邵陽市多普勒雷達產(chǎn)品在人工防雹中的應用

陳青 唐佐陽 呂校華 唐婭瓊 楊科

摘要：利用湖南省邵陽市2012—2017年多普勒雷達資料和冰雹災害資料，選取7次冰雹天氣過程進行統(tǒng)計，并總結出形成冰雹的幾個預警指標，包括存在≥60 dBz強回波，且水平尺度≥15 km;存在高懸垂的反射率因子值（≥50 dBz），強反射率因子高度≥-20 ℃層高度;垂直累積液態(tài)含水量（VIL）≥40 kg/m2維持30 min以上;1個體掃VIL激增10 kg/m2，VIL最大值≥40 kg/m2;速度場上有中氣旋、逆風區(qū)等一種特征或幾種特征。而三體散射長釘、鉤狀、帶狀、弓形等回波特征可作為輔助指標快速識別冰雹并發(fā)出預警。利用這些指標對2017—2018年發(fā)生的冰雹天氣過程進行了試報，應用效果很好，預警指標在人工防雹工作中發(fā)揮了重要作用。

關鍵詞：冰雹災害;多普勒雷達;特征分析;預警指標;人工防雹;邵陽市

中圖分類號：S166? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）21-0097-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.21.020

Abstract： The doppler radar data and hail disaster data of Shaoyang city，Hubei Province from 2012 to 2017 were used to select 7 hail weather processes for statistics， and several warning indicators of hail formation were summarized. Warning indicators include that there is strong echo of 60 dBz， and the horizontal scale is more than 15 km; There is high overhang of reflectivity values （50 dBz or higher）， strong reflectivity height -20 ℃ or higher layer height; More than 40 kg/m2 VIL maintain more than 30 minutes; VIL surges by 10 kg/m2 for 1 individual sweep， and the maximum value of VIL is greater than or equal to 40 kg/m2; The velocity field has a cyclone， headwind zone and other characteristics or several characteristics. Three-body scattered spike， hook， strip， bow and other echo characteristics can be used as auxiliary indicators to quickly identify hail and give early warning. These indicators have been applied to the trial report of the hail weather process from 2017 to 2018， and the early warning indicators have played an important role in the artificial hail prevention work.

Key words： hail disaster; doppler radar; feature analysis; early warning indicators; artificial hail prevention; Shaoyang city

邵陽市位于湘西南，地形以丘陵為主，南部和西部多山地，地勢由西南向東北傾斜。受雪峰山脈、南嶺山脈、衡邵盆地的影響，中小尺度天氣系統(tǒng)頻繁發(fā)生，是湖南省冰雹災害較為嚴重的地區(qū)之一。在近? ?5年（2012—2017年）氣象災害經(jīng)濟損失比例中，大風、冰雹災害成為僅次于洪澇、干旱災害的第三大氣象災害。近年來，對冰雹特別是大冰雹事件的個例分析研究比較多[1-5]，但對多次冰雹過程的總結分析不多。本研究對有雷達資料的冰雹過程進行對比分析，嘗試分析研究出切實好用的冰雹預警指標，為邵陽市的人工防雹工作提供重要科技支撐，使冰雹災害造成的損失降到最低。

1? 降雹特征分析

2012年起，邵陽市雷達正式運行數(shù)據(jù)資料。根據(jù)對邵陽市2012—2017年出現(xiàn)的7次災害性冰雹過程進行統(tǒng)計分析（表1），為敘述簡單起見，按冰雹發(fā)生時間順序分別編號為“20120410”“20120412”“20130319”“20130323”“20140326”“20170419”“20170503”（數(shù)字依次表示年、月、日），可得：①降雹區(qū)分布差異明顯，隆回縣和邵陽縣出現(xiàn)冰雹次數(shù)最多，并呈現(xiàn)出“點”“線”兩種分布特征，具體而言，“20130319”“20140326”和“20170419”表現(xiàn)出“點”的特征，只影響2～3個鄉(xiāng)鎮(zhèn);其余4次降雹過程表現(xiàn)出“線”的特征，冰雹移動路徑呈西—東線狀、西南—東北線狀等曲線狀，影響5個以上鄉(xiāng)鎮(zhèn)。②從對500、700、850 hPa形勢場和地面圖分析來看，邵陽市冰雹天氣多發(fā)生在500 hPa高空槽前背景下;700 hPa均有低空急流發(fā)展，一般冰雹天氣多發(fā)生在700 hPa急流左側及前側;從850 hPa看，有5次過程均有急流與切變線的配合，有2次過程發(fā)生在南風背景下，有1次過程發(fā)生在急流背景下;從地面圖來看，有6次過程均發(fā)生在低壓倒槽與輻合線背景下，僅有1次過程出現(xiàn)在低壓。③降雹過程大都伴隨雷雨大風、短時強降雨等強對流天氣。④冰雹出現(xiàn)時段大多出現(xiàn)在下午至傍晚，多達5次，僅2次出現(xiàn)在夜間20：00以后，其中以17：00左右出現(xiàn)次數(shù)最多，這主要是由于午后太陽直接輻射強烈，地面升溫迅速，地面輻射與太陽直接輻射使低層大氣增溫較快，氣層不穩(wěn)定導致的強對流天氣。

從以上冰雹發(fā)生的時空上可以看出，邵陽市降雹季節(jié)性非常明顯，基本上出現(xiàn)在春季，每年的3月和4月為冰雹發(fā)生高峰期。造成這種明顯的季節(jié)性和月變化差異主要是因為降雹與副高、極鋒急流及其鋒系位置的季節(jié)性變化密切相關。隆回縣處于雪峰山脈余脈，邵陽縣位于衡邵盆地，受其影響，這兩個地方是邵陽市冰雹的多發(fā)區(qū)。

2? 環(huán)流背景特征

分別分析7次過程的500、700、850 hPa形勢場和地面形勢，可得邵陽市冰雹天氣多發(fā)生在500 hPa高空槽前背景下;700 hPa均有低空急流發(fā)展，且多發(fā)生在700 hPa急流左側及前側;850 hPa環(huán)流場上有4次過程急流與切變線的配合，有2次過程發(fā)生在南風背景下，有1次過程發(fā)生在急流背景下;地面形勢上有6次過程發(fā)生在低壓倒槽與輻合線背景下，僅有1次過程出現(xiàn)在低壓。

3? 降雹過程雷達產(chǎn)品分析

3.1? 基本反射率特征

分析基本反射率產(chǎn)品可得，7次降雹過程最大反射率因子強度均在60 dBz以上（圖略），降雹前30 min最大反射率因子強度也均在55 dBz以上。因為7次冰雹過程均為移動型的（自西向東或自西南向東北移動），在源地就有強回波（大于50 dBz），且強回波一邊移動一邊發(fā)展，持續(xù)時間很長，因此7次冰雹過程在降雹前30 min和降雹時的最大反射率因子值均較大。

從基本反射率垂直剖面圖（圖1）可見，“20120410”冰雹過程的強回波核高度（60 dBz回波所達到的高度）在6～9 km，而“20130322”冰雹過程的強回波核高度更是高達9 km以上;其余5次冰雹過程的強回波核高度也均在6 km以上（圖略）?？梢姡?次降雹過程強回波核高度均在6 km以上，即≥-20 ℃層高度。

綜上所述，基本反射率大于60 dBz，強回波核高度≥-20 ℃層高度可作為邵陽市災害性冰雹預警的指標之一。

3.2? 回波形狀

分析幾次降雹過程的雷達回波形狀（圖2）可得，“20120410”“20170419”冰雹過程為鉤狀回波、“20130319”冰雹過程為帶狀回波，“20170503”冰雹過程為弓形回波;其余3次冰雹過程回波無明顯特征。其中弓形回波中大于50 dBz的水平尺度大于60 km，帶狀回波的水平尺度大于30 km，鉤狀回波和無明顯特征回波的水平尺度大于15 km。

可見，鉤狀回波和無明顯特征回波出現(xiàn)概率較高，但回波的水平尺度相對小一些，此類回波出現(xiàn)冰雹災害的水平尺度指標可定為≥15 km;弓形回波和帶狀回波雖然出現(xiàn)的較少，但其回波的水平尺度較大，此類回波出現(xiàn)冰雹災害的水平尺度指標可定為≥30 km。

3.3? 三體散射

三體散射是指雷達能量在強反射率因子區(qū)向前散射而形成的異常回波，常呈類似細長釘子狀從強回波區(qū)沿徑向伸展，是大冰雹存在的充分非必要條件。從圖3可見，邵陽市7次降雹過程有4次出現(xiàn)了明顯的三體散射，大致出現(xiàn)在2.4°～4.3°這幾個仰角上，“20130319”“20140326”“20170503”過程沒有識別出明顯的三體散射。因此三體散射現(xiàn)象可以作為邵陽市冰雹預警輔助指標使用。

3.4? 速度特征

分析幾次降雹過程的速度場特征可見，“20120410”冰雹過程在18：22時0.5°仰角有氣旋性風場輻合，18：40時有風向輻合并能識別出中氣旋（圖4a）;“20120412”冰雹過程在0.5°仰角存在逆風區(qū)并能識別出中氣旋（圖4b）;“20130319”冰雹過程在4.3°仰角有氣旋性風場輻合并能識別出中氣旋（圖4c）;“20130322”冰雹過程在2.4°仰角有氣旋性風場輻合并能識別出中氣旋（圖4d）;“20140326”冰雹過程在1.5°仰角有風向輻合并能識別出中氣旋（圖4e）;“20170419”冰雹過程在1.5°仰角存在逆風區(qū)并能識別出中氣旋（圖4f）;“20170503”冰雹過程在0.5°速度圖上可以看出，隆回縣境內弓形回波后側存在強入流急流，在入流急流前側存在一中層徑向輻合區(qū)（MARC），其徑向速度差值為25～29 m/s（圖4g）。

可見，邵陽市的雹災在雷達徑向速度上往往伴隨有風向輻合、氣旋性風場輻合、中尺度氣旋、逆風區(qū)等強的中小尺度天氣特征。因此，速度場中的風向輻合、氣旋性風場輻合、逆風區(qū)可作為冰雹天氣識別與預警的參考指標，而中氣旋可以作為邵陽冰雹預警輔助指標使用。

3.5? 垂直累積液態(tài)含水量

分析垂直累積液態(tài)含水量（VIL）產(chǎn)品可得，有6次過程降雹VIL最大值≥40 kg/m2，并維持30 min以上;有1次過程VIL 1個體掃激增10 kg/m2（1個體掃從23 kg/m2增加到35 kg/m2），其VIL最大值仍達到40 kg/m2以上。因此，VIL≥40 kg/m2維持30 min以上或1個體掃VIL激增10 kg/m2，VIL最大值≥40 kg/m2可作為冰雹預警的一個重要指標。

4? 冰雹災害的綜合預警指標

通過以上的分析，可以總結出冰雹災害的幾個預警指標：①≥60 dBz強回波;②三體散射;③高懸垂的反射率因子值（≥50 dBz），強反射率因子高度≥-20 ℃層高度：④鉤狀回波、帶狀回波、弓形回波等，水平尺度≥15 km;⑤VIL≥40 kg/m2維持30 min以上或者1個體掃VIL激增10 kg/m2，VIL最大值≥40 kg/m2;⑥中氣旋、風向輻合、氣旋性風場輻合、逆風區(qū)等。

不同的冰雹災害在雷達回波特征上有明顯的差別，因此多個預警指標的聯(lián)合使用十分必要。比如：當雷達回波中心強度達到60 dBz（指標①），則要密切關注其變化，若回波水平尺度和垂直尺度不斷增大，出現(xiàn)了指標③⑤⑥，則預示發(fā)生冰雹的可能性很大，此時應考慮發(fā)布冰雹預警信號;若出現(xiàn)了指標②應立即發(fā)布冰雹預警信號。

5? 冰雹云雷達預警判別指標在人工防雹中的應用及防雹效果

根據(jù)以上4個方面對冰雹云的特征分析統(tǒng)計得出雷達定量判別指標，通過在2017—2018年人工防雹工作中的應用，發(fā)揮了重要作用，產(chǎn)生了較好的效果。

5.1? 案例一

從2017年4月19日17：39邵陽市多普勒雷達3.4°基本反射率因子圖（圖5）可以看出，此時在武岡市與邵陽縣交界地區(qū)有一塊超級單體，有明顯的三體散射長釘TBSS、旁瓣回波、中高層懸垂回波等回波特征，≥60 dBz強回波發(fā)展高度高，呈明顯的冰雹云回波特征，并且這一超級單體快速向邵陽縣的黃亭市鎮(zhèn)、白倉鎮(zhèn)方向移動，邵陽市人工影響天氣辦公室將這一情況及時通報給邵陽縣白倉炮點，讓其做好作業(yè)準備，17：57～17：59，白倉炮點采取前傾梯度射擊組合對冰雹云前部上升氣流區(qū)進行了人工影響作業(yè)，發(fā)射高炮彈40發(fā)，一會兒炮點及周圍就下起了較大顆的冷陣雨，此次降水量3.6 mm，東南風3～4級，18：10雷達回波顯示超級單體已明顯減少并逐漸散開。4月20日8：57～8：59白倉炮點又對停留在炮點上空的對流云層開展了作業(yè)，發(fā)射炮彈20發(fā)，降水25.9 mm。通過災情調查，防雹區(qū)域內老百姓普遍反映效果好，農(nóng)作物沒受大風、冰雹影響，而不在防雹區(qū)域內的黃亭市鎮(zhèn)，此次冰雹災害造成直接經(jīng)濟損失260多萬元。

5.2? 案例二

從2017年5月3日雷達回波反射率因子產(chǎn)品上（圖6）可以看出，0.5°上有弓形回波復合體，在弓形回波前沿有高反射率因子梯度、后側有弱回波，從0.5°速度圖上可以看出，洞口縣在境內弓形回波的后側存在強的入流急流，其徑向速度最大值為-24 m/s，同時有中氣旋，隆回縣境內弓形回波后側存在強入流急流，在入流急流前側存在一中層徑向輻合區(qū)MARC，其徑向速度差值為25～29 m/s，從實況來看，會在弓形回波附近出現(xiàn)雷雨大風和冰雹。

2017年因當?shù)卣脑蚵』乜h沒有部署人工影響防雹工作，5月3日這一過程造成六都寨、荷田、巖口等鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭遇了雷雨大風、冰雹等強對流天氣，受災最嚴重的是巖口鎮(zhèn)，境內農(nóng)作物大面積受災，其中，邱家村2.3 hm2葡萄園，油麻村5.3 hm2以上的烤煙，龍井村1.3 hm2以上的烤煙，龍水煉村0.7 hm2水稻秧田、3.5 hm2玉米、2.7 hm2烤煙，楓井坪村14.0 hm2烤煙，馬家橋村15.3 hm2烤煙，興隆村1.3 hm2以上的烤煙。此次強對流天氣過程使烤煙、葡萄和水稻等農(nóng)作物受到嚴重破壞，損失200萬元左右。而與隆回縣、武岡市鄰近的邵陽縣白倉鎮(zhèn)煙葉防雹區(qū)，炮點根據(jù)邵陽市人工影響天氣辦公室指令于17：15～17：17開展了防雹作業(yè)，發(fā)射炮彈20 min，作業(yè)區(qū)域只下了冷陣雨，農(nóng)作物未受影響，防雹效果非常好。

5.3? 案例三

2018年3月4日17：00～19：00，邵陽縣、武岡市、綏寧縣、洞口縣多地發(fā)生雷暴大風、冰雹等強對流天氣，最大冰雹20～30 mm，約湯圓大小，造成邵陽縣部分大棚被砸穿，煙苗、油菜等農(nóng)作物受損;造成武岡市多處房屋受損，直接經(jīng)濟損失達351萬元。因邵陽市雷達出現(xiàn)故障，部分資料缺失，故引入鄰近的永州市雷達資料進行分析。由圖7可知，3月4日18：18開始探測到中氣旋，持續(xù)6個體掃，靠近雷達的過程中，出現(xiàn)了旁瓣回波。對邵陽市雷達資料進行分析（圖8），18：37雷達6.0°仰角有明顯的TBSS，且速度圖上有逆風區(qū)，意味風暴維持或發(fā)展?？梢姶舜螐妼α魈鞖膺^程當時的雷達回波冰雹云特征非常明顯，本可以避免或減輕災害損失，遺憾的是3月底前邵陽市的人工防雹工作還沒部署到位。

6? 思考與建議

1）邵陽市是湖南省重要的煙葉生產(chǎn)區(qū)、同時又是發(fā)生冰雹災害較為嚴重的地區(qū)之一。受局地地形地貌和氣候的影響，每年的3—5月易發(fā)生強對流天氣產(chǎn)生單體或多體冰雹云，每次過程發(fā)生的時間短、速度快，預報難度大，這就要求對冰雹雷達回波特征、定量指標、判別指標分析要及時，在人工防雹作業(yè)的時間上要求快速高效。目前邵陽市人工防雹作業(yè)主要依靠雷達回波下達人工影響作業(yè)指令，所以研究分析冰雹雷達特征及判別指標、定量指標對于防雹工作具有非常重要的實際意義，其效果在2017—2018年防雹作業(yè)過程中得到了很好檢驗。

2）從近幾年人工防雹工作中也發(fā)現(xiàn)了許多不足。一是各地對人工防雹工作重視程度有很大差異，表現(xiàn)在有的縣不是每年會安排這項工作，這給全市人工防雹工作的聯(lián)防多點布局造成一定難度。二是冰雹發(fā)生從3月初就開始了，因各種原因邵陽市的防雹工作每年要到3月底才能部署到位，從而導致了3月冰雹災害不可避免，老百姓意見大。

3）人工防雹工作必須得到各級領導的重視，作為人工影響作業(yè)單位要充分應用雷達資料，通過及早識別、聯(lián)防多點布局、早期作業(yè)，這樣才會產(chǎn)生較好的防雹效果。

參考文獻：

[1] 張? 釗，張俊利.一次冰雹過程的雷達回波特征分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2012（20）：271-273.

[2] 周長青，徐冬英，徐靖宇，等.2016年春季湖南一次連續(xù)冰雹天氣過程個例分析[J].氣象研究與應用，2017，38（4）：22-26.

[3] 葉愛芬，伍志方，程元慧，等.一次春季強冰雹天氣過程分析[J].氣象科技，2006，34（5）：583-586.

[4] 趙俊榮，郭金強，楊景輝，等.一次致災冰雹的超級單體風暴雷達回波特征分析[J].高原氣象，2011，30（6）：1681-1689.

[5] 胡? 勝，羅? 聰，張? 羽，等.廣東大冰雹風暴單體的多普勒天氣雷達特征[J].應用氣象學報，2015，25（1）：57-65.