2007—2020年呼倫貝爾市中西部強(qiáng)對(duì)流天氣雷達(dá)產(chǎn)品特征分析

王洪麗 王穎 隋沆銳 楊雪峰 高紹鑫 楊柳

摘要 利用海拉爾天氣雷達(dá)2007—2020年強(qiáng)對(duì)流天氣過程的雷達(dá)資料，通過雷達(dá)回波形態(tài)識(shí)別、特征值統(tǒng)計(jì)等方法分析不同季節(jié)的雷達(dá)回波強(qiáng)度最大值、垂直累積液態(tài)水含量、回波頂高、冰雹指數(shù)、中氣旋等產(chǎn)品特征，并統(tǒng)計(jì)強(qiáng)對(duì)流過程中回波形狀特征，得出海拉爾天氣雷達(dá)的臨近預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)，旨在有效利用雷達(dá)產(chǎn)品提升強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警能力。

關(guān)鍵詞 強(qiáng)對(duì)流；回波強(qiáng)度最大值；回波頂高；垂直累積液態(tài)含水量

中圖分類號(hào)：P44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2023）07–0105-03

強(qiáng)對(duì)流天氣是指出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、冰雹、龍卷和短時(shí)強(qiáng)降水等劇烈天氣現(xiàn)象，突發(fā)性強(qiáng)，范圍小，造成災(zāi)害嚴(yán)重，是目前天氣預(yù)報(bào)預(yù)警中的難點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)新一代天氣雷達(dá)在強(qiáng)對(duì)流天氣方面做了諸多研究工作。覃靖等[1]認(rèn)為超級(jí)單體最大反射率因子達(dá)到60 dBz，且50 dBz以上強(qiáng)回波區(qū)伸展到-30 ℃層高度以上時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)大冰雹；雷蕾等[2]指出，雷達(dá)回波中存在低層弱回波區(qū)、回波懸垂、三體散射、旁瓣回波、強(qiáng)中氣旋等特征將表明有大冰雹存在。李曉霞等[3-4]對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的潛勢(shì)條件、雷達(dá)回波特征等均開展了深入論述。在新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品參數(shù)研究方面，楊淑華等[5]利用山西大同雷達(dá)統(tǒng)計(jì)分析了20次冰雹天氣多普勒雷達(dá)特征。蘇添記等[6]利用山東煙臺(tái)雷達(dá)統(tǒng)計(jì)分析了強(qiáng)對(duì)流天氣參數(shù)，總結(jié)山東半島不同月份冰雹和雷暴大風(fēng)的風(fēng)暴參數(shù)判據(jù)。郭艷等[7]總結(jié)了江西局地強(qiáng)對(duì)流的雷達(dá)產(chǎn)品特征，得出適用本地預(yù)報(bào)指標(biāo)。呼倫貝爾市地處北部邊疆，強(qiáng)對(duì)流天氣特點(diǎn)與我國(guó)中部、南部等地有差異，而雷達(dá)產(chǎn)品表征也是否存在差異，強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)有何特征，基于此，統(tǒng)計(jì)分析了海拉爾雷達(dá)2007—2020年強(qiáng)對(duì)流過程的雷達(dá)產(chǎn)品，總結(jié)呼倫貝爾市中西部強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)，旨在有效利用雷達(dá)產(chǎn)品提升強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警能力。

1 強(qiáng)對(duì)流事件的定義

考慮資料的代表性，選擇強(qiáng)對(duì)流天氣樣本時(shí)要求滿足以下條件：（1）有可靠的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)或?yàn)?zāi)情數(shù)據(jù)；（2）強(qiáng)對(duì)流天氣在海拉爾雷達(dá)站有效探測(cè)范圍內(nèi)。

基于以上2個(gè)條件考慮，定義在海拉爾雷達(dá)站30～150 km有效探測(cè)范圍內(nèi)只要出現(xiàn)下列3個(gè)天氣現(xiàn)象之一：冰雹、小時(shí)雨量≥15.0 mm短時(shí)強(qiáng)降水、8級(jí)（17.2 m/s）以上大風(fēng)并伴有雷暴，即統(tǒng)計(jì)為1個(gè)強(qiáng)對(duì)流天氣過程。

2 結(jié)果與分析

普查CIMISS系統(tǒng)和災(zāi)情報(bào)告后得知：海拉爾雷達(dá)站30～150 km范圍內(nèi)2007—2020年共有35個(gè)強(qiáng)對(duì)流過程，其中5月1個(gè)、6月8個(gè)、7月10個(gè)、8月12個(gè)、9月3個(gè)、10月1個(gè)。從伴隨的天氣現(xiàn)象來看，絕大多數(shù)對(duì)流過程均伴有冰雹、雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水，僅出現(xiàn)某個(gè)天氣現(xiàn)象的對(duì)流過程較少。統(tǒng)計(jì)這35個(gè)對(duì)流過程起止時(shí)間、伴隨天氣現(xiàn)象、冰雹信息、雷達(dá)產(chǎn)品參數(shù)、回波形狀（表1）。

2.1 回波強(qiáng)度最大值特征

由表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得知：有32個(gè)過程的回波強(qiáng)度最大值均≥55 dBz；另3個(gè)對(duì)流過程回波強(qiáng)度最大值<50 dBz，分別出現(xiàn)在2015年5月6日（26 dBz）、2011年10月15日（44 dBz）、2017年6月8日（48 dBz）。除了6月8日為夏初，另2個(gè)對(duì)流過程出現(xiàn)在春季和秋季，大氣熱力和動(dòng)力條件不足，所以對(duì)流發(fā)展較弱，導(dǎo)致回波強(qiáng)度最大值較小。

2.2 回波頂高（ET）產(chǎn)品特征

從表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出：5個(gè)對(duì)流過程回波頂高≥14 km，其中3個(gè)出現(xiàn)在8、1個(gè)出現(xiàn)6月下旬、1個(gè)出現(xiàn)在7月下旬初，均伴有冰雹和大風(fēng)天氣現(xiàn)象；其中回波頂最高18.9 km過程出現(xiàn)在2012年8月31日，伴有冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水和大風(fēng)天氣現(xiàn)象。11個(gè)對(duì)流過程回波頂高<10 km，其中8個(gè)過程出現(xiàn)時(shí)段為夏初及春、秋季，分別是2010年6月10日、2011年9月8日、2011年10月15日、2012年6月7日、2015年5月6日、2015年6月1日、2017年6月8日、2018年9月28日，其中2015年5月6日過程回波頂高僅為3.4 km。其余過程回波頂高介于10～13.9 km，90%過程出現(xiàn)在盛夏季節(jié)。

2.3 垂直累積液態(tài)水含量（VIL）產(chǎn)品

垂直累積液態(tài)水含量VIL產(chǎn)品是判別冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的有效工具之一。郭艷等分析了江西省局地強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴VIL為33～77 kg·m-2；應(yīng)冬梅等[8]分析了江西省4次區(qū)域性強(qiáng)對(duì)流天氣過程降雹風(fēng)暴的最大VIL為66～80 kg·m-2。而從表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得知35個(gè)對(duì)流過程VIL值介于1～57 kg·m-2，不同季節(jié)對(duì)流過程的VIL值具有明顯的差異：發(fā)生在盛夏季節(jié)（6月中旬至8月）過程（僅2017年8月24日對(duì)流天氣VIL值為5 kg·m-2）VIL值均≥10 kg·m-2，其中19個(gè)過程VIL值≥20 kg·m-2、5個(gè)過程VIL值≥40 kg·m-2；而其他季節(jié)過程的VIL值均<8 kg·m-2，其中有3個(gè)過程VIL值僅為2或1 kg·m-2。

2.4 冰雹指數(shù)（HI）產(chǎn)品特征

新一代天氣雷達(dá)冰雹探測(cè)算法 HDA（Hail Detection Algorithm）是通過尋找風(fēng)暴單體中凍結(jié)層之上的高反射率因子以獲得導(dǎo)出產(chǎn)品——冰雹指數(shù)HI[9-11]。表1中26個(gè)過程的冰雹指數(shù)產(chǎn)品有報(bào)警，26過程產(chǎn)品共性特征：回波強(qiáng)度最大值≥60 dBz、回波頂高≥10 km、垂直累積液態(tài)水含量≥20 kg·m-2。

可見在盛夏季節(jié)（6月中旬至8月末）對(duì)流過程的冰雹指數(shù)產(chǎn)品若連續(xù)出現(xiàn)報(bào)警，且滿足上述3個(gè)產(chǎn)品特征，可作為判斷冰雹強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)警指標(biāo)[12-15]。由于冰雹指數(shù)產(chǎn)品在回波發(fā)展階段和降雹后仍有報(bào)警，存在較高虛警率，實(shí)際業(yè)務(wù)中還需結(jié)合不同仰角反射率因子、徑向速度及其他產(chǎn)品綜合判斷是否出現(xiàn)冰雹。

另8個(gè)過程冰雹指數(shù)產(chǎn)品未出現(xiàn)報(bào)警，分別是5月1個(gè)、6月上旬2個(gè)、7月1個(gè)、9月3個(gè)、10月1個(gè)，除了7月1個(gè)過程以外，均發(fā)生在春、秋季及6月初。經(jīng)統(tǒng)計(jì)：這8個(gè)過程回波強(qiáng)度最大值<50 dBz、回波頂高<10 km（80%<8 km）、垂直累積液態(tài)水含量<8 kg·m-2。

2.5 回波形狀特征

對(duì)35個(gè)對(duì)流過程的回波形狀進(jìn)行歸類，并對(duì)產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)見表2：

統(tǒng)計(jì)得知：當(dāng)對(duì)流過程的雷達(dá)回波呈帶狀、線狀分布時(shí)，15個(gè)對(duì)流過程中有13個(gè)出現(xiàn)大風(fēng)，概率高達(dá)86.7%；9個(gè)過程同時(shí)產(chǎn)生大風(fēng)和冰雹，概率為60%。當(dāng)回波形狀呈分散塊狀時(shí)，7個(gè)對(duì)流過程出現(xiàn)冰雹天氣。當(dāng)回波呈絮狀且包含強(qiáng)對(duì)流單體時(shí)，產(chǎn)生的天氣規(guī)律性不明顯[16-17]。

2.6 中氣旋（M）產(chǎn)品特征

本研究中的中氣旋產(chǎn)品是采用 CINRAD/SA PUP默認(rèn)的算法。35個(gè)對(duì)流日中有19個(gè)中氣旋產(chǎn)品出現(xiàn)報(bào)警，其中有3個(gè)對(duì)流日在對(duì)流過程前后中氣旋產(chǎn)品是不連續(xù)報(bào)警。從19個(gè)中氣旋產(chǎn)品報(bào)警對(duì)流日出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象來看，18 d都出現(xiàn)了大風(fēng)天氣，占總出現(xiàn)大風(fēng)日數(shù)對(duì)流日（27 d）的66.7%，可見中氣旋產(chǎn)品出現(xiàn)報(bào)警的對(duì)流過程伴隨大風(fēng)概率很高。從中氣旋產(chǎn)品報(bào)警對(duì)流日出現(xiàn)的季節(jié)來看，這19個(gè)對(duì)流日中有16個(gè)出現(xiàn)在盛夏季節(jié)（6月中旬至8月）。

2.7 冰雹天氣雷達(dá)產(chǎn)品特征

對(duì)27日伴有冰雹天氣雷達(dá)回波特征分季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：盛夏季節(jié)（6月中旬至8月）冰雹天氣最大反射率因子平均值為64.5 dBz，回波頂高平均值為12.2 km，垂直累積液態(tài)含水量VIL平均值為30.5 kg·m-2，冰雹指數(shù)產(chǎn)品出現(xiàn)的概率高達(dá)94.7%，中氣旋產(chǎn)品報(bào)警的概率為63.2%；其他季節(jié)冰雹天氣最大反射率因子平均值為51.5 dBz，回波頂高平均值為6.3 km，垂直累積液態(tài)含水量平均值為5.6 kg·m-2，冰雹指數(shù)產(chǎn)品與中氣旋產(chǎn)品均沒有出現(xiàn)報(bào)警。

3 結(jié)論

（1）盛夏季節(jié)（6月中旬至8月末）對(duì)流過程的回波強(qiáng)度最大值均≥55 dBz、回波頂高≥10 km、垂直累積液態(tài)含水量VIL≥20 kg·m-2；其他季節(jié)對(duì)流過程回波強(qiáng)度最大值<50 dBz、回波頂高為5～7 km、垂直累積液態(tài)含水量VIL值很小可忽略。

（2）盛夏季節(jié)（6月中旬至8月末）的對(duì)流過程同時(shí)滿足回波強(qiáng)度最大值≥60 dBz、回波頂高≥10 km、垂直累積液態(tài)含水量VIL≥20 kg·m-2 3個(gè)條件，且冰雹指數(shù)產(chǎn)品連續(xù)3個(gè)及以上體掃出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，可作為冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)警指標(biāo)；而其他季節(jié)強(qiáng)對(duì)流天氣的冰雹指數(shù)產(chǎn)品基本無指示。

（3）當(dāng)對(duì)流過程的雷達(dá)回波呈帶狀、線狀分布時(shí)，產(chǎn)生大風(fēng)概率非常高，高達(dá)86.7%，同時(shí)產(chǎn)生大風(fēng)和冰雹的概率60%；當(dāng)回波形狀呈分散塊狀且單體回波強(qiáng)度≥55 dBz時(shí)，多半出現(xiàn)局地冰雹天氣；當(dāng)回波呈絮狀且包含強(qiáng)對(duì)流單體時(shí)，產(chǎn)生的天氣規(guī)律性不明顯。

（4）盛夏季節(jié)（6月中旬至8月）冰雹天氣最大反射率因子平均值為64.5 dBz，回波頂高平均值為12.2 km，垂直累積液態(tài)含水量平均值為30.5 kg·m-2，冰雹指數(shù)產(chǎn)品出現(xiàn)的概率高達(dá)94.7%，中氣旋產(chǎn)品報(bào)警的概率為63.2%；其他季節(jié)冰雹天氣最大反射率因子平均值為51.5 dBz，回波頂高平均值為6.3 km，垂直累積液態(tài)含水量平均值為5.6 kg·m-2，冰雹指數(shù)產(chǎn)品與中氣旋產(chǎn)品均沒有出現(xiàn)報(bào)警。

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Analysis on the Characteristics of Radar Products of Strong Convection Weather in the Central and Western Parts of Hulunbeier from 2007 to 2020

Wang Hong-li et al（Hulunbeier Meteorological Bureau， Hailar， Inner Mongolia 021008）

Abstract Using the radar data of the Hailar weather radar during the period of 2007-2020， the maximum radar echo intensity， vertical accumulated liquid water content， echo top height， hail index， mesocyclone and other product characteristics of different seasons were analyzed through radar echo morphology recognition， feature value statistics， and other methods. The echo shape characteristics during the strong convective process were also analyzed to obtain the proximity prediction and warning indicators of the Hailar weather radar， Intended to effectively utilize radar products to enhance strong convective weather warning capabilities.

Key words Strong convection; Maximum echo intensity; Echo top height; Vertical cumulative liquid water content