引言

随着气候变化的影响，强冰雹(冰雹直径≥20 mm)和短时强降水(1小时降雨量≥30 mm)等强对流灾害性天气频发。近些年来，为了对它们进行实时监测、追踪、分析和临近预警，国内外气象工作者一直在广泛开展针对短时对流灾害性天气预警系统的研究开发工作，如中国气象局的SWAN、北京和上海的短临系统、澳大利亚气象局的SETPS系统、香港天文台的SWIRLS系统以及NCAR的临近预报系统、ANC系统等多种以雷达探测为基础的强风暴临近预报系统^[1]。这些系统的研究开发为短时强天气预警业务的开展起到很好的平台作用。但在实际业务工作中，预报员综合分析各种探测资料和短时预警的各种客观产品，认真分析客观预报与主观预报的最佳结合点，采用经验识别和外推，仍然是目前开展强对流天气的临近预警业务的主要途径^[2]。因此，预报员如何根据雷达探测资料识别强对流天气回波、准确确定落区及强度对强对流天气的预报和临近预警十分重要，不少学者对此进行了研究^[3-17]。恩施地形类似于一个倒置的喇叭口，东北西三面均有较高的山脉，中南部是海拔相对较低的河谷地区(图 1)，特殊的地形犹如一个“地形辐合器”，当有天气系统影响时，往往会进一步发展加强，产生强对流天气，本地的强冰雹和短时强降水出现也较频繁，引起的灾害也最为严重。

本文分别统计了2007—2008年发生在恩施山区有完整资料的7次强冰雹和8次短时强降水天气过程的基本速度、反射率因子、VIL和VIL密度以及雷达风廓线VWP进行了对比分析，找出了区别上述两类强对流天气的雷达临近预警指标，为本地短时临近预警提供了实用参考标准。

1 资料和天气过程环境参数 1.1 资料

收集了2007—2008年在恩施山区发生的7次强冰雹(冰雹直径≥20.0 mm)天气过程和8次短时强降水(1小时降水量≥30.0 mm)天气过程的多普勒雷达资料及气象站降水资料。这15次天气过程分别见表 1和表 2。

1.2 天气过程环境参数

为了详细反映天气过程环境参数变化特征，分别统计出了700~500 hPa温差，地面露点、850 hPa露点，地面温度露点差、850 hPa温度露点差和700 hPa温度露点差，地面至6 km高度(地面以上6 km)风矢量差以及0 ℃和-20 ℃层海拔高度和0 ℃层到地面高度这10个环境参数，分别记为T_700-500(℃)、T_d地面(℃)、T_d850(℃)、T-T_d地面(℃)、T-T_d850(℃)、T-T_d700(℃)、V_{0~6 km}(m·s^-1)、H₀(km)、H_-20(km)和ΔH_0-地面(km)(统计表略)。可以看出，强冰雹天气的10个环境参数平均值分别为16.75 ℃、18.13 ℃、4.25 ℃、13.75 ℃、5.09 ℃、6.14 ℃、15.38 m·s^-1、4.53 km、7.63 km和3.78 km，而短时强降水分别为14.63 ℃、21.38 ℃、1.63 ℃、17.50 ℃、1.35 ℃、1.58 ℃、10.88 m·s^-1、5.05 km、8.60 km和4.51 km。通过比较，前者由低层至高层温差大、地面至6 km高度风矢量差大，而地面温度露点差值较小、0 ℃和-20 ℃层海拔高度和0 ℃层到地面高度较低等特点。

2 雷达特征对比分析

对强冰雹天气和短时强降水的雷达回波等特征进行了详细分析(详细见表 3和表 4)。表 3分别对雷达径向速度特征、回波形态、回波中心强度、回波梯度、回波顶高与0 ℃高度的差(ET-H₀)、45 dBz强回波伸展的高度(H_{45 dBz})和VIL密度(D_VIL)这7个参数进行了统计，表 4分别对反射率因子平显特征、回波中心强度、回波顶高、40 dBz强回波伸展的高度(H_{40 dBz})VIL和VIL密度(D_VIL)这6个参数进行了统计。

2.1 反射率因子对比分析

按照1.2节分析标准以强冰雹和短时强对流两类主要强对流天气进行对比分析。从表 3可见，反射率因子平面位置显示器(PPI)特征：产生强冰雹的回波以带状回波波动、钩状和块状单体为主，分别出现了5、5和3次，伴随有三体散射现象(TBSS)仅出现了1次，发生强冰雹时均有V形槽口出现，前侧V形槽口通常表明强的入流气流进入上升气流，这种强烈的上升气流非常有利于雹胚成长为强冰雹，从基本反射率因子产品图上可见明显的V形槽口，强回波中心附近梯度比较大，回波呈倾斜状态。如2008年5月12日发生在宣恩境内的一次直径达30 mm的冰雹过程, 16:57, 0.5°~6.0°回波图上均出现了TBSS、V型槽口，在不足2 km距离内, 反射率值从45 dBz跃升到70 dBz, 其梯度达25 dBz·km^-1(图 2)；2008年7月11日发生在来凤境内强冰雹过程，15:37强回波向偏南方向倾斜，右后侧出现V型槽口，不足2 km距离内, 反射率值从45 dBz跃升到69 dBz, 其梯度达24 dBz·km^-1(图 3)。恩施境内的冰雹过程从几分钟到几小时不等，维持时间长，影响地域较广，很难把握。在此时间段内，由于局地产生降雹使得强单体内强度迅速下降、回波的传播移动和不可忽视的地形影响等原因，造成基本反射率产品上强度波动很大，有时在几分钟内可以有20 dBz左右的较大变幅，利用实时回波来判断降雹过程的持续时间是不合适的，这也是反射率因子产品在使用上的局限。相比之下，短时强降水以带状居多，宽带状和涡带状一起出现4次，弓状和涡旋回波各出现2次，伴随零度量带出现3次(表 4)。反射率因子距离高度显示器(RHI)特征：发生强冰雹时常呈强回波悬垂，并有有界弱回波(BWER)和弱回波(WER)，旁瓣假回波和回波墙出现，45 dBz强回波伸展高度比较高，平均为9.0 km左右；而短时强降水则是粗壮的中下部，形似矮胖子，40 dBz强回波伸展不高，平均在7.0 km左右。

2.2 VIL和VIL密度对比分析

从表 5可以看出，恩施山区发生强冰雹时，VIL一般为24~52 kg·m^-2，降雹前跃增现象表现比较明显，一般降雹前的1~3个体扫期间有一次或两次跃增过程，跃升量为9~16 kg·m^-2。而发生短时强降水时，VIL的值一般为5~13 kg·m^-2，少数偶尔达到25 kg·m^-2，比较稳定，没有跃增现象发生(表 6)。可能由于VIL容易受季节、强回波倾斜、回波移速过大、雷达扫描策略原因而导致雷达探测不到真实的风暴顶或风暴底以及恩施山区复杂地形等这些因素的影响下，导致本地VIL值偏小，如2008年7月28日16:09—16:23强冰雹过程在其整个生命史中都未超过VIL冰雹预警指标(45 kg·m^-2)，恩施山区发生8次短时强降水时VIL的变化范围5~25 kg·m^-2，多数在5~13 kg·m^-2范围内变化，如果以湖北暴雨判别标准(VIL≥10 kg·m^-2)来临近预警的话，有好几次过程要漏报。因此需要引入VIL密度概念(D_VIL=VIL/H，单位为g·m^-3)。从表 3和表 4可以看出，强冰雹VIL密度范围为3.6~5.6 g·m^-3，平均值为4.2 g·m^-3，而短时强降水的D_VIL密度要小很多，为0.8~2.3 g·m^-3，平均值为1.1 g·m^-3，不及冰雹的27%。

2.3 风廓线(VWP)对比分析

很多观测事实和研究指出，对流天气都产生在一定强度的水平风随高度变化的风场中，适当的水平风的垂直切变有利于风暴的加强和较久的维持时间。通过雷达风廓线来计算风垂直切变，由于恩施雷达海拔较高(1751.9 m)，近似取1.8~6.1 km的风垂直切变，需要说明的是，有时强冰雹天气过程降雹前6.1 km处的值为无数据(No Data, ND)，处理时一般选取6.1 km附近且离6.1 km最近的值代替。分别计算了发生强冰雹和短时强降水时的风垂直切变值，发现这8次强冰雹天气风垂直切变的平均值可达2.3 ×10^-3 s^-1以上，当6.1 km高度为偏北风，风垂直切变值较大，可达2.8×10^-3~3.7×10^-3 s^-1(图 4a)，而当6.1 km高度为偏南风时，切变值较小，仅为0.9×10^-3~1.5×10^-3 s^-1(图 4b)；对短时强降水来说平均值可达1.9×10^-3 s^-1，当6.1 km为西南风，低层为偏北风，风垂直切变值可达4.2×10^-3~4.7×10^-3 s^-1(图 4c)，当整层为西南风时，风垂直切变较小(图 4d)。

3 临近预警 3.1 强冰雹临近预警指标

根据上述分析和雷达产品特征变化特点，选取负温区回波厚度、强中心回波强度、强回波梯度、45 dBz强回波伸展高度、VIL密度和雷达风廓线1.8~6.1 km风垂直切变作为预警的统计指标。考虑到预警一个提前量，具体如下：

(1) 负温区回波厚度(ET-H₀)≥7 km；

(2) CR强中心回波强度≥55 dBz；

(3) 强回波梯度≥15 dBz·km^-1，基础值40~45 dBz；

(4) 45 dBz强回波伸展高度(H_{45 dBz})≥7.5 km；

(5) VIL密度(D_VIL)≥3.2 g·m^-3；

(6) VWP上1.8~6.1 km风垂直切变值(VWP切变)≥2.3×10^-3 s^-1。

为了检验这些预警指标的性能，定义POD为探测概率，FAR为误报率，CSI为临界成功率，X为报对的次数，Y为漏报次数，Z为空报次数，其中POD=X/(X+Y)，FAR=Z/(X+Z)，CSI=X/(X+Y+Z)，以下类同。对2009年发生的一次强冰雹过程有6块冰雹云[6个地方下了冰雹，含一般冰雹(10 mm≤D＜20 mm)]和强冰雹(≥20 mm))，符合上述强冰雹判据的有3个，实况强冰雹3次，无一漏报和空报，根据上述评分标准得到对应的POD和CSI均为100%、FAR为0。可以看出，通过以上6个预警指标可以很好地识别恩施强冰雹天气过程。但在实际使用中要配合天气形势背景和雷达径向速度等其他产品来一起使用。为了详细说明这些参数演变趋势与降雹发生时间对应关系，选了20090321个例N7风暴单体(生消时间：00:35-01:30；影响时间：00:53-01:24；降雹持续时间：31分钟)特征演变趋势，可以看出降雹前18分钟这5个参数分别为 5.4×10^-3, 43×10^-3, 8.0×10^-3, 4.6×10^-3, 0.47×10^-3, 2.79×10^-3，降雹前12分钟分别为5.10×10^-3, 48.00×10^-3, 12.00×10^-3, 5.30×10^-3, 1.08×10^-3, 2.56×10^-3, 相比降雹前一个体扫和降雹时CR、强回波梯度、45 dBz强回波伸展高度和VIL密度增加很快，分别从43×10^-3、8.0×10^-3、4.6×10^-3、0.47×10^-3增加到59×10^-3、20×10^-3、8.3×10^-3和4.41×10^-3(见图 5a)。

3.2 短时强降水临近预警指标

短时强降水发生时有突发性和偶然性的特点，对它的临近预警和精细化预报一直是个难点。经过统计发现恩施山区发生的这8次短时强降水反射率因子、VIL密度、40 dBz强回波伸展高度和雷达风廓线VWP上1.8~6.1 km风垂直切变平均值分别为43.7 dBz，1.1 g·m^-3，7.0 km和1.9×10^-3 s^-1。如果满足天气尺度辐合特征(槽、低涡和切变)和站点附近满足雷达基本速度上有辐合特征(中尺度辐合线、逆风区或气旋式辐合等)，同时满足反射率因子、VIL密度和40 dBz强回波伸展高度和雷达风廓线VWP上1.8~6.1 km风垂直切变平均值达43.7 dBz，1.1 g·m^-3，7.0 km和1.9×10^-3s^-1，可以考虑该站点及附近地区进行短时强降水临近预警状态。7个例11次短时强降水，符合上述判据有9个，漏报2次，无一空报，根据评分标准得到对应的POD为81.8%，FAR为0，CSI为81.8%。分析漏报原因，这2次漏报发生在恩施西南部咸丰县。2次VIL密度均小于1.1 g·m^-3，同时1次VWP切变不满足1.9×10^-3s^-1的条件，1次回波较弱，CR强中心回波小于43.7 dBz和40 dBz强回波伸展高度小于7.0 km。可能主要是咸丰地势较低(海拔高度777 m)，离雷达站70 km，利用雷达测高公式，采用仰角0.5°的话，雷达探测不到咸丰地面以上至1.8 km高度处的回波，导致这些值偏小。今后可以考虑根据恩施山区地形起伏特点进行分区分析，采用差别化预警效果可能会更好。为了详细说明这些参数演变趋势与短时强降水发生时间对应关系，选了20090629个例鹤峰上空14时这些雷达特征演变趋势，可以发现反射率因子、VIL密度、40 dBz强回波伸展高度和雷达风廓线VWP上1.8~6.1 km风垂直切变变化范围为38~50 dBz，1.0~1.63 g·m^-3, 7.0~9.0 km，2.33×10^-3~4.19×10^-3 s^-1，平均值分别为43.8 dBz, 1.3 g·m^-3, 8.0 km, 3.0×10^-3 s^-1。

4 结论

(1) 根据详细分析数据，选取负温区回波厚度≥7 km、CR强中心回波强度≥55 dBz、强回波梯度≥15 dBz·km^-1、45 dBz强回波伸展高度≥7.5 km、VIL密度≥3.2 g·m^-3和雷达风廓线1.8~6.1 km风垂直切变均值≥2.3×10^-3 s^-1作为强冰雹临近预警指标，并利用“09.3”鄂西南冰雹强对流天气对其性能进行了检验，其成功概率和临界成功指数均为100%。

(2) 如果满足天气尺度辐合特征(槽、低涡和切变)和站点附近满足雷达基本速度上有辐合特征(中尺度辐合线、逆风区或气旋式辐合等)，同时满足反射率因子、VIL密度、40 dBz强回波伸展高度和雷达风廓线VWP上1.8~6.1 km风垂直切变平均值达43.7 dBz，1.1 g·m^-3，7.0 km和1.9×10^-3s^-1，可以考虑该站点及附近地区进行短时强降水临近预警状态，并利用2009年恩施山区发生的11次短时强降水对其性能进行了检验，其成功概率和临界成功指数均为81.8%。