阿克苏地区西部冰雹天气雷达回波演变特征分析

安大维，陈春艳*，窦 刚，刘军建，孙鸣婧

（1.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002）

阿克苏地区是新疆重要的棉花、特色林果业等作物的生产区，是国家优质的棉花种植基地及瓜果之乡，同时阿克苏地区也是新疆雹灾最严重的区域[1-2]。冰雹天气的发生具有局地性、突发性和短时性的特点，其监测预警及提前识别极为困难，是当前研究的重难点[3]。新一代多普勒天气雷达作为监测强对流天气的重要工具，其回波特征可反映雹云的形态结构及其演变特征，在冰雹识别及预警中发挥了重要作用[3-4]。

目前国际上对冰雹的研究主要集中在时空分布特征、区域模式数值模拟、模型预测等方面[5-8],而我国也有大量研究通过对雷达资料的分析，总结了回波强度、回波顶高、垂直累积液态水含量等冰雹天气监测预警指标[9-16]，如冀东地区以最强反射率因子为62 dBZ、回波顶高为9.9 km、垂直累积液态水含量为51.6 kg/m2作为预警指标[11]，湖北宜昌则以最强反射率因子达40 dBZ、回波顶高达7.6 km作为冰雹云预警参考[12]，安徽最强反射率因子基本＞55 dBZ、垂直累积液态水含量至少为30 kg/m2[15]。新疆也有相关研究分析[17-21]，伊犁河谷的反射率因子达50 dBZ、回波顶高达8 km、且垂直累积液态水含量出现跃增时，应警惕冰雹的发生，当回波顶高＞11 km时，出现冰雹的概率较大[18]，奎玛流域[19]和南疆西部[20]的冰雹个例分析表明降雹前均伴随VIL和VILD增大的现象，冰雹天气的局地性使得分区域进行预报预警指标研究十分必要。对阿克苏冰雹的研究较为丰富，主要集中于灾害区划、个例分析、防雹作业等领域[21-23]，朱思华等[2]给出了阿克苏地区10次冰雹云降雹时刻雷达观测主要产品的统计值：以1.5°仰角反射率因子为50.7 dBZ、回波顶高为9.4 km、垂直累积液态水含量为12.8 kg/m2。但针对长时间序列雷达回波及其演变特征的分析相对较少，本文梳理了2009—2020年发生在阿克苏雷达监测范围内的冰雹个例，对冰雹的时空分布及雷达回波产品进行统计分析，并分别对不同类型雹云回波强度、回波顶高、垂直液态含水量VIL及雹云路径、生命史等特点展开分析，为阿克苏地区冰雹天气监测预警提供参考。

1 资料和方法

新疆观测站点较为稀疏，为补充统计样本，弥补常规观测的局限性，本文除统计阿克苏地区西部阿克苏、乌什、温宿、柯坪、阿瓦提、阿拉尔6个国家站冰雹数据外，还收集了灾情直报信息及《中国气象灾害大典》新疆卷中冰雹灾情数据。2009—2020年共收集冰雹实况211站次（1日内国家站观测到冰雹天气或灾情记录该站所代表区域有冰雹记录，就记为该站出现1站次冰雹）。阿克苏多普勒天气雷达在阿克苏地区西部冰雹天气监测预警中发挥了重要作用，本文使用GR2软件（美国Gibson Ridge Software LLC公司GR2Analyst雷达产品处理软件）分析阿克苏地区西部冰雹天气雷达回波演变特征。通过对缺失资料、静锥区影响、无明显雹暴特征的个例进行筛选剔除，最终得到24次有完整生消过程雷达数据的冰雹个例。一次冰雹过程可能受到多个对流单体影响，24次冰雹过程共采集到34个雹云单体，通过追踪34个雹云单体的生消演变过程，归纳总结阿克苏地区西部冰雹天气的雷达回波演变特征。

2 时空分布特征

2.1 年和月变化

如图1所示，阿克苏地区西部2009—2020年期间共收集到冰雹个例211站次，年均17.6站次。12年来冰雹出现站次呈双峰型分布，2009—2013年是第一个峰值区间，年均出现冰雹21.6站次，其中2011年出现冰雹站次最多，达到28站次，2013年次之，出现了24站次；2014年最少，仅出现了9站次；2015年又增至15站次，2019年达到了第二个峰值20站次，2015—2019年年均出现冰雹16.2站次。相比较第一个峰值时段，第二个峰值时段年均冰雹站次减少5站次。从研究区域6个县市冰雹站次变化情况看，海拔较高的乌什县冰雹频次减少最为明显，其次是柯坪县和阿瓦提县，阿克苏市也呈减少趋势，而温宿县冰雹频次呈增加趋势，阿拉尔市增加最为明显。这种变化与气候变化背景相关，同时与下垫面、人影作业等人类活动密切相关，值得深入研究。

图1 2009—2020年冰雹站次的年（a）、月（b）变化

阿克苏地区西部降雹主要发生在4—9月，集中出现在5—8月，基本与新疆汛期时间一致，这与华东部分地区有较大差异[15]，而西北地区在冰雹月变化方面较为一致。5—8月占比85.8%，6月出现冰雹频次最高，占比28%；其次是5和7月，均占比19.9%。

2.2 日变化

阿克苏地区西部冰雹日变化特征显著，主要出现在午后到夜间（14—23时），占比92.9%，其中16—19时为冰雹高发期，占比70.0%（图2）；最易出现冰雹的时次是16、18、19时，均占比15.3%，与华北、江淮等地[10-15]较为相似。

图2 冰雹日变化

2.3 空间分布

温宿县冰雹出现频次最多，高达48次，年均4次，其次是阿瓦提县的38次，柯坪县和乌什县持平，均为35次，阿克苏市为28次，阿拉尔市最少为27次。211次冰雹个例中有79次来自于气象观测站数据，占比37.4%，其余132次来源于多源冰雹灾情数据，占比高达62.6%，其中87次冰雹灾情记录精确到乡镇。

3 雷达回波演变特征

选取阿克苏地区西部24次有完整生消过程雷达数据的冰雹个例（表1，表中冰雹发生时间和地点均根据雷达回波进行了校正），共采集到34个雹云单体，统计34个雹云单体降雹时刻的回波强度、回波顶高和垂直液态水含量VIL，分析阿克苏地区西部冰雹监测预警阈值。

表1 有完整生消过程雷达数据的冰雹个例集

3.1 雹云单体雷达回波统计特征

冰雹云是强对流风暴的产物，根据微波散射理论，当产生的冰雹尺寸越大时，其回波也会越强，因此冰雹云的最强回波常被作为冰雹监测预警指标[3-4]。在本次统计的雹云单体中，发展旺盛的冰雹云回波强度最强达到66.5 dBZ。表2统计了34个冰雹云的最大反射率因子值，其范围为52～66.5 dBZ。冰雹云最大回波最常分布在55～60 dBZ，占比44%，最大反射率因子均在52 dBZ以上，这与很多研究相类似[2，21，23]，因此在日常冰雹监测预警业务中，阿克苏雷达回波反射率因子＞52 dBZ时，应警惕出现冰雹。

表2 反射率因子强度分级统计

回波顶高是在18 dBZ反射率因子被探测到时显示以最高仰角为基础的回波顶高度，常用来分析对流云强弱和云体内上升气流伸展高度的指标[3-4]。阿克苏冰雹云的最大回波顶高为12.6 km，最小为7.59 km，平均回波顶高为10.2 km。冰雹云回波顶高为9～11 km出现的最多，占比53%，94%的冰雹云回波顶高＞8 km，因此实际冰雹监测预警业务中当回波顶高发展到8 km时，应当警惕冰雹的出现。

VIL即垂直累积液态水含量，是将反射率因子数据转化为等价的液态水值，对判别带有大冰雹的风暴有重要参考意义，将冰雹云单体发展过程中VIL的最大值记为VILmax。表3统计了阿克苏地区西部34个雹云单体的VILmax，平均为15.4 kg/m2，10～20 kg/m2出现频次最高，占57%，23%的雹云单体VILmax≤10 kg/m2，20%的雹云单体VILmax≥20 kg/m2。

表3 单体最大累积液态水含量VIL max值分段统计

阿克苏地区西部雹云单体雷达回波反射率因子均＞52 dBZ、回波顶高均＞8 km，降雹时刻VIL是雹云单体特征参数中变化幅度较大的一个参量，77%的雹云单体VIL max＞10 kg/m2，这些是阿克苏地区西部冰雹天气监测预警的初始阈值。

不同类型的雹云单体其回波强度、回波顶高、垂直液态水含量VIL及冰雹云移动路径、生命史等演变特征均存在较明显的差异，追踪34个雹云单体的生消演变过程，并按照雹云结构特征分类：普通单体雹云、多单体雹云、超级单体雹云[4]，其中普通单体雹云最多，共有15个，其次是多单体雹云12个，超级单体雹云7个。分别以普通单体、多单体和超级单体分类分析阿克苏地区西部冰雹天气的雷达回波演变特征及其预警阈值。

3.2 普通单体冰雹云演变特征

普通单体雹云在乌什县、温宿县出现次数最多，均达到6次；其次是阿克苏市为3次，柯坪县、阿瓦提县均出现2次（表1）。普通单体雹云最大反射率因子在52～63 dBZ，均值为55.25 dBZ。初始追踪回波单体反射率因子一般在35～39 dBZ，在2～3个体扫后反射率因子第一次快速增强，增幅在6.5～16.5 dBZ；再经历1～3个体扫后反射率因子增强为本次雹云反射率因子的最大值或次大值，之后反射率因子虽有增减但变幅不大，直至冰雹降落后反射率因子迅速减弱。

普通单体雹云平均回波顶高为10.09 km，最高为12.01 km，最低为7.67 km。和反射率因子一样，66.7%的追踪单体在2～3个体扫后也出现了回波顶高快速升高的现象，这与雹云有爆发式增长结论相一致[3，25]；和反射率因子不同的是回波顶高在爆发式增长之后，虽有增长但增幅不明显，冰雹过后回波顶高也是逐渐降低。

普通单体雹云VILmax平均为10.72 kg/m2，最大值为13.6 kg/m2，最小值为6.0 kg/m2。多项研究指出VIL的变化，尤其是跃增的特性，可作为判断降雹的指标之一[24，25]。图3a给出普通雹云单体VIL的变化（单体VILmax出现时记为0，时间单位为雷达体扫间隔），普通单体雹云VIL的变化呈波动状态，基本出现了1～2次跃增，VIL跃增与冰雹发生关系密切。普通单体雹云跃增均值为4.57 kg/m2，最大值为7.1 kg/m2。

追踪24次冰雹过程中34个冰雹云单体，连接每个体扫质心绘制了阿克苏地区西部冰雹云生消移动路径图（图4）。普通单体雹云初生位置最多的是乌什县、温宿县北部沿山一带（图4b），一般沿东南路径影响下游地区；其次是乌什县南部沿山和浅山区，乌什县南部沿山一带初生的雹云沿山东移，南部浅山区乌什县阿合雅乡西南部初生的雹云一般东南移，依次影响乌什县阿合雅乡、柯坪县启浪乡、最终进入阿克苏市西南部。平原区初生的雹云主要出现在阿克苏市和阿瓦提县。根据雹云单体生命史演变特征，将雹云单体生命史划分为3个阶段：雹云酝酿（雹云单体初生至降雹前，黄色点）、降雹（红色点）、消亡（蓝色点）。普通单体雹云平均需要6.46个体扫形成雹暴，雹暴平均维持4.15个体扫，整体生命史为18.31个体扫，普通单体雹云成熟快、降雹快、降雹后消散时间较长。

图4 雹云移动路径

3.3 多单体冰雹云单体演变特征

阿瓦提县多单体雹云出现最多，共有5次；其次是乌什县4次，阿克苏市、温宿县均为3次，柯坪县1次（表1）。多单体雹云最大反射率因子在52～62 dBZ，均值为56.58 dBZ。12个多单体雹云中有9块回波在初始追踪回波之后的2～3个体扫反射率因子增幅为7.5～23.5 dBZ，其余3块回波在初始回波之后反射率因子升高，随后降低。在2～3个体扫后反射率因子快速增大，即多单体雹云在发展初期有一个反射率因子快速增长的过程，反射率因子增幅平均为11.29 dBZ。反射率因子再次增大往往就预示着雹云单体开始生成。

多单体雹云平均回波顶高为9.89 km，最高为12.44 km，最低为7.97 km。和反射率因子一样，58.3%的追踪单体在2～3个体扫后出现回波顶高快速升高的现象，回波顶高在爆发式增长之后，虽有增长但增幅不明显。

多单体雹云VILmax均值为15.02 kg/m2，最大值为32.6 kg/m2，最小值为8.0 kg/m2。多单体雹云VIL的时间变化多呈单峰型，有一个比较突出的主峰，且VIL跃增幅度较大，在主峰前后还有次峰存在（图3b），这与多单体雹云一般由多个相互联系单体组成和容易出现多次降雹的特征相符[3-4]。多单体雹云VIL跃增均值为6.08 kg/m2，最大值为13.5kg/m2。多单体雹云VIL统计特征值均高于普通单体雹云。

图3 雹云单体VIL max变化

多单体雹云初生于乌什县、温宿县沿山一带，乌什县境内初生最多，除造成乌什县境内降雹外，进而东移或东南移影响阿克苏市、阿瓦提县或柯坪县、阿瓦提县（图4c）；其次是位于平原的阿瓦提县，对流初生后沿西北—东南路径移动，进而发展成为冰雹云。多单体雹云平均需要7.11个体扫发展为成熟的雹暴，形成雹暴后平均维持5.89个体扫，整体生命史为18.55个体扫。

3.4 超级单体冰雹云演变特征

超级单体风暴是最强的雷暴，它的水平尺度可达数十公里，在它成熟期可准定常地维持1 h以上，且伴随着短时暴雨、大冰雹等较激烈的天气[3-4]。阿克苏雷达覆盖区共出现7个超级单体雹云（表1），其中温宿县最多，出现3个；其次是柯坪县有2个，乌什县、阿瓦提县各出现1个。超级单体雹云最大反射率因子在54～66.5 dBZ，均值为59.13 dBZ。7块超级单体雹云均在初始追踪回波3个体扫后出现反射率因子跃增，增幅为5.5～21.7 dBZ。反射率因子再次增大往往预示着雹云单体开始生成，与普通单体和多单体雹云不同，超级单体雹暴形成前反射率因子是一个连续增大的过程，反射率因子达到峰值后虽有变化但变幅较小，直至降雹结束回波强度迅速减弱。

超级单体雹暴平均回波顶高为11.3 km，最高为12.7 km，最低为9.79 km。和反射率因子一样，71.4%的追踪单体在初始回波2～3个体扫后也出现回波顶高快速升高的现象，回波顶高在爆发式增长之后，继续有增长但增幅不明显。

超级单体雹暴VILmax均值为25.81 kg/m2，最大值为44.2 kg/m2，最小值为12.5 kg/m2。超级单体雹云VIL的变化以多峰型为主（图3c），基本都出现了2～3次跃增，且都是在维持较大值期间出现跃增，超级单体雹云VILmax跃增均值为11.94 kg/m2，最大值23.92 kg/m2。

超级单体雹云初生于温宿县最多，共出现3个，其中，2010年6月1日雹云初生于温宿县北部山区塔格拉克牧场，之后东南移造成温宿镇、依希来木其乡、佳木镇大冰雹天气（图4d）；2017年6月7日雹云初生于温宿县北部沿山博孜墩乡，东北移扫过柯柯牙管理区、依希来木其乡；2009年7月13日雹云初生于温宿县西南部阿热勒镇，沿温宿县与乌什县向浅山带缓慢北推。2012年7月13日柯坪县监测到2个同时出现的风暴单体，均初生于柯坪县北部沿山，雹云单体边发展边快速东移，超级单体维持时间在5～6个体扫，单体整个生命史超过150 min，最后东移影响阿克苏市、阿瓦提县。超级单体雹云平均需要4.43个体扫发展为成熟的雹暴，形成超级单体雹暴后平均维持14.14个体扫，整体生命史为24.86个体扫。超级单体雹暴维持时间长于多单体雹暴，多单体雹暴长于普通单体雹暴。

4 结论与讨论

应用2009—2020年阿克苏雷达覆盖区的阿克苏地区西部6县市冰雹天气记录和冰雹灾情数据、24次冰雹天气过程34个雹云单体的雷达资料，分析了冰雹天气的时空分布特征，追踪34个雹云单体生消演变过程中的雷达回波演变特征，得出以下结论：

（1）2009—2013年是阿克苏地区西部冰雹频次的第一个峰值区间，年均出现冰雹21.6站次，其中2011年出现冰雹站次最多，达到28站次。冰雹高发期为5—7月，6月出现冰雹频次最高，一日中最易出现冰雹的时次是16、18、19时，均占比15.3%。

（2）冰雹云最大反射率因子范围为52～66.5 dBZ，最大反射率因子均＞52 dBZ；94%的冰雹云回波顶高＞8 km，VILmax跨度较大，77%的雹暴单体的VILmax＞10.0 kg/m2。超级单体雹暴最大反射率因子均值为59.13 dBZ，VILmax均值及其VIL降雹时刻的跃增均值分别为25.81、11.94 kg/m2，均高于多单体雹暴，多单体雹暴高于普通单体雹暴。超级单体雹暴回波顶高均值为11.3 km，高于多单体雹暴和普通单体雹暴。

（3）34个雹云单体中普通单体雹云最多，共有15个，其次是多单体雹云12个，超级单体雹云7个。普通单体雹云在乌什县、温宿县出现次数最多，均达到6次。阿瓦提县多单体雹云出现最多，为5次；其次是乌什县，为4次。超级单体雹云温宿县最多，出现3个，其次是柯坪县有2个，乌什县、阿瓦提县各出现1个。普通单体雹云多初生于乌什县、温宿县北部沿山一带；多单体雹云多初生于乌什县西部南部、温宿县北部沿山一带，乌什县境内初生最多；超级单体雹云多初生于温宿县。

（4）雹云回波发展初期往往伴随着第一次爆发式增长：反射率因子增大、回波顶高升高、VIL跃增，超级单体雹云表现更为明显，降雹时刻伴随着再一次爆发式增长，雹云单体越强时；第二次爆发式增长幅度会超过雹云初期。超级单体雹暴维持时间（14.14个体扫）长于多单体雹暴（5.89个体扫），多单体雹暴长于普通单体雹暴（4.15个体扫）。VIL急剧增大或急剧减少与降雹开始和结束关系最为密切。

本文应用收集到的有灾情或冰雹天气记录、且阿克苏雷达资料较为完整的个例展开相关分析，追踪34个雹云单体雷达回波演变特征，初步给出了阿克苏雷达覆盖区不同类型雹云单体反射率因子、回波顶高、垂直液态水含量及移动路径、生命史演变特征，但受限于目前雷达分布及高时空分辨率资料，针对不同类型雹云单体的生消演变特征的认识还需深入，不同地域冰雹天气成因和机理还需开展大量的相关研究。阿克苏地区冰雹因其强度及致灾性受到地方政府的高度重视，阿克苏地区不同种类雹云单体的精细特征及预报预警指标研究任重道远。