桂北地區(qū)強(qiáng)冰雹的雷達(dá)臨近預(yù)警指標(biāo)分析

覃 靖，潘 海，劉 蕾，李亞琴，袁馬強(qiáng)，蘇小玲

(廣西壯族自治區(qū)柳州市氣象局，廣西 柳州 545001)

桂北地區(qū)強(qiáng)冰雹的雷達(dá)臨近預(yù)警指標(biāo)分析

覃 靖，潘 海，劉 蕾，李亞琴，袁馬強(qiáng)，蘇小玲

(廣西壯族自治區(qū)柳州市氣象局，廣西 柳州 545001)

利用柳州多普勒雷達(dá)(SB)產(chǎn)品和冰雹災(zāi)情資料，采用統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)2008年至2016年5月柳州及相鄰地區(qū)20塊冰雹云進(jìn)行分析，歸納出強(qiáng)冰雹云的雷達(dá)回波特征：低層反射率因子出現(xiàn)鉤狀回波、人字形回波或V型缺口，中層出現(xiàn)有界弱回波區(qū)(BWER)或?qū)掗煹娜趸夭▍^(qū)(WER)，高層強(qiáng)回波懸垂；徑向速度圖上伴隨中等強(qiáng)度以上中氣旋。并得出桂北地區(qū)強(qiáng)冰雹的雷達(dá)臨近預(yù)警指標(biāo)：出現(xiàn)三體散射特征，0 ℃層高度在3.0～4.8 km；風(fēng)暴頂高≥10 km、最大反射率因子高度≥7 km；50 dBZ強(qiáng)回波伸展高度≥9.5 km或強(qiáng)回波在負(fù)溫區(qū)的厚度(H50dBZ-H0℃)≥5 km，在冰化區(qū)的厚度(H50dBZ-H-20℃)≥1.5 km；-10 ℃、-20 ℃和-30 ℃高度層的強(qiáng)回波面積分別達(dá)到35 km2、15 km2、5 km2或這三個(gè)高度層的強(qiáng)回波面積的平均值達(dá)到20 km2；垂直累積液態(tài)水含量VIL≥60 kg·m-2、VIL密度≥5.8 g·m-3。

強(qiáng)冰雹；雷達(dá)；臨近預(yù)警；桂北地區(qū)

冰雹是桂北地區(qū)春季主要的氣象災(zāi)害之一，尤其是強(qiáng)冰雹風(fēng)暴，具有發(fā)展迅速、破壞力大、局地性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重危害。由于冰雹風(fēng)暴單體生成和移動(dòng)路徑具有明顯的局地特征，其強(qiáng)度變化受大氣環(huán)境條件和地形影響很大，因此冰雹預(yù)警是臨近預(yù)報(bào)的難點(diǎn)。多普勒雷達(dá)是冰雹探測(cè)和預(yù)警的重要工具，關(guān)于多普勒雷達(dá)在冰雹預(yù)警中的應(yīng)用，不少專家學(xué)者都做了細(xì)致的研究。朱敏華等[1]分析了強(qiáng)雹暴三體散射的多普勒雷達(dá)反射率因子的形成機(jī)制；廖玉芳等[2]分析了6次大冰雹過(guò)程的旁瓣回波特征；徐芬等[3]分析了江蘇沿江地區(qū)強(qiáng)冰雹天氣的中尺度特征，得出超級(jí)單體內(nèi)部渦旋特征的出現(xiàn)有利于大冰雹的增長(zhǎng)；周小剛等[4]用-20 ℃層上55 dBZ范圍超過(guò)100 km2作為快速判斷強(qiáng)降雹的補(bǔ)充閾值；王叢梅等[5]發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴相對(duì)螺旋度大值與強(qiáng)降雹的產(chǎn)生密切相關(guān)；趙俊榮等[6]用中氣旋提前30 min預(yù)警短時(shí)冰雹；郭艷[7]研究了地面降雹與TBSS之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；吳劍坤等[8]用VIL密度、風(fēng)暴頂輻散和TBSS作為強(qiáng)冰雹的輔助特征指標(biāo)；農(nóng)孟松等[9]對(duì)一次發(fā)生在桂西北的大范圍冰雹天氣進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴具有典型超級(jí)單體特征，并伴有中等強(qiáng)度的中氣旋。也有研究得出適合當(dāng)?shù)氐呐R近預(yù)警指標(biāo)和方法[10-17]。

我國(guó)地域廣闊，氣候差異較大，各地雹云的特點(diǎn)和雷達(dá)識(shí)別參量不盡相同。廣西針對(duì)冰雹天氣的研究多集中在環(huán)流形勢(shì)和氣候背景[18-22]或是典型個(gè)例分析[23-25]，在臨近預(yù)警方面的研究卻很少，或是用單個(gè)雷達(dá)產(chǎn)品作為識(shí)別冰雹云的指標(biāo)[26-27]，專門針對(duì)桂北地區(qū)的冰雹臨近預(yù)警指標(biāo)幾乎沒(méi)有，有必要找出適合該地區(qū)雹云的識(shí)別參量，總結(jié)出好用的災(zāi)害性強(qiáng)冰雹的雷達(dá)臨近預(yù)警指標(biāo)，以期提高強(qiáng)冰雹天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，為人工影響天氣和防災(zāi)減災(zāi)提供參考和依據(jù)。

1 資料和方法

本文利用2008-2016年3-5月柳州及相鄰地區(qū)各市縣氣象局上報(bào)的冰雹災(zāi)情資料和柳州多普勒雷達(dá)(SB)基數(shù)據(jù)反演得到的產(chǎn)品以及相應(yīng)的常規(guī)探空資料，對(duì)17次冰雹天氣過(guò)程共20塊冰雹云的回波形態(tài)、垂直結(jié)構(gòu)、50 dBZ強(qiáng)回波伸展高度及其相對(duì)于0 ℃和-20 ℃層的高度、VIL和VIL密度等其他雷達(dá)參量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，試圖找出它們與冰雹直徑的關(guān)系，提取可用于業(yè)務(wù)臨近預(yù)警的強(qiáng)冰雹云識(shí)別指標(biāo)。收集到的地面降雹時(shí)間多為估計(jì)時(shí)間，冰雹降落到地面也需要一定時(shí)間，所以進(jìn)行雷達(dá)參量分析時(shí)，主要考察地面降雹時(shí)到冰雹發(fā)生前1 h內(nèi)的參量變化特征。共收集到10個(gè)強(qiáng)冰雹樣本(冰雹直徑≥20 mm，序號(hào)1～10)和10個(gè)小冰雹樣本(冰雹直徑<20 mm，序號(hào)11～20)，相關(guān)信息見表1，個(gè)例較少主要是因?yàn)楣鸨北⒍喑霈F(xiàn)在夜間或人煙稀少的山區(qū)和野外，一些大冰雹未被記錄到災(zāi)情報(bào)告中。

表1 20個(gè)冰雹風(fēng)暴單體信息

2 強(qiáng)冰雹風(fēng)暴單體的雷達(dá)回波形態(tài)和垂直結(jié)構(gòu)

從表2可見，發(fā)展成熟的冰雹云反射率因子平面位置顯示器(PPI)特征：多呈塊狀、帶狀、或片狀，強(qiáng)回波中心附近梯度較大，回波呈傾斜狀態(tài)，出現(xiàn)旁瓣回波時(shí)最大反射率因子超過(guò)60 dBZ；強(qiáng)冰雹云回波常伴有特殊形態(tài)，如人字形、低層鉤狀回波或V型缺口、三體散射(TBSS)特征。V型缺口通常表明強(qiáng)烈的入流氣流進(jìn)入上升氣流，有利于雹胚成長(zhǎng)為強(qiáng)冰雹。TBSS是指由于雷達(dá)能量在強(qiáng)反射率因子區(qū)向前散射而形成的異?；夭ǎ鋸?qiáng)度通常小于等于20 dBZ，呈現(xiàn)類似細(xì)長(zhǎng)的釘子狀從強(qiáng)回波區(qū)沿徑向伸展。10個(gè)強(qiáng)冰雹樣本中有一半觀測(cè)到TBSS特征，相應(yīng)的反射率因子超過(guò)64 dBZ，其余風(fēng)暴單體沒(méi)有觀測(cè)到TBSS特征主要是因?yàn)檫@些風(fēng)暴單體不是孤立的，周圍被大片的降水回波掩蓋，而小冰雹樣本中均沒(méi)有觀測(cè)到TBSS特征，這與廖玉芳等[28]的研究結(jié)果一致，因此TBSS特征可以作為S波段雷達(dá)強(qiáng)冰雹的預(yù)警指標(biāo)之一，并且TBSS特征或旁瓣回波大都比地面降雹時(shí)間提前18～60 min。 產(chǎn)生冰雹需要強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，常表現(xiàn)為風(fēng)暴底輻合和風(fēng)暴頂輻散，雹云在徑向速度圖上表現(xiàn)出較明顯的對(duì)流擾動(dòng)特征，常?？梢苑治龀鲋袣庑?。中氣旋是與強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴相聯(lián)系的最重要的雷暴尺度速度場(chǎng)特征，從表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，小冰雹樣本中只有2例伴隨中氣旋，而大冰雹樣本中全都伴隨中等強(qiáng)度以上的中氣旋，可見，中氣旋并不是產(chǎn)生冰雹的必要條件，但是只有中氣旋較強(qiáng)、對(duì)流維持時(shí)間較長(zhǎng)才能產(chǎn)生大冰雹，因此，中等強(qiáng)度以上的中氣旋可以作為強(qiáng)冰雹的參考條件之一。

表2 回波形態(tài)和中氣旋

序號(hào)回波形態(tài)TBSS/旁瓣提前量/min中氣旋強(qiáng)度/(m·s-1)1帶狀、V型缺口、WER24(強(qiáng))2人字、V型缺口、BWER、TBSS、旁瓣4218(中等)3鉤狀、BWER24(強(qiáng))4人字、V型缺口、BWER、TBSS、旁瓣1822(強(qiáng))5鉤狀、BWER27(強(qiáng))6鉤狀、BWER26(強(qiáng))7塊狀、BWER21(中等)8塊狀、V型缺口、BWER、TBSS5424(強(qiáng))9塊狀、V型缺口、BWER、TBSS、旁瓣6020(中等)10塊狀、V型缺口、BWER、TBSS、旁瓣4822(強(qiáng))11片狀、WER17(中等)12片狀、WER無(wú)13塊狀、WER無(wú)14片狀、WER17(中等)15塊狀、WER無(wú)16帶狀、WER無(wú)17片狀、WER無(wú)18片狀、WER無(wú)19塊狀、WER無(wú)20塊狀、WER、旁瓣18無(wú)

圖1給出10個(gè)強(qiáng)冰雹風(fēng)暴單體成熟時(shí)期雷達(dá)反射率因子沿低層入流方向的垂直剖面圖。可以看到強(qiáng)冰雹云的反射率因子的垂直結(jié)構(gòu)特征：高懸的強(qiáng)回波和位于其下方的有界弱回波區(qū)(BWER)或?qū)掗煹娜趸夭▍^(qū)(WER)、回波墻。WER和BWER是強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的一種表現(xiàn)，尤其是BWER，由于超級(jí)單體風(fēng)暴上升氣流特別強(qiáng)，在其上升運(yùn)動(dòng)區(qū)出現(xiàn)了相對(duì)弱的回波，冰雹的循環(huán)上升區(qū)和降雹區(qū)構(gòu)成了中高層的懸垂回波，BWER是包含云粒子但不包含降水粒子的一個(gè)強(qiáng)上升氣流區(qū)，降水物的尺寸篩選導(dǎo)致大冰雹落在與BWER相鄰的反射率因子高梯度區(qū)。由于BWER或WER的尺度反映了風(fēng)暴上升氣流的強(qiáng)度和尺度，影響冰雹災(zāi)害的程度，因此統(tǒng)計(jì)了強(qiáng)冰雹云的BWER水平尺度為1～4 km，高度為4～7 km，WER的水平尺度為10 km，比云南雹災(zāi)的WER水平尺度大[14]，這可能與環(huán)境垂直風(fēng)切變有關(guān)。BWER和寬闊的WER反映了強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，而大冰雹需要更強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，表2的數(shù)據(jù)印證了這一點(diǎn)，可見，BWER和寬闊WER是強(qiáng)冰雹云最重要的特征之一。因此，如果風(fēng)暴單體反射率因子出現(xiàn)低層鉤狀回波或人字形回波或V型缺口、中層BWER或?qū)掗煹腤ER、高懸的強(qiáng)回波特征，伴隨中等強(qiáng)度以上中氣旋，且0℃層高度適中的話，應(yīng)立即發(fā)布強(qiáng)冰雹預(yù)警。

圖1 強(qiáng)冰雹風(fēng)暴單體反射率因子沿低層入流方向垂直剖面

3 雷達(dá)參量分析

3.1 風(fēng)暴頂高、反射率因子特征

影響到達(dá)地面冰雹大小的一個(gè)重要因素是冰雹在通過(guò)凍結(jié)層高度到地面的融化效應(yīng)，所以要出現(xiàn)強(qiáng)冰雹，需要0 ℃層高度適中。統(tǒng)計(jì)17次冰雹過(guò)程的0 ℃層高度為3.7～5.2 km，其中出現(xiàn)強(qiáng)冰雹的0℃層高度為3.8～4.7 km，比農(nóng)孟松等[9]統(tǒng)計(jì)得出廣西降雹適宜高度略高，0 ℃層高度為4.7 km的那次強(qiáng)降雹過(guò)程正好發(fā)生在桂北山區(qū)，考慮到地形高度對(duì)實(shí)際融冰厚度的影響，把有利于出現(xiàn)強(qiáng)冰雹的0℃層高度調(diào)整為3.0～4.8 km。-20 ℃層高度是冰晶產(chǎn)生的高度，云的相態(tài)呈膠性不穩(wěn)定，有利于云中水滴的增長(zhǎng)，該17次冰雹過(guò)程的-20 ℃層高度為6.8～8.5 km?；夭敻呒?8 dBZ以上回波所能達(dá)到的最大高度，反映風(fēng)暴發(fā)展的強(qiáng)烈程度，統(tǒng)計(jì)20個(gè)冰雹云的回波頂高為10～21 km。負(fù)溫區(qū)厚度(即回波頂高與0℃層高度差)反映在0℃層以上產(chǎn)生冰雹的對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展程度，風(fēng)暴在0℃層以上發(fā)展越旺盛，形成冰雹的概率越大。計(jì)算冰雹云成熟期負(fù)溫區(qū)厚度，小冰雹為7.1～12.8 km，大冰雹為6.2～16.3 km，計(jì)算大水滴冰化區(qū)厚度(即回波頂高與-20℃層高度差)，小冰雹為3.9～11.1 km，大冰雹為3.0～11.3 km，負(fù)溫區(qū)厚度與大水滴冰化區(qū)厚度范圍較大，無(wú)法區(qū)分大、小冰雹甚至非冰雹云，與國(guó)內(nèi)其他研究[10]差異較大。

根據(jù)微波散射理論，冰雹尺度較大，其回波強(qiáng)度特別強(qiáng)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，小冰雹對(duì)應(yīng)的最大反射率因子為53～72 dBZ，大冰雹為64～75 dBZ，可見，最大反射率因子和回波頂高并不能有效區(qū)分大、小冰雹，只能作為冰雹的參考條件。在分析風(fēng)暴趨勢(shì)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴頂高(風(fēng)暴單體30 dBZ回波的最大高度)和最大反射率因子高度的變化有一定規(guī)律：地面降雹前一段時(shí)間內(nèi)，最大反射率因子高度有明顯躍增現(xiàn)象，即在1～2個(gè)體掃時(shí)間內(nèi)突然升高1 km以上，最多可達(dá)9 km，說(shuō)明冰雹粒子正在迅速增長(zhǎng)，躍增以后達(dá)到最大值且維持一段時(shí)間，之后最大反射率因子高度迅速降低，對(duì)應(yīng)地面降雹，因此，可以用最大反射率因子高度躍增預(yù)測(cè)地面降雹大致時(shí)間，通常可提前6～24 min，最多可達(dá)42 min。圖2為風(fēng)暴頂高、最大反射率因子高度與冰雹直徑的關(guān)系實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖，圖2中顯示出風(fēng)暴頂高和最大反射率因子高度越高，冰雹直徑越大的趨勢(shì)，小冰雹的最大反射率因子高度均小于8 km，而大冰雹有9例超過(guò)7 km，僅有一例小于7 km，可能是由于該風(fēng)暴距離雷達(dá)較近(約40 km)，回波頂高數(shù)值偏小，50 mm以上直徑冰雹的最大反射率因子高度均超過(guò)10 km，因此把風(fēng)暴頂高≥10 km、最大反射率因子高度≥7 km作為強(qiáng)冰雹的識(shí)別指標(biāo)之一，按此標(biāo)準(zhǔn)，20個(gè)冰雹云樣本中空?qǐng)?bào)3例，無(wú)漏報(bào)，準(zhǔn)確率可達(dá)85%。

圖2 風(fēng)暴頂高、最大反射率因子高度與冰雹直徑的關(guān)系實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

圖3 50dBZ強(qiáng)回波高度、0℃層高度與冰雹直徑的關(guān)系實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

3.2 50dBZ強(qiáng)回波伸展高度及其在負(fù)溫區(qū)和冰化區(qū)中的厚度特征

根據(jù)Foote[29]提出的冰雹增長(zhǎng)概念，大多數(shù)雹塊的增長(zhǎng)發(fā)生在-10～-25℃范圍內(nèi)，-10～-30℃層是冰雹的主要增長(zhǎng)層，在雹胚相同的前提下該層上升氣流強(qiáng)則出現(xiàn)強(qiáng)冰雹的幾率大。強(qiáng)冰雹云在反射率因子圖上表現(xiàn)為高懸的強(qiáng)回波，要求強(qiáng)回波向上擴(kuò)展到較高的高度，Witt等[30]提出相應(yīng)的反射率因子越強(qiáng)，相對(duì)高度越高，產(chǎn)生強(qiáng)冰雹的可能性和嚴(yán)重程度越大。本文選擇50 dBZ作為判斷強(qiáng)回波高度的閾值，圖3給出50 dBZ強(qiáng)回波最大高度、0℃層高度與冰雹直徑的關(guān)系實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖?？傮w上看，50 dBZ向上擴(kuò)展的高度越高，冰雹直徑越大，小冰雹對(duì)應(yīng)的強(qiáng)回波伸展高度在6.5～10 km之間，大冰雹對(duì)應(yīng)的強(qiáng)回波伸展高度≥9.5 km，因此可以用50 dBZ強(qiáng)回波伸展高度≥6.5 km和≥9.5 km來(lái)識(shí)別冰雹云和強(qiáng)冰雹，準(zhǔn)確率可達(dá)90%。為減小地形高度差異的影響，用強(qiáng)回波伸展高度與0℃層、-20℃層的高度差，即強(qiáng)回波在負(fù)溫區(qū)、冰化區(qū)中的厚度來(lái)表示，見圖4。由圖4可見，強(qiáng)回波在負(fù)溫區(qū)、冰化區(qū)中的厚度與冰雹直徑有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明強(qiáng)回波伸展高度越高，冰雹粒子碰并增長(zhǎng)區(qū)越厚，越有利于大冰雹的產(chǎn)生，可以用H50dBZ-H0℃≥2.5 km，H50dBZ-H-20℃≥-0.5 km來(lái)識(shí)別冰雹云，用H50dBZ-H0℃≥5 km，H50dBZ-H-20℃≥1.5 km來(lái)識(shí)別強(qiáng)冰雹，按此標(biāo)準(zhǔn)，20個(gè)冰雹云樣本中空?qǐng)?bào)2例，無(wú)漏報(bào)，準(zhǔn)確率可達(dá)90%。

圖4 50dBZ強(qiáng)回波在負(fù)溫區(qū)、冰化區(qū)中的厚度與冰雹直徑的關(guān)系實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

3.3 強(qiáng)回波面積特征

強(qiáng)冰雹云不僅在PPI的強(qiáng)回波常表現(xiàn)出較大回波面積，且出現(xiàn)在較高上空，強(qiáng)回波的大面積區(qū)有利于大冰雹的增長(zhǎng)[31]。根據(jù)冰雹形成的物理過(guò)程，強(qiáng)雹粒子增長(zhǎng)在接近-20℃層及以上更冷的區(qū)域，利用多普勒雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)制作-10℃、-20℃和-30℃高度層回波強(qiáng)度分布產(chǎn)品，計(jì)算50 dBZ強(qiáng)回波在這三個(gè)高度層的面積，表3給出20個(gè)冰雹風(fēng)暴單體對(duì)應(yīng)的-10℃、-20℃和-30℃層高度及相應(yīng)的50 dBZ強(qiáng)回波面積。小冰雹的-10℃、-20℃和-30℃層的強(qiáng)回波面積分別為6～40 km2、0～30 km2、0～14 km2，大冰雹為36～168 km2、19～151 km2、7～138 km2，計(jì)算每個(gè)冰雹風(fēng)暴單體在這三個(gè)高度層的強(qiáng)回波面積的平均值，大冰雹為22～152 km2，其中35～85 km2占80%，小冰雹為2～28 km2，其中5～20 km2占70%，只有1例為28 km2，其余均小于20 km2，說(shuō)明大冰雹不僅要求強(qiáng)回波伸展高度要高(超過(guò)-30℃層高度)，而且強(qiáng)回波水平尺度要大，可用-10℃、-20℃和-30℃層的強(qiáng)回波面積分別達(dá)到35 km2、15 km2、5 km2或這三個(gè)高度層的強(qiáng)回波面積的平均值達(dá)到20 km2來(lái)識(shí)別大冰雹，按此標(biāo)準(zhǔn)，20個(gè)冰雹云樣本中空?qǐng)?bào)1例，無(wú)漏報(bào)，準(zhǔn)確率可達(dá)95%。同時(shí)，強(qiáng)回波面積隨高度的垂直遞減率越小，說(shuō)明風(fēng)暴垂直發(fā)展越旺盛，非常有利于大冰雹的生長(zhǎng)，如個(gè)例3、5、6，三個(gè)高度層的強(qiáng)回波面積幾乎一樣大，甚至高層比低層還大，結(jié)果這三個(gè)雹暴單體均產(chǎn)生50mm以上的巨大冰雹。用-10℃、-20℃和-30℃層高度上強(qiáng)回波的面積大小作為閾值，在實(shí)際業(yè)務(wù)臨近預(yù)警中定量且易操作。

3.4 VIL和VIL密度

垂直液態(tài)水含量VIL和VIL密度(VIL與風(fēng)暴頂?shù)谋戎?是用來(lái)識(shí)別冰雹云使用得最頻繁的參量之一。由圖5可以看出，小冰雹對(duì)應(yīng)的VIL值和VIL密度最小為30 kg·m-2和3.5 g·m-3，大冰雹最小為52 kg·m-2和5.8 g·m-3，VIL值為52 kg·m-2的個(gè)例出現(xiàn)在距離雷達(dá)40km附近的雹暴單體，由于靜錐區(qū)的影響，VIL值偏低，因此選擇VIL值≥60 kg·m-2、VIL密度≥5.8 g·m-3作為識(shí)別大冰雹的閾值，按此標(biāo)準(zhǔn)，20個(gè)冰雹云樣本中能識(shí)別出9例大冰雹，漏報(bào)1例，空?qǐng)?bào)2例，準(zhǔn)確率85%。雖然降雹直徑與VIL值和VIL密度呈一定的正相關(guān)關(guān)系，但并不是簡(jiǎn)單的線性增加關(guān)系，尤其是小冰雹對(duì)應(yīng)的VIL值和VIL密度范圍較大，因此該指標(biāo)不能單獨(dú)使用，應(yīng)結(jié)合其他指標(biāo)來(lái)進(jìn)行冰雹預(yù)警。已有許多研究表明，地面降雹前一段時(shí)間VIL值有明顯躍增，反映云中冰雹粒子不斷碰并增長(zhǎng)的過(guò)程，本文對(duì)20個(gè)冰雹云的VIL值演變進(jìn)行分析，得出的結(jié)果與其他研究相似，即VIL值突然在1～2個(gè)體掃時(shí)間內(nèi)躍增10 kg·m-2以上，最大可達(dá)35 kg·m-2，達(dá)到最大值后可能維持一段時(shí)間，然后迅速下降，對(duì)應(yīng)地面降雹，用VIL值躍增預(yù)測(cè)地面降雹通?？商崆?～18 min，最多可達(dá)48 min。該結(jié)果與上述用最大反射率因子高度躍增預(yù)測(cè)地面降雹非常相似，由于兩者并不總是出現(xiàn)在同一時(shí)刻，因此兩個(gè)指標(biāo)結(jié)合起來(lái)用，可以增加預(yù)警的提前量。

表3 冰雹風(fēng)暴單體對(duì)應(yīng)的-10℃、-20℃和-30℃層高度及相應(yīng)的強(qiáng)回波面積

圖5 VIL、VIL密度與冰雹直徑的關(guān)系實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

4 結(jié)論與討論

利用柳州多普勒雷達(dá)(SB)資料，對(duì)20個(gè)不同降雹強(qiáng)度的冰雹云進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出桂北地區(qū)強(qiáng)冰雹云的主要雷達(dá)回波特征：①低層反射率因子圖上常出現(xiàn)鉤狀回波、人字形回波或V型缺口；②中層存在BWER，水平尺度1～4 km、高4～7 km，或?qū)掗煹腤ER，水平尺度10km；③高層強(qiáng)回波懸垂，強(qiáng)回波呈傾斜結(jié)構(gòu)；④徑向速度圖上伴有中等強(qiáng)度以上中氣旋；⑤沒(méi)有降水回波遮擋時(shí)，常出現(xiàn)TBSS或旁瓣回波特征；⑥最大反射率因子64～75 dBZ，負(fù)溫區(qū)厚度6.2～16.3 km，冰化區(qū)厚度3.0～11.3 km，最大風(fēng)暴頂高9.3～17.5 km，最大反射率因子高度4.8～11.3 km，50 dBZ強(qiáng)回波伸展高度9.5～15.5 km，強(qiáng)回波在負(fù)溫區(qū)中的厚度5.2～10.8 km，在冰化區(qū)中的厚度1.7～7.5 km，-10℃、-20℃和-30℃高度層的強(qiáng)回波面積分別為36～168 km2、19～151 km2、7～138 km2，最大VIL和VIL密度分別為52～105 kg·m-2和5.8～7.3 g·m-3。

能夠有效判斷強(qiáng)冰雹發(fā)生的特征指標(biāo)有：

(1)如果風(fēng)暴單體反射率因子出現(xiàn)低層鉤狀回波或人字形回波或V型缺口、中層出現(xiàn)BWER或?qū)掗煹腤ER、高懸的強(qiáng)回波特征，伴隨中等強(qiáng)度以上中氣旋，且0℃層高度適中的話(一般為3.0～4.8 km)，應(yīng)立即發(fā)布強(qiáng)冰雹預(yù)警。

(2)對(duì)于S波段雷達(dá)，出現(xiàn)TBSS特征，且0℃層高度適中，應(yīng)立即發(fā)布強(qiáng)冰雹預(yù)警。TBSS特征或旁瓣回波的出現(xiàn)可較地面降雹時(shí)間提前18～60 min。

(3)風(fēng)暴頂高≥10 km、最大反射率因子高度≥7 km作為強(qiáng)冰雹的識(shí)別指標(biāo)之一，準(zhǔn)確率可達(dá)85%。用最大反射率因子高度躍增預(yù)測(cè)地面降雹大致時(shí)間，通?？商崆?～24 min，最多可達(dá)42 min。

(4)用50 dBZ強(qiáng)回波伸展高度≥9.5 km或強(qiáng)回波在負(fù)溫區(qū)的厚度(H50dBZ-H0℃)≥5 km，在冰化區(qū)的厚度(H50dBZ-H-20℃)≥1.5 km來(lái)識(shí)別強(qiáng)冰雹，準(zhǔn)確率可達(dá)90%。

(5)用-10 ℃、-20 ℃和-30 ℃高度層的強(qiáng)回波面積分別達(dá)到35 km2、15 km2、5 km2或這三個(gè)高度層的強(qiáng)回波面積的平均值達(dá)到20 km2來(lái)識(shí)別大冰雹，準(zhǔn)確率可達(dá)95%。滿足這一指標(biāo)前提下，如果強(qiáng)回波面積隨高度的垂直遞減率很小甚至為負(fù)，那么很可能出現(xiàn)50mm以上的巨大冰雹。

(6)VIL值≥60 kg·m-2、VIL密度≥5.8 g·m-3作為識(shí)別大冰雹的閾值，準(zhǔn)確率85%。該指標(biāo)不能單獨(dú)使用，應(yīng)結(jié)合其他指標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)冰雹預(yù)警。用VIL值躍增預(yù)測(cè)地面降雹通常可提前6～18 min，最多可達(dá)48 min，與指標(biāo)(3)結(jié)合起來(lái)用，可以增加預(yù)警的提前量。

由于個(gè)例有限，上述指標(biāo)不一定適用所有地形、地區(qū)和季節(jié)，今后可繼續(xù)收集這方面的資料，進(jìn)一步修正該指標(biāo)。

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Radar Early Warning Index Analysis ofSevere Hail in North of Guangxi

QIN Jing, PAN Hai, LIU Lei, LI Yaqin, YUAN Maqiang and SU Xiaoling

(LiuzhouMeteorologicalBureau,Liuzhou545001,China)

UsingDopplerweatherradardataandhaildisasterdata,basedonstatisticmethod,thefeaturesof20hailstormsoverLiuzhouandadjacentareas,Guangxiprovincefrom2008to2016areanalyzed.Theradarechofeaturesofseverehailstormsaresummed:thelowlevelreflectivityshowsahookechoandherringboneechoandV-notch,aswellasboundedweakechoareaorwideweakechoareaatthemiddlelevelandstrongoverhangingstructure,atthesametime,moderateorstrongmesocyclonesappearatthecorrespondingradialvelocity.Someradarnow-castingindicatorsofseverehailarefoundwhicharesuitableforthenorthofGuangxiarea:Three-bodyscatteringoccursandtheheightof0 ℃layerat3.0 ～ 4.8km.Stormtopheight≥10kmandmaximumreflectivityheight≥7km. 50dBZstrongechoheight≥9.5kmorH50dBZ-H0℃≥5km,H50dBZ-H-20℃≥1.5km.The50dBZrangreaches35km2onthe-10 ℃layerand15km2onthe-20 ℃layerand5km2onthe-30 ℃layerortheaveragerangof50dBZonthesethreelayersreaches20km2.Verticallyintegratedliquidvalue≥60kg·m-2anddensityofVIL≥5.8g·m-3.

severehail;radar;now-casting;NorthofGuangxi

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.028.]

2016-08-06

2016-09-18

柳州市氣象局自立項(xiàng)目(柳氣科201602)第一作者簡(jiǎn)介：覃靖(1982-)，女，壯族，廣西柳州人，工程師，主要從事短期、短臨天氣預(yù)報(bào)及研究。E-mail：48911409@qq.com

X43；P406

A

1000-811X(2017)02-0159-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.028

覃靖，潘海，劉蕾，等. 桂北地區(qū)強(qiáng)冰雹的雷達(dá)臨近預(yù)警指標(biāo)分析[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(2)：159-164. [QIN Jing, PAN Hai, LIU Lei,et al. Radar Early Warning Index Analysis of Severe Hail in North of Guangxi [J]. Journal of Catastrophology，2017，32(2)：159-164.