阿克蘇地區(qū)西部冰雹天氣雷達回波演變特征分析

安大維，陳春艷*，竇 剛，劉軍建，孫鳴婧

（1.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

阿克蘇地區(qū)是新疆重要的棉花、特色林果業(yè)等作物的生產區(qū)，是國家優(yōu)質的棉花種植基地及瓜果之鄉(xiāng)，同時阿克蘇地區(qū)也是新疆雹災最嚴重的區(qū)域[1-2]。冰雹天氣的發(fā)生具有局地性、突發(fā)性和短時性的特點，其監(jiān)測預警及提前識別極為困難，是當前研究的重難點[3]。新一代多普勒天氣雷達作為監(jiān)測強對流天氣的重要工具，其回波特征可反映雹云的形態(tài)結構及其演變特征，在冰雹識別及預警中發(fā)揮了重要作用[3-4]。

目前國際上對冰雹的研究主要集中在時空分布特征、區(qū)域模式數值模擬、模型預測等方面[5-8],而我國也有大量研究通過對雷達資料的分析，總結了回波強度、回波頂高、垂直累積液態(tài)水含量等冰雹天氣監(jiān)測預警指標[9-16]，如冀東地區(qū)以最強反射率因子為62 dBZ、回波頂高為9.9 km、垂直累積液態(tài)水含量為51.6 kg/m2作為預警指標[11]，湖北宜昌則以最強反射率因子達40 dBZ、回波頂高達7.6 km作為冰雹云預警參考[12]，安徽最強反射率因子基本＞55 dBZ、垂直累積液態(tài)水含量至少為30 kg/m2[15]。新疆也有相關研究分析[17-21]，伊犁河谷的反射率因子達50 dBZ、回波頂高達8 km、且垂直累積液態(tài)水含量出現(xiàn)躍增時，應警惕冰雹的發(fā)生，當回波頂高＞11 km時，出現(xiàn)冰雹的概率較大[18]，奎瑪流域[19]和南疆西部[20]的冰雹個例分析表明降雹前均伴隨VIL和VILD增大的現(xiàn)象，冰雹天氣的局地性使得分區(qū)域進行預報預警指標研究十分必要。對阿克蘇冰雹的研究較為豐富，主要集中于災害區(qū)劃、個例分析、防雹作業(yè)等領域[21-23]，朱思華等[2]給出了阿克蘇地區(qū)10次冰雹云降雹時刻雷達觀測主要產品的統(tǒng)計值：以1.5°仰角反射率因子為50.7 dBZ、回波頂高為9.4 km、垂直累積液態(tài)水含量為12.8 kg/m2。但針對長時間序列雷達回波及其演變特征的分析相對較少，本文梳理了2009—2020年發(fā)生在阿克蘇雷達監(jiān)測范圍內的冰雹個例，對冰雹的時空分布及雷達回波產品進行統(tǒng)計分析，并分別對不同類型雹云回波強度、回波頂高、垂直液態(tài)含水量VIL及雹云路徑、生命史等特點展開分析，為阿克蘇地區(qū)冰雹天氣監(jiān)測預警提供參考。

1 資料和方法

新疆觀測站點較為稀疏，為補充統(tǒng)計樣本，彌補常規(guī)觀測的局限性，本文除統(tǒng)計阿克蘇地區(qū)西部阿克蘇、烏什、溫宿、柯坪、阿瓦提、阿拉爾6個國家站冰雹數據外，還收集了災情直報信息及《中國氣象災害大典》新疆卷中冰雹災情數據。2009—2020年共收集冰雹實況211站次（1日內國家站觀測到冰雹天氣或災情記錄該站所代表區(qū)域有冰雹記錄，就記為該站出現(xiàn)1站次冰雹）。阿克蘇多普勒天氣雷達在阿克蘇地區(qū)西部冰雹天氣監(jiān)測預警中發(fā)揮了重要作用，本文使用GR2軟件（美國Gibson Ridge Software LLC公司GR2Analyst雷達產品處理軟件）分析阿克蘇地區(qū)西部冰雹天氣雷達回波演變特征。通過對缺失資料、靜錐區(qū)影響、無明顯雹暴特征的個例進行篩選剔除，最終得到24次有完整生消過程雷達數據的冰雹個例。一次冰雹過程可能受到多個對流單體影響，24次冰雹過程共采集到34個雹云單體，通過追蹤34個雹云單體的生消演變過程，歸納總結阿克蘇地區(qū)西部冰雹天氣的雷達回波演變特征。

2 時空分布特征

2.1 年和月變化

如圖1所示，阿克蘇地區(qū)西部2009—2020年期間共收集到冰雹個例211站次，年均17.6站次。12年來冰雹出現(xiàn)站次呈雙峰型分布，2009—2013年是第一個峰值區(qū)間，年均出現(xiàn)冰雹21.6站次，其中2011年出現(xiàn)冰雹站次最多，達到28站次，2013年次之，出現(xiàn)了24站次；2014年最少，僅出現(xiàn)了9站次；2015年又增至15站次，2019年達到了第二個峰值20站次，2015—2019年年均出現(xiàn)冰雹16.2站次。相比較第一個峰值時段，第二個峰值時段年均冰雹站次減少5站次。從研究區(qū)域6個縣市冰雹站次變化情況看，海拔較高的烏什縣冰雹頻次減少最為明顯，其次是柯坪縣和阿瓦提縣，阿克蘇市也呈減少趨勢，而溫宿縣冰雹頻次呈增加趨勢，阿拉爾市增加最為明顯。這種變化與氣候變化背景相關，同時與下墊面、人影作業(yè)等人類活動密切相關，值得深入研究。

圖1 2009—2020年冰雹站次的年（a）、月（b）變化

阿克蘇地區(qū)西部降雹主要發(fā)生在4—9月，集中出現(xiàn)在5—8月，基本與新疆汛期時間一致，這與華東部分地區(qū)有較大差異[15]，而西北地區(qū)在冰雹月變化方面較為一致。5—8月占比85.8%，6月出現(xiàn)冰雹頻次最高，占比28%；其次是5和7月，均占比19.9%。

2.2 日變化

阿克蘇地區(qū)西部冰雹日變化特征顯著，主要出現(xiàn)在午后到夜間（14—23時），占比92.9%，其中16—19時為冰雹高發(fā)期，占比70.0%（圖2）；最易出現(xiàn)冰雹的時次是16、18、19時，均占比15.3%，與華北、江淮等地[10-15]較為相似。

圖2 冰雹日變化

2.3 空間分布

溫宿縣冰雹出現(xiàn)頻次最多，高達48次，年均4次，其次是阿瓦提縣的38次，柯坪縣和烏什縣持平，均為35次，阿克蘇市為28次，阿拉爾市最少為27次。211次冰雹個例中有79次來自于氣象觀測站數據，占比37.4%，其余132次來源于多源冰雹災情數據，占比高達62.6%，其中87次冰雹災情記錄精確到鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

3 雷達回波演變特征

選取阿克蘇地區(qū)西部24次有完整生消過程雷達數據的冰雹個例（表1，表中冰雹發(fā)生時間和地點均根據雷達回波進行了校正），共采集到34個雹云單體，統(tǒng)計34個雹云單體降雹時刻的回波強度、回波頂高和垂直液態(tài)水含量VIL，分析阿克蘇地區(qū)西部冰雹監(jiān)測預警閾值。

表1 有完整生消過程雷達數據的冰雹個例集

3.1 雹云單體雷達回波統(tǒng)計特征

冰雹云是強對流風暴的產物，根據微波散射理論，當產生的冰雹尺寸越大時，其回波也會越強，因此冰雹云的最強回波常被作為冰雹監(jiān)測預警指標[3-4]。在本次統(tǒng)計的雹云單體中，發(fā)展旺盛的冰雹云回波強度最強達到66.5 dBZ。表2統(tǒng)計了34個冰雹云的最大反射率因子值，其范圍為52～66.5 dBZ。冰雹云最大回波最常分布在55～60 dBZ，占比44%，最大反射率因子均在52 dBZ以上，這與很多研究相類似[2，21，23]，因此在日常冰雹監(jiān)測預警業(yè)務中，阿克蘇雷達回波反射率因子＞52 dBZ時，應警惕出現(xiàn)冰雹。

表2 反射率因子強度分級統(tǒng)計

回波頂高是在18 dBZ反射率因子被探測到時顯示以最高仰角為基礎的回波頂高度，常用來分析對流云強弱和云體內上升氣流伸展高度的指標[3-4]。阿克蘇冰雹云的最大回波頂高為12.6 km，最小為7.59 km，平均回波頂高為10.2 km。冰雹云回波頂高為9～11 km出現(xiàn)的最多，占比53%，94%的冰雹云回波頂高＞8 km，因此實際冰雹監(jiān)測預警業(yè)務中當回波頂高發(fā)展到8 km時，應當警惕冰雹的出現(xiàn)。

VIL即垂直累積液態(tài)水含量，是將反射率因子數據轉化為等價的液態(tài)水值，對判別帶有大冰雹的風暴有重要參考意義，將冰雹云單體發(fā)展過程中VIL的最大值記為VILmax。表3統(tǒng)計了阿克蘇地區(qū)西部34個雹云單體的VILmax，平均為15.4 kg/m2，10～20 kg/m2出現(xiàn)頻次最高，占57%，23%的雹云單體VILmax≤10 kg/m2，20%的雹云單體VILmax≥20 kg/m2。

表3 單體最大累積液態(tài)水含量VIL max值分段統(tǒng)計

阿克蘇地區(qū)西部雹云單體雷達回波反射率因子均＞52 dBZ、回波頂高均＞8 km，降雹時刻VIL是雹云單體特征參數中變化幅度較大的一個參量，77%的雹云單體VIL max＞10 kg/m2，這些是阿克蘇地區(qū)西部冰雹天氣監(jiān)測預警的初始閾值。

不同類型的雹云單體其回波強度、回波頂高、垂直液態(tài)水含量VIL及冰雹云移動路徑、生命史等演變特征均存在較明顯的差異，追蹤34個雹云單體的生消演變過程，并按照雹云結構特征分類：普通單體雹云、多單體雹云、超級單體雹云[4]，其中普通單體雹云最多，共有15個，其次是多單體雹云12個，超級單體雹云7個。分別以普通單體、多單體和超級單體分類分析阿克蘇地區(qū)西部冰雹天氣的雷達回波演變特征及其預警閾值。

3.2 普通單體冰雹云演變特征

普通單體雹云在烏什縣、溫宿縣出現(xiàn)次數最多，均達到6次；其次是阿克蘇市為3次，柯坪縣、阿瓦提縣均出現(xiàn)2次（表1）。普通單體雹云最大反射率因子在52～63 dBZ，均值為55.25 dBZ。初始追蹤回波單體反射率因子一般在35～39 dBZ，在2～3個體掃后反射率因子第一次快速增強，增幅在6.5～16.5 dBZ；再經歷1～3個體掃后反射率因子增強為本次雹云反射率因子的最大值或次大值，之后反射率因子雖有增減但變幅不大，直至冰雹降落后反射率因子迅速減弱。

普通單體雹云平均回波頂高為10.09 km，最高為12.01 km，最低為7.67 km。和反射率因子一樣，66.7%的追蹤單體在2～3個體掃后也出現(xiàn)了回波頂高快速升高的現(xiàn)象，這與雹云有爆發(fā)式增長結論相一致[3，25]；和反射率因子不同的是回波頂高在爆發(fā)式增長之后，雖有增長但增幅不明顯，冰雹過后回波頂高也是逐漸降低。

普通單體雹云VILmax平均為10.72 kg/m2，最大值為13.6 kg/m2，最小值為6.0 kg/m2。多項研究指出VIL的變化，尤其是躍增的特性，可作為判斷降雹的指標之一[24，25]。圖3a給出普通雹云單體VIL的變化（單體VILmax出現(xiàn)時記為0，時間單位為雷達體掃間隔），普通單體雹云VIL的變化呈波動狀態(tài)，基本出現(xiàn)了1～2次躍增，VIL躍增與冰雹發(fā)生關系密切。普通單體雹云躍增均值為4.57 kg/m2，最大值為7.1 kg/m2。

追蹤24次冰雹過程中34個冰雹云單體，連接每個體掃質心繪制了阿克蘇地區(qū)西部冰雹云生消移動路徑圖（圖4）。普通單體雹云初生位置最多的是烏什縣、溫宿縣北部沿山一帶（圖4b），一般沿東南路徑影響下游地區(qū)；其次是烏什縣南部沿山和淺山區(qū)，烏什縣南部沿山一帶初生的雹云沿山東移，南部淺山區(qū)烏什縣阿合雅鄉(xiāng)西南部初生的雹云一般東南移，依次影響烏什縣阿合雅鄉(xiāng)、柯坪縣啟浪鄉(xiāng)、最終進入阿克蘇市西南部。平原區(qū)初生的雹云主要出現(xiàn)在阿克蘇市和阿瓦提縣。根據雹云單體生命史演變特征，將雹云單體生命史劃分為3個階段：雹云醞釀（雹云單體初生至降雹前，黃色點）、降雹（紅色點）、消亡（藍色點）。普通單體雹云平均需要6.46個體掃形成雹暴，雹暴平均維持4.15個體掃，整體生命史為18.31個體掃，普通單體雹云成熟快、降雹快、降雹后消散時間較長。

圖4 雹云移動路徑

3.3 多單體冰雹云單體演變特征

阿瓦提縣多單體雹云出現(xiàn)最多，共有5次；其次是烏什縣4次，阿克蘇市、溫宿縣均為3次，柯坪縣1次（表1）。多單體雹云最大反射率因子在52～62 dBZ，均值為56.58 dBZ。12個多單體雹云中有9塊回波在初始追蹤回波之后的2～3個體掃反射率因子增幅為7.5～23.5 dBZ，其余3塊回波在初始回波之后反射率因子升高，隨后降低。在2～3個體掃后反射率因子快速增大，即多單體雹云在發(fā)展初期有一個反射率因子快速增長的過程，反射率因子增幅平均為11.29 dBZ。反射率因子再次增大往往就預示著雹云單體開始生成。

多單體雹云平均回波頂高為9.89 km，最高為12.44 km，最低為7.97 km。和反射率因子一樣，58.3%的追蹤單體在2～3個體掃后出現(xiàn)回波頂高快速升高的現(xiàn)象，回波頂高在爆發(fā)式增長之后，雖有增長但增幅不明顯。

多單體雹云VILmax均值為15.02 kg/m2，最大值為32.6 kg/m2，最小值為8.0 kg/m2。多單體雹云VIL的時間變化多呈單峰型，有一個比較突出的主峰，且VIL躍增幅度較大，在主峰前后還有次峰存在（圖3b），這與多單體雹云一般由多個相互聯(lián)系單體組成和容易出現(xiàn)多次降雹的特征相符[3-4]。多單體雹云VIL躍增均值為6.08 kg/m2，最大值為13.5kg/m2。多單體雹云VIL統(tǒng)計特征值均高于普通單體雹云。

圖3 雹云單體VIL max變化

多單體雹云初生于烏什縣、溫宿縣沿山一帶，烏什縣境內初生最多，除造成烏什縣境內降雹外，進而東移或東南移影響阿克蘇市、阿瓦提縣或柯坪縣、阿瓦提縣（圖4c）；其次是位于平原的阿瓦提縣，對流初生后沿西北—東南路徑移動，進而發(fā)展成為冰雹云。多單體雹云平均需要7.11個體掃發(fā)展為成熟的雹暴，形成雹暴后平均維持5.89個體掃，整體生命史為18.55個體掃。

3.4 超級單體冰雹云演變特征

超級單體風暴是最強的雷暴，它的水平尺度可達數十公里，在它成熟期可準定常地維持1 h以上，且伴隨著短時暴雨、大冰雹等較激烈的天氣[3-4]。阿克蘇雷達覆蓋區(qū)共出現(xiàn)7個超級單體雹云（表1），其中溫宿縣最多，出現(xiàn)3個；其次是柯坪縣有2個，烏什縣、阿瓦提縣各出現(xiàn)1個。超級單體雹云最大反射率因子在54～66.5 dBZ，均值為59.13 dBZ。7塊超級單體雹云均在初始追蹤回波3個體掃后出現(xiàn)反射率因子躍增，增幅為5.5～21.7 dBZ。反射率因子再次增大往往預示著雹云單體開始生成，與普通單體和多單體雹云不同，超級單體雹暴形成前反射率因子是一個連續(xù)增大的過程，反射率因子達到峰值后雖有變化但變幅較小，直至降雹結束回波強度迅速減弱。

超級單體雹暴平均回波頂高為11.3 km，最高為12.7 km，最低為9.79 km。和反射率因子一樣，71.4%的追蹤單體在初始回波2～3個體掃后也出現(xiàn)回波頂高快速升高的現(xiàn)象，回波頂高在爆發(fā)式增長之后，繼續(xù)有增長但增幅不明顯。

超級單體雹暴VILmax均值為25.81 kg/m2，最大值為44.2 kg/m2，最小值為12.5 kg/m2。超級單體雹云VIL的變化以多峰型為主（圖3c），基本都出現(xiàn)了2～3次躍增，且都是在維持較大值期間出現(xiàn)躍增，超級單體雹云VILmax躍增均值為11.94 kg/m2，最大值23.92 kg/m2。

超級單體雹云初生于溫宿縣最多，共出現(xiàn)3個，其中，2010年6月1日雹云初生于溫宿縣北部山區(qū)塔格拉克牧場，之后東南移造成溫宿鎮(zhèn)、依希來木其鄉(xiāng)、佳木鎮(zhèn)大冰雹天氣（圖4d）；2017年6月7日雹云初生于溫宿縣北部沿山博孜墩鄉(xiāng)，東北移掃過柯柯牙管理區(qū)、依希來木其鄉(xiāng)；2009年7月13日雹云初生于溫宿縣西南部阿熱勒鎮(zhèn)，沿溫宿縣與烏什縣向淺山帶緩慢北推。2012年7月13日柯坪縣監(jiān)測到2個同時出現(xiàn)的風暴單體，均初生于柯坪縣北部沿山，雹云單體邊發(fā)展邊快速東移，超級單體維持時間在5～6個體掃，單體整個生命史超過150 min，最后東移影響阿克蘇市、阿瓦提縣。超級單體雹云平均需要4.43個體掃發(fā)展為成熟的雹暴，形成超級單體雹暴后平均維持14.14個體掃，整體生命史為24.86個體掃。超級單體雹暴維持時間長于多單體雹暴，多單體雹暴長于普通單體雹暴。

4 結論與討論

應用2009—2020年阿克蘇雷達覆蓋區(qū)的阿克蘇地區(qū)西部6縣市冰雹天氣記錄和冰雹災情數據、24次冰雹天氣過程34個雹云單體的雷達資料，分析了冰雹天氣的時空分布特征，追蹤34個雹云單體生消演變過程中的雷達回波演變特征，得出以下結論：

（1）2009—2013年是阿克蘇地區(qū)西部冰雹頻次的第一個峰值區(qū)間，年均出現(xiàn)冰雹21.6站次，其中2011年出現(xiàn)冰雹站次最多，達到28站次。冰雹高發(fā)期為5—7月，6月出現(xiàn)冰雹頻次最高，一日中最易出現(xiàn)冰雹的時次是16、18、19時，均占比15.3%。

（2）冰雹云最大反射率因子范圍為52～66.5 dBZ，最大反射率因子均＞52 dBZ；94%的冰雹云回波頂高＞8 km，VILmax跨度較大，77%的雹暴單體的VILmax＞10.0 kg/m2。超級單體雹暴最大反射率因子均值為59.13 dBZ，VILmax均值及其VIL降雹時刻的躍增均值分別為25.81、11.94 kg/m2，均高于多單體雹暴，多單體雹暴高于普通單體雹暴。超級單體雹暴回波頂高均值為11.3 km，高于多單體雹暴和普通單體雹暴。

（3）34個雹云單體中普通單體雹云最多，共有15個，其次是多單體雹云12個，超級單體雹云7個。普通單體雹云在烏什縣、溫宿縣出現(xiàn)次數最多，均達到6次。阿瓦提縣多單體雹云出現(xiàn)最多，為5次；其次是烏什縣，為4次。超級單體雹云溫宿縣最多，出現(xiàn)3個，其次是柯坪縣有2個，烏什縣、阿瓦提縣各出現(xiàn)1個。普通單體雹云多初生于烏什縣、溫宿縣北部沿山一帶；多單體雹云多初生于烏什縣西部南部、溫宿縣北部沿山一帶，烏什縣境內初生最多；超級單體雹云多初生于溫宿縣。

（4）雹云回波發(fā)展初期往往伴隨著第一次爆發(fā)式增長：反射率因子增大、回波頂高升高、VIL躍增，超級單體雹云表現(xiàn)更為明顯，降雹時刻伴隨著再一次爆發(fā)式增長，雹云單體越強時；第二次爆發(fā)式增長幅度會超過雹云初期。超級單體雹暴維持時間（14.14個體掃）長于多單體雹暴（5.89個體掃），多單體雹暴長于普通單體雹暴（4.15個體掃）。VIL急劇增大或急劇減少與降雹開始和結束關系最為密切。

本文應用收集到的有災情或冰雹天氣記錄、且阿克蘇雷達資料較為完整的個例展開相關分析，追蹤34個雹云單體雷達回波演變特征，初步給出了阿克蘇雷達覆蓋區(qū)不同類型雹云單體反射率因子、回波頂高、垂直液態(tài)水含量及移動路徑、生命史演變特征，但受限于目前雷達分布及高時空分辨率資料，針對不同類型雹云單體的生消演變特征的認識還需深入，不同地域冰雹天氣成因和機理還需開展大量的相關研究。阿克蘇地區(qū)冰雹因其強度及致災性受到地方政府的高度重視，阿克蘇地區(qū)不同種類雹云單體的精細特征及預報預警指標研究任重道遠。