 玉溪 653100)

0 引言

新一代多普勒天气雷达[1]是当前进行强对流监测、预警和开展人工防雹[2]作业指挥的重要工具。目前，云南已布设C波段多普勒天气雷达7部，为云南强对流天气的监测、预警和开展人工防雹作业指挥发挥了重要作用。强对流属中小尺度天气系统，其空间尺度小，生命期短[3]，通过常规天气监测网，难以有效地监测。天气雷达通过对强对流云体的探测，可以获得强对流回波的强弱分布和移动变化，分析雷达回波的结构与演变，从而判别强对流云体能否发展成为雹云，对于确定是否实施防雹作业，以及确定作业部位和用弹量都是很重要的决策依据，国内外研究者利用雷达观测产品，对强对流回波的特征进行了大量分析研究。葛润生[4]对国内14个地区的雷达观测到的雹云的回波顶高、强度进行了统计研究指出，国内雹云回波顶高平均约在海拔10 km以上，大多数在海拔11～13 km；平均回波强度约在45～50 dBz，并指出雹云的回波强度愈强，地面防雹造成的灾害愈严重。龚乃虎等[5]对甘肃平凉地区1972～1976年的X波段雷达观测的153次雷暴资料进行分析指出，回波顶高与回波顶高的温度联合可以较好的判别雹云。同时，垂直积分液态含水量(VIL)[6]作为雷达观测的导出产品，已广泛应用于雹云的识别[7]与预警等，刘治国等[8]对VIL的使用进行了研究和分析。

快速分析判别雹云是人工防雹作业指挥的重要工作，分析多普勒雷达回波的强度、高度和VIL等要素，为雹云的判别提供决策依据，不仅有利于初级防雹指挥人员从整体上认识、分析雹云，也是人影科技人员提高人影作业指挥水平的重要经验积累。

1 数据来源与统计方法

1.1 数据来源

由中国气象局统一部署于昆明的新一代C波段全相参多普勒天气雷达(102°34′41″E，25°3′7″N，天线高度2 515 m)是云南滇中地区人工防雹作业指挥的主要雷达，在每年5～9月采用VCP11体扫模式开展全天候观测，探测有效半径150 km，能覆盖云南滇中大部地区。以人工防雹分析研究的重点，收集了昆明多普勒雷达于2006年～2012年5～9月的探测数据共1 148幅回波和由市、县级人影指挥中心和人影作业点收集的雹灾记录208份。

1.2 统计方法与统计要素

对流风暴一般划分为普通单体、多单体、线风暴(飚线)和超级单体[1]，或划分为单单体、多单体、超级单体和其它[9]。典型的雷暴云单体一般经历3个阶段：形成阶段(积云阶段)、成熟阶段和消亡阶段，雹云进一步可划分为发生、跃增、孕育、降雹和消亡5个阶段。本文中笔者将雷达连续观测到的对流回波单体(或可能产生合并的多个对流回波体)的生成、发展、减弱等的演变作为一雷达回波观测过程。

结合云南多年来人工防雹作业指挥的经验，选取了多普勒雷达回波体扫的仰角0.5°PPI回波强度(反射率因子)、体扫回波顶高、35 dBz回波高度、回波强中心高度和回波垂直液态含水量(VIL)等5个雷达参量指标进行统计。本文中，回波顶高为雷达体扫回波反射率因子5 dBz处的海拔高度；35 dBz回波高度为雷达体扫回波反射率因子为35 dBz处的回波顶海拔高度；回波强中心高度为雷达体扫回波反射率因子最强处的海拔高度。

2 回波统计分析

2.1 回波时段分布统计

通过对收集到的雷达回波资料和雹灾记录进行分析整理，共分析出雷达回波观测过程247个，其中有雹灾雷达回波观测过程234个，无雹灾雷达回波观测过程13个。按月统计其雷达回波观测过程(图略)分别为5月2个、6月44个，7月73个、8月104个和9月24个，表明云南滇中的雹暴主要发生在6～8月。对雷达回波观测过程进行逐时统计上，由于雷达回波观测过程可能跨几个时刻，因此，在逐时统计中，我们对雷达回波观测过程是统一按时刻统计，即如果某一雷达回波观测过程跨几个时刻，我们就分别在这几个时刻都进行累计。图1是逐时雷达回波观测过程数统计图，从图1可以看出，统计的过程数主要出现在12时至20时，其中17时最多，为44个，次之是14时，为38个。由于这一时段为午后时段，而云南地处原高地区，夏季太阳对地面加热形成的近地热对流是强对流发生的主要诱因。

图1 逐时雷达回波观测过程数统计图

2.2 回波反射率因子统计

张培昌[10]根据江苏气象台的统计，每年4至6月份冰雹云的平均回波强度为50.7 dBz至54.1 dBz。 统计234个有灾情过程(简称AnaY)，其反射率因子最大值在59.3 dBz至45.1 dBz，平均为54.1 dBz，5至6月平均最大反射率因子为52.9 dBz至53.9 dBz，5月份的高于江苏气象台统计的最大平均值，而6月的低于江苏气象台的，7至9月其平均最大反射率因子分别为53.8 dBz、54.4 dBz和54.2 dBz。13个无灾情过程(简称AnaN)，其反射率因子最大值在57.7 dBz至47.8 dBz，平均为53.4 dBz。因此，人工防雹作业指挥中仅从回波反射率因子上，难以判别强对流云体能否产生降雹。

2.3 回波顶高统计

回波顶高是指雷达能探测的回波高度，表明在其高度有雷达可探测到的水凝物存在。葛润生[4]利用C波段常规雷达观测的国内14个地区的雷达观测到的雹云回波顶高进行分析，指出国内雹云回波顶高平均约在海拔10 km以上，大多数在海拔11～13 km。张培昌[10]根据江苏气象台的统计，每年4月至6月的冰雹云的回波平均顶高在10.5～14.2 km。对247个雷达回波观测过程，所有过程回波顶高在8.1 km至18.1 km，98%的过程回波顶高均在9 km以上，云南夏季的-20 ℃层一般约在9 km左右，说明云南滇中地区对流云体发展一般都在-20 ℃层以上，最强的回波过程其回波顶高达18 km，78%的回波过程的回波顶高在11 km以上，云南夏季-40 ℃层约在11 km，说明云南滇中地区大多强对流云体都能发展到-40 ℃层高度以上。

图2是234个AnaY和13个AnaN过程回波顶高统计分布图，其中图2(a)AnaY过程为回波顶高统计，图2(b)为AnaN过程回波顶高统计。从图2可以看出，AnaY过程回波顶高在8 km到18 km，平均回波顶高为13.7 km，AnaN过程在9 km至16 km，平均为13.2 km。AnaY过程的平均回波顶高高于AnaN过程的0.5 km，说明产生冰雹的强对流云体的回波顶高要强于无冰雹的强对流云体。234个AnaY过程中，87%(204个)的过程其回波顶高达11 km以上，13个AnaN过程中92%(12个)的过程其回波顶高达11 km以上。因此，仅从强对流发展高度是否到达-40℃层高度难于判别是否能产生冰雹，回波顶高的发展高是产生雹灾的必要条件，而非充要条件。

2.4 35 dBz回波顶高分析

对强对流回波强中心的分析是判别雹云的重要指标。李金辉等[11]提出，冰雹云的识别指标应取40 dBz、45 dBz两档较为合适。云南地区强对流发展快，如果采用45 dBz作为雹云强中心的判别指标，对雹云的识别率高些，但在人工防雹作业指挥中，采用40 dBz或以上的值作为雹云判别指标，留给作业指挥的时间太短，李红斌等[12]提出采用30 dBz作为雹云判别指标，但云南地区强对流单体的出现基本都在30 dBz以上，结合云南强对流的发展特点和防雹作业指挥要求，我们采用35 dBz作为一判别指标，有利于防雹作业指挥。

统计247个过程，其中AnaY过程35 dBz中心高度在15.5 km至4.9 km，平均高度为9.4 km，位于-20 ℃层附近，AnaN过程35 dBz中心高度在11.3 km至4.7 km，平均高度为7.8 km，两者平均高度相差1.6 km。图3是对回波过程35 dBz中心高度的统计，其中图3(a)AnaY过程的统计，图3(b)为AnaN过程的统计。从图3可以看出，AnaY过程35 dBz中心高度统计的大值区在8 km处，而AnaN过程的在7 km处，因此，从过程平均高度和大值区看，AnaN过程比AnaN过程的35 dBz中心高度高出1 km以上。以-20℃层高度9 km统计发现，AnaY过程35 dBz中心高度在9 km以上的占52%，而AnaN过程的仅23%的在9 km以上。因此，利用35 dBz高度的最大值是判断是否产生降雹的较好因子。9 km高度是云南夏季的-20层高度，因此，结合探空获得的当天-20℃层高度，判断回波35 dBz高度是否在-20℃层以上，可以较好的判断其回波降雹的可能性。

2.5 垂直累积液态含水量(VIL)的分析

垂直累积液态含水量(VIL)是新一代天气雷达系统提供的一种导出产品，它表示将反射率因子数值转换成等价的液态水值，它用的是假设所有反射率因子返回都是由液态水引起，其反映了降水云体中在某一确定面积的垂直柱体内液态水的总量。付双喜等[13]研究认为，当VIL值>7.0 kg/m2时，将预示有强对流天气特别是冰雹天气的出现。刁秀广等[14]利用2002～2005年济南雷达资料，对对流云的VIL分布特征进行研究指出，降雹单体特别是强降雹单体在成熟前期有明显的VIL跃增现象。

通过247个过程统计，AnaY过程的最大VIL在17 kg/m2至90 kg/m2，平均为65.2 kg/m2，AnaN过程的最大VIL在14 kg/m2至90 kg/m2，平均为59.4 kg/m2。从最大平均来看，AnaY过程VIL大于AnaN过程。从AnaY过程和AnaN过程的最大VIL分布来看，两者的统计大值区都处于60至70 kg/m2区间(图略)，有灾情和无灾情的回波过程的最大VIL的值区别不大，难以作为判别是否会产生降雹的判据。

一般对流云与雹云的一个区别是雹云的发展存在一跃升过程。图4是回波过程VIL跃升最大值统计，其中图4(a)是AnaY过程的VIL跃升最大值统计，图4(b)是AnaN过程的统计。图4可以看出，AnaY过程的VIL的跃升最大值多数过程集中在25～45 kg/m2，AnaN过程的集中在15～25 kg/m2。进一步分析，AnaY过程的VIL跃升最大值大于35 kg/m2的过程有136个，占其有灾情过程的61%，而AnaN过程的VIL跃升最大值大于35 kg/m2的过程有6个，只占其无灾情过程数的30%。通过对对流过程的VIL跃升值分析表明，VIL跃升值35 kg/m2可以作为强对流过程能否产生降雹的一判据指标。雹云存在的VIL跃升特征与刁秀广等的研究结论相符，但其跃增量要大于刁秀广等给出的15.4 kg/m2，说明云南滇中地区的雹云VIL跃增更强。

4 结论与讨论

通过对获得样本数进行质量控制，对1148幅回波、247个过程，分有灾情、无灾情，对雷达回波的回波顶高、0.5度仰角PPI反射率、35 dBz强中心高度、过程35 dBz强中心高度最大值、过程VIL最大值和过程VIL跃升最大值统计分析表明：

(1)云南地区强对流发展旺盛，其强度一般都在45 dBz以上，最强可达59 dBz以上；回波顶高一般都在6 km以上，多数都在11 km以上，即达到-40℃高度层附近，发展最高的强对流云体可达18 km高。

(2)通过观察35 dBz强中心高度是否达到9 km高度，即-20℃层高度，可以作为判别强对流云体能否产生降雹的指标。

(3)云南地区的强对流云体的VIL值可达65 kg/m2以上，多数处于60～70 kg/m2，仅通过对VIL值难以判别强对流云体能否产生降雹。

(4)冰雹云有明显的VIL的跃升。通过观察强对流云体的VIL跃升值(前后两回波的VIL差值)是否超过35 kg/m2，可以作为强对流云体能否产生降雹的指标。