晋城地区冰雹天气的多普勒雷达回波特征分析

任鹏娟+程海霞+赵珺

摘要 利用长治市新一代天气雷达CINRAD/CC的基本产品和导出产品，详细分析并归纳了晋城市冰雹雷达回波的识别特征。结果表明，冰雹云回波较高的基本反射率因子值、三体散射、垂直积分液态含水量跃增、中气旋、冰雹指数、垂直剖面产品中雹云的强回波核的结构特征可作为冰雹天气临近预报的重要依据。

关键词 冰雹；雷达回波特征；三体散射；回波顶高；山西晋城

中图分类号 P412.25 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）02-0214-03

Analysis on Doppler Radar Echo Characteristics of Hail in Jincheng Area

REN Peng-juan CHENG Hai-xia ZHAO Jun

（Jincheng Meteorological Bureau in Shanxi Province，Jincheng Shanxi 048026）

Abstract Using basic products and derived products of new generation weather radar CINRAD/CC of Changzhi City，the radar echo recognition characteristics of hail in Jincheng City were analyzed and summarized in detail. The results showed that the basic reflectivity of hail cloud echo top height，TBSS，sharp increase of vertical integrated liquid water content，mesocyclone，hail index，structure characteristics of hail cloud strong center in vertical profile products could be used as important evidences for nowcasting of hail weather in Jincheng City.

Key words hail；radar echo characteristics；TBSS；echo top height；Jincheng Shanxi

冰雹是山西晉城地区的主要灾害性天气之一，从历史资料统计来看，冰雹出现的主要时段在5月下旬到8月中旬，最早出现在3月上旬，最迟出现在10月下旬，给农业生产带来很大影响。晋城市最严重的一次冰雹发生在2010年14：00—16：00，阳城县7个乡镇的39个村遭遇特大冰雹袭击，未收获的小麦、蔬菜、西瓜、薯类等作物近乎绝收，玉米、谷子叶片脱落，直接经济损失达5 000万元以上。

冰雹是强对流单体产物，降雹发生时常伴随大风、局地暴雨和强雷电，给国民经济和人民生命财产造成严重损失[1]。随着我国新一代天气雷达观测网的建成和业务化运行，多普勒雷达已成为研究冰雹、暴雨等强对流单体的主要工具之一[2]。目前，对强对流单体基于S波段雷达回波分析的比较多，晋城主要使用的是长治的C波段雷达，C波段雷达衰减引起的回波失真比S波段雷达更严重，因而晋城冰雹回波在多普勒雷达上的特征反映和外省存在一定程度上的差异。本文统计分析2012年发生在晋城的4次冰雹天气的雷达观测资料，以期找出晋城地区冰雹天气的多普勒雷达产品关键特征量及阈值，为冰雹天气预报预警提供理论依据。

1 资料来源

本文利用山西省长治市2012年多普勒雷达站观测的雷达基本数据资料、晋城各观测台站地面观测资料及民政局灾情统计报告，对其中的4次致灾严重的冰雹天气过程（6月23日发生在泽州县晋庙铺镇、6月24日发生在高平市原村镇、7月29日发生在晋城、7月29日发生在陵川县夺火镇），从回波强度、回波伸展高度、弱回波区（WER）或有界弱回波区（BWER）、“三体散射”长钉、垂直积分液态水含量、回波顶高、中气旋、强度垂直剖面特征等8个方面的多普勒天气雷达回波特征进行统计分析，提取可用于业务预报的晋城天气雷达冰雹云识别指标，为晋城市冰雹预报警提供科学依据。

2 雷达回波特征分析

2.1 组合反射率因子

从组合反射率因子分析，冰雹天气天气过程的初始回波中心强度在30 dBZ左右，其中6月23日发生在泽州县晋庙铺镇、6月24日发生在高平市原村镇、7月29日发生在晋城的冰雹天气，均为带状回波，7月29日发生在陵川县夺火镇的大冰雹天气为块状回波，回波成熟阶段中心强度在60 dBZ以上，回波顶高超过9 km，从回波顶高发展到9 km至冰雹出现时间基本有30 min的提前量，从回波达到最大值到出现冰雹提前量不足10 min。因此，回波顶高作为冰雹的预警有一定的指示意义。

2.2 三体散射

Lemon[3]指出，在观测到三体散射后的10～30 min内地面有可能出现大于2.5 cm的降雹，要产生一个能分辨出的三体散射长钉（TBSS），风暴核的反射率因子必须大于63 dBZ。俞小鼎[4]指出，较S波段雷达回波相比，C波段雷达回波中出现三体散射的机会更多，在C波段条件下，小冰雹也有可能产生三体散射。廖玉芳等[5-6]对发生在我国的三体散射进行了全面分析，发现除了0 ℃层到地面距离非常高的情况，几乎所有三体散射个例都伴有大冰雹。

从4次冰雹过程的基本反射率分析，有3次大冰雹在2.4、3.4、4.3、6.0°仰角以上高度上都出现了三体散射现象，且1次沿雷达径向延长线有其他回波的遮挡难以辨认，以2012年6月24日下午发生在高平原村一带冰雹天气为例，从16：25观测到的2.4、3.4、4.3、6.0°等仰角三体散射现象（图1），可以看出同一时刻仰角越高，三体散射的现象越明显。endprint

从时间提前量来看，取晋城观测站7月29日14：10开始的降雹个例分析，7月29日13：48，6.0°仰角高度出现了三体散射现象，13：53也出现了三体散射现象，13：58 2.4、3.4°相继出现三体散射现象，最高仰角比出现冰雹的时间提前了22 min，各仰角均出现三体散射现象，且较冰雹出现时间提前了10 min。因此，三体散射现象出现作为冰雹的预警意义重大。

2.3 垂直累积液态水含量（VIL）

从本次统计分析来看，强对流云单体在发展演变过程中VILmax均是先增加，后减少；VIL大值中心区与降雹区基本一致；VIL大值中心区移动方向与强回波的移动方向基本一致。

从VILmax演变特征（图2）分析，冰雹云的VILmax基本都在30 kg/m2以上；对冰雹过程来说，VILmax存在爆发式增长及突然降低的现象，由于本次2012年冰雹灾害基本均出现在山区和乡镇，对冰雹的确切时间无法统计，现仅从2012年7月29日14：10—14：21晋城测站冰雹直径6 mm的冰雹过程的VIL演变进行分析，以期得出VIL的演变在冰雹预报上的提前量分析。7月29日13：38—13：53，VIL從5 kg/m2跃增至35 kg/m2，回波强度从45 dBZ增至60 dBZ，对冰雹预警有17 min左右的提前量，且从4次冰雹过程分析得出，VIL值和跃增量越大，冰雹的强度越大。

2.4 中气旋（M）

在收集到的4个冰雹个例中，只有6月23日下午泽州县晋庙铺的一次大冰雹天气和7月29日晋城市测站的冰雹天气过程探测到了中气旋，发生在晋城市泽州县晋庙铺的冰雹过程无法判断中气旋的出现对其发生过程是否具有提前量，7月29日的冰雹过程在14：09观测到了中气旋，而冰雹14：10开始，加上资料处理间隔，这次冰雹过程中气旋的预警指标提前量只有6 min左右。

2.5 冰雹指数（HI）

从搜集到的个例冰雹指数分析，所有的冰雹个例在HI图上均有冰雹指示，且时间提前量较长，在20 min以上，对冰雹指数有一定的指示意义，但在2次短时强降水出现时也有冰雹指示，实际观测中却没有，并且降雹过后仍然有指示，存在较高的虚警率。因此，作为一种直观、方便快捷的探测冰雹工具使用，冰雹指数（HI）产品可被用作指导产品，发预警时要结合其他产品使用。

2.6 反射率因子垂直剖面

对成熟阶段冰雹云基本反射率因子回波作VCS垂直剖面产品（图3），本文的剖面图均沿着雷达径向通过最强反射率因子核心，4次冰雹天气过程垂直剖面产品上均可以看出，冰雹天气的回波顶高基本都在12 km以上且强回波核中心所达到的高度基本均在8 km以上。雹云的强回波核的结构特征主要有悬垂状、穹窿、回波墙、有界弱回波区（BWER）或弱回波区（WER）等特征。因此，回波核剖面特征及所达高度可作为冰雹云回波预测的重要参考。

3 结论

通过对2012年4次冰雹天气过程的多普勒天气雷达回波特征进行统计分析，找出晋城市强对流天气的多普勒雷达产品部分特征量及阈值，并得出一些强对流天气的预警指标。

（1）首先从雷达的基本反射率或组合反射率分析回波强度、形状入手，分析回波是否发展、范围是否扩大，周围是否有回波生成，回波是否有合并增强的趋势。回波的强度超过50 dBZ就应该分析其出现冰雹的可能性。

（2）冰雹天气的三体散射现象比较明显，回波较强的情况下，可以在雷达PUP上显示2.4°及以上仰角，分析是否有三体散射现象出现，若出现三体散射现象，则可判断该强对流云团为雹暴，“雹钉”长度愈长，降大冰雹概率愈大。

（3）垂直积分液态含水量对冰雹特别敏感，冰雹发生前垂直积分液态含水量跃增，并且发生冰雹时，其垂直积分液态含水量都在30 kg/m2以上，垂直积分液态含水量对降雹前跃增，可作为临近预报的一个重要依据。

（4）冰雹指数作为一种方便、直观的雷达输出产品使用，但需结合其他产品使用。

（5）从雹云的基本反射率因子回波作VCS垂直剖面产品，观察是否有强大的回波悬垂、强回波核高度、回波墙及有界弱回波区等特征的出现，可作为冰雹天气的一个重要指标。

（6）中气旋是超级单体风暴的特征，因而观测到中气旋就可以发布冰雹等强天气预警。

4 参考文献

[1] 汤兴芝，黄兴友.冰雹云的多普勒天气雷达识别参量及其预警作用[J].暴雨灾害，2009（28）：261-265.

[2] 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天气雷达原理与业务应用[M].北京：气象出版社，2006：1-314.

[3] LEMON L R.The radar“three-body scatter sprike”：An operational large-hail signature[J].Wea Forecasting，1998（13）：327-340.

[4] 俞小鼎.新一代天气雷达业务应用论文集[G].北京：气象出版社，2008：472.

[5] 廖玉芳，俞小鼎，郭庆，等.一次强对流系列风暴个例的多普勒天气雷达资料分析[J].应用气象学报，2003（14）：656-662.

[6] 廖玉芳，俞小鼎，吴林林，等.强雹暴的雷达三体散射统计个例与个例分析[J].高原气象，2007（26）：812-820.endprint