基于X波段雷达的门源地区人工防雹指标研究

赵占秀，王晓雍，任得萍

青海省海北州气象台，青海海晏 810200

门源县地处青藏高原东北部，祁连山山脉最东南端，海拔在2 388~5 254 m之间，属大陆性高原气候。经济结构主要以农业生产为主，县农业生产年景完全依赖天气情况而定，完全是“靠天吃饭”。农业生产中对年景影响最大的气象灾害主要有冰雹、干旱、霜冻等，且以冰雹最为严重。根据资料统计，每年造成的农业经济损失中冰雹灾害的比重达50%以上。

近年来，为进一步增强防灾减灾能力，气象部门应不断加大气象现代化建设力度。2007年组建的门源县气象局人工影响天气体系在防雹工作中取得了十分显著的经济效益。2011年新建的方舱式X波段雷达，在强对流天气监测和预警方面发挥了重要作用，尤其在防灾减灾和人影指挥工作中发挥了第一道防线的作用。业务人员在利用雷达进行防雹指挥方面缺乏参考标准，在防雹作业指导时存在一定的不确定性。

随着新一代天气雷达技术的迅速发展，针对降雹机制和人工防雹新技术的理论研究均取得了新的进展[1-3]，为开展人工防雹作业提供了指导依据。省内外工作者将理论结合实际开展多普勒天气雷达资料的人工防雹指标研究，得出的定量化指标值和阈值为防雹作业提供有效参考。这些指标与阈值是否应用于X波段雷达防雹作业还有待研究。毕力格，毕力格等[4]利用X波段双偏振雷达，通过双偏振参量的特征对比分析，较好地识别了短时强降水与冰雹天天气过程。青海省内利用多个冰雹个例，分析X波段雷达的各产品参量特征，找出判别冰雹天气的阈值，并应用于人工影响天气作业的研究并不多。此处利用门源X波段方舱式雷达和降雹资料，分析得出人工影响天气的阈值，为高效开展人影防雹作业提供科学依据。

1 资料选取和分析方法

1.1 资料的选取

选取2016—2018年5—9月的31个冰雹天气个例（将1次局地降雹作为1个个例），根据每个个例降雹的具体时间，找出与之相对应的门源雷达基数据资料。由于冰雹出现时间与雷达观测资料时间有可能不一致，将冰雹出现时的最近1个雷达体扫作为降雹时。降雹时往前选取3个雷达体扫，降雹时往后选取2个雷达体扫，总共选取6个雷达体扫。根据每个冰雹个例的具体时间点，从整理的雷达资料中找出与之相对应的6个基数据。由于雷达资料有限，可进行分析的个例有12个（表1）。

表1 与雷达资料相对应的冰雹个例

1.2 资料的读取

利用整理出来的雷达基数据，通过GLC-36型多普勒天气雷达产品终端对基数据进行计算处理，得到每一个个例序列化的组合反射率、垂直积分液态水含量、回波顶高、最强回波高度等产品。在GLC-36型多普勒天气雷达产品终端界面中拖动鼠标时会显示经度、纬度信息，依据冰降雹点的经度、纬度信息，读出经纬度在1′误差范围以内的雷达产品特征值。读取个例数据时，由于存在静锥区，无法读取浩门镇本站的雷达各参量特征值，故剔除2个冰雹个例资料。

每个个例得到了一组序列化组合反射率、垂直积分液态水含量、回波顶高、最强回波高度的值，共有10个个例，得到10组特征值。通过对最强回拨高度值的剖面分析，选取回波强度等于30 dBz的强回波高度值。1个冰雹个例得到4个特征量值和序列化值，通过对这10个个例各特征量值的变化分析可知，在降雹前回波强度有所增强，回波顶高升高，降雹结束后各参量则与之相反，组合反射率、回波顶高及强回波的最大值都出现在降雹前，冰雹天气中回波顶高往往提前于降雹一个体扫，垂直积分液态水含量有明显跃增。

1.3 分析方法

从10个冰雹个例中读取每个个例各特征量的最大值，并分析出这10个个例的最大值、最小值及平均值（表2）。

表2 冰雹个例雷达各特征参量

2 雷达产品分析

2.1 组合反射率

组合反射率表示的是在一个体积扫描中，将常定仰角方位扫描中发现的最大反射率因子投影到笛卡尔格点上的产品[5]。降雹天气的组合反射率在32.5~49.0 dBz，平均为39.5 dBz，其中回波强度≥35 dBz的概率为70%，≥40 dBz的概率为50%，说明回波强度≥35 dBz出现冰雹的可能性较大，但通过回波强度不能很快判别门源地区会出现哪一类天气。

2.2 回波顶高

回波顶高度是衡量对流天气强弱程度的重要标志，它反映了云内垂直上升气流的强度，回波顶高度越高、云内上升气流越强，而上升气流又是决定云内所能形成的最大水滴或冰雹尺度的重要因素。降雹天气回波顶高在6.0～9.7 km，平均值为7.8 km，其中回波顶高≥7 km的概率为80%，≥8 km的概率为50%，说明回波顶高≥7 km易出现冰雹天气。

2.3 强回波的高度

强回波（≥30 dBz）高度比回波顶高更能说明冰雹云的结构特征。在一定条件下，积雨云垂直发展越高，回波顶高越高，地面出现降雹的概率越大。但在云中含水量较少时，即使积雨云垂直发展很高，也不能形成含水量积累区，云中雹块仍不能充分增长，这时地面可能没有降雹。这种积雨云雷达回波的垂直剖面上，强回波主要在底部，且水平尺度较小时，易出现短时强降水。而当强回波出现在云的中上部时，降雹的可能性大。降雹时范围在5.0～8.8 km,平均值为7.1 km，其中≥6 km的概率为90%，≥7 km的概率为50%，冰雹天气强回波高度在6 km左右。

2.4 垂直积分液态水含量

垂直液态水含量（VIL）是由Greene等人于1971年提出的一种新预报因子。雷达体积扫描资料中的反射率因子值，都是由液态水的后向散射所造成，反映了降水云体中在某一确定底面积的液态水混合比的垂直积分。液态水混合比是通过测量的反射率因子和雨滴之间的经验关系：M=3.44×10-6Z4/7[5]。1986年，Winston等人发现VIL对冰雹的存在有较好的指示作用，成为判别强降水及其降水潜力、强对流天气造成的暴雨、暴雪、冰雹等灾害性天气使用率较高的有效工具之一。

分析冰雹天气的垂直积分液态水含量值得出：降雹的范围在0.3~2.0 kg/m2，平 均 值 为1.7 kg/m2，其 中，≥0.7 kg/m2的概率为90%，≥1 kg/m2的概率为60%，降雹时或降雹前一个体扫内垂直积分液态含水量跃增，对冰雹天气预警的提前量可达5~15 min；冰雹天气垂直积分液态水含量的平均值高于短时强降水天气。

通过对上述数据的分析得出各雷达参量平均值，在平均值附近选取各雷达参量的不同值，得出百分率（表3）。

表3 冰雹个例各雷达特征参量的百分率

对百分率较大的冰雹天气各雷达特征参量值进行综合分析，同时满足回波强度≥35 dBz、回波顶高≥7 km的概率为60%，强回波的高度≥6 km、垂积分液态水含量≥0.7 kg/m2，将雷达各特征参量的综合值作为冰雹天气的阈值。

门源县局业务人员申请空域并开展人工指挥防雹作业。根据防雹作业点实际情况，在防雹作业前，作业人员需要进行作业准备，因此在冰雹预警时，若预警时间过早，则冰雹云特征不明显，识别有困难；反之，则使作业人员没有充足的准备时间[6]。研究表明，成灾的雹云会有一个稳定的成熟期（一般大于30 min），防雹作业应在雹云成熟期内尽早开展[7]。由于云系移到降雹点的上空时，冰雹云已处于成熟期。冰雹云的回波强度≥32.5 dBz、强回波的高度≥5 km、垂积分液态水含量≥0.7 kg/m2、回波顶高≥6 km的概率为90%，上述综合值初步制定为门源地区人工防雹指标（表4）。

表4 冰雹天气各雷达特征参量的百分率

3 结论

（1）各特征参量的最大值都出现在降雹前，其中回波顶高往往提前于降雹一个体扫，垂直积分液态水含量有明显的跃增。

（2）防雹作业的指标为回波强度≥32.5 dBz、强回波的高度≥5 km、垂积分液态水含量≥0.7 kg/m2、回波顶高≥6 km。