石家莊市人工防雹預(yù)警方法的研究

晁增元，李禧亮

（石家莊市人工影響天氣中心，河北 石家莊 050081）

石家莊地處太行山東麓，西高東低，地形復(fù)雜。冰雹等強(qiáng)對流天氣是本地區(qū)嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一，給工農(nóng)業(yè)和人民生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重危害。因此，人工防雹作業(yè)是石家莊市氣象防災(zāi)減災(zāi)工作的一項(xiàng)重要任務(wù)。在利用多普勒天氣雷達(dá)識別冰雹云方面，國內(nèi)外眾多學(xué)者從不同角度做了大量的研究，在降雹機(jī)制和防雹新技術(shù)理論方面取得了許多新進(jìn)展，為科學(xué)開展人工防雹作業(yè)提供了更好的基礎(chǔ)和依據(jù)。很多地方根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，總結(jié)了各類雷達(dá)回波特征或回波參數(shù)作為防雹作業(yè)的判別指標(biāo)[1-6]，并以此制定了實(shí)施人工防雹作業(yè)的指標(biāo)和策略。由于冰雹云受當(dāng)?shù)貧夂驐l件和地貌特性的影響較大，判別指標(biāo)也表現(xiàn)出很強(qiáng)的地域性特點(diǎn)。因此，有必要在已有的研究基礎(chǔ)上[7-8]進(jìn)一步對本地區(qū)冰雹云的特征進(jìn)行分析和研究，探索冰雹云雷達(dá)識別預(yù)警方法，實(shí)現(xiàn)對其早識別、早預(yù)警，幫助作業(yè)人員提高把握防雹作業(yè)時機(jī)的能力和水平。

1 資料和方法

1.1 資料說明

冰雹資料采用石家莊市的17 個國家級自動氣象站冰雹災(zāi)害數(shù)據(jù)。雷達(dá)資料采用石家莊市S 波段新一代多普勒天氣雷達(dá)在2007 年—2019 年出現(xiàn)的冰雹云和雷雨云的基數(shù)據(jù)。高空探測資料采用與雷達(dá)資料相應(yīng)的當(dāng)天8：00 邢臺探空站L 波段雷達(dá)探空秒數(shù)據(jù)。

1.2 方法

根據(jù)自動氣象站記錄的冰雹出現(xiàn)位置和時間，整理出38個冰雹云個例。利用多普勒雷達(dá)導(dǎo)出產(chǎn)品和對應(yīng)日期8：00 的探空數(shù)據(jù)，對這些個例的雷達(dá)回波特征參量和演變特征進(jìn)行統(tǒng)計分析。通過對冰雹云和雷雨云的雷達(dá)回波特征參量進(jìn)行相關(guān)性分析和逐步判別分析，篩選出適合石家莊市氣候特征、能夠提前識別冰雹云的判別指標(biāo)。

分別采用直觀對比法、綜合概率法和Fisher 判別法建立冰雹云識別預(yù)警的數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)對降雹盛行期（5 月—8 月）的34 個冰雹云和38 個雷雨云個例進(jìn)行歷史回報檢驗(yàn)及對比分析，并利用4 個冰雹云實(shí)例進(jìn)行預(yù)報效果檢驗(yàn)。

2 冰雹云雷達(dá)識別預(yù)警指標(biāo)的選取

為了區(qū)分冰雹云和雷雨云，重點(diǎn)對2007 年—2019 年各市中5 月—8 月出現(xiàn)的冰雹云和雷雨云的雷達(dá)回波特征參量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計分析。雷達(dá)回波特征參量包括：組合反射率（CR）、回波頂高（ET）、垂直積分液態(tài)水含量（VIL）、垂直積分液態(tài)水含量的密度（DVIL）、垂直積分液態(tài)水含量的變化量（△VIL）、垂直積分液態(tài)水含量高值（≥30 kg/m2）維持時長、45dBz 回波高度（H45dBz）、強(qiáng)回波（≥55 dBz）中心高度（HSC）、回波垂直梯度（EVG）、45 dBz 回波高度與0℃高度之差（H45dBz-H0℃）。通過相關(guān)性分析和逐步判別分析法，篩選出我市冰雹云早期雷達(dá)識別預(yù)警指標(biāo)閾值。如表1 所示。

2.1 冰雹云雷達(dá)識別預(yù)警方法及評價

采用直觀對比法、綜合概率法和Fisher 判別法建立冰雹云識別預(yù)警的數(shù)學(xué)模型，對72 個歷史個例進(jìn)行回報檢驗(yàn)分析，其中冰雹云個例34 個，雷雨云個例38 個。

表1 冰雹云早期雷達(dá)識別預(yù)警指標(biāo)閾值Tab.1 Threshold of early radar recognition and early warning index of hail cloud

2.2 冰雹云雷達(dá)識別預(yù)警方法簡介

2.2.1 直觀對比法

直觀對比法是分別將上述5 個預(yù)警指標(biāo)閾值與雷達(dá)回波參量的實(shí)測值進(jìn)行對比，符合該指標(biāo)閾值時為1，否則為0。表達(dá)式：

若y≥3，則為冰雹云，否則為雷雨云。

2.2.2 綜合概率判別法

冰雹云識別預(yù)警的條件概率方程為：

式中：XiA——判別冰雹云的第i 個指標(biāo)，符合該指標(biāo)閾值時為1，否則為0；XiB——判別雷雨云的第i 個指標(biāo)，同理，符合該指標(biāo)閾值時為1，否則為0；PiA和PiB——滿足XiA和XiB時冰雹云的條件概率。計算公式為：

利用條件概率方程計算出個例的Y 值，然后按照最高準(zhǔn)確率的原則確定綜合指標(biāo)Yc 的值。當(dāng)某個例的Y≥Yc 時，則為冰雹云，否則為雷雨云。

2.2.3 Fisher 判別法

Fisher 判別函數(shù)為：

式中：Ci——判別系數(shù)，Xi——判別因子。將某個例的判別因子Xi 代入判別函數(shù)后計算出Y 值。然后根據(jù)Y 值計算出不同類別（冰雹云和雷雨云）的組均值，再計算出Y 值與不同類別的組均值之間的距離，以距離值最小的準(zhǔn)則判斷出該個例歸屬的類別。以6 月為例，其典型判別式函數(shù)方程為：

冰雹云和雷雨云2 個類別的Y 值組均值分別為1.01 和-1.01。如果某個例的Y 值與冰雹云組均值之間的距離值絕對最小，則該個例屬于冰雹云。

2.3 3 種判別算法的效能評價比較

利用直觀對比法、綜合概率法和Fisher 判別法的數(shù)學(xué)模型分別對5 月—8 月的冰雹云歷史個例回報效果統(tǒng)計見表2。

從冰雹云個例回報效果來看，綜合概率法和直觀對比法對冰雹云識別的平均準(zhǔn)確率相同。Fisher 判別法對冰雹云判別的平均準(zhǔn)確率最優(yōu)，達(dá)到97.2%，比直觀對比法和綜合概率法高11.3%，而且冰雹云的平均漏報率和平均空報率也是最低的。在運(yùn)用直觀對比法和綜合概率法進(jìn)行判別時，需要先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)閾值對判別因子進(jìn)行（0，1）量化處理，然后才能進(jìn)行計算和判別。而Fisher 判別法是利用冰雹云或雷雨云的原始數(shù)據(jù)，在避免了人為主觀性的同時充分保留了判別對象的基本信息。因此，利用Fisher 判別法識別冰雹云更具有優(yōu)越性。

3 冰雹云識別預(yù)警方法的預(yù)報檢驗(yàn)

為驗(yàn)證冰雹云識別預(yù)警方法的可靠性，選取沒有參與歷史回報效果檢驗(yàn)的4 個冰雹云個例，分別利用上述3 種算法進(jìn)行預(yù)報效果檢驗(yàn)分析，從預(yù)報結(jié)果可以看出，4 個冰雹云個例均全部被準(zhǔn)確識別。冰雹云個例預(yù)報檢驗(yàn)統(tǒng)計結(jié)果如表3 所示。

表3 冰雹云個例預(yù)報檢驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of hail cloud forecast

在人工防雹作業(yè)中，能否及時識別冰雹云是實(shí)施作業(yè)的前提，而預(yù)警時間的長短也直接決定了能否成功實(shí)施防雹作業(yè)。為了驗(yàn)證指標(biāo)的預(yù)警時長，利用4 個冰雹云個例進(jìn)行計算統(tǒng)計。從統(tǒng)計結(jié)果來看，從識別出冰雹云到降雹時間，最小間隔時長為33 min，最大間隔時長為50 min。平均時長≥40 min，即平均預(yù)警時長≥40 min。若指揮人員及時下達(dá)作業(yè)指令，則作業(yè)人員有充裕的時間實(shí)施防雹作業(yè)。

4 結(jié)語

通過對比分析冰雹云和雷雨云個例的10 項(xiàng)雷達(dá)回波參量，篩選出5 個最具適用價值的判別因子作為我市冰雹云雷達(dá)早期識別預(yù)警指標(biāo)，并按月分類設(shè)置上述指標(biāo)閾值。

基于3 種判別法的數(shù)學(xué)模型對冰雹云識別的平均歷史擬合率均大于87%，平均準(zhǔn)確率均大于85%，在防雹業(yè)務(wù)中具有實(shí)際應(yīng)用價值。尤其是Fisher 判別法的平均歷史擬合率達(dá)96.4%，平均準(zhǔn)確率達(dá)97.2%，且平均空報率和平均漏報率均小于5%，在3 種判別法中表現(xiàn)最優(yōu)。

通過對4 個冰雹云個例進(jìn)行預(yù)報效果的檢驗(yàn)表明：3 種判別方法均能全部準(zhǔn)確識別冰雹云，命中率達(dá)100%，而且平均預(yù)警時長≥40 min。當(dāng)作業(yè)點(diǎn)周邊40 km 范圍內(nèi)出現(xiàn)的對流云雷達(dá)回波參量滿足冰雹云識別預(yù)警的數(shù)學(xué)模型時，人工防雹作業(yè)指揮中心可以對各作業(yè)點(diǎn)發(fā)布防雹作業(yè)一級預(yù)警，作業(yè)人員有充裕的時間實(shí)施防雹作業(yè)。