趙銀玲，王 濤，*周運(yùn)麗

（1.山西省運(yùn)城市氣象局，山西 運(yùn)城 044000;2.山西省預(yù)警信息發(fā)布中心，山西 太原 030002）

冰雹是強(qiáng)對(duì)流發(fā)生時(shí)會(huì)伴隨出現(xiàn)的一種強(qiáng)烈天氣［1］，是較為嚴(yán)重的一種災(zāi)害性天氣，具有突發(fā)性、瞬時(shí)性、局地性的特征，易給農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等造成嚴(yán)重?fù)p毀［2］。由于冰雹災(zāi)害性天氣的特點(diǎn)，在實(shí)際氣象業(yè)務(wù)工作中具有一定的預(yù)警和預(yù)報(bào)困難。馬洪波等［3］指出目前氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)中廣泛使用的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Server Weather Automatic Nowcasting，SWAN）對(duì)冰雹的預(yù)警雖然在采用新冰雹指數(shù)后能有90%以上的命中率，但虛報(bào)率也在90% 以上。

隨著多普勒天氣雷達(dá)布網(wǎng)的不斷加密，多普勒天氣雷達(dá)在強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)分析和短臨預(yù)警方面起著關(guān)鍵作用。20 世紀(jì)50 年代以來(lái)，國(guó)外雷達(dá)氣象學(xué)者在雷達(dá)探測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣方面做了大量工作，利用天氣雷達(dá)對(duì)冰雹進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、跟蹤預(yù)報(bào)研究已進(jìn)行半個(gè)世紀(jì)，發(fā)展了很多理論和方法，提出一些識(shí)別方法［4-13］。20 世紀(jì)70 年代NSSL 的科學(xué)家們開發(fā)了一系列算法，可以從雷達(dá)反射率因子數(shù)據(jù)中識(shí)別出雹體，并追蹤和反推雹體質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)［4］。近年來(lái)，多普勒天氣雷達(dá)在冰雹災(zāi)害性天氣的預(yù)警及預(yù)報(bào)方面得到了進(jìn)一步的研究，對(duì)冰雹天氣發(fā)生時(shí)的雷達(dá)回波特征進(jìn)行總結(jié)分析，表明冰雹天氣發(fā)生時(shí)，包括反射率因子強(qiáng)度和垂直液態(tài)水含量、回波頂高等，均可用于冰雹的識(shí)別和預(yù)警［14-17］。Yang 等［18-19］對(duì)基于多站雷達(dá)的雹體識(shí)別與跟蹤算法（Storm Cell Identification and Tracking，SCIT）進(jìn)行改進(jìn)，并開展三維的自動(dòng)識(shí)別、跟蹤和預(yù)報(bào)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)效果較好。

盡管天氣雷達(dá)相關(guān)產(chǎn)品可以有效地識(shí)別冰雹，但目前主要依賴于人工識(shí)別雷達(dá)圖像的方法效率低下，且需要較為豐富的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)新一代多普勒天氣雷達(dá)大部分是S 波段和C 波段雷達(dá)［20］。而在人工防雹業(yè)務(wù)體系中，主要使用X 波段多普勒天氣雷達(dá)，它能及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)當(dāng)?shù)鼐植康谋⒌葹?zāi)害性天氣狀況，為組織防雹作業(yè)贏得寶貴時(shí)間。因此，對(duì)于人工防雹作業(yè)，易發(fā)生冰雹災(zāi)害的區(qū)域，研究基于SCIT 算法X 波段天氣雷達(dá)，對(duì)冰雹進(jìn)行系統(tǒng)化快速識(shí)別和自動(dòng)化預(yù)警作用尤為重要。

本文基于X 波段YLD1-C 型全固態(tài)多普勒雷達(dá)回波資料，以山西省運(yùn)城市為例，對(duì)運(yùn)城市的冰雹資料進(jìn)行實(shí)例分析，根據(jù)冰雹天氣的特征規(guī)律，應(yīng)用SCIT 算法對(duì)建立致災(zāi)性較強(qiáng)的冰雹天氣的判識(shí)與預(yù)警，對(duì)提高強(qiáng)對(duì)流冰雹天氣人工防雹作業(yè)水平，以及對(duì)冰雹災(zāi)害防御工作具有十分重要的意義。

1 資料來(lái)源

X 波段YLD1-C 型全固態(tài)多普勒天氣雷達(dá)的主要功能是用于探測(cè)75 km 內(nèi)的暴雨、冰雹、大面積降雨的自然天氣，具有全固態(tài)、全相參、準(zhǔn)連續(xù)波的體制和較高的時(shí)間、空間分辨率特點(diǎn)，可靠性高。

本文使用山西省運(yùn)城市X 波段全固態(tài)多普勒天氣雷達(dá)站點(diǎn)的14 層×360 徑向×1 000 庫(kù)×75 m 的分辨率格點(diǎn)基數(shù)據(jù)作為雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)樣本，結(jié)合運(yùn)城市5 個(gè)地面測(cè)站冰雹作業(yè)觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)，使用與雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品采集時(shí)間相一致的降雹觀測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)比雷達(dá)數(shù)據(jù)識(shí)別降雹點(diǎn)和實(shí)際降雹點(diǎn)的個(gè)數(shù)和地理分布差異，進(jìn)行冰雹云X 波段雷達(dá)反射率的特征反演，并與雷達(dá)數(shù)據(jù)分析軟件RadarDataAnalyser 仿真比對(duì)。應(yīng)用SCIT 冰雹識(shí)別與跟蹤預(yù)警算法對(duì)冰雹概率（POH）、強(qiáng)冰雹概率（POSH）、預(yù)期最大冰雹尺寸（MEHS）參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以實(shí)例對(duì)冰雹識(shí)別的效果進(jìn)行判識(shí)預(yù)測(cè)。

主要對(duì)山西省運(yùn)城市2016-2018 年降雹過(guò)程進(jìn)行分析，搜集整理2016 年、2017 年5 月-7 月、2018年5 月期間，觀測(cè)站實(shí)際冰雹作業(yè)記錄數(shù)據(jù)，選取降雹期間對(duì)應(yīng)的河津市、臨猗縣、絳縣、垣曲縣、芮城縣等5 部X 波段多普勒天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)樣本。YLD1-C 型天氣雷達(dá)獲取的基數(shù)據(jù)樣本在立體掃描觀測(cè)模式下，每6 分鐘可觀測(cè)到約14 層360 徑向1 000 庫(kù)3 要素（單PRF：ConR+V+W），即每秒鐘可生成約42 K 浮點(diǎn)數(shù)據(jù)量，所以基數(shù)據(jù)樣本均采用二進(jìn)制形式保存，以節(jié)省計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間。文件頭長(zhǎng)度為1 266 個(gè)字節(jié)，各層采樣的徑向數(shù)據(jù)相同。文件頭中包含：站址信息段、雷達(dá)性能參數(shù)段、雷達(dá)參數(shù)段三部分，其中包括：0.5°、1.45°、2.4°、3.35°、4.3°、5.25°、6.2°、7.5°、8.7°、10.0°、12.0°、14.0°、16.7°、19.5°PPI等14 層仰角信息。實(shí)時(shí)觀測(cè)記錄包含：徑向頭、反射率、速度和譜寬數(shù)據(jù)。

雷達(dá)基數(shù)據(jù)處理流程如圖1 所示，將雷達(dá)基數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和質(zhì)量控制，二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提取觀測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)、文件頭信息、仰角方位角信息，建立方位角索引、徑向索引與極坐標(biāo)二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波圖像產(chǎn)品的生成過(guò)程。

圖1 雷達(dá)基數(shù)據(jù)處理流程

2 SCIT 算法分析

冰雹探測(cè)算法HDA（Hail Detection Algorithm）尋找凍結(jié)層上的高反射因子，使用的反射率因子是凍結(jié)層之上雹體分量的最大反射率因子。對(duì)冰雹概率POH（Probability of Hail）的計(jì)算而言，凍結(jié)層之上存在的最大反射率因子至少大于45 dBZ。強(qiáng)冰雹概率POSH（Probability of Severe Hail）和最大預(yù)期冰雹尺寸MEHS（Max Expected Hail Size）的計(jì)算中，凍結(jié)層之上存在的最大反射率因子至少大于40 dBZ。

SCIT 算法探測(cè)到的雹體選擇保留較強(qiáng)、較高的雹體，如果兩個(gè)雹體質(zhì)心間的距離小于水平拋棄5.0 km 閾值、兩個(gè)雹體間的高度差大于高度拋棄4.0 km 閾值，則較弱較矮的雹體被拋棄。識(shí)別每個(gè)確定的雹體，需計(jì)算質(zhì)心、質(zhì)心高度、最大反射率因子、最大反射率因子高度、雹體底和頂、分量數(shù)目、基于雹體的垂直累積液態(tài)水含量（VIL）等屬性?；诒Ⅲw的VIL 用下式計(jì)算

其中，Zi和Zi+1為在兩個(gè)連續(xù)仰角上的雹體相關(guān)分量的最大反射率因子值，Δh 為層間距離，單位是m?；诒ⅢwVIL 方法考慮雹體核所呈現(xiàn)出的傾斜結(jié)構(gòu)。

雹體跟蹤預(yù)警算法過(guò)程：通過(guò)將當(dāng)前體掃所發(fā)現(xiàn)的雹體與“前次體掃”雹體作匹配來(lái)監(jiān)測(cè)雹體的移動(dòng)。從有最大VIL 的雹體開始，用“前次體掃”所預(yù)計(jì)（以過(guò)去移動(dòng)為基礎(chǔ)）的該雹體質(zhì)心的當(dāng)前位置與實(shí)際位置作比較，如果預(yù)計(jì)雹體質(zhì)心位置與實(shí)際位置的距離小于確定閾值，則認(rèn)為是同一雹體。如果是同一雹體，就賦予與“前次體掃”相同的ID 號(hào)，如果不是同一雹體，就被賦予新的ID 號(hào)。

強(qiáng)冰雹指數(shù)SHI 的計(jì)算公式為

其中，WT為權(quán)重函數(shù)，E 為冰雹動(dòng)能，H0為凍結(jié)層高度，HT為雹體頂高度，E 的表達(dá)式為

權(quán)重函數(shù)W（Z）被用來(lái)定義雨和冰雹反射率因子的“轉(zhuǎn)換區(qū)”，值介于0～1 之間，求得SHI 的單位是J/（m2·s），根據(jù)SHI 確定報(bào)警閾值WT（Warning Threshold），利用經(jīng)驗(yàn)公式：WT=57.5 H0-121，WT 的單位為J/（m2·s），強(qiáng)冰雹概率POSH 的值介于0～100%之間，當(dāng)WT=SHI 時(shí)，概率為50%。強(qiáng)冰雹概率POSH 和最大預(yù)期冰雹尺寸MEHS（mm）的計(jì)算公式為

在結(jié)合冰雹云雷達(dá)反射率上的特征和雷達(dá)回波參量演變來(lái)識(shí)別冰雹云的基礎(chǔ)上，利用SCIT 算法經(jīng)驗(yàn)閾值對(duì)冰雹概率POH、強(qiáng)冰雹概率POSH、預(yù)期的最大冰雹尺寸MEHS 參數(shù)形成防雹作業(yè)條件的邏輯判斷方法，并最終得到雹體序列號(hào)、雹體位置、雹體移動(dòng)速度、雹體移動(dòng)方向等可開展人工防雹作業(yè)的模擬地點(diǎn)參數(shù)。

3 算法實(shí)例驗(yàn)證

3.1 實(shí)例校驗(yàn)對(duì)比

雹體跟蹤預(yù)警POH 識(shí)別算法根據(jù)冰雹尺寸大小進(jìn)行相應(yīng)的閾值訂正，算法對(duì)運(yùn)城市臨猗縣X 波段雷達(dá)2018 年05 月15 日19:20 的算法處理后的冰雹概率POH 進(jìn)行識(shí)別：同一個(gè)雹體具有相同的ID：01 號(hào)，如圖2 所示。

圖2 臨猗雷達(dá)2018 年5 月15 日19:20 冰雹概率POH 識(shí)別與RadarDataAnalyser 基本反射率

圖2 中，同一雹體識(shí)別冰雹概率POH 分別為100%和0%，估測(cè)降雹尺寸為0.89 mm。比對(duì)臨猗雷達(dá)同一時(shí)次，RadarDataAnalyser 軟件生成的雷達(dá)基本反射率數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)，識(shí)別的雹體位置具有相關(guān)一致性。

3.2 POH 識(shí)別實(shí)例分析

從2016 年6 月4 日16 時(shí)山西多普勒雷達(dá)組合反射率拼圖（如圖3 所示）可以看出：運(yùn)城、臨汾交界處有東北—西南向帶狀回波生成，圖3a 有塊狀對(duì)流回波，圖3b17 時(shí)雷達(dá)回波南移，影響運(yùn)城北部的河津、稷山等地，之后圖3c 南壓，影響萬(wàn)榮、臨猗，致其出現(xiàn)冰雹，圖3d18:30 時(shí)回波減弱，圖3e19 時(shí)南部再次生成較強(qiáng)塊狀回波，影響永濟(jì)、芮城、鹽湖、平陸，圖3f 這些地區(qū)帶來(lái)短時(shí)大風(fēng)、冰雹及強(qiáng)降水，20時(shí)之后回波減弱，降水趨于結(jié)束。

如圖4 所示，對(duì)2016 年06 月04 日臨猗的X 波段雷達(dá)16 時(shí)至19 時(shí)基數(shù)據(jù)進(jìn)行雹體冰雹POH 算法識(shí)別，圖4a 雹體個(gè)數(shù)為2，分別為雹體ID06、ID03。圖4b 雹體個(gè)數(shù)為4，分別為雹體ID11，同一雹體ID03 為2 個(gè)、ID02 為2 個(gè)，ID01 為4 個(gè)。圖4c 雹體個(gè)數(shù)為2，分別為同一雹體ID02 為2 個(gè)、ID01 為7個(gè)。圖4d 雹體個(gè)數(shù)為5，分別為雹體ID07、ID06、ID04，同一雹體ID02 為2 個(gè)、ID01 為4 個(gè)。圖4e 雹體個(gè)數(shù)為4，分別為雹體ID05、ID11，同一雹體ID02 為2 個(gè)、ID01 為7 個(gè)。圖4f 雹體個(gè)數(shù)為4，分別為雹體ID04，同一雹體ID05 為2 個(gè)、ID03 為2 個(gè)、ID01 為8 個(gè)。

通過(guò)同一時(shí)次的圖3 與圖4 對(duì)比，可以判斷圖4b、圖4c、圖4d、圖4e 與圖4f 可以較好的識(shí)別雹體POH。根據(jù)雹體POH 識(shí)別數(shù)與位置的統(tǒng)計(jì)，結(jié)合雷達(dá)拼圖對(duì)比驗(yàn)證，X 波段雷達(dá)基數(shù)據(jù)POH 算法平均識(shí)別率可達(dá)85%。

圖4 臨猗X 波段雷達(dá)2016 年06 月04 日16 時(shí)至19 時(shí)的雹體冰雹POH 識(shí)別

3.3 POSH、MEHS 實(shí)例分析

2016 年4 月27 日18 時(shí)至20 時(shí)，算法共對(duì)27個(gè)連續(xù)時(shí)間序列的臨猗X 波段雷達(dá)基數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行POH、POSH、MEHS 輸出處理。經(jīng)過(guò)算法處理后，2016年4 月27 日19:00 的冰雹識(shí)別仿真結(jié)果如圖5 所示，圖中包括冰雹的位置跟蹤預(yù)警：輸出過(guò)去1 小時(shí)冰雹歷史移動(dòng)軌跡信息以及未來(lái)1 小時(shí)每隔15 分鐘冰雹位置跟蹤預(yù)警信息。其中編號(hào)為ID04 的雹體：經(jīng)度為111.139°，緯度為35.911°，降雹概率POH 為90%，強(qiáng)降雹概率POSH 為0%，雹體移動(dòng)速度為75.04 km/h，雹體移動(dòng)方向160.60°，預(yù)期最大冰雹尺寸MEHS 為6.76 mm，比測(cè)站外實(shí)測(cè)大小約5 mm 冰雹尺寸略偏大。

圖5 臨猗X 波段雷達(dá)2016 年4 月27 日19:00 的雹體冰雹識(shí)別

如圖6 所示，對(duì)臨猗X 波段雷達(dá)2018 年5 月15 日18 時(shí)至19 時(shí)選取部分時(shí)間序列的冰雹進(jìn)行算法識(shí)別，冰雹降雹概率、雹體移動(dòng)方向、經(jīng)緯度位置與臨猗縣防雹作業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致。其中臨猗縣18:45左右，冰雹天氣涉及縣三管鎮(zhèn)東姚村、西姚村和北景鄉(xiāng)，冰雹直徑約15 mm，持續(xù)時(shí)間約3 分鐘。圖6e中2018 年5 月15 日18:54 時(shí)，圖像顯示多個(gè)雹體移動(dòng)趨勢(shì)方向分別為45°、90°、135°與270°，以及冰雹未來(lái)移動(dòng)位置的跟蹤預(yù)警，均有效地覆蓋縣境內(nèi)北景鄉(xiāng)、三管鎮(zhèn)范圍內(nèi)，算法仿真結(jié)果與地面測(cè)站冰雹觀測(cè)、降雹區(qū)域和防雹作業(yè)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)具有相關(guān)一致性。

圖6 臨猗X 波段雷達(dá)2018 年5 月15 日18 時(shí)至19 時(shí)的雹體冰雹POH 識(shí)別

4 結(jié)語(yǔ)

采用基于SCIT 雹體識(shí)別與跟蹤預(yù)警算法，結(jié)合冰雹云雷達(dá)反射率上的特征和雷達(dá)回波參量演變來(lái)識(shí)別冰雹云的基礎(chǔ)上，針對(duì)X 波段全固態(tài)多普勒天氣雷達(dá)對(duì)冰雹識(shí)別效果的仿真研究，利用SCIT 算法對(duì)冰雹概率POH、強(qiáng)冰雹概率POSH、預(yù)期最大冰雹尺寸MEHS 參數(shù)形成防雹作業(yè)條件的智能識(shí)別判斷。通過(guò)SCIT 算法對(duì)X 波段雷達(dá)數(shù)據(jù)樣本實(shí)例應(yīng)用研究，得到X 波段全固態(tài)多普勒雷達(dá)天氣雷達(dá)雹體序列號(hào)、雹體位置、雹體移動(dòng)速度、雹體移動(dòng)方向等可開展人工防雹作業(yè)的仿真參數(shù)信息。算法在基于位置的冰雹預(yù)警發(fā)布、人工防雹中的效果和可用性，有利于相關(guān)部門科學(xué)設(shè)計(jì)人工防雹作業(yè)指揮，以及有針對(duì)性的實(shí)時(shí)、高效、動(dòng)態(tài)的冰雹預(yù)警信息發(fā)布和冰雹災(zāi)害防御等方面具有重要的指導(dǎo)意義。