基于雷達回波特征和物理量場特征的彝良縣冰雹天氣預警方法研究

王云江?姜世榮?周信荔?張應東?柯勇

摘 要：利用彝良縣2013—2022年冰雹天氣的常規資料、探空資料以及雷達資料等，對發生在彝良縣冰雹天氣的背景、雷達回波特征以及物理量場等進行深入分析。對該地區冰雹發生前的雷達回波特征和物理量場特征進行統計分析，彝良縣冰雹的定量預警指標雷達回波特征參數特征為：最大回波強度＞60 dBz，回波頂高＞10 km，物理量場特征參數為：θse（850～500）≥6.48 ℃，沙氏穩定度指數（SI）≤1.2 ℃，這些指標可作為該地區冰雹天氣預警的重要參考。

關鍵詞：雷達回波特征；物理量場特征；冰雹天氣；預警

中圖分類號：P458.121.2 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）01–0-03

冰雹、閃電和強降水等強對流天氣現象具有強度大、時間短等特征，在狹窄的區域內發生容易給人們生產和生活帶來嚴重損失，并且這些強對流天氣現象難以預測。冰雹短臨預報的前提是冰雹的有效識別，先是從產生冰雹的冰雹云的特征開始，這種識別是由雷達拼圖數據完成的，雷達回波特征是識別冰雹回波的關鍵。因此，有必要研究冰雹的雷達回波特征。同時，對冰雹天氣的物理量場參數特征進行分析，能夠為冰雹天氣的預警提供有力的數據支撐[1]。彝良縣位于我國云南省昭通市，地處云南省東北部云、貴、川三省接合部，受低緯度高海拔氣候影響，該地區容易發生冰雹。近年來，彝良縣城鎮化建設不斷推進，在城市熱島效應的作用下，下墊面的地面熱通量顯著增加，有利于雹云的形成與發展。因此，利用彝良縣2013—2022年人工防雹站點的常規資料，深入分析該地區降雹冰雹天氣預警指標及方法。

1 資料來源與方法

統計2013—2022年昭通市彝良縣地面降雹的真實數據資料，此資料主要來源于云南省彝良縣氣象局記錄的冰雹天氣過程資料及冰雹災情等數據，該資料均為實測數據（如降雹時間、地點、直徑），共計選取10個冰雹天氣個例[2]。隨后利用昭通市多普勒雷達資料分析發生冰雹時的雷達回波共性特征，并根據貴州省威寧站探空資料分析物理量場特征。

2 雷達回波特征分析

2.1 雷達回波預警指標

主要利用昭通市多普勒雷達資料對10個不同冰雹天氣的案例雷達回波進行垂直剖面分析。經統計分析發現，冰雹出現時，雷達回波中心強度高于45 dBz回波峰高呈現出以下特點：（1）雹云在產生與發展期間，其強度回波60 dBz回波峰高都大于5 km；

（2）在降雹前10次中，有5次出現明顯的躍增現象，其中的躍增高度一般在1～4 km之間，變動幅度在10%～55%之間，僅有2個冰雹天氣案例的45 dBz回波頂高比較穩定，沒有顯著的跳躍現象[3]。

2.2 案例分析

2022年7月26日18：00，云南省彝良縣方向有大塊云團自西向東移動；18：10，云南省彝良縣以西方向發展形成了南北兩塊塊狀回波，南、北2個區塊的回波最大強度都在60 dBz以下，南部45 dBz的回波頂高約為7 km，南部4個區塊的回波均向東移動，并有融合的趨勢，而北部和南部的回波的最大強度則在60 dBz以下，兩塊回波都向東運動且合并趨勢明顯。

18：22，南北兩塊回波碰撞后進行合并形成了強度45 dBz的回波，并且頂高提升至8 km以上，同時回波中心的強度也達到了60 dBz。18：34，南北兩塊合并形成后的回波強度45 dBz的回波頂高達到了10 km，回波中心強度也提高至65 dBz。18：45，45 dBz回波頂高逐漸降低至接觸地面后，強回波中心面積也隨之減小，18：48～18：58，奎香鄉境內出現冰雹，直徑范圍為2～6 mm。由于此次冰雹天氣屬于云受到碰撞之后形成的雹云，再加上兩者形成雹云后的高度、強度均會出現一定的升降，所以這也預示著冰雹天氣快要到來。

2.3 雷達回波特征分析

對上述雹云的回波形狀及移動速度進行了分析，結果表明，除大部分雹云的回波形為條帶，其他雹云回波均為塊狀。由此可以看出，在冰雹云發展的早期階段，一般情況下其移速不快，但隨著時間的推移，冰雹云發展較為成熟時，其移速顯著增加，而不同的回波移速之間相差較大，通常情況下范圍在30～60 km/h[4]。

3 物理量場分析

3.1 大氣穩定條件

沙氏指數作為衡量大氣穩定度的一項重要判別指標，常常被用于冰雹天氣預警研判與決策。下圖1是彝良縣25°S的沿面時間序列圖，其中2014年7月7日8：00，沙氏指數（SI）的負值區主要集中東部地區[5]，

而7日沙氏指數的負值不穩定區范圍逐漸擴大，同時伴隨著強度不斷增強，使其負值低于-1.5 ℃以下，此時云南省絕大部分地區正值熱力不穩定的時候，給8日的強對流天氣發展提供了充分條件。由圖1可見，8日8：00除了東北和西南地區的沙氏指數低于0 ℃，尤其是中部和西部，以沙氏指數低于0 ℃為主的負值差異較大，這恰好與此后發生的冰雹天氣區域吻合。

冰雹天氣發生前，雹區低空往往伴隨著不穩定能量的蓄積，加上充足的外部動力條件，其蓄積的不穩定能量隨時可能暴發，進而引發冰雹等強對流天氣。對該地區10次冰雹活動初期探空數據進行分析，得出以下結論：

假相當位溫θse的垂直分布能夠在一定程度上反映出當前的大氣對流不穩定性[6]，假設θse（850～500）＞0 ℃，Z＜0，則表明假相當位溫會隨著高度的增加而降低，因此，當大氣層不穩定度增加時，此時的大氣正處于對流不穩定狀態，有利于冰雹天氣的產生與發展。通過對彝良縣10場冰雹天氣的θse（850～500）進行統計對比分析，得出θse（850～500）≥6.48 ℃，平均在1.2 ℃左右，同時得出θse（850～500）＞0 ℃，θse/Z＜0的冰雹天氣產生的冰雹災害較大，冰雹的直徑較大。例如：2022年6月18日的冰雹天氣，從18日傍晚開始影響彝良縣，一直到19日接近凌晨才結束，同時產生了3次冰雹，造成的冰雹災害面積達1 000 hm2；2022年8月19日傍晚的冰雹天氣，在彝良縣產生了直徑為24 mm的大冰雹，造成了十分嚴重的冰雹災害。而θse（850～500）＜0 ℃，θse/Z＜0的冰雹天氣由于大氣的不穩定度較弱，所以產生的冰雹災害較小，冰雹的直徑較小。

（2）冰雹現象的發生與其所處時期的大氣溫度垂直分布密切相關。對10次冰雹事件觀測到的850和500 hPa氣溫差進行了統計，結果表明，這10次冰雹事件觀測到的850和500 hPa氣溫差T（850～500）為26～34 ℃，平均氣溫為28 ℃。這表明該區域的上游區域存在很強的暖濕空氣平流，中高層存在很強的冷空氣入侵，具有上干冷下暖濕的對流潛勢，這對冰雹事件的發生和發展是有利的。

（3）K指數與沙氏指數是反映大氣的層結穩定情況的關鍵指標。通過對25個典型冰雹個例進行統計，發現其中10個冰雹個例的早期氣溫為34 ℃，K指數大于16 ℃，平均氣溫為28 ℃。對彝良縣10次冰雹過程中大氣的層結穩定情況進行統計分析，得出當θse（850～500）≥1.2 ℃、T（850～500）≥28 ℃、K指數≥26 ℃、沙氏穩定指數≤1.2 ℃時，冰雹過程才會發生[7]。

3.2 水汽條件分析

先兆過程主要指的是在強對流天氣發生前1～2 d內，該地區已經出現有弱對流降水。通過統計彝良縣這10次冰雹天氣可以發現，其中超過90%都出現了這樣的過程。（2）通過對彝良縣的10次冰雹天氣進行分析，可以得出彝良縣的冰雹天氣的水汽主要來自上游的羅坎鎮、柿子壩，這10次降雹過程區域都處于800～850 hPa之間[8]。

3.3 垂直風切變

垂直風切變是指隨著高度的改變，水平風會發生改變。一般來說，在熱力不穩定的情況下，垂向風切變的增強會引起雷暴的進一步增強。在對10次冰雹事件前的探空數據進行深入分析，發現從低級到高層的切變值均在1.3以上，6次的冰雹事件前均出現了很強的垂向風切變，4次的垂向風切變相對較弱。這表明強垂直風切變有利于增強低層水汽促進強對流的出現，為強對流冰雹的發生和發展創造了有利條件。

3.4 特征層高度分析

根據相關觀測結果得出，有利于降雹的大氣層高度為4.5 km左右，其中-20 ℃的大氣層高度為5.5～6.5 km。

尤其是在水汽條件適宜的情況下，溫度處于0 ℃或者-20 ℃的大氣層能夠促進冰雹天氣的形成以及雹粒直徑增大。通過分別對彝良縣10次冰雹天氣進行統計分析，得出春季（2—4月）冰雹天氣發生前期0 ℃層高度平均在2 000～2 500 m，而-20 ℃層高度平均在5 000～5 500 m，由于氣象條件因素不同，春季的彝良縣特征層高度相對較低；夏季（5月到7月）冰雹天氣發生前期0 ℃層高度平均在3 000～3 500 m之間，而-20 ℃層高度平均在6 000～6 500 m之間，所以可以得出夏季的彝良縣特征層高度更有利于冰雹天氣的產生[9]。

4 結論

采用雷達回波特征系統對彝良縣2013—2022年暴雨冰雹日進行了詳細分析，然后再通過探空數據對雨雹的物理量場特征進行分析，得到了如下結論：

（1）2013—2022年，彝良縣共計降雹53次，降雹前1 h，60 dBz的強回波中心高度大于5 km，同時45 dBz強回波頂高發生了明顯躍增情況，是暴雨冰雹預警的一個關鍵參照指標。在5、6月時垂直液態累積含水量分別＞38、＞33 kg/m2等雷達產品特征，可以作為彝良縣冰雹預警的定量指標。

（2）從彝良縣10次大范圍的降雹來看，彝良縣的降雹面積均在800～850 hPa范圍內。對近10個冰雹個例的T（850～500）進行了統計，結果表明，這10個個例中，T（850～500）在26～34 ℃，平均氣溫約為28 ℃，預示著該區域上游存在強烈的暖濕氣流，中高層存在強烈的冷空氣入侵，上干冷下暖濕，對冰雹的發生與發展具有有利影響。

（3）由于冰雹天氣的監測預警需要綜合多方面因素，利用雷達回波特征以及物理量場特征進行綜合分析比較，通過繪制回波廓線，然后根據冰雹回波識別相關標準，再根據風暴跟蹤信息對回波的移動路徑、范圍以及速度等參數進行科學分析判斷，最后才能夠做出客觀、準確的冰雹預警預報。

參考文獻

[1] 趙俊榮，郭金強，楊建成，等.一次致災冰雹的超級單體風暴雷達回波特征分析[C]//2011年第二十八屆中國氣象學會年會論文集.2011：1-10.

[2] 李路長，白慧，楊勝忠，等.黔東南地區冰雹天氣雷達臨近預警指標研究[J].貴州氣象，2014，38（1）：20-24.

[3] 楊玉峰.基于雷達回波反射率圖的冰雹識別系統的研究[D].天津：天津大學，2005.

[4] 易文軍，石興瓊，何炳文，等.湘西北一次強冰雹天氣雷達回波特征分析[J].陜西氣象，2021（4）：16-21.

[5] 郭玲，張燁，姜超，等.北票地區近40年冰雹氣候特征與診斷分析[J].科學技術創新，2021（12）：37-38.

[6] 劉春文，郭學良，段瑋，等.云南一次典型降雹過程的冰雹微物理形成機理數值模擬研究[J].大氣科學，2021，45 （5）：965-980.

[7] 張世芬，羅漢，龐朝云，等.甘肅省東部冰雹特征及預警指標分析[J].沙漠與綠洲氣象，2023，17（2）：120-127..

[8] 王旭，張立清，楊奎廣，等.黃河入?？诘貐^冰雹分布特征及環境場特征[J].陜西氣象，2022（2）：33-38.

[9] 李彥良，石紹玲，郭婧芝，等.風廓線雷達資料產品在冰雹天氣過程中的特征分析[J].氣象災害防御，2019，26（1）：19-24.