基于雷达回波指标的内蒙古通辽地区冰雹天气预报模型

祁雁文

（内蒙古通辽市气象局，内蒙古 通辽 028000）

基于雷达回波指标的内蒙古通辽地区冰雹天气预报模型

祁雁文

（内蒙古通辽市气象局，内蒙古 通辽 028000）

通过对内蒙古通辽市新一代天气雷达建站以来至2013年发生在通辽地区的冰雹天气过程的分析，总结出冰雹天气的9项预报指标。为了将以上确定的预报指标应用到实际的短时、临近预报工作当中，分别对各项指标的性能进行分析，并应用客观预报方法将上述指标组合在一起。采用指标加权集成法，根据每一个指标的相对重要性，赋予指标不同的权重，然后带权集成，建立预报模型方程，得到一个各项指标的结合参数，作为未来是否会有冰雹出现的判断依据，以期提高冰雹的预报预警能力。

三体散射；弱回波区；指标加权集成法；结合参数；优序图法

冰雹是一种中小尺度天气现象，产生在有不稳定气流的积雨云中。内蒙古通辽市是农业大市，自古就是内蒙古的小粮仓，是国家重要的商品粮基地，同时该市也是强对流天气的频发区。冰雹是通辽地区夏季的主要气象灾害之一，也是气象预报的难点之一。冰雹是对农业生产危害最为严重的气象灾害，提高冰雹的短时、临近预报准确率和时效性，可以保护粮食生产，对提高本地区农业、工业生产，保护人们的生命财产安全，促进地方经济发展和社会稳定都有十分重要的现实和长远意义。由于冰雹具有突发性、局地性、不确定性和随机性以及持续时间短的特点，长期以来预报效果都不是十分理想。国内外气象学者应用多普勒雷达产品对产生暴雨、冰雹等灾害性天气的中小尺度系统特征进行了大量的分析研究［1-6］，形成了大量预报指标和概念模型，为预报员提供了丰富的理论指导。但由于冰雹的地域性很强，各地预报冰雹的指标也有所不同，通辽新一代天气雷达建成运行了多年，积累了一定数量的历史个例资料。该文通过对通辽市新一代天气雷达建站以来至2013年发生在通辽地区的冰雹天气过程的分析，总结出冰雹天气的9项预报指标，为了将以上确定的预报指标应用到实际的短时、临近预报工作当中，应用客观预报方法将这些指标组合在一起，采用指标加权集成法，根据每一个指标的相对重要性，赋予指标不同的权重，然后带权集成，建立预报模型方程，得到一个各项指标的结合参数，作为未来是否会有冰雹出现的判断依据，以期提高冰雹的预报预警能力。

1 通辽地区冰雹天气雷达回波9项判别指标

1.1 指标一 由于钩状回波、“V”型缺口和三体散射（又称长钉状回波）是冰雹天气特有的雷达回波特征，所以当出现这3种回波时，表明一定有冰雹天气发生。而当反射率因子图上出现弓形回波（或有时伴有阵风锋）、“人”字形回波（LEWP）或菱形回波这几种特殊形态的回波时，则高度警示可能会有冰雹天气发生。

1.2 指标二 强回波（对于非汛期，是指≥50 dBz或45 dBz的回波；对于汛期，是指≥50 dBz的回波）伸展的高度大于-20℃层等温线的高度。该项指标除对于2次冰雹过程外［即2011年9月13日扎鲁特旗的冰雹过程，由于剖面误差或该站距离通辽（54135）探空站较远，数据有误差的缘故，还有2012年6月9日科尔沁区的冰雹过程，由于雷达静锥区存在的缘故］，其他个例均满足，有时提前时间量可以长达1 h。所以该结论可以作为判断是否会产生冰雹天气的一个非常有指示意义的指标。

1.3 指标三 在强度的垂直剖面图上，在垂直结构上，低层有较大的弱回波区（WER），中、高层有明显的回波悬垂；或者在低层呈现出明显的有界弱回波区（BWER）和中高层的回波悬垂，在图像上呈现出低层的回波“穹窿”结构［7］，则表明出现冰雹的可能性极大。以上特征可以作为预报冰雹天气的一个重要指标。

1.4 指标四 如果在径向速度图上出现“V”型缺口，则表明一定会有冰雹天气发生。若探测到明显的辐合场或辐合带，在高悬的强回波这一特征前提下，并且伴随有“中气旋”或弱雷暴尺度的涡旋，表明发生冰雹天气的可能性极大。若同时还伴有“逆风区”，表明出现冰雹天气的概率会更高。以上特征可以作为冰雹天气的一个重要预报指标。

1.5 指标五 在速度的垂直剖面图上，如果能够分析出风暴顶的辐散，或者风暴顶的辐散配合低层的辐合，则表明冰雹天气出现的可能性极大。因此，风暴顶的辐散或风暴顶辐散+低层的辐合的特征也可以作为预报冰雹的有利指标。

1.6 指标六 回波顶高如果在9 km以上，表明极有可能出现冰雹，要立即发布冰雹天气的预报预警信息。但如果在非汛期，不需要等到9 km以上，有时回波顶高发展到5 km以上，也有可能出现冰雹，还需要结合其他特征指标综合判别。

1.7 指标七 在垂直风廓线（VWP）产品上，如果测站上空表现为湿层较浅薄，形成“上干下湿”的不稳定层结结构，且在低层有明显的低空急流和强的垂直风切变，那么就要提高警惕考虑是否会有冰雹发生，但还需结合其他指标综合判别。如果同时还伴有高空急流的存在，则冰雹出现的可能性会大大提高。所以风廓线产品的以上特征也可以作为预报冰雹的一个较重要的指标。

1.8 指标八 如果在汛期（6—8月）的中气旋产品上可以探测到中气旋信息（有黄色圆圈表示）时，往往预示着有冰雹天气要发生了。因此，中气旋产品信息的出现是判断冰雹天气的一个特别重要的指标。

1.9 指标九 如果VIL产品的值有一个明显的跃增过程，跃增至60（63）kg/m2或以上，则表明一定会有冰雹天气的发生。如果在非汛期 （4月、5月、9月），VIL值突然增大，跃增至20（23）～35（38）kg/m2以上时，也要考虑是否会有冰雹天气的发生，VIL值数值越大，出现冰雹的可能性就越大，但是还需结合其他指标综合来判断。

2 判别指标的结合及检验评估

2.1 各项指标的性能分析 通过对历史个例中的12个随机样本进行抽查，得出以下结论：指标一和指标四中的钩状回波、“V”型缺口和三体散射（又称长钉状回波）是冰雹天气特有的雷达回波特征，所以当出现这3种回波时，表明一定有冰雹天气发生。

其中，指标一中的弓形回波（或有时伴有阵风锋）、“人”字形回波（LEWP）或菱形回波对于所有的个例都满足，性能很好。指标二除了对于2次过程外［即2011年9月13日扎鲁特旗的冰雹过程，由于剖面误差或该站距离通辽（54135）探空站较远，数据有误差的缘故；还有2012年6月9日科尔沁区的冰雹过程，由于雷达静锥区存在的缘故］其他个例均满足，有时提前时间量可以长达1 h，性能很好。指标三对于所有的个例均成立，性能很好。对于指标四，所有的个例都满足辐合场或辐合带，55.6%的个例有 “中气旋”或弱雷暴尺度的涡旋特征，22.2%的个例伴有“逆风区”特征，性能很好。指标五所有的个例都满足，性能很好。指标六汛期的个例都满足，性能很好。关于指标七，66.7%的个例满足湿层较浅薄，形成“上干下湿”的不稳定层结结构，且在低层有明显的低空急流和强的垂直风切变。38.9%的个例满足高空急流的特征。关于指标八，64.3%的个例满足。指标九VIL产品的值跃增至60（63）kg/m2或以上，对于汛期的个例都满足，性能很好。

综合以上，得出：指标一中的弓形回波（或有时伴有阵风锋）、“人”字形回波（LEWP）或菱形回波、指标二、指标三、指标四、指标五、指标六，它们的性能很好，在实际的预报中基本不会出现漏报。指标七：绝大多数冰雹过程都具备这样的特点，用该指标来预报冰雹，漏报的可能性不大，但会出现一些空报。指标八：漏报的可能性不大，但会出现一些空报，如会出现大风、龙卷、短时强降水、下击暴流等其他由超级单体风暴产生的天气的空报。其次，用雷达探测中气旋本身会有局限性，一是雷达无法探测远距离处的中气旋的下部，甚至完全探测不到中气旋。二是雷达对于中气旋识别的难度随着距离的增大而增加，超过一定距离（比如200 km）以外，基本无法识别中气旋。因此，该指标也只能作为辅助指标来应用。指标九基本不会出现漏报，但只适用于汛期。

2.2 各项指标的结合参数 以上每项预报指标都是产生冰雹天气的必要条件，在目前的科学技术水平下，不可能找到所有产生冰雹天气的必要条件从而构成其充要条件，所以空报是不可避免的；又由于预报指标阈值的确定不可能做到完全科学合理，所以漏报也是不可避免的［8］。

优序图法：是通过对多个指标或目标进行两两相对比较，最后给出重要性次序或优先次序。该方法既能处理定性问题，又能处理定量问题。

现在将研究的9项指标分别放入棋盘图的第1列和第1行，然后根据指标的重要性（按照指标二、指标三、指标一、指标四、指标九、指标六、指标五、指标八、指标七的顺序依次递减）进行比较，如果Xi比Xj重要，则表格填1，反之填0，同样重要填0.5，如表1所示。

表1 各指标排序结果

表2 各指标权重系数

将权重系数代入概率预报方程，得：Y=0.16X1+ 0.21X2+0.19X3+0.14X4+0.06X5+0.09X6+0.01X7+ 0.04X8+0.11X9，式中X1、X2……分别代表指标一至指标九，当个例的特征值达到和超过某一指标的阈值时，Xi=1，否则Xi=0。

2.3 各项指标的结合参数的检验评估 用该方程对13个历史个例进行回报检验，得出以下结论：

①2008年5月21日扎鲁特旗的冰雹过程：Y= 0.16+0.21+0.19+0.14+0.06+0.09=0.85，即出现冰雹的概率为85%。

②2008年6月6日库伦、青龙山的冰雹过程：Y=0.16+0.21+0.19+0.14+0.06+0.09+0.04+0.11= 0.99，即出现冰雹的概率为99%。

③2008年7月26日巴雅尔的冰雹过程（资料不全）：Y=0.16+0.21+0.19+0.06+0.01=0.63，即出现冰雹的概率为63%。

④2008年8月24日扎鲁特旗的冰雹过程：满足指标一中的钩状回波、“V”型缺口和三体散射特征，有冰雹天气发生。即出现冰雹的概率为100%。

⑤2009年7月22日科左后旗的冰雹过程：Y= 0.16+0.21+0.19+0.14+0.06+0.09+0.01+0.04+0.11= 1.00，即出现冰雹的概率为100%。

⑥2009年 7月 30日开鲁的冰雹过程：Y= 0.16+0.21+0.19+0.14+0.06+0.09+0.01+0.11=0.97，即出现冰雹的概率为97%。

⑦2011年8月1日科左中旗的冰雹过程：满足指标一中的钩状回波、“V”型缺口特征。即出现冰雹的概率为100%。

⑧2011年9月13日扎鲁特旗的冰雹过程：Y= 0.16+0.19+0.14+0.06+0.09+0.01+0.11=0.76，即出现冰雹的概率为76%。

⑨2012年6月9日科区的冰雹过程 （由于静锥区的存在影响探测）：Y=0.16+0.19+0.14+0.06+ 0.09+0.11=0.75，即出现冰雹的概率为75%。

⑩2013年 5月 19日开鲁的冰雹过程：Y= 0.16+0.21+0.19+0.06+0.09+0.11=0.82，即出现冰雹的概率为82%。

⑪2013年8月4日扎鲁特旗的冰雹过程：Y= 0.16+0.21+0.19+0.14+0.06+0.09+0.01+0.04=0.90，即出现冰雹的概率为90%。

⑫2013年8月4日科左后旗的冰雹过程：Y= 0.16+0.21+0.19+0.14+0.06+0.09+0.11=0.96，即出现冰雹的概率为96%。

⑬2014年 7月 3日奈曼旗的冰雹过程：Y= 0.16+0.21+0.19+0.14+0.06+0.09+0.11=0.96，即出现冰雹的概率为96%。

4 小结

经过检验，只有个例③：2008年7月26日巴雅尔的冰雹过程，预报概率与历史的拟合率低于70%，为63%。这是由于巴雅尔站距离雷达站较远（超出200 km），除了基本反射率因子产品外其余产品均探测不到，影响了预报。其他个例的预报概率与历史的拟合率均大于等于75%，甚至达99%～100%。即使对于个例⑨：2012年6月9日科区的冰雹过程来说，由于雷达静锥区的存在而影响探测结果和数据，但其预报概率与历史的拟合率也达到75%。因此得出以上的预报概率方程即预报模型效果较好，可以投入应用，并且希望在今后应用的过程中，不断积累新的个例，不断总结发现新的因子，不断检验，不断完善，不断修正各指标之间的配比，使得预报准确率越来越高，提高冰雹的短时临近预报能力。

［1］伍志方，叶爱芬，胡胜，等.中小尺度天气系统的多普勒统计特征［J］.热带气象学报，2004，20（4）：391-400.

［2］俞小鼎，张爱民，郑媛媛，等.一次系列下击暴流事件的多普勒天气雷达分析［J］.应用气象学报，2006，17（4）：385-393.

［3］康凤琴，张强，马胜萍，等.青藏高原东北边缘冰雹形成机理［J］.高原气象，2004，23（6）：749-757.

［4］李金辉，樊鹏.冰雹云提前识别及预警的研究［J］.南京气象学院学报，2007（1）：114-119.

［5］李秀琳，贾金海.VIL产品在人工防雹中的应用［J］.陕西气象，2008（3）：13-15.

［6］王令，郑国光，康玉霞，等.多普勒天气雷达径向速度图上的雹云特征［J］.应用气象学报，2006（3）：281-286.

［7］俞小鼎.多普勒天气雷达原理与业务应用［M］.北京：气象出版社，2006.

［8］章国材.强对流天气分析与预报［M］.北京：气象出版社，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文章顺序编号：1672-5190（2016）09-0059-04

2016－07－12

项目来源：2016年内蒙古自治区气象局青年基金项目（nmqnqx201612）。

祁雁文（1983—），女，工程师，主要从事短期、短时临近天气预报工作。

（责任编辑：钱英红）