基于龙岩市新一代天气雷达资料的冰雹识别与预警

龙岩市气象局 刘 君 肖秀珠 赖巧珍 邓宇阳

基于龙岩市新一代天气雷达资料的冰雹识别与预警

龙岩市气象局 刘 君 肖秀珠 赖巧珍 邓宇阳

利用福建省龙岩市2001～2013年41次冰雹过程的新一代天气雷达资料，对冰雹和雷雨大风、短时强降水，以及冰雹自身过程发展阶段和成熟阶段的雷达数据进行了对比分析，结果表明，三体散射、V型缺口、钩状回波等是冰雹特有的雷达反射率回波的形态特征；回波强度、强回波核高度、回波顶高和VIL可用于判断冰雹，其阈值分别为60dBz、5.3km、8km 和30kg/m2。冰雹的雷达强回波核（≥60dBz）高度都在零度层以上，冰雹的45dBz雷达回波伸展高度绝大多数在-20℃层以上。根据以上特征判据和阈值，对龙岩2014—2015年35次强对流天气（其中有8次出现冰雹）进行预报试验，预报10次冰雹，其中8次预报正确，2次空报，没有漏报。该文还分析了冰雹直径与雷达回波形态特征和数据的关系，发现如果出现三体散射、V型缺口、钩状回波特征，冰雹直径普遍≥2cm，VIL密度大于2.9，冰雹直径≥2cm，冰雹直径与风暴顶辐散、弱回波区伸展高度等没有明显相关关系。

新一代天气雷达 冰雹 识别与预警

天气雷达因其高时空分辨率特点，成为监测预警冰雹的一种有效工具。随着冰雹的雷达资料研究，国外在冰雹等强对流天气的监测和预报领域取得了显著进步。我国新一代天气雷达布网以来，在强对流天气的监测与预警方面已发挥了明显效益, 国内各地关于天气雷达识别冰雹与预警的研究较多，如廖向花等[1]、王福侠等[2]、樊志超等[3]、王芬等[4]分别分析了重庆、河北中南部地区、湘西北山区、黔西南地区等地的冰雹过程，总结了一些冰雹天气的雷达回波特征指标；吴剑坤等[5]、刁秀广等[6]对风暴顶辐散、VIL密度与冰雹尺寸等进行了研究，对当地冰雹天气预警起到了很好作用。但是因地域差异、雷达型号等因素，这些特征指标一般只适用于当地冰雹的识别和预警。

福建省龙岩市俗称闽西，属于山区地形，每年冰雹频繁发生，给当地带来巨大经济财产损失和人员伤亡。龙岩市烟草等农业种植面积广泛，烟草种植生产是当地政府财税和农户经济收入的重要来源，在当地烟草栽种生长时期恰好是冰雹频繁发生时段，冰雹经常使烟草等农作物绝收或质量等级下降，造成巨大的经济财产损失。近年，陈秋萍等[7]、冯晋勤等[8]、刘君等[9～10]针对福建和闽西的冰雹雷达资料分析也取得了较多研究成果。冰雹的监测预警水平在逐步提高。但是预报的准确率仍然不是很理想，还无法满足当地经济社会发展的需求。本文对福建省龙岩市新一代天气雷达运行以来积累的（2001～2013年）近12年63次冰雹过程的天气雷达资料，在目前研究的基础上，借鉴国内外研究成果，进行系统深入的研究分析，以满足冰雹的精确预报预警。

1 龙岩冰雹的时空分布特征

1.1 冰雹的年际变化

福建省龙岩市每年均有冰雹出现，2001年～2013年共有63次冰雹天气。冰雹次数最多的是2005年，为14次，出现最少的年份是2002年、2003年、2009年和2010年，均只发生1次。每年平均约有5次冰雹天气过程（图1）。

图1 龙岩市2001～2013年冰雹年际变化图

1.2 冰雹的月际变化

龙岩一年中，冰雹出现在3～8月份和11月份，其余各月没有出现冰雹；主要出现在3～5月，占76%，以4月份30次为最多（占48%），接近全年63次的一半（图2）。冰雹出现时间最早为3月1日（2004年上午8:30～9:00，发生在上杭县蓝溪镇），最迟为11月10日（2004年下午17时许，发生在漳平市部分乡镇）。

图2 龙岩市2001～2013年冰雹月际分布图

1.3 冰雹的日变化

冰雹是强对流性天气，具有明显的日变化，63次冰雹天气过程中有41次有精确降雹时间。14～22时（即下午到上半夜）为冰雹高峰期,共有32次，占冰雹总次数的80%。下半夜、早晨到中午时段偶有冰雹发生（图3）。

图3 龙岩市2001～2013年冰雹日变化

1.4 冰雹的空间分布

根据冰雹天气影响地点（精确到乡镇），绘制出冰雹的空间分布图（图4），可以看出，2001～2013年冰雹主要出现在永定、上杭、武平、长汀和连城等县，其中永定中西部、武平东部、上杭东部和连城部分乡镇发生冰雹次数较多，最多的乡镇出现5次冰雹天气。在龙岩（新罗区）和漳平冰雹出现较少。

冰雹的这种空间分布，首先主要与当地的地形有关，冰雹主要形成在相对海拔较高、地形起伏不平的山区。由于冰雹天气主要出现在午后到夜里，在山区和平原地区之间，形成强烈的热力差异造成不稳定而产生局地强迫上升运动，有利于强对流的启动和发生。其次，目前的冰雹实况反馈记录机制还不够完善，龙岩市部分县市是烟草种植区，由于冰雹对烟草影响严重，在烟草种植区发生的冰雹天气一般都有记录反馈，而烟草种植少或没有烟草种植的地方冰雹的记录反馈不很完善，有些地方出现了冰雹也可能没有记录。龙岩市2001～2013年冰雹的空间分布图中，冰雹主要发生地和冰雹发生较多的地方一般也是烟草种植较多的地方。

图4 龙岩市2001～2013冰雹的空间分布图

2 冰雹和雷雨大风、短时强降水的雷达回波特征和产品数据对比分析

2.1 冰雹和雷雨大风、短时强降水的雷达回波特征对比分析

我们对冰雹的雷达反射率回波的形态特征与雷雨大风、短时强降水等强对流的雷达反射率回波的特征进行比较（表1），分析了V型缺口、钩状回波、三体散射、正负速度对“牛眼”、弱回波区等特征在3类强对流出现的概率，当短时强降水或雷雨大风同时伴有冰雹时按冰雹统计。分析发现，这些特征出现的概率，冰雹明显多于雷雨大风和短时强降水。雷雨大风和短时强降水只出现弱回波区、“牛眼”特征，没有出现三体散射、V型缺口和钩状回波。所以可以把三体散射、V型缺口、钩状回波作为冰雹的特有特征。

冰雹中，弱回波区、“牛眼”特征出现的概率最大，绝大多数冰雹过程都出现，其次分别为三体散射、V型缺口和钩状回波。由于龙岩地处山区，且雷达站所处海拔较高（1508m）以及雷达型号（CINRAD/SA）等因素，所以V型缺口和钩状回波特征出现的概率很小。

表1 冰雹和雷雨大风、短时强降水的雷达回波特征对比分析表

2.2 冰雹和雷雨大风、短时强降水的雷达产品数据对比分析

通过对冰雹、雷雨大风和短时强降水的雷达回波强度、强回波核高度、回波顶高、垂直积分液态含水量等数据分析，发现冰雹的这些数据最大，其次是雷雨大风，短时强降水的最小。而且对比冰雹和短时强降水的回波强度、垂直积分液态含水量发现：冰雹的回波强度都不小于60 dBz，而短时强降水的回波强度绝大多数小于60 dBz；冰雹的垂直积分液态含水量绝大多数不小于30 kg/m2，而短时强降水则绝大多数小于等于30 kg/m2。分析可见，雷达回波强度60 dBz和垂直积分液态含水量30 kg/m2是冰雹与短时强降水的临界值。

因为雷雨大风可能有时也会伴有冰雹，雷雨大风常发生在对流单体的边缘附近，所以测站只记录了大风，而测站周边的冰雹实况无法取得。这样可能导致冰雹与雷雨大风的这些数据大小区别不是很明显。

表2 冰雹和雷雨大风、短时强降水的雷达产品数据对比分析表

3 冰雹过程的雷达产品数据分析

冰雹云进入成熟阶段开始降雹，以2004年11月10日上杭、漳平的一次冰雹过程为例分析（如图5、图6），在成熟阶段即降雹阶段，回波强度、回波顶高、强回波核高度和VIL分别在60 dBz、8km、6km和30kg/m2以上。

图5 2004年11月10日上杭、漳平冰雹过程回波强度图

根据记录的冰雹实况时间和地点，统计了每个冰雹过程开始降雹时的一些主要雷达产品数据（表3）。从表3可以看出，在开始降雹时回波强度、强回波核高度、回波顶高、垂直积分液态含水量最小数值分别为60dBz、5.3km、8km、30 kg/m2。也就是当回波强度超过60dBz、强回波核高度超过5.3 km、回波顶高超过8 km和垂直积分液态含水量超过30 kg/m2、出现冰雹的可能性就非常大，这些数据可以作为判断冰雹出现的阈值。

表3 冰雹过程雷达资料数据统计表

续表3

4 45dBz以上的回波伸展高度和0℃层、-20℃层高度的关系分析

本文收集了降雹日探空的零度层和负20度层高度，以降雹时间接近08时或20时探空资料为准。因为龙岩站只有从2007年开始增加4～6月的探空资料，所以其他时段探空资料以厦门站为准。

分析发现，降雹时的零度层高度在3620～5267.1m之间，-20℃层高度在7135.6～8507.1m之间。冰雹的45dBz雷达回波伸展高度在7.2～13.6km之间，绝大多数都在-20℃层高度以上（如图7）。同时分析发现，冰雹的强回波核（≥60dBz）高度在零度层以上（图8）。

图7 45dBz回波高度和和0℃层、-20℃层高度对比图

图8 大于或等于60dBz回波高度和0℃层、-20℃层高度对比图

5 应用实践

5.1 雷达回波特征分析应用

在龙岩当地，当雷达监测出现弱回波区和多普速度正负对即“牛眼”时，对流有可能继续发展成为冰雹，进入冰雹预警的准备工作。若出现三体散射现象，说明实况已经出现冰雹，出现V型缺口、钩状回波等也基本可以认为是冰雹回波，立即进行冰雹预警。

5.2 雷达数据分析应用

将回波强度、强回波核高度、回波顶高和垂直积分液态含水量大等于60dBz、5.3km、8km、25 kg/m2作为冰雹预警的阈值，即当这四个数据同时达到阈值时进行冰雹预警。另外将45dBz雷达回波伸展到负20度层高度以上和强回波核（≥60dBz）高度在零度层以上作为冰雹预警的参考条件。

5.3 2014～2015年强对流预报预警试验

表4 2014～2015年龙岩冰雹预报情况表

续表4

2014年～2015年龙岩出现35次强对流天气过程，其中有8次出现冰雹，对其进行了试验预报，据本文提出的冰雹预警判据标准，预报10次冰雹，8次冰雹预报正确，2次空报，没有漏报。分析2次冰雹空报的原因，可能实况有冰雹，而测站刚好位于冰雹对流单体的边缘附近，没有记录到冰雹。预报试验可见，冰雹预警阈值和判据在龙岩当地的冰雹预报预警准确率高，可以在实际业务中开展应用。

6 冰雹直径大小与雷达回波特征和数据统计分析

6.1 冰雹直径与雷达反射率回波的形态特征关系

2001～2013年共有19次冰雹天气过程有记录冰雹的直径大小，冰雹的直径大小在1～5cm之间。通过对冰雹直径大小和雷达反射率回波的形态特征分析（表5），发现如果出现三体散射、V型缺口或钩状回波特征，冰雹的直径普遍大于或等于2厘米。但是，没有出现这三种雷达特征，冰雹的直径也有大于2cm的情况。所以这三种特征是冰雹大于或等于2cm的充分而非必要条件。绝大多数的冰雹过程都有弱回波区、“牛眼”特征，这两个特征和冰雹的大小没有明显关系。

表5 冰雹直径和雷达回波形态特征

续表5

6.2 冰雹的直径与雷达回波强度、高度关系

理论上，雷达的回波强度、强回波核高度、回波顶高和垂直积分液态含水量等这些数据越大，冰雹的直径越大。但从图9a分析可见，冰雹直径大小与这些数据均没有明显的正相关关系，即这些雷达数据越大，冰雹直径并不一定也大。原因可能有两种，一是冰雹直径与这些雷达数据确实没有关系，二是目前的冰雹调查反馈机制，冰雹实况记录可能存在偏差，使得无法发现冰雹直径和这些雷达数据关系的真面目。

6.3 冰雹直径与VIL密度关系

垂直积分液态含水量与回波顶高的比值称为VIL密度（即 VIL/ET）。龙岩有冰雹直径大小记录的19次冰雹过程，冰雹直径在1～5cm之间，VIL密度在2.5～5.8之间，通过对冰雹直径和VIL密度的相关性分析，发现相关系数很小，没有相关性。同时分析了VIL与45dBz回波高度的比值和冰雹直径大小的相关性，也没有很大相关性。但是约70%的样本对应关系还是较好，VIL密度越大，冰雹直径也越大。冰雹直径大于或等于2cm以上，一般VIL密度大于2.9（图9b）。

6.4 冰雹的直径与风暴顶辐散强度关系

风暴单体一般中低层为辐合，风暴顶为辐散，理论上风暴顶辐散强度与风暴的强度有关。风暴顶辐散可以用风暴顶基本速度的正负速度对的差值来表征（即△V），龙岩19次冰雹过程的△V在15～45之间，通过对冰雹直径和△V的相关性分析，发现相关系数很小，几乎没有相关性（图9 c）。

图9 冰雹直径与雷达数据关系图

6.5 冰雹的直径与弱回波伸展高度关系

把历史冰雹过程的雷达基数据回放成SWAN的数据格式，利用SWAN的360度剖面功能，读取冰雹过程最大的弱回波区高度，以40dBz强度为弱回波区边界，因为这个强度边界更加明显清晰。由于软件兼容性等问题，2010年以前的数据SWAN服务器暂且无法回放，所以弱回波区伸展高度数据不完整。从已经取得的数据看，这两者相关性也不明显。

7 结论

（1）通过对龙岩市历史冰雹和新一代天气雷达数据的统计分析，掌握了冰雹的时空分布规律，得到了冰雹预警判据标准，提高了冰雹识别与预警的水平。

（2）三体散射、V型缺口、钩状回波等是冰雹特有的雷达反射率回波的形态特征；回波强度、强回波核高度、回波顶高和VIL可用于判断冰雹，其阈值为分别为60dBz、5.3km、8km和30kg/m2。冰雹的雷达强回波核（≥60dBz）高度都在零度层以上，冰雹的45dBz雷达回波伸展高度绝大多数在-20℃层以上。

（3）对冰雹直径大小与雷达回波特征和数据进行了统计分析，如果出现三体散射、V型缺口、钩状回波特征，冰雹直径普遍≥2cm；如VIL密度大于2.9，冰雹直径≥2cm；冰雹直径与风暴顶辐散、弱回波区伸展高度等没有明显相关关系。

（4）冰雹直径与一些雷达数据没有相关性；可能在目前的冰雹调查反馈机制下，实况冰雹记录有偏差。今后应该加强冰雹实况调查的科学性、及时性，掌握可靠的实况数据，在此基础上继续开展进一步研究。

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