邵阳市多普勒雷达产品在人工防雹中的应用

陈青 唐佐阳 吕校华 唐娅琼 杨科

摘要：利用湖南省邵阳市2012—2017年多普勒雷达资料和冰雹灾害资料，选取7次冰雹天气过程进行统计，并总结出形成冰雹的几个预警指标，包括存在≥60 dBz强回波，且水平尺度≥15 km;存在高悬垂的反射率因子值（≥50 dBz），强反射率因子高度≥-20 ℃层高度;垂直累积液态含水量（VIL）≥40 kg/m2维持30 min以上;1个体扫VIL激增10 kg/m2，VIL最大值≥40 kg/m2;速度场上有中气旋、逆风区等一种特征或几种特征。而三体散射长钉、钩状、带状、弓形等回波特征可作为辅助指标快速识别冰雹并发出预警。利用这些指标对2017—2018年发生的冰雹天气过程进行了试报，应用效果很好，预警指标在人工防雹工作中发挥了重要作用。

关键词：冰雹災害;多普勒雷达;特征分析;预警指标;人工防雹;邵阳市

中图分类号：S166         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）21-0097-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.21.020

Abstract： The doppler radar data and hail disaster data of Shaoyang city，Hubei Province from 2012 to 2017 were used to select 7 hail weather processes for statistics， and several warning indicators of hail formation were summarized. Warning indicators include that there is strong echo of 60 dBz， and the horizontal scale is more than 15 km; There is high overhang of reflectivity values （50 dBz or higher）， strong reflectivity height -20 ℃ or higher layer height; More than 40 kg/m2 VIL maintain more than 30 minutes; VIL surges by 10 kg/m2 for 1 individual sweep， and the maximum value of VIL is greater than or equal to 40 kg/m2; The velocity field has a cyclone， headwind zone and other characteristics or several characteristics. Three-body scattered spike， hook， strip， bow and other echo characteristics can be used as auxiliary indicators to quickly identify hail and give early warning. These indicators have been applied to the trial report of the hail weather process from 2017 to 2018， and the early warning indicators have played an important role in the artificial hail prevention work.

Key words： hail disaster; doppler radar; feature analysis; early warning indicators; artificial hail prevention; Shaoyang city

邵阳市位于湘西南，地形以丘陵为主，南部和西部多山地，地势由西南向东北倾斜。受雪峰山脉、南岭山脉、衡邵盆地的影响，中小尺度天气系统频繁发生，是湖南省冰雹灾害较为严重的地区之一。在近   5年（2012—2017年）气象灾害经济损失比例中，大风、冰雹灾害成为仅次于洪涝、干旱灾害的第三大气象灾害。近年来，对冰雹特别是大冰雹事件的个例分析研究比较多[1-5]，但对多次冰雹过程的总结分析不多。本研究对有雷达资料的冰雹过程进行对比分析，尝试分析研究出切实好用的冰雹预警指标，为邵阳市的人工防雹工作提供重要科技支撑，使冰雹灾害造成的损失降到最低。

1  降雹特征分析

2012年起，邵阳市雷达正式运行数据资料。根据对邵阳市2012—2017年出现的7次灾害性冰雹过程进行统计分析（表1），为叙述简单起见，按冰雹发生时间顺序分别编号为“20120410”“20120412”“20130319”“20130323”“20140326”“20170419”“20170503”（数字依次表示年、月、日），可得：①降雹区分布差异明显，隆回县和邵阳县出现冰雹次数最多，并呈现出“点”“线”两种分布特征，具体而言，“20130319”“20140326”和“20170419”表现出“点”的特征，只影响2～3个乡镇;其余4次降雹过程表现出“线”的特征，冰雹移动路径呈西—东线状、西南—东北线状等曲线状，影响5个以上乡镇。②从对500、700、850 hPa形势场和地面图分析来看，邵阳市冰雹天气多发生在500 hPa高空槽前背景下;700 hPa均有低空急流发展，一般冰雹天气多发生在700 hPa急流左侧及前侧;从850 hPa看，有5次过程均有急流与切变线的配合，有2次过程发生在南风背景下，有1次过程发生在急流背景下;从地面图来看，有6次过程均发生在低压倒槽与辐合线背景下，仅有1次过程出现在低压。③降雹过程大都伴随雷雨大风、短时强降雨等强对流天气。④冰雹出现时段大多出现在下午至傍晚，多达5次，仅2次出现在夜间20：00以后，其中以17：00左右出现次数最多，这主要是由于午后太阳直接辐射强烈，地面升温迅速，地面辐射与太阳直接辐射使低层大气增温较快，气层不稳定导致的强对流天气。

从以上冰雹发生的时空上可以看出，邵阳市降雹季节性非常明显，基本上出现在春季，每年的3月和4月为冰雹发生高峰期。造成这种明显的季节性和月变化差异主要是因为降雹与副高、极锋急流及其锋系位置的季节性变化密切相关。隆回县处于雪峰山脉余脉，邵阳县位于衡邵盆地，受其影响，这两个地方是邵阳市冰雹的多发区。

2  环流背景特征

分别分析7次过程的500、700、850 hPa形势场和地面形势，可得邵阳市冰雹天气多发生在500 hPa高空槽前背景下;700 hPa均有低空急流发展，且多发生在700 hPa急流左侧及前侧;850 hPa环流场上有4次过程急流与切变线的配合，有2次过程发生在南风背景下，有1次过程发生在急流背景下;地面形势上有6次过程发生在低压倒槽与辐合线背景下，仅有1次过程出现在低压。

3  降雹过程雷达产品分析

3.1  基本反射率特征

分析基本反射率产品可得，7次降雹过程最大反射率因子强度均在60 dBz以上（图略），降雹前30 min最大反射率因子强度也均在55 dBz以上。因为7次冰雹过程均为移动型的（自西向东或自西南向东北移动），在源地就有强回波（大于50 dBz），且强回波一边移动一边发展，持续时间很长，因此7次冰雹过程在降雹前30 min和降雹时的最大反射率因子值均较大。

从基本反射率垂直剖面图（图1）可见，“20120410”冰雹过程的强回波核高度（60 dBz回波所达到的高度）在6～9 km，而“20130322”冰雹过程的强回波核高度更是高达9 km以上;其余5次冰雹过程的强回波核高度也均在6 km以上（图略）。可见，7次降雹过程强回波核高度均在6 km以上，即≥-20 ℃层高度。

综上所述，基本反射率大于60 dBz，强回波核高度≥-20 ℃层高度可作为邵阳市灾害性冰雹预警的指标之一。

3.2  回波形状

分析几次降雹过程的雷达回波形状（图2）可得，“20120410”“20170419”冰雹过程为钩状回波、“20130319”冰雹过程为带状回波，“20170503”冰雹过程为弓形回波;其余3次冰雹过程回波无明显特征。其中弓形回波中大于50 dBz的水平尺度大于60 km，带状回波的水平尺度大于30 km，钩状回波和无明显特征回波的水平尺度大于15 km。

可见，钩状回波和无明显特征回波出现概率较高，但回波的水平尺度相对小一些，此类回波出现冰雹灾害的水平尺度指标可定为≥15 km;弓形回波和带状回波虽然出现的较少，但其回波的水平尺度较大，此类回波出现冰雹灾害的水平尺度指标可定为≥30 km。

3.3  三体散射

三体散射是指雷达能量在强反射率因子区向前散射而形成的异常回波，常呈類似细长钉子状从强回波区沿径向伸展，是大冰雹存在的充分非必要条件。从图3可见，邵阳市7次降雹过程有4次出现了明显的三体散射，大致出现在2.4°～4.3°这几个仰角上，“20130319”“20140326”“20170503”过程没有识别出明显的三体散射。因此三体散射现象可以作为邵阳市冰雹预警辅助指标使用。

3.4  速度特征

分析几次降雹过程的速度场特征可见，“20120410”冰雹过程在18：22时0.5°仰角有气旋性风场辐合，18：40时有风向辐合并能识别出中气旋（图4a）;“20120412”冰雹过程在0.5°仰角存在逆风区并能识别出中气旋（图4b）;“20130319”冰雹过程在4.3°仰角有气旋性风场辐合并能识别出中气旋（图4c）;“20130322”冰雹过程在2.4°仰角有气旋性风场辐合并能识别出中气旋（图4d）;“20140326”冰雹过程在1.5°仰角有风向辐合并能识别出中气旋（图4e）;“20170419”冰雹过程在1.5°仰角存在逆风区并能识别出中气旋（图4f）;“20170503”冰雹过程在0.5°速度图上可以看出，隆回县境内弓形回波后侧存在强入流急流，在入流急流前侧存在一中层径向辐合区（MARC），其径向速度差值为25～29 m/s（图4g）。

可见，邵阳市的雹灾在雷达径向速度上往往伴随有风向辐合、气旋性风场辐合、中尺度气旋、逆风区等强的中小尺度天气特征。因此，速度场中的风向辐合、气旋性风场辐合、逆风区可作为冰雹天气识别与预警的参考指标，而中气旋可以作为邵阳冰雹预警辅助指标使用。

3.5  垂直累积液态含水量

分析垂直累积液态含水量（VIL）产品可得，有6次过程降雹VIL最大值≥40 kg/m2，并维持30 min以上;有1次过程VIL 1个体扫激增10 kg/m2（1个体扫从23 kg/m2增加到35 kg/m2），其VIL最大值仍达到40 kg/m2以上。因此，VIL≥40 kg/m2维持30 min以上或1个体扫VIL激增10 kg/m2，VIL最大值≥40 kg/m2可作为冰雹预警的一个重要指标。

4  冰雹灾害的综合预警指标

通过以上的分析，可以总结出冰雹灾害的几个预警指标：①≥60 dBz强回波;②三体散射;③高悬垂的反射率因子值（≥50 dBz），强反射率因子高度≥-20 ℃层高度：④钩状回波、带状回波、弓形回波等，水平尺度≥15 km;⑤VIL≥40 kg/m2维持30 min以上或者1个体扫VIL激增10 kg/m2，VIL最大值≥40 kg/m2;⑥中气旋、风向辐合、气旋性风场辐合、逆风区等。

不同的冰雹灾害在雷达回波特征上有明显的差别，因此多个预警指标的联合使用十分必要。比如：当雷达回波中心强度达到60 dBz（指标①），则要密切关注其变化，若回波水平尺度和垂直尺度不断增大，出现了指标③⑤⑥，则预示发生冰雹的可能性很大，此时应考虑发布冰雹预警信号;若出现了指标②应立即发布冰雹预警信号。

5  冰雹云雷达预警判别指标在人工防雹中的应用及防雹效果

根据以上4个方面对冰雹云的特征分析统计得出雷达定量判别指标，通过在2017—2018年人工防雹工作中的应用，发挥了重要作用，产生了较好的效果。

5.1  案例一

从2017年4月19日17：39邵阳市多普勒雷达3.4°基本反射率因子图（图5）可以看出，此时在武冈市与邵阳县交界地区有一块超级单体，有明显的三体散射长钉TBSS、旁瓣回波、中高层悬垂回波等回波特征，≥60 dBz强回波发展高度高，呈明显的冰雹云回波特征，并且这一超级单体快速向邵阳县的黄亭市镇、白仓镇方向移动，邵阳市人工影响天气办公室将这一情况及时通报给邵阳县白仓炮点，让其做好作业准备，17：57～17：59，白仓炮点采取前倾梯度射击组合对冰雹云前部上升气流区进行了人工影响作业，发射高炮弹40发，一会儿炮点及周围就下起了较大颗的冷阵雨，此次降水量3.6 mm，东南风3～4级，18：10雷达回波显示超级单体已明显减少并逐渐散开。4月20日8：57～8：59白仓炮点又对停留在炮点上空的对流云层开展了作业，发射炮弹20发，降水25.9 mm。通过灾情调查，防雹区域内老百姓普遍反映效果好，农作物没受大风、冰雹影响，而不在防雹区域内的黄亭市镇，此次冰雹灾害造成直接经济损失260多万元。

5.2  案例二

从2017年5月3日雷达回波反射率因子产品上（图6）可以看出，0.5°上有弓形回波复合体，在弓形回波前沿有高反射率因子梯度、后侧有弱回波，从0.5°速度图上可以看出，洞口县在境内弓形回波的后侧存在强的入流急流，其径向速度最大值为-24 m/s，同时有中气旋，隆回县境内弓形回波后侧存在强入流急流，在入流急流前侧存在一中层径向辐合区MARC，其径向速度差值为25～29 m/s，从实况来看，会在弓形回波附近出现雷雨大风和冰雹。

2017年因当地政府的原因隆回县没有部署人工影响防雹工作，5月3日这一过程造成六都寨、荷田、岩口等乡镇遭遇了雷雨大风、冰雹等强对流天气，受灾最严重的是岩口镇，境内农作物大面积受灾，其中，邱家村2.3 hm2葡萄园，油麻村5.3 hm2以上的烤烟，龙井村1.3 hm2以上的烤烟，龙水炼村0.7 hm2水稻秧田、3.5 hm2玉米、2.7 hm2烤烟，枫井坪村14.0 hm2烤烟，马家桥村15.3 hm2烤烟，兴隆村1.3 hm2以上的烤烟。此次强对流天气过程使烤烟、葡萄和水稻等农作物受到严重破坏，损失200万元左右。而与隆回县、武冈市邻近的邵阳县白仓镇烟叶防雹区，炮点根据邵阳市人工影响天气办公室指令于17：15～17：17开展了防雹作业，发射炮弹20 min，作业区域只下了冷阵雨，农作物未受影响，防雹效果非常好。

5.3  案例三

2018年3月4日17：00～19：00，邵陽县、武冈市、绥宁县、洞口县多地发生雷暴大风、冰雹等强对流天气，最大冰雹20～30 mm，约汤圆大小，造成邵阳县部分大棚被砸穿，烟苗、油菜等农作物受损;造成武冈市多处房屋受损，直接经济损失达351万元。因邵阳市雷达出现故障，部分资料缺失，故引入邻近的永州市雷达资料进行分析。由图7可知，3月4日18：18开始探测到中气旋，持续6个体扫，靠近雷达的过程中，出现了旁瓣回波。对邵阳市雷达资料进行分析（图8），18：37雷达6.0°仰角有明显的TBSS，且速度图上有逆风区，意味风暴维持或发展。可见此次强对流天气过程当时的雷达回波冰雹云特征非常明显，本可以避免或减轻灾害损失，遗憾的是3月底前邵阳市的人工防雹工作还没部署到位。

6  思考与建议

1）邵阳市是湖南省重要的烟叶生产区、同时又是发生冰雹灾害较为严重的地区之一。受局地地形地貌和气候的影响，每年的3—5月易发生强对流天气产生单体或多体冰雹云，每次过程发生的时间短、速度快，预报难度大，这就要求对冰雹雷达回波特征、定量指标、判别指标分析要及时，在人工防雹作业的时间上要求快速高效。目前邵阳市人工防雹作业主要依靠雷达回波下达人工影响作业指令，所以研究分析冰雹雷达特征及判别指标、定量指标对于防雹工作具有非常重要的实际意义，其效果在2017—2018年防雹作业过程中得到了很好检验。

2）从近几年人工防雹工作中也发现了许多不足。一是各地对人工防雹工作重视程度有很大差异，表现在有的县不是每年会安排这项工作，这给全市人工防雹工作的联防多点布局造成一定难度。二是冰雹发生从3月初就开始了，因各种原因邵阳市的防雹工作每年要到3月底才能部署到位，从而导致了3月冰雹灾害不可避免，老百姓意见大。

3）人工防雹工作必须得到各级领导的重视，作为人工影响作业单位要充分应用雷达资料，通过及早识别、联防多点布局、早期作业，这样才会产生较好的防雹效果。

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