2004, 15 (5): 579-589
新一代天气雷达CINRAD/SA是目前正在全国布网建设的天气雷达，该雷达具有大发射功率、大动态范围、高灵敏度、多普勒测速功能和强地物对消能力，它不但提供准确可靠的基数据产品，而且为预报人员提供丰富的具有明确预报意义的导出产品。本文试图通过对济南新一代天气雷达观测到的一次冰雹天气过程中的雷达产品进行分析，找出这些产品在冰雹预报中的应用规律。济南新一代天气雷达架设在济南西北方向约23 km的齐河县境内 (36°48′10″N，116°46′51″E)，雷达型号为CINRAD/SA，天线海拔高度72.9 m，天线中心相对地面高度43 m，雷达工作波长2830 MHz，2002年2月开始使用。
2002年9月27日下午，一对流风暴在山东聊城、济南、泰安等地区造成了一次伴有冰雹、雷雨大风等天气现象的中等强度对流天气。这次风暴是一小型超级单体风暴，自从WSR-88D天气雷达在美国全国布网后，对小型超级单体风暴有了系统的研究[1]，小型超级单体比超级单体风暴水平尺度和垂直尺度都小，但同样具有钩状回波、弱回波区、有界弱回波区、中气旋等特征，发生在其中的中气旋尺度和旋转速度也较小。本文结合天气实况，对这次小型超级单体风暴发生、发展、移动过程中CINRAD/SA雷达的反射率和平均径向速度等基数据产品和风暴跟踪信息 (STI)、垂直积分液态含水量 (VIL)、冰雹指数 (HI)、中气旋 (M) 等导出产品的特征进行了详细分析，结果表明这些产品在冰雹识别和预报中有实用意义。速度产品的分析揭示了风暴发展过程中中气旋的演变过程。
1 天气概况及风暴生命史2002年9月27日00 :00(世界时，下同)，张家口附近 (42°N，103°E) 上空维持一高空冷涡，从冷涡向南有一槽线穿过河北省境内，地面有一弱冷锋穿过山东北部，在冷锋南移的过程中，有一风暴生成、发展。风暴发生在不稳定能量不太高的环境条件下，根据济南00 :00探空资料计算，对流有效位能 (CAPE) 值为352 J·kg-1。
济南新一代天气雷达CINRAD/SA详细探测了这次过程，图 1是根据雷达的连续体扫资料，利用雷达显示工作站 (PUP) 的编辑功能点出的风暴单体生消和移动路径图，本次观测采用了VCP21模式，体扫间隔时间为6 min，图中点出了每两个体扫间隔单体的位置，虚线处 (7 :25~7 :50，9 :35~10 :14) 因雷达系统短时停机，使体扫资料不连续。图中圆点表示不同时刻风暴单体质心的位置。单体1是第1个生成的单体，单体2、3为单体1右侧相继生成的新单体。
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| 图 1. 风暴单体生消和移动路径图 (图中圆点表示不同时刻风暴单体质心的位置, 单体1第1个生成, 单体2、3为单体1右侧不断生成的新单体, 图中距离圈间隔50 km) | |
图 2(彩图) 是从济南雷达观测到的该风暴连续资料中选出的1.5°仰角约1 h间隔的雷达反射率 (19号) 产品位置图。图中6个时次对应的时间标注在各反射率产品的左边，各种颜色代表的反射率强度与右侧的色标对应，图中的小方点和小圆点以及连接这些点的连线是新一代天气雷达CINRAD/SA的风暴跟踪 (STI) 产品。
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| 图 2. 1.5度仰角反射率PPI产品合成图 （图中回波表示不同时次1.5度仰角的位置图，白色框内数字表示世界时间，右侧表示雷达信息和回波强度等级等。图中距离圈每圈50km） | |
5 :05第一个对流单体形成于山东临清附近，形成后边发展边向东偏南方向移动，该风暴生成阶段，老对流单体 (单体1) 的右侧不断有新的单体 (单体2、3) 生成，表现为多单体风暴，7 :00之后发展为小型超级单体风暴，10 :00以后在曲阜、泗水附近逐渐减弱消散，历时约5 h。
2 CINRAD/SA雷达产品分析 2.1 反射率产品分析初生阶段 (5 :05~6 :49):图 3是风暴初生阶段CINRAD/SA的反射率垂直剖面图，反射率强度见图右侧的灰度色标。垂直剖面的位置选择为同时通过老单体和其右侧 (相对于风暴运动方向，图中为左侧) 的新生单体，6 :25 (图 3i) 的剖面位置对应图 2中的A-B。从图中可以看到5 :29(图 3a) 单体1的右侧出现新生单体2，之后单体1、2不断发展，6 :13(图 3g) 单体1发展到最旺盛阶段并开始减弱，6 :19(图 3h) 单体1开始消亡，单体2发展到旺盛阶段，而其右侧出现单体3。之后，单体3逐渐发展成超级单体，单体1、2逐渐减弱消散。
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| 图 3. 3个单体的生消过程 (单体1首先生成, 单体2、3为单体1右侧不断生成的新单体) | |
分析多仰角层次反射率产品PPI图 (图 4，彩图) 也可以清楚地看出典型的多单体风暴的特征，即在对流单体的右前侧不断有新的单体生成、发展，老单体逐渐减弱消散。最初对流云回波5 :05出现在5.3 km高度上；5 :29在第一个对流单体右前侧新生出第二个单体，高度约5.4 km；6 :19在第二个单体的右前侧又生成第三个新生单体 (图 1)。之后，第一、第二个单体逐渐减弱，分别在6 :37、6 :49消散，第三个单体很快发展成为一个小型超级单体。从图 3和图 4可以看出，第一个单体和其右侧生成的第二个、第三个单体都是在大约5 km高度上生成，之后不断向上向下发展为成熟的单体。而老单体的消亡过程，则是回波高度逐渐下降，直至完全消散。风暴初生阶段，单体水平尺度较小，不大于10km，反射率强度逐渐增高，但最大反射率强度不大于55 dBz，强中心高度在风暴下方。
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| 图 4. CINRAD/SA多是时次、不同仰角反射率合成图 （自左至右按时间顺序排列，从下至上仰角分别为0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°） | |
发展旺盛阶段 (6 :49~8 :26):6 :49之后风暴进入发展旺盛阶段，风暴中最大反射率继续增高，6 :49~7 :19最大反射率从55 dBz增加到58 dBz，7 :19~7 :25反射率迅速增大，6 min增大了5 dBz多，最大值达到60 dBz以上 (见图 5)，此时地面出现降雹。7 :25反射率PPI低层反射率产品呈现腰子状，出现超级单体所特有的“V”字型入流缺口 (见图 2)，0.5°的PPI反射率产品这一特征更为明显 (图 6，彩图)，表明在低层，风暴运动方向的右前侧有强烈的入流气流。7 :50 RCS图上，风暴移动方向的前方出现悬挂回波，强上升气流出现在有界弱回波区 (BWER)(见图 6)，同时中高空云砧向下风方延伸了近80 km。
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| 图 5. 最大反射率和最大垂直积分液态含水量 (VIL) 值在冰雹云发展过程中的变化 (图中细实线为最大VIL值 (kg·m-2), 粗虚线为最大反射率值, 细虚线为资料中断时段, 粗实线为冰雹实况记录时段) | |
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| 图 6. 7:50反射率垂直剖面RCS产品 图（a）和0.5°反射率产品图（b）(RCS产品剖面位置为图（b）中A-B，方向接近平行于风暴移动方向) | |
消散阶段:8 :26以后，风暴的反射率强度明显减弱，回波顶高度和强中心高度开始降低，有界弱回波区 (BWER) 消失，风暴进入减弱消散阶段，9 :00至9 :33受地形影响，风暴反射率强度又有所增强，9 :33之后风暴逐渐消散，反射率强度迅速减小，回波顶降低，单体运动方向趋向与环境风方向一致 (图 2)。
2.2 风暴跟踪信息 (STI) 分析CINRAD/SA的风暴跟踪信息 (STI) 产品给出雷达覆盖范围内 (半径460 km) 风暴过去、现在和未来位置的信息，STI可以单一图形方式显示，也可以叠加在如反射率、径向速度等其它产品上，与图形产品同时显示的有风暴识别号 (ID)，风暴质心的位置 (方位和距离)、移向和移速、跟踪误差、风暴最大反射率和高度等。STI给出过去每15 min风暴的位置，当前风暴质心的位置和未来1 h内每15 min风暴的预报位置及一条连接这些位置的连线 (移动轨迹)。STI算法不断地计算风暴追踪的误差，自动调整预报位置。
图 2中，各时次的S TI产品叠加在1.5°的反射率产品上，图中从6 :25之后，STI给出了风暴的过去位置 (小方块)、当前位置 (实心圆) 和未来1 h内每15 min的预报位置 (空心圆)。
5:48风暴内最大反射率达到48 dBz，雷达系统开始对这一风暴识别、跟踪和未来位置预报。5 :54 STI的预报方向约指向100°，之后第一个单体的右侧第二、第三个单体的新生，但尽管第一个单体右侧不断有新的单体生成，因为单体间距离小，STI算法将其视为一个风暴，在这一阶段，STI预报方向逐渐顺时钟旋转；并且，在风暴移动过程中，STI算法不断修正预报，误差逐渐减小。6 :25风暴接近成熟阶段，ST I的预报方向逐渐接近130°方向。风暴发展成熟阶段S TI预报位置与风暴实际移动位置接近，7 :25的1 h预报位置和8 :26的实际位置相差仅约5 km，8 :26的1 h预报位置和9 :27的实际位置相差仅约3 km。风暴消亡阶段，由于9 :33至10 :14资料中断，雷达系统9 :39停止对风暴识别、跟踪。但就现有资料可以看出，图 2中10 :14实际位置和9 :27的预报位置比较，ST I的预报方向偏向风暴实际运动方向的右侧。预报位置有较大的误差。
分析图 1和探空风资料，初生阶段和消散阶段风暴运动方向与承载层环境风方向接近，在风暴发展旺盛阶段，由于风暴的右移运动，风暴运动方向偏向承载层环境风方向的右方。由于S TI是根据风暴的过去位置外推预报未来位置，因此初生阶段S TI的预报位置偏向风暴实际运动位置的左侧，风暴发展成熟阶段STI的预报位置与风暴实际位置接近，消散阶段STI的预报位置偏向风暴实际运动的右侧。
2.3 冰雹指数 (HI) 产品分析 2.3.1 降雹的时间根据东阿县气象站的地面观测记录，7 :16~7 :31降雹，冰雹最大直径13 mm，重1 g。分析中注意到7 :31之后，风暴中最大反射率强度和V IL值维持了一段时间并有所增高 (图 5)。根据东阿县气象站的经纬度 (36.35°N，116.23°E)，利用雷达系统的定位功能定位，7 :31后风暴移过东阿县气象站，但在东阿的下游没有灾情报告，可能因为当时正值秋收之后，小冰雹不会造成灾害，因此7 :31~8 :08之间可能有降雹但无法确定。
目前CINRAD/SA系统的RPG软件是WSR-88D的早期版本 (7.0版本)，其中冰雹指数 (HI) 的算法主要是根据风暴顶高度、风暴最大反射率、风暴中层最大反射率、风暴的倾斜方向和风暴悬挂的伸展尺度等特征判断有无冰雹生成[2]。文献[3]指出，WSR-88D的HI算法误报率较高，准确率较低。但WSR-88D的HI算法主要是在超级单体的样本基础上建立的，因此本例的预报识别结果与实况基本相符 (见表 1)。
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表 1 改变冰雹指数算法适配参数回放实验结果 |
2.3.2 降雹的位置
根据东阿县气象站的经纬度，利用雷达系统的经纬度定位功能在7 :19 1.5°仰角反射率产品和速度场产品上定位，地面降雹位置对应于低层弱回波区的左侧，中气旋的左侧 (相对于风暴运动方向)。
2.4 垂直积分液态含水量 (VIL) 的分析CINRAD/SA雷达系统的V IL算法假设垂直气柱里所有反射率因子均由液态水造成，对气柱内的液态水含量求和，获得垂直累积液态水总量。覆盖半径是230 km，分辨率为4 km ×4 km。
分析风暴全过程VI L的最大值随时间的变化，发现VIL的最大值有两次明显的跃增，第一次在中气旋生成时，V IL值由15 kg·m-2增大到35 kg·m-2，第二次在降冰雹时，由35 kg·m-2增大到45 kg·m-2(见图 5)。
V IL的计算方程为:[4]
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其中M为液态水含量 (g·m-2)，Z为雷达反射因子 (mm6·m-3)，由于V IL值是在假定反射率因子是完全由液态水反射产生的。当大雨滴、球形冰雹等降水粒子大到其半径r与雷达工作波长λ相比，使2πr/ λ < < 1的条件不能满足时，粒子的后向散射特性将会由瑞利散射转变为米散射，使反射率因子迅速增大[5]。由上式可见，反射率因子增大，VIL会增大，这可能是冰雹生成时VIL的值出现跃增的主要原因。VI L值的这一变化规律为判断风暴中冰雹的生成提供了有效的信息。图 5中也可以看出，最大VI L值的变化对判断冰雹的生成比最大反射率因子的变化具有更明显的指示意义。
2.5 速度场和中气旋 (M) 产品分析多普勒天气雷达能测出有效照射体内反射粒子的平均径向速度，依据平均径向速度的空间分布可以识别出中气旋。但由于雷达波束随距离的展宽效应，在中气旋距离雷达较远时，CIN RAD/SA不能识别出这种小尺度涡旋。这次风暴离济南雷达站最近时仅72 km，济南雷达探测到了其中的中气旋结构。风暴中的中气旋经历了初生、成熟、消散3个阶段。
中气旋的水平流场可用Rankine模式近似[6]，即从中气旋中心向外，旋转速度随距离的增大而增大，旋转速度存在一个极大值，在到达极大值之后逐渐减小。由于多普勒雷达只能测得有效照射体内反射物运动速度在径向上的分量———平均径向速度，因此在速度产品图上气旋中心相对于雷达径向的两侧会出现两个方向相反的径向速度极大值，这两个风速极大值位置之间的距离，CINRAD/SA系统定义为中气旋的直径，CINRAD/SA在某个仰角平面内探测到直径为2~10 km的气旋性流场时，对其旋转风速的大小，垂直方向上的厚度等参数条件进行判断，如果达到雷达系统适配参数设定的阈值，则将该气旋性环流标识为中气旋。CIN RAD/SA的中气旋产品 (M)，给出中气旋的位置、尺度等参数。
2.5.1 中气旋生成阶段CINRAD/SA的风暴相对径向速度 (SRM) 产品是平均径向速度减去风暴运动速度的结果，它相当于在跟随风暴运动的参照系中看到的平均径向速度。因而更能表达风暴中流场的涡旋结构。
在风暴初生阶段，单体发展不很旺盛，测得的流场为一致的负速度 (偏西风)，与环境流场基本一致，高层风速大，低层风速小。
单体发展到一定的强度，单体内出现正速度 (偏东风)，6 :01第二个单体内3.5 km高度上出现了正负速度对，但在单体减弱消散之前没有达到中气旋的标准。第二个单体消散时的下沉辐散气流使低层 (1 km高度) 出现了正速度 (偏东风)。第三个单体的右前方强劲的入流气流与后部第二个单体的下沉出流形成了强烈的辐合，强烈的辐合造成第三个单体内强烈的上升气流。
图 7(彩图) 是中气旋初生阶段风暴的SRM产品，自下至上的仰角分别为1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°。6 :31在1.5°仰角上出现正负速度对，之后正负速度对不断向上发展，旋转速度不断增大，6 :49在3.4°仰角上出现发展对称的中气旋。这说明在中气旋的初生阶段，气旋性环流最初在底层生成，然后逐渐向中高层发展。
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| 图 7. 中气旋生成阶段风暴相对径向速度（SRM）产品 （6:31在1.5°仰角上出现正负速度对，之后正负速度不断向上发展，旋转速度不断增大，6:55在3.4°仰角上出现发展对称的中气旋） | |
2.5.2 中气旋发展成熟阶段
6 :49雷达系统识别出中气旋，这种风暴内部的气旋性旋转一直维持了大约90 min。表 2给出了这次风暴发展成熟阶段CINRAD/SA生成的中气旋产品的特性。表中ID为CIN RAD/SA系统赋予风暴的识别号，AZ为中气旋位置的方位角，RAN为中气旋离雷达的距离，TOP为中气旋顶的高度，BASE为中气旋底的高度，RAD和AZDIA分别为中气旋的径向直径和切向直径。7 :25雷达系统没有给出中气旋产品是因为7 :25~7 :50雷达Archive2资料短时间中断造成的，7 :50的ID号变为96也是因此原因。仔细分析各仰角上的旋转速度，6 :49到7 :50中气旋发展成熟阶段，除个别时次外，在2.4°、3.4°、4.3°三个仰角上都达到了中气旋标准，计算这一时段中气旋的三维旋转指数 (IRS)[7]在6.9~8.4之间。
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表 2 2002年9月27日山东东阿冰雹风暴CINRAD/ SA生成的中尺度气旋产品特性表 |
2.5.3 中气旋消亡阶段
7 :50之后，中气旋的旋转速度震荡式减小，有时达到中气旋标准，雷达系统给出中气旋产品，有时达不到中气旋标准 (7 :56和8 :14)，没有中气旋产品，这一时段中气旋的三维旋转指数 (IRS) 小于5，8 :20雷达系统在4.1 km高度上给出三维气旋性切变产品的参数，中气旋消亡。
2.5.4 中气旋的三维结构北半球发展成熟的中气旋的三维流场结构，下层逆时针螺旋向内，高层反气旋性辐散[8]。图 8(彩图) 是6 :55不同仰角的S RM产品PPI图，自下至上的仰角分别为1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°。图中2.4°、3.4°、6.0°三个仰角上负速度区 (蓝色) 中的正速度 (红色) 为速度模糊，此处的负速度大于26 m·s-1。从图 8中看到中气旋流场在垂直方向上的结构，低层气旋性辐合，中层为气旋性流场，高层为辐散性流场。中气旋在5.9 km高度上为气旋性环流，8.2 km高度上对应的是反气旋辐散流场，5.9到8.2 km之间存在由气旋性流场转变为反气旋性辐散流场的过渡层。这一个例的中气旋三维流场结构与文献[8]理论推导的结果相符。
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| 图 8. 6:55不同仰角的SRM产品PPI图 （自下至上的仰角分别为1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°） | |
2.5.5 中气旋发生在风暴中的位置
中气旋发生在超级单体低层右前侧入流气流的上方。中气旋的水平直径最大时约5.8 km，最小时3 km，高度在3.5 km至5.8 km之间，厚度约2.3 km，消亡时顶部下降，底部上收，最终消失在4.1 km的高度上。
3 小结和讨论本次降雹过程为小型超级单体风暴造成，风暴发生在不稳定能量不太高的环境条件下。风暴初生阶段在老单体的右前侧不断生成新单体，表现为老单体不断消亡，新单体不断发展的过程。风暴发展成熟后，具有低层前侧入流缺口、有界弱回波区 (BWER)、中气旋 (M) 等超级单体风暴的特征。风暴低层强烈的辐合上升气流使低层出现气旋性环流，辐合上升气流不断加强，气旋性环流逐渐向中高层发展，形成中气旋。中气旋低层为气旋性辐合流场，中层为气旋性流场，高层为辐散性流场。中、高层之间存在由气旋性流场转变为反气旋性辐散流场的过渡层。中气旋能在风暴中维持较长时间，中气旋的消亡预示风暴减弱。
小型超级单体风暴与超级单体风暴相比，虽然尺度小、发展高度低，但同样会产生雷雨大风、冰雹和龙卷等灾害性天气[1]，本文利用新一代天气雷达产品分析了这次风暴发生、发展和消亡的过程。对这类风暴产生的环境条件，可能造成的灾害及其预警预报的方法还有待个例资料的积累做深入的研究。
分析表明，CIN RAD/SA的风暴跟踪信息 (STI) 产品对风暴单体的移动有较好的跟踪和预报能力，初生阶段STI的预报位置偏向风暴实际位置的左侧，风暴发展成熟阶段STI的预报位置与风暴实际位置接近，消散阶段STI的预报位置偏向风暴实际位置的右侧。降雹前30 min，垂直积分液态含水量 (VIL) 值明显增大。降雹前27 min，中气旋算法识别出中气旋。这说明风暴的STI、VIL、M等产品对冰雹天气预测有很好的指示意义和预报实用价值。在这次个例中，冰雹指数 (HI) 产品与实况比较接近，但据文献[3]，HI产品误报率较高，准确率较低，2年的实际使用也证明了这一点，因此对HI产品的使用，必须结合其它产品综合判断。
致谢 本文得到中国气象科学研究院葛润生研究员的悉心指导，特此致谢。| [1] | Grant B N, Prentice R, Mesocyclone characteristics of mini supercell thunderstorms. 15th Conf on Weather Analysis and Forecasting, Norfolk, VA.. American Meteorological Society, 1996: 362–365. |
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