X波段双偏振雷达在兴安盟防雹作业中的应用

闫文辉

(兴安盟气象局，乌兰浩特137400)

0 引言

冰雹是一种强对流系统触发后产生的阵性灾害，常伴有大风、强降水和气温骤降等，给农牧业、交通及人民生命财产造成损失。因此，气象科研工作者一直坚持对冰雹进行研究，并取得了一定进展[1]。许焕斌、李成鹏[2，3]等总结得出部分冰雹云的回波强度、强回波核高度、30 dBZ回波高度、回波顶高和垂直积分液态含水量5个物理量是判别冰雹出现的重要指标；随着科技的发展，新气象探测设备不断被研发和引入，王硕甫[4]等利用X波段双偏振雷达，对广东地区的雹云回波特征分析发现，-20 ℃层高度及0 ℃层高度对于冰雹在雷暴单体中的维持与增长起到有利作用；傅昺珊、赵璐[5，6]等利用FY系列卫星的高时空分辨力观测资料发现风暴南侧的TBB(云顶亮温)大梯度区是风暴新生的活跃带，也是反射率因子大值带，新生风暴-52 ℃TBB中心的出现比反射率因子强中心的出现有一定提前量；随着研究的深入，李丽丽、郭凤霞[7，8]等发现在-20 ℃层以上的云体外围主要为冰晶和雪花构成，云体内部为冰晶、雪花、霰和雹等冰相粒子类型共存；0 ℃层以下主要为液态降水粒子类型，在0 ℃层附近几百米范围则为冰水混合区域，相态识别产品对识别雹云结构起到辅助作用。兴安盟X波段双偏振雷达的应用在初始阶段，尚未与原业务雷达开展联合探测研究。文章通过在兴安盟布设各种探测设备，对“6.20冰雹”天气形势、回波特征和防雹效果等进行综合分析，旨在完善人影防雹作业的综合能力，为防灾减灾提供更有力的理论支撑。

1 资料来源

文章所使用的资料主要有冰雹发生当日的天气图资料、索伦探空站的L波段雷达资料、兴安盟区域内布设的地面气象观测站资料、人影中心713雷达资料、人影基地的X波段双偏振雷达资料，以及人影作业的相关记录。所用地面站数据经过质量控制，雷达资料经过速度退模糊和衰减订正。

2 天气与受灾实况

受高空槽影响，6月20日午后到夜间，兴安盟中北部地区出现短时强降水、雷电、雷暴大风等强对流天气。冰雹路径随地面切变线移动，在前旗东部和乌市等地形成冰雹，最大冰雹直径达40 mm，自动气象站中有1站出现暴雨，为前旗科尔沁镇(62 mm)，大雨12站，小雨62站。有14 站小时降水量超过20 mm，其中前旗科尔沁镇小时降水量达60.2 mm。13站出现8级以上的雷雨大风，最大风速为科右前旗满族屯乡，风速达22.2 m/s。据兴安盟应急管理局统计，兴安盟共有受灾乡镇12个，受灾人口57，725人，农作物受灾面积31，480.7公顷，损坏房屋55户176间，因灾死亡的羊29只，倒塌房屋1户1间，损坏大棚169座，损失林果、林木35，698棵，冲毁院墙1000 m，造成直接经济损失2.62亿元。

3 天气形势

2020-06-20T08：00中高纬度低压中心与冷中心重合，在呼伦贝尔北部形成冷涡中心，随之底部短波槽引导冷空气东移，冷涡底部从兴安盟划过，并在冷涡底部存在10 ℃的暖中心。20日午后，随着冷空气的继续侵入，冷温槽逐渐向暖中心移动。底层无明显的冷涡中心，低压呈东北—西南向带状发展，存在偏南风与偏北风的辐合切变，并配合暖脊向兴安盟中北部伸展。地面形势上兴安盟处在一个狭长的倒槽控制区，随着冷空气入侵，使倒槽加深发展成气旋，在倒槽顶部形成明显的辐合线，辐合抬升作用增强，在辐合线的触发下，强对流天气发生发展。

4 雷达回波特征

此次强对流天气主要影响兴安盟中北部地区，从生成、发展到消亡持续了近6 h。整个过程值班人员始终用两部雷达密切跟踪冰雹云体的动态，适时开展防雹作业。但由于雹云移动至科尔沁镇上方时，距离村庄很近，非安全射界范围，因此将此地雹云作为非作业云体，与催化云体进行对比分析，得到更有利于人影工作的雷达回波特征值，在完善本地区防雹作业指标的基础上，找出X波段天气雷达在强对流天气中的优势产品，最大限度地发挥雷达在冰雹等灾害性天气中的作用，为预报预警和防灾减灾提供更多的技术支撑和决策依据。

4.1 索伦镇防雹前后雷达回波特征

4.1.1 对流生成初期

713雷达回波显示，15：00兴安盟阿尔山东部边界有局地对流产生，回波逐渐加强，自西北向东南方向移动。整个过程，回波强度一直在50 dBZ以上，回波强中心已超过-20 ℃层高度6.6 km，垂直液态水含量VIL 65 kg/m2，满足部分雹云形成的雷达通用指标。由于神骏山遮挡，X波段双偏振雷达无法观测到阿尔山地区。

16：00左右，回波沿东南—西北走向逐渐向索伦方向移动，同时进入X波段双偏振雷达的监测范围，此时距离雷达约150 km。文章选取713雷达16：46的平面位置显示图和X波段双偏振雷达16：47基本反射率图(2.4°仰角)的强回波覆盖面积进行对比，发现X波段双偏振雷达显示范围略小于713雷达，结合索伦周边区域站降水情况，X波段双偏振雷达显示范围更为准确。

4.1.2 作业前后X波段双偏振雷达回波特征

17：00左右回波移至索伦镇附近，X波段双偏振雷达显示回波强度达45 dBZ，713雷达显示回波强度也在逐渐增加，结合索伦站08：00的探空资料，0 ℃层在624 hPa，-20 ℃层在416 hPa，850 hPa露点8.5 ℃，由此可判断，此时的云体内已含有冰雹。索伦地面站采集的实况数据显示，此时温度变化梯度为5.8 ℃/h，气压变化梯度为3.5 hPa/h，极大风速达16.3 m/s。16：46开始降水，并持续至20：00；两次降雹相隔1 h，每次持续十几分钟。通过713雷达的监测，发现对流云体在从阿尔山向索伦方向移动的过程中，回波强度始终维持在40 dBZ左右，17：00增至55 dBZ，降雹时间与回波峰值吻合；因17：30之前没有空域批复，所以无法开展人影防雹作业，第一时段冰雹最大直径5 mm；随后回波强度呈下降趋势，再次维持在30 dBZ，持续30 min，17：40增至61 dBZ，17：42—17：53在距离索伦镇25 km的丰林炮点发射防雹炮弹40发，18：01再次降雹，最大冰雹直径2 mm。索伦站16：00—20：00降水量分别为0 mm，0.3 mm，11.5 mm和20.8 mm。结合X波段雷达反射率垂直切割(RCS)得到强回波顶高度变化(图1)，发现防雹作业前强回波顶高度波动较大，变化趋势与索伦地面站采集到的降雹时间相似(17：05—17：23，18：01—18：13)，峰值与降雹时段吻合；降雹和防雹后强回波顶高度呈下降趋势。由此可见防雹作业破坏了雹胎在云中的增长，改变了对流云体内水汽的相态，冰雹直径减小，雨量增加，说明此次防雹取得了较好的成效。

4.1.3 索伦地区降雹时段基本粒子变化

X波段双偏振雷达可以生成基本粒子HCL产品，图2(a)为17：02索伦附近对流云中的粒子相态分布情况，考虑雹体从云中降落到地面的时间，与索伦地面站采集到的降雹时间17：05基本吻合，粒径属小冰雹范畴，也与实况相符；图2(b)为17：28的基本粒子HCL，可见冰雹相态消失，转化为干、湿雪形式，与地面实况雹转雨相同；图2(c)、(d)为17：55和18：30小冰雹生成及消散的基本粒子变化。由此可见，X波段双偏振雷达对云中基本粒子的回波显示比较准确，可为预报、预警及人影作业起到一定的指示作用。

图1 X波段雷达显示索伦附近强回波顶高变化

图2 索伦地区17：00—19：00对流云体中基本粒子显示(2.4°仰角)：(a)17:02；(b)17:28；(c)17:55；(d)18:30

4.2 大石寨镇附近防雹前后雷达回波变化特征

17：35，距离大石寨10 km的西南方向局地产生对流，结合图3可以发现，新生成的对流云体从初步形成到回波强度达45 dBZ，仅历时30 min，并以1200 m/min的速度向大石寨镇方向移动。17：41开始，分布在大石寨区域内的三星、平安和套海3个炮点在17：42—17：55共计对目标云发射炮弹212发，根据当地炮手目测，大石寨降雹最大直径达20 mm，致使大面积农作物受灾。由此可见，针对快速发展的对流云体，防雹效果并不显著。18：00左右45 dBZ回波顶高已达9 km，此时雹云的主体部分向大石寨的东南方向移动。18：30左右到达保门镇，通过雷达回波可以发现，对流云体在保门镇附近的移动速度缓慢，保门境内的炮点(福安)于18：31集中作业99发。实况显示，保门境内未发生雹灾，19：00的小时降水量达11.9 mm。由此可见，人影防雹对移动速度较慢的对流云体效果较明显，在催化剂作用下人工冰核与自然雹胚争夺云体内的过冷水，使得过冷水大量消耗。结合图1和图3可以发现，45 dBZ回波顶高快速波动时，为雹云的旺盛发展期，出现冰雹的概率极高；45 dBZ回波顶高趋于平稳或开始下降时，冰雹粒径减小或转为降水。

图3 X波段雷达45 dBZ回波顶高度变化和影响大石寨地区的对流云体回波强度变化

4.3 科尔沁镇附近降雹前后雷达回波特征

导致科尔沁镇地区降雹的对流云体由两部分组成：一部分是从索伦方向以670 m/min移动过来的；另一部分是17：21距离索伦东南54 km的地方新生成的。18：16两块对流云体合并，合并后的对流云体滞留在兴安屯(距离科尔沁镇10 km)上方，回波强度维持在45 dBZ左右，此状态维持近30 min。18：43对流云体突然加速移动，18：50以后45 dBZ回波顶高显示为1 km或以下，可以判断为非法值，再结合X波段双偏振雷达的其他产品和713雷达产品，可以初步确定X波段双偏振雷达20 km范围内为非有效区。

18：50后对流云体的各项指标突然跃增[9]，垂直液态水含量VIL增至 65 kg/m2，雷达回波上最强反射率因子超过55 dBZ，闪电强度大，50 dBZ强回波高度达到8.0 km以上，回波顶达到12 km，呈现回波悬垂特征，科右前旗科尔沁镇开始降雹，当地气象信息员实测冰雹直径达47 mm。结合X波段双偏振雷达反射率垂直切割(RCS)得到此阶段45 dBZ回波顶高，45 dBZ回波顶高在降雹之前同样出现了较大波动，最低5 km，最高11 km，最大变化出现在18：30—18：37，7 min内45 dBZ回波顶高变化4.5 km。08：00索伦站探空数据显示0 ℃等温线高度3996 m，由此可见，强回波在0 ℃以上的维持，为大冰雹的孕育创造了条件[10]。

19：30之后回波强度、强回波顶高度、垂直积分液态含水量等各指标值开始呈下降趋势，降雹结束；20：48强回波中心基本移出兴安盟境内。

5 结束语

文章对2020-06-20兴安盟地区出现的降雹过程进行了综合分析，得出以下结论：

1)在冷槽东移与低层暖湿气流交汇的环流形势下，倒槽锋使其顶部地面辐合加强，地面辐合线触发了此次强对流产生并逐渐向东南移动，沿途经减弱、增强、叠加等系列变化造成大石寨到科尔沁镇等地的冰雹灾害。

2)此次过程X波段双偏振雷达对兴安屯至索伦地区的监测效果较好，覆盖范围精准；相态识别产品也与降雹实况基本吻合，初步判断其有效范围为20～150 km。

3)45 dBZ回波中心高度在-20 ℃等温线以上，45 dBZ回波顶高快速波动，预示对流云正发展旺盛，出现冰雹的概率极高；45 dBZ回波顶高趋于平稳或开始下降时，冰雹粒径减小或转为降水。45 dBZ回波顶高的波动同样对冰雹的识别有较显著的指示作用。