2006, Vol. 32 2. 南京大学大气科学系
2. Department Atmospheric Science, Nanjing University
新一代天气雷达的冰雹探测算法HDA (Hail Detection Algorithm)是通过寻找风暴单体中冻结层之上的高反射率因子以获得导出产品一冰雹指数HI[1]。美国的气象学家最早提出这一概念主要是为了对冰雹天气的临近预报提供一些帮助，并进行了算法的研究和改进，希望在不依赖于风暴单体的类型、倾斜度和回波悬垂状的探测，即在不需要了解单体微观结构的情况下估算风暴单体中冰雹发生的概率。算法的导出产品是冰雹指数HI(Hail Index)，包括冰雹概率POH(Probability of Hail)、强冰雹概率POSH (Probability of Severe Hail)和最大可能的冰雹尺寸SMEH(Maximum Expected Hail Size)。
上海地区的降雹天气并不多见，在我们统计的2000—2004年五年间总共出现冰雹天气仅7次，可是冰雹指数产品在回波图上显现的频率却相对较高。因此，在实际预报业务中，直接利用冰雹指数HI预报冰雹天气往往会出现空报或者实际降雹比预报的冰雹尺寸小的现象。同时我们发现，冰雹指数与局地灾害性强降水有较好的相关性，特别是在梅雨期和盛夏季节，冰雹指数产品往往反映了短时灾害性强降水(R实≥20mm•h-1)和特强降水(R实≥20mm•h-1)过程[2]。本文探讨出现这种现象的原因，期望改善冰雹天气的预报准确率并进一步了解冰雹指数与灾害性强降水的相关关系，扩展新一代天气雷达冰雹指数产品的应用范围。
1 冰雹探测算法和冰雹指数 1.1 算法的早期版本在HDA早期版本中的算法设置和流程，是根据美国Lemen教授的强冰雹识别理论，选取代表风暴三维结构的7个指示性因子[3]，即最高可探测风暴高度大于当地零度层高度（权重值17);风暴体内最大反射率因子大于55dBz (权重值15);中层风暴最大反射率因子大于50dBz (权重值20);最低层风暴的中心位于其上各层风暴的中心后侧（权重值7);风暴中层倾斜方向在风暴运动方向的右侧45~180°之间（权重值8);中层风暴的悬挂至少为4km且方向在风暴运动方向的右侧45~180°之间（权重值15);最高可探测风暴位于中高悬挂之上(权重值18)，这7个指示性因子权重值的累加为100。对于每一个风暴来说，当一个指示性因子满足时，其权重值就累加到该风暴的WPO(该风暴满足的所有指示性因子权重值的累加）上，当一个指示性因子无法探测时（如所需仰角超过雷达探测范围），其权重值就累加到该风暴的WPR(该风暴无法探测的所有指示性因子权重值的累加）上。然后利用WPO和WPR计算冰雹置信度因子CFA和冰雹成绩SCR:
|
|
若CFA≤25, 说明无足够资料探测冰雹；若CFA>25且SCR≤50, 说明不可能产生冰雹；若CFA>50且50 < SCR < 60, 说明可能产生冰雹；若CFA>50且SCR≥60, 说明肯定产生冰雹。
1.2 算法的改进版本由于早期的冰雹探测算法存在着很多局限性，因此一直在进行对其改进的研究，虽然形式上有较大差别，但思路都是建立在探测冻结层以上的高反射率因子上。目前美国多普勒天气雷达使用的HDA采用的是Arthur Witt等人在1998年提出的增强的冰雹探测算法[3]。
1.2.1 算法简介新的HDA仍然是一个基于反射率因子的算法，它是在垂直累积液态水含量VIL算法的基础上设计的，同时与改进的风暴单体识别与跟踪算法SCIT相结合。算法通过SCIT识别并跟踪风暴中心，将冰雹探测指标输入HDA，通过SCIT观测每一层的高度和最大反射率因子值，根据获得的最大反射率得出特定风暴的三维描述并输人算法。
1.2.2 冰雹概率POH冰雹概率是（H45-H0）的函数，其中H45是强度达45dBz的回波相对于雷达的高度；H0是溶化层相对于雷达的高度。
1.2.3 强冰雹概率POSH强冰雹是指直径约≥19mm的冰雹。在雷达产品的应用中，发现垂直液态水含量VTL能广泛的应用于强冰雹的预报[4]。因此，为了确定能产生冰雹的强风暴的存在，采取了类似VTL算法的处理方法，同时作了一些改变。首先将基于格点的算法变为基于单体的算法；然后使用反射率因子与冰雹的关系代替了VTL中的反射率因子与液态水的关系，将反射率因子数据变换成冰雹动能的通量值E。由图 1可见，VTL算法使用了一个“上限反射率因子”，相当于多普勒雷达降水处理系统PPS中的“最大封顶降水率”这一概念，目的就是要过滤掉与冰雹有关的高反射率因子。而在HDA算法中，Z-E关系函数：
|
|
图 1 冰雹动能通量（实线）及液态含水量（计算VIL，虚线）与反射率因子关系 |
仅使用与冰雹有关的典型高反射率因子，从而滤掉了与液态水有关的大部分较低的反射率因子，使冰雹动能通量E与地面冰雹的灾害性潜势密切相关[4]。HDA算法的另一个改进是使用了温度权重的垂直积分，并定义了一个强冰雹指数ISH(Severe Hail Index)：
|
其中：WT(H)是H0（0℃层高度）、Hm20(—20℃层高度）、HT(风暴单体顶的高度)的函数。
1.2.4 最大预期冰雹尺寸SMEH强冰雹指数ISH也被用来做最大冰雹尺寸的预测，这是一个完全的经验估计式，单位是mm:
|
在对风暴分析中，新算法设计的强冰雹指数ISH包含了温度和反射率两个因子，同时假设了40dBz (可调）以下的反射率是由雨滴造成的、50dBz (可调）以上的反射率是由冰雹造成的，而40dBz到50dBz之间的反射率是由冰水混合物造成的，并在函数WT(H)中假设温度在0℃以上的反射率完全是由雨滴造成的、温度在-20℃以下的反射率完全由冰雹造成的，而温度在-20℃到0℃之间的反射率是由冰水混合物造成的。因此，我们可以在不同季节，根据本地区的气候特征，通过调整两个反射率阈值来降低冰雹的伪警率。
HDA主要是通过识别风暴体内高反射率因子来判断冰雹的，这和预报局地强降水的思路相似，特别是上海地区在盛夏季节，0℃层高度太高，此时，即使云顶很高，也较难产生降雹，此时的冰雹指数往往指示了灾害性强降水天气。在春秋季节，当-20℃层较低时，过冷水滴累积区上界较容易达到此高度，此时的冰雹指数指示的多为冰雹天气。
原来的HDA算法只是简单判断探测的风暴单体是否会产生冰雹，改进后的算法可以估计冰雹概率、强冰雹概率并预测每个风暴单体可能产生的最大冰雹尺寸。算法还发展了一个新的参数，称为强冰雹指数(ISH)，在使用冰雹指数的过程中发现，HDA在预测强冰雹方面效果较好。
2.2 算法存在的问题在预报应用中发现，冰雹探测算法对风暴中冰雹的存在有一定的预警能力，特别是当冰雹尺寸较大（D>2. 5cm)时探测效果显著。但HDA只考虑了冰雹在冻结层以上的形成过程，而没有很好考虑冰雹形成后下降到冻结层之下的融化过程，这会使降雹概率和冰雹尺寸预报偏大。在温暖潮湿的环境中或对尺寸较小的冰雹来说，这种误差会更大。特别是在盛夏季节，地面温度高，冰雹在下降过程中的融化更为明显。这也造成了在实际应用中，冰雹指数显示PCH或者POSH较大时，高空的冰雹在降落过程中融化或部分融化而仅仅产生了局地强降水，HDA往往会过高估计冰雹天气的可能性，但却能帮助我们预报局地暴雨。
冰雹探测算法首先需要利用SCIT追踪风暴，输入风暴的三维结构，再对其进行具体分析。一旦SCIT出现错误，没有追踪到风暴，或者追踪存在误差就会造成HDA的错误。
算法假定各个仰角上的风暴分量为一个圆，可能会使冰雹悬挂指示性因子项的计算产生较大误差而降低冰雹探测性能。风暴顶的辐散等是产生冰雹很重要的特征，但这些显著的多普勒雷达速度场信息在冰雹探测算法中并未被使用。
2.3 算法的参数设置冰雹探测算法HDA需要用户准确、及时的输入0℃和一20℃环境温度层的高度、风暴的移向移速，因为0℃层高度（H0）和—20℃层高度（H-20）与成雹关系密切，不正确的输入或者不能及时更新这些参数会降低算法的性能。特别是当环境场快速改变却没能及时订正0℃和-20℃层的髙度时，利用冰雹指数进行预报的准确率也会降低，这一点是预报员在实际应用中需要特别注意的。
2.3.1 冰雹环境温度和缺省的风暴运动算法在环境数据中提供冰雹温度和缺省的风暴运动设置功能。在新版的ORPG中，为了正确的识别冰雹，值班员可以很方便的从有代表性的探空中提供0°和-20°处的高度值给RPG的冰雹算子，该算子搜索在冻结层以上的反射率因子高值。我们的经验是根据不同季节的统计值更换当令季节的平均0°和-20°层高度值，作为缺省的冰雹探测环境数据，当探空有较大变化时再调整为实际的数据。缺省的风暴运动是作为风暴单体跟踪时外推的初始值，我们从上海对流风暴单体出现最多的移向移速（260°和40KTS)情况进行缺省设置，如有较大的变化，值班员也可以随时调整。
2.3.2 风暴单体跟踪个数和冰雹探测结果的显示可调参数编辑功能还提供用户在显示冰雹指数产品时定义有关的参数，包括跟踪风暴单体个数，过去、当前和预报的位置，根据屏幕显示情况和经验，共定义10个跟踪的单体，依次由风暴单体的VIL值进行排队。单体太多，则显示屏太杂乱，而太少则可能会漏掉有意义的强单体。冰雹探测算子所提供的冰雹概率，根据预先设定的概率阈值以4种不同形式对产品进行显示，对应不同尺寸的冰雹在可能出现冰雹的位置上显示不同大小的空心或实心绿色三角形，有强冰雹时，会在三角形中间标上估计的冰雹尺寸值。
3 HL和VIL的统计特征及分析统计2000—2004年5年间的实况资料，选取了有配套多普勒天气雷达资料的局地强降水（有冰雹或实测雨量≥20mm•h-1)过程共22次。
3.1 HI的统计特征在22次强降水过程中，算法都识别出了冰雹指数产品，但真正出现冰雹天气的仅7次，虽然冰雹指数的击中率(POD)达到了100%，但预报冰雹的伪警率却相当高。从HI的统计结果来看（见图 2a，其中6、7、8、10、12、18、19过程是冰雹天气），在上海地区，当POSH > 70 %、SMEH> 3. 8cm时，出现冰雹的可能性较高，但在春季，冰雹指数很低时也会出现冰雹天气，如第6过程是4月2日(POH=50)、第7过程是4月5日(POH=20)，季节特征非常明显。在夏季，当POH≥80%时，就要考虑局地灾害性强降水的产生了，可见冰雹指数与局地强降水的相关性很大。统计结果还表明，HI除了季节不同会有所差异外，还与环境温度关系密切，我们注意到6、7两次过程设置的0℃和-20℃环境温度层高度没有及时更新，使用的是夏季的平均值，导致了HI偏小，这是因为冰雹生成条件是随季节、地域和天气背景而变化的，因此环境参数是一个时刻变化的参数，应用合理的环境参数就是考虑了当地的地理条件和大尺度环流背景，由此可见环境参数的设置是十分重要的。
|
图 2 2000—2004年HI(a)和VIL(b)的统计图 |
传统的观点认为VIL≥40kg •m-2时一般会产生冰雹天气[1]，但从VIL的统计结果来看(见图 2b)，在上海地区的春季符合此规律，如2002年4月2日冰雹指数最大值POSH= 0，POH = 50，VIL= 40kg • m-2，降雹；2002年4月5日冰雹指数最大值POSH= 0，POH= 20，SMEH= 0.5inch，VIL=40kg•m-2, 在南汇降雹。根据成雹的物理机制讨论，适宜降雹的0℃层高度（H0）一般在4公里上下，这种条件在初夏或初秋最易满足，所以此时降霍最多。这两次降雹都是在春季，环境0℃温度层高度较低。但是在夏季未降霍的15次中，有12次VIL≥45kg•m-2, 根据统计资料认为，在夏季，只有当VIL足够大（VIL≥55 kg•m-2时），才会出现冰雹天气。因此春夏两季可设置不同的VIL阈值。
3.3 HI和VIL在这22次强降水过程中，HI与VIL的最大值基本同时出现，占总数的90% (见图 3)，其中相差较大的两次（分别为3和5个时次），主要是保存下来的冰雹指数资料不全。还发现HI与VIL的最大值都是在最强降水出现之前达到。可见，VIL和HI与局地强降水是密切相关的。
|
图 3 HI与VIL最大值出现相差时次的分布图 |
另外，分析2004年7月8日个例，VIL最大值55 kg•m-2，比2003年7月17日的最大值65kg•m-2小，但2004年7月8日有降雹而2003年7月17日却没有。比较这两次的冰雹指数发现：2004年7月8日虽然VIL值低一些，但是冰雹指数值非常局，最局时POH = 100、POSH= 100、SMEH =5.7cm。但仅仅凭冰雹指数预报也会有问题，如2004年7月12日冰雹指数最高时尚达POH = 100、POSH= 100、SMEH= 4.4cm，但是没降雹，但这次过程的最大值只有40kg • VIL。研究结果表明，结合和VIL产品预报冰雹和局地暴雨可以提高预报准确率。根据统计特征，在上海地区，当VIL>55kg.m-2、POSH≥70%、SMEH≥3.8cm时，出现冰雹的可能性较高，而当VIL≥35kg•m-2,POH≥80%就要考虑灾害性强降水的预报了。
3.4 个例分析盛夏季节的7月25日中午，在黄浦江以东的上海浦东和南汇地区出现大片的强回≥波区，13:25—13:40在浦东下了小鸡蛋大小的冰雹，13:35在南汇下了直径14~15mm的冰雹，整个过程都伴随着局地暴雨。分析研究上海多普勒天气雷达的HI、VIL、CR(组合反射率）和尺（反射率）产品，发现代码为A0和C0的两个风暴单体持续时间较长，对此次强天气过程有重要影响。
图 4 (见彩页）是这次冰雹天气在13: 10的组合发射率因子CR图叠加HI和液态水含量VIL图，此前的两个强回波中心完全合并为一个超级单体回波，50dBz以上的红色面积增大，最大回波强度维持在60dBz。冰雹指数POH = 100、POSH= 50、SMEH= 3.2cm。VIL:60kg•m-2。均满足出现冰雹的统计特征。
|
图 4 2003年7月25日13时10分CR, HI图（左）和VIL（右） |
图 5是这次冰雹天气的HI和VIL随时间强度变化曲线。13:10, POH= 100、POSH=60, SMEH=3.8cm, VIL=65kg·m-2而VIL是在12：53—12：59超过55kg•m-2，到13:16达到最大值，HI和VIL出现后都持续增长，在13:16左右达到最大值，13:25开始下冰雹，最大值维持一段时间后下降，HI在13:28开始下降，VIL 13:39—13:45之间开始减小，降雹结束后仍有强降水持续。
|
图 5 2004年7月25日HI(a)和VIL(b)随时间的变化 |
(1) 新一代天气雷达产品一冰雹指数预报冰雹的伪警率较高，可以根据本地区的地理位置，季节变化以及天气背景条件，通过算法的要素统计，设定阈值并调整算法的参数以改善其预报准确率。
(2) 冰雹指数预报冰雹的思路与局地强降水天气的出现有密切关系，特别是盛夏季节可望利用它来改善局地灾害性强降水的预报。
(3) 冰雹探测算法需要用户准确、及时的输入0℃和一20℃层的高度、风暴的移向移速，可以利用当时季节的统计值修改参数，在不增加预报员工作量的前提下提高算法的性能。
(4) 在利用冰雹指数预报冰雹和局地强降水时，综合使用多种雷达产品对提高预报的准确性和时效具有很大的帮助。
| [1] |
OTB, OSF. WSR-88D OPERATIONS COURSE, 1997. 5 : TOPIC 8, 102-108.
|
| [2] |
邵玲玲, 邬锐, 黄宁立. 上海地区夏季的灾害性强降水, 大气科学研究与应用[M]. 北京: 气象出版社, 2005: 25-29.
|
| [3] |
Arthur Witt, Michael D. Eilts, Gregory J. Stumpf, and Co-authors, An Enhanced Hail Detection Algorithm for the WSR-88D. Weather and Forecasting[J], 1998, 13(2): 286-303.
|
| [4] |
Eric Lenning, Henry E.Fuelberg. An Evaluation of WSR-88D Severe Hail Algorithms along the Northeastern Gulf Coast. Weather and Forecasting[J]. December, 1998, 13: 1029-1045. |