内蒙古通辽地区冰雹天气的雷达回波判别指标

祁雁文

（内蒙古通辽市气象局，内蒙古 通辽 028000）

内蒙古通辽地区冰雹天气的雷达回波判别指标

祁雁文

（内蒙古通辽市气象局，内蒙古 通辽 028000）

通过对内蒙古通辽市新一代天气雷达建站以来至2013年发生在通辽地区的冰雹天气过程，以及各种雷达回波产品在冰雹发生前一段时间内的表现特征以及探空资料进行分析可知：雷达反射率因子产品的钩状回波、“V”型缺口和三体散射（即长钉状回波）、弓形回波、“人”字形回波（LEWP）和菱形回波等特征，径向速度图上明显的辐合场或辐合带、“中气旋”“逆风区”等特征，以及回波顶高，VAD风廓线产品，垂直积分液态含水量，中气旋产品，强度和速度的剖面图等都有指示意义的表征，并且通过以上特征总结出相应的量化指标，作为未来是否会有冰雹出现的判断依据，应用到实际的短时临近预报工作中，以期提高冰雹的预报预警能力。

三体散射；弓形回波；中气旋；逆风区；风暴顶辐散

内蒙古通辽市处在中纬度地带，属温带大陆性半干旱气候，四季气候差异大。该市是强对流天气的频发区，冰雹是通辽地区夏季的主要气象灾害之一，也是气象预报的难点之一。由于冰雹具有突发性、局地性、不确定性和随机性以及持续时间短的特点，长期以来预报效果都不是十分理想。新一代天气雷达以其高时空分辨率、及时准确的遥感探测能力，正好弥补了常规观测预报的不足，成为冰雹天气监测预警方面极为有效的工具。国内外气象学者应用多普勒雷达产品对产生暴雨、冰雹等灾害性天气的中小尺度系统特征进行了大量的分析研究［1-6］，形成了大量预报指标和概念模型，为预报员提供了丰富的理论指导。但由于冰雹的地域性很强，各地预报冰雹的指标也有所不同，通辽新一代天气雷达建成运行了多年，积累了一定数量的历史个例资料，有必要建立属于本地的冰雹预报模型。

1 0℃和-20℃温度层高度与强回波顶高之间的关系

1.1 非汛期（4月、5月、9月）

1.1.1 0℃层高度特点：在非汛期（4月、5月、9月），除了最低0℃层高度出现在2010年4月29日科尔沁左翼中旗的冰雹过程中，仅为670m（是由于该季节气温较低，但当天的-20℃层高度却为3811m，0℃层高度与-20℃层之间的厚度约为3141）。其他个例0℃层高度均在1688～3735m。

1.1.2 -20℃层高度特点：在非汛期 （4月、5月、9月），-20℃层高度在3811～6758m，最低的出现在2010年4月29日科尔沁左翼中旗的冰雹过程中，-20℃层高度约为3811m。

1.1.3 0℃层高度与-20℃层之间的厚度特点：在非汛期（4月、5月、9月），除了2011年 5月 22日霍林河的冰雹过程中，0℃层高度与-20℃层之间厚度约为2534m。其他个例0℃层高度与-20℃层之间的厚度均在2714～3141m。

1.1.4 强回波伸展的高度特点：在非汛期（4月、5月、9月），只有1例，即 2011年 9月 13日扎鲁特旗的冰雹过程中，强回波（≥45 dBz或40 dBz）伸展的高度为6.5 km，小于-20℃层的高度（6.8 km），分析原因可能是因为做剖面图时的误差或是由于该站距离通辽（54135）探空站较远，采用54135站的数据会有较大误差的缘故，如果取另外一个相邻近的探空站50834（索伦）站的资料，-20℃层的高度为6.3 km，该高度小于强回波（≥45dBz或40 dBz）伸展的高度（6.5 km）。其他个例强回波（≥50 dBz或45 dBz）伸展的高度均大于-20℃层的高度。在2010年5月10日科尔沁左翼后旗的冰雹过程中，13时55分发生冰雹，前一小时即12时55分，由图1可见，≥50 dBz的强回波伸展的高度达5.8 km，大于当天08时-20℃层的高度（4.1 km）。

1.2 汛期（6—8月）

1.2.1 0℃层高度特点：在汛期（6—8月），0℃层高度均在2858～4700 m。最高0℃层高度出现在2008年7月26日巴雅尔的冰雹过程中，为4700m。

1.2.2 -20℃层高度特点：在汛期（6—8月），-20℃层高度在5590～7642 m，最高的也出现在2008年7月26日巴雅尔的冰雹过程中，为7642 m。

1.2.3 0℃层高度与-20℃层之间的厚度特点：在汛期（6—8月），所有个例0℃层高度与-20℃层之间的厚度均在2660～3180 m，该值较小，表明在上空具有较大的温度梯度，易形成极不稳定的大气层结。最大厚度出现在2013年6月15日巴雅尔的冰雹过程中，0℃层高度与-20℃层之间厚度约为3180 m。

1.2.4 强回波伸展的高度特点：在汛期（6—8月），除了2012年6月9日科尔沁区的冰雹过程，由于雷达静锥区的存在，雷达探测不到该站近距离高空回波的信息外，其他个例≥50 dBz的强回波中心伸展的高度均大于-20℃等温线的高度，有时提前时间量可以长达1 h。例如：2013年6月15日巴雅尔的冰雹过程中，在冰雹发生前一小时，≥50 dBz的强回波中心伸展的高度已经达到7.6 km，而实际-20℃等温线所在的高度为6.4 km。再如：2013年8月4日科尔沁左翼后旗的冰雹过程中，在冰雹发生前40多分钟，≥50 dBz的强回波中心伸展的高度就达到8.5 km，远远超过-20℃等温线所在的高度7.1 km。又有：2011年8月1日科尔沁左翼中旗的冰雹过程中，在冰雹发生前大约一小时，即12时39分，≥50 dBz的强回波中心伸展的高度达到12 km以上，远远超过-20℃等温线所在的高度7.3 km；12时45分，≥50 dBz的强回波中心伸展的高度达到14 km（见图2），表明对流发展非常旺盛，云发展得特别高，利于冰雹的产生。

2 通辽地区冰雹天气各种雷达回波产品特征分析

2.1 反射率因子产品

2.1.1 平显图上（PPI）特点：冰雹云的反射率因子图上回波的强度都很大，对于非汛期（4月、5月、9月）的冰雹过程来讲，回波的最强中心在45（48）dBz以上，最强中心强度可达65 dBz以上。对于汛期（6—8月）的冰雹个例来讲，回波的最强中心均在50（53）dBz以上，最强中心强度可达 65 dBz以上。冰雹云的回波具有特殊的形态特征，有以下几种：

①弓形回波：如2008年6月6日库伦、青龙山的冰雹过程 （见图3），有时还伴随有明显的阵风锋，如2009年7月30日开鲁的冰雹过程。

图1 2010年5月10日12时55分强度剖面图

图2 2011年8月1日12时45分强度剖面图

图3 2008年6月6日17时29分反射率因子图

图4 2010年7月18日15时10分反射率因子图

图5 2011年8月1日13时34分反射率因子图

②钩状回波：如2010年7月18日舍伯吐的冰雹过程（见图4）。强冰雹云伴随着强的低层上升入流的进一步发展，入流缺口会演变成钩状，常常出现在回波移动方向的右侧或右后侧。最强的回波区出现在钩状部位及其附近，地面降雹常出现在相应的强回波区范围内。钩状回波一般在几分钟内形成，持续时间为几分钟至几十分钟。

③“V”型缺口：有时可以看到，在冰雹回波的右侧有一个“V”型缺口。这个缺口是雷达发射的电磁波通过冰雹云时，由于冰雹云对电磁波的强烈衰减作用而造成的。如2011年8月1日科尔沁左翼中旗的冰雹过程（见图5）。

④“人”字形回波或称为LEWP（回波波动模态）：如2013年8月4日扎鲁特旗的冰雹过程。

⑤菱形回波：表现为强的单体回波，如2008年5月21日扎鲁特旗的冰雹过程和2012年8月25日巴雅尔的冰雹过程。

⑥三体散射（又称长钉状回波）：三体散射现象是指由于云体中冰雹的散射作用非常强烈，由冰雹侧向散射到地面的雷达回波被散射回冰雹，再由冰雹将其一部分能量散射回雷达，在冰雹区向后沿雷达径向的延长线上出现由地面散射造成的虚假回波，称为三体散射回波或“长钉状回波”。如2008年8月24日扎鲁特旗的冰雹过程。

2.1.2 剖面图上（RHI）特点：由以上论述可以得出，不管是在非汛期（4月、5月、9月），还是在汛期（6—8月），除了一些特殊例子（比如数据的误差还有雷达探测本身的局限——静锥区的存在）以外，强回波（≥50 dBz或 45 dBz）伸展的高度均大于-20℃层的高度。

此外，从垂直结构分析，在低层均有较大的弱回波区（WER），而在中、高层有明显的回波悬垂结构存在。如果对流发展的特别旺盛，则会在低层存在明显的有界弱回波区（BWER）和中高层的回波悬垂，会在图像上表现为低层的回波“穹窿”结构。

2.2 径向速度产品

2.2.1 平显图上（PPI）特点：在径向速度图上均能探测到明显的辐合场或辐合带特征，若辐合比较强烈，都会伴随有“中气旋”的特征，有时虽达不到中气旋的标准，但也会达到弱的雷暴尺度涡旋特征。有时还会有“逆风区”的出现。也有时还会出现“V”型缺口。

2.2.2 剖面图上（RHI）特点：由文献［7-8］可知，大尺度运动风向的改变主要由冷暖平流和辐合辐散2个方面引起。在速度图的剖面显示可以得出：这些个例对流风暴均具有风暴顶的辐散的特征，强烈的风暴顶辐散意味着雷暴中上层具有很强的上升气流速度，表明了风暴发展的旺盛，有利于冰雹的生长，且大多配合有低层的辐合，如2013年5月19日开鲁的冰雹过程（见图6）。

2.3 回波顶高产品

2.3.1 非汛期（4月、5月、9月）：风暴的回波顶高在 5（5）～11（11）km，最高可达 11 km。

图6 2013年5月19日13时01分速度剖面图

2.3.2 汛期（6—8月）：风暴的回波顶高在9（10）km以上，最高可达 15（16）km。

2.4 VAD风廓线产品 从平均风的风向风速随高度和时间变化的垂直剖面图可得出风场的垂直结构，分析该产品得出，当冰雹天气发生时或发生前一段时间内，测站上空多表现为湿层较浅薄，形成“上干下湿”的不稳定层结结构。并常常伴有明显的低空急流和强的垂直风切变，如2011年8月1日科尔沁左翼中旗的冰雹过程：低层有急流存在，有利于低空的辐合，造成不稳定能量及触发机制；在0.6 km与0.9 km之间存在偏北风和偏南风之间的强切变。再有2009年7月30日开鲁的冰雹过程：13时21分，在0.9 km与1.2 km之间存在偏南风和西北风之间的垂直风切变，且风随高度顺时针旋转，表明有暖平流，暖湿气流源源不断地输送到发展中的上升气流中，强的垂直风切变有利于上升气流和下沉气流在相当长的时间内共存，利于强对流的进一步发展，有利于形成冰雹。有时，还有高空急流存在，高空急流的强烈抽吸作用，会促进低层空气、水汽的辐合。

2.5 中气旋产品 当有发展比较旺盛的对流时（通常出现在6—8月），会出现中气旋产品信息。但并不是所有个例都会有中气旋产品信息，有一些个例并没有显示。

2.6 垂直累积液态水含量（VIL）产品 从垂直累积液态水含量（VIL）产品来看，在对流风暴运动发展过程中，VIL值也逐渐增大，在降雹前有明显的跃增，垂直累积液态水含量的数值变化对于冰雹天气的预警有较强的指示意义，并且具有一定的提前量。

2.6.1 非汛期 （4月、5月、9月）：VIL值跃增量不大，跃增至 20（23）～35（38）kg/m2以上，最高可达 60（63）kg/m2。

2.6.2 汛期（6—8月）：VIL值在降雹前均有明显的跃增，除了2例（2013年7月13日库伦旗的冰雹过程和2013年8月14日舍伯吐的冰雹过程）外，其他个例VIL值均跃增至60（63）kg/m2以上，最高可达 70 kg/m2。

3 小结

通过以上各种雷达回波产品的特征分析，总结出冰雹天气的以下预报指标：

①由于钩状回波、“V”型缺口和三体散射是冰雹天气特有的雷达回波特征，所以当出现这3种回波时，表明一定有冰雹天气发生。而当反射率因子图上出现弓形回波（或有时伴有阵风锋）、“人”字形回波 （LEWP）或菱形回波这几种特殊形态的回波时，则高度警示可能会有冰雹天气发生。

②强回波（对于非汛期，是指≥50 dBz或45dBz的回波；对于汛期，是指≥50 dBz的回波）伸展的高度大于-20℃层等温线的高度。该项指标除了对于2次过程外，即2011年9月13日扎鲁特旗的冰雹过程，由于剖面误差或该站距离通辽（54135）探空站较远，数据有误差的缘故，还有2012年6月9日科尔沁区的冰雹过程，由于雷达静锥区存在的缘故，其他个例均满足，有时提前时间量可以长达1 h。所以该结论可以作为判断是否会产生冰雹天气的一个非常有指示意义的指标。

③在强度的垂直剖面图上，在垂直结构上，低层有较大的弱回波区（WER），中、高层有明显的回波悬垂，或者在低层呈现出明显的有界弱回波区（BWER）和中高层的回波悬垂，在图像上呈现出低层的回波“穹窿”结构。则表明出现冰雹的可能性极大，可以作为预报冰雹天气的一个重要指标。

④如果在径向速度图上出现“V”型缺口，则表明一定会有冰雹天气发生。若探测到明显的辐合场或辐合带，在高悬的强回波这一特征前提下，并且伴随有“中气旋”或弱雷暴尺度的涡旋，表明发生冰雹天气的可能性极大。若同时还伴有“逆风区”，表明出现冰雹天气的概率会更高。以上特征可以作为冰雹天气的一个重要预报指标。

⑤在速度的垂直剖面图上，如果能够分析出风暴顶的辐散，或者风暴顶的辐散配合低层的辐合，则表明冰雹天气出现的可能性极大。因此，风暴顶的辐散或风暴顶辐散+低层的辐合的特征也可以作为预报冰雹的有利指标。

⑥回波顶高如果在9km以上，表明极有可能出现冰雹，要立即发布冰雹天气的预报预警信息。但是如果在非汛期，不需要等到9km以上，有时回波顶高发展到5 km以上，也有可能出现冰雹，还需要结合其他特征指标综合判别。

⑦在垂直风廓线（VWP）产品上，如果测站上空表现为湿层较浅薄，形成“上干下湿”的不稳定层结结构，且在低层有明显的低空急流和强的垂直风切变，那么就要提高警惕考虑是否会有冰雹发生，但还需结合其他指标综合判别，如果同时还伴有高空急流的存在，则冰雹出现的可能性会大大提高。所以风廓线产品的以上特征也可以作为预报冰雹的一个较重要的指标。

⑧如果在汛期（6—8月）的中气旋产品上可以探测到中气旋信息（有黄色圆圈表示）时，往往预示着有冰雹天气要发生了。因此，中气旋产品信息的出现是判断冰雹天气的一个特别重要的指标。

⑨如果VIL产品的值有一个明显的跃增过程，跃增至60（63）kg/m2或以上，则表明一定会有冰雹天气的发生。如果在非汛期（4月、5月、9月），VIL值突然增大，跃增至 20（23）～35（38）kg/m2以上时，也要考虑是否会有冰雹天气的发生，数值越大，出现冰雹的可能性就越大，但还需结合其他指标综合来判断。

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Discriminant Index of Radar Echo for Forecast of Hail Weather in Tongliao Area of Inner Mongolia

QI Yan-wen
（Tongliao Municipal Meteorological Bureau of Inner Mongolia，Tongliao 028000，China）

In the present study,we analyzed the hail weather process occurred in Tongliao region of Inner Mongolia from the establishment of the new weather radar station to the year of 2013 and assessed the features of radar echo products obtained a period before the occurrence of hail as well as the radiosonde data.We found that the following features of the radar echo products all had an indicative significance for the forecast of hail weather：the hook echo of radar reflectivity factor,V-notch,three scattering （spike-shaped echo）,bow-shaped echo,herringbone echo （LEWP）,diamond echo;the convergence field or convergence zone,mesocyclone,and adverse wind area in radial velocity map;echo top height,VAD wind profile products,vertically integrated liquid water content,mesocyclone products,profile of intensity and velocity.Based on the above features,we summarized the corresponding indicators which could be used as a judgment basis for the forecast of hail weather in the practical work of short-term forecast and nowcasting to improve the forecasting and warning capability for the hail weather in Tongliao region.

three body scattering；bow-shaped echo；mesocyclone； adverse wind area；divergence in storm top

P426.64；P457.6

A文章顺序编号：1672-5190（2016）08-0093-04

2016-07-08

项目来源：2016年内蒙古自治区气象局青年基金项目（nmqnqx 201612）。

祁雁文（1983—），女，工程师，主要从事短期、短时临近天气预报工作。

（责任编辑：钱英红）