青海省東北部冰雹云提前識(shí)別及預(yù)警研究

康曉燕++金惠瑛++馬玉巖++韓輝邦++張博越

摘要 利用2008—2012年西寧雷達(dá)資料和探空資料對(duì)冰雹和強(qiáng)降水天氣的物理量和雷達(dá)參數(shù)特征進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：①較強(qiáng)的低空垂直風(fēng)切變有利于降雹天氣生成，較低的0 ℃層和-20 ℃層高度也是利于冰雹云形成的重要參數(shù)。②所有冰雹云的組合反射率均≥55 dBz，占75%在60～65 dBz之間；降雹時(shí)回波頂高均在9 km以上，其中回波頂高≥11 km的冰雹云占90%；當(dāng)冰雹天氣出現(xiàn)時(shí)，大部分雹云的最大垂直液態(tài)含水量≥25 kg/m2，其比例為80%，最高可達(dá)40 kg/m2。③利用45 dBz回波頂高可較好地識(shí)別冰雹云，當(dāng)強(qiáng)回波高度達(dá)到8.0 km時(shí)預(yù)示有冰雹出現(xiàn)，其臨界成功指數(shù)達(dá)85%。

關(guān)鍵詞 冰雹；探空資料；雷達(dá)參數(shù)；預(yù)警；青海省東北部

中圖分類號(hào) P482 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2015）18-0250-03

Investigation on Early Identification and Warning of Hail Clouds in the Northeast of Qinghai Province

KANG Xiao-yan JIN Hui-ying MA Yu-yan HAN Hui-bang ZHANG Bo-yue

（Weather Modification Office of Qinghai Province，Xining Qinghai 810001）

Abstract The physical quantity and radar parameters characteristics of hail and strong precipitation weather in Xining were contrastively analyzed with radar data and sounding data from 2008 to 2012.The results show that：①When wind shear was stronger，the high of 0 ℃ and -20 ℃ wre lower，the production probability of hail weather was bigger.②All convective clouds，which come into hail，had an combined reflectivity ≥55 dBz，and 75%of the combined reflectivity were between 60-65 dBz.all the top high of echo were above 9 km，and 90% of the top high of echo of hailstorm clouds were 11 km or greater.There were 80% of hailstorm clouds which the maximum vertical liquid water content was more than 25 kg/m2 in proportion to all hailstorm clouds and the biggest reaches 40 kg/m2.③The hail clouds could be distinguished from strong convective clouds through echo height of the 45 dBz.When the height of the strong echo reaches 8.0 km，the hail will emerge with the 85%.

Key words hail；sounding data；radar parameters；early warning；the northeast of Qinghai Province

冰雹是世界范圍內(nèi)的氣象災(zāi)害之一，在青海省尤其如此。為了及時(shí)采取措施，防止冰雹發(fā)生，要及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別雹云?；诂F(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)條件，充分發(fā)揮探空、雷達(dá)資料實(shí)時(shí)、有效的識(shí)別雹云是人工防雹的前提和基礎(chǔ)。1997年葉篤正對(duì)通過探空資料來尋找對(duì)流發(fā)展的有利條件進(jìn)行了闡述[1-2]；20世紀(jì)70年代以來，利用雷達(dá)資料建立冰雹云的識(shí)別技術(shù)和方法在國內(nèi)外都有很多研究。目前，隨著探測(cè)技術(shù)水平的發(fā)展，探空、雷達(dá)等先進(jìn)儀器的應(yīng)用，對(duì)冰雹天氣特征的認(rèn)識(shí)不斷深入，已有很多成熟的研究成果應(yīng)用于冰雹預(yù)測(cè)。雷 蕾等利用探空資料詳細(xì)分析了2007年和2008年5—9月冰雹、雷暴大風(fēng)以及暴雨強(qiáng)對(duì)流天氣過程下物理量的差異，結(jié)果表明：0 ℃層、-20 ℃層低空風(fēng)切變能比較顯著地區(qū)分冰雹和暴雨天氣[3]；廖曉農(nóng)等也用探空資料計(jì)算了CAPE、風(fēng)切變等物理量，分析了北京歷史上一次嚴(yán)重的大雹事件。分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)流層中下層較強(qiáng)的環(huán)境風(fēng)垂直切變有利于多單體風(fēng)暴或超級(jí)單體等強(qiáng)風(fēng)暴云的發(fā)展，從而增加了冰雹出現(xiàn)的幾率[4]；李秀林等對(duì)2005—2006年渭南19個(gè)典型冰雹日的雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出，冰雹云的垂直積分液態(tài)水含量（VIL）值明顯大于雷雨云，VIL值的變化可以應(yīng)用于預(yù)測(cè)降雹[5]；朱 平等研究結(jié)果表明，當(dāng)降雹單體出現(xiàn)VIL的躍增量≥ 6 kg/m2、VIL 峰值≥15 kg/m2、VIL 密度>2.2 g/m2時(shí)，即有冰雹天氣發(fā)生[6]；湯興芝等利用雷達(dá)回波參量來判別宜昌地區(qū)冰雹云，發(fā)現(xiàn)用45 dBz 回波頂高可較好地識(shí)別冰雹云[7]；李金輝等對(duì)降雹造成災(zāi)害的雷達(dá)回波分析表明，雷達(dá)強(qiáng)回波的45 dBz平均底部越高、提前識(shí)別的時(shí)間越長(zhǎng)，頂部越高距離降雹時(shí)間越短[8]。

青海省地處青藏高原的東北部，境內(nèi)高原地形變化大，有眾多高山。青海省的地理特點(diǎn)決定其多發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣[9]。目前已有的研究資料顯示，青海省冰雹發(fā)生的中心區(qū)域主要有2個(gè)，分別位于青海省南部和東北部，而導(dǎo)致災(zāi)害的冰雹主要發(fā)生在青海省東北部（農(nóng)業(yè)區(qū)）。在冰雹多發(fā)期，青海省東北部的主要農(nóng)作物處于抽穗至成熟的發(fā)育階段，一旦發(fā)生雹災(zāi)，會(huì)造成較大的損失[10]。因此，本文旨在找出適合該地區(qū)雹云的識(shí)別參量，為人工防雹消雹提供有價(jià)值的參考依據(jù)。endprint

1 資料與方法

本文利用的資料主要包括2個(gè)方面的內(nèi)容：一是西寧二十里鋪探空站的探空資料、西寧南山雷達(dá)站觀測(cè)的雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料；二是這2個(gè)觀測(cè)站所轄各縣（市）氣象局地面冰雹災(zāi)情資料。資料的時(shí)間為2008—2012年6—9月。

選擇30塊對(duì)流云團(tuán)的探空和雷達(dá)資料進(jìn)行分析。在冰雹發(fā)生時(shí)，雷達(dá)探測(cè)到的時(shí)間與地面降雹的時(shí)間不一致。造成這一現(xiàn)象的原因主要有以下2個(gè)：一是冰雹降落到地面需要一定時(shí)間。二是收集到的地面降雹時(shí)間多為估計(jì)時(shí)間。因此，在進(jìn)行參量分析時(shí)，對(duì)冰雹云主要取冰雹發(fā)生前4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)體掃的參量變化特征，非降雹云團(tuán)則取其整個(gè)生存期內(nèi)各次體掃的參量變化，找出體掃過程中這些參量的最大值[7]。

30個(gè)對(duì)流云資料包括20個(gè)產(chǎn)生冰雹的資料和10個(gè)強(qiáng)降水資料。其中既出現(xiàn)冰雹又有強(qiáng)降水的天氣過程歸為冰雹天氣資料，強(qiáng)降水資料系無雹日過程。

本文主要分析了云體的組合反射率、回波頂高、垂直液態(tài)含水量及45 dBz回波頂高等雷達(dá)特征參數(shù)，并參考分析了探空資料垂直風(fēng)切變、0 ℃層高、-20 ℃層高等。

2 物理量分析

冰雹和強(qiáng)降水等中小尺度天氣的產(chǎn)生需有利的大尺度環(huán)境。該研究利用探空資料，選取垂直風(fēng)切變、0 ℃層高、-20 ℃層高等參數(shù)，分析了冰雹和強(qiáng)降水天氣對(duì)應(yīng)的環(huán)境參數(shù)。

2.1 垂直風(fēng)切變

環(huán)境中存在垂直風(fēng)切變與強(qiáng)對(duì)流單體的發(fā)展和維持存在密切的聯(lián)系[11]。強(qiáng)切變有利于對(duì)流性不穩(wěn)定層結(jié)形成，是冰雹增長(zhǎng)的重要條件。圖1為2類對(duì)流天氣多個(gè)個(gè)例的低空垂直風(fēng)切變散點(diǎn)分布圖?？梢钥闯?，冰雹500～700 hPa最小垂直風(fēng)切變?yōu)? m/s，最大為24 m/s，平均垂直風(fēng)切變達(dá)到11 m/s；400～500 hPa最小垂直風(fēng)切變?yōu)?m/s，最大為25 m/s，平均為17 m/s。其平均較垂直風(fēng)切變強(qiáng)降水的5 m/s和10 m/s都大。分析表明，低空垂直風(fēng)切變是冰雹形成的必要條件。在強(qiáng)降水形成的過程中，垂直風(fēng)切邊相對(duì)較弱[3]?？傊?，形成冰雹的有利條件是出現(xiàn)低空垂直風(fēng)切變，較大的垂直風(fēng)切變能維持或加強(qiáng)風(fēng)暴的垂直結(jié)構(gòu)。

2.2 0 ℃層高度和-20 ℃層高度

0 ℃層是云中水分凍結(jié)高度的下限，也是影響融化效應(yīng)的因素之一。而-20 ℃層是大水滴自然成冰溫度，因此這2個(gè)溫度層的高度是判斷環(huán)境大氣是否有利于冰雹云形成的參數(shù)[4]。從圖2可以看出，冰雹的0 ℃層最小高度為3 130 m，最大高度5 675 m，平均高度約4 700 m。-20 ℃層最小高度為7 128 m，最大高度8 726 m，平均高度約7 800 m。這2個(gè)特性層的平均高度都要明顯低于強(qiáng)降水300～400 m。0 ℃層低使冰雹不容易在落地前融化，而強(qiáng)降水的0 ℃偏高使得固態(tài)物出云后融化形成雨滴到達(dá)地面。這也與相關(guān)的研究結(jié)果是一致的[3]。

3 雷達(dá)參數(shù)分析

3.1 雷達(dá)基本特征參數(shù)

組合反射率反映的是雷達(dá)體掃垂直氣柱中對(duì)所有回波強(qiáng)度進(jìn)行比較在對(duì)應(yīng)格點(diǎn)上顯示最大反射率因子值[12]。垂直液態(tài)水含量是將雷達(dá)體積掃描資料中的反射率因子值轉(zhuǎn)換成等價(jià)的液態(tài)水值，反映了降水云體中在某一確定底面積的垂直柱體內(nèi)液態(tài)水的總量[7]?；夭敻呤窃凇?8 dBz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。本文為了便于分析研究，回波頂高采用≥15 dBz反射率因子的最高高度。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[13]。

從表1、2可以看出，所有冰雹云個(gè)例的組合反射率均 ≥55 dBz，最小的為55 dBz，最大的為70 dBz，其中15個(gè)組合反射率在60～65 dBz之間，占75%。另有3個(gè)組合反射率 <60 dBz，只有1個(gè)組合反射率>65 dBz。而強(qiáng)降水組合反射率均≥50 dBz，且90%集中在50～55 dBz之間。降雹時(shí)回波頂高均在9 km以上，其中回波頂高≥11 km的冰雹云占90%。50%強(qiáng)降水云的回波頂高>9 km，50%強(qiáng)降水云的回波頂高<9 km。當(dāng)冰雹天氣出現(xiàn)時(shí)，大部分雹云的最大垂直液態(tài)含水量≥25 kg/m2，其比例為80%，最高可達(dá)40 kg/m2，個(gè)別發(fā)生降雹的雹云甚至低于20 kg/m2。在無冰雹的對(duì)流云團(tuán)中，大部分最大垂直液態(tài)含水量≤25 kg/m2，其比例為70%，其中最大的也可達(dá)35 kg/m2。因此，通過分析發(fā)現(xiàn)，僅利用組合反射率、回波頂高、垂直積分液態(tài)水含量等雷達(dá)基本特征參數(shù)，不能很好地辨別冰雹云和強(qiáng)降水云，但組合反射率 ≥55 dBz，回波頂高>9 km，最大垂直液態(tài)含水量≥25 kg/m2，可作為有利于青海省東部地區(qū)降雹的一個(gè)基本參考條件。

3.2 45 dBz回波頂高提前識(shí)別冰雹

根據(jù)Smith等提出的云內(nèi)最初冰雹增長(zhǎng)為中數(shù)體積水汽凝結(jié)體的直徑是0.4～0.5 cm的理論，相關(guān)專家得出“冰雹云初期等效雷達(dá)反射率因子為44 dBz”的結(jié)論[8]。西寧雷達(dá)以5 dBz分檔，為方便使用，以45 dBz作為冰雹預(yù)報(bào)的臨界值。

45 dBz回波區(qū)對(duì)應(yīng)于云中含水量集中區(qū)，在0 ℃層以下出現(xiàn)45 dBz時(shí)，該強(qiáng)回波區(qū)由中數(shù)體積直徑大于0.4 cm的大水滴組成，地面只能出現(xiàn)降雨，在0 ℃層以上出現(xiàn)45 dBz值，是由中數(shù)體積直徑大于0.4 cm的冰粒子和水粒子混合存在，當(dāng)云內(nèi)具有的上升氣流較強(qiáng)，45 dBz出現(xiàn)較高時(shí)，就有利于地面降雹發(fā)生[7-8]。

從圖3可以看出，在20個(gè)冰雹個(gè)例中，45 dBz回波頂高在8 km以上的有17塊，占85%。在10個(gè)強(qiáng)降水個(gè)例中45 dBz回波頂高均小于等于9 km。其中僅有1個(gè)強(qiáng)降水個(gè)例45 dBz回波高度在8 km以上，占10%。因此，選擇45 dBz回波頂高為8 km時(shí)作為冰雹預(yù)警指標(biāo)。endprint

為了檢驗(yàn)該參量的性能，定義POD為探測(cè)概率，F(xiàn)AR為誤報(bào)率，CSI為臨界成功指數(shù)，X為雷達(dá)探測(cè)到的45 dBz回波頂高≥8 km且地面有降雹報(bào)道的個(gè)例數(shù)，Y為地面有降雹報(bào)道而45 dBz回波頂高<8 km的個(gè)例數(shù)。Z為雷達(dá)探測(cè)到的45 dBz回波頂高≥8 km而地面無冰雹報(bào)道的個(gè)例數(shù)。其中，POD=X/（X+Y），F(xiàn)AR=Z/（X+Z），CSI=X/（X+Y+Z）。在30塊對(duì)流云中，符合上述降雹判據(jù)的雷達(dá)回波為21個(gè)，實(shí)況降雹17次，漏報(bào)3次，空?qǐng)?bào)1次，根據(jù)上述評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)得到對(duì)應(yīng)的POD為85%、FAR為6%、CSI為81%。

4 提前識(shí)別及預(yù)警個(gè)例

本文以發(fā)生在青海省海東市樂都縣境內(nèi)的一次冰雹天氣過程為例，說明各參量的變化過程。2014年7月25日，位于西寧東部的樂都縣17：19—17：26、17：39—17：56兩時(shí)段出現(xiàn)冰雹，造成該區(qū)內(nèi)受災(zāi)980 hm2。西寧多普勒雷達(dá)較好地監(jiān)測(cè)到這次冰雹天氣的演變過程。

7月25日16：03（圖4a），在樂都縣境內(nèi)有多個(gè)對(duì)流單體生成，其組合反射率為30 dBz，回波頂高達(dá)到12 km，垂直積分液態(tài)水含量（VIL）值達(dá)到15 kg/m2。16：10（圖4b），對(duì)流單體發(fā)展旺盛，單體在水平尺度和回波強(qiáng)度上都明顯增大，其組合反射率達(dá)到50 dBz，回波頂高超過12 km，VIL值達(dá)25 kg/m2，45 dBz回波頂高已達(dá)9 km。17：18（圖4c），由于單體的迅速發(fā)展，單體強(qiáng)回波面積和強(qiáng)中心高度均明顯增大，組合反射率達(dá)到65 dBz，VIL值增至35 kg/m2，45 dBz回波頂高已達(dá)9.3 km。據(jù)報(bào)道，地面17：19—17：26出現(xiàn)降雹。17：39（圖4d），單體持續(xù)旺盛發(fā)展，回波強(qiáng)度持續(xù)不變，保持在65 dBz水平，VIL值增至40 kg/m2，45 dBz回波頂高已達(dá)11.2 km。此時(shí)地面出現(xiàn)第2次降雹。17：53（圖4e），隨著降雹的發(fā)生，回波強(qiáng)度和尺度明顯減弱。強(qiáng)回波中心移出樂都縣境內(nèi)，向民和縣方向移動(dòng)，造成民和縣18：05—18：25出現(xiàn)冰雹，3個(gè)村受災(zāi)，受災(zāi)56.7 hm2。從16：10對(duì)流云在樂都境內(nèi)（上接第252頁）

生成發(fā)展到17：18首次降雹，可提前1 h識(shí)別（預(yù)警）冰雹云，這段時(shí)間為冰雹醞釀階段，屬防雹最佳時(shí)機(jī)。

5 結(jié)論

（1）本文利用探空資料，分析了冰雹和強(qiáng)降水天氣對(duì)應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，得到冰雹和強(qiáng)降水0 ℃層高度、-20 ℃層高度以及500～700、400～500 hPa垂直風(fēng)切變的變化規(guī)律與相關(guān)研究結(jié)論基本一致。然而受探空時(shí)空分辨率的限制，但從物理量方面區(qū)分冰雹和強(qiáng)降水難度較大，可將探空資料作為對(duì)流發(fā)生的初判條件。

（2）通過分析雷達(dá)資料發(fā)現(xiàn)，僅利用組合反射率、回波頂高、垂直積分液態(tài)水含量等雷達(dá)基本特征參數(shù)，不能很好地辨別冰雹云和強(qiáng)降水云，但組合反射率≥55 dBz，回波頂高>9 km，最大垂直液態(tài)含水量≥25 kg/m2，可作為有利于青海省東部地區(qū)降雹的一個(gè)基本參考條件。

（3）利用45 dBz雷達(dá)強(qiáng)回波高度可較好地識(shí)別冰雹云，當(dāng)回波頂高達(dá)到8 km時(shí)預(yù)示有冰雹出現(xiàn)，其成功概率達(dá)85%，臨界成功指數(shù)達(dá)81%。

（4）通過個(gè)例驗(yàn)證，綜合以上指標(biāo)，可以很好地識(shí)別冰雹云，并具有一定的提前量。這一結(jié)論對(duì)人工防雹作業(yè)的進(jìn)行具有一定的指導(dǎo)作用。

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