王麗榮, 李 姣, 張素云, 曹春莉

(1.河北省氣象災(zāi)害防御中心，河北 石家莊 050021；2.河北省石家莊市氣象局，河北 石家莊 050081)

據(jù)民政部公布的資料顯示，2016年，風(fēng)雹災(zāi)害造成全國(guó)2 728.1萬(wàn)人次受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)463.9億元，占全部自然災(zāi)害損失的9.2%，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活等造成了嚴(yán)重影響。河北亦是風(fēng)雹災(zāi)害的重發(fā)區(qū)，2014-2017年，風(fēng)雹災(zāi)害致1 663.2萬(wàn)人受災(zāi)，34人死亡，造成直接經(jīng)濟(jì)損失127億元，占?xì)庀鬄?zāi)害造成直接經(jīng)濟(jì)損失的14.7%，其中，2015年和2017年，風(fēng)雹災(zāi)害損失占?xì)庀鬄?zāi)害造成損失的比例分別高達(dá)47.1%和39.7%。

因此，加強(qiáng)冰雹災(zāi)害的跟蹤監(jiān)測(cè)，對(duì)提高冰雹災(zāi)害預(yù)警效率，減少冰雹災(zāi)害造成的損失極其有益。在這方面，氣象工作者已經(jīng)做了大量的工作，主要集中在冰雹災(zāi)害的潛勢(shì)預(yù)報(bào)[1-3]和短臨預(yù)警兩個(gè)方面。冰雹天氣的短臨預(yù)警，主要是利用高時(shí)空分辨率的雷達(dá)資料開展。在雷達(dá)圖像上，冰雹具有比較典型的回波特征，許多氣象工作者在此方面進(jìn)行了大量的統(tǒng)計(jì)分析[4-8]，并利用統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)冰雹天氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警[9-12]。通過(guò)研究，勾勒出了冰雹特征的一些雷達(dá)指標(biāo)。

地面觀測(cè)上，只有氣象站觀測(cè)到冰雹才有冰雹直徑和持續(xù)時(shí)間的記錄。但是，冰雹局地性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短的特性，決定了冰雹大多未降落在氣象觀測(cè)站，不會(huì)被觀測(cè)員記錄下來(lái)。本文嘗試?yán)美走_(dá)對(duì)冰雹強(qiáng)大的監(jiān)測(cè)功能來(lái)輔佐判斷冰雹的影響時(shí)間、路徑以及影響區(qū)域。

2018年5月12日(簡(jiǎn)稱“5.12“)和6月12-13日(簡(jiǎn)稱“6.13”)，河北省中南部連續(xù)兩次出現(xiàn)了大范圍的風(fēng)雹天氣，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失分別為1.96億元和8.3億元，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活造成嚴(yán)重的影響。本文以這兩次過(guò)程為例，探討利用雷達(dá)資料跟蹤鑒定冰雹災(zāi)害影響范圍、路徑的方法。

1 資料與方法

1.1 資料

冰雹直徑、持續(xù)時(shí)間等冰雹實(shí)況資料來(lái)自氣象觀測(cè)站及網(wǎng)絡(luò)；災(zāi)情資料來(lái)自民政部門。這兩次過(guò)程主要發(fā)生在河北省中南部地區(qū)，雷達(dá)資料選用石家莊新樂(lè)CINRAD/SA雷達(dá)的觀測(cè)，能完全覆蓋降雹區(qū)域，所用參數(shù)包括：組合反射率因子(CR)、回波頂高(ET)、垂直累積液態(tài)水含量(VIL)等。

1.2 思路與方法

冰雹在多普勒雷達(dá)圖像上有比較明顯的特征，尤其在回波強(qiáng)度、回波頂高、垂直累積液態(tài)水含量上體現(xiàn)的最為清楚。本文利用河北省氣象臺(tái)統(tǒng)計(jì)并業(yè)務(wù)應(yīng)用的多普勒雷達(dá)圖像識(shí)別指標(biāo)，確定冰雹的移動(dòng)路徑、影響范圍。

從形狀來(lái)看，雷達(dá)回波多為塊狀，或帶狀中鑲嵌塊狀，邊界清楚光滑，強(qiáng)回波處回波強(qiáng)度梯度很大。當(dāng)滿足以下三個(gè)條件時(shí)，可能產(chǎn)生冰雹：①回波中心強(qiáng)度Z≥50 dBZ；②回波頂高ET≥10 km；③垂直累積液態(tài)水含量VIL≥35 kg/m2。當(dāng)三個(gè)參數(shù)加強(qiáng)，達(dá)到如下標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生2 cm以上的大冰雹：①回波中心強(qiáng)度Z≥60 dBZ；②ET≥14 km；③VIL≥60 kg/m2；另外，有三體散射出現(xiàn)時(shí)一定有大冰雹。

2 災(zāi)情

2.1 “5.12”過(guò)程

2018年5月12日下午，河北省出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣。文安、藁城、安平、南和、正定、石家莊市區(qū)、平山和阜平8個(gè)氣象站觀測(cè)到冰雹，最大冰雹直徑2 cm；此外，邢臺(tái)市區(qū)、內(nèi)丘、邢臺(tái)縣等地非氣象站點(diǎn)也觀測(cè)到冰雹，邢臺(tái)市區(qū)冰雹直徑最大達(dá)3.5 cm(圖1a)。受其影響，河北省17個(gè)縣(市、區(qū))26.9萬(wàn)人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積16 khm2(圖1b)，損壞房屋19間，直接經(jīng)濟(jì)損失1.96億元。

2.2 “6.13”過(guò)程

2018年6月12-13日，河北省再次出現(xiàn)冰雹、大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣。全省共有17個(gè)縣(市、區(qū))出現(xiàn)冰雹(圖2a)。12日，懷來(lái)、淶源、涿鹿、正定、趙縣、寧晉6個(gè)縣(市、區(qū))氣象站觀測(cè)到冰雹，最大冰雹直徑為2.4 cm，于19：00出現(xiàn)在寧晉，另石家莊市城區(qū)、藁城區(qū)亦出現(xiàn)冰雹；13日，赤城、保定、安平、深州、衡水城區(qū)、故城、冀州7個(gè)縣(市、區(qū))氣象站觀測(cè)到冰雹，冰雹直徑在0.4～2.2 cm，此外，博野、蠡縣也出現(xiàn)冰雹，其中，博野的冰雹持續(xù)20 min，冰雹直徑最大達(dá)7 cm，蠡縣冰雹持續(xù)時(shí)間8 min，最大冰雹直徑3 cm。受其影響，樹木、電線桿等被大風(fēng)刮倒，樓房外墻被冰雹砸出坑，汽車玻璃被砸毀，瓜果被砸落、砸裂，部分即將收割的小麥被砸掉籽粒，一些村民被砸傷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，河北省23個(gè)縣(市、區(qū))51.6萬(wàn)人受災(zāi)，嚴(yán)重?fù)p壞房屋19間，農(nóng)作物受災(zāi)面積35.4 khm2，絕收面積3.6 khm2(圖2b)，主要受災(zāi)作物有蔬菜、瓜果和設(shè)施農(nóng)業(yè)，直接經(jīng)濟(jì)損失約8.3億元。

3 冰雹災(zāi)害識(shí)別

3.1 降雹時(shí)雷達(dá)回波特征

首先，識(shí)別兩次冰雹天氣過(guò)程中，降雹站點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波參數(shù)(表1)?？梢姡夭ㄖ行膹?qiáng)度在57～65 dBZ，平均為62 dBZ；回波頂高在10～18 km，平均13 km；垂直累積液態(tài)水含量在42～62 kg/m2，平均52 kg/m2。三類參數(shù)無(wú)論是最小值還是平均值，均滿足了河北省氣象臺(tái)所用的“可能產(chǎn)生冰雹”的指標(biāo)。同樣，對(duì)8站次2 cm以上的大冰雹進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得到回波中心強(qiáng)度平均為63 dBZ；回波頂高平均15 km；垂直累積液態(tài)水含量平均52 kg/m2，可以看出，參數(shù)值超過(guò)或與“可能產(chǎn)生冰雹”的指標(biāo)持平，而且回波中心強(qiáng)度和回波頂高均滿足了產(chǎn)生大冰雹的條件，但垂直累積液態(tài)水含量的值偏小。再來(lái)看三體散射(TBSS)的情況，8站次中，有6站次出現(xiàn)了TBSS，達(dá)到了產(chǎn)生大冰雹的條件?？傊?，這兩次冰雹過(guò)程的分析結(jié)果與省氣象臺(tái)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律基本是一致的，進(jìn)一步說(shuō)明非氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的冰雹也能夠被監(jiān)測(cè)到，可以利用雷達(dá)參數(shù)跟蹤監(jiān)測(cè)冰雹路徑，并能初步判斷冰雹直徑是否大于2 cm。

圖1 2018年5月12日河北省極大風(fēng)速、冰雹天氣和農(nóng)作物受災(zāi)(絕收)面積分布圖

圖2 2018年6月12-13日河北省極大風(fēng)速、冰雹天氣和農(nóng)作物受災(zāi)(絕收)面積分布圖

災(zāi)害時(shí)間縣名冰雹直徑1/cm冰雹直徑2/cm持續(xù)時(shí)間/min回波中心強(qiáng)度/dBZ回波頂高/km垂直液態(tài)水含量/(kg/m2)三體散射直接經(jīng)濟(jì)損失/萬(wàn)元2018-05-12阜平0.99621147無(wú)平山1.230621157無(wú)石家莊0.412621152無(wú)正定0.7114651157無(wú)2057.9內(nèi)丘325571157無(wú)2777.5南和11.916621147無(wú)藁城0.75621042無(wú)安平210621052無(wú)1836文安0.74571147無(wú)2018-06-13淶源0.42621447無(wú)正定0.24651652無(wú)趙縣0.35621662有50寧晉2.410621842有145.4清苑0.9320651457有28473博野720651652有9039.45蠡縣38651652有3220安平1.44651457有579深州0.67～816651662有32506.89衡水0.89651662有463.4冀州2.28651662有1619

注：冰雹直徑1指臺(tái)站觀測(cè)記錄，冰雹直徑2指網(wǎng)絡(luò)等媒體觀測(cè)記錄

3.2 冰雹直徑與雷達(dá)參數(shù)的關(guān)系

分析冰雹直徑與雷達(dá)參數(shù)的關(guān)系(圖3)可見，各參數(shù)維持在一定的范圍內(nèi)，變化幅度較小，相對(duì)而言，垂直累積液態(tài)水含量變化幅度更大一些。但是，仍能看出，隨著冰雹直徑的減小，回波中心強(qiáng)度、回波頂高、垂直累積液態(tài)水含量均呈減小的趨勢(shì)，也就是說(shuō)，冰雹直徑與各雷達(dá)參數(shù)基本上成正相關(guān)。

圖3 冰雹直徑與雷達(dá)參數(shù)的關(guān)系

3.3 經(jīng)濟(jì)損失與冰雹特征的關(guān)系

分析冰雹災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失與冰雹直徑和持續(xù)時(shí)間的關(guān)系(圖4)，從趨勢(shì)來(lái)看，直接經(jīng)濟(jì)損失和冰雹直徑、持續(xù)時(shí)間成正相關(guān)，也就是說(shuō)，隨著冰雹直徑的增大和降雹持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失越重。但是也有部分站點(diǎn)例外的情況，比如寧晉，冰雹直徑2.4 cm，持續(xù)時(shí)間10 min，損失僅有145.4萬(wàn)元。

造成誤差的原因是多方面的。首先，從冰雹致災(zāi)自身上，冰雹直徑、持續(xù)時(shí)間只是其中的兩個(gè)方面，還與冰雹密度，以及是否伴有風(fēng)雨等其他災(zāi)害相關(guān)。第二，與冰雹觀測(cè)等因素有關(guān)，冰雹具有極強(qiáng)的突發(fā)性、局地性，而氣象觀測(cè)站只對(duì)降落在觀測(cè)站點(diǎn)的冰雹直徑和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行記錄，即使有部分社會(huì)觀測(cè)信息作為補(bǔ)充，也很有限，而且數(shù)據(jù)的有效性也不能保證；然而，民政部門的直接經(jīng)濟(jì)損失是災(zāi)后統(tǒng)計(jì)得到的，且是全縣范圍的，這就造成了冰雹落區(qū)與災(zāi)情統(tǒng)計(jì)的區(qū)域不一致。再者，氣象觀測(cè)站大多在縣城，而災(zāi)情上報(bào)的大多是農(nóng)業(yè)損失，集中在鄉(xiāng)村，同樣存在區(qū)域不一致的現(xiàn)象。第三，與當(dāng)?shù)氐姆烙芰头N植作物有很大關(guān)系，比如，深州損失的主要是蜜桃等經(jīng)濟(jì)作物，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就大于玉米等農(nóng)作物。第四，民政部門統(tǒng)計(jì)的災(zāi)情數(shù)據(jù)，大風(fēng)和冰雹災(zāi)害混在一起，統(tǒng)稱為“風(fēng)雹災(zāi)害”，并不加以區(qū)分，故我們得到的受災(zāi)區(qū)域和經(jīng)濟(jì)損失等可能并不單單是冰雹引起的。

圖4 冰雹災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失與冰雹直徑、持續(xù)時(shí)間的關(guān)系

圖5 2018年6月13日14:00-18:00雷達(dá)參數(shù)覆蓋區(qū)域圖(藍(lán)色箭頭為觀測(cè)到的冰雹路線)

3.4 利用雷達(dá)資料識(shí)別冰雹路徑和影響區(qū)域

由前面分析可知，導(dǎo)致冰雹觀測(cè)與造成的損失不一致的原因是多方面的，單純依靠氣象臺(tái)站觀測(cè)記錄或者社會(huì)力量提供的冰雹信息，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能代表冰雹發(fā)生的真實(shí)情況，需要有更好的辦法來(lái)鑒定冰雹災(zāi)害及其影響。本文探討如何利用高時(shí)空分辨率的雷達(dá)資料來(lái)獲得冰雹參數(shù)，進(jìn)而判斷冰雹的路徑和影響區(qū)域。以2018年6月13日下午河北省中南部冰雹天氣過(guò)程為例，對(duì)比分析利用雷達(dá)和人工觀測(cè)資料識(shí)別冰雹路徑、影響范圍的優(yōu)劣。

3.4.1 冰雹可能發(fā)生區(qū)的識(shí)別方法

根據(jù)河北省氣象臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用的雷達(dá)判別指標(biāo)，對(duì)回波中心強(qiáng)度(Z≥50 dBZ)、回波頂高(ET≥11 km)、垂直累積液態(tài)水含量(VIL≥35 kg/m2)三個(gè)參量逐個(gè)體掃進(jìn)行識(shí)別，然后連接成線或者區(qū)域(圖5a～圖5c)，初步得到冰雹可能發(fā)生區(qū)。將三個(gè)參數(shù)區(qū)域進(jìn)行疊加，共同包含的區(qū)域(圖5d)，即為“冰雹最有可能發(fā)生的路徑和影響區(qū)域”?？梢钥闯?，這個(gè)區(qū)域與VIL更為一致，但僅靠VIL會(huì)漏掉部分降雹區(qū)，因此，需要對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行綜合分析。

3.4.2 雷達(dá)識(shí)別效果分析

通過(guò)3.4.1節(jié)的處理，可以得到冰雹可能的移動(dòng)路徑和覆蓋區(qū)域。由圖5d可以看出，臺(tái)站觀測(cè)到的冰雹落區(qū)及路徑全部位于“冰雹最有可能發(fā)生的路徑和影響區(qū)域”內(nèi)，也就是說(shuō)，利用雷達(dá)三參數(shù)確定的區(qū)域能夠跟蹤冰雹的落區(qū)。

為了進(jìn)一步說(shuō)明雷達(dá)三參數(shù)所確定區(qū)域的合理性，我們分別計(jì)算了三參數(shù)占各縣總面積的百分比，與民政部門獲得的各縣農(nóng)業(yè)受災(zāi)面積進(jìn)行比較(圖6)?？梢钥闯?，ET占比與農(nóng)作物受災(zāi)面積占比對(duì)應(yīng)關(guān)系較差，而Z和VIL占比則與農(nóng)作物受災(zāi)面積占比成正相關(guān)的關(guān)系。從數(shù)值來(lái)看(表略)，由雷達(dá)判別得到的冰雹可能影響區(qū)域，所占縣域百分比大于農(nóng)作物受災(zāi)面積。這種差別的原因也是多方面的：一是冰雹影響區(qū)域可能不是農(nóng)田，而是村莊、道路等；二是農(nóng)作物可能受到了冰雹影響，但沒有致災(zāi)；另外，與上報(bào)人的統(tǒng)計(jì)方法也有很大的關(guān)系。

圖6 雷達(dá)參數(shù)與農(nóng)作物受災(zāi)面積對(duì)比

同樣，對(duì)“5.12”過(guò)程，利用雷達(dá)三參數(shù)對(duì)冰雹可能影響區(qū)域進(jìn)行識(shí)別(圖7)，可以看出，識(shí)別路徑與臺(tái)站觀測(cè)到的冰雹路徑基本一致。進(jìn)一步說(shuō)明，可以利用雷達(dá)三參數(shù)跟蹤、鑒定冰雹。

圖7 2018年5月12日14:00-20:00雷達(dá)參數(shù)覆蓋區(qū)域圖(藍(lán)色箭頭為觀測(cè)到的冰雹路線)

4 結(jié)論與討論

本文以2018年“5.12”、“6.13”河北省兩次典型的冰雹天氣過(guò)程為例，分析了雷達(dá)反射率因子、回波頂高、垂直累積液態(tài)水含量三參數(shù)與冰雹災(zāi)害的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

(1)綜合利用雷達(dá)三參數(shù)(回波中心強(qiáng)度、回波頂高、垂直累積液態(tài)水含量)，能夠識(shí)別冰雹路徑和影響區(qū)域，具體步驟如下：依據(jù)判別指標(biāo)，分別對(duì)三參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，然后將三參數(shù)覆蓋范圍疊加，共同包含的區(qū)域，即為“冰雹最有可能發(fā)生的路徑和影響區(qū)域”。

(2)由雷達(dá)識(shí)別的冰雹可能影響區(qū)所占整個(gè)縣域的面積比例與民政部門統(tǒng)計(jì)的農(nóng)作物受災(zāi)面積所占比例成正比，說(shuō)明可以用雷達(dá)識(shí)別得到的區(qū)域?qū)Ρ?zāi)害進(jìn)行跟蹤和鑒定。結(jié)合影響區(qū)域內(nèi)詳細(xì)的地面信息(比如農(nóng)作物種植分布等)，可以對(duì)冰雹災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)做出更為科學(xué)的評(píng)估。

(3)臺(tái)站冰雹觀測(cè)的局地性、災(zāi)情統(tǒng)計(jì)的復(fù)雜性，使得所做工作有限，需要更為精細(xì)的災(zāi)情進(jìn)一步分析。另外，“靜錐區(qū)”等多普勒雷達(dá)的局限性，也會(huì)影響冰雹跟蹤的效果，需要結(jié)合其他高分辨率探測(cè)資料進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證。