閩北春季冰雹CINRAD雷達(dá)產(chǎn)品特征分析

彭建東，張麗凡，黃待靜

（1.南平市氣象局，福建 南平353000；2.建甌市氣象局，福建 建甌353100）

南平市地處福建省北部，又稱閩北。該市多為山區(qū)，地形復(fù)雜，是冰雹等中小尺度災(zāi)害性天氣易發(fā)地區(qū)。閩北全年各月都可能出現(xiàn)冰雹，以3～6 月份最多，其它月份較少，而春季又為煙葉生長的關(guān)鍵期，特別是閩北“十九大”煙葉生產(chǎn)規(guī)劃落實(shí)以來，冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)煙葉生產(chǎn)的影響將越來越大。

目前天氣雷達(dá)是冰雹等中小尺度災(zāi)害性天氣最主要的探測(cè)手段[1]。近年來隨著我國新一代多普勒天氣雷達(dá)的建設(shè)和產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用，在冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)方面取得了顯著成就[2-5]。國內(nèi)外的研究表明[6-12]，垂直積分液態(tài)水含量（VIL）、強(qiáng)中心高度（Ht）、風(fēng)暴頂高（TOP，即≥30dBz 回波所在高度）和組合反射率因子（CR）等物理量產(chǎn)品對(duì)冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣具有較好的指示作用。

VIL 作為一種新的預(yù)報(bào)因子最早由Greene[13]等提出。Amburn[14]等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，VIL對(duì)冰雹有很好的判別作用，并得到一些判別指標(biāo)。20 世紀(jì)80 年代以后VIL已經(jīng)成為美國天氣雷達(dá)判別強(qiáng)對(duì)流天氣造成的暴雨、暴雪、和冰雹等災(zāi)害性天氣的一種有效工具。在國內(nèi)，VIL在冰雹云識(shí)別預(yù)報(bào)和人工影響天氣作業(yè)條件識(shí)別等方面也得到了較好的應(yīng)用，是使用率較高的雷達(dá)產(chǎn)品之一。如付雙喜[15]、刁秀廣[16]、劉治國[17]等對(duì)VIL資料在冰雹識(shí)別預(yù)測(cè)方面進(jìn)行了研究分析，均取得了較好的效果，發(fā)現(xiàn)冰雹云VIL變化也具有自身的獨(dú)特變化特征，如降雹前VIL值“躍增”式增長（或爆發(fā)式增長）等，但其判別指標(biāo)因各地氣候天氣差異和雷達(dá)型號(hào)不同有較大差異。另外，湯興芝[18]對(duì)宜昌地區(qū)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，指出利用45dBz雷達(dá)強(qiáng)回波高度可較好地識(shí)別冰雹云，且降雹前45dBz 回波頂高會(huì)出現(xiàn)躍增現(xiàn)象并有一定的提前量。俞小鼎[19]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。但這些研究都是基于本地化應(yīng)用的基礎(chǔ)上展開的，因此有必要利用CINRAD 雷達(dá)資料產(chǎn)品開展對(duì)閩北春季冰雹的本地化應(yīng)用研究，找出閩北春季冰雹云VIL、Ht、TOP 和CR 等產(chǎn)品本地化的預(yù)測(cè)和識(shí)別指標(biāo)，以期為本地冰雹預(yù)報(bào)識(shí)別和人工防雹作業(yè)提供參考和指導(dǎo)。

1 資料說明

文中使用的資料為：2008～2013 年建陽多普勒天氣雷達(dá)資料、邵武高空探測(cè)資料、地面實(shí)況觀測(cè)資料和人工收集的降雹實(shí)況資料。分析地面實(shí)況與人工收集降雹實(shí)況等資料可得：近6a3～6月南平市共出現(xiàn)18 個(gè)降雹日（見表2），結(jié)合建陽多普勒天氣雷達(dá)資料可知，期間對(duì)我市造成明顯降雹的雹云單體共計(jì)有31個(gè)。利用邵武探空資料分析18個(gè)降雹日當(dāng)天08時(shí)或20時(shí)（北京時(shí)）的0℃層和-20℃層高度特征，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，降雹時(shí)0℃層高度一般在3.9～5.3km、-20℃層高度在6.9～8.8km。文章的主要目的是利用建陽新一代天氣雷達(dá)（CINRAD/SA）的逐體掃資料分析31 個(gè)雹云單體從初生、發(fā)展、成熟到消亡不同發(fā)展時(shí)期的VIL、CR 及強(qiáng)中心高度Ht、風(fēng)暴頂高TOP 等雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料的演變特征，找出冰雹的本地化的預(yù)測(cè)和識(shí)別指標(biāo)。分析VIL 時(shí)應(yīng)選用距離雷達(dá)站20～150km 范圍內(nèi)的降雹樣本資料（因?yàn)榫嚯x太近，風(fēng)暴上層雷達(dá)探測(cè)不到，強(qiáng)度、高度和VIL 等值嚴(yán)重失真；受地球曲率和最低探測(cè)仰角0.5°的影響，距離太遠(yuǎn)則雷達(dá)探測(cè)不到風(fēng)暴的底部，也會(huì)使強(qiáng)度、高度和VIL值失真）。

2 雹云單體的雷達(dá)資料統(tǒng)計(jì)分析

2.1 雹云單體降雹前VIL、CR、Ht、TOP特征

文中主要分析降雹樣本實(shí)況出現(xiàn)前的VIL、CR、Ht、TOP等雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)演變特征，表1為從31個(gè)雹云單體的VIL、CR、Ht、TOP 等雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)中讀取的關(guān)鍵指標(biāo)。

由表1可得：3～6月閩北雹云單體降雹前VILmax最小為32kg?m-2，最大為85kg?m-2，平均為54.6kg·m-2；降雹前雹云單體最強(qiáng)組合反射率因子CR 最小為60dBz，最大為74dBz，平均為67.9dBz；降雹前時(shí)雹云單體Ht-H0 最小為1.2km，最大為5km，平均為2.4km；降雹前雹云單體風(fēng)暴頂高TOP最小為7.6km，最大為16.4km，平均為11.6km。

降雹時(shí)雹云單體VIL 最小為26kg?m-2，最大為71kg?m-2，平均為45.4kg?m-2；降雹時(shí)雹云單體組合反射率因子CR最小為57dBz，最大為74dBz，平均為65.4dBz。

另外，統(tǒng)計(jì)分析雹云單體的Ht變化曲線發(fā)現(xiàn)31個(gè)雹云單體在降雹前Ht都出現(xiàn)不同程度的下降，為了客觀的表示這一特征，分析總樣本的Ht平均值的時(shí)間演變曲線就顯得很有必要。按體掃時(shí)間順序?qū)γ恳粋€(gè)雹云單體的Ht依次取值，將最接近降雹時(shí)間的體掃時(shí)間定義為T，前一個(gè)體掃時(shí)間為T-1，后一個(gè)體掃時(shí)間為T+1，以此類推，制作成Ht 時(shí)間序列，每個(gè)降雹單體樣本均可得到一個(gè)Ht 隨時(shí)間變化的序列。通過對(duì)31個(gè)樣本對(duì)應(yīng)體掃時(shí)間的Ht值求平均，得到閩北冰雹云Ht 平均值的時(shí)間變化曲線（圖1），從圖中的總樣本Ht的變化曲線可以看出，冰雹云的強(qiáng)中心高度先是緩慢增加，再快速降低，接著再抬升，降雹前T-1～T時(shí)間段冰雹云的Ht平均值高度在6分鐘內(nèi)陡降了1.4km，從4.9km直接降到了3.5km。

表1 2008～2013年春季（3～6月）的雹云單體特征物理量值

2.2 冰雹樣本VIL躍增識(shí)別指標(biāo)

圖1 雹云單體總樣本Ht平均值的時(shí)間演變曲線

表2 2008～2013年3～6月份的雹云單體VIL躍增情況

文章重點(diǎn)分析的是雹云單體VIL 躍增情況，表2給出了2008～2013年春季所有雹云單體VIL 的躍增情況，從表2 中可以看到，31 個(gè)雹云單體樣本中有30個(gè)樣本的VIL值發(fā)生了躍增，1個(gè)體掃時(shí)間VIL躍增值最小為12kg?m-2，最大為43kg?m-2，VIL 躍增時(shí)間提前量平均為5.7 個(gè)體掃時(shí)間。如果將躍增條件設(shè)定為1個(gè)體掃時(shí)間△VIL≥12kg?m-2，且躍增后的VIL≥31kg?m-2，則有29 個(gè)雹云單體樣本符合條件，不符合條件的2個(gè)雹云單體樣本分別為2010.5.18 政和（D6）、2008.04.08光澤（V8）。下面將詳細(xì)分析這2個(gè)不符合條件的雹云單體樣本。

（1）2010.5.18 政和（D6）：圖2 給出了雹云單體D6 的各雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)變化特征曲線，從VIL 曲線看，其VIL 值在降雹時(shí)15:14 達(dá)到最大71kg?m-2，在此之前VIL一直是緩慢增加的，1個(gè)體掃的最大增幅出現(xiàn)在14:56～15:02，VIL 由46kg?m-2增加到55kg?m-2，增加了9kg?m-2，達(dá)不到本文設(shè)定的躍增標(biāo)準(zhǔn)，屬于漏報(bào)。雖然雹云單體D6降雹前VIL值沒有發(fā)生躍增，但是從其它雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)變化特征曲線也可以得出該單體將降雹的信號(hào)：（1）從CR變化曲線看，CR由起初的56dBz一直在逐漸增加，在降雹時(shí)間的前一個(gè)體掃時(shí)刻達(dá)到最大值74dBz，由此判斷整個(gè)單體是非常強(qiáng)的；（2）從TOP變化曲線可以看出降雹前TOP 曲線是呈線性增加的，推斷整個(gè)單體回波是一直向上發(fā)展的，TOP 最高伸展到12km，接近對(duì)流層頂?shù)母叨?；?）雹云單體D6 的Ht 在降雹前2 個(gè)體掃時(shí)刻達(dá)到最大值9.9km，之后的2 個(gè)體掃時(shí)間D6的強(qiáng)中心高陡然下降到2.7km，從探空資料可得當(dāng)日0℃高度為4.9km，-20℃高度為8.2ktm，換而言之，16:02～16:14 期間，雹云單體D6 的強(qiáng)中心高度從-20℃層以上高度迅速降至0℃層高度以下。綜上，可以判斷這是一個(gè)雹云單體。

（2）2008.04.08 光澤（V8）：其只滿足給定的2 個(gè)躍增條件（1個(gè)體掃時(shí)間△VIL≥12kg?m-2，且躍增后的VIL≥31kg?m-2）中的前一個(gè)條件，后一個(gè)條件不滿足，屬于漏報(bào)。

綜上，若躍增條件定為1 個(gè)體掃時(shí)間△VIL≥12kg?m-2，且躍增后的VIL≥31kg?m-2，則有29個(gè)雹云單體樣本符合條件，2個(gè)雹云單體樣本漏報(bào)，準(zhǔn)確率為94%，漏報(bào)率6%。

圖2 雹云單體D6降雹前的CR、VIL、TOP、Ht變化曲線

2.3 降雹直徑跟VIL的關(guān)系

每次降雹除了一些恰好發(fā)生在氣象臺(tái)站附近的會(huì)有準(zhǔn)確直徑的數(shù)據(jù)，其它收集到的冰雹直徑資料多為描述，諸如拇指大小等。由于形狀描述的模糊，一般情況下記錄的冰雹直徑跟實(shí)際大小大概會(huì)存在幾毫米的誤差。基于上述原因，文中在統(tǒng)計(jì)冰雹直徑時(shí)不采用具體直徑，而是將之歸納為4 個(gè)等級(jí)，黃豆、蠶豆、鴿子蛋、乒乓球，它們的直徑分別大約為5mm、10 mm、20 mm和40 mm，冰雹直徑接近哪個(gè)等級(jí)就將之歸為該等級(jí)（1 代表黃豆大小、2 代表蠶豆大小、3 代表鴿子蛋大小、4 代表乒乓球大?。M合發(fā)現(xiàn)冰雹直徑與降雹前VILmax成正相關(guān)，擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.661，兩者之間強(qiáng)相關(guān)。而冰雹直徑與降雹時(shí)的VIL 雖然也成正相關(guān)，但擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.406，兩者之間相關(guān)性不好。說明冰雹直徑只跟降雹前VILmax有關(guān)聯(lián)，且降雹前VILmax越大，冰雹直徑也可能越大。

2.4 降雹直徑跟VIL躍增的關(guān)系

扣除1個(gè)VIL值未發(fā)生躍增的雹云單體樣本，分析剩下30 個(gè)雹云單體樣本從初生發(fā)展到降雹的過程，可以發(fā)現(xiàn)雹云單體總樣本的VIL 的躍增情況可分為3種（這里只統(tǒng)計(jì)雹云單體第一次降雹前的VIL躍增分類，一個(gè)單體多次降雹的情況也只統(tǒng)計(jì)第一次降雹前的VIL躍增情況）：

圖3 VIL值與冰雹直徑等級(jí)分布圖（左圖的VIL值為降雹前VILmax，右圖的VIL值為降雹時(shí)的VIL）

（1）只有一次躍增，該類型共19 個(gè)樣本，其中9個(gè)降雹直徑等級(jí)1，9 個(gè)降雹直徑等級(jí)2，1 個(gè)降雹直徑等級(jí)3。

（2）連續(xù)的多次躍增，如雹云單體2010.05.18光澤（R3）在13:32～13:50期間VIL連續(xù)躍增了3次，先從36kg?m-2躍增到49kg?m-2再躍增到61kg?m-2最后躍增到80kg?m-2，1 個(gè)體掃時(shí)間分別躍增了13kg?m-2、12kg?m-2、19kg?m-2。該類型共6 個(gè)樣本，其中4個(gè)降雹直徑等級(jí)2，1 個(gè)降雹直徑等級(jí)3，1 個(gè)降雹直徑等級(jí)4。

（3）不連續(xù)的多次躍增，這種情況是指間隔時(shí)間很短（一般為1 個(gè)體掃時(shí)間）的多次躍增，而間隔時(shí)間很長的一般都對(duì)應(yīng)著多次降雹過程。如雹云單體2011.06.20 邵武（N7），降雹時(shí)間為19:09，在18:33～18:51VIL變化情況為33kg?m-2～65kg?m-2～54kg?m-2～70kg?m-2，期間第一個(gè)體掃間隔VIL 躍增了32kg?m-2，第二個(gè)體掃間隔VIL值減少了11kg?m-2，第三個(gè)體掃間隔VIL值躍增了16kg?m-2，VIL兩次躍增之間間隔了1個(gè)體掃時(shí)間，且該體掃間隔（18:39～18:45）VIL 值沒有不但沒有增加反而有所下降。該類型共5 個(gè)樣本，其中4個(gè)降雹直徑等級(jí)2，1個(gè)降雹直徑等級(jí)3。

圖4 不同躍增分類的雹云單體樣本數(shù)

綜上，所有的小冰雹降雹前VIL 都只有一次躍增，降雹前VIL多次躍增的，冰雹直徑都較大。

3 結(jié)論

（1）統(tǒng)計(jì)近6a（2008～2013）年閩北春季（3～6月）的降雹情況，發(fā)現(xiàn)降雹時(shí)0℃層高度在3.9～5.3km，-20℃層高度在6.9～8.8 km。降雹前的VILmax最小為32 kg?m-2，且降雹前VILmax越大，冰雹直徑也可能越大。CR、TOP 臨界值分別為60dBz、7.6Km，Ht臨界值為0℃層以上1.2km。

（2）若將躍增條件設(shè)定為一個(gè)體掃時(shí)間△VIL≥12kg ?m-2，且 躍 增 后 的VIL≥31kg ?m-2，則 準(zhǔn) 確 率94%，漏報(bào)率6%。VIL躍增時(shí)間提前量△T平均為5.7個(gè)體掃時(shí)間。降雹前6min內(nèi)總樣本的Ht平均值高度陡降了1.4Km。

（3）所有的小冰雹降雹前VIL都只有一次躍增，降雹前VIL多次躍增的，冰雹直徑都較大。