基于雷達ROSE2.0 產品的一例大風冰雹天氣過程診斷分析

劉 娜 馬利柱 零 磊 周海霞

（1.白山市氣象局，吉林白山 134300；2.吉林機場集團公司航務部延吉機場氣象臺，吉林延吉 133000）

1 引言

強對流天氣一般是指伴隨雷暴發生的冰雹、雷暴大風、短時強降水、龍卷風等天氣，在世界范圍內都有廣泛的分布。 強對流天氣也是我國的主要災害性天氣之一[1-6]，它的發生發展往往能給人們日常生活、農業、航空等帶來巨大影響，由于尺度小、突發性強、局地性強、生命史短，這類天氣不能用短期天氣預報方法預報， 其預報仍是業務工作中的難點。吉林省東部處于長白山腹地，地形復雜，天氣多變，是吉林省強對流天氣多發地帶。 強對流天氣有效監測手段為衛星、雷達產品，特別是在0～2h 臨近預報過程中，可以有效判斷強對流天氣類型和強度[7-9]。朱曉彤等[10]分析了吉林省東部山區近10a 暖季（4—9 月）出現的雷暴大風型、冰雹大風型、復合型等3 種類型的分類強對流個例，給出不同類型環境對流參數預報閾值。馬洪波等[11]給出了吉林省近兩年來典型冰雹個例預報預警指標。 李彥良等[12]利用風廓線雷達資料、探空資料、地面觀測資料， 對風廓線雷達數據資料可用性進行檢驗評估， 分析冰雹天氣發生發展過程中風廓線雷達資料物理量變化特征。 孫妍等[13]對吉林省短時強降水個例從時空分布特征、影響系統、大尺度環流背景特征以及中尺度天氣分析等方面進行了較詳細分析，并給出預報指標。本次降水過程是一次伴有雷電、短時強降水、冰雹和雷暴大風的多種強對流天氣伴隨發生過程， 研究本次風雹天氣過程，結合雷達ROSR2.0 產品相關預報預警指標產品，給出相應預報指標，為進一步提高臨近預報預警能力提供有利技術支撐。

2 天氣實況及災情

2022 年7 月9 日11—14 時， 受深厚東北冷渦影響，吉林省東南部出現風雹天氣，其中靖宇縣出現短時強降水，7 月9 日11—12 時小時降水量為38.4mm（圖1a）。靖宇縣、渾江區、臨江市多個鄉鎮出現冰雹天氣， 據渾江區抹脖子山市民收集冰雹最大直徑達46mm。 11—14 時多地出現雷暴大風天氣，最大瞬間風力出現在靖宇站，為21.1m/s，達到陣風9 級標準（圖1b）。 受風雹天氣影響，災害造成局地作物倒伏，豆類、玉米、蔬菜等農作物不同程度受災。 本文針對此次罕見風雹天氣過程進行總結， 給出此次強對流天氣出現的環境背景和預報指標， 進一步凝練新一代天氣雷達ROSE2.0 產品監測預警強對流風暴預警指標，為防災減災提供有利技術支撐。

圖1 2022 年7 月9 日11—14 時降水量（a）、極大風速（b）分布

3 環流背景場特征分析

3.1 形勢背景場分析

2022 年7 月9 日08 時500hPa（圖2a）吉林省中東部中高緯度為東北冷渦底前部第四象限控制，溫度槽超前于高度槽，低渦內有暖平流和負的熱成風渦度平流，低渦處于減弱階段。低渦底部對應850hPa 西南風急流，西南急流一方面提供源源不斷的水汽和潛熱能，另一方面與高層500hPa 渦后干冷平流疊加，形成上干冷下暖濕結構，有利于不穩定層結建立。同時低層急流頭部風向、風速輻合和與西北風構成的冷式切變線為降水提供較好的動力抬升機制。從海平面氣壓場與925hPa 風場疊加（圖2b）可以看出，吉林省東南部處于地面鋒面氣旋冷鋒前部暖區內， 該氣旋在高空引導氣流作用下將向東北移動。同時從925hPa 風場還可以看出，在吉林省東南部地區存在風向風速輻合，超低風場輻合一方面為短時暴雨提供了充足的動力條件， 另一方面有利于超低空對流不穩定層結的建立和維持， 也是超低空上升氣流的建立者和對流不穩定能量釋放的觸發者。

圖2 2022 年7 月9 日08 時500hPa 高度場（a，黑色實線，單位：dagpm）、850hpa 溫度場（a，紅色點線，單位：℃）和850hPa風場（a，藍色風向桿，單位：m/s）；海平面氣壓場（b，黑色實線，單位：hPa）和925hPa 風場（b，藍色風向桿，單位：m/s）

3.2 物理量特征分析

從物理量產品診斷分析可知，7 月9 日11 時700hPa（圖3a）大尺度垂直上升速度中心處于吉林省東部靖宇縣、撫松縣境內，為強天氣產生提供了有利動力條件。 11 時前無降水，太陽輻射作用大氣能量有個集聚過程，從11 時CAPE（圖3b）產品來看，高能舌為東北—西南走向，能量梯度較大，對流有效位能最大中心值超過2 000J.kg-1，能量舌頭部梯度大值區處于吉林省東南部地區， 為強天氣產生提供了有利的對流不穩定能量。

圖3 2022 年7 月9 日11 時700hPa 垂直速度（a，單位：Pa/s）、CAPE（b，單位：J/kg）分布

配合11 時KI 指數（圖4a）來看，在吉林省東南部地區KI 指數大值中心超過40℃，且高能舌走向與CAPE 基本一致， 吉林省東南部地區處于KI指數梯度大值區頭部，此次高溫高濕，與冷渦后部干冷空氣作用，有利于強天氣的產生。 從11 時大氣整層可降水量來看（圖4b）整層大氣可降水量在30mm 左右。

圖4 2022 年7 月9 日11 時KI 指數（a，單位：℃）和整層大氣可降水量PW（b，單位：mm）分布

11 時850hPa 比濕（圖5a）與風場配合一致，呈東北—西南帶狀分布， 比濕頭部舌區伸向吉林省東部地區，最大值中心達12g/kg，水汽充沛，且從水汽通量和水汽通量散度（圖5b）配合也可以看出，在吉林省東部地區隨著低層風向風速輻合，存在明顯水汽通量輻合中心， 為強天氣產生提供了較好的水汽條件。

圖5 2022 年7 月9 日11 時850hPa 比濕（a，單位：g/kg）和水汽通量及水汽通量散度（b，單位：s-1）

4 雷達ROSE2.0 產品特征分析

4.1 雷達ROSE2.0 基數據產品

7 月9 日10:00—11:00 在輝南縣境內有強對流單體不斷生成， 強度加強并東移。 11 時24 分0.5°仰角（圖6a）雷達反射率因子產品上，強對流單體回波在靖宇縣境內在有利的天氣環境背景下進一步加強，中心最大值達到62dBz，結合同時次CAPPI 雷達產品（圖6b）分析可知，最大反射率因子達到63.5dBz。 在圖6a 紅框區域（圖6c）進行剖面分析，強對流風暴系統深厚，整層發展較高，風暴核區在4～6km，其中心55～60dBz 強回波發展高度接近6km，反射率因子強度，及強反射率因子發展高度均達到冰雹預報預警指標， 且強對流風暴在靖宇縣境內進一步加強，移動緩慢，有利于強對流天氣的產生。

圖6 2022 年7 月9 日11 時24 分0.5°仰角雷達反射率因子（a）、CAPPI 雷達產品（b）、a 圖紅框區域剖面（c）、11 時29 分雷達速度場回波（d）

本次降水過程中伴隨雷暴大風天氣， 最大瞬間風力出現在靖宇站，為21.1m/s，達到陣風9 級標準。從11:29 雷達速度場回波（圖6d）可知，由于雷暴大風區域距離雷達直線距離在80km 左右，0.5°仰角速度場探測靖宇縣附近風場情況實際距離地面高度較高， 與實際地面產生的大風有一定差距， 但從0.5°仰角速度場仍可以看出紅框產生大風區域內，負速度最大值達17.5m/s，風速仍較大， 有可能出現地面大風。 同時由于降水強度較強，降水重力拖曳作用也有利于地面大風的產生。

4.2 雷達ROSE2.0 二次產品

新一代天氣雷達PUP 軟件升級為雷達PUP ROSE2.0， 產品經過雙偏振算法后精度進一步提升。從組合反射率因子CR（圖7a）可以看出，11:24在靖宇縣上游出現多單體強對流風暴， 風暴邊界清晰，多單體風暴有3 個較強中心，其中在靖宇縣上空風暴中心強度較強， 通過雷達雙偏振算法質控后，強度中心最大值達73.5dBz，且回波值分布梯度較大。從11 時24 分TOPs 回波頂高產品可以看出（圖7b），靖宇上空強對流回波中心發展高度較高，最大回波頂高達到16km 左右，且回波頂高度分布梯度較大，均表明強回波強度較強，有利于強對流天氣產生。

圖7 2022 年7 月9 日11:24 組合反射率因子（a）、回波頂高（b），11:41 垂直累積液態水含量（c），11:46 風暴追蹤產品（d）

結合11 時41 分Vil （垂直累積液態水含量）雷達二次產品分析（圖7c），在靖宇縣境內經過雷達雙偏振算法計算的Vil 最大值達到54kg/m2，遠遠大于冰雹預報閾值指標， 且Vil 大值區在兩個體掃時次存在急速下降， 也滿足冰雹降水雷達指標。 通過11:46 影響靖宇縣境內的單體風暴X0 風暴追蹤產品顯示（圖7d），X0 強回波發展最大高度在12km 左右，回波中心高度一般在3～6km。11:20強降雹概率達到100%；11:00—11:30 之間Vil 整體變化不大，數值均在54kg/m2，是冰雹預報預警一個較好指標；11:00—11:40 反射率因子最大值基本都在60dBz 左右， 也是大冰雹重要預報預警指標。

4.3 雷達ROSE2.0 報警產品

為了提高雷達監控軟件應用性能， 新一代天氣雷達PUP 軟件升級為雷達PUP ROSE2.0，系統升級后增加雷達UAM 報警產品，針對報警產品在本次強對流天過程中進行應用檢驗。 本次短時強降水主要發生在9 日11—12 時，從OHP（1 小時降水量）分析，通過向上過濾設置將降水只顯示≥20.0mm 以上降水， 在靖宇縣附近出現20.0mm 以上降水區域，且與實況短時強降水區域基本重合。從降水量級來看，OHP 最大降水量75.0mm， 實際產生最大小時降水量為38.4mm。 本次OHP 強降水位置預報基本準確，最大量級預報明顯偏大。

由于強降水重力拖曳作用，在11:40—12:10，靖宇縣還出現9 級以上局地陣風天氣。 從UAM thunderstrom 產品分析，在11:52 靖宇縣和輝南縣交界處出現19m/s 的雷暴大風預警區域， 預警范圍與實際有偏差，強度也有偏差，且通過其他時次UAM thunderstrom 產品分析， 雷暴大風預警區域較多，且空警率較高，在實際產生雷暴大風區域并沒有很好的指示。 本次過程UAM thunderstrom 預警位置和強度均有偏差， 今后工作仍需進一步總結改進其預警能力。

本次強對流天氣過程還產生了直徑≥2cm 的大冰雹，冰雹落區也在靖宇縣境內。從11 時35 分UAM hail 冰雹預警產品可以看出，在靖宇縣、江源區、撫松縣境內均有冰雹預警，其中靖宇縣境內預警與實況冰雹產生區域基本接近，而在江源區、撫松縣境內冰雹預警出現空警現象。從HI 冰雹指數產品來看，在靖宇縣境內報出3cm 冰雹指數，與實際冰雹發生區域和強度基本接近， 而在江源區境內報出2cm 冰雹指數、撫松縣境內報出3cm 冰雹指數，均出現大范圍冰雹空報現象。

5 結語

（1）此次風雹天氣過程，吉林省中東部中高緯度為東北冷渦底前部第四象限控制， 溫度槽超前于高度槽， 低渦內有暖平流和負的熱成風渦度平流，低渦處于減弱階段。850hPa 西南風急流一方面提供源源不斷的水汽和潛熱能， 另一方面與高層500hPa 渦后干冷平流疊加， 形成上干冷下暖濕結構，有利于不穩定層結建立。 地面處于鋒面氣旋冷鋒前部暖區內，925hPa 在吉林省東南部地區存在風向風速輻合， 超低風場輻合一方面為強對流天氣提供充足的動力條件， 另一方面有利于超低空對流不穩定層結的建立和維持， 也是超低空上升氣流的建立者和對流不穩定能量釋放的觸發者。

（2） 此次風雹天氣不穩定能量指標遠超過吉林省強對流預報指標，ki 指數達到40℃，CAPE 對流有效位能最大中心值超過2 000J/kg， 高能舌為東北—西南走向，能量梯度較大，能量舌頭部梯度大值區處于吉林省東南部地區， 為強天氣產生提供有利的對流不穩定能量。 850hPa 比濕最大值中心達12g/kg，且低層風向風速輻合，不僅為有利于低層水汽輸送和輻合中心， 同時也提供強天氣所需的動力條件。

（3）雷達最大反射率因子達到63.5dBz，風暴核區在4～6km， 其中心55～60dBz 強回波發展高度接近6km；TOPs 最大回波頂高達到16km 左右， 且回波頂高度分布梯度較大；Vil 最大值達到54kg/m2，均有利于強對流天氣產生。

（4）檢驗雷達PUP ROSE2.0 UAM 報警產品，從降水量級來看，OHP 最大降水量75.0mm， 實際產生最大小時降水量為38.4mm， 本次OHP 強降水位置預報基本準確， 最大量級預報明顯偏大。UAM thunderstrom 雷暴大風預警區域較多， 且空警率較高， 在實際產生雷暴大風區域并沒有很好的指示； 本次過程UAM thunderstrom 預警位置和強度均有偏差。 UAM hail 冰雹預警產品和HI 冰雹指數在實際產生冰雹區域均有預警產品， 但存在冰雹命中率較低，空報率較高問題。相關預警產品還存在一定不足， 今后工作仍需進一步總結改進其預警能力。