云南滇中地區(qū)強(qiáng)對(duì)流雷達(dá)回波統(tǒng)計(jì)分析

武秀蘭，夏彬僖，朱 睿

(1.云南省峨山彝族自治縣氣象局，云南 玉溪 653100；2.玉溪市氣象局，云南 玉溪 653100)

0 引言

新一代多普勒天氣雷達(dá)[1]是當(dāng)前進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流監(jiān)測(cè)、預(yù)警和開展人工防雹[2]作業(yè)指揮的重要工具。目前，云南已布設(shè)C波段多普勒天氣雷達(dá)7部，為云南強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和開展人工防雹作業(yè)指揮發(fā)揮了重要作用。強(qiáng)對(duì)流屬中小尺度天氣系統(tǒng)，其空間尺度小，生命期短[3]，通過常規(guī)天氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)，難以有效地監(jiān)測(cè)。天氣雷達(dá)通過對(duì)強(qiáng)對(duì)流云體的探測(cè)，可以獲得強(qiáng)對(duì)流回波的強(qiáng)弱分布和移動(dòng)變化，分析雷達(dá)回波的結(jié)構(gòu)與演變，從而判別強(qiáng)對(duì)流云體能否發(fā)展成為雹云，對(duì)于確定是否實(shí)施防雹作業(yè)，以及確定作業(yè)部位和用彈量都是很重要的決策依據(jù)，國(guó)內(nèi)外研究者利用雷達(dá)觀測(cè)產(chǎn)品，對(duì)強(qiáng)對(duì)流回波的特征進(jìn)行了大量分析研究。葛潤(rùn)生[4]對(duì)國(guó)內(nèi)14個(gè)地區(qū)的雷達(dá)觀測(cè)到的雹云的回波頂高、強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究指出，國(guó)內(nèi)雹云回波頂高平均約在海拔10 km以上，大多數(shù)在海拔11～13 km；平均回波強(qiáng)度約在45～50 dBz，并指出雹云的回波強(qiáng)度愈強(qiáng)，地面防雹造成的災(zāi)害愈嚴(yán)重。龔乃虎等[5]對(duì)甘肅平?jīng)龅貐^(qū)1972～1976年的X波段雷達(dá)觀測(cè)的153次雷暴資料進(jìn)行分析指出，回波頂高與回波頂高的溫度聯(lián)合可以較好的判別雹云。同時(shí)，垂直積分液態(tài)含水量(VIL)[6]作為雷達(dá)觀測(cè)的導(dǎo)出產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于雹云的識(shí)別[7]與預(yù)警等，劉治國(guó)等[8]對(duì)VIL的使用進(jìn)行了研究和分析。

快速分析判別雹云是人工防雹作業(yè)指揮的重要工作，分析多普勒雷達(dá)回波的強(qiáng)度、高度和VIL等要素，為雹云的判別提供決策依據(jù)，不僅有利于初級(jí)防雹指揮人員從整體上認(rèn)識(shí)、分析雹云，也是人影科技人員提高人影作業(yè)指揮水平的重要經(jīng)驗(yàn)積累。

1 數(shù)據(jù)來源與統(tǒng)計(jì)方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

由中國(guó)氣象局統(tǒng)一部署于昆明的新一代C波段全相參多普勒天氣雷達(dá)(102°34′41″E，25°3′7″N，天線高度2 515 m)是云南滇中地區(qū)人工防雹作業(yè)指揮的主要雷達(dá)，在每年5～9月采用VCP11體掃模式開展全天候觀測(cè)，探測(cè)有效半徑150 km，能覆蓋云南滇中大部地區(qū)。以人工防雹分析研究的重點(diǎn)，收集了昆明多普勒雷達(dá)于2006年～2012年5～9月的探測(cè)數(shù)據(jù)共1 148幅回波和由市、縣級(jí)人影指揮中心和人影作業(yè)點(diǎn)收集的雹災(zāi)記錄208份。

1.2 統(tǒng)計(jì)方法與統(tǒng)計(jì)要素

對(duì)流風(fēng)暴一般劃分為普通單體、多單體、線風(fēng)暴(飚線)和超級(jí)單體[1]，或劃分為單單體、多單體、超級(jí)單體和其它[9]。典型的雷暴云單體一般經(jīng)歷3個(gè)階段：形成階段(積云階段)、成熟階段和消亡階段，雹云進(jìn)一步可劃分為發(fā)生、躍增、孕育、降雹和消亡5個(gè)階段。本文中筆者將雷達(dá)連續(xù)觀測(cè)到的對(duì)流回波單體(或可能產(chǎn)生合并的多個(gè)對(duì)流回波體)的生成、發(fā)展、減弱等的演變作為一雷達(dá)回波觀測(cè)過程。

結(jié)合云南多年來人工防雹作業(yè)指揮的經(jīng)驗(yàn)，選取了多普勒雷達(dá)回波體掃的仰角0.5°PPI回波強(qiáng)度(反射率因子)、體掃回波頂高、35 dBz回波高度、回波強(qiáng)中心高度和回波垂直液態(tài)含水量(VIL)等5個(gè)雷達(dá)參量指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本文中，回波頂高為雷達(dá)體掃回波反射率因子5 dBz處的海拔高度；35 dBz回波高度為雷達(dá)體掃回波反射率因子為35 dBz處的回波頂海拔高度；回波強(qiáng)中心高度為雷達(dá)體掃回波反射率因子最強(qiáng)處的海拔高度。

2 回波統(tǒng)計(jì)分析

2.1 回波時(shí)段分布統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)收集到的雷達(dá)回波資料和雹災(zāi)記錄進(jìn)行分析整理，共分析出雷達(dá)回波觀測(cè)過程247個(gè)，其中有雹災(zāi)雷達(dá)回波觀測(cè)過程234個(gè)，無雹災(zāi)雷達(dá)回波觀測(cè)過程13個(gè)。按月統(tǒng)計(jì)其雷達(dá)回波觀測(cè)過程(圖略)分別為5月2個(gè)、6月44個(gè)，7月73個(gè)、8月104個(gè)和9月24個(gè)，表明云南滇中的雹暴主要發(fā)生在6～8月。對(duì)雷達(dá)回波觀測(cè)過程進(jìn)行逐時(shí)統(tǒng)計(jì)上，由于雷達(dá)回波觀測(cè)過程可能跨幾個(gè)時(shí)刻，因此，在逐時(shí)統(tǒng)計(jì)中，我們對(duì)雷達(dá)回波觀測(cè)過程是統(tǒng)一按時(shí)刻統(tǒng)計(jì)，即如果某一雷達(dá)回波觀測(cè)過程跨幾個(gè)時(shí)刻，我們就分別在這幾個(gè)時(shí)刻都進(jìn)行累計(jì)。圖1是逐時(shí)雷達(dá)回波觀測(cè)過程數(shù)統(tǒng)計(jì)圖，從圖1可以看出，統(tǒng)計(jì)的過程數(shù)主要出現(xiàn)在12時(shí)至20時(shí)，其中17時(shí)最多，為44個(gè)，次之是14時(shí)，為38個(gè)。由于這一時(shí)段為午后時(shí)段，而云南地處原高地區(qū)，夏季太陽對(duì)地面加熱形成的近地?zé)釋?duì)流是強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的主要誘因。

圖1 逐時(shí)雷達(dá)回波觀測(cè)過程數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

2.2 回波反射率因子統(tǒng)計(jì)

張培昌[10]根據(jù)江蘇氣象臺(tái)的統(tǒng)計(jì)，每年4至6月份冰雹云的平均回波強(qiáng)度為50.7 dBz至54.1 dBz。 統(tǒng)計(jì)234個(gè)有災(zāi)情過程(簡(jiǎn)稱AnaY)，其反射率因子最大值在59.3 dBz至45.1 dBz，平均為54.1 dBz，5至6月平均最大反射率因子為52.9 dBz至53.9 dBz，5月份的高于江蘇氣象臺(tái)統(tǒng)計(jì)的最大平均值，而6月的低于江蘇氣象臺(tái)的，7至9月其平均最大反射率因子分別為53.8 dBz、54.4 dBz和54.2 dBz。13個(gè)無災(zāi)情過程(簡(jiǎn)稱AnaN)，其反射率因子最大值在57.7 dBz至47.8 dBz，平均為53.4 dBz。因此，人工防雹作業(yè)指揮中僅從回波反射率因子上，難以判別強(qiáng)對(duì)流云體能否產(chǎn)生降雹。

2.3 回波頂高統(tǒng)計(jì)

回波頂高是指雷達(dá)能探測(cè)的回波高度，表明在其高度有雷達(dá)可探測(cè)到的水凝物存在。葛潤(rùn)生[4]利用C波段常規(guī)雷達(dá)觀測(cè)的國(guó)內(nèi)14個(gè)地區(qū)的雷達(dá)觀測(cè)到的雹云回波頂高進(jìn)行分析，指出國(guó)內(nèi)雹云回波頂高平均約在海拔10 km以上，大多數(shù)在海拔11～13 km。張培昌[10]根據(jù)江蘇氣象臺(tái)的統(tǒng)計(jì)，每年4月至6月的冰雹云的回波平均頂高在10.5～14.2 km。對(duì)247個(gè)雷達(dá)回波觀測(cè)過程，所有過程回波頂高在8.1 km至18.1 km，98%的過程回波頂高均在9 km以上，云南夏季的-20 ℃層一般約在9 km左右，說明云南滇中地區(qū)對(duì)流云體發(fā)展一般都在-20 ℃層以上，最強(qiáng)的回波過程其回波頂高達(dá)18 km，78%的回波過程的回波頂高在11 km以上，云南夏季-40 ℃層約在11 km，說明云南滇中地區(qū)大多強(qiáng)對(duì)流云體都能發(fā)展到-40 ℃層高度以上。

圖2是234個(gè)AnaY和13個(gè)AnaN過程回波頂高統(tǒng)計(jì)分布圖，其中圖2(a)AnaY過程為回波頂高統(tǒng)計(jì)，圖2(b)為AnaN過程回波頂高統(tǒng)計(jì)。從圖2可以看出，AnaY過程回波頂高在8 km到18 km，平均回波頂高為13.7 km，AnaN過程在9 km至16 km，平均為13.2 km。AnaY過程的平均回波頂高高于AnaN過程的0.5 km，說明產(chǎn)生冰雹的強(qiáng)對(duì)流云體的回波頂高要強(qiáng)于無冰雹的強(qiáng)對(duì)流云體。234個(gè)AnaY過程中，87%(204個(gè))的過程其回波頂高達(dá)11 km以上，13個(gè)AnaN過程中92%(12個(gè))的過程其回波頂高達(dá)11 km以上。因此，僅從強(qiáng)對(duì)流發(fā)展高度是否到達(dá)-40℃層高度難于判別是否能產(chǎn)生冰雹，回波頂高的發(fā)展高是產(chǎn)生雹災(zāi)的必要條件，而非充要條件。

2.4 35 dBz回波頂高分析

對(duì)強(qiáng)對(duì)流回波強(qiáng)中心的分析是判別雹云的重要指標(biāo)。李金輝等[11]提出，冰雹云的識(shí)別指標(biāo)應(yīng)取40 dBz、45 dBz兩檔較為合適。云南地區(qū)強(qiáng)對(duì)流發(fā)展快，如果采用45 dBz作為雹云強(qiáng)中心的判別指標(biāo)，對(duì)雹云的識(shí)別率高些，但在人工防雹作業(yè)指揮中，采用40 dBz或以上的值作為雹云判別指標(biāo)，留給作業(yè)指揮的時(shí)間太短，李紅斌等[12]提出采用30 dBz作為雹云判別指標(biāo)，但云南地區(qū)強(qiáng)對(duì)流單體的出現(xiàn)基本都在30 dBz以上，結(jié)合云南強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展特點(diǎn)和防雹作業(yè)指揮要求，我們采用35 dBz作為一判別指標(biāo)，有利于防雹作業(yè)指揮。

統(tǒng)計(jì)247個(gè)過程，其中AnaY過程35 dBz中心高度在15.5 km至4.9 km，平均高度為9.4 km，位于-20 ℃層附近，AnaN過程35 dBz中心高度在11.3 km至4.7 km，平均高度為7.8 km，兩者平均高度相差1.6 km。圖3是對(duì)回波過程35 dBz中心高度的統(tǒng)計(jì)，其中圖3(a)AnaY過程的統(tǒng)計(jì)，圖3(b)為AnaN過程的統(tǒng)計(jì)。從圖3可以看出，AnaY過程35 dBz中心高度統(tǒng)計(jì)的大值區(qū)在8 km處，而AnaN過程的在7 km處，因此，從過程平均高度和大值區(qū)看，AnaN過程比AnaN過程的35 dBz中心高度高出1 km以上。以-20℃層高度9 km統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，AnaY過程35 dBz中心高度在9 km以上的占52%，而AnaN過程的僅23%的在9 km以上。因此，利用35 dBz高度的最大值是判斷是否產(chǎn)生降雹的較好因子。9 km高度是云南夏季的-20層高度，因此，結(jié)合探空獲得的當(dāng)天-20℃層高度，判斷回波35 dBz高度是否在-20℃層以上，可以較好的判斷其回波降雹的可能性。

2.5 垂直累積液態(tài)含水量(VIL)的分析

垂直累積液態(tài)含水量(VIL)是新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)提供的一種導(dǎo)出產(chǎn)品，它表示將反射率因子數(shù)值轉(zhuǎn)換成等價(jià)的液態(tài)水值，它用的是假設(shè)所有反射率因子返回都是由液態(tài)水引起，其反映了降水云體中在某一確定面積的垂直柱體內(nèi)液態(tài)水的總量。付雙喜等[13]研究認(rèn)為，當(dāng)VIL值>7.0 kg/m2時(shí)，將預(yù)示有強(qiáng)對(duì)流天氣特別是冰雹天氣的出現(xiàn)。刁秀廣等[14]利用2002～2005年濟(jì)南雷達(dá)資料，對(duì)對(duì)流云的VIL分布特征進(jìn)行研究指出，降雹單體特別是強(qiáng)降雹單體在成熟前期有明顯的VIL躍增現(xiàn)象。

通過247個(gè)過程統(tǒng)計(jì)，AnaY過程的最大VIL在17 kg/m2至90 kg/m2，平均為65.2 kg/m2，AnaN過程的最大VIL在14 kg/m2至90 kg/m2，平均為59.4 kg/m2。從最大平均來看，AnaY過程VIL大于AnaN過程。從AnaY過程和AnaN過程的最大VIL分布來看，兩者的統(tǒng)計(jì)大值區(qū)都處于60至70 kg/m2區(qū)間(圖略)，有災(zāi)情和無災(zāi)情的回波過程的最大VIL的值區(qū)別不大，難以作為判別是否會(huì)產(chǎn)生降雹的判據(jù)。

一般對(duì)流云與雹云的一個(gè)區(qū)別是雹云的發(fā)展存在一躍升過程。圖4是回波過程VIL躍升最大值統(tǒng)計(jì)，其中圖4(a)是AnaY過程的VIL躍升最大值統(tǒng)計(jì)，圖4(b)是AnaN過程的統(tǒng)計(jì)。圖4可以看出，AnaY過程的VIL的躍升最大值多數(shù)過程集中在25～45 kg/m2，AnaN過程的集中在15～25 kg/m2。進(jìn)一步分析，AnaY過程的VIL躍升最大值大于35 kg/m2的過程有136個(gè)，占其有災(zāi)情過程的61%，而AnaN過程的VIL躍升最大值大于35 kg/m2的過程有6個(gè)，只占其無災(zāi)情過程數(shù)的30%。通過對(duì)對(duì)流過程的VIL躍升值分析表明，VIL躍升值35 kg/m2可以作為強(qiáng)對(duì)流過程能否產(chǎn)生降雹的一判據(jù)指標(biāo)。雹云存在的VIL躍升特征與刁秀廣等的研究結(jié)論相符，但其躍增量要大于刁秀廣等給出的15.4 kg/m2，說明云南滇中地區(qū)的雹云VIL躍增更強(qiáng)。

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)獲得樣本數(shù)進(jìn)行質(zhì)量控制，對(duì)1148幅回波、247個(gè)過程，分有災(zāi)情、無災(zāi)情，對(duì)雷達(dá)回波的回波頂高、0.5度仰角PPI反射率、35 dBz強(qiáng)中心高度、過程35 dBz強(qiáng)中心高度最大值、過程VIL最大值和過程VIL躍升最大值統(tǒng)計(jì)分析表明：

(1)云南地區(qū)強(qiáng)對(duì)流發(fā)展旺盛，其強(qiáng)度一般都在45 dBz以上，最強(qiáng)可達(dá)59 dBz以上；回波頂高一般都在6 km以上，多數(shù)都在11 km以上，即達(dá)到-40℃高度層附近，發(fā)展最高的強(qiáng)對(duì)流云體可達(dá)18 km高。

(2)通過觀察35 dBz強(qiáng)中心高度是否達(dá)到9 km高度，即-20℃層高度，可以作為判別強(qiáng)對(duì)流云體能否產(chǎn)生降雹的指標(biāo)。

(3)云南地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流云體的VIL值可達(dá)65 kg/m2以上，多數(shù)處于60～70 kg/m2，僅通過對(duì)VIL值難以判別強(qiáng)對(duì)流云體能否產(chǎn)生降雹。

(4)冰雹云有明顯的VIL的躍升。通過觀察強(qiáng)對(duì)流云體的VIL躍升值(前后兩回波的VIL差值)是否超過35 kg/m2，可以作為強(qiáng)對(duì)流云體能否產(chǎn)生降雹的指標(biāo)。