雷達(dá)資料對(duì)貴州春季冰雹云識(shí)別初探

熊 偉，周明飛，周永水，童碧慶

(貴州省氣象臺(tái)，貴州 貴陽 550002)

雷達(dá)資料對(duì)貴州春季冰雹云識(shí)別初探

熊 偉，周明飛，周永水，童碧慶

(貴州省氣象臺(tái)，貴州 貴陽 550002)

利用2004年以來有雷達(dá)數(shù)據(jù)的25個(gè)貴州春季冰雹個(gè)例資料，基于貴陽、遵義和興義3部天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)，計(jì)算雷達(dá)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(chǎn)品，研究冰雹發(fā)生前后雷達(dá)回波的演變情況，找出冰雹發(fā)生前后以上產(chǎn)品的臨界值和變化特征，從而對(duì)冰雹云進(jìn)行雷達(dá)識(shí)別。經(jīng)過對(duì)個(gè)例的分析研究發(fā)現(xiàn)：45 dBz以上的雷達(dá)回波能較好地識(shí)別冰雹云，結(jié)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(gè)體掃到冰雹發(fā)生時(shí)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(zāi)害性天氣，每年給貴州帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，人民生命和財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重的危害。對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)和預(yù)警是各級(jí)政府和社會(huì)公眾的迫切需求，也是公共氣象服務(wù)的重點(diǎn)。但是，由于冰雹天氣局地性明顯、發(fā)生突然、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)冰雹天氣在目前的技術(shù)上存在很大的困難。針對(duì)冰雹天氣的預(yù)報(bào)，目前國(guó)內(nèi)外主要是通過冰雹天氣的概念模型建立短期冰雹潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法，給出冰雹天氣的展望。在冰雹的臨近預(yù)報(bào)和預(yù)警方面，國(guó)內(nèi)外基于多普勒天氣雷達(dá)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(duì)于冰雹的臨近預(yù)報(bào)和預(yù)警研究工作還處于初步階段，做好貴州春季冰雹的預(yù)報(bào)和預(yù)警，需要對(duì)貴州冰雹天氣做大量基礎(chǔ)性的研究工作，本文主要從雷達(dá)在冰雹天氣中的應(yīng)用角度出發(fā)，通過對(duì)個(gè)例的統(tǒng)計(jì)分析，找尋貴州春季冰雹的雷達(dá)識(shí)別指標(biāo)。

關(guān)于冰雹天氣的雷達(dá)識(shí)別，湯興芝［1］對(duì)宜昌地區(qū)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，指出利用45 dBz雷達(dá)強(qiáng)回波高度可較好地識(shí)別冰雹云，且降雹前45 dBz回波頂高會(huì)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(dá)強(qiáng)回波高度和降雹日08時(shí)月平均0℃層高度對(duì)寶雞地區(qū)冰雹云進(jìn)行識(shí)別和預(yù)警。俞小鼎［3］等指出，如果-20℃等溫線對(duì)應(yīng)的高度之上有超過45dBz的反射率因子核，則有可能產(chǎn)生大冰雹。以上的研究主要是針對(duì)CINRAD/SA或CINRAD/CB雷達(dá)進(jìn)行的，本文基于貴州CINRAD/CD型雷達(dá)體掃基數(shù)據(jù)，分別計(jì)算ET、VIL、CR 3種常用的雷達(dá)參量，利用雷達(dá)反射率因子任意垂直剖面做出垂直剖面產(chǎn)品，結(jié)合0℃層高度和-20℃層高度以及45dBz雷達(dá)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(shí)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(gè)冰雹個(gè)例(個(gè)例信息見表1)及貴陽、遵義和興義3部天氣雷基數(shù)據(jù)作為研究資料，對(duì)雷達(dá)資料進(jìn)行三維數(shù)字化處理，反算雷達(dá)組合反射率因子、雷達(dá)回波頂高、垂直累積液態(tài)水含量，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過對(duì)雷達(dá)反射率因子任意方向的垂直剖面分析，得到45 dBz雷達(dá)強(qiáng)回波高度，與0℃層高度和-20℃層高度進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 回波頂高識(shí)別冰雹云

回波頂高是在≥18dBz反射率因子被探測(cè)到時(shí)，顯示以最高仰角為基礎(chǔ)的回波頂高度(沒有進(jìn)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(jìn)行了插值處理)。通過對(duì)雷達(dá)反射率因子做垂直剖面分析，可近似地得到雷達(dá)回波的頂高。

冰雹云中上升氣流較強(qiáng)，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(duì)流云回波高度要高，對(duì)研究個(gè)例統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：貴州春季冰雹云降雹前1～2個(gè)體掃回波頂高在5.5 km以上，7 km及以上占84.0%，最大達(dá)17 km;降雹時(shí)刻均在6 km以上，8 km及以上占92.0%，最大達(dá)20 km(圖1)。

圖1 25次冰雹個(gè)例雷達(dá)回波頂高統(tǒng)計(jì)

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

2.2 雷達(dá)組合反射率因子識(shí)別冰雹云

組合反射率因子表示的是在同一個(gè)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(diǎn)上的產(chǎn)品［4］。本文為了便于研究，對(duì)同一體掃中不同仰角上的反射率因子進(jìn)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(jì)了25個(gè)冰雹個(gè)例的降雹時(shí)間、冰雹直徑、接近降雹時(shí)刻的回波信息、當(dāng)日0℃層高度、-20℃層高度等。從表中可以看出降雹時(shí)刻雷達(dá)組合反射率因子均在45dBz以上。由于篇幅原因，表中沒有對(duì)降雹前組合反射率因子進(jìn)行顯示，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果不難得出：當(dāng)45dBz雷達(dá)回波超過0℃層高度，繼續(xù)向上擴(kuò)展并到達(dá)對(duì)流云中上部時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)冰雹。因此當(dāng)組合反射率因子≥45dBz時(shí)，可能有冰雹云的存在，須對(duì)該回波進(jìn)行反射率因子垂直剖面分析，結(jié)合45dBz回波的發(fā)展高度和0℃層高度進(jìn)行有無冰雹云存在的判斷。

2.3 垂直累積液態(tài)水含量識(shí)別冰雹云

通過對(duì)所有個(gè)例的計(jì)算統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)降雹時(shí)刻VIL值的大小平均在25㎏·m-2左右，最大達(dá)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(gè)例降雹前15 min與降雹時(shí)刻VIL的變化情況，降雹前15min VIL明顯小于降雹時(shí)刻的值，而對(duì)于其他對(duì)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(zhǎng)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(shí)別冰雹云的一個(gè)指標(biāo)。

2.4 利用反射率因子垂直剖面信息識(shí)別冰雹云

基于單部多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維數(shù)字化技術(shù)處理，用斜距和方位最近鄰近插值法與垂直內(nèi)插平均相結(jié)合的插值方法得到高分辨率的三維反射率格點(diǎn)數(shù)據(jù)［5］(經(jīng)度、緯度和高度坐標(biāo)，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(dá)反射率因子。利用雙線性內(nèi)插值法，對(duì)雷達(dá)三維反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行任意方向垂直剖面分析，運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)任意方向垂直剖面。

新一代天氣雷達(dá)冰雹探測(cè)算法中，使用反射率因子的資料，首先定位三維風(fēng)暴，然后利用垂直方向上風(fēng)暴強(qiáng)度、高度和0℃、-20℃層的高度的關(guān)系，得出冰雹產(chǎn)生的概率以及強(qiáng)冰雹產(chǎn)生的概率，并對(duì)冰雹的大小進(jìn)行了估算［6］。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，多數(shù)雷達(dá)站并未對(duì)參數(shù)進(jìn)行本地化調(diào)整和實(shí)時(shí)更新，對(duì)冰雹的估算準(zhǔn)確率不高。

表1 降雹個(gè)例和反射率因子垂直剖面分析統(tǒng)計(jì)信息

圖2 25次冰雹個(gè)例降雹前15min及降雹時(shí)刻VIL變化

對(duì)25次冰雹個(gè)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(gè)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(duì)雷達(dá)反射率因子作任意方向的垂直剖面分析，可得到雷達(dá)回波頂高、45 dBz回波的發(fā)展高度，并結(jié)合0℃層高度和-20℃層高度進(jìn)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(jié)構(gòu)特征。

3 實(shí)例應(yīng)用分析

2007年4月23日19：10分貴定縣鐵廠、報(bào)管鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受冰雹災(zāi)害襲擊，農(nóng)作物受災(zāi)面積600 hm2，成災(zāi)420 hm2，絕收150 hm2，有10村62村民組4 512戶21 150人受災(zāi)，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)75萬元。

這次過程屬于冷鋒前的降雹，貴州處于鋒前層結(jié)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(gè)方面對(duì)此個(gè)例進(jìn)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(biāo)。

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(gè)體掃到降雹時(shí)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(dá)對(duì)流的中上部，貴州CD雷達(dá)采用的是VCP21體掃模式，體掃間隔時(shí)間為5～6 min，該體掃觀測(cè)到的回波應(yīng)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(dá)組合反射率因子減小，雷達(dá)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(dá)站到降雹點(diǎn)的雷達(dá)反射率因子垂直剖面圖像，從圖中可以看出，降雹時(shí)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(dāng)日08時(shí)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(jié)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(dá)反射率因子垂直剖面(單位：dBz)

圖5 雷達(dá)反射率因子垂直剖面(單位：dBz)

18∶50分，降雹點(diǎn)(鐵廠)出現(xiàn)了回波懸垂，但回波強(qiáng)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(diǎn)出現(xiàn)了40 dBz以上的回波，如圖5(b)。在隨后的兩個(gè)體掃中，圖5(c)→(d)，回波逐漸增強(qiáng)，強(qiáng)回波高度不斷發(fā)展，到19∶04分(雷達(dá)開始體掃的時(shí)間)，降雹點(diǎn)50 dBz回波伸展到6.3 km左右，高出了當(dāng)日08時(shí)0℃層高度(4.6 km)1.7 km。通過以上幾個(gè)時(shí)次的RCS分析，可在18∶55分發(fā)布冰雹預(yù)警，能提前10～15 min做出冰雹預(yù)警。

4 小結(jié)

本文主要基于多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到雷達(dá)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(jié)合0℃層高度和-20℃高度綜合分析，得到以下結(jié)論：

①貴州春季冰雹發(fā)生時(shí)雷達(dá)組合反射率因子在45dBz以上。

②回波頂高降雹前到降雹時(shí)刻明顯增高，多數(shù)在8 km以上。

③降雹前1～2個(gè)體掃到降雹時(shí)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(jì)特征。

④通過垂直剖面分析，當(dāng)45dBz回波高度超過0℃層高度且發(fā)展到對(duì)流云中上部時(shí)，將可能發(fā)生冰雹;如果超過-20℃層高度時(shí)，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(dá)識(shí)別參量及其預(yù)警作用［J］. 暴雨災(zāi)害，2009，28(3)：261-265.

［2］ 李金輝，樊鵬.冰雹云提前識(shí)別及預(yù)警的研究［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，30(1)：114-119.

［3］ 俞小鼎，王迎春，等.新一代天氣雷達(dá)與強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警［J］. 高原氣象，2005，(03)：

［4］ 俞小鼎，姚秀萍，等.多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用［M］.北京：氣象出版社，2006.

［5］ 熊偉，周明飛，等.基于雙線性內(nèi)插值的CD雷達(dá)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(dá)冰雹探測(cè)算法及在業(yè)務(wù)中的應(yīng)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(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警工作。

*資助項(xiàng)目：貴州省氣象局青年基金項(xiàng)目，黔氣科合QN［2010］01號(hào);中國(guó)氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：CMAGJ2011M45)。