山东半岛强对流天气风暴参数统计分析

苏添记，刁秀广，符长静，张孝峰，章火宝，曲海涛

（1. 烟台市气象局，山东　烟台　264003；2. 南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京　210044；3. 山东省气象台，济南　250031）

山东半岛强对流天气风暴参数统计分析

苏添记1，2，刁秀广3，符长静1，张孝峰1，章火宝1，曲海涛1

（1. 烟台市气象局，山东烟台264003；2. 南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京210044；3. 山东省气象台，济南250031）

利用烟台新一代天气雷达（CINRAD/SA）资料，统计分析了 2005—2012年烟台和威海地区27次强对流天气过程的风暴参数。总结出山东半岛不同月份冰雹和雷暴大风的风暴参数判据：对于冰雹，5月、6月、8月基于单体的垂直积分液态水含量（C-VIL）≥35kg·m-2，7月C-VIL≥45kg·m-2，最大反射率因子（DBZM）≥55dBZ；5月、7月C-VIL≥60kg·m-2，6月、8月C-VIL≥45kg·m-2，DBZM≥60dBZ，强中心高度（HT）≥4km，单体顶高（TOP）≥9km，可产生直径大于 20mm的冰雹，当风暴单体的最大HT≥6km，TOP≥10km时，可产生直径大于40mm的冰雹。对于雷暴大风，当 DBZM≥55dBZ时，HT≥5.5km，TOP≥11km，可产生10级大风；HT≥4.5km，TOP≥9km，可产生 8～9级大风。指标在 2013—2015 年9次冰雹天气过程中进行了验证，冰雹的C-VIL判据准确度较高。

强对流；风暴单体；风暴参数

引言

山东半岛是强对流天气多发地区，每年都会遭受强对流所引发的冰雹、大风、雷电、短时强降水等袭击，经常会造成严重的人员伤亡和财产损失［1-3］。新一代天气雷达（CINRAD/SA）在灾害性天气过程的观测，特别是在强对流天气的监测和预警方面，具有独特的性能和优势［4］。朱君鉴［5］、刁秀广等［6-9］利用新一代天气雷达资料对山东省强对流天气的雷达回波特征进行了广泛的研究，其中，风暴参数是研究雷达观测冰雹等强对流天气的极其重要的指标。该文搜集了2005—2012年烟台和威海地区27次强对流天气过程资料，利用烟台CINRAD/SA雷达观测数据，挑选每次天气过程中最大反射率因子达到60dBZ的对流风暴单体，统计其最大反射率因子（DBZM）、基于单体的垂直积分液态水含量（C-VIL）、单体强中心高度（HT）、单体顶高（TOP）等风暴参数，分析得出风暴参数对冰雹和雷暴大风的判据。依据这些判据，在烟台CINRAD/SA的PUP中设置了天气自动报警，依靠报警信息和天气现象实时调查，在2013—2015年，获得了烟台区域内的9次冰雹天气过程的数据，对风暴参数判据进行了验证。

1　强对流天气过程的选取

根据CINRAD/SA的探测性能，在150km探测距离内，可对灾害性对流天气进行有效监测和预警，烟台CINRAD/SA在此距离内的监测区域是烟台和威海地区及青岛的东北部地区。选取2005—2012年烟台和威海地区出现冰雹、大风灾情的27个对流天气过程个例做统计样本。这27次天气过程，只有1次未出现冰雹，为龙卷风灾害。除长岛县外，烟台和威海市区以及其它13个县（含县级市，下同）均出现过冰雹灾情，冰雹出现较多的地区有栖霞、莱阳中北部、海阳北部、莱州北部、龙口东南部、蓬莱北部和威海北部。

在27次天气过程中，出现在5—8月的最多，12月至次年2月没有强对流出现。强对流出现在下午最多，有19次，上午有5次，凌晨只有3次。

2　风暴参数获取与风暴样本

CINRAD/SA可探测并自动识别对流风暴单体，雷达组合反射率因子（CR37）叠加风暴追踪信息和风暴属性表产品信息，结合烟台CINRAD/SA精细化到乡镇级的产品底图，可读取风暴单体的演变时间、影响地点、单体编号、DBZM、C-VIL、HT和TOP等风暴参数。

在27次强对流天气过程的雷达观测资料中，当对流风暴单体任意一个体扫的 DBZM≥60dBZ时，则作为一个风暴样本，从单体出现到消失，按每一体扫记录风暴单体的风暴参数，包括：DBZM、C-VIL、HT和TOP，以及回波顶高、中气旋信息、对流单体影响地点和时间等信息，每个对流风暴单体的风暴参数都形成时间序列信息。27次强对流天气过程中获得了742个对流风暴单体的风暴参数信息。在这些风暴单体中，出现在陆地上的有427个，而其中只有102个风暴单体有天气实况数据和灾情报告相对应。

3　风暴参数的统计分析

由于地物回波污染，单纯利用雷达反射率因子来判断强对流天气可能会产生虚警，高反射率因子值不一定对应于强天气的出现。研究表明［10-11］，C-VIL值是判别冰雹特别是大冰雹的有效判据，持续的 C-VIL高值与超级单体风暴有关，而 C-VIL值的快速降低意味着破坏性大风的开始。又由于存在雷达观测的静锥区，在靠近雷达的地方，C-VIL值将被低估。HT、TOP值是判断对流风暴单体发展是否旺盛的重要依据［12］，雷暴大风与对流风暴单体的发展高度有密切关系。因此，利用CINRAD/SA进行强对流天气观测预警，C-VIL值、DBZM值和回波高度值应该结合使用。

3.1风暴单体的强度及生命期

对流风暴单体的强弱决定其致灾的严重程度，而单体演变的时间越长，影响的区域可能越广。对 146个出现在陆地上的强对流风暴单体的生命期与最大C-VIL值大小进行了统计分析，这些单体除了有实况数据对应的 102个外，其它未查到实况数据或灾情资料的42个单体最大C-VIL值均大于同一过程中的有灾情对应的风暴单体。

统计结果显示，接近90%的对流风暴单体的生命期不超过2h，最大C-VIL值超过50kg·m-2的单体数超过70%。

3.2风暴参数的最大值统计

对于427个陆地对流风暴单体，在每个对流风暴单体的风暴参数时间序列中，C-VIL、DBZM、HT和TOP都有一个最大值，取出每个单体的最大值，构成最大值区间。427个陆地对流风暴单体的 C-VIL的最大值区间为 15～87kg·m-2，而DBZM的最大值区间为60～75dBZ。最大的C-VIL值为87kg·m-2、最大的DBZM值为75dBZ、最大的HT值为11.1km和最大的TOP值为15.6km分别出现在4次不同的强对流天气过程的不同对流风暴单体中，经查灾情资料，这4次天气过程都出现了直径超过20mm的冰雹或者10级以上的大风。

3.3C-VIL值统计分析

C-VIL值是 CINRAD/SA识别冰雹的重要判据，但由于环境参数的差异，降雹对应的C-VIL值会因地域和季节的不同而不同。在对流风暴单体的发展阶段，其C-VIL值通常会有一个短时的急剧增加过程，即在一个体扫时间内 C-VIL的增加量达15kg·m-2以上，这种现象称为C-VIL值跃增。

3.3.1冰雹的C-VIL判据

对确定产生了冰雹的对流风暴单体，按单体出现的月份对C-VIL高值及同时刻的DBZM、HT、TOP值进行统计（表1）。这里的C-VIL高值是跃增后能连续保持至少两个体扫不减小的值。

表1　产生冰雹的对流风暴单体的风暴参数高值按月统计表

5月、6月和8月，68个风暴单体的C-VIL高值均大于30kg·m-2，其中59个大于35kg·m-2，因此判断标准取 C-VIL高值≥35kg·m-2，7月取C-VIL≥45kg·m-2，对应DBZM均≥55dBZ；对于直径大于20mm的大冰雹，5月、7月的风暴单体 C-VIL高值≥58kg·m-2，判断标准选取为C-VIL≥60kg·m-2，6月、8月C-VIL高值≥44kg·m-2，判断标准取为C-VIL≥45kg·m-2，对应DBZM均≥60dBZ。由于大冰雹个例少，以上统计结果对于大冰雹的相关性可能比较低，可以适当放宽大冰雹的判断阈值标准，当C-VIL≥45kg·m-2时，应该考虑产生大冰雹的可能。虽然3月、4月和10月也出现了冰雹，但每月只有1次，缺乏代表性，所以这些数据暂不列入统计。

3.3.2雷达静锥区对C-VIL的影响

2009年6月29日下午，烟台CINRAD/SA观测到一个逐渐靠近雷达站的对流风暴单体K0，单体从15:59开始进入雷达40km距离圈，处于雷达静锥区内。图1是K0的C-VIL与DBZM的时间序列图，由图可见，随着单体逐渐靠近雷达中心，其C-VIL值不断减小，但对应的DBZM值下降并不明显，一直维持在相对高值，表明C-VIL值被低估了。灾情报告显示，处于雷达静锥区的烟台市区出现了直径10mm的冰雹，并伴有 10级阵风，造成的直接经济损失上千万。由此可见，在雷达静锥区内，C-VIL判据不可靠。

图1　2009年6月29日K0号单体的C-VIL与DBZM时间序列图

3.4HT和TOP统计分析

在27次强对流天气过程中，有12次过程的17个单体出现了直径超过20mm的大冰雹；有10次过程的14个单体出现了8级以上的大风。按出现了大冰雹或大风、未出现大冰雹和大风的情况分类，统计对应的对流风暴单体的最大强中心高度及对应的单体顶高。表2列出了出现大冰雹或大风的单体其最大HT和最大TOP的区间值。

表2　出现大冰雹或雷暴大风的单体高度统计

产生直径超过20mm大冰雹的17个对流风暴单体中，其最大HT不小于4km的有15个，最大TOP不小于9km的有15个；产生直径超过40mm的大冰雹的5个对流风暴单体中，最大HT均超过6km，TOP超过10km的有3个。

产生超过 10级大风的 6个单体中，其最大HT不小于5.5km的有5个，最大TOP不小于11km的有5个；产生超过8级大风的8个对流风暴单体中，最大HT不小于4.5km的有6个，最大TOP不小于9km的有5个。

3.5风暴参数统计结论

综合前述对风暴参数所做的统计分析，得出表3所示烟台CINRAD/SA观测强对流天气的风暴参数判据。

表3　烟台CINRAD/SA观测强对流天气的风暴参数判据临界值

对于冰雹，5月、6月、8月C-VIL≥35kg·m-2，7月C-VIL≥45kg·m-2，对应DBZM均需≥55dBZ；对直径大于 20mm的冰雹，5月、7月 C-VIL≥60kg·m-2，6月、8月C-VIL≥45kg·m-2，对应DBZM均要≥60dBZ，单体最大HT≥4km，最大TOP≥9km；对直径超过40mm的大冰雹，则风暴单体的最大HT≥6km，最大 TOP≥10km；以上值均需要保持至少两个体扫时间。受雷达静锥区制约，C-VIL判据在靠近雷达40km范围内时不可靠。

对于雷暴大风，当HT≥5.5km，TOP≥11km，可产生10级大风；当HT≥4.5km，TOP≥9km，可产生8～9级大风；以上对应DBZM均需≥55dBZ。

4　风暴参数检验分析

依据前述风暴参数判据，在烟台CINRAD/SA 的 PUP软件中设置天气自动报警，当对流风暴单体的风暴参数达到设定的临界值时，PUP软件发出声音报警。接收到报警信息时，综合分析回波演变。当判断某地降雹，及时与当地村一级气象信息员取得联系并核对当时的天气现象实况，这样可获取比单纯依靠气象台站观测和灾情上报更多的冰雹天气过程个例。表 4是烟台CINRAD/SA在2013—2015年观测到的10次强对流天气过程，其中2014年5月7日过程为观测站得到，2014年7月14日过程为灾情统计和与气象信息员联系得到，其它过程为与气象信息员联系得到。

表4　2013—2015年10次冰雹天气过程风暴参数验证统计表

由表4可见，除2014年5月7日龙口观测站观测到的冰雹过程未达到设定的 C-VIL判据外，其它过程均满足所设的对应月份的C-VIL判据。现阶段，DBZM、HT和TOP判据只是配合C-VIL使用，但它们与设置的判据阈值比较吻合。可见，利用风暴参数来进行强对流天气的预警是可行的。

5　小结和讨论

（1）通过对2005—2012年27次强对流天气过程的风暴参数进行统计分析，得出了强对流天气的风暴参数判据，对于冰雹，5月、6月、8月C-VIL≥35kg·m-2，7月 C-VIL≥45kg·m-2，对应DBZM均≥55dBZ；对直径大于20mm冰雹，5月、7月C-VIL≥60kg·m-2，6月、8月C-VIL≥45kg·m-2，对应DBZM均≥60dBZ，单体最大HT在4km以上，TOP≥9km；风暴单体的最大HT＜4km，TOP＜9km时，基本不会产生直径超过20mm的大冰雹；对于雷暴大风，当满足HT≥5.5km，TOP≥11km判据时，考虑10级大风；当满足HT≥4.5km，TOP≥9km判据时，考虑 8～9级大风，对应 DBZM均需≥55dBZ。以上值均需要保持至少两个体扫时间。

（2）利用统计所得的风暴参数判据在雷达软件PUP中设置冰雹自动预警，在2013—2015年10次冰雹天气过程中对风暴参数判据进行检验，结果表明，利用风暴参数来进行强对流天气的预警是可行的。

（3）对2005—2012年27次强对流天气过程的风暴参数的统计和检验，重点放在了C-VIL和冰雹上面，缺少对回波高度、大风、短时强降水的统计检验，以后可以通过改进数据的统计方法，从风暴参数样本资料中获得更多的强对流信息；扩大检验的范围，继续改善风暴参数判据；乡镇气象信息员是获得第一手气象资料的重要途径，可以多加发掘利用。

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P412.25

B

1005-0582（2016）02-0015-05

2015-11-17

山东省气象局重点课题（2012sdqxz05）资助

苏添记（1980—），男，汉族，广西梧州人，本科，工程师，主要从事气象雷达运行保障工作。