多普勒天气雷达在冰雹天气中的应用

冰雹是由强对流云团中的过冷水滴在上升气流作用下反复冻结增长形成的固态降水，落地时的冲击力易造成农作物倒伏、设施损毁、人员受伤等灾害。天气雷达作为现代气象监测的重要手段，能够实时、连续地获取大气中降水粒子的信息，通过对其产品特征的分析，可以有效地识别冰雹云，为提前预警提供依据。基于雷达产品特征分析冰雹天气的形成与发展规律，已成为气象业务中的核心技术环节。本文旨在统计冰雹天气中典型雷达产品的特征表现，分析其在预警业务中的实践作用，为相关研究与业务应用提供参考。

1 天气雷达监测冰雹的基本原理

天气雷达基于电磁波的散射特性，通过向大气发射电磁波，并接收目标物（如降水粒子）散射回来的回波信号来获取大气信息。雷达根据接收到到回波信号的强度、径向速度、偏振状态等特征，经过一系列的数据处理和算法运算，反演降水粒子的浓度、大小、相态及大气风场等特征信息。偏振天气雷达则通过双发双收机制，利用降水粒子对不同偏振状态电磁波的散射差异，有效区分冰雹、雨滴、雪花等不同类型的降水粒子。

在冰雹探测中，冰雹粒子直径较大、密度较高，对电磁波的散射能力强，通常表现为强反射率回波；冰雹在上升气流中反复运动，其下落速度与雨滴存在差异，导致径向速度场出现特定分布特征；此外，冰雹粒子的非球形特性会使偏振雷达参数产生显著变化，成为区分冰雹与降雨的关键指标。

2 冰雹天气中主要雷达产品特征分析

2.1 反射率因子（Z）

反射率因子是雷达最基础的产品之一，代表单位体积内降水粒子对电磁波的散射能力，单位为 dBZ。在冰雹天气过程中，反射率因子呈现出显著的强回波特征，冰雹云团的反射率因子通常存在大于 55dBZ 的强回波中心，强冰雹过程中回波强度可达到 65dBZ 以上。

垂直结构上，回波顶高（ET）通常超过 10km ，最高可达到 12-15km，强回波中心常呈现“悬垂”结构。即强回波中心不接地或在中高层形成“高浓度区”，这是由于上升气流较强，将大粒子托举在中高层，当上升气流无法支撑时，冰雹便会下落形成地面降雹。水平分布上，常呈现出“钩状回波”“弓状回波”等强对流特征，钩状回波多与中气旋相伴出现，内部易产生大冰雹。

2.2 径向速度（V）

径向速度产品反映降水粒子沿雷达半径方向的运动速度，远离雷达为正，朝向雷达为负。在冰雹天气中，径向速度场呈现出中气旋特征，表现为近距离内正负速度的强烈辐合，即“速度对”结构，速度切变通常大于 15m/s。中气旋的存在表明风暴内部有强烈的上升气流，为冰雹的形成和增长提供了有利条件，约 80% 的中气旋活动会伴随冰雹天气。

垂直结构上，冰雹云团中上层常出现强上升气流，低层负速度区与中高层正速度区垂直叠加，上升气流速度可达 10-20m/s 。此外，低层辐合与高层辐散的配置也是典型特征。低层辐合为风暴提供充足的水汽和能量，高层辐散促进风暴垂直发展，这种高低空配置的持续时间越长，冰雹天气的强度和持续时间越强。

2.3 垂直积分液态含水量（VIL）

垂直积分液态含水量是指单位面积的垂直气柱内，所有降水粒子（包括雨滴、冰晶、冰雹等）折算成液态水的总质量，单位为 kg/m² 。在冰雹天气中，VIL 值异常偏高，多超过 35kg/m² ，强冰雹过程中可达到 50-80kg/m² 。这是由于冰雹粒子含水量大、体积大，导致垂直积分液态水含量显著增加。

VIL 密度是 VIL 与回波顶高的比值，单位为 kg/ (m²⋅km) 。在相同 VIL值下，冰雹云的 VIL 密度通常大于 3.5kg/(m²Δ⋅km) ，而降雨云的 VIL 密度多小于 2.5kg/(m²⋅km) 。因此，VIL 密度能有效区分高 VIL 值是由大量小水滴还是少量大冰雹引起，提高冰雹识别的准确性。此外，在冰雹落地前 30-60分钟，VIL 常出现突然增长或“跃增”现象，增长幅度超过 10kg/m² ，VIL 的突变特征可作为降雹临近预警指标。

2.4 偏振雷达产品特征

偏振雷达通过测量差分反射率（ZDR）、相关系数（CC）和差分传播相移率（KDP）等参数，为冰雹识别提供更丰富的信息。ZDR 表示水平偏振反射率与垂直偏振反射率的比值，单位为 dB。雨滴通常呈扁球形，ZDR 多为正值（1-3dB）；而冰雹粒子形状不规则且可能带有棱角，ZDR 常表现为低值甚至负值（-1-1dB）。在强冰雹核心区，ZDR 常出现“ZDR 洞”现象，即局部区域 ZDR 显著低于周围，这是由于大冰雹粒子的随机取向导致水平与垂直偏振反射率差异减小。

CC 反映水平与垂直偏振回波信号的相关性，取值范围 0-1，雨滴的 CC 通常大于 0.95，而冰雹由于形状不规则、相态复杂（可能混有冰水混合物），CC值多低于 0.9，强冰雹核心区 CC 可降至 0.8 以下。CC 的空间分布与反射率因子的叠加分析，能有效区分冰雹与降雨的空间范围。

KDP 反映电磁波在传播过程中水平与垂直偏振相位差的变化率，与雨滴的形状和浓度相关，单位为 ° /km。纯冰雹区的 KDP 值通常较低（接近 0^∘ /km），而降雨区 KDP 多为正值（1-5° /km），因此 KDP 可与 ZDR、CC 结合，进一步提高冰雹识别的精度。

3 雷达产品特征在冰雹天气中的应用

3.1 冰雹识别与强度判断

基于上述雷达产品特征，可建立多参数综合识别模型实现冰雹的自动化识别。业务中常用的识别指标包括：反射率因子大于 55dBZ、VIL 密度大于 3.5kg/ (m²⋅km) 、CC 小于 0.9、ZDR 小于 1dB 等，满足多项指标时可判定为冰雹区。通过对强回波中心强度、VIL 最大值及持续时间的分析，可判断冰雹强度：反射率因子 65dBZ 以上、VIL 超过 60kg/m² 、CC 低于 0.85 的区域，对应地面多为直径 20mm 以上的强冰雹。

3.2 冰雹预警时效提升

雷达产品特征的动态变化为冰雹预警提供关键依据。通过监测回波顶高的快速增长、VIL 的突然跃增、中气旋的出现时间等特征，可提前发布冰雹预警。统计表明，基于雷达特征的冰雹预警平均提前时间可达 20-30 分钟，部分超级单体风暴的预警提前量可超过 40 分钟。

3.3 防灾减灾应用实践

在农业防灾中，结合雷达监测的冰雹落区预报，可指导农户提前采取防护措施，如为大棚加盖防护网、及时收获成熟作物等，降低灾害损失。在人工防雹作业中，雷达产品特征用于确定作业目标区和作业时机。通过火箭或高炮向云体发射碘化银等催化剂，抑制冰雹粒子增长。在交通运输领域，雷达监测的冰雹实时信息可通过气象预警平台推送至交通管理部门和公众，及时采取封闭高速公路、暂停航班等措施，避免交通事故。

4 结论与展望

天气雷达产品特征分析为冰雹天气的监测、识别与预警提供了关键技术支撑。反射率因子的强回波中心强度及形态、径向速度的中气旋特征、VIL 的异常偏高及偏振参数的低值表现，共同构成了冰雹天气的判别指标。通过多产品综合分析，可实现冰雹的精准识别、强度判断和落区预报，为防灾减灾决策提供科学依据。

未来，随着双偏振雷达的全面普及、人工智能算法在雷达数据处理中的深度应用，以及雷达与卫星、地面观测数据的融合技术发展，冰雹天气的监测预警精度和时效将进一步提升，基于雷达产品的精细化冰雹灾害风险评估模型构建，将为精准防灾、科学减灾提供更有力的支撑，最大限度降低冰雹灾害带来的损失。

参考文献：

[1] 俞小鼎, 姚秀萍, 等. 多普勒天气雷达原理与业务应用 [M]. 气象出版社 ,2006.

[2] 王秀琴 , 刘辉 . 冰雹云的雷达回波结构特征分析 [J]. 新疆农垦科技 ,2021,01:43-45.

[3] 郭桐 , 柳东慧 .C 波段双偏振多普勒天气雷达原理及主要偏振参量应用分析 [J]. 河南科技 ,2021,12:140-142.

[4] 吴丹 , 王静岩 , 刘红 , 等 . 辽西地区冰雹灾害分布特征及其雷达指标研究 [J]. 农业灾害研究 ,2020,06:110-111.

[5] 屈巍 , 马俊岭 , 何一 , 等 . 房山区 2021 年 9 月 8 日冰雹天气过程分析 [J]. 农业灾害研究 ,2024,12:303-307.