广东冰雹天气的高山雷达产品特征分析

郝建平?李波?梁罗德?曹刚

摘 要 采用河源新一代天气雷达所探测的数据，该雷达站海拔1 056 m，相对高度接近1 000 m，周围无遮挡，是广东省海拔最高、净空环境最好的一个台站，也是广东省唯一的高山站，其获取的数据质量高，具有一般高山站的特点。对2013年，发生在其探测范围内的3次大范围降雹天气过程雷达产品进行分析，发现：当满足以下2～3个条件（CR产品强度大于等于65 dBZ；VIL值大于等55 kg/m2；MEHS大于等于4；ET在短时间内有较大幅度的上升）时，基本就能确定将会有降雹发生或者已经开始降雹，夏季相对于春季以上各数值需要适当的上调，当距离雷达站很近时，各数据需相应的下调。另外，当开始降雹前，VIL值在短时间内有一次陡降然后陡升的过程。

关键词 雷达产品；冰雹；特征分析；广东省

中图分类号：P412.25 文献标志码：B 文章编号：1673-890X（2014）15-0-04

冰雹是由强对流天气系统引起的一种剧烈的气象灾害。它具有范围较小、持续时间较短、来势猛和强度大等特点，常常伴随着局地的狂风、急剧降温、强降水等灾害性天气过程。中国是冰雹灾害频繁发生的国家，每年都给农业、建筑、通讯、电力、交通以及人民生命财产带来巨大损失。据有关资料统计，我国每年因冰雹所造成的经济损失达几亿元甚至几十亿元。虽然广东省是一个冰雹灾害相对来说较少发生的区域，但是，在全球气候变暖、极端自然灾害频发的大背景下，近几年广东雹灾呈增加的趋势，每年的春季以及春夏交替的季节是冰雹天气的高发季节。由于冰雹天气具有尺度小、持续时间短以及危害大等特点，用传统天气学方法预报冰雹显得非常困难，但是，对于冰雹天气的预报又显得非常重要，随着雷达探测技术的发展以及雷达布网密度的增加，对于冰雹等强对流天气的监测及临近预报变为可能。近年来，对于在雷达图上识别并预报冰雹天气的研究越来越多：郑媛媛、俞小鼎[1-3]等对2002年发生在合肥的超级单体进行了研究；姜麟、廖玉芳[4-6]等通过基本反射率、径向速度、回波顶高、垂直累积液态含水量等雷达产品对冰雹等强对流天气进行研究；丁小剑[7]等人发现在降雹前垂直累积液态含水量（VIL）值有明显的反应。但是，利用高山雷达站产品对广东冰雹天气的研究还比较少，通过对几块降雹单体整个生命史所对应的各雷达产品特征情况进行分析以寻找广东降雹云在各种雷达产品上的一般特征情况。

1 2013年3月20日冰雹天气雷达产品特征分析

2013年3月20日下午，东莞部分地区出现了8级左右的雷雨大风及短时强降水，并出现了强冰雹，此次冰雹天气共造成9人死亡，272人受伤。东莞位于河源雷达站西南方向约100 km左右，处于CINRAD/SA雷达的有效探测范围内，这种距离下CINRAD/SA雷达探测所得的数据质量较高。对于此次过程所采用的雷达资料为14：36—18：00，每6 min取1次数据，14：36前，该雷暴云已经存在并发展到一定阶段，由于雷达探测距离的限制，在此时间之前该雷暴云未被探测到，直到14：36，雷达风暴追踪信息产品（STI）才识别出该单体并编号，18：00该雷暴云消散，前后持续将近

4 h，为超级单体雷暴云。由于具体的降雹时间及地点很难确认，所以，认为降雹时间为在雷达图上观测到三体散射的时间（即观测到三体散射现象则认定为降雹发生）。分析基本反射率各个仰角产品发现出现三体散射的时间段为15：36—17：12，此时间段即为降雹时间。通过分析此超级单体整个生命史中组合反射率强度（CR）、回波顶高（ET）、垂直累积液态水含量（VIL）的变化情况，绘制出图（1）所示的各值随时间变化的曲线，回波强度、VIL值对应左边纵轴，回波顶高对应右边纵轴。分析图中各数据发现，在14：42之前，各值都处于较低水平，14：48开始，CR、VIL值有1次跃增，12 min内VIL值从46 kg/㎡上升到64 kg/㎡， CR也从59 dBZ上升到63 dBZ，ET从10.9 km迅速上升到13.3 km，维持2个体扫时间后各值迅速降低。从15：00—15：30，VIL、ET持续降低，但是变化幅度不大，CR前半时间有所降低，后半时间又上升，变化幅度为6 dBZ左右，变化幅度不明显。从15：30—15：42，VIL跃增势增长，从42 kg/㎡增长到56 kg/㎡、CR也持续增大，ET变化不明显。15：48降雹开始直到降雹结束这段时间内，VIL上升达到59 kg/㎡，随着降雹的持续，VIL也有所变化，最大达到67 kg/㎡，CR维持在65 dBZ以上，位于70 dBZ左右小幅度变化，ET最低9.6 km，最高13.6 km；其中，降雹最强的时刻在16：00左右，此时VIL值达到66 kg/㎡，ET达到13.6 km，CR为69 dBZ，各值均达到峰值。降雹结束直到雷暴云消散阶段，虽然CR有一定程度下降，但是总体不明显，但是VIL则是1个明显的下降过程，从降雹时候的55 kg/㎡降低到27 kg/㎡，ET高度也降低到7 km左右。图（2）为HI（冰雹指数）产品中冰雹最大尺寸数据MEHS（该数值精确到1.0，按小数点后一位四舍五入）随时间变化曲线。HI产品是WSR—88D冰雹探测算法（HDA）的图形输出结果，WSR—88D冰雹探测算法利用风暴单体识别和跟踪算法（SCIT）输出结果，查找0℃等温线高度上的强反射率因子值，0℃等温线上的强反射率因子值越强（至少40 dBZ），发生高度越高（可超过负20℃等温线），产生冰雹的可能性就越大，冰雹尺寸也越大；由于在弱风和热带环境中，冰雹指数趋向于过高估计冰雹发生的可能性，降雹云与雷达之间的距离也影响该数值的大小，所以需要寻找一个适合当地一般规律的数值作为参考值。分析图（2）发现，当MEHS大于等于4：00，都有降雹，小于4：00，无冰雹产生。

小结：对于该超级单体降雹发生前的短时间内，VIL有一次跳跃式的下降，然后紧随着跳跃式的增长，直到降雹发生；降雹过程中，VIL都位于54 kg/㎡以上，VIL值越大，冰雹强度越强，降雹结束伴随着VIL短时间内的陡降；CR在降雹前以及降雹过程中变化幅度不大，有时候甚至未降雹比降雹时候的值都要大，这跟CR产品的算法有一定关系，但是当降雹发生时，CR值都位于65 dBZ以上，有时候可以超过70dBZ；一般降雹时，ET值都维持在11 km左右的高度，比一般对流性降水单体的ET值稍高，但是差别不是很明显，当强冰雹发生时，ET在短时间内可以发展到将近14 km的高度，高度越高，降雹强度越强，ET值的大小可以作为强冰雹是否发生的一个参考指标；对于距离河源雷达站100 km左右的雷暴单体，当HI显示MEHS大于等于4：00，基本可以判定已经开始降雹，数值越大，降雹强度越强。endprint

2 2013年3月23日冰雹天气雷达产品特征分析

2013年3月23日下午，雷达站西北面出现超级单体雷暴，并产生冰雹天气，图（3）为该超级单体雷暴云整个生命史过程中各雷达产品数据随时间变化的曲线，该超级单体降雹时间为18：00—18：54。分析发现：CR从该单体被识别直到降雹发生，中间有短时间的降低，总体来说是在稳定增长，但是强度不大，一直维持在60 dBZ以下，开始降雹以及降雹过程中，CR值迅速增大，从60 dBZ增长到最大时达到71 dBZ，随着降雹的结束，CR值也迅速的减小；ET在降雹前以及降雹过程中变化不明显，都维持在9 km左右，甚至降雹前的回波顶高大于降雹发生时，这可能跟超级单体的移动路径有关系，当超级单体移到距离雷达站较近时，由于雷达仰角的限制，所测得的ET值要比实际的低，当雷暴云距离雷达较近时，ET值参考意义不大；VIL在降雹发生前有跳跃式的增长，随着降雹强度的加强，VIL也相应的增加，在整个降雹过程中，VIL基本维持在40 kg/㎡以上，随着降雹的结束，VIL也迅速降低，由于ET值在VIL值的算法中占了一定的比重，在距离雷达站较近时VIL也会相应的偏小，从另一方面来说，在雷暴云距离雷达站较近的时候，如果用VIL值的大小作为一个判断是否有冰雹发生的参考量时，其相应的阈值需要适当的调低。分析HI产品中MEHS数据随时间变化曲线发现：降雹前，MEHS都小于3，降雹过程中，MEHS都大于等于3，最大的达到7，在18：48与18：54，虽然这两个时段仍然降雹，但是该值为1，这跟HI产品的算法有关系，VIL值在该算法中占了一定的权重，VIL值的大小又与ET有关，所以ET的偏小导致了MEHS的偏小。在雷暴云距离雷达站较近时，如果出现HI产品的报警，则需要特别注意是否有冰雹产生。

3 2013年7月12日局地冰雹天气雷达产品分析

2013年7月12日下午，位于雷达站东北方向约100 km处出现了冰雹天气，图（4）是该降雹云整个生命史过程中各中雷达产品数据随时间变化的曲线，该降雹雷暴单体相对于前2个个例来说生命史较短，从雷达风暴追踪产品识别出该单体到其消亡约1.5 h，为一般性雷暴单体，其降雹时间为17：50—18：10，持续大约10～20 min。分析发现：CR值在该雷暴云整个生命史过程中变化幅度不明显，一直维持在60 dBZ左右，降雹时该值超过64 dBZ，最大达到69 dBZ；ET在降雹前基本稳定，维持在9 km左右，当降雹发生时，ET迅速增长，达到13 km左右的高度，当降雹结束后，ET又迅速减小到8 km左右，相对于前2个个例来说降雹发生时ET的高度较高，可能跟季节有关系，夏季零度层的高度相对春季来说更高，冰雹的形成与零度层的高度有关，所以降雹的产生需要雷暴云发展得更高；VIL表现为在降雹前有一次跳跃式的降低以及跳跃式的上升，在降雹发生时，VIL值达到58 kg/m2，最高达到65 kg/m2，随着降雹的结束，VIL值迅速降低，相比消散阶段，发展阶段的雷暴单体有更高的VIL值。分析HI产品发现：MEHS都大于5，最高达到8，说明夏季HI产品对于冰雹天气的预报误报率更高，需要设定更高的阈值。

4 结论

（1）雷暴单体在降雹发生时，CR值一般都大于65 dBZ，但是当CR大于65 dBZ时，却不一定有冰雹产生，CR值越大，产生冰雹的可能性越大；春季ET值的高度对于是否降雹没有明显的指示作用，当ET在10 km左右的高度即可产生冰雹，与一般对流性降水差别不大，但是当强冰雹发生时，ET还是有较明显的反应，表现为短时间内的迅速上升，在夏季降雹时，ET值较一般对流性降水要大，通常需要发展到13 km左右的高度。

（2）雷暴单体的VIL在降雹前有一次陡降随后在短时间内又陡升的过程，降雹时VIL一般大于等于55 kg/m2，夏季通常情况下大于春季，但是当雷暴云距离雷达站较近时，由于雷达仰角的限制，不能准确的测得回波顶高，从而所获得的VIL值会偏小，在使用VIL产品时，要注意雷暴单体距离雷达站的距离。

（3）对于HI产品中冰雹最大尺寸数据（MEHS）：当MEHS越大，产生冰雹的可能性就越大，降雹的强度也越强，在春季，一般情况下当MEHS大于等于4：00，都会有冰雹产生，在夏季，当MEHS大于等于5时才会产生冰雹，当雷暴云距离雷达站很近的时候，MEHS显得更加的敏感，当HI产品出现报警时，需要特别注意是否有冰雹产生。

（4）综上所述，降雹时一般都会具有以下几个特征：CR产品强度大于等于65 dBZ；VIL大于等于55 kg/m2；MEHS大于等于4；ET在短时间内有较大幅度的上升。当满足以上两到三个条件时，基本就能确定将会有降雹发生或者已经开始降雹。夏季相对于春季以上各数值需要适当的上调，当距离雷达站很近时，各数据需相应的下调。

参考文献

[1] 郑媛媛，俞小鼎，等.一次典型超级单体风暴的多普勒天气雷达观测分析[J].气象学报，2004，62（3）：317-328.

[2] 俞小鼎，王迎春，陈明轩.新一代天气雷达与强对流天气预警[J].高原气象，2005，24（3）：456-464.

[3] 俞小鼎，周小刚，王秀明. 雷暴与强对流临近天气预报技术进展.气象学报[J]，2012，70（3）：311-337.

[4] 姜 麟，王卫芳，韩桂荣，等. 江苏一次夏季强雷暴天气过程的综合分析[J].气象科学，2006，26（3）：316-322.

[5] 廖玉芳，潘志祥，郭庆，等.基于单多普勒天气雷达产品的强对流天气预报预警方法[J].气象科学，2006，26（5）：564-571.

[6] 廖玉芳，俞小鼎，唐小新，等.基于多普勒天气雷达观测的湖南超级单体风暴特征[J]. 南京气象学院学报，2007，30（4）：433-443.

[7] 丁小剑，唐明晖，陈德桥，等. 两次冰雹过程多普勒天气雷达产品的对比分析[J].气象与环境科学，2010，33（2）：42-47.

（责任编辑：赵中正）endprint