黔東南地區(qū)冰雹天氣雷達(dá)臨近預(yù)警指標(biāo)研究

李路長，白 慧，楊勝忠，龍?zhí)鞆?qiáng)，周 艷

(貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000)

1 引言

冰雹是我國分布最廣的一種對流性災(zāi)害天氣［1］，也是貴州春季常見的災(zāi)害性天氣。貴州特別是貴州西部是冰雹頻發(fā)的地區(qū)［2］，然而近年來黔東南地區(qū)冰雹天氣過程出現(xiàn)多發(fā)態(tài)勢，僅2012—2013年就出現(xiàn)了多達(dá)10 次影響大、災(zāi)情重的冰雹天氣過程，給黔東南社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來較為嚴(yán)重的影響。近些年來，國內(nèi)外氣象工作者一直在研究強(qiáng)對流災(zāi)害天氣的短時(shí)臨近預(yù)警系統(tǒng)，并得出了適合當(dāng)?shù)氐呐R近預(yù)警指標(biāo)和方法［3－5］。由于黔東南新一代天氣雷達(dá)投入業(yè)務(wù)應(yīng)用僅有2 a 多時(shí)間，到目前為止還沒有氣象工作者總結(jié)出本地區(qū)的冰雹雷達(dá)回波特征和預(yù)警指標(biāo)。本文利用常規(guī)探空資料和新一代天氣雷達(dá)資料，從雷達(dá)在冰雹災(zāi)害天氣中的應(yīng)用角度出發(fā)，通過對2011年5月黔東南新一代天氣雷達(dá)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來的冰雹天氣個(gè)例進(jìn)行分析和總結(jié)，找出黔東南地區(qū)冰雹天氣雷達(dá)識(shí)別特征和預(yù)警指標(biāo)，為今后冰雹災(zāi)害短時(shí)臨近預(yù)警積累經(jīng)驗(yàn)和提供有價(jià)值的參考。

2 資料收集和資料整理

本文使用的資料主要為2012—2013年貴州省黔東南各縣市氣象局報(bào)告記錄的冰雹資料和黔東南新一代多普勒天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)反演得到的產(chǎn)品以及相應(yīng)的常規(guī)探空資料，對10 次冰雹天氣過程中共30 塊降雹云團(tuán)的回波形態(tài)、移動(dòng)路徑、風(fēng)暴最強(qiáng)回波強(qiáng)度dBzM、最強(qiáng)回波所對應(yīng)的高度HT、風(fēng)暴頂高TOP、0℃層距地面的高度、－20℃層距地面的高度等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，因收集到的地面降雹時(shí)間多為估計(jì)時(shí)間，冰雹降落到地面也需要一定時(shí)間等因素影響，所以分析時(shí)主要考察冰雹發(fā)生前10個(gè)體掃、冰雹發(fā)生時(shí)各次體掃和冰雹發(fā)生后4個(gè)體掃的雷達(dá)回波變化特征，提取可用于短時(shí)臨近預(yù)報(bào)和預(yù)警黔東南地區(qū)冰雹天氣的識(shí)別特征。

3 冰雹天氣過程概況

分析2012—2013年黔東南地區(qū)10 次影響范圍較廣、成災(zāi)較重的冰雹天氣過程(見表1)。由表1看出，10 次冰雹天氣過程中，有5 次強(qiáng)對流風(fēng)暴是由西北部移入黔東南，即由黔南甕安和福泉之間進(jìn)入黃平，然后東移快速發(fā)展、加強(qiáng)生成雹暴，由這條路徑移入的風(fēng)暴大多向偏東方向移動(dòng)，僅有一次向東南方向移動(dòng);有3 次對流風(fēng)暴由西南部進(jìn)入黔東南，即由黔南都勻附近進(jìn)入丹寨、雷山，然后向偏東北方向發(fā)展、增強(qiáng)成強(qiáng)對流風(fēng)暴產(chǎn)生冰雹天氣;有2次對流風(fēng)暴由西部進(jìn)入黔東南，即由黔南貴定和福泉附近進(jìn)入凱里，然后快速發(fā)展、加強(qiáng)成雹暴向東移動(dòng)產(chǎn)生冰雹。由西北部和西部進(jìn)入黔東南的對流風(fēng)暴產(chǎn)生的冰雹天氣影響范圍廣，西南部進(jìn)入黔東南的風(fēng)暴產(chǎn)生的冰雹主要影響黔東南南部地區(qū)。多數(shù)冰雹天氣發(fā)生在下午到上半夜，極少數(shù)發(fā)生在凌晨以后。

表1 2012—2013年黔東南地區(qū)冰雹天氣過程統(tǒng)計(jì)

4 冰雹天氣雷達(dá)短時(shí)臨近預(yù)警指標(biāo)分析

對黔東南地區(qū)10 次冰雹天氣過程產(chǎn)生冰雹的30個(gè)強(qiáng)風(fēng)暴的回波形態(tài)、最強(qiáng)回波強(qiáng)度dBzM、45 dBz 強(qiáng)回波伸展高度H45dBz、回波頂高與0℃層高度差(ET－H0)、最強(qiáng)回波高度與0℃層高度差(HTH0)、風(fēng)暴頂高與－20℃層高度差(TOP－H－20)、垂直液態(tài)累積含水量VIL、VIL 密度VILM、VIL 密度與(ET－H0)的乘積VILE 共9個(gè)識(shí)別因子進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表2)。

表2 2012—2013年黔東南地區(qū)冰雹識(shí)別因子統(tǒng)計(jì)特征

4.1 基本反射率因子形態(tài)和強(qiáng)度指標(biāo)分析

由表2 可知，30個(gè)回波單體形狀主要以片狀和塊狀為主，鉤狀和帶狀出現(xiàn)的頻次也較高;過程發(fā)生、發(fā)展前期主要以塊狀、鉤狀、帶狀為主，后期以片狀、塊狀為主。三體散射長釘(TBSS)特征出現(xiàn)了10 次，其中6 次地面出現(xiàn)了超過30 mm 的大冰雹;V型缺口特征出現(xiàn)了5 次，其中4 次伴隨著鉤狀特征的出現(xiàn)，同時(shí)地面降落20 mm 左右的大冰雹。利用同屏顯示方式顯示4個(gè)不同仰角的基本反射率因子圖，可以發(fā)現(xiàn)在降雹前均存在弱回波區(qū)WER，特別是大冰雹降落前具有寬闊的弱回波區(qū)特征。因此，將風(fēng)暴出現(xiàn)弱回波區(qū)WER 特征作為冰雹的預(yù)警參考條件。同時(shí)，所有冰雹云中的dBzM≥55 dBz，最小的為55 dBz，最大的為67 dBz，其中22個(gè)雹云(占73%)的dBzM 在55～65 dBz 之間，8個(gè)雹云dBzM＞65 dBz，因此將dBzM≥55 dBz 作為可能降雹的參考依據(jù)之一。

4.2 ET 和H45 dBz指標(biāo)分析

回波頂高是衡量對流風(fēng)暴發(fā)展強(qiáng)弱程度的重要標(biāo)志，它反映了云內(nèi)垂直上升氣流的強(qiáng)度，回波頂高越高，云內(nèi)上升氣流越強(qiáng)。分析圖1a 發(fā)現(xiàn)，降雹前ET 均在8 km 以上，最高達(dá)到19 km，90%的冰雹云ET 回波頂高在9～16 km 之間。因此，可將ET≥9 km定為有利于黔東南地區(qū)降雹的基本參考指標(biāo)之一。

圖1 冰雹云回波頂高(a)、45 dBz 強(qiáng)回波伸展高度(b)點(diǎn)聚圖

根據(jù)Smith 等［8］提出的云內(nèi)最初冰雹增長為中數(shù)體積水汽凝結(jié)體的直徑是0.4～0.5 cm 的理論，有學(xué)者得出“冰雹云初期等效雷達(dá)反射率因子為44 dBz”的結(jié)論［9］;湯興芝等［5］對利用45 dBz 強(qiáng)回波伸展高度作為冰雹指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和檢驗(yàn)。從圖1b看出:H45dBz最小為7.4 km，最大為14 km，其中在8.6 km 以上的有29個(gè)，占97%。因此，將H45dBz≥8.6 km 作為黔東南地區(qū)冰雹預(yù)警指標(biāo)之一。

4.3 ET－H0、HT－H0、TOP－H－20指標(biāo)分析

回波頂高與0℃層高度差反映了在0℃溫度層以上產(chǎn)生冰雹的對流風(fēng)暴發(fā)展程度，該高度差值越大，風(fēng)暴在0℃層以上發(fā)展越旺盛，形成大冰雹的概率越大。分析圖2a 可看出:ET－H0在4 km 以下的有1 塊，在4～6.5 km 之間的有5 塊，在6.5 km 以上的有24 塊，占80%。因此，選擇ET－H0≥6.5 km 作為黔東南地區(qū)冰雹預(yù)警指標(biāo)之一。分析圖2b 可知，HT－H0在－2～2 km 的有23個(gè)，說明最強(qiáng)回波高度伸展高越接近0℃層或超過0℃層一定的高度，降雹的可能性越大。因此，可選擇HT－H0≥－2 km 作為冰雹預(yù)警參考條件。分析圖2c 可知:大多數(shù)風(fēng)暴TOP－H－20在－1～5 km 之間降雹落點(diǎn)數(shù)有28個(gè)，在－1～3 km之間有23個(gè)，說明風(fēng)暴發(fā)展越接近或超過－20℃層高度，即風(fēng)暴頂高必須在－20℃層高度附近或以上時(shí)，降雹的概率越大。因此選擇TOP－H－20≥－1 km 作為冰雹預(yù)警參考條件。

圖2 冰雹云回波頂高與0℃層高度差(a)、冰雹云最強(qiáng)回波高度與0℃層高度差(b)、風(fēng)暴頂高與－20℃層高度差(c)點(diǎn)聚圖

4.4 VILM、VILE 指標(biāo)分析

由于垂直累積液態(tài)水含量VIL 容易受到季節(jié)、強(qiáng)回波傾斜、回波移速過大、雷達(dá)掃描策略等因素影響，導(dǎo)致VIL 值偏小。分析圖3a 可知，黔東南地區(qū)冰雹云的VILM 值范圍在2.07～5.91 g·m－3之間，其中VILM 值在2.5～5 g·m－3之間的雹暴有25個(gè)，占83%，在2.5 g·m－3及以下的3個(gè)，占10%，在5 g·m－3及以上的2個(gè)，占6.7%。因此，可將VILM值≥2.5 g·m－3作為冰雹預(yù)警參考指標(biāo)。分析圖3b可知，VILE 值在20～45 g·m－2之間的雹暴有23個(gè)，占77%，在20 g·m－2及以下的有3個(gè)，占10%，在40 g·m－2及以上的有4個(gè)，占13%。因此，可將VILE 值≥20 g·m－2作為冰雹預(yù)警參考指標(biāo)。

圖3 冰雹云VIL 密度(a)、VIL 密度與ET－H0 的乘積VILE(b)點(diǎn)聚圖

5 冰雹預(yù)警指標(biāo)回代檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)上文總結(jié)的冰雹預(yù)警指標(biāo)的性能，用2012年發(fā)生在黔東南地區(qū)的冰雹天氣過程對最強(qiáng)回波強(qiáng)度(dBzM)等8個(gè)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行回代檢驗(yàn)(見表3)?；卮鷻z驗(yàn)統(tǒng)計(jì)主要考慮預(yù)警的一個(gè)提前量，因此統(tǒng)計(jì)特征值是以每塊冰雹云下冰雹之前的第6～4個(gè)體掃得到的雷達(dá)回波為準(zhǔn)。由表3 看出:①dBzM≥55 dBz、ET≥9 km 作為黔東南地區(qū)冰雹預(yù)警指標(biāo)是合適的;②ET－H0≥6.5 km、HT－H0≥－2 km、TOP－H－20≥－1 km、VILM ≥2.5 g·m－3、VILE≥20 g·m－2作為預(yù)警指標(biāo)能很好的識(shí)別冰雹，但因回波頂高、最強(qiáng)回波高度、風(fēng)暴頂高易受到雷達(dá)掃描方式的嚴(yán)重影響，還需要更多冰雹個(gè)例進(jìn)行檢驗(yàn)和修正;③H45dBz≥8.6 km 在檢驗(yàn)中出現(xiàn)了一個(gè)個(gè)例不能識(shí)別。因此，考慮預(yù)警的一個(gè)提前量和檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值，將H45dBz修正為≥7.5 km 作為黔東南地區(qū)冰雹天氣預(yù)警指標(biāo)。

表3 2012年黔東南地區(qū)冰雹預(yù)警指標(biāo)回代檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表3 2012年黔東南地區(qū)冰雹預(yù)警指標(biāo)回代檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論與討論

①黔東南地區(qū)降雹回波形態(tài)以片狀和塊狀為主，降雹前均存在弱回波區(qū)WER，特別是大冰雹降落前具有寬闊的弱回波區(qū)特征，冰雹云的回波形態(tài)可以輔助預(yù)警人員進(jìn)行冰雹預(yù)警，當(dāng)出現(xiàn)弱回波區(qū)WER，特別是當(dāng)出現(xiàn)TBSS 或V 型缺口的時(shí)候，預(yù)警人員應(yīng)該立即發(fā)布大冰雹預(yù)警。

②10 次冰雹天氣過程大多數(shù)冰雹云具有以下特征:最強(qiáng)回波強(qiáng)度dBzM≥55 dBz，回波頂高ET≥9 km，45 dBz 強(qiáng)回波伸展高度H45dBz≥8.6 km，回波頂高與0℃層高度差ET－H0≥6.5 km，最強(qiáng)回波高度與0℃層高度差HT－H0≥－2 km，風(fēng)暴頂高與－20℃層高度差TOP－H－20≥－1 km，VIL 密度VILM≥2.5 g·m－3，VIL 密度與ET－H0的乘積VILE≥20 g·m－2。

③通過對個(gè)例回代檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn):最強(qiáng)回波強(qiáng)度dBzM≥55 dBz 和回波頂高ET≥9 km 作為黔東南地區(qū)冰雹預(yù)警指標(biāo)是合適的;回波頂高與0℃層高度差ET－H0≥6.5 km、最強(qiáng)回波高度與0℃層高度差HT－H0≥－2 km、風(fēng)暴頂高與－20℃層高度差TOPH－20≥－1 km、VIL 密度VILM≥2.5g·m－3、VIL 密度與ET－H0的乘積VILE≥20 g·m－2作為預(yù)警指標(biāo)能很好的識(shí)別冰雹，但還需要更多冰雹個(gè)例進(jìn)行檢驗(yàn)和修正;將45 dBz 強(qiáng)回波伸展高度H45dBz修正為≥7.5 km 作為黔東南地區(qū)冰雹天氣預(yù)警指標(biāo)。

④由于黔東南新一代天氣雷達(dá)投入業(yè)務(wù)應(yīng)用時(shí)間較短，冰雹災(zāi)害個(gè)例資料較少。因此，黔東南地區(qū)冰雹天氣預(yù)警閾值和指標(biāo)還需要在下一步的業(yè)務(wù)工作中進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)和修正。

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