引言

冰雹是一种严重的灾害性天气，出现时常伴有强降水和雷雨大风，具有很强的破坏力。新一代天气雷达是监测和预警冰雹的重要手段之一。在国外，Amburn等(1997)用美国俄克拉荷马(Oklahoma)州的雷达资料统计得出，如果垂直积分液态含水量密度(VILD)超过3.5 g·m^-3时会出现冰雹；Witt A等(1998)利用美国新一代天气雷达资料得出，如果有强度大于45 dBZ的反射率因子核伸展到-20 ℃等温线层高度之上，则大冰雹有可能产生，且反射率因子核强度值越大，伸展相对高度越高，大冰雹发生的可能性和严重程度越大；Lemon (1998)指出三体散射(TBSS)特征出现后10~30 min内，直径超过2.5 cm的冰雹将降落地面。我国气象专家和学者基于雷达资料对冰雹进行了系统深入的研究，得到了一些重要的结论和预警指标。苏永玲等(2018)、冯晋勤等(2012)、郑艳等(2014)和马素艳等(2016)分析典型强对流天气个例后得出，强冰雹云回波具有垂直积分液态含水量(VIL)值大、且降雹前跃增，回波悬垂或有界弱回波区，弓形结构、钩状结构或V形缺口，通常伴随大风或中气旋等特征；敖泽建等(2017)对甘南高原的冰雹特征、张磊等(2014)对新疆阿克苏地区的冰雹特征进行分析后认为，冰雹云回波具有反射率强度和VIL值大等特点，这些指标适用于西北地区冰雹云雷达产品预警；郭晓超等(2014)对贵州省12次冰雹天气过程中的25个降雹风暴和72个非降雹风暴的冰雹指数利用模拟测试法进行修正，得出适用于贵州高原山区的冰雹预警指标；刁秀广等(2008)利用2002—2005年济南CINRAD/ SA雷达资料，统计了对流云的VIL网格分布特征，同时对VILD及0 ℃层以上的VIL值(VILH)进行分析表明，VIL、VILD、VILH阈值对大冰雹的识别具有很好的指示意义；朱敏华等(2006)、郭艳(2010)指出，TBSS是大冰雹预警的理想判据；俞小鼎(2005)系统阐述了对流风暴的分类和结构模型，并指出我国与美国的雷暴雷达回波特征在多数情况下是类似的，美国识别强对流风暴的技术在我国适用。

强冰雹云在天气雷达产品图像上经常会被观测到旁瓣回波。关于应用旁瓣回波识别冰雹，早期秦元明(1995)、李学军等(2003)主要基于C波段常规天气雷达RHI产品开展了广泛的业务应用，近年来一些学者利用新一代天气雷达对旁瓣回波做了大量研究，得到一些有意义的结论。单兴佑等(2010)通过某次强冰雹个例、周泓等(2014)通过2006—2011年滇中地区6次典型强冰雹过程进行研究，分析认为旁瓣回波是强冰雹产生的雷达产品图像典型特征之一；张钊等(2012)、麻服伟(2007)指出旁瓣回波可作为强冰雹的一个预警指标；廖玉芳等(2008)对全国S波段天气雷达的6次强冰雹过程产生的旁瓣回波特征进行统计分析，得到旁瓣回波的空间分布特征以及与强度的对应关系，并指出旁瓣回波可以作为强冰雹预警的辅助指标。

应用旁瓣回波识别强冰雹的方法在新一代多普勒天气雷达产品的应用中没引起足够的关注和重视，大部分研究只是在单个个例中提到旁瓣回波伴随强冰雹回波出现，缺乏对旁瓣回波的回波特点及其空间分布的系统总结，尤其对旁瓣回波的产生和观测的影响因素探讨不够系统和深入。本文对湘西北地区5次强冰雹过程中9个被观测到旁瓣回波的强对流风暴单体进行统计和分析，系统总结旁瓣回波的雷达产品图像特征和探讨影响旁瓣回波观测的主要原因，深入研究旁瓣回波随强度与的分布特征，以期为预报员在实际预警应用中正确分析、判断和识别旁瓣回波提供重要参考依据。

1 旁瓣回波形成原理

新一代天气雷达的天线由辐射体和反射体组成，反射体采用抛物面型，辐射体是用波导管扩展而成的喇叭口，位于抛物面反射体焦点上。发射机发射的电磁波通过波导管传输到辐射体喇叭口，喇叭口把电磁波辐射到抛物面反射体，反射体最后把电磁波聚焦成一束狭窄的波束向天空定向辐射出去。在天线方向图上主要辐射能量集中在两个半功率点方向的夹角内，称为主瓣，侧面的称为旁瓣。雷达发射的电磁波在遇到一般气象散射目标物时，旁瓣产生的回波功率小于接收机最小可测信号功率时，不能被雷达系统识别。但在云中冰雹形成区散射特别强时，旁瓣产生的回波虽弱但大于接收机最小可测信号功率，能被雷达系统识别，并被作为气象目标物的主瓣回波显示出来，分布在强回波区两侧，并与强回波区到雷达的距离相等(廖玉芳等，2008)。图 1是旁瓣回波形成示意图，分析可知，当顺时针扫描的天线主瓣接近冰雹云时，右旁瓣正好探测到强度超过60 dBz风暴核，电磁波经过风暴核后向散射被雷达接收，雷达则认为是主瓣产生的回波将其显示在主瓣位置上，从而形成虚假左侧旁瓣回波。同理，当天线主瓣离开冰雹云时，左旁瓣正好探测到强度超过60 dBz风暴核，从而形成虚假右侧旁瓣回波。

2 资料与方法

常德SB型新一代多普勒天气雷达天线喇叭口馈源海拔高度579 m，2002年3月通过现场验收且投入业务试运行，截至2015年12月，为常德及其周边地区提供了各类型的灾害性天气雷达资料。本文采用的资料为2002—2015年常德雷达监测到湘西北地区的12次强冰雹过程的雷达产品(强冰雹定义为冰雹直径大于等于2 cm)，其中5次强冰雹过程中的9个风暴单体观测到旁瓣回波特征。定义雷达某次锥扫观测到某个风暴单体产生旁瓣回波就构成个1样本，依此类推，9个风暴单体共被观测到159个旁瓣回波样本。表 1为2002—2015年常德雷达探测到5次强冰雹过程冰雹直径及旁瓣回波次数。利用邵阳与永州雷达对2012年4月30日邵阳强冰雹过程产生的该类异常回波进行对比观测分析。

3 旁瓣回波统计特征分析 3.1 旁瓣回波雷达产品结构特点及其影响因素

通过对产生旁瓣回波的5次强冰雹过程9个风暴单体的雷达产品进行统计分析，发现旁瓣回波具有以下特点：(1)在基本反射率图上，旁瓣回波强度值通常在-5~15 dBz区间，以-5~5 dBz为主，比与之相伴随出现的TBSS回波强度值整体偏小约5 dBz；旁瓣回波的切向长度与雷达站形成的夹角通常为2°~12 °，形状象“拖影”，离雷达的距离与产生该旁瓣回波的风暴核(指风暴单体反射率因子强中心区)离雷达的距离相等；旁瓣回波分布在风暴核切向方向反射率梯度大值区一侧。(2)在基本速度图上，旁瓣速度的位置分布和形状与反射率产品表现相同，其值与风暴核速度值相等或略偏小。(3)在基本谱宽图上，旁瓣谱宽的位置分布和形状也与反射率产品表现相同，但其值比风暴核谱宽值偏大。下面以2015年4月3日强冰雹过程常德雷达探测到的旁瓣回波具体说明，图 2为2015年4月3日19:09 (北京时，下同)常德雷达6°仰角回波图，分析可知，旁瓣回波反射率强度值主要为-5~0 dBz，与之相伴随出现的TBSS回波强度值主要为0~5 dBz，前者比后者偏小约5 dBz；旁瓣回波的形状象“拖影”，沿着雷达距离圈环形分布，与风暴核离雷达的距离相等；旁瓣回波分布在风暴核切向方向反射率梯度大值区一侧(图 2a)。旁瓣速度的形状和位置分布与反射率产品表现相同，旁瓣速度值大小主要分布在5~10 m·s^-1区间，而风暴核速度值大小主要为10 m·s^-1, 其值比风暴核值略偏小(图 2b)。旁瓣谱宽的形状和位置分布也与反射率产品表现相同，旁瓣谱宽值大小主要分布在4~9 m·s^-1区间，而风暴核谱宽值主要为3~5 m·s^-1，其值比风暴核值偏大(图 2c)。值得注意的是利用PUP软件分析强冰雹旁瓣回波特征时，需把强冰雹风暴核置于屏幕中心，通常放大4倍以上可更加清楚地识别。

根据旁瓣回波形成原理，理想条件下，在强冰雹风暴核的左右两侧都会产生旁瓣回波，但9个产生旁瓣回波的风暴单体观测事实表明，旁瓣回波特征在强冰雹风暴核的左右两侧没有被同时观测到，只在风暴核切向方向梯度大值区一侧被观测到，分析其原因，强冰雹风暴另一侧存在真实回波，导致旁瓣回波特征被覆盖。廖玉芳等(2008)在对全国6次强冰雹过程S波段天气雷达旁瓣回波分析后发现一个令人费解的问题，即旁瓣回波总是在主瓣接近强冰雹单体时被观测到。针对该问题，作者对廖玉芳等(2008)所用个例进行回波分布形态再分析后发现，旁瓣回波分布在风暴核切向方向反射率梯度大值区一侧能很好地解释这一现象。

3.2 旁瓣回波出现频次与风暴核反射率因子强度的关系

旁瓣回波出现频次与风暴核反射率因子强度的对应统计关系如下：风暴核R≥65 dBz出现旁瓣回波的频次为126次，占79.2%；60 dBz≤R < 65 dBz出现旁瓣回波的频次为33次，占20.8%；R < 60 dBz出现的频次为0次。统计和分析旁瓣回波的切向长度和径向宽度可知，旁瓣回波的切向长度与60 dBz以上的风暴核切向长度和强度成正比，旁瓣回波的径向宽度与60 dBz以上的风暴核径向宽度成正比。在最小反射率因子显示阈值为-5 dBz和分级显示阈值为5 dBz的情况下，旁瓣回波中心强度在0~10 dBz区间出现108次，占68%，旁瓣回波强度最大值在5~15 dBz区间出现116次，占73%，旁瓣回波中心强度、最大值强度与相应的风暴核最大值强度相关性分别可达0.86和0.92。以上统计数据表明：风暴核反射率因子强度低于60 dBz时产生旁瓣回波特征的机率很小，产生旁瓣回波的风暴核最小反射率因子强度为60 dBz，其强度是能否产生旁瓣回波的决定因素，旁瓣回波出现频次随风暴核反射率因子强度增强而增加，强度越强，越容易产生旁瓣回波且特征越明显，与廖玉芳等(2008)的研究结果一致；强冰雹风暴单体产生旁瓣回波的面积与60 dBz以上的风暴核面积和强度成正比，旁瓣回波中心强度、最大值强度与相应的风暴核强度最大值也成正比。

3.3 旁瓣回波出现频次随方位分布

分4个区间统计旁瓣回波与方位的对应关系，旁瓣回波在270—360°方位区间出现频次最多达117次，占73.6%；180—270°方位区间出现22次，占13.8%；90—180°方位区间出现15次，占9.4%；0—90°方位区间出现最少5次，占3.1%，旁瓣回波具有显著的方位分布特点。下面分析造成旁瓣回波的显著方位分布特点的原因。通过对5次强冰雹过程的降雹类型和生成源地及其移动路径分析后发现，5次强冰雹过程的降雹类型为高空冷槽或南支小槽型，5个风暴单体的生命史位于270—360°方位区间，2个风暴单体的生成、发展、最旺盛阶段位于270—360°方位区间，然后再移到0—90°方位区间，另外2个风暴单体的生命史和发展最旺盛阶段分别位于180—270°和90—180°方位区间。综上分析可知，风暴单体的生成源地在常德西部地区，移动路径为由西向东，为进一步验证该结论，统计了常德市1960—2010年各县年平均冰雹日数和冰雹生成源地及其路径(图 3)。分析可知，石门和桃源西部山区年平均冰雹日数均为1.1 d，安乡和汉寿东部平原地区年平均冰雹日数分别为0.6 d、0.5 d，西部山区明显比东部平原偏多。冰雹生成源地主要在西部山区，移动路径为由西向东。以上的统计与分析结果很好地解释了旁瓣回波的方位分布特征，强冰雹风暴单体的生成源地及其移动路径决定旁瓣回波的方位分布特征。

3.4 旁瓣回波出现频次随仰角分布

对旁瓣回波出现频次随仰角的分布统计数据分析可知，1.5°、2.4°、3.4°、4.3°仰角出现频次分别为32次、27次，34次、28次，4个仰角合计被观测到121次，占76.1%；3.4 °仰角出现频次最高；0.5°、6°、9.9°仰角出现频次分别为18次、18次、2次，3个仰角合计被观测到38次，占23.9%；旁瓣回波被观测到的最小、最大仰角分别为0.5°和9.9°，且被观测到的次数最少。由此可见，旁瓣回波随仰角变化的特征为先随仰角增大而增多，3.4°仰角达到峰值，再随仰角增大而减少，9.9°仰角急剧减少，旁瓣回波主要出现在1.5—4.3°仰角。

3.5 旁瓣回波出现频次随距离分布

分5个区间统计旁瓣回波出现频次与距离的对应关系，旁瓣回波在离雷达50—100 km区间出现116次，占73%，0—50 km区间出现28次，占17.6%，100—150 km，150—200 km区间分别出现11次，4次；旁瓣回波在200 km以外未被观测到；旁瓣回波出现最大距离为168.4 km，最小距离为40.9 km。旁瓣回波出现频次随距离的变化关系为先随距离增大而增多，然后再随距离增大而减少，在75 km左右处达到峰值，150 km以后急剧减少，旁瓣回波主要出现在50—100 km距离区间。

3.6 旁瓣回波出现频次随高度分布

图 4为旁瓣回波出现频次随高度的分布，分析可知，93.8%的旁瓣回波出现在1—8 km高度之间，其中60.4%的旁瓣回波出现在3—6 km高度之间；3—4 km、4—5 km、5—6 km高度分别出现35次、32次，29次；旁瓣回波在4 km左右高度达到峰值，而在1km高度以下和11 km高度以上无旁瓣回波出现；旁瓣回波出现的最大、最小高度分别为10.4 km、1 km。旁瓣回波随高度的变化特征为2 km高度以上急剧增加，4 km高度左右达到峰值，7 km高度以上急剧减少。造成旁瓣回波随高度变化的这种特征可能有以下2个原因：一是3—6 km通常为强冰雹风暴核的垂直分布核心区，是反射率因子强度最大值分布区域，二是环境温度0℃层通常位于4 km左右高度，冰雹在该区域处于湿增长，其散射能力明显增强，有利于旁瓣回波的形成。

众所周知，雷达探测的高度、距离、仰角三者在空间上是相互关联的，当探测某点的高度确定以后，其距离和仰角也就确定，为直观了解他们之间的空间相互关系，制作了旁瓣回波随高度、距离、仰角分布散点图(图 5)，分析可知，旁瓣回波随高度主要分布在3—6 km，随距离主要分布在50—100 km区间，随仰角主要分布在1.5—4.3°，旁瓣回波主要分布在高度、距离、仰角三者所围成的区域，具有空间分布的高度统一性，强冰雹风暴核反射率因子强度的垂直分布特点决定旁瓣回波的高度、距离、仰角分布特征。因此，在实际预警业务工作中，分析风暴核第一时间是否产生旁瓣回波特征，基本原则是，当强冰雹风暴离雷达较远时选择低仰角，离雷达较近时选择高仰角，通常选择风暴核垂直高度3—6 km所在的仰角层进行观测分析。

4 旁瓣回波与强冰雹预警

根据灾情调查报告，5次强冰雹过程中的5个风暴单体有明确降雹时间，与旁瓣回波首次出现时间比对可知：各降雹时间分别在旁瓣回波出现后的39、7、49、46、20 min内，最大提前时间量可达49 min，最小提前时间量可达7 min，平均提前时间量可达32 min，旁瓣回波持续时间最长的达12个体扫，最短的为2个体扫。因此，旁瓣回波特征可以作为强冰雹预警的一个指标。12次强冰雹过程中10次观测到TBSS，其中5次既观测到TBSS又观测到旁瓣回波，也就是说强冰雹风暴单体观测到旁瓣回波比观测到TBSS的频率明显要小，但旁瓣回波作为强冰雹的另一特殊回波特征，伴随的概率也很大。因此，旁瓣回波与TBSS一样，可以作为强冰雹预警的另一个充分条件。在雷达的实际观测和分析中，当风暴核反射率因子强度大于等于60 dBz时，特别是大于等于65 dBz时，应仔细分析是否出现旁瓣回波特征。

5 旁瓣回波作强冰雹预警个例分析

2012年4月30日16:30左右，邵阳市邵东县灵官殿镇、堡面前乡、石株桥乡降落直径2 cm大冰雹。邵阳雷达(SA型)、永州雷达(SB型)同时捕捉到了降雹单体，两部雷达相距约130 km，强冰雹风暴单体离邵阳雷达约55 km左右，位于邵阳雷达东南方向，向东偏南方向移动，离永州雷达约130 km左右，位于永州雷达东北方向，向东偏南方向移动。图 6为2012年4月30日邵阳和永州雷达旁瓣回波与TBSS观测对比图。分析图 6a—e可知，2012年4月30日16:13—16:37，分别在6.0°和9.9°仰角持续5个体扫观测到旁瓣回波特征，旁瓣回波被观测到的最低高度为4.8 km，对应6.0°仰角，最大高度为11.2 km，对应9.9°仰角，产生旁瓣回波风暴核的最小反射率因子强度为63 dBz，最大为74 dBz，旁瓣回波位于风暴核切向方向梯度大值区一侧，即风暴移动方向的右侧，由天线左旁瓣产生。然而只观测到2个不明显的TBSS (图 6d—e)，其原因为TBSS特征被径向后侧的真实回波所覆盖。对于邵阳雷达，利用旁瓣回波作强冰雹预警大约可提前17 min。

分析图 6f—i可知，2012年4月30日16:24—16:43，先在6.0°仰角观测到TBSS，然后在4.3°和3.4°仰角观测到这一特征，并持续4个体扫，TBSS特征被观测到的最大高度为11.1 km，对应6.0°仰角，最低高度6.6 km，对应3.4°仰角，产生TBSS风暴核的最小反射率因子强度为58 dBz，最大为63 dBz，明显小于邵阳雷达，然而各仰角并没有观测到旁瓣回波，分析其原因，风暴核的反射率因子强度偏小。对于永州雷达，利用TBSS作强冰雹预警大约可提前6 min。

以上分析表明：(1)强冰雹风暴单体相对雷达所处位置不同，产生的异常回波观测特征不同，但两部雷达观测到风暴核的强回波中心均位于垂直高度5—11 km，产生虚假回波特征的高度一致。(2)邵阳雷达由于强冰雹风暴单体径向外侧存在的真实回波，导致TBSS特征被覆盖，永州雷达由于风暴核反射率因子强度偏小没有产生旁瓣回波。(3)对于本个例，预报员特别是邵阳本地预报员利用邵阳雷达旁瓣回波特征作强冰雹预警效果更好。

6 结论和讨论

(1) 产生旁瓣回波的风暴核最小反射率因子强度为60 dBz，其强度是能否产生旁瓣回波的关键因素，旁瓣回波出现频次随风暴核反射率因子强度增强而增加，强度越强，越容易产生旁瓣回波且特征越明显。旁瓣回波中心强度、旁瓣回波最大值强度与相应的风暴核最大值强度相关性分别可达0.86和0.92；旁瓣回波的面积与60 dBz以上的风暴核面积和强度成正比。

(2) 旁瓣回波在270—360 °方位区间出现频次最多，具有明显的方位分布特点，强冰雹风暴单体的生成源地及其移动路径决定旁瓣回波的方位分布特征。

(3) 旁瓣回波在高度4 km左右出现频次最高，在距离75 km左右处达最大值，在仰角3.4 °达到峰值，旁瓣回波随高度、距离、仰角的分布具有空间统一性，旁瓣回波随仰角、距离、高度的分布由强冰雹风暴核反射率因子强度的垂直分布特点决定。

(4) 旁瓣回波分布在风暴核切向方向反射率梯度大值区一侧，另一侧由于存在真实回波，导致旁瓣回波特征被覆盖不能被观测到。

(5) 旁瓣回波被观测到的概率比TBSS要小，但总体出现的概率也不小，常德新一代天气雷观测事实表明，强冰雹产生旁瓣回波特征时，一定有强冰雹降落地面，旁瓣回波可以作为S波段天气强冰雹预报预警的充分条件。

(6) 邵阳和永州雷达同时监测邵阳强冰雹个例表明，强冰雹风暴单体相对雷达所处位置不同，强冰雹风暴单体产生的异常回波特征(旁瓣回波或TBSS)不同，对于这次强冰雹过程，利用旁瓣回波进行冰雹预警效果更好。

需要指出的是，旁瓣回波可以作为S波段天气雷达强冰雹预警的充分条件这一结论不仅是通过常德新一代天气雷达12次强冰雹观测事实而得出，而且其他S波段天气雷达的6次强冰雹观测事实表明也具有相同的结果，但该结论是否适用于C波段新一代天气雷达，需在今后的业务工作中验证总结。