熊 偉，周明飛，周永水，童碧慶

(貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

雷達資料對貴州春季冰雹云識別初探

熊 偉，周明飛，周永水，童碧慶

(貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

利用2004年以來有雷達數據的25個貴州春季冰雹個例資料，基于貴陽、遵義和興義3部天氣雷達基數據，計算雷達回波頂高(ET)、垂直累積液態(tài)水含量(VIL)、組合反射率因子(CR)、制作反射率因子垂直剖面(RCS)產品，研究冰雹發(fā)生前后雷達回波的演變情況，找出冰雹發(fā)生前后以上產品的臨界值和變化特征，從而對冰雹云進行雷達識別。經過對個例的分析研究發(fā)現(xiàn)：45 dBz以上的雷達回波能較好地識別冰雹云，結合0℃層高度和-20℃層高度，可較好的判斷冰雹的大小;冰雹發(fā)生前1～2個體掃到冰雹發(fā)生時刻，VIL出現(xiàn)陡增現(xiàn)象。

冰雹;回波頂高;垂直累積液態(tài)水含量;組合反射率因子;垂直剖面

1 引言

冰雹是貴州春季常見的災害性天氣，每年給貴州帶來嚴重的經濟損失，人民生命和財產安全受到嚴重的危害。對其進行準確的預報和預警是各級政府和社會公眾的迫切需求，也是公共氣象服務的重點。但是，由于冰雹天氣局地性明顯、發(fā)生突然、持續(xù)時間短的特點，準確預報冰雹天氣在目前的技術上存在很大的困難。針對冰雹天氣的預報，目前國內外主要是通過冰雹天氣的概念模型建立短期冰雹潛勢預報方法，給出冰雹天氣的展望。在冰雹的臨近預報和預警方面，國內外基于多普勒天氣雷達開展了大量的研究工作，而且取得了明顯的成效。

目前貴州對于冰雹的臨近預報和預警研究工作還處于初步階段，做好貴州春季冰雹的預報和預警，需要對貴州冰雹天氣做大量基礎性的研究工作，本文主要從雷達在冰雹天氣中的應用角度出發(fā)，通過對個例的統(tǒng)計分析，找尋貴州春季冰雹的雷達識別指標。

關于冰雹天氣的雷達識別，湯興芝［1］對宜昌地區(qū)進行了統(tǒng)計分析，指出利用45 dBz雷達強回波高度可較好地識別冰雹云，且降雹前45 dBz回波頂高會出現(xiàn)躍增現(xiàn)象并有一定的提前量。李金輝［2］等利用45dBz雷達強回波高度和降雹日08時月平均0℃層高度對寶雞地區(qū)冰雹云進行識別和預警。俞小鼎［3］等指出，如果-20℃等溫線對應的高度之上有超過45dBz的反射率因子核，則有可能產生大冰雹。以上的研究主要是針對CINRAD/SA或CINRAD/CB雷達進行的，本文基于貴州CINRAD/CD型雷達體掃基數據，分別計算ET、VIL、CR 3種常用的雷達參量，利用雷達反射率因子任意垂直剖面做出垂直剖面產品，結合0℃層高度和-20℃層高度以及45dBz雷達回波高度，綜合分析貴州春季冰雹發(fā)生前后的演變情況，從而為冰雹云的識別提供一定的參考。

2 資料來源與研究方法

本文選取2004年以來25個冰雹個例(個例信息見表1)及貴陽、遵義和興義3部天氣雷基數據作為研究資料，對雷達資料進行三維數字化處理，反算雷達組合反射率因子、雷達回波頂高、垂直累積液態(tài)水含量，然后進行統(tǒng)計分析。通過對雷達反射率因子任意方向的垂直剖面分析，得到45 dBz雷達強回波高度，與0℃層高度和-20℃層高度進行對比分析。

2.1 回波頂高識別冰雹云

回波頂高是在≥18dBz反射率因子被探測到時，顯示以最高仰角為基礎的回波頂高度(沒有進行插值處理)［4］。本文為了便于分析研究，回波頂高采用≥20dBz反射率因子的最高高度(進行了插值處理)。通過對雷達反射率因子做垂直剖面分析，可近似地得到雷達回波的頂高。

冰雹云中上升氣流較強，隨著氣流的上升，回波不斷向上伸展，因此冰雹云回波的高度一般比其它對流云回波高度要高，對研究個例統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：貴州春季冰雹云降雹前1～2個體掃回波頂高在5.5 km以上，7 km及以上占84.0%，最大達17 km;降雹時刻均在6 km以上，8 km及以上占92.0%，最大達20 km(圖1)。

圖1 25次冰雹個例雷達回波頂高統(tǒng)計

由此可見，雷達回波頂高可作為識別冰雹云的一個輔助條件，如果雷達回波頂高在5km以上，要密切關注是否有冰雹云的發(fā)展。

2.2 雷達組合反射率因子識別冰雹云

組合反射率因子表示的是在同一個體掃中，將常定仰角方位掃描中發(fā)現(xiàn)的最大反射率因子投影到笛卡爾格點上的產品［4］。本文為了便于研究，對同一體掃中不同仰角上的反射率因子進行插值處理，得到不同高度上的反射率因子，最后查找最大的反射率因子得到組合反射率因子。

表1統(tǒng)計了25個冰雹個例的降雹時間、冰雹直徑、接近降雹時刻的回波信息、當日0℃層高度、-20℃層高度等。從表中可以看出降雹時刻雷達組合反射率因子均在45dBz以上。由于篇幅原因，表中沒有對降雹前組合反射率因子進行顯示，根據統(tǒng)計結果不難得出：當45dBz雷達回波超過0℃層高度，繼續(xù)向上擴展并到達對流云中上部時，將會出現(xiàn)冰雹。因此當組合反射率因子≥45dBz時，可能有冰雹云的存在，須對該回波進行反射率因子垂直剖面分析，結合45dBz回波的發(fā)展高度和0℃層高度進行有無冰雹云存在的判斷。

2.3 垂直累積液態(tài)水含量識別冰雹云

通過對所有個例的計算統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)降雹時刻VIL值的大小平均在25㎏·m-2左右，最大達到65㎏·m-2，最小僅有5㎏·m-2。降雹前 15min VIL最小為0㎏·m-2，最大為15㎏·m-2，降雹前后VIL的值增加明顯。圖2是25次冰雹個例降雹前15 min與降雹時刻VIL的變化情況，降雹前15min VIL明顯小于降雹時刻的值，而對于其他對流回波，VIL的值有大有小，但前后體掃中VIL的值沒有明顯的增長現(xiàn)象。因此，垂直累積液態(tài)水含量出現(xiàn)明顯的增大，可作為識別冰雹云的一個指標。

2.4 利用反射率因子垂直剖面信息識別冰雹云

基于單部多普勒天氣雷達數據，進行三維數字化技術處理，用斜距和方位最近鄰近插值法與垂直內插平均相結合的插值方法得到高分辨率的三維反射率格點數據［5］(經度、緯度和高度坐標，水平方向分辨率為1 km，垂直方向分辨率為0.5 km)，得到不同高度上(CAPPI)雷達反射率因子。利用雙線性內插值法，對雷達三維反射率數據進行任意方向垂直剖面分析，運用計算機編程實現(xiàn)任意方向垂直剖面。

新一代天氣雷達冰雹探測算法中，使用反射率因子的資料，首先定位三維風暴，然后利用垂直方向上風暴強度、高度和0℃、-20℃層的高度的關系，得出冰雹產生的概率以及強冰雹產生的概率，并對冰雹的大小進行了估算［6］。但在實際應用過程中，多數雷達站并未對參數進行本地化調整和實時更新，對冰雹的估算準確率不高。

表1 降雹個例和反射率因子垂直剖面分析統(tǒng)計信息

圖2 25次冰雹個例降雹前15min及降雹時刻VIL變化

對25次冰雹個例作反射率因子垂直剖面分析，如表1所示。45dBz回波高度均高于0℃層高度，在冰雹直徑≥20 mm(大冰雹)的個例中，45 dBz回波高度均超過了-20℃層高度。由以上分析可知，如果45 dBz回波高度高于0℃層高度，極可能有冰雹的發(fā)生;高于-20℃層高度則可能有大冰雹的存在。

通過對雷達反射率因子作任意方向的垂直剖面分析，可得到雷達回波頂高、45 dBz回波的發(fā)展高度，并結合0℃層高度和-20℃層高度進行是否是冰雹云的綜合判斷。另外通過作反射率因子的垂直剖面，還可看出回波的結構特征。

3 實例應用分析

2007年4月23日19：10分貴定縣鐵廠、報管鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受冰雹災害襲擊，農作物受災面積600 hm2，成災420 hm2，絕收150 hm2，有10村62村民組4 512戶21 150人受災，經濟損失達75萬元。

這次過程屬于冷鋒前的降雹，貴州處于鋒前層結不穩(wěn)定區(qū)，能量條件較好。以下主要從本文中提及的4個方面對此個例進行分析。

從18：50至19：04分每隔5 min的垂直累積液態(tài)水VIL變化情況(圖略)可以看出，VIL從0㎏·m2增加到20㎏·m-2，出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，符合冰雹云的VIL指標。

圖3 組合反射率因子 (a)，回波頂高、45 dBz以上回波中心及最大高度(b)

從圖3可以看出：降雹前2～3個體掃到降雹時刻，組合反射率因子從20 dBz增加到50 dBz，之后逐漸減小，圖3(b)所示;回波頂高較高且約有增加，在18：59分的體掃出現(xiàn)了45 dBz以上回波，19：04分45 dBz以上回波最高發(fā)展到6 km高度，到達對流的中上部，貴州CD雷達采用的是VCP21體掃模式，體掃間隔時間為5～6 min，該體掃觀測到的回波應該為19：04-19：10之間的回波信息，而19：10分地面出現(xiàn)了降雹。19：14分雷達組合反射率因子減小，雷達回波頂高、45dBz以上回波中心、45dBz以上回波最高高度出現(xiàn)的明顯下降。

圖4是從貴陽雷達站到降雹點的雷達反射率因子垂直剖面圖像，從圖中可以看出，降雹時刻雹云中出現(xiàn)了高懸回波。50 dBz回波伸展到了6 km左右，而當日08時0℃層高度為4.6 km，-20℃層高度為7.8 km，回波頂發(fā)展到10 km左右，結合0℃層及-20℃層高度分析，可判斷此塊回波為冰雹云回波。

圖4 2007年4月23日18∶55分貴陽雷達反射率因子垂直剖面(單位：dBz)

圖5 雷達反射率因子垂直剖面(單位：dBz)

18∶50分，降雹點(鐵廠)出現(xiàn)了回波懸垂，但回波強度在35 dBz以下，回波頂高在9.5 km左右，如圖5(a)所示;18∶55分，降雹點出現(xiàn)了40 dBz以上的回波，如圖5(b)。在隨后的兩個體掃中，圖5(c)→(d)，回波逐漸增強，強回波高度不斷發(fā)展，到19∶04分(雷達開始體掃的時間)，降雹點50 dBz回波伸展到6.3 km左右，高出了當日08時0℃層高度(4.6 km)1.7 km。通過以上幾個時次的RCS分析，可在18∶55分發(fā)布冰雹預警，能提前10～15 min做出冰雹預警。

4 小結

本文主要基于多普勒天氣雷達數據，計算得到雷達回波頂高、垂直累積液態(tài)水含量、組合反射率因子，通過制作反射率因子垂直剖面，并結合0℃層高度和-20℃高度綜合分析，得到以下結論：

①貴州春季冰雹發(fā)生時雷達組合反射率因子在45dBz以上。

②回波頂高降雹前到降雹時刻明顯增高，多數在8 km以上。

③降雹前1～2個體掃到降雹時刻，垂直累積液態(tài)水含量出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，而VIL值的大小沒有明顯的統(tǒng)計特征。

④通過垂直剖面分析，當45dBz回波高度超過0℃層高度且發(fā)展到對流云中上部時，將可能發(fā)生冰雹;如果超過-20℃層高度時，要注意大冰雹發(fā)生的可能。

［1］ 湯興芝，黃興友.冰雹云的多普勒天氣雷達識別參量及其預警作用［J］. 暴雨災害，2009，28(3)：261-265.

［2］ 李金輝，樊鵬.冰雹云提前識別及預警的研究［J］.南京氣象學院學報，2007，30(1)：114-119.

［3］ 俞小鼎，王迎春，等.新一代天氣雷達與強對流天氣預警［J］. 高原氣象，2005，(03)：

［4］ 俞小鼎，姚秀萍，等.多普勒天氣雷達原理與業(yè)務應用［M］.北京：氣象出版社，2006.

［5］ 熊偉，周明飛，等.基于雙線性內插值的CD雷達垂直剖面算法［J］. 貴州氣象，2010，34(3)：7-11.

［6］ 吳林林.新一代天氣雷達冰雹探測算法及在業(yè)務中的應用［J］. 氣象，2006，32(1)：52-55.

P407

B

1003-6598(2011)02-0013-05

2010-12-16

熊偉(1978-)，男，工程師，主要從事短時臨近天氣預報、預警工作。

*資助項目：貴州省氣象局青年基金項目，黔氣科合QN［2010］01號;中國氣象局氣象關鍵技術集成與應用項目(項目編號：CMAGJ2011M45)。