引言

广西地处低纬地区，春季冷暖空气交汇频繁，冰雹是主要灾害性天气之一。冰雹是一种中小尺度系统，具有很强的局地性，是在一定的环流背景下，在不稳定层结、触发机制和云物理机制等有利的条件下产生，预报难度较大^[1]。多年来，国内外许多专家致力于冰雹预报方法的研究，通过寻找与云中能够降雹的种种相关因素，建立天气形势预报、物理量参数预报和相关统计预报等方法^[2-4]。通过大量的观测研究，特别是数值模拟方法的广泛使用，人们对强对流天气发生的物理机制有了更为深入的了解，并在业务预报中引入了许多新的物理参数^[5-7]。但大量研究中对造成冰雹天气的环流形势分型之后再进行潜势预报，在此基础上根据物理参数估计进行的概率预报的研究甚少。本文通过对1976—2006年共31年春季(2— 5月)广西出现的70次区域性冰雹过程环流形势场分型和对冰雹天气有指示意义的物理量场分析，研究广西区域性冰雹天气潜势预报方法，在业务试验预报中取得了一定的效果。

1 定义和资料

本文使用1976—2006年广西89站地面观测资料，1990年至今的高空观测资料、1986年至今的ECMWF的分析场、24小时预报场和基本要素场计算后的物理量场资料。

把广西区分成4个区域，分别为：桂东南、桂东北、桂西南和桂西北，每个区域出现日冰雹数≥2个站，即视为该个区域出现一次冰雹天气过程。经统计后，1976—2006年春季(2—5月)共31年间，达到过程的次数：桂东南7次、桂东北20次、桂西南16次和桂西北27次，其中桂西北出现的次数最多。

2 环流分型和预报因子的选取 2.1 环流分型

冰雹天气过程主要是冷、暖空气在广西一带交绥的结果，但引起冰雹天气的环流形势是不完全相同的，根据冰雹发生前24小时的基本特征，概括为3种类型的环流形势。

第一类为华北低槽型(如图 1a)。500hPa华北、河套有较强的冷温槽东移，槽底南伸到贵州北部、云南北部一带，槽后有宽广的西北气流控制，温度槽和高度槽基本同步，广西受槽前西南气流控制；850hPa在华北东部、贵州中部到广西西部有冷式切变线；地面在河套附近有冷高压，其中心与桂林的气压差5~6hPa，冷锋位置与850hPa切变线相似，冷空气从中路南下影响广西。这类冰雹落区主要出现在桂北。

第二类为高原东部低槽型(如图 1b)。500hPa高空中、低纬度地区出现强的经向环流，在亚洲中、低纬度地区为明显的两脊一槽形势，低槽位于高原东部，槽后经向环流较大，高原东部有较深厚的冷温槽东移，有时出现冷温槽明显落后于高度槽的特征，槽后有正变高和负变温，槽前负变高和正变温，这种变高、变温的配置有利于低槽在东移过程中进一步发展加强。地面西南暖低压发展旺盛，中心气压≤1000hPa，广西大部地区出现干热天气，下午气温上升到30~33℃，个别站高达36℃，云南西部和黔西南部分地区出现5~7级的西南大风，西南暖低压在东移的过程中有时发展演变成江淮气旋，冷空气从西路到中路南下，暖低压后部的干冷空气快速南侵影响广西，是冰雹天气发生的主要触发机制之一。此类冰雹落区主要出现在桂北和桂西。

第三类为南支槽型(如图 1c)。南支槽位于30°N以南，90°E附近，槽比较宽，温度槽前倾，高原南部、云南、广西西部有负变温，新疆到西北地区东部为槽区，其所在的位置比南支槽偏东，槽后有明显的西北气流，河套到江南北部为暖脊。850hPa高原南部到云贵川为暖低压环流控制，温度锋区位于长江流域到湖南南部一带，并有偏南气流和偏东气流的暖式切变存在，华北为冷高压控制。地面图上，西南地区为暖低压控制，冷高压位于华北到东北，地面静止锋位于湖南南部到广西北部，呈西北—东南向。在冰雹发生当天，南支槽快速东移，每天大约有10个经度，有时与西北地区低槽合并移出；地面冷空气从东路南压影响广西，这类冰雹落区主要在桂西北。

根据以上的分型，统计了广西4个区域冰雹天气对应的环流分型次数和比例(见表 1)。由表 1可见，4个区域中由高原东部低槽造成的冰雹过程所占的比例为最大，其次为南支槽型，最少的为华北低槽型。

2.2 预报因子的选取

在对广西冰雹环流分型的基础上，取格距为2.5°×2.5°，以22.5~25.0°N、105.0~10 7.5°E的4个格点代表桂西北，20.0~22.5°N、105.0~107.5°E的4个格点代表桂西南，22.5~25.0°N、107.5~110.0°E的4个格点代表桂东北，20.0~22.5°N、107.5 °E~110.0°E的4个格点代表桂东南。

根据冰雹发生的基本条件：不稳定能量积聚引起的不稳定层结，较好的低空水汽条件和适当的对流触发因子，我们选取了以下冰雹日前一天20时的ECMWF常用预报因子。

代表不稳定能量积聚引起的不稳定层结预报因子：

(1) ΔP_{0(桂林-海口)}：海平面气压中25°N、110°E格点值与20°N、110 °E格点值之差，它表示海平面上广西南北气压梯度，差值越大，气压梯度越大。

(2) ∑T_8501区：850hPa温度场中(25°N、105°E)、(25°N、110°E)、(30°N、110°E)3个格点值之和，它表示850hPa温度场上贵州南部、广西北部到湖南南部之间的温度之和，温度和越大，越有利于强对流发生。

(3) ΔT_{850(兴仁-海口)}：850hPa温度场中25°N、105°E格点与20°N、110° E格点温度差，它表示广西上空对流层中低层的温度梯度。

代表低空水汽条件的预报因子：

(1) H_R850：850hPa广西4个区域分别对应格点的相对湿度值。

(2) H_R700：700hPa广西4个区域分别对应格点的相对湿度值。

代表对流触发因子：

(1) H_k1，500：500hPa高度场上(20°N、95°E)、(25°N、95°E)、(30°N、95°E)3个格点值之和与(20°N、110°E)、(25°N、110°E)、(30 °N、110°E)3个格点值之和的差。它表示南支槽与105°E的相对位置和深浅，负值越大，槽的位置越偏西。

(2) H_k2，500：500hPa高度场上(20°N、105°E)、(25°N、105°E)、(30°N、105°E)3个格点值之和与(20°N、120°E)、(25°N、120°E)、(30°N、120 °E)3个格点值之和的差。它表示南支槽与110°E的相对位置和深浅，负值越大，槽的位置越偏西。

(3) ΔH_500高原槽：500hPa高度场上(30°N、95°E)、(35°N、95°E)、(40°N、95°E)、(45°N、95°E)、(50°N、95°E)5个格点值之和与(30 °N、110°E)、(35°N、110°E)、(40°N、110°E)、(45°N、110°E)、(50 °N、110°E)5个格点值之和的差。它表示高原东部槽与105°E的相对位置和深浅，负值越大，槽的位置越偏西。

(4) ΔH_500(东-西)：500hPa高度场(30°N、105°E)、(35°N、105°E)、(40°N、105°E)、(45°N、105°E)、(50°N、105°E)、(55°N、105 °E)、(60°N、105°E)7个格点值之和与(30°N、120°E)、(35°N、120°E)、(40°N、120°E)、(45°N、120°E)、(50°N、120°E)、(55 °N、120°E)、(60°N、120°E)7个格点值之和的差。它表示华北低槽与110°E的相对位置和深浅，负值越大，槽的位置越偏西。

3 预报方法

首先，利用数值预报产品资料计算出上述9个预报因子，根据1976—2004年2—5月资料，分别求出9个因子和冰雹的单相关系数，得到表 2中的结果。广西4个区域发生和不发生冰雹总样本数为18592个，经过α=0.05的显著水平检验，查得r_α=0.05=0.1873。9个因子中，除了H_R700外，我们选取相关系数大于0.2的8个因子作为预报因子，它们分别为：ΔP_{0(桂林-海口)}、∑T_8501区、ΔT_{850(兴仁-海口)}、H_R850、H_k1，500、H_k2，500、ΔH_500高原槽、ΔH_500(东-西)。

3.1 用逐步判别分析法进行冰雹预报

在计算相关系数的基础上，利用逐步判别分析法建立广西各区域冰雹预报方程。方程建立过程中剔除了部分因子，得到各区域的判别方程、阈值、临界成功指数、命中率和假警率和漏报率如表 3。其中X₁为ΔP_{0(桂林-海口)}、X₂为∑T_8501区、X₃为ΔT_{850(兴仁-海口)}、X₄为H_R850、X₅为H_k1，500、X₆为H_k2，500、X₇为ΔH_500高原槽、X₈为ΔH_500(东-西)。Y的阈值为Y_c，即当Y≥Y_c时，认为将产生冰雹，当Y＜Y_c时，则认为不产生雷暴。

对此方程进行历史拟合，得出4个判别方程的平均临界成功指数为33.9%，平均命中率为46.5 %，平均虚假报警率为37.4%，漏报率为16.4%。方程组预报结果空多漏少，虽然对冰雹有一定的预报能力，但是距离投入业务运行还有很大差距。

3.2 用指标叠加法进行冰雹预报

由于用判别方程预报方法空报偏多，再用指标叠套法进行预报。

首先，在对样本的统计分析中发现，以上的预报因子在一定的阈值之外可以是很好的消空指标。他们分别为：①ΔP_{0(桂林-海口)}≤-4，或≥7。桂林-海口之间的气压梯度太大或者太小，同时，ΔH_500(东-西)≥-4，广西处于槽后；②∑ T_8501区≤9，恩施、兴仁—桂林一带的温度太低。③ΔH_500(东-西) ≤-70，槽距离较远，或≥35，槽已经东移出广西。④ΔH_500高原槽≤-45，或≥100，高原槽未移近95°E或者已经远离110°E；⑤H_k1，500≥8，或H _k2，500≥6，或(H_k1，500+H_k2，500)≥6, 南支槽未移近105°E或者已经移出115°E。只要达到上述5个消空指标中的任何一个，即可进行消空，即可预报第二天广西没有区域性的冰雹天气。

其次，对消空后的样本逐区域判断预报因子的值，并将阈值确定(见表 4)，要求各个区域都要满足8个指标的阈值才能判断该区域次日有一次冰雹过程。

用此方法对2005、2006年的冰雹进行历史拟合，两年间共有5个区域性雷暴日，报对4个，漏报0个，空报2个，临界成功指数为57.1%，命中率为80.0%，虚假报警率为40.0%。指标叠代法比判别法的虚假报警率要低，由于2年用于检验的个例太少，除了以上的两种方法之外，我们还结合当天08时广西6个探空站实况观测资料，进行订正，分别用百色、南宁、桂林和梧州4个探空站当天700hPa(T-T_d)≤10℃，850hPa(T-T_d)≤4℃，且ΔT_(850-500)≥24℃，分别作为桂西北、桂西南、桂东北和桂东南的补充订正指标，空报次数则可以减少为1次。

3.3 用指标叠加法试报2007年2—5月的广西区域冰雹

用指标叠加法试报广西2007年2-5月的冰雹，期间共有4次区域性冰雹，用本预报方法报对4次，漏报0次，空报1次，则临界成功指数为80.0%，命中率为100.0%，虚假报警率为25.5%，对区域性的冰雹有较好的潜势预报能力。

另外，本方法对区域性的雷雨大风(规定当天有≥8级大风出现为雷雨大风)也有较好的预报能力。统计了广西在2007年2—5月出现的11次雷雨大风天气，用该预报方法报对了10次，漏报1次，该漏报样本为2个站雷雨大风。可能由于区域性的雷雨大风的预报条件比冰雹的条件相对要宽松而造成漏报，但此方法对雷雨大风、冰雹还是有较好的指示意义。

4 基于对流参数估计的冰雹落区概率预报试验

由于强对流天气系统的中小尺度特性及其发生发展的复杂性，使用数值预报结果或用常规天气图方法直接作强对流天气的定点、定时、定量短时预报十分困难。为了表述强对流天气发生、发展的环境，经常用到各种对流参数，以下是我们冰雹落区概率预报试验中所用的对流参数。

4.1 对流参数表达式及其物理意义

(1) K指数：K=(T₈₅₀-T₅₀₀)+T_d850-(T-T_d) ₇₀₀

K指数是描述大气暖湿程度和稳定度的综合性指标，既考虑了垂直温度梯度，又考虑了低层的水汽和湿层的厚度。K指数越大，层结越不稳定。

(2) 沙瓦特稳定指数：SI=(T_环境500-T_气块)

SI是描述大气稳定度的物理量。它是850hPa等压面上的湿空气团沿干绝热线上升，到达抬升凝结高度后再沿湿绝热线上升至500hPa时所具有的气团温度与500hPa等压面上的环境温度的差值。SI大于0，为大气稳定，反之不稳定。

(3) 涡度：$\zeta {\rm{ = }}\frac{{\partial v}}{{\partial x}}-\frac{{\partial u}}{{\partial y}}$

表征空气块旋转运动强度特征的物理量。

(4) 垂直速度：ω_p=ω_p0+ D(p₀-p) 其中ω_p和ω_p0分别是p和p₀高度处的垂直速度。D为p和p₀之间的平均散度。

(5) 对流有效位能(CAPE)

$ CAPE = g\int {_{zf}^{ze}\frac{1}{{\overline {{T_{ve}}} }}} \left( {{T_{va}}-{T_{ve}}} \right){\rm{d}}z $

把在自由对流高度(LFC)到平衡高度(EL)间的层结曲线与状态曲线所围成的面积称为对流有效位能(CAPE), 它表示有可能转换为动能的位能。

4.2 对流参数的阈值和概率预报

选用广西气象减灾所MM5中尺度模式08和20时逐3小时预报场的数值预报产品(H、T、Td、U、V、P)计算以上对流参数，格距为45km×45km，并用高斯距离权重法插值到全区89个气象测站上，得到各个站点的对应值。根据2005—2006年拟合率确定阈值范围，它们分别为：SI < -3；K>35；CAPE>1500；(ζ₈₅₀+ζ₇₀₀ +ζ₆₀₀+ζ₅₀₀)>0；(ω_p850+ω_p700+ω _p600+ω_p500) < 0，每满足一个指标P_i=1，否则P_i=0，再计算P_概率，如式(1)。

$ {P_{{\rm{概率}}}} = \left\{ {\sum\limits_{i = 1}^5 {{p_i}/5} } \right\} \times 100\% $

(1)

P_概率=20%，表示冰雹出现的可能性小；P_概率=40%，冰雹出现的可能性较小，P_概率=60%，冰雹出现的可能性较大，P_概率=80%，冰雹出现的可能性大，P_概率=100%，冰雹出现的可能性很大。2007年广西有6次过程，9站次的冰雹，表 5给出了冰雹预报概率P_概率=100%时与实况对比情况。当P概率=100%时，预报出6次过程中的4次，准确率66.7%，但是，逐站的正确率却较低，只有10.2%，空报率89.8%，没有漏报。此方法对过程有一定的预报能力，但是落区预报方法还需要进一步探讨。

5 结论与讨论

(1) 在对广西4个区域冰雹气候特征分析的基础上，基于高空槽和地面冷空气路径将造成冰雹的环流形势，分为华北低槽型、高原东部低槽型和南支槽型，其中高原东部低槽型影响造成冰雹次数最多。

(2) 在分型基础上检索出数值预报产品有物理意义的预报因子，分别采用判别分析法和指标叠套法制作广西冰雹的潜势预报，在预报实践中，过程的准确率后者比前者要高；再结合当天的探空资料指标，可以进一步提高命中率。

(3) 基于中尺度数值模式输出场的对流参数估计，对于不同参数设置有不同阈值范围来制作广西冰雹落区的概率预报试验，试验结果表明，过程预报有一定效果，但是落区预报方法还有待于进一步改进。