基于雷达ROSE2.0 产品的一例大风冰雹天气过程诊断分析

刘 娜 马利柱 零 磊 周海霞

（1.白山市气象局，吉林白山 134300；2.吉林机场集团公司航务部延吉机场气象台，吉林延吉 133000）

1 引言

强对流天气一般是指伴随雷暴发生的冰雹、雷暴大风、短时强降水、龙卷风等天气，在世界范围内都有广泛的分布。 强对流天气也是我国的主要灾害性天气之一[1-6]，它的发生发展往往能给人们日常生活、农业、航空等带来巨大影响，由于尺度小、突发性强、局地性强、生命史短，这类天气不能用短期天气预报方法预报， 其预报仍是业务工作中的难点。吉林省东部处于长白山腹地，地形复杂，天气多变，是吉林省强对流天气多发地带。 强对流天气有效监测手段为卫星、雷达产品，特别是在0～2h 临近预报过程中，可以有效判断强对流天气类型和强度[7-9]。朱晓彤等[10]分析了吉林省东部山区近10a 暖季（4—9 月）出现的雷暴大风型、冰雹大风型、复合型等3 种类型的分类强对流个例，给出不同类型环境对流参数预报阈值。马洪波等[11]给出了吉林省近两年来典型冰雹个例预报预警指标。 李彦良等[12]利用风廓线雷达资料、探空资料、地面观测资料， 对风廓线雷达数据资料可用性进行检验评估， 分析冰雹天气发生发展过程中风廓线雷达资料物理量变化特征。 孙妍等[13]对吉林省短时强降水个例从时空分布特征、影响系统、大尺度环流背景特征以及中尺度天气分析等方面进行了较详细分析，并给出预报指标。本次降水过程是一次伴有雷电、短时强降水、冰雹和雷暴大风的多种强对流天气伴随发生过程， 研究本次风雹天气过程，结合雷达ROSR2.0 产品相关预报预警指标产品，给出相应预报指标，为进一步提高临近预报预警能力提供有利技术支撑。

2 天气实况及灾情

2022 年7 月9 日11—14 时， 受深厚东北冷涡影响，吉林省东南部出现风雹天气，其中靖宇县出现短时强降水，7 月9 日11—12 时小时降水量为38.4mm（图1a）。靖宇县、浑江区、临江市多个乡镇出现冰雹天气， 据浑江区抹脖子山市民收集冰雹最大直径达46mm。 11—14 时多地出现雷暴大风天气，最大瞬间风力出现在靖宇站，为21.1m/s，达到阵风9 级标准（图1b）。 受风雹天气影响，灾害造成局地作物倒伏，豆类、玉米、蔬菜等农作物不同程度受灾。 本文针对此次罕见风雹天气过程进行总结， 给出此次强对流天气出现的环境背景和预报指标， 进一步凝练新一代天气雷达ROSE2.0 产品监测预警强对流风暴预警指标，为防灾减灾提供有利技术支撑。

图1 2022 年7 月9 日11—14 时降水量（a）、极大风速（b）分布

3 环流背景场特征分析

3.1 形势背景场分析

2022 年7 月9 日08 时500hPa（图2a）吉林省中东部中高纬度为东北冷涡底前部第四象限控制，温度槽超前于高度槽，低涡内有暖平流和负的热成风涡度平流，低涡处于减弱阶段。低涡底部对应850hPa 西南风急流，西南急流一方面提供源源不断的水汽和潜热能，另一方面与高层500hPa 涡后干冷平流叠加，形成上干冷下暖湿结构，有利于不稳定层结建立。同时低层急流头部风向、风速辐合和与西北风构成的冷式切变线为降水提供较好的动力抬升机制。从海平面气压场与925hPa 风场叠加（图2b）可以看出，吉林省东南部处于地面锋面气旋冷锋前部暖区内， 该气旋在高空引导气流作用下将向东北移动。同时从925hPa 风场还可以看出，在吉林省东南部地区存在风向风速辐合，超低风场辐合一方面为短时暴雨提供了充足的动力条件， 另一方面有利于超低空对流不稳定层结的建立和维持， 也是超低空上升气流的建立者和对流不稳定能量释放的触发者。

图2 2022 年7 月9 日08 时500hPa 高度场（a，黑色实线，单位：dagpm）、850hpa 温度场（a，红色点线，单位：℃）和850hPa风场（a，蓝色风向杆，单位：m/s）；海平面气压场（b，黑色实线，单位：hPa）和925hPa 风场（b，蓝色风向杆，单位：m/s）

3.2 物理量特征分析

从物理量产品诊断分析可知，7 月9 日11 时700hPa（图3a）大尺度垂直上升速度中心处于吉林省东部靖宇县、抚松县境内，为强天气产生提供了有利动力条件。 11 时前无降水，太阳辐射作用大气能量有个集聚过程，从11 时CAPE（图3b）产品来看，高能舌为东北—西南走向，能量梯度较大，对流有效位能最大中心值超过2 000J.kg-1，能量舌头部梯度大值区处于吉林省东南部地区， 为强天气产生提供了有利的对流不稳定能量。

图3 2022 年7 月9 日11 时700hPa 垂直速度（a，单位：Pa/s）、CAPE（b，单位：J/kg）分布

配合11 时KI 指数（图4a）来看，在吉林省东南部地区KI 指数大值中心超过40℃，且高能舌走向与CAPE 基本一致， 吉林省东南部地区处于KI指数梯度大值区头部，此次高温高湿，与冷涡后部干冷空气作用，有利于强天气的产生。 从11 时大气整层可降水量来看（图4b）整层大气可降水量在30mm 左右。

图4 2022 年7 月9 日11 时KI 指数（a，单位：℃）和整层大气可降水量PW（b，单位：mm）分布

11 时850hPa 比湿（图5a）与风场配合一致，呈东北—西南带状分布， 比湿头部舌区伸向吉林省东部地区，最大值中心达12g/kg，水汽充沛，且从水汽通量和水汽通量散度（图5b）配合也可以看出，在吉林省东部地区随着低层风向风速辐合，存在明显水汽通量辐合中心， 为强天气产生提供了较好的水汽条件。

图5 2022 年7 月9 日11 时850hPa 比湿（a，单位：g/kg）和水汽通量及水汽通量散度（b，单位：s-1）

4 雷达ROSE2.0 产品特征分析

4.1 雷达ROSE2.0 基数据产品

7 月9 日10:00—11:00 在辉南县境内有强对流单体不断生成， 强度加强并东移。 11 时24 分0.5°仰角（图6a）雷达反射率因子产品上，强对流单体回波在靖宇县境内在有利的天气环境背景下进一步加强，中心最大值达到62dBz，结合同时次CAPPI 雷达产品（图6b）分析可知，最大反射率因子达到63.5dBz。 在图6a 红框区域（图6c）进行剖面分析，强对流风暴系统深厚，整层发展较高，风暴核区在4～6km，其中心55～60dBz 强回波发展高度接近6km，反射率因子强度，及强反射率因子发展高度均达到冰雹预报预警指标， 且强对流风暴在靖宇县境内进一步加强，移动缓慢，有利于强对流天气的产生。

图6 2022 年7 月9 日11 时24 分0.5°仰角雷达反射率因子（a）、CAPPI 雷达产品（b）、a 图红框区域剖面（c）、11 时29 分雷达速度场回波（d）

本次降水过程中伴随雷暴大风天气， 最大瞬间风力出现在靖宇站，为21.1m/s，达到阵风9 级标准。从11:29 雷达速度场回波（图6d）可知，由于雷暴大风区域距离雷达直线距离在80km 左右，0.5°仰角速度场探测靖宇县附近风场情况实际距离地面高度较高， 与实际地面产生的大风有一定差距， 但从0.5°仰角速度场仍可以看出红框产生大风区域内，负速度最大值达17.5m/s，风速仍较大， 有可能出现地面大风。 同时由于降水强度较强，降水重力拖曳作用也有利于地面大风的产生。

4.2 雷达ROSE2.0 二次产品

新一代天气雷达PUP 软件升级为雷达PUP ROSE2.0， 产品经过双偏振算法后精度进一步提升。从组合反射率因子CR（图7a）可以看出，11:24在靖宇县上游出现多单体强对流风暴， 风暴边界清晰，多单体风暴有3 个较强中心，其中在靖宇县上空风暴中心强度较强， 通过雷达双偏振算法质控后，强度中心最大值达73.5dBz，且回波值分布梯度较大。从11 时24 分TOPs 回波顶高产品可以看出（图7b），靖宇上空强对流回波中心发展高度较高，最大回波顶高达到16km 左右，且回波顶高度分布梯度较大，均表明强回波强度较强，有利于强对流天气产生。

图7 2022 年7 月9 日11:24 组合反射率因子（a）、回波顶高（b），11:41 垂直累积液态水含量（c），11:46 风暴追踪产品（d）

结合11 时41 分Vil （垂直累积液态水含量）雷达二次产品分析（图7c），在靖宇县境内经过雷达双偏振算法计算的Vil 最大值达到54kg/m2，远远大于冰雹预报阈值指标， 且Vil 大值区在两个体扫时次存在急速下降， 也满足冰雹降水雷达指标。 通过11:46 影响靖宇县境内的单体风暴X0 风暴追踪产品显示（图7d），X0 强回波发展最大高度在12km 左右，回波中心高度一般在3～6km。11:20强降雹概率达到100%；11:00—11:30 之间Vil 整体变化不大，数值均在54kg/m2，是冰雹预报预警一个较好指标；11:00—11:40 反射率因子最大值基本都在60dBz 左右， 也是大冰雹重要预报预警指标。

4.3 雷达ROSE2.0 报警产品

为了提高雷达监控软件应用性能， 新一代天气雷达PUP 软件升级为雷达PUP ROSE2.0，系统升级后增加雷达UAM 报警产品，针对报警产品在本次强对流天过程中进行应用检验。 本次短时强降水主要发生在9 日11—12 时，从OHP（1 小时降水量）分析，通过向上过滤设置将降水只显示≥20.0mm 以上降水， 在靖宇县附近出现20.0mm 以上降水区域，且与实况短时强降水区域基本重合。从降水量级来看，OHP 最大降水量75.0mm， 实际产生最大小时降水量为38.4mm。 本次OHP 强降水位置预报基本准确，最大量级预报明显偏大。

由于强降水重力拖曳作用，在11:40—12:10，靖宇县还出现9 级以上局地阵风天气。 从UAM thunderstrom 产品分析，在11:52 靖宇县和辉南县交界处出现19m/s 的雷暴大风预警区域， 预警范围与实际有偏差，强度也有偏差，且通过其他时次UAM thunderstrom 产品分析， 雷暴大风预警区域较多，且空警率较高，在实际产生雷暴大风区域并没有很好的指示。 本次过程UAM thunderstrom 预警位置和强度均有偏差， 今后工作仍需进一步总结改进其预警能力。

本次强对流天气过程还产生了直径≥2cm 的大冰雹，冰雹落区也在靖宇县境内。从11 时35 分UAM hail 冰雹预警产品可以看出，在靖宇县、江源区、抚松县境内均有冰雹预警，其中靖宇县境内预警与实况冰雹产生区域基本接近，而在江源区、抚松县境内冰雹预警出现空警现象。从HI 冰雹指数产品来看，在靖宇县境内报出3cm 冰雹指数，与实际冰雹发生区域和强度基本接近， 而在江源区境内报出2cm 冰雹指数、抚松县境内报出3cm 冰雹指数，均出现大范围冰雹空报现象。

5 结语

（1）此次风雹天气过程，吉林省中东部中高纬度为东北冷涡底前部第四象限控制， 温度槽超前于高度槽， 低涡内有暖平流和负的热成风涡度平流，低涡处于减弱阶段。850hPa 西南风急流一方面提供源源不断的水汽和潜热能， 另一方面与高层500hPa 涡后干冷平流叠加， 形成上干冷下暖湿结构，有利于不稳定层结建立。 地面处于锋面气旋冷锋前部暖区内，925hPa 在吉林省东南部地区存在风向风速辐合， 超低风场辐合一方面为强对流天气提供充足的动力条件， 另一方面有利于超低空对流不稳定层结的建立和维持， 也是超低空上升气流的建立者和对流不稳定能量释放的触发者。

（2） 此次风雹天气不稳定能量指标远超过吉林省强对流预报指标，ki 指数达到40℃，CAPE 对流有效位能最大中心值超过2 000J/kg， 高能舌为东北—西南走向，能量梯度较大，能量舌头部梯度大值区处于吉林省东南部地区， 为强天气产生提供有利的对流不稳定能量。 850hPa 比湿最大值中心达12g/kg，且低层风向风速辐合，不仅为有利于低层水汽输送和辐合中心， 同时也提供强天气所需的动力条件。

（3）雷达最大反射率因子达到63.5dBz，风暴核区在4～6km， 其中心55～60dBz 强回波发展高度接近6km；TOPs 最大回波顶高达到16km 左右， 且回波顶高度分布梯度较大；Vil 最大值达到54kg/m2，均有利于强对流天气产生。

（4）检验雷达PUP ROSE2.0 UAM 报警产品，从降水量级来看，OHP 最大降水量75.0mm， 实际产生最大小时降水量为38.4mm， 本次OHP 强降水位置预报基本准确， 最大量级预报明显偏大。UAM thunderstrom 雷暴大风预警区域较多， 且空警率较高， 在实际产生雷暴大风区域并没有很好的指示； 本次过程UAM thunderstrom 预警位置和强度均有偏差。 UAM hail 冰雹预警产品和HI 冰雹指数在实际产生冰雹区域均有预警产品， 但存在冰雹命中率较低，空报率较高问题。相关预警产品还存在一定不足， 今后工作仍需进一步总结改进其预警能力。