VIL產(chǎn)品在麗江強對流天氣中的應(yīng)用

吳紅秀,楊沛瓊

(麗江市氣象局，云南 麗江 674100)

0 引言

新一代天氣雷達系統(tǒng)提供的垂直累積液態(tài)含水量(VIL)是一種導(dǎo)出產(chǎn)品，它表示將反射率因子數(shù)值轉(zhuǎn)換成等價的液態(tài)水值，它用的是假設(shè)所有反射率因子返回都是由液態(tài)水引起的經(jīng)驗導(dǎo)出關(guān)系，反映的是云底上部單位面積上懸掛的可降水質(zhì)量。VIL是Greene于1970s年代初期提出的一個全新的預(yù)報因子，以后經(jīng)過Robert等和Yates在對強對流天氣、風(fēng)暴單體跟蹤等方面進行了深入的研究，1980s美國雷達氣象學(xué)家結(jié)合WSR-88D氣象產(chǎn)品的開發(fā)，進一步發(fā)展和完善了VIL的應(yīng)用，尤其是在強對流天氣預(yù)報方面取得了較大的進展。根據(jù)1998年3月美國NEXRAD業(yè)務(wù)支持處(OSF)對WSR-88D用戶進行的民意調(diào)查，表明VIL是實際業(yè)務(wù)中應(yīng)用次數(shù)最多的產(chǎn)品之一。近年來，隨我國新一代天氣雷達建設(shè)的逐步展開，對VIL的應(yīng)用研究得到了加強，潘江和張培昌[1]利用VIL資料進行了估測降水的研究，王煒[2]等則利用VIL資料進行了冰雹預(yù)測等，均取得了較好的效果。VIL被廣泛地應(yīng)用在多普勒雷達中，成為判別強降水及其降水潛力、強對流天氣造成的暴雨、暴雪和冰雹等災(zāi)害性天氣使用率較高的有效工具之一[3]。本文利用麗江CINRAD/CC雷達的VIL產(chǎn)品對麗江強對流天氣(冰雹、短時強降水)的預(yù)警效果進行初步的研究及探討。

1 資料選取

麗江地處青藏高原東南緣、橫斷山脈腹地，地勢西北高、東南低，CC型多普勒天氣雷達坐落于玉龍縣太安鄉(xiāng)海拔3 175m的香爐山上，探測半徑150km，境內(nèi)玉龍雪山、哈巴雪山、老君山等高山林立，除發(fā)射回波下游區(qū)域因受山體遮擋，東部因海拔落差和地球曲率等因素影響造成探測失真外，其它區(qū)域探測質(zhì)量較好。業(yè)務(wù)中選用1.5°為最佳探測仰角，采用連續(xù)體掃模式。統(tǒng)計麗江市2006 ～ 2010年共5年間的實況資料，選取有配套多普勒天氣雷達資料的局地短時強降水實測雨量大于等于20mm/h的49次過程。(麗江短時強降水定義采用2010年中國氣象局定義的一小時降水量大于等于20mm)的降水。本文所用冰雹資料是從2006 ～ 2010年麗江氣象臺站的冰雹觀測記錄及民政部門提供的冰雹災(zāi)情資料中選取了22次比較典型的個例。

2 VIL值與麗江冰雹天氣

2.1 VIL值與麗江冰雹天氣

表1 麗江市2006～2010年冰雹日VIL特征值表(汛期期間)

從表 1可看出：通過對22次典型冰雹過程中的VIL值進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)冰雹過程初生時段VIL值在8 ～ 20kg/m2跳躍，旺盛時段VIL平均值在34kg/m2徘徊，麗江市冰雹識別中應(yīng)用VIL產(chǎn)品時，應(yīng)特別關(guān)注VIL=21kg/m2的臨界值和VIL=36kg/m2的特征值，當(dāng)VIL大于等于臨界值(VIL=21kg/m2)時預(yù)示著發(fā)生冰雹的可能性極大，也是初步判定為冰雹天氣的臨界值，如果后續(xù)VIL值有躍增性增長，并短時(1～5個體掃)達到30kg/m2以上，此時可以肯定將發(fā)生冰雹天氣；如果后續(xù)值在這個區(qū)間徘徊，就要結(jié)合強度、速度等產(chǎn)品深入分析，確定是否有冰雹。5年中VIL最大值是2007年6月23日出現(xiàn)在寧蒗縣(西川、西布河鄉(xiāng))、華坪縣(新莊、通達鄉(xiāng))等地的系統(tǒng)性冰雹天氣過程中，其值是17時45分的56kg/m2。

非汛期期間，根據(jù)資料統(tǒng)計認(rèn)為，2008年3月22日永勝縣永北鎮(zhèn)上午10：00～11：00時出現(xiàn)冰雹最大值只有3kg/m2，20年11月11日古城區(qū)束河鎮(zhèn)中午14：00～15：00時出現(xiàn)冰雹最大值只有11kg/m2，春、冬季與夏季有明顯差異的特征與麗江地區(qū)的氣候特點有很大關(guān)系，因此夏季與春季和冬季可設(shè)置不同的VIL閾值。這與上海地區(qū)的統(tǒng)計結(jié)果有很大區(qū)別，上海地區(qū)VIL≥40kg/m2時，春季容易產(chǎn)生冰雹天氣，在夏季只有當(dāng)VIL足夠大(VIL≥55kg/m2時)，才會產(chǎn)生冰雹天氣[5]。由此可見，VIL冰雹的相關(guān)指標(biāo)因季節(jié)和地區(qū)的不同差異很多，由于春季和冬季觀測和收集到的資料只有2次，以后通過大量實況資料的分析才能找到適合各麗江地區(qū)春、冬季的參考指標(biāo)。

用2006～2010年五年的統(tǒng)計值在2011年汛期冰雹預(yù)測中的檢驗得到了很好的效果，使2011年以后的雷達預(yù)警業(yè)務(wù)得到了明顯提高，人工防雹作業(yè)效果有很大改善，無冰雹漏報。

汛期期間，VIL值在18kg/m2上下的可以發(fā)布冰雹預(yù)警，VIL值達到30kg/m2以上，可以確診已經(jīng)形成冰雹云系。非汛期期間，VIL值遠遠小于汛期期間，由于春季和冬季觀測和收集到的資料只有2次，以后通過大量實況資料的分析才能找到適合各麗江地區(qū)春、冬季的參考指標(biāo)。

2.2 冰雹天氣歷史個例的分析檢驗

2008年9月25日下午在麗江市古城區(qū)的束河、金山及祥和的單點型冰雹天氣，麗江國家氣候觀象臺記錄了此次冰雹過程。從雷達回波演變特征和觀象臺的記錄可知，這次冰雹過程移動快，持續(xù)時間短，依次影響上面3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。在冰雹過程中伴有地面大風(fēng)、短時強降水和強雷電等天氣現(xiàn)象，觀象臺記錄的地面瞬時大風(fēng)是21.1m/s，冰雹直徑為5mm。HI和VIL演變特征對這次冰雹云的形成具有很好的指示作用。15：12在HI產(chǎn)品上發(fā)現(xiàn)代碼為DO和EO的兩個風(fēng)暴單體，圖像產(chǎn)品顯示Posh=50，SMEH=1，均滿足出現(xiàn)冰雹的統(tǒng)計特征。圖1是這次冰雹天氣的VIL隨時間變化曲線。15時28分，POSH=50，SMEH=0cm、VIL=3kg/m2，15時39分的VIL值增加到20kg/m2，11分鐘內(nèi)增加了17kg/m2，HI和VIL出現(xiàn)后都持續(xù)增長，15時45分的VIL值達到了45kg/m2，達到最大值，在3個體掃18分鐘時間內(nèi)VIL值躍增了40kg/m2，15時45分以后開始降雹，最大值維持一段時間后下降，HI在15：56開始下降，VIL值在15：45～16：07過程中呈單調(diào)減小，16時13分的VIL值僅是13kg/m2，預(yù)示著降雹過程即將結(jié)束。

圖1 (a)2008年9月25日15時12分HI產(chǎn)品(b)9月25日VIL隨時間變化曲線(c)9月25日15時45分VIL產(chǎn)品

Fig.1 (a)HIproductsat15：12onSeptember25(b)VILchangingwithtimecurveonSeptember25 (c)VILproductsat15：45onSeptember25，2008

3 VIL值與麗江短時強降水

3.1 VIL值與麗江短時強降水

短時強降水與VIL值的對應(yīng)關(guān)系見表1(VIL是連續(xù)統(tǒng)計短時強降水出現(xiàn)時的每個體掃數(shù)據(jù)中VIL值)。

從表 2可看出：(1)由于距離等的原因，出現(xiàn)強降水時VIL值仍可能為零，即VIL值對強降水沒有明顯指示作用的仍占了18%的比例；(2)當(dāng)VIL≧1kg/m2持續(xù)維持4個體掃以上時，則有可能出現(xiàn)持續(xù)性降水或強降水，歷史概括率為40/49=81.6%；(3)當(dāng)VIL≧5kg/m2時有可能出現(xiàn)短時性強降水，歷史概括率為25/49=51.0%。暴雨過程由于強回波整體高度不高、強度不大，VIL大部徘徊在層積混合回波的初級反演值3kg/m2附近，初生時段平均值為5kg/m2，旺盛時段平均值為10kg/m2，兩值相差量級不大。由此可見：為便于業(yè)務(wù)應(yīng)用，我們可以把VIL≧5kg/m2可設(shè)為強降水的短臨預(yù)警指標(biāo)。

表2 2006～2010年49次麗江市強降水個例的VIL值分布特征統(tǒng)計

對2011年7月份四個氣候站的31d的資料進行逐日檢驗，其中31天中每小時降水量大于20mm/h的有4次，當(dāng)VIL≧5kg/m2在這4次中達到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)的有3次，即準(zhǔn)確率為3/4=75%；華坪7月13日9：00～10：00小時降水量為20.2mm，但VIL沒有值，這是因為華坪國家氣候基本站(海拔：1 230.8m)位于麗江市香爐山新一代天氣雷達站(天線高度：3 175.0m)東南方，直線距離122km，在雷達有效探測范圍之內(nèi)，且兩者的海拔落差值達到1 944.2m，這也是造成華坪的VIL值被低估的原因；在其余27次中每小時降水量均小于20mm，但VIL值達到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)的有僅有5次，即誤報率為5/27=18.5%；其中這5次中有2次每小時降水量≧15mm/h，說明也有一定的應(yīng)用價值。

3.2 強降水歷史個例的分析檢驗

2013年4月30日寧蒗暴雨，主要出現(xiàn)在30日的19：00～22：00，其中紅橋19：00～20：00，1小時雨量39.3mm，紅旗20：00～21：00，1小時雨量27.8mm，爛泥箐21：00～22：00，1小時雨量23.6mm。本次過程當(dāng)日17時有降水云系從四川盆地進入麗江新一代天氣雷達探測區(qū)域，并不斷南下，云系前端的是積層混合降水回波，后面是穩(wěn)定的層狀云降水回波。18時前后云系移動到寧蒗縣北部，在移動云系的前端出現(xiàn)多個強對流回波單體，一部分對流單體在移動的過程中減弱，也有部分對流單體在移動的過程中繼續(xù)加強。

表3是4月30日寧蒗測站、紅旗、紅橋、爛泥箐該過程3個單體VIL的變化分析從表2可看出此次強降水時段單峰型，VILmax為29kg/m2，VIL平均﹥9kg/m2，這與國內(nèi)江西出現(xiàn)短時強降水的VIL平均值在28～42kg/m2，雷雨大風(fēng)和短時強降水相伴出現(xiàn)時，VIL值在44～47kg/m2，因此，麗江短時強降水時VIL值低于國內(nèi)部分地區(qū)的同期值。

表3 寧蒗2013年4月30日局地暴雨VIL特征值

4 VIL值在應(yīng)用中存在的問題

VIL值在應(yīng)用中存在估測誤差，估測誤差直接來源于雷達反射率因子Z(Dbz)，而造成Z(Dbz)誤差主要有以下幾個原因：

(1)在雷達掃描的靜錐區(qū)內(nèi)或在遠距離處的云體VIL值可能會低估。因為在近距離處，云體頂部處在雷達靜錐區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致高層無Z值資料；而在遠距離處，最低仰角為0.5°，導(dǎo)致0.5°仰角以下無Z值資料。二者均可能導(dǎo)致VIL值低估。由于受雷達近錐區(qū)的影響，靠近雷達站的風(fēng)暴不能被完整掃描，探測不到回波頂，VIL值會被低估，例如，2008年9月25日15時前后，雷達站附近(d<15km)出現(xiàn)了冰雹天氣，但VIL最大值僅為19kg/m2，且高VIL值的面積比較小。對距離較遠的風(fēng)暴單體，低仰角波束從風(fēng)暴高反射率因子區(qū)的中層或上層穿過，致使下層的VIL未被統(tǒng)計到，而導(dǎo)致VIL數(shù)值被低估，在華坪境內(nèi)出現(xiàn)的短時強降水和冰雹中的VIL值經(jīng)常會被低估，如表1在華坪境內(nèi)出現(xiàn)的5次強降水VIL值都很小，VIL最大值小于5kg/m2。

(2)由VIL原理可看出，Z-M關(guān)系是在雨滴譜服從M-P分布假定下得到的，所以實際降水云中雨滴的易變性將導(dǎo)致VIL值產(chǎn)生誤差。在使用中應(yīng)對不同降水分類，然后對同一類型降水過程的VIL值進行比較，應(yīng)分雷雨大風(fēng)、冰雹和短時強降水相伴出現(xiàn)時麗江的VIL值，只出現(xiàn)短時強降水時的VIL值，得到對本地有實際意義的判別指標(biāo)。

(3)對強烈傾斜的對流云體，其上部可能伸展到其它相鄰的柱體中。這類強降水大多出現(xiàn)在華坪站和寧蒗站，因為麗江雷達站屬高山雷達站，華坪站和寧蒗站離麗江雷達站較遠，且海拔高度落差大，導(dǎo)致雷達探測到的是對流云中上部，其回波強度相對較弱。另外，對快速移動的降水云體，由于雷達探測低仰角和高仰角的時間差也可能使降水云體上部伸展到其它相鄰的柱體中。二者均可能導(dǎo)致VIL值低估。

5 結(jié)語

(1)當(dāng)VIL在 18kg/m2上下時預(yù)示著發(fā)生冰雹的可能性極大，如果后續(xù)VIL值有躍增性增長，并短時(1～5個體掃)達到30kg/m2以上，此時可以肯定將發(fā)生冰雹天。非汛期期間，VIL值遠遠小于汛期期間。

(2)通過對麗江短時強降水個例的初步研究表明：VIL值對短時強降水有一定預(yù)警效果，當(dāng)VIL≧1kg/m2持續(xù)維持4個體掃以上時，則有可能出現(xiàn)持續(xù)性降水或強降水，歷史概括率為40/49=81.6%；當(dāng)VIL≧5kg/m2時有可能出現(xiàn)短時性強降水，歷史概括率為25/49=51.0%。對2011年7月進行逐日檢驗表明：單用VIL≧5kg/m2作預(yù)警指標(biāo)，預(yù)報準(zhǔn)確率可達33.3%(3/9)。但由于距離、地形等的原因，出現(xiàn)強降水時VIL值仍可能為零，即VIL值對強降水沒有明顯指示作用的仍占了18%(5/18)的比例，這是業(yè)務(wù)應(yīng)用中值得關(guān)注的一個問題。

(3)麗江強對流天氣在距離雷達站較近或較遠區(qū)域的VIL值會被低估，應(yīng)結(jié)合其它產(chǎn)品綜合判斷。

以上指標(biāo)大多是在業(yè)務(wù)中長期應(yīng)用，并確實能夠起到預(yù)判作用，但由于麗江地形特點限制，氣候多變，加之高山雷達自身的局限性，以上預(yù)警指標(biāo)的臨界值還需要在以后的業(yè)務(wù)中加以檢驗和修正。

參考文獻：

[1]潘江，張培昌.利用垂直積分含水量估測降水[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報，2000，23(1)：87～92。

[2]王煒，賈惠珍.用雷達垂直累積液態(tài)水含量資料預(yù)測冰雹[J].氣象，2002，28(1)：47～48。

[3]張沛源，楊洪平，胡紹萍.新一代天氣雷達在臨近預(yù)報和災(zāi)害性天氣警報中的應(yīng)用[J].氣象，2008，34(1)：3-11.