基于X波段双偏振雷达的一次强降雹天气过程分析

基于 X波段双偏振雷达的一次强降雹天气过程分析

热孜亚 ·克比尔 刘新强

（阿克苏地区人工影响天气办公室，新疆 阿克苏 843000 ）

摘要：利用双偏振雷达、常规气象资料，对2018年5月20日阿克苏地区温宿县强对流天气产生降雹的主要原因、冰雹天气过程雷达回波演变及防雹指挥作业过程进行了分析。

关键词：双偏振雷达;雷达回波特征;分析

引言

在世界范围内，冰雹是对农业及城市造成破坏的危险因素之一，且在中纬度地区的冰雹发生概率最高，通常山区多于平原，内陆多于沿海。新疆阿克苏地区处东经78°03′至84°07′，北纬39°30′至42°41′间，位于新疆天山南麓和塔里木盆地北缘，地处南疆中部，全地区总面积13.25万平方千米，其地势北高南低，海拔最高为7435.3米，北部众多山峰，南部是浩瀚无垠的塔克拉玛干沙漠，中部为山麓砾质扇形地、冲积平原区、戈壁、绿洲相间。据历史资料统计，自1998～2019年，阿克苏地区年平均实施防雹日为49.5天，最多实施防雹作业日（年份）为98天，仅2017-2019年全地区(包括新疆生产建设兵团农一师)冰雹灾害受灾面积达113979.38公顷，年均直接经济损失超过9亿元，分别占全地区所有自然(气象)灾害面积和直接经济损失的34.1%和26.2%。

先进的遥感传感器和技术为监测云结构中的微观变化提供了机会[1]，由于冰雹的生长过程是非常复杂的，因此仅仅利用多普勒雷达来探索冰雹实际发展机理过程明显是不够的。近年来，国际上以双线偏振雷达技术为代表的大气探测技术得到快速发展，对云降水粒子相态的识别和时空规律分布识别显著提升了冰雹灾害的监测预警能力。双偏振雷达不但能获得探测目标对这两种不同偏振电磁波后向散射信号的强度和相位信息(水平反射率因子、垂直反射率因子、径向速度和谱宽)，而且能得到探测目标相对两种不同偏振电磁波后向散射信号的强度和相位的差异信息(差分反射率、差分传播相移、差分传播相移率、相关系数、线性退极化比等)[2-3]。双偏振雷达自出现以来，科学家们利用双偏振雷达技术进行云中粒子分类，做了大量研究工作[4-13]。Aydin[4]提出了通过雷达偏振参量计算得出的冰雹识别因子HDR判别冰雹。Vivekanandan[5]首次将模糊逻辑应用到水凝物粒子分类。Dolan[6]通过T矩阵散射模拟了不同水凝物粒子相对于C波段双偏振雷达的取值范围，建立了CPOL双偏振雷达的模糊逻辑识别算法。Thompson[7]将水凝物粒子模糊逻辑识别算法分别应用到 X、C和S波段双偏振雷达上，用于探测冬季降水粒子类型，并指出模糊逻辑识别算法在判别冬季降水粒子类型时，由于雷达波长越短KDP越大的特性，使得该算法在波长较短的双偏振雷达上应用表现得更稳定、可靠。国内，刘黎平等[8]采用 Aydin的方法，利用我国改造建立的第一部C波段双偏振雷达，根据雨滴谱进行粒子散射模拟得出的冰雹识别因子HDR来识别冰雹区取得了较好的识别效果。在曾勇等[9]的文章中，利用双线偏振雷达能识别水成物粒子功能，对一次人工防雹作业效果进行了分析，主要从作业前后双线偏振雷达偏振参量变化展开分析，将宏观分析与微观分析相结合，更加科学地分析防雹作业效果。类似地，马建立等[10]将冰雹识别因子HDR应用到了X波段双偏振雷达，并研究了X波段电磁波衰减对冰雹识别的影响。阿克苏地区具有3部X波段双偏振雷达，其雷达组网可覆盖阿克苏整个地区（图1），其中阿克苏站具有1部C波段多普勒天气雷达(150KM有效观测距离)和1部X波段双偏振天气雷达(125KM有效观测距离),拜城、沙雅站分别有1部X波段双偏振天气雷达，其有效观测半径均为150KM。

本文利用高炮作业、自动站和X波段双偏振雷达资料，结合地形地势对阿克苏地区2018年5月 20日一次强降雹天气过程进行分析,为今后防雹作业点布局及人工防雹指挥作业提供参考。

图1 阿克苏地区地形地貌

2 实况与天气背景

2.1实况

受中亚低涡持续影响，5月15日20时至22日20时，南疆出现罕见暴雨天气过程。其中乌什县、温宿县、拜城县出现大暴雨，累计雨量大于48.0毫米以上，其中乌什县英阿特站、温宿县神木园站、温宿县吐木秀克镇分别累计雨量57.5、49.0、44.0毫米。温宿县位于阿克苏地区北部山区，此次中亚低涡背景下，5月20日15时至16时，温宿木本粮油林场出现短时强降水，1小时降雨量为22.9毫米。

图2 2018年5月20日08时至20日20时降水（单位：mm）

2.2环流背景

2.2.1 100hPa南亚高压呈东部单体型

16-19日，100hPa南亚高压呈单体向东部型发展，高压中心位于青藏高原南侧30ºN、95 ºE附近并有东西震荡，使得副热带长波槽开始建立于70～80ºE的中亚至南疆西部地区，以偏西急流为主。20-21日南亚高压主体向东北发展，高压中心位于青藏高原东南侧30ºN、102ºE附近，中亚长波槽前西南急流建立、维持并南伸，西南急流自中亚南部35ºN附近伸直南疆西部，影响南疆西部大降水。图3（a）22日随着南亚高压东部脊的减弱，南疆大降水趋于结束。

上述分析表明此次南疆西部暴雨南亚高压东部单体型的维持及东西震荡、高压中心位置偏南，与南疆西部典型暴雨的南亚高压双体型是不同的。

2.2.2 200hPa中亚低涡形成及维持

由于西西伯利亚低压系统较深厚并维持，16-18日，200hPa中亚至新疆受低压底部偏西急流控制，19日随着东欧高压脊发展，中亚长波槽开始向南加深，中亚至南疆西部受槽前西南急流控制。20日北欧高压脊东南衰退，脊前西北风带推动西西伯利亚低压槽东南下影响北疆，同时中亚低槽切涡于40ºN、72ºE附近，可见中亚低涡很深厚，也使得新疆上游南北两支锋区呈反位相叠加，北疆的西北急流出口与南疆的西南急流出口在天山东部汇合，为南疆西部暴雨提供有力动力条件。图3（b）21日中亚低涡中心在塔什干附近，低槽南伸，而影响北疆的低槽东移至蒙古国，“东西夹攻”形势在200hPa维持是少见的。22日随着欧洲高压脊的替换发展，中亚低涡减弱成槽东移出南疆西部。

2.2.3 500hPa以及底层中亚低值系统的活跃与南伸

随着冷空气东南下，南疆盆地低层有冷空气东灌，同时，中亚地区有弱短波影响南疆西部，南疆西部降水开始。图3(c)

20日随着东欧高压脊部分向南衰退，脊前西北风带引导较强冷空气南下，推动西西伯利亚低压东南下，影响北疆降水、降温及大风为主的天气，同时，中亚低槽切涡于35ºN、75 ºE附近。20日夜间北疆东移的较强冷空气东灌进入南疆盆地，与位置偏南的中亚低涡形成典型的“东西夹攻”形势。20日夜间到21日夜间，随着中亚低涡减弱成槽东移，造成南疆西部大降水天气。500hPa，20日白天 ：东欧脊衰退，西西伯利亚低压东南下，北疆降水、降温、大风;中亚低槽切涡于35ºN、75ºE附近。 700hPa，盆地东风自动东向西加强；东伸范围大，图3（d） 850hPa，东风急流最大风速24m/s，东西风辐合图3(e)。

a

b

ca

d

e

图3 2018年5月20日20时高低空配置（a,100hPa, b,200hPa,c,500hPa,d,700hPa,e,850hPa）

3 降雹概况

温宿县：2018年5月20日白天普遍出现雷雨天气，局地伴有大风、冰雹，吐木休克镇降雹约9分钟，冰雹直径约6毫米，其中共青团镇有棉花、核桃、小麦、苹果受灾，面积达866.6公顷，柯柯牙镇核桃、苹果、红枣受灾，面积达466.7公顷，直接经济损失1259.1万元。

4 X波段双偏振雷达回波分析

2018年5月 20日温宿县出现一次强对流天气，这次天气过程的特点是局地性强，云体形成快，持续时间短。由于20日午后热量充足，温宿县局地生成了多处复合单体对流云。14:16—16:10阿克苏雷达站利用双偏振雷达对温宿县防区内的211（吐木秀克镇）、226（十万亩生态园），以及214、215（共青团农场）等地云体演变情况进行了连续跟踪观测（图1）。在雷达一站的严密监测和及时预警下，温宿县人影办提前调派流动作业车辆、固定点做好了充分的作业准备。对流云进入作业区射程范围后，各流动点和固定作业点进行了及时的防雹作业，作业过程中226作业点附近出现了降雨和雨夹软雹，没有出现灾情，作业效果较好。

当日的0℃层高度为3555米，-6℃层高度为4303米。由于5月份气温较常年偏低，因此0℃层高度较往年低，作业后云体减弱时出现雨夹软雹属正常现象。由于布防及时，在进行早期防雹作业后，云体很快减弱消散。整个作业过程自14:35时开始，15:20时结束，过程特点为云体生成快、历时短，也反映出指挥员和作业人员及时预警、提前作业、播撒足量催化剂，阻断了对流云的继续发展，把冰雹云消灭在萌芽状态中，使防区没有出现冰雹灾害。

14:14时，温宿县北部山区出现复合对流云体，226的2#点西北方向有一对流云泡，RHI显示云体强中心较低，云体面积较大，但结构松散。随着加密观测，云体发展较快，14:26时，云体面积继续增大，强中心高度升高，云体柱状垂直发展加强。14:50时，数个对流单体逐渐合并不断增强，RHI显示已有白色小冰雹生成。但5月20日这天226的1、2、3#

号流动点尚未做调整，位于226固定点南面，距离云体较远无法作业。15:02时，226固定点作业后，云体强中心开始下移，相态图上白色冰雹密集区已位于0℃高度附近，云体有所减弱，回波演变过程见图2。

图2 2018年5月20日温宿县强对流云回波演变过程（14:14～15:02）

随着云体不断南下，云体又发展加强。15:20时，ppi上云体强度达到50dbz,RHI上强中心高度已经超过5km，相态图中，大面积霰粒子群中出现了小的冰雹粒子，226作业点处于最佳作业射程，在进行防雹作业后，云体很快被打散分裂成数块，继续南移过程中逐渐减弱。15:41时云体出现坍塌，强中心接地，相态图上，白色冰雹粒子分布已接地，地面出现雨夹软雹，之后，16:02云体继续南下减弱，逐渐消散，回波演变过程见图3。

图3 2018年5月20日温宿县强对流云回波演变过程（15:20～16:02）

5 结语

1、午后北部山区水汽条件充足易生成复合对流云，在向东南移动过程中逐渐合并增强。探测预警要加强山区云体生成和发展趋势，提前预警，提前指挥流动作业车辆到位,作业点及早做好作业准备。

2、天气过程来临时，226的1#、2#、3#作业点尚处于规划勘察阶段中，还未正式启用。通过这次天气过程中云体的移动特征和移动路径，验证防雹作业点位置设立的合理性和必要性。如果当时1#、2#、3#作业点已启用并及时作业，作业效果将更加显著。

3、防雹作业中，可根据冰雹云中云粒子的分布情况决定作业部位，要询问基层作业人员作业前后天气情况，云的变化，做到要打云腰,打云头,打雷闪电中心，把握作业时机,做到足量提前,精准,科学指挥作业,火箭高炮交替作业非常重要、做到这些可以防御冰雹灾害。

4、资料统计，今年对流天气较往多，冰雹路径也有所改变。要切实提高人工防雹效益，实施人工作业点位置选择上游区或源头、必须做到提前防御，加强火力，把前沿作为整体防御的重中之重。换言之，守住前沿、提前作业可以实现打散云体，或将冰雹击落在前沿无农作物区，有效防御成功。

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作者简介:热孜亚克比尔(1974-),女,维吾尔族，工程师,主要从事人工影响天气工作。

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