昆明地區(qū)夏季冰雹云多普勒雷達(dá)定量判別指標(biāo)

王廷東， 段 瑋， 方夏馨， 卡蓉燕

(1.云南省昆明市人工影響天氣中心，云南昆明 650500；2.云南氣象科學(xué)研究所，云南昆明 650034)

昆明地區(qū)夏季冰雹云多普勒雷達(dá)定量判別指標(biāo)

王廷東1， 段 瑋2， 方夏馨1， 卡蓉燕1

(1.云南省昆明市人工影響天氣中心，云南昆明 650500；2.云南氣象科學(xué)研究所，云南昆明 650034)

利用昆明市探空資料、多普勒天氣雷達(dá)資料、地面觀測(cè)資料，對(duì)2010—2014年昆明地區(qū)19次典型降雹天氣過(guò)程進(jìn)行綜合分析，重點(diǎn)對(duì)冰雹云發(fā)展初期的雷達(dá)判識(shí)指標(biāo)進(jìn)行研究，對(duì)原有的冰雹云發(fā)展階段雷達(dá)判識(shí)指標(biāo)進(jìn)行更新、細(xì)化、完善，總結(jié)得出基于雷達(dá)資料的人工防雹作業(yè)判識(shí)新指標(biāo)，并利用2015年發(fā)生的冰雹天氣過(guò)程檢驗(yàn)了指標(biāo)。結(jié)果表明，昆明防雹作業(yè)指標(biāo)為組合反射率回波強(qiáng)度達(dá)45 dBZ、強(qiáng)回波H45 dBZ中心強(qiáng)度躍增≥5 dBZ、回波頂高≥8 km、強(qiáng)回波中心頂高﹥6 km。利用強(qiáng)回波H45 dBZ中心頂高﹥6 km和強(qiáng)中心強(qiáng)度躍增≥5 dBZ能很好地識(shí)別冰雹云，但提前預(yù)警時(shí)間太短，預(yù)警作用有限。

冰雹云；多普勒雷達(dá)；人工防雹作業(yè)；識(shí)別指標(biāo)；昆明地區(qū)

冰雹是影響昆明市的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，給農(nóng)業(yè)、建筑、通訊、電力、交通以及人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)較大損失和影響。當(dāng)前，在全球氣候大變化的背景下，冰雹災(zāi)害的突發(fā)性、頻發(fā)性、不可預(yù)見(jiàn)性日益凸顯，防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，人工影響天氣工作作為防災(zāi)減災(zāi)的有力手段、農(nóng)業(yè)公共服務(wù)體系建設(shè)的重要內(nèi)容、生態(tài)保護(hù)的有效途徑、發(fā)展高原特色農(nóng)業(yè)的重要保障措施、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的作用日益顯現(xiàn)。對(duì)于冰雹云，如能早期識(shí)別，在大冰雹尚未形成前作業(yè)，可達(dá)到事半功倍的效果。我國(guó)學(xué)者在識(shí)別冰雹云和雷雨云方面進(jìn)行了許多研究[1-4]，發(fā)現(xiàn)各地判別指標(biāo)不同[5-6]，并以此作為是否作業(yè)的決策依據(jù)。

昆明新一代多普勒天氣雷達(dá)于2003年5月投入使用以來(lái)，昆明市人工影響天氣中心和各防雹縣氣象局結(jié)合實(shí)際，總結(jié)出適用各地的冰雹路徑和冰雹云雷達(dá)識(shí)別指標(biāo)，并在防雹作業(yè)中不斷總結(jié)完善，但大多缺乏理論研究和支撐，略顯粗糙，量化細(xì)化度不夠，未能推廣使用。筆者利用昆明市探空資料、多普勒天氣雷達(dá)資料、地面觀測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)分析2010—2014年昆明地區(qū)19次典型降雹過(guò)程中的雷達(dá)回波特征，對(duì)原有的冰雹云發(fā)展階段雷達(dá)判識(shí)指標(biāo)進(jìn)行更新、細(xì)化、完善，得出冰雹云發(fā)展階段雷達(dá)判識(shí)新指標(biāo)，以期為人工防雹作業(yè)提供依據(jù)。

1 資料與方法

資料來(lái)源于昆明市氣象局提供的探空資料、多普勒天氣雷達(dá)資料、地面觀測(cè)資料。通過(guò)綜合分析昆明地區(qū)2010—2014年19次典型降雹過(guò)程中的雷達(dá)回波特征、降雹日昆明站08：00探空資料，重點(diǎn)對(duì)冰雹云發(fā)展初期的雷達(dá)判識(shí)指標(biāo)進(jìn)行再研究，結(jié)合防雹作業(yè)，對(duì)原有的冰雹云發(fā)展階段雷達(dá)判識(shí)指標(biāo)進(jìn)行更新、細(xì)化、完善，總結(jié)得出基于雷達(dá)資料的昆明地區(qū)夏季冰雹云的多普勒雷達(dá)定量判別新指標(biāo)，并利用2015年發(fā)生的冰雹天氣過(guò)程對(duì)此指標(biāo)進(jìn)行了檢驗(yàn)。

2 昆明地區(qū)夏季冰雹云多普勒雷達(dá)定量判別指標(biāo)

2.1 組合反射率回波強(qiáng)度達(dá)45 dBZ 統(tǒng)計(jì)2010—2014年昆明地區(qū)19次降雹事例發(fā)現(xiàn)，降雹時(shí)回波強(qiáng)度均大于40 dBZ，最小的為51 dBZ，最大的為59 dBZ，其中9塊云的最大回波強(qiáng)度為50～55 dBZ，10塊云的最大回波強(qiáng)度為55～60 dBZ，當(dāng)回波強(qiáng)度≥50 dBZ時(shí)，已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)降雹。綜合分析認(rèn)為，多普勒雷達(dá)組合反射率因子45 dBZ是出現(xiàn)冰雹云的一個(gè)識(shí)別預(yù)警判據(jù)。

2.2 回波強(qiáng)中心強(qiáng)度躍增≥5 dBZ 對(duì)冰雹云早期發(fā)展進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，會(huì)發(fā)現(xiàn)有呈暴發(fā)式增長(zhǎng)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為冰雹云的“躍增增長(zhǎng)”現(xiàn)象[5]。觀測(cè)到“躍增增長(zhǎng)”的回波，且該片云團(tuán)回波強(qiáng)度躍增≥5 dBZ時(shí)，常導(dǎo)致地面降雹，這是冰雹云特有現(xiàn)象。經(jīng)統(tǒng)計(jì)(表1)，2010—2014年昆明地區(qū)19次降雹事例中，有11次觀測(cè)到強(qiáng)度躍增，因此，與上一個(gè)指標(biāo)相結(jié)合，可提前6—10 min有效識(shí)別和預(yù)警冰雹云。

2.3 強(qiáng)回波H45 dBZ中心頂高>6 km 有時(shí)，即使回波強(qiáng)度達(dá)45 dBZ，仍不能識(shí)別為冰雹云，如出現(xiàn)在0 ℃層以上，則較有利于地面降雹發(fā)生。從表1可見(jiàn)，在19塊冰雹云中，45 dBZ回波頂高最小的為4 km，最大的為10 km，平均為7 km，其中在6 km以上的有16塊，占總冰雹云的84%。而昆明地區(qū)降雹日0 ℃層高度大多在5.1 km以上，因此，選擇強(qiáng)回波H45 dBz中心頂高>6 km作為冰雹預(yù)警指標(biāo)。

表1 2010-2014年昆明市冰雹云特征統(tǒng)計(jì)

2.4 回波頂高≥8 km 統(tǒng)計(jì)顯示，昆明地區(qū)冰雹云回波頂高在8 km以上，最高達(dá)16 km，其中70%的冰雹云回波頂高為10～14 km(表1)。因此，回波頂高≥8 km可作為有利于昆明地區(qū)降雹的一個(gè)基本參考條件。

3 一次典型冰雹云的雷達(dá)指標(biāo)檢驗(yàn)分析

2015年8月12日 15：10—16：40昆明市自東北至西南方向出現(xiàn)一次颮線冰雹天氣，分別在尋甸縣河口、塘子、功山、七星、柯渡等7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)先后降雹，最大雹徑達(dá)10 mm；嵩明縣小街、嵩陽(yáng)、阿子營(yíng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雹2～5 min，冰雹最大直徑達(dá)20 mm。17：00后，富民、盤龍、嵩明、尋甸、石林等地出現(xiàn)雷陣雨，天氣過(guò)程至20：00結(jié)束，強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程持續(xù)約5 h。

3.1 天氣形勢(shì)背景 8月12日15：00 500 hPa(圖1a),中高緯為兩槽一脊型，我國(guó)范圍內(nèi)環(huán)流經(jīng)向度較大，新疆一帶有低槽發(fā)展快速南壓東移，河套一帶低槽伸至滇東北一帶，未來(lái)南壓，云南省仍然處于兩高之間輻合區(qū)，未來(lái)轉(zhuǎn)為偏北氣流控制；700 hPa(圖1b),南高北低的形勢(shì)，南北高度差不大，滇西北至盆地南部有氣旋式輻合，未來(lái)切變輻合南壓。地面(圖2)，12日14：00新疆至青海一帶有高壓環(huán)流，四川北部低值環(huán)流中心強(qiáng)度減弱，滇中及滇東北、滇東為正變溫或弱變溫、負(fù)變壓區(qū)；滇西南為負(fù)變溫、弱變壓區(qū)；部分地區(qū)有分散性的陣雨。云圖(圖3)，云南省大部為中低云系控制，滇中至滇西南有對(duì)流云系。12日08：00昆明站探空資料(圖4)顯示，0 ℃層高度為549 hPa ，大致為海拔5 107 m。分析表明，12日滇中至滇西南地區(qū)處于極有利于強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生的環(huán)流控制下，前期降水使低層水汽增大，潛在不穩(wěn)定能量進(jìn)一步加強(qiáng)，低層風(fēng)場(chǎng)輻合和局地升溫觸發(fā)了強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展，形成了這場(chǎng)大范圍的強(qiáng)對(duì)流天氣。

3.2 雷達(dá)回波演變特征

3.2.1 強(qiáng)對(duì)流回波的發(fā)生與發(fā)展。8月12日15：18，尋甸縣功山羊毛沖、橫山作業(yè)點(diǎn)西方10 km處有對(duì)流云生成，強(qiáng)度為56 dBZ ，同時(shí)河口化桃箐作業(yè)點(diǎn)東北方快速生成強(qiáng)度為34 dBZ 的對(duì)流云；15：24，嵩明縣阿子營(yíng)街道大竹園以西，富民境內(nèi)生成一塊強(qiáng)對(duì)流單體回波，強(qiáng)度達(dá)40 dBZ 左右，呈東移快速發(fā)展的趨勢(shì)(圖5a)；15：30，該回波已靠近大竹園，且強(qiáng)度達(dá)50 dBZ 以上，其西后方又有2塊強(qiáng)回波生成，此時(shí)尋甸境內(nèi)的回波已呈現(xiàn)明顯的冰雹云特征(圖5b)。15：36，嵩明縣阿子營(yíng)街道大竹園東北方甸頭附近又有塊狀回波生成(圖5c)；15：42，嵩明縣阿子營(yíng)街道大竹園以西對(duì)流單體風(fēng)暴強(qiáng)中心發(fā)展為長(zhǎng)條狀，云體結(jié)構(gòu)緊密，邊界清晰，棱角分明，最大反射率因子達(dá)59 dBZ，面積增大已形成冰雹云回波；同時(shí)，甸頭附近單體回波迅速發(fā)展，面積增大，強(qiáng)度達(dá)50 dBZ 以上，且2塊回波有合并的趨勢(shì)(圖5d)。15：54，上述2塊回波已合并，后生成的回波強(qiáng)度減弱，原富民境內(nèi)生成的回波強(qiáng)度維持(圖5e)；15：59，合并回波以西5 km，富民境內(nèi)又一對(duì)流單體生成，并繼續(xù)向偏東方向移動(dòng)；16：11，先生成的回波強(qiáng)度加強(qiáng)，同時(shí)，15：59富民境內(nèi)新生成的對(duì)流單體已發(fā)展東移與該回波合并，組成帶狀回波(圖5f);16：17，此帶狀回波范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度繼續(xù)維持56 dBZ，頂高12 km，與嵩明、尋甸境內(nèi)的強(qiáng)回波相呼應(yīng)，組成一條狹長(zhǎng)的帶狀，并進(jìn)入降雹階段(圖5g);16：20—16：40，嵩明縣阿子營(yíng)街道大竹園村、馬軍村、羊街村、牧羊村出現(xiàn)了降雹，降雹持續(xù)2～5 min ，冰雹直徑最大20 mm。16：35，各地對(duì)流持續(xù)，富民—盤龍—嵩明—尋甸離散的回波逐漸聚攏形成極明顯的帶狀，呈西南—東北走向(圖5h)；16：59，整個(gè)回波在東移過(guò)程中強(qiáng)度逐漸減弱、消亡、消散階段維持3 h左右。

圖1 2015年8月12日15：00 500 hPa(a)和700 hPa(b)高空形勢(shì)Fig.1 500 hPa (a) and 700 hPa (b) upper air circulation situation at 15:00 on August 12, 2015

圖2 2015年8月12日14:00 地面形勢(shì)Fig.2 Ground situation at 14:00 on August 12,2015

圖3 2015年8月12日15：00衛(wèi)星云圖Fig.3 Satellite cloud chart at 15:00 on August 12,2015

圖4 2015年8月12日08:00昆明站探空?qǐng)DFig.4 Sounding chart of Kunming station at 08:00 on August 12,2015

3.2.2 強(qiáng)對(duì)流回波PPI特征。8月12日下午，強(qiáng)對(duì)流云天氣出現(xiàn)在尋甸等地區(qū)，回波的核心強(qiáng)度已高達(dá)50～60 dBZ。在向東緩慢移動(dòng)的過(guò)程中，不斷生成了一些小型的對(duì)流回波，并逐漸由分散狀態(tài)向整體形勢(shì)發(fā)展。在移動(dòng)到嵩明嵩陽(yáng)等地域時(shí)，形成較明顯的帶狀回波。

3.2.3 強(qiáng)度場(chǎng)特征參數(shù)分析。根據(jù)昆明防雹作業(yè)指標(biāo)，此次過(guò)程雷達(dá)回波特征完全符合4個(gè)指標(biāo)值，說(shuō)明新冰雹云作業(yè)指標(biāo)是可用的。

注：a.15：24；b.15：30；c.15：36；d.15:42；e.15:54；f.16:11；g.16:17；h.16：35。Note:a.15：24；b.15：30；c.15：36；d.15:42；e.15:54；f.16:11；g.16:17；h.16：35.圖5 2015年8月12日15:24—16:35 雷達(dá)回波演變Fig.5 Radar echo evolution at 15:24—16:35 on August 12,2015

3.3 人工防雹作業(yè)和指揮情況

3.3.1 指揮實(shí)施防雹作業(yè)情況。

3.3.1.1 尋甸。12日15：18，功山羊毛沖、橫山作業(yè)點(diǎn)西方10 km處有對(duì)流云生成，強(qiáng)度為56 dBZ，指揮人員及時(shí)通知功山羊毛沖、橫山進(jìn)入一級(jí)作業(yè)狀態(tài)，裝好火箭彈，做好全部準(zhǔn)備、及時(shí)申請(qǐng)、及時(shí)作業(yè)。同時(shí)化桃箐作業(yè)點(diǎn)東北方快速生成強(qiáng)度為34 dBZ的對(duì)流云，昆明市人工影響天氣中心指揮人員立即通過(guò)電臺(tái)通知化桃箐作業(yè)點(diǎn)裝好火箭彈，做好全部準(zhǔn)備。15：22，化桃箐作業(yè)人員通過(guò)電臺(tái)報(bào)告：“刮北風(fēng)了，很危險(xiǎn)，需要申請(qǐng)作業(yè)”，指揮人員于15：22：42立即通過(guò)電腦空域申請(qǐng)軟件進(jìn)行了作業(yè)申請(qǐng)，空管部門回復(fù)“有飛機(jī)，不能作業(yè)”；接著15：26再次進(jìn)行了作業(yè)申請(qǐng)，空管部門仍回復(fù)“有飛機(jī)，不能作業(yè)”，同時(shí)河口撒米落、功山羊毛沖、鳳合集成、倘甸計(jì)施寬也進(jìn)行了作業(yè)申請(qǐng)，均未能批準(zhǔn)。之后一直申請(qǐng)到15：40，才允許作業(yè)1 min。當(dāng)時(shí)強(qiáng)對(duì)流云為47 dBZ，仍具備作業(yè)條件，化桃箐作業(yè)點(diǎn)抓住1 min作業(yè)時(shí)間，作業(yè)了WR-1D 6 000 m火箭彈2組8枚。因15:22—15:40一直未批準(zhǔn)作業(yè)，河口化桃箐于15:30降雹。

3.3.1.2 盤龍。12日15：12強(qiáng)對(duì)流中心由大竹園作業(yè)點(diǎn)西面約5 km處開(kāi)始發(fā)展，從西南向東北方向移動(dòng)發(fā)展，影響到大竹園、甸頭、阿子營(yíng)等地，對(duì)流發(fā)展迅速，移動(dòng)速度較快。盤龍區(qū)氣象局指揮人員于15：25通知法克頭作業(yè)人員開(kāi)作業(yè)車趕赴大竹園作業(yè)點(diǎn)守候待命，密切觀察云團(tuán)發(fā)展動(dòng)向。由于前期雹云距離較遠(yuǎn)，仍在富民境內(nèi)，在冰雹云發(fā)展旺盛期無(wú)法開(kāi)展作業(yè)，錯(cuò)過(guò)防雹最佳時(shí)機(jī)。待冰雹云快速發(fā)展移動(dòng)到可作業(yè)位置時(shí)，大竹園作業(yè)車于15:45申請(qǐng)作業(yè)，空域回復(fù)有飛機(jī)不能作業(yè)；15:51空域批準(zhǔn)作業(yè)1 min、用彈量4枚；15:58作業(yè)1 min、用彈量4枚；16:40作業(yè)1 min、用彈量4枚。甸頭作業(yè)點(diǎn)15:45申請(qǐng)作業(yè)，16:34作業(yè)1 min、用彈量4枚、15:51作業(yè)1 min、用彈量4枚。馬軍作業(yè)點(diǎn)16:29申請(qǐng)作業(yè)，空域回復(fù)有飛機(jī)不能作業(yè)；16:35空域批準(zhǔn)作業(yè)1 min，用彈量4枚。16:55回波減弱。

3.3.2 防雹作業(yè)分析。此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，已提前預(yù)警，提前準(zhǔn)備，但防區(qū)內(nèi)仍出現(xiàn)雹災(zāi)，原因分析如下:①?gòu)?qiáng)回波初生時(shí)，為作業(yè)點(diǎn)禁射方位，作業(yè)不能打到有效部位。②冰雹云發(fā)展旺盛、未達(dá)成熟階段，受到空域限制延誤作業(yè)最佳時(shí)機(jī)。③流動(dòng)點(diǎn)防雹作業(yè)效果不理想，一是在有限的空域時(shí)間內(nèi)，作業(yè)用彈量不夠，達(dá)不到催化目的；二是作業(yè)車輛配備不足，個(gè)例中大竹園、新街2個(gè)流動(dòng)作業(yè)點(diǎn)同時(shí)有冰雹云，且呈合并趨勢(shì)，如在新街也有作業(yè)車作業(yè)，則能起到提前催化、阻止合并的作用。

4 結(jié)論

(1)在昆明地區(qū)，由于地形地勢(shì)復(fù)雜，利用回波強(qiáng)度、回波頂高并不能很好地辨別冰雹云和雷雨云，僅可作為冰雹云的參考條件。

(2)利用強(qiáng)回波H45 dBZ中心頂高>6 km和強(qiáng)中心強(qiáng)度躍增≥5 dBZ 2個(gè)指標(biāo)，能很好地識(shí)別冰雹云，但提前預(yù)警時(shí)間太短，預(yù)警作用有限。

(3)由于2010—2015年部分第一手冰雹災(zāi)害的原始資料收集的不完整，導(dǎo)致雷達(dá)觀測(cè)資料與地面降雹時(shí)間地點(diǎn)對(duì)應(yīng)不一致，所以指標(biāo)的研究難以量化細(xì)化。今后將繼續(xù)收集資料，對(duì)識(shí)別參量進(jìn)行深入分析，以提高人工防雹作業(yè)的預(yù)警能力。

[1] 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.

[2] 樊鵬，肖輝.雷達(dá)識(shí)別渭北地區(qū)冰雹云技術(shù)研究[J].氣象，2005，31(7)：16-19.

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Quantitative Identification Index of Doppler Radar of Hail Cloud in Kunming Area

WANG Ting-dong1,DUAN Wei2,FANG Xia-xin1et al

(1.Weather Modification Center of Kunming City,Kunming,Yunnan 650500;2.Meteorological Institute of Yunnan Province,Kunming,Yunnan 650034)

Using Kunming sounding data, Doppler radar data and ground observation data, the 19 typical hail process in Kunming area during 2010-2014 was comprehensively analyzed,focus on radar identification index in the early stage of hail cloud development research,the radar identification index of original hail cloud development phase was updated, refined and perfect,the identification new index of artificial hail suppression based on the radar data was summarized,and the index was tested using the hail weather process occurred in 2015.The results showed that the hail suppression index of Kunming were composite reflectivity of echo intensity reaches 45 dBZ, H45 dBZstrong echo center strength jumped more than 5 dBZ,the height of echo top more than 8 km and strong echo center top more than 6 km.The use of strong echo H45 dBZcenter top height more than 6 km and strong central strength jumped more than 5 dBZ can well identify hail cloud, but time of early warning was too short, the warning function was limited.

Hail cloud;Doppler radar;Artificial hail suppression;Identification index;Kunming area

王廷東(1973- )，男，云南鎮(zhèn)雄人，工程師，從事人工影響天氣指揮、管理工作。

2016-11-23

S 16

A

0517-6611(2016)34-0177-04