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2007—2020年強對流天氣過程的雷達資料，通過雷達回波形態(tài)識別、特征值統(tǒng)計等方法分析不同季節(jié)的雷達回波強度最大值、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)計強對流過程中回波形狀特征，得出海拉爾天氣雷達的臨近預(yù)報預(yù)警指標，旨在有效利用雷達產(chǎn)品提升強對流天氣預(yù)警能力。

關(guān)鍵詞 強對流；回波強度最大值；回波頂高；垂直累積液態(tài)含水量

中圖分類號：P44 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）07–0105-03

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

1 強對流事件的定義

考慮資料的代表性，選擇強對流天氣樣本時要求滿足以下條件：（1）有可靠的地面觀測數(shù)據(jù)或災(zāi)情數(shù)據(jù)；（2）強對流天氣在海拉爾雷達站有效探測范圍內(nèi)。

基于以上2個條件考慮，定義在海拉爾雷達站30～150 km有效探測范圍內(nèi)只要出現(xiàn)下列3個天氣現(xiàn)象之一：冰雹、小時雨量≥15.0 mm短時強降水、8級（17.2 m/s）以上大風并伴有雷暴，即統(tǒng)計為1個強對流天氣過程。

2 結(jié)果與分析

普查CIMISS系統(tǒng)和災(zāi)情報告后得知：海拉爾雷達站30～150 km范圍內(nèi)2007—2020年共有35個強對流過程，其中5月1個、6月8個、7月10個、8月12個、9月3個、10月1個。從伴隨的天氣現(xiàn)象來看，絕大多數(shù)對流過程均伴有冰雹、雷暴大風和短時強降水，僅出現(xiàn)某個天氣現(xiàn)象的對流過程較少。統(tǒng)計這35個對流過程起止時間、伴隨天氣現(xiàn)象、冰雹信息、雷達產(chǎn)品參數(shù)、回波形狀（表1）。

2.1 回波強度最大值特征

由表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計得知：有32個過程的回波強度最大值均≥55 dBz；另3個對流過程回波強度最大值<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個對流過程出現(xiàn)在春季和秋季，大氣熱力和動力條件不足，所以對流發(fā)展較弱，導(dǎo)致回波強度最大值較小。

2.2 回波頂高（ET）產(chǎn)品特征

從表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出：5個對流過程回波頂高≥14 km，其中3個出現(xiàn)在8、1個出現(xiàn)6月下旬、1個出現(xiàn)在7月下旬初，均伴有冰雹和大風天氣現(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、短時強降水和大風天氣現(xiàn)象。11個對流過程回波頂高<10 km，其中8個過程出現(xiàn)時段為夏初及春、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)品是判別冰雹等強對流天氣的有效工具之一。郭艷等分析了江西省局地強對流風暴VIL為33～77 kg·m-2；應(yīng)冬梅等[8]分析了江西省4次區(qū)域性強對流天氣過程降雹風暴的最大VIL為66～80 kg·m-2。而從表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計得知35個對流過程VIL值介于1～57 kg·m-2，不同季節(jié)對流過程的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日對流天氣VIL值為5 kg·m-2）VIL值均≥10 kg·m-2，其中19個過程VIL值≥20 kg·m-2、5個過程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

新一代天氣雷達冰雹探測算法 HDA（Hail Detection Algorithm）是通過尋找風暴單體中凍結(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個過程的冰雹指數(shù)產(chǎn)品有報警，26過程產(chǎn)品共性特征：回波強度最大值≥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）對流過程的冰雹指數(shù)產(chǎn)品若連續(xù)出現(xiàn)報警，且滿足上述3個產(chǎn)品特征，可作為判斷冰雹強對流天氣的預(yù)警指標[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警，存在較高虛警率，實際業(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個過程冰雹指數(shù)產(chǎn)品未出現(xiàn)報警，分別是5月1個、6月上旬2個、7月1個、9月3個、10月1個，除了7月1個過程以外，均發(fā)生在春、秋季及6月初。經(jīng)統(tǒng)計：這8個過程回波強度最大值<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35個對流過程的回波形狀進行歸類，并對產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象進行總結(jié)見表2：

統(tǒng)計得知：當對流過程的雷達回波呈帶狀、線狀分布時，15個對流過程中有13個出現(xiàn)大風，概率高達86.7%；9個過程同時產(chǎn)生大風和冰雹，概率為60%。當回波形狀呈分散塊狀時，7個對流過程出現(xiàn)冰雹天氣。當回波呈絮狀且包含強對流單體時，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默認的算法。35個對流日中有19個中氣旋產(chǎn)品出現(xiàn)報警，其中有3個對流日在對流過程前后中氣旋產(chǎn)品是不連續(xù)報警。從19個中氣旋產(chǎn)品報警對流日出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象來看，18 d都出現(xiàn)了大風天氣，占總出現(xiàn)大風日數(shù)對流日（27 d）的66.7%，可見中氣旋產(chǎn)品出現(xiàn)報警的對流過程伴隨大風概率很高。從中氣旋產(chǎn)品報警對流日出現(xiàn)的季節(jié)來看，這19個對流日中有16個出現(xiàn)在盛夏季節(jié)（6月中旬至8月）。

2.7 冰雹天氣雷達產(chǎn)品特征

對27日伴有冰雹天氣雷達回波特征分季節(jié)進行統(tǒng)計，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94.7%，中氣旋產(chǎn)品報警的概率為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)報警。

3 結(jié)論

（1）盛夏季節(jié)（6月中旬至8月末）對流過程的回波強度最大值均≥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)對流過程回波強度最大值<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）的對流過程同時滿足回波強度最大值≥60 dBz、回波頂高≥10 km、垂直累積液態(tài)含水量VIL≥20 kg·m-2 3個條件，且冰雹指數(shù)產(chǎn)品連續(xù)3個及以上體掃出現(xiàn)報警時，可作為冰雹等強對流天氣的預(yù)警指標；而其他季節(jié)強對流天氣的冰雹指數(shù)產(chǎn)品基本無指示。

（3）當對流過程的雷達回波呈帶狀、線狀分布時，產(chǎn)生大風概率非常高，高達86.7%，同時產(chǎn)生大風和冰雹的概率60%；當回波形狀呈分散塊狀且單體回波強度≥55 dBz時，多半出現(xiàn)局地冰雹天氣；當回波呈絮狀且包含強對流單體時，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94.7%，中氣旋產(chǎn)品報警的概率為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