摘要 利用2008―2023年西寧雷達(dá)資料和探空資料對冰雹和強(qiáng)降水天氣的物理量和雷達(dá)參數(shù)特征進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：①較強(qiáng)的低空垂直風(fēng)切變有利于降雹天氣生成，較低的0 ℃層和-20 ℃層高度也是利于冰雹云形成的重要參數(shù)。②所有冰雹云的組合反射率均≥55 dBz，占75%在60～65 dBz之間；降雹時回波頂高均在9 km以上，其中回波頂高≥11 km的冰雹云占90%；當(dāng)冰雹天氣出現(xiàn)時，大部分雹云的最大垂直液態(tài)含水量≥25 kg/m2，其比例為80%，最高可達(dá)40 kg/m2。③利用45 dBz回波頂高可較好地識別冰雹云，當(dāng)強(qiáng)回波高度達(dá)到8.0 km時預(yù)示有冰雹出現(xiàn)，其臨界成功指數(shù)達(dá)85%。

關(guān)鍵詞 冰雹；探空資料；雷達(dá)參數(shù)；預(yù)警；青海省東北部

中圖分類號 P482 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2023）18-0250-03

冰雹是世界范圍內(nèi)的氣象災(zāi)害之一，在青海省尤其如此。為了及時采取措施，防止冰雹發(fā)生，要及時準(zhǔn)確地識別雹云�；�于現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)條件，充分發(fā)揮探空、雷達(dá)資料實時、有效的識別雹云是人工防雹的前提和基礎(chǔ)。1997年葉篤正對通過探空資料來尋找對流發(fā)展的有利條件進(jìn)行了闡述[1-2]；20世紀(jì)70年代以來，利用雷達(dá)資料建立冰雹云的識別技術(shù)和方法在國內(nèi)外都有很多研究。目前，隨著探測技術(shù)水平的發(fā)展，探空、雷達(dá)等先進(jìn)儀器的應(yīng)用，對冰雹天氣特征的認(rèn)識不斷深入，已有很多成熟的研究成果應(yīng)用于冰雹預(yù)測。雷 蕾等利用探空資料詳細(xì)分析了2007年和2008年5―9月冰雹、雷暴大風(fēng)以及暴雨強(qiáng)對流天氣過程下物理量的差異，結(jié)果表明：0 ℃層、-20 ℃層低空風(fēng)切變能比較顯著地區(qū)分冰雹和暴雨天氣[3]；廖曉農(nóng)等也用探空資料計算了CAPE、風(fēng)切變等物理量，分析了北京歷史上一次嚴(yán)重的大雹事件。分析發(fā)現(xiàn)，對流層中下層較強(qiáng)的環(huán)境風(fēng)垂直切變有利于多單體風(fēng)暴或超級單體等強(qiáng)風(fēng)暴云的發(fā)展，從而增加了冰雹出現(xiàn)的幾率[4]；李秀林等對2005―2006年渭南19個典型冰雹日的雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計分析得出，冰雹云的垂直積分液態(tài)水含量（VIL）值明顯大于雷雨云，VIL值的變化可以應(yīng)用于預(yù)測降雹[5]；朱 平等研究結(jié)果表明，當(dāng)降雹單體出現(xiàn)VIL的躍增量≥ 6 kg/m2、VIL 峰值≥15 kg/m2、VIL 密度>2.2 g/m2時，即有冰雹天氣發(fā)生[6]；湯興芝等利用雷達(dá)回波參量來判別宜昌地區(qū)冰雹云，發(fā)現(xiàn)用45 dBz 回波頂高可較好地識別冰雹云[7]；李金輝等對降雹造成災(zāi)害的雷達(dá)回波分析表明，雷達(dá)強(qiáng)回波的45 dBz平均底部越高、提前識別的時間越長，頂部越高距離降雹時間越短[8]。

青海省地處青藏高原的東北部，境內(nèi)高原地形變化大，有眾多高山。青海省的地理特點決定其多發(fā)強(qiáng)對流天氣[9]。目前已有的研究資料顯示，青海省冰雹發(fā)生的中心區(qū)域主要有2個，分別位于青海省南部和東北部，而導(dǎo)致災(zāi)害的冰雹主要發(fā)生在青海省東北部（農(nóng)業(yè)區(qū)）。在冰雹多發(fā)期，青海省東北部的主要農(nóng)作物處于抽穗至成熟的發(fā)育階段，一旦發(fā)生雹災(zāi)，會造成較大的損失[10]。因此，本文旨在找出適合該地區(qū)雹云的識別參量，為人工防雹消雹提供有價值的參考依據(jù)。?

1 資料與方法

本文利用的資料主要包括2個方面的內(nèi)容：一是西寧二十里鋪探空站的探空資料、西寧南山雷達(dá)站觀測的雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料；二是這2個觀測站所轄各縣（市）氣象局地面冰雹災(zāi)情資料。資料的時間為2008―2023年6―9月。

選擇30塊對流云團(tuán)的探空和雷達(dá)資料進(jìn)行分析。在冰雹發(fā)生時，雷達(dá)探測到的時間與地面降雹的時間不一致。造成這一現(xiàn)象的原因主要有以下2個：一是冰雹降落到地面需要一定時間。二是收集到的地面降雹時間多為估計時間。因此，在進(jìn)行參量分析時，對冰雹云主要取冰雹發(fā)生前4個體掃、冰雹發(fā)生時各次體掃和冰雹發(fā)生后4個體掃的參量變化特征，非降雹云團(tuán)則取其整個生存期內(nèi)各次體掃的參量變化，找出體掃過程中這些參量的最大值[7]。

30個對流云資料包括20個產(chǎn)生冰雹的資料和10個強(qiáng)降水資料。其中既出現(xiàn)冰雹又有強(qiáng)降水的天氣過程歸為冰雹天氣資料，強(qiáng)降水資料系無雹日過程。

本文主要分析了云體的組合反射率、回波頂高、垂直液態(tài)含水量及45 dBz回波頂高等雷達(dá)特征參數(shù)，并參考分析了探空資料垂直風(fēng)切變、0 ℃層高、-20 ℃層高等。

2 物理量分析

冰雹和強(qiáng)降水等中小尺度天氣的產(chǎn)生需有利的大尺度環(huán)境。該研究利用探空資料，選取垂直風(fēng)切變、0 ℃層高、-20 ℃層高等參數(shù)，分析了冰雹和強(qiáng)降水天氣對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)。

2.1 垂直風(fēng)切變

環(huán)境中存在垂直風(fēng)切變與強(qiáng)對流單體的發(fā)展和維持存在密切的聯(lián)系[11]。強(qiáng)切變有利于對流性不穩(wěn)定層結(jié)形成，是冰雹增長的重要條件。圖1為2類對流天氣多個個例的低空垂直風(fēng)切變散點分布圖�？梢钥闯�，冰雹500～700 hPa最小垂直風(fēng)切變?yōu)? m/s，最大為24 m/s，平均垂直風(fēng)切變達(dá)到11 m/s；400～500 hPa最小垂直風(fēng)切變?yōu)?m/s，最大為25 m/s，平均為17 m/s。其平均較垂直風(fēng)切變強(qiáng)降水的5 m/s和10 m/s都大。分析表明，低空垂直風(fēng)切變是冰雹形成的必要條件。在強(qiáng)降水形成的過程中，垂直風(fēng)切邊相對較弱[3]�？傊�，形成冰雹的有利條件是出現(xiàn)低空垂直風(fēng)切變，較大的垂直風(fēng)切變能維持或加強(qiáng)風(fēng)暴的垂直結(jié)構(gòu)。

2.2 0 ℃層高度和-20 ℃層高度

0 ℃層是云中水分凍結(jié)高度的下限，也是影響融化效應(yīng)的因素之一。而-20 ℃層是大水滴自然成冰溫度，因此這2個溫度層的高度是判斷環(huán)境大氣是否有利于冰雹云形成的參數(shù)[4]。從圖2可以看出，冰雹的0 ℃層最小高度為3 130 m，最大高度5 675 m，平均高度約4 700 m。-20 ℃層最小高度為7 128 m，最大高度8 726 m，平均高度約7 800 m。這2個特性層的平均高度都要明顯低于強(qiáng)降水300～400 m。0 ℃層低使冰雹不容易在落地前融化，而強(qiáng)降水的0 ℃偏高使得固態(tài)物出云后融化形成雨滴到達(dá)地面。這也與相關(guān)的研究結(jié)果是一致的[3]。

3 雷達(dá)參數(shù)分析

3.1 雷達(dá)基本特征參數(shù)

組合反射率反映的是雷達(dá)體掃垂直氣柱中對所有回波強(qiáng)度進(jìn)行比較在對應(yīng)格點上顯示最大反射率因子值[12]。垂直液態(tài)水含量是將雷達(dá)體積掃描資料中的反射率因子值轉(zhuǎn)換成等價的液態(tài)水值，反映了降水云體中在某一確定底面積的垂直柱體內(nèi)液態(tài)水的總量[7]。回波頂高是在≥18 dBz反射率因子被探測到時，顯示以最高仰角為基礎(chǔ)的回波頂高度。本文為了便于分析研究，回波頂高采用≥15 dBz反射率因子的最高高度。通過對雷達(dá)反射率因子做垂直剖面分析，可近似地得到雷達(dá)回波的頂高[13]。

從表1、2可以看出，所有冰雹云個例的組合反射率均 ≥55 dBz，最小的為55 dBz，最大的為70 dBz，其中15個組合反射率在60～65 dBz之間，占75%。另有3個組合反射率 65 dBz。而強(qiáng)降水組合反射率均≥50 dBz，且90%集中在50～55 dBz之間。降雹時回波頂高均在9 km以上，其中回波頂高≥11 km的冰雹云占90%。50%強(qiáng)降水云的回波頂高>9 km，50%強(qiáng)降水云的回波頂高9 km，最大垂直液態(tài)含水量≥25 kg/m2，可作為有利于青海省東部地區(qū)降雹的一個基本參考條件。

3.2 45 dBz回波頂高提前識別冰雹

根據(jù)Smith等提出的云內(nèi)最初冰雹增長為中數(shù)體積水汽凝結(jié)體的直徑是0.4～0.5 cm的理論，相關(guān)專家得出“冰雹云初期等效雷達(dá)反射率因子為44 dBz”的結(jié)論[8]。西寧雷達(dá)以5 dBz分檔，為方便使用，以45 dBz作為冰雹預(yù)報的臨界值。

45 dBz回波區(qū)對應(yīng)于云中含水量集中區(qū)，在0 ℃層以下出現(xiàn)45 dBz時，該強(qiáng)回波區(qū)由中數(shù)體積直徑大于0.4 cm的大水滴組成，地面只能出現(xiàn)降雨，在0 ℃層以上出現(xiàn)45 dBz值，是由中數(shù)體積直徑大于0.4 cm的冰粒子和水粒子混合存在，當(dāng)云內(nèi)具有的上升氣流較強(qiáng)，45 dBz出現(xiàn)較高時，就有利于地面降雹發(fā)生[7-8]。

從圖3可以看出，在20個冰雹個例中，45 dBz回波頂高在8 km以上的有17塊，占85%。在10個強(qiáng)降水個例中45 dBz回波頂高均小于等于9 km。其中僅有1個強(qiáng)降水個例45 dBz回波高度在8 km以上，占10%。因此，選擇45 dBz回波頂高為8 km時作為冰雹預(yù)警指標(biāo)。

為了檢驗該參量的性能，定義POD為探測概率，F(xiàn)AR為誤報率，CSI為臨界成功指數(shù)，X為雷達(dá)探測到的45 dBz回波頂高≥8 km且地面有降雹報道的個例數(shù)，Y為地面有降雹報道而45 dBz回波頂高9 km，最大垂直液態(tài)含水量≥25 kg/m2，可作為有利于青海省東部地區(qū)降雹的一個基本參考條件。

（3）利用45 dBz雷達(dá)強(qiáng)回波高度可較好地識別冰雹云，當(dāng)回波頂高達(dá)到8 km時預(yù)示有冰雹出現(xiàn)，其成功概率達(dá)85%，臨界成功指數(shù)達(dá)81%。

（4）通過個例驗證，綜合以上指標(biāo)，可以很好地識別冰雹云，并具有一定的提前量。這一結(jié)論對人工防雹作業(yè)的進(jìn)行具有一定的指導(dǎo)作用。

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