基于雷達(dá)回波指標(biāo)的內(nèi)蒙古通遼地區(qū)冰雹天氣預(yù)報(bào)模型

祁雁文

（內(nèi)蒙古通遼市氣象局，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

基于雷達(dá)回波指標(biāo)的內(nèi)蒙古通遼地區(qū)冰雹天氣預(yù)報(bào)模型

祁雁文

（內(nèi)蒙古通遼市氣象局，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

通過對內(nèi)蒙古通遼市新一代天氣雷達(dá)建站以來至2013年發(fā)生在通遼地區(qū)的冰雹天氣過程的分析，總結(jié)出冰雹天氣的9項(xiàng)預(yù)報(bào)指標(biāo)。為了將以上確定的預(yù)報(bào)指標(biāo)應(yīng)用到實(shí)際的短時(shí)、臨近預(yù)報(bào)工作當(dāng)中，分別對各項(xiàng)指標(biāo)的性能進(jìn)行分析，并應(yīng)用客觀預(yù)報(bào)方法將上述指標(biāo)組合在一起。采用指標(biāo)加權(quán)集成法，根據(jù)每一個(gè)指標(biāo)的相對重要性，賦予指標(biāo)不同的權(quán)重，然后帶權(quán)集成，建立預(yù)報(bào)模型方程，得到一個(gè)各項(xiàng)指標(biāo)的結(jié)合參數(shù)，作為未來是否會有冰雹出現(xiàn)的判斷依據(jù)，以期提高冰雹的預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

三體散射；弱回波區(qū)；指標(biāo)加權(quán)集成法；結(jié)合參數(shù)；優(yōu)序圖法

冰雹是一種中小尺度天氣現(xiàn)象，產(chǎn)生在有不穩(wěn)定氣流的積雨云中。內(nèi)蒙古通遼市是農(nóng)業(yè)大市，自古就是內(nèi)蒙古的小糧倉，是國家重要的商品糧基地，同時(shí)該市也是強(qiáng)對流天氣的頻發(fā)區(qū)。冰雹是通遼地區(qū)夏季的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，也是氣象預(yù)報(bào)的難點(diǎn)之一。冰雹是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害最為嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，提高冰雹的短時(shí)、臨近預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和時(shí)效性，可以保護(hù)糧食生產(chǎn)，對提高本地區(qū)農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)，保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定都有十分重要的現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)意義。由于冰雹具有突發(fā)性、局地性、不確定性和隨機(jī)性以及持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，長期以來預(yù)報(bào)效果都不是十分理想。國內(nèi)外氣象學(xué)者應(yīng)用多普勒雷達(dá)產(chǎn)品對產(chǎn)生暴雨、冰雹等災(zāi)害性天氣的中小尺度系統(tǒng)特征進(jìn)行了大量的分析研究［1-6］，形成了大量預(yù)報(bào)指標(biāo)和概念模型，為預(yù)報(bào)員提供了豐富的理論指導(dǎo)。但由于冰雹的地域性很強(qiáng)，各地預(yù)報(bào)冰雹的指標(biāo)也有所不同，通遼新一代天氣雷達(dá)建成運(yùn)行了多年，積累了一定數(shù)量的歷史個(gè)例資料。該文通過對通遼市新一代天氣雷達(dá)建站以來至2013年發(fā)生在通遼地區(qū)的冰雹天氣過程的分析，總結(jié)出冰雹天氣的9項(xiàng)預(yù)報(bào)指標(biāo)，為了將以上確定的預(yù)報(bào)指標(biāo)應(yīng)用到實(shí)際的短時(shí)、臨近預(yù)報(bào)工作當(dāng)中，應(yīng)用客觀預(yù)報(bào)方法將這些指標(biāo)組合在一起，采用指標(biāo)加權(quán)集成法，根據(jù)每一個(gè)指標(biāo)的相對重要性，賦予指標(biāo)不同的權(quán)重，然后帶權(quán)集成，建立預(yù)報(bào)模型方程，得到一個(gè)各項(xiàng)指標(biāo)的結(jié)合參數(shù)，作為未來是否會有冰雹出現(xiàn)的判斷依據(jù)，以期提高冰雹的預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

1 通遼地區(qū)冰雹天氣雷達(dá)回波9項(xiàng)判別指標(biāo)

1.1 指標(biāo)一 由于鉤狀回波、“V”型缺口和三體散射（又稱長釘狀回波）是冰雹天氣特有的雷達(dá)回波特征，所以當(dāng)出現(xiàn)這3種回波時(shí)，表明一定有冰雹天氣發(fā)生。而當(dāng)反射率因子圖上出現(xiàn)弓形回波（或有時(shí)伴有陣風(fēng)鋒）、“人”字形回波（LEWP）或菱形回波這幾種特殊形態(tài)的回波時(shí)，則高度警示可能會有冰雹天氣發(fā)生。

1.2 指標(biāo)二 強(qiáng)回波（對于非汛期，是指≥50 dBz或45 dBz的回波；對于汛期，是指≥50 dBz的回波）伸展的高度大于-20℃層等溫線的高度。該項(xiàng)指標(biāo)除對于2次冰雹過程外［即2011年9月13日扎魯特旗的冰雹過程，由于剖面誤差或該站距離通遼（54135）探空站較遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)有誤差的緣故，還有2012年6月9日科爾沁區(qū)的冰雹過程，由于雷達(dá)靜錐區(qū)存在的緣故］，其他個(gè)例均滿足，有時(shí)提前時(shí)間量可以長達(dá)1 h。所以該結(jié)論可以作為判斷是否會產(chǎn)生冰雹天氣的一個(gè)非常有指示意義的指標(biāo)。

1.3 指標(biāo)三 在強(qiáng)度的垂直剖面圖上，在垂直結(jié)構(gòu)上，低層有較大的弱回波區(qū)（WER），中、高層有明顯的回波懸垂；或者在低層呈現(xiàn)出明顯的有界弱回波區(qū)（BWER）和中高層的回波懸垂，在圖像上呈現(xiàn)出低層的回波“穹窿”結(jié)構(gòu)［7］，則表明出現(xiàn)冰雹的可能性極大。以上特征可以作為預(yù)報(bào)冰雹天氣的一個(gè)重要指標(biāo)。

1.4 指標(biāo)四 如果在徑向速度圖上出現(xiàn)“V”型缺口，則表明一定會有冰雹天氣發(fā)生。若探測到明顯的輻合場或輻合帶，在高懸的強(qiáng)回波這一特征前提下，并且伴隨有“中氣旋”或弱雷暴尺度的渦旋，表明發(fā)生冰雹天氣的可能性極大。若同時(shí)還伴有“逆風(fēng)區(qū)”，表明出現(xiàn)冰雹天氣的概率會更高。以上特征可以作為冰雹天氣的一個(gè)重要預(yù)報(bào)指標(biāo)。

1.5 指標(biāo)五 在速度的垂直剖面圖上，如果能夠分析出風(fēng)暴頂?shù)妮椛?，或者風(fēng)暴頂?shù)妮椛⑴浜系蛯拥妮椇?，則表明冰雹天氣出現(xiàn)的可能性極大。因此，風(fēng)暴頂?shù)妮椛⒒蝻L(fēng)暴頂輻散+低層的輻合的特征也可以作為預(yù)報(bào)冰雹的有利指標(biāo)。

1.6 指標(biāo)六 回波頂高如果在9 km以上，表明極有可能出現(xiàn)冰雹，要立即發(fā)布冰雹天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警信息。但如果在非汛期，不需要等到9 km以上，有時(shí)回波頂高發(fā)展到5 km以上，也有可能出現(xiàn)冰雹，還需要結(jié)合其他特征指標(biāo)綜合判別。

1.7 指標(biāo)七 在垂直風(fēng)廓線（VWP）產(chǎn)品上，如果測站上空表現(xiàn)為濕層較淺薄，形成“上干下濕”的不穩(wěn)定層結(jié)結(jié)構(gòu)，且在低層有明顯的低空急流和強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，那么就要提高警惕考慮是否會有冰雹發(fā)生，但還需結(jié)合其他指標(biāo)綜合判別。如果同時(shí)還伴有高空急流的存在，則冰雹出現(xiàn)的可能性會大大提高。所以風(fēng)廓線產(chǎn)品的以上特征也可以作為預(yù)報(bào)冰雹的一個(gè)較重要的指標(biāo)。

1.8 指標(biāo)八 如果在汛期（6—8月）的中氣旋產(chǎn)品上可以探測到中氣旋信息（有黃色圓圈表示）時(shí)，往往預(yù)示著有冰雹天氣要發(fā)生了。因此，中氣旋產(chǎn)品信息的出現(xiàn)是判斷冰雹天氣的一個(gè)特別重要的指標(biāo)。

1.9 指標(biāo)九 如果VIL產(chǎn)品的值有一個(gè)明顯的躍增過程，躍增至60（63）kg/m2或以上，則表明一定會有冰雹天氣的發(fā)生。如果在非汛期 （4月、5月、9月），VIL值突然增大，躍增至20（23）～35（38）kg/m2以上時(shí)，也要考慮是否會有冰雹天氣的發(fā)生，VIL值數(shù)值越大，出現(xiàn)冰雹的可能性就越大，但是還需結(jié)合其他指標(biāo)綜合來判斷。

2 判別指標(biāo)的結(jié)合及檢驗(yàn)評估

2.1 各項(xiàng)指標(biāo)的性能分析 通過對歷史個(gè)例中的12個(gè)隨機(jī)樣本進(jìn)行抽查，得出以下結(jié)論：指標(biāo)一和指標(biāo)四中的鉤狀回波、“V”型缺口和三體散射（又稱長釘狀回波）是冰雹天氣特有的雷達(dá)回波特征，所以當(dāng)出現(xiàn)這3種回波時(shí)，表明一定有冰雹天氣發(fā)生。

其中，指標(biāo)一中的弓形回波（或有時(shí)伴有陣風(fēng)鋒）、“人”字形回波（LEWP）或菱形回波對于所有的個(gè)例都滿足，性能很好。指標(biāo)二除了對于2次過程外［即2011年9月13日扎魯特旗的冰雹過程，由于剖面誤差或該站距離通遼（54135）探空站較遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)有誤差的緣故；還有2012年6月9日科爾沁區(qū)的冰雹過程，由于雷達(dá)靜錐區(qū)存在的緣故］其他個(gè)例均滿足，有時(shí)提前時(shí)間量可以長達(dá)1 h，性能很好。指標(biāo)三對于所有的個(gè)例均成立，性能很好。對于指標(biāo)四，所有的個(gè)例都滿足輻合場或輻合帶，55.6%的個(gè)例有 “中氣旋”或弱雷暴尺度的渦旋特征，22.2%的個(gè)例伴有“逆風(fēng)區(qū)”特征，性能很好。指標(biāo)五所有的個(gè)例都滿足，性能很好。指標(biāo)六汛期的個(gè)例都滿足，性能很好。關(guān)于指標(biāo)七，66.7%的個(gè)例滿足濕層較淺薄，形成“上干下濕”的不穩(wěn)定層結(jié)結(jié)構(gòu)，且在低層有明顯的低空急流和強(qiáng)的垂直風(fēng)切變。38.9%的個(gè)例滿足高空急流的特征。關(guān)于指標(biāo)八，64.3%的個(gè)例滿足。指標(biāo)九VIL產(chǎn)品的值躍增至60（63）kg/m2或以上，對于汛期的個(gè)例都滿足，性能很好。

綜合以上，得出：指標(biāo)一中的弓形回波（或有時(shí)伴有陣風(fēng)鋒）、“人”字形回波（LEWP）或菱形回波、指標(biāo)二、指標(biāo)三、指標(biāo)四、指標(biāo)五、指標(biāo)六，它們的性能很好，在實(shí)際的預(yù)報(bào)中基本不會出現(xiàn)漏報(bào)。指標(biāo)七：絕大多數(shù)冰雹過程都具備這樣的特點(diǎn)，用該指標(biāo)來預(yù)報(bào)冰雹，漏報(bào)的可能性不大，但會出現(xiàn)一些空報(bào)。指標(biāo)八：漏報(bào)的可能性不大，但會出現(xiàn)一些空報(bào)，如會出現(xiàn)大風(fēng)、龍卷、短時(shí)強(qiáng)降水、下?lián)舯┝鞯绕渌沙墕误w風(fēng)暴產(chǎn)生的天氣的空報(bào)。其次，用雷達(dá)探測中氣旋本身會有局限性，一是雷達(dá)無法探測遠(yuǎn)距離處的中氣旋的下部，甚至完全探測不到中氣旋。二是雷達(dá)對于中氣旋識別的難度隨著距離的增大而增加，超過一定距離（比如200 km）以外，基本無法識別中氣旋。因此，該指標(biāo)也只能作為輔助指標(biāo)來應(yīng)用。指標(biāo)九基本不會出現(xiàn)漏報(bào)，但只適用于汛期。

2.2 各項(xiàng)指標(biāo)的結(jié)合參數(shù) 以上每項(xiàng)預(yù)報(bào)指標(biāo)都是產(chǎn)生冰雹天氣的必要條件，在目前的科學(xué)技術(shù)水平下，不可能找到所有產(chǎn)生冰雹天氣的必要條件從而構(gòu)成其充要條件，所以空報(bào)是不可避免的；又由于預(yù)報(bào)指標(biāo)閾值的確定不可能做到完全科學(xué)合理，所以漏報(bào)也是不可避免的［8］。

優(yōu)序圖法：是通過對多個(gè)指標(biāo)或目標(biāo)進(jìn)行兩兩相對比較，最后給出重要性次序或優(yōu)先次序。該方法既能處理定性問題，又能處理定量問題。

現(xiàn)在將研究的9項(xiàng)指標(biāo)分別放入棋盤圖的第1列和第1行，然后根據(jù)指標(biāo)的重要性（按照指標(biāo)二、指標(biāo)三、指標(biāo)一、指標(biāo)四、指標(biāo)九、指標(biāo)六、指標(biāo)五、指標(biāo)八、指標(biāo)七的順序依次遞減）進(jìn)行比較，如果Xi比Xj重要，則表格填1，反之填0，同樣重要填0.5，如表1所示。

表1 各指標(biāo)排序結(jié)果

表2 各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

將權(quán)重系數(shù)代入概率預(yù)報(bào)方程，得：Y=0.16X1+ 0.21X2+0.19X3+0.14X4+0.06X5+0.09X6+0.01X7+ 0.04X8+0.11X9，式中X1、X2……分別代表指標(biāo)一至指標(biāo)九，當(dāng)個(gè)例的特征值達(dá)到和超過某一指標(biāo)的閾值時(shí)，Xi=1，否則Xi=0。

2.3 各項(xiàng)指標(biāo)的結(jié)合參數(shù)的檢驗(yàn)評估 用該方程對13個(gè)歷史個(gè)例進(jìn)行回報(bào)檢驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

①2008年5月21日扎魯特旗的冰雹過程：Y= 0.16+0.21+0.19+0.14+0.06+0.09=0.85，即出現(xiàn)冰雹的概率為85%。

②2008年6月6日庫倫、青龍山的冰雹過程：Y=0.16+0.21+0.19+0.14+0.06+0.09+0.04+0.11= 0.99，即出現(xiàn)冰雹的概率為99%。

③2008年7月26日巴雅爾的冰雹過程（資料不全）：Y=0.16+0.21+0.19+0.06+0.01=0.63，即出現(xiàn)冰雹的概率為63%。

④2008年8月24日扎魯特旗的冰雹過程：滿足指標(biāo)一中的鉤狀回波、“V”型缺口和三體散射特征，有冰雹天氣發(fā)生。即出現(xiàn)冰雹的概率為100%。

⑤2009年7月22日科左后旗的冰雹過程：Y= 0.16+0.21+0.19+0.14+0.06+0.09+0.01+0.04+0.11= 1.00，即出現(xiàn)冰雹的概率為100%。

⑥2009年 7月 30日開魯?shù)谋⑦^程：Y= 0.16+0.21+0.19+0.14+0.06+0.09+0.01+0.11=0.97，即出現(xiàn)冰雹的概率為97%。

⑦2011年8月1日科左中旗的冰雹過程：滿足指標(biāo)一中的鉤狀回波、“V”型缺口特征。即出現(xiàn)冰雹的概率為100%。

⑧2011年9月13日扎魯特旗的冰雹過程：Y= 0.16+0.19+0.14+0.06+0.09+0.01+0.11=0.76，即出現(xiàn)冰雹的概率為76%。

⑨2012年6月9日科區(qū)的冰雹過程 （由于靜錐區(qū)的存在影響探測）：Y=0.16+0.19+0.14+0.06+ 0.09+0.11=0.75，即出現(xiàn)冰雹的概率為75%。

⑩2013年 5月 19日開魯?shù)谋⑦^程：Y= 0.16+0.21+0.19+0.06+0.09+0.11=0.82，即出現(xiàn)冰雹的概率為82%。

?2013年8月4日扎魯特旗的冰雹過程：Y= 0.16+0.21+0.19+0.14+0.06+0.09+0.01+0.04=0.90，即出現(xiàn)冰雹的概率為90%。

?2013年8月4日科左后旗的冰雹過程：Y= 0.16+0.21+0.19+0.14+0.06+0.09+0.11=0.96，即出現(xiàn)冰雹的概率為96%。

?2014年 7月 3日奈曼旗的冰雹過程：Y= 0.16+0.21+0.19+0.14+0.06+0.09+0.11=0.96，即出現(xiàn)冰雹的概率為96%。

4 小結(jié)

經(jīng)過檢驗(yàn)，只有個(gè)例③：2008年7月26日巴雅爾的冰雹過程，預(yù)報(bào)概率與歷史的擬合率低于70%，為63%。這是由于巴雅爾站距離雷達(dá)站較遠(yuǎn)（超出200 km），除了基本反射率因子產(chǎn)品外其余產(chǎn)品均探測不到，影響了預(yù)報(bào)。其他個(gè)例的預(yù)報(bào)概率與歷史的擬合率均大于等于75%，甚至達(dá)99%～100%。即使對于個(gè)例⑨：2012年6月9日科區(qū)的冰雹過程來說，由于雷達(dá)靜錐區(qū)的存在而影響探測結(jié)果和數(shù)據(jù)，但其預(yù)報(bào)概率與歷史的擬合率也達(dá)到75%。因此得出以上的預(yù)報(bào)概率方程即預(yù)報(bào)模型效果較好，可以投入應(yīng)用，并且希望在今后應(yīng)用的過程中，不斷積累新的個(gè)例，不斷總結(jié)發(fā)現(xiàn)新的因子，不斷檢驗(yàn)，不斷完善，不斷修正各指標(biāo)之間的配比，使得預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率越來越高，提高冰雹的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)能力。

［1］伍志方，葉愛芬，胡勝，等.中小尺度天氣系統(tǒng)的多普勒統(tǒng)計(jì)特征［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2004，20（4）：391-400.

［2］俞小鼎，張愛民，鄭媛媛，等.一次系列下?lián)舯┝魇录亩嗥绽仗鞖饫走_(dá)分析［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006，17（4）：385-393.

［3］康鳳琴，張強(qiáng)，馬勝萍，等.青藏高原東北邊緣冰雹形成機(jī)理［J］.高原氣象，2004，23（6）：749-757.

［4］李金輝，樊鵬.冰雹云提前識別及預(yù)警的研究［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（1）：114-119.

［5］李秀琳，賈金海.VIL產(chǎn)品在人工防雹中的應(yīng)用［J］.陜西氣象，2008（3）：13-15.

［6］王令，鄭國光，康玉霞，等.多普勒天氣雷達(dá)徑向速度圖上的雹云特征［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006（3）：281-286.

［7］俞小鼎.多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用［M］.北京：氣象出版社，2006.

［8］章國材.強(qiáng)對流天氣分析與預(yù)報(bào)［M］.北京：氣象出版社，2011：125.

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Meteorological Forecast Model for Hail Weather in Tongliao Region of Inner Mongolia Based on Radar Echo Index

QI Yan-wen
（Tongliao Municipal Meteorological Bureau of Inner Mongolia，Tongliao 028000，China）

Based on the analysis of the hail weather process occurred in Tongliao region of Inner Mongolia from the establishment of the new weather radar station to the year of 2013,a total of 9 forecast indexes for hail weather were found.In order to apply the obtained forecast indexes to the practical work of short-term forecast and nowcasting,the performance of the indexes was analyzed,and the indexes were combined by objective forecasting method.The index weighted integrated method was used in this study.In this method,the indicators were endowed with different weights according to their relative significance and were then integrated with weights.The forecast model equations were subsequently established and a binding parameter of the indicators was obtained which was used as a judgment basis for the occurrence of hail.The established forecast model may be helpful for improving the forecasting and warning capability for the hail weather in Tongliao region.

three-body scattering；weak echo area；index weighted integrated method；binding parameter；superiority chart

P426.64；P457.6

A文章順序編號：1672-5190（2016）09-0059-04

2016－07－12

項(xiàng)目來源：2016年內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局青年基金項(xiàng)目（nmqnqx201612）。

祁雁文（1983—），女，工程師，主要從事短期、短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)工作。

（責(zé)任編輯：錢英紅）