青海省东部农区冰雹天气分析及预警研究

张 芳 ，虎文珺 ，晁 剑

（1.青海省气象台，青海 西宁810001；2.青海省气象局，青海 西宁810001；3.青海省基础地理信息中心，青海 西宁810001）

冰雹天气局地性强、易成灾，近年来不同地区冰雹天气特征分析研究得出多种分析方法和结果。王培涛等[1]从天气形势和物理量特征方面分析冰雹天气，濮文耀等[2]从环境物理量、温度层结等方面入手分析冰雹天气，赵海军等[3]利用多普勒雷达资料分析冰雹得出强回波中心最大值及其所在高度和有界弱回波区的范围等是判断降雹潜势的关键指标，黄俊杰等[4]分析得出雹暴过程以负地闪为主，零星正地闪出现在雹暴减弱消亡阶段的结论，吴剑坤[5]、严红梅[6]、刁秀广[7]等使用天气雷达强回波高度、垂直累积液态水含量及其他回波特征分析冰雹天气。青海省东部农业区处于青藏高原东北部多雹纬度带，冰雹天气频发，农作物受灾严重。赵仕雄[8]、王江山等[9]研究得出青海省东部农业区为全省冰雹易发区，冰雹形成与产生高原多于盆地，山区多于河谷，阳坡多于阴坡。段勇等[10]对青海西宁711雷达10 a数字化资料进行分析，通过强对流回波顶高、强中心高度、强度、外形结构特征、回波厚度等因子，结合WSR-88D冰雹算法，在风暴结构基础上确定了与冰雹云回波相关性较好的7个指标，并编制软件对指标的预警预报效果进行检验。朱平等[11-12]利用新一代天气雷达PUP产品资料，从回波顶高、垂直累积液态水含量、45 dBZ回波高度等方面对较强风暴单体进行分析，得出降雹单体和雷雨单体的不同预警指标，相继进行了强对流天气自动预警、冰雹探测算法（HDA）检验评估等工作。苏永玲等[13]利用多种资料诊断分析了2015年青海东北部3次冰雹天气环境条件和中尺度系统的演变。张国庆等[14]从冰雹灾害方面入手，研究了青海省冰雹成灾时空特点、变化规律及冰雹直径与成灾面积的关系。本文利用地面常规观测资料、Micaps资料、多普勒雷达和闪电定位等观测资料，结合灾情资料，统计分析青海东部农业区冰雹灾害天气特征。通过对冰雹灾害天气时空分布、高空环境条件、雷达回波和闪电等特征的分析，以期得出对本地冰雹灾害天气预报预警有参考意义的预警指标。

1 资料和分析方法

1.1 资料

青海省东部农业区包括西宁、平安、互助、循化、尖扎等市县，该区域共有14个国家级气象站，1个高空气象观测站，1个新一代天气雷达站和3个闪电定位仪站（图1）。统计青海省东部农区14个国家级气象站2003—2017年的天气现象、冰雹直径以及历年灾情公报信息，确定冰雹站次和冰雹直径。在2003—2017年青海省东部农业区发生的冰雹天气中选取灾情记录详实，各类气象观测资料完整的20次冰雹灾害天气过程，重点整理这20次过程对应的地面、高空气象观测资料，新一代天气雷达观测资料和雷电观测资料。

图1 2003—2017年青海东部农区站点分布

1.2 分析方法

统计分析2003—2017年青海省东部农区14个国家级气象站天气现象、冰雹直径及灾情信息，得出冰雹天气的时空分布特征；针对整理出的20次冰雹灾害天气，使用西宁气象站地面、高空气象观测资料进行对流有效位能、高空垂直风切变、0℃层高度等的统计分析；使用西宁新一代天气雷达观测资料进行回波强度、速度、顶高、及垂直累积液态水含量等的统计分析；使用西宁、门源、民和3站雷电观测资料进行闪电次数、闪电强度及正闪、负闪次数的统计分析。综合冰雹时空分布特征和多种统计分析结果得到青海省东部农业区冰雹预警指标，并对指标进行历史回代和预报检验。

2 冰雹时空分布

2.1 空间分布特征

张国庆等[14]研究表明，1962—2002年青海省冰雹灾害次数自1960年逐渐增多，到1980年达到高峰，之后又逐年下降。2003—2017年青海省东部农业区气象站有观测记录的冰雹天气共计325站次，结合灾情资料分析，造成14个县市216次冰雹灾害。2003—2017年在东部农业区14个气象站当中化隆出现冰雹次数最多，为70次；其次为湟源和湟中，分别为50次和34次；偏东的乐都、民和、尖扎和循化最少。湟源雹灾次数最多，为42次；其次为化隆和湟中，分别为36次和28次；民和、尖扎和循化雹灾次数最少（表1）。

表1 2003—2017年青海东部农业区冰雹分布

2.2 时间分布特征

2003—2017年冰雹站次呈现一年多一年少交替出现且逐年减少的趋势，雹灾次数呈现一年多一年少交替出现状态（图2a）。2003年冰雹站次和雹灾次数最多，其次是2014年和2007年。冰雹天气多的年份冰雹灾害也较多，2010—2013年为雹灾低值区，表明雹灾次数不仅与冰雹频次相关，还与冰雹直径和落雹地点等因素相关。2003—2017年冰雹天气都集中出现在3—10月（图2b），冰雹出现较多月为5—9月，7月最多，达79次，每年3月前和11月后无冰雹天气出现，这与文献[8-9]中的结论一致，青海省东部农区的冰雹天气属于夏季多雹区类型；冰雹灾害集中出现在5—9月，8月最多，达71次，这也表明冰雹次数和雹灾次数存在正相关性，但是雹灾的发生还与冰雹直径、落区及农作物生长期等因素相关。

3 冰雹天气高空环境特征

观测和研究表明[5-6]，强对流天气的发生发展需要有充足的水汽输送和动力抬升条件。近年来专家学者研究得出[2，5]，冰雹天气与冻结层和冻结层距地高度有关。利用西宁高空站08时、20时的探空资料对20次冰雹灾害天气发生当日对流有效位能，0℃、-20℃、-30℃层高度，垂直风切变进行统计分析。

图2 2003—2017年青海东部农业区冰雹和雹灾年际变化（a）和月际变化（b）

3.1 对流有效位能（CAPE）和垂直风切变

统计20次冰雹灾害天气对流有效位能发现，其中15个雹灾日08时 CAPE均为0，08时 CAPE对午后冰雹天气指示意义不佳；4个雹灾日20时CAPE 为 0，其余最大值为 1789.3 J·kg-1，最小值为18.2 J·kg-1，20次冰雹灾害天气均发生在 14—20时，20时探空资料对午后冰雹天气预警没有意义。用冰雹出现当日14时地面气温对08时探空资料进行订正，得到14时 CAPE，雹灾日 14时 CAPE均在 100 J·kg-1以上，最大为1 886.7 J·kg-1，最小为158 J·kg-1。20次冰雹灾害天气对应的当日高空资料从500 hPa到地面都存在明显的风切变，高度集中在4.5~5 km。表明高空垂直风切变比对流有效位能（CAPE）对冰雹灾害天气的预警指示意义更好。

3.2 特殊温度层高度变化

大多数冰雹粒子的生长发生在-20~-30℃层高度范围内[2]，冰雹落地大小还与0℃层至地表间距离密切相关。0℃层距地越高，融化过程就越长，对冰雹的融化作用就越明显，冰雹直径就越小。统计20个雹灾日08时和20时的0℃层、-20℃层和-30℃层高度（图3），6—9月出现雹灾当日0℃层高度为4~6 km，-20℃层高度为7~9 km，-30℃层高度为8~11 km。20个雹灾日中发生直径为5~10 cm冰雹的0℃层平均高度为4.6 km，发生直径为10~20 cm冰雹的0℃层平均高度为4.7 km，发生直径 ＞20 cm冰雹的0℃层平均高度为4.8 km，0℃层以下大气对冰雹的融化作用在青海东部农业区表现不明显，这与文献[5]结论不一致，可能是青海东部农业区0℃层平均高度和平均气温较低造成的。

图3 20个雹灾日0℃层高度与冰雹直径统计

4 冰雹天气雷达回波特征

利用强度回波、回波顶高、速度回波、垂直累积液态水含量等雷达回波产品对20次冰雹灾害天气个例进行分析和统计（图4）。

4.1 回波形状与移速

20次冰雹灾害天气中，云系都是由西北向东南方向移动，大多缓慢移动并发展加强，云系形成组织密实的块状结构，当最大回波强度达45 dBZ以上时，云系移速加大，云顶高度迅速升高。并在30~60 min后迅速减弱、消散。20次冰雹灾害天气中有12次是带状分布，类似于飑线系统，带状回波中有多个强对流单体，造成短时强降水、冰雹、大风等灾害性天气，其余8次为单个对流单体逐步发展为超级单体后造成冰雹灾害并伴有短时大风。

4.2 回波强度和顶高

分析基本反射率各个仰角回波强度（图4a），20次冰雹中最大回波强度多在50~55 dBZ，也有达到65 dBZ以上的，仅2005年9月6日的冰雹最大回波强度为45 dBZ。为了方便比较各次冰雹天气的回波高度，统计50、45和30 dBZ回波所处的高度（图4b，4c），并分别用 H50、H45和 H30表示，统计显示在降雹时 H50一般＞7 km，最高达 14 km；H45一般＞8 km，最高达 15 km；H30一般＞8 km，最高达 17 km；仅有2005年9月6日冰雹过程回波高度偏低。数据表明，青海东部农业区天气雷达回波强度＞45 dBZ且强回波高度在6.3 km以上时就会降雹，冰雹直径与回波强度的线性相关强于冰雹直径与强回波高度的线性相关。

回波顶高（ET）是反射率因子＞18 dBZ回波所处的高度[6]，ET的最大值与反射率因子最大值是不同的概念，但是持续的高ET值对判断强对流天气具有较好的指示意义，且ET容易辨认，实用性较强。分析表明，20次冰雹灾害天气中ET普遍＞10 km（图4d），最高值达到18 km，所有冰雹灾害天气中仅有2次回波顶高＜10 km。冰雹直径与ET的线性相关强于冰雹直径与回波强中心高度（H45、H30、HMax）的线性相关，这与朱平[11]等人的研究结论不一致。

图4 20次冰雹灾害天气回波强度（a）、强中心高度（b为45 dBZ，c为30 dBZ）、回波顶高（d）与冰雹直径统计

4.3 径向速度产品

Witt，et al[15]研究风暴顶辐散（风暴顶正负速度差值）与地面降雹的关系。一般情况下，分析径向速度产品会在风暴底层寻找正负速度辐合线，并查看是否存在中气旋或具有阵风锋特征。但是青海东部农业区地形复杂，西宁雷达遮蔽角较大，底层回波受地形遮挡，因此选择径向速度的高仰角（6.0°，9.8°，14.6°）回波进行冰雹云顶层辐散分析（图5）。风暴顶风速辐散区正负速度差在降雹时平均值为30.4 m·s-1，在降雹前2个体扫时间风暴顶部辐散正负速度差平均值为37.3 m·s-1，降雹前5个体扫时间的风暴顶部辐散正负速度差平均值为35.9 m·s-1，降雹前10~30 min风暴顶辐散正负速度差平均值均大于降雹时风暴顶部辐散正负速度差平均值，具有较好地提前预警作用，但风暴顶部辐散正负速度差值对冰雹直径指示作用不明显。

4.4 垂直累积液态水含量

垂直累积液态水含量（VIL）在某种意义上是对流单体强度的一种度量[16-17]。20次冰雹灾害天气雹云的 VIL 值普遍很高（图 6a），通常＞20 kg·m-2，最大达到60 kg·m-2，仅2005年9月6日湟源的冰雹天气VIL值低。分析20次冰雹灾害天气降雹前2个体扫时间和前5个体扫时间VIL值的变化（图6b），16次出现比较明显的VIL值增大，提前5个体扫至冰雹发生时的VIL值增量普遍超过10 kg·m-2，最大VIL值增量超过35 kg·m-2。降雹直径较大时无论是VIL值还是VIL值增量都较大。

图5 降雹时和降雹前2个、前5个体扫风暴顶辐散速度差值分布

5 冰雹天气闪电特征

随着闪电定位站点的布设，相关学者通过闪电资料对冰雹天气进行了大量分析，取得了很多成果[18-21]。统计分析20次冰雹灾害天气降雹时和降雹前1 h的闪电次数、闪电小时次数、小时平均强度、正闪次数、负闪次数等指标（表2）。

5.1 闪电次数

20次冰雹灾害天气中降雹时和降雹前1 h冰雹云造成的正、负闪平均次数为184次，最多出现次数为680次，最少出现次数为10次，不同冰雹云产生的闪电次数差别很大，但雹云生成发展时均伴有闪电出现，且闪电出现时间比较集中。

2003年7月7日和2005年9月6日的冰雹天气是局地发展的对流单体造成的，闪电次数分别为23次和20次；2013年8月10日、2016年8月3日的冰雹天气是对流云系不断合并发展，在同一路径上不断移动和生成新的对流单体造成的，闪电次数分别为438次和680次。数据表明，局地发展的对流单体生消迅速，但造成的闪电次数少；移动发展的对流云系不断消亡，又不断在云系前端产生新的对流单体，整个云系持续时间长，造成的闪电次数较多。

5.2 小时平均强度

小时平均强度是降雹时和降雹前1 h出现闪电的平均强度，分为正闪平均强度和负闪平均强度。数据分析可知，最大正闪平均强度为80.9 kA，最大负闪平均强度为-42.1 kA；最小正闪平均强度为0 kA，最小负闪平均强度为-3.5 kA。

5.3 正负闪电次数

每块冰雹云产生闪电的正负极性分布不同。对冰雹云所产生的正、负闪电次数进行统计分析表明，几乎每次冰雹天气都产生正、负两种极性闪电，且冰雹云发展越旺盛，冰雹直径越大，则正、负闪次数越多，且负闪明显多于正闪。但是在负闪次数较多时，在负闪周边出现正闪次数越多，就越容易产生大冰雹，所以正闪的指示意义更强。

图6 降雹时和降雹前2个、前5个体扫时VIL值（a）和VIL增量与冰雹直径（b）

6 冰雹天气预警指标和检验

6.1 预警指标和权重

根据以上结论得出青海东部农业区冰雹预警指标（A）和相应的权重（B），预警指标（A）有当前月份、高空风切变、最大回波强度、回波顶高ET、风暴顶部辐散正负速度差值、垂直累积液态水含量VIL、VIL值增量、负闪次数、正闪次数9项组成，分别用A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9表示。 9 项预警指标具有不同的权重（B）值，分别用 B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9表示。

A1：当前月份。（A1=3月则B1=1，A1=4月则B1=2，A1=5 月则 B1=5，A1=6 月则 B1=8，A1=7 月则 B1=10，A1=8 月则 B1=9，A1=9 月则 B1=7，A1=10 月则 B1=4， A1=1、2、11、12 月则 B1=0）。

A2：高空风切变。（存在风切变B2=5，不存在风切变 B2=0）。

A3：最大回波强度。（A3=45 dBZ 则 B3=2，A3每增加 5 dBZ 则 B3加 2）。

A4：回波顶高 ET。（A4=8 km 则 B4=2，A4每增加1 km则 B4加 1）。

A5：风暴顶部辐散正负速度差值。（A5=3 m·s-1则B5=1，A5每增加2倍则B5加1）。

A6：垂直累积液态水含量 VIL。（A6=3 kg·m-2则B6=1，A6每增加 2 倍则 B6加 1）。

A7：VIL 值增量。（A7=3 kg·m-2则 B7=1，A7每增加1倍则B7加1）。

A8：负闪次数。（A8=10 次则 B8=1，A8每增加 20次则 B8加 1 且B8≤10）。

A9：正闪次数。（A9=1次则B8=5，A9每增加1次则 B9加 1 且 B9≤10）。

权重（B）=B1+B2+B3+B4+B5+B6+B7+B8+B9。由于每年1、2、11、12月无冰雹天气发生，所以当B1=0时，B=0。

上述冰雹预警指标是对冰雹天气进行分析和总结得到的，实际情况是短时强降水天气同样会造成强回波和强闪电。为了得出有效的冰雹天气预警区间值，随机选取2003—2017年青海东部农业区20次小时降水量≥20 mm的强降水天气，与文中分析的20次冰雹天气共同组成强对流天气个例库，利用预警指标（A）计算出强对流天气个例库中40个天气个例的权重（B），并分别将20次冰雹天气的权重（B）和20次短时强降水天气的权重（B）值按大小顺序排列对比（图7），冰雹天气的权重（B）值明显高于强降水天气的权重（B）值。20次冰雹天气的权重（B）平均值为55，最大值为82，最小值为27；20次短时强降水天气的权重（B）平均值为37，最大值为57，最小值为12。

表2 冰雹云闪电特征

强对流天气个例库的40例对流天气中，权重B≤26的对应有3例，均是强降水天气，冰雹出现概率为0；26＜B≤37的对应有11例，其中出现1例冰雹天气，冰雹出现概率为9.1%；37＜B≤55的对应有19例，其中出现10例冰雹天气，冰雹出现概率为52.6%；B＞55的对应有10例，其中出现9例冰雹天气，冰雹出现概率为90%。由此得出冰雹天气预警权重（B）值的预警区间和对应冰雹出现概率：当B≤26时，无冰雹；当26＜B≤37时，冰雹预警，冰雹出现概率低；当37＜B≤55时，冰雹预警，冰雹出现概率中等；当B＞55时，冰雹预警，冰雹出现概率高。

图7 20次冰雹天气和20次短时强降水天气权重（B）值统计

6.2 预警指标历史回代

使用2015年全年强降水和冰雹天气共23次，对预警指标进行历史回代（表3），预警指标的历史回代拟合率达86.9%，其中历史回代空报2次，漏报1次。

6.3 预警指标预报检验

编写计算机程序读取高空、雷达、闪电观测数据中与预警指标（A）相关的数据，并计算出相应的权重（B）实现对冰雹的预警；对2018年青海东部农业区10次强对流天气进行效果检验（表4），结果表明，预警指标（A）和相应的权重（B）能够对冰雹天气进行有效预警，预警准确率为80%，冰雹预警提前量为2～5个体扫时间即12～30 min。其中空报1次，漏报1次，两次错误预警的权重值分别为23和28，说明该预警指标会漏报小直径冰雹，也可能将强降水误识别为冰雹。

表3 冰雹预警指标历史回代结果统计

7 结论

（1）2003—2017年在青海东部农业区的14个站当中，化隆出现冰雹次数最多，其次为湟源和湟中，其中乐都、民和、循化、尖扎最少；冰雹站次呈现一年多一年少交替出现和逐年减少的趋势，雹灾次数呈现一年多一年少交替出现状态；冰雹和雹灾出现较多月均为5—9月，冰雹天气7月最多，冰雹灾害8月最多。

（2）高空垂直风切变与冰雹灾害天气的相关性比对流有效位能与冰雹灾害天气的相关性更好，在青海东部地区，0℃层高度变化对冰雹融化作用不明显。

（3）冰雹直径与ET的线性相关最强，其次是冰雹直径与回波强度的线性相关，冰雹直径与强回波高度的线性相关最弱；风暴顶部辐散正负速度差值对冰雹预警有意义，但与冰雹直径无明显相关性；垂直累积液态水含量和VIL值增量对冰雹预警有指示意义。

（4）不同冰雹云产生的闪电频次差别很大，同一块雹云中正闪次数越多，降雹直径越大。

（5）预警指标包括高空风切变、最大回波强度、ET、风暴顶部辐散正负速度差值、VIL、VIL值增量、负闪次数、正闪次数共9项。预警权重（B）值的预警区间为：当B≤26时，无冰雹；当26＜B≤37时，冰雹低概率预警；当37＜B≤55时，冰雹中等概率预警；当B＞55时，冰雹高概率预警。

（6）预警指标历史回代拟合率达86.9%，预警准确率为80%。预警指标对直径＜3 mm的冰雹预警能力偏弱，也可能将强降水误识别为冰雹。各项指标的权重（B）值可以继续通过业务应用和检验进行优化，以提高预警准确率。