吴红秀,杨沛琼

(丽江市气象局，云南 丽江 674100)

0 引言

新一代天气雷达系统提供的垂直累积液态含水量(VIL)是一种导出产品，它表示将反射率因子数值转换成等价的液态水值，它用的是假设所有反射率因子返回都是由液态水引起的经验导出关系，反映的是云底上部单位面积上悬挂的可降水质量。VIL是Greene于1970s年代初期提出的一个全新的预报因子，以后经过Robert等和Yates在对强对流天气、风暴单体跟踪等方面进行了深入的研究，1980s美国雷达气象学家结合WSR-88D气象产品的开发，进一步发展和完善了VIL的应用，尤其是在强对流天气预报方面取得了较大的进展。根据1998年3月美国NEXRAD业务支持处(OSF)对WSR-88D用户进行的民意调查，表明VIL是实际业务中应用次数最多的产品之一。近年来，随我国新一代天气雷达建设的逐步展开，对VIL的应用研究得到了加强，潘江和张培昌[1]利用VIL资料进行了估测降水的研究，王炜[2]等则利用VIL资料进行了冰雹预测等，均取得了较好的效果。VIL被广泛地应用在多普勒雷达中，成为判别强降水及其降水潜力、强对流天气造成的暴雨、暴雪和冰雹等灾害性天气使用率较高的有效工具之一[3]。本文利用丽江CINRAD/CC雷达的VIL产品对丽江强对流天气(冰雹、短时强降水)的预警效果进行初步的研究及探讨。

1 资料选取

丽江地处青藏高原东南缘、横断山脉腹地，地势西北高、东南低，CC型多普勒天气雷达坐落于玉龙县太安乡海拔3 175m的香炉山上，探测半径150km，境内玉龙雪山、哈巴雪山、老君山等高山林立，除发射回波下游区域因受山体遮挡，东部因海拔落差和地球曲率等因素影响造成探测失真外，其它区域探测质量较好。业务中选用1.5°为最佳探测仰角，采用连续体扫模式。统计丽江市2006 ～ 2010年共5年间的实况资料，选取有配套多普勒天气雷达资料的局地短时强降水实测雨量大于等于20mm/h的49次过程。(丽江短时强降水定义采用2010年中国气象局定义的一小时降水量大于等于20mm)的降水。本文所用冰雹资料是从2006 ～ 2010年丽江气象台站的冰雹观测记录及民政部门提供的冰雹灾情资料中选取了22次比较典型的个例。

2 VIL值与丽江冰雹天气

2.1 VIL值与丽江冰雹天气

表1 丽江市2006～2010年冰雹日VIL特征值表(汛期期间)

从表 1可看出：通过对22次典型冰雹过程中的VIL值进行统计分析，发现冰雹过程初生时段VIL值在8 ～ 20kg/m2跳跃，旺盛时段VIL平均值在34kg/m2徘徊，丽江市冰雹识别中应用VIL产品时，应特别关注VIL=21kg/m2的临界值和VIL=36kg/m2的特征值，当VIL大于等于临界值(VIL=21kg/m2)时预示着发生冰雹的可能性极大，也是初步判定为冰雹天气的临界值，如果后续VIL值有跃增性增长，并短时(1～5个体扫)达到30kg/m2以上，此时可以肯定将发生冰雹天气；如果后续值在这个区间徘徊，就要结合强度、速度等产品深入分析，确定是否有冰雹。5年中VIL最大值是2007年6月23日出现在宁蒗县(西川、西布河乡)、华坪县(新庄、通达乡)等地的系统性冰雹天气过程中，其值是17时45分的56kg/m2。

非汛期期间，根据资料统计认为，2008年3月22日永胜县永北镇上午10：00～11：00时出现冰雹最大值只有3kg/m2，20年11月11日古城区束河镇中午14：00～15：00时出现冰雹最大值只有11kg/m2，春、冬季与夏季有明显差异的特征与丽江地区的气候特点有很大关系，因此夏季与春季和冬季可设置不同的VIL阈值。这与上海地区的统计结果有很大区别，上海地区VIL≥40kg/m2时，春季容易产生冰雹天气，在夏季只有当VIL足够大(VIL≥55kg/m2时)，才会产生冰雹天气[5]。由此可见，VIL冰雹的相关指标因季节和地区的不同差异很多，由于春季和冬季观测和收集到的资料只有2次，以后通过大量实况资料的分析才能找到适合各丽江地区春、冬季的参考指标。

用2006～2010年五年的统计值在2011年汛期冰雹预测中的检验得到了很好的效果，使2011年以后的雷达预警业务得到了明显提高，人工防雹作业效果有很大改善，无冰雹漏报。

汛期期间，VIL值在18kg/m2上下的可以发布冰雹预警，VIL值达到30kg/m2以上，可以确诊已经形成冰雹云系。非汛期期间，VIL值远远小于汛期期间，由于春季和冬季观测和收集到的资料只有2次，以后通过大量实况资料的分析才能找到适合各丽江地区春、冬季的参考指标。

2.2 冰雹天气历史个例的分析检验

2008年9月25日下午在丽江市古城区的束河、金山及祥和的单点型冰雹天气，丽江国家气候观象台记录了此次冰雹过程。从雷达回波演变特征和观象台的记录可知，这次冰雹过程移动快，持续时间短，依次影响上面3个乡镇。在冰雹过程中伴有地面大风、短时强降水和强雷电等天气现象，观象台记录的地面瞬时大风是21.1m/s，冰雹直径为5mm。HI和VIL演变特征对这次冰雹云的形成具有很好的指示作用。15：12在HI产品上发现代码为DO和EO的两个风暴单体，图像产品显示Posh=50，SMEH=1，均满足出现冰雹的统计特征。图1是这次冰雹天气的VIL随时间变化曲线。15时28分，POSH=50，SMEH=0cm、VIL=3kg/m2，15时39分的VIL值增加到20kg/m2，11分钟内增加了17kg/m2，HI和VIL出现后都持续增长，15时45分的VIL值达到了45kg/m2，达到最大值，在3个体扫18分钟时间内VIL值跃增了40kg/m2，15时45分以后开始降雹，最大值维持一段时间后下降，HI在15：56开始下降，VIL值在15：45～16：07过程中呈单调减小，16时13分的VIL值仅是13kg/m2，预示着降雹过程即将结束。

图1 (a)2008年9月25日15时12分HI产品(b)9月25日VIL随时间变化曲线(c)9月25日15时45分VIL产品

Fig.1 (a)HIproductsat15：12onSeptember25(b)VILchangingwithtimecurveonSeptember25 (c)VILproductsat15：45onSeptember25，2008

3 VIL值与丽江短时强降水

3.1 VIL值与丽江短时强降水

短时强降水与VIL值的对应关系见表1(VIL是连续统计短时强降水出现时的每个体扫数据中VIL值)。

从表 2可看出：(1)由于距离等的原因，出现强降水时VIL值仍可能为零，即VIL值对强降水没有明显指示作用的仍占了18%的比例；(2)当VIL≧1kg/m2持续维持4个体扫以上时，则有可能出现持续性降水或强降水，历史概括率为40/49=81.6%；(3)当VIL≧5kg/m2时有可能出现短时性强降水，历史概括率为25/49=51.0%。暴雨过程由于强回波整体高度不高、强度不大，VIL大部徘徊在层积混合回波的初级反演值3kg/m2附近，初生时段平均值为5kg/m2，旺盛时段平均值为10kg/m2，两值相差量级不大。由此可见：为便于业务应用，我们可以把VIL≧5kg/m2可设为强降水的短临预警指标。

表2 2006～2010年49次丽江市强降水个例的VIL值分布特征统计

对2011年7月份四个气候站的31d的资料进行逐日检验，其中31天中每小时降水量大于20mm/h的有4次，当VIL≧5kg/m2在这4次中达到预警标准的有3次，即准确率为3/4=75%；华坪7月13日9：00～10：00小时降水量为20.2mm，但VIL没有值，这是因为华坪国家气候基本站(海拔：1 230.8m)位于丽江市香炉山新一代天气雷达站(天线高度：3 175.0m)东南方，直线距离122km，在雷达有效探测范围之内，且两者的海拔落差值达到1 944.2m，这也是造成华坪的VIL值被低估的原因；在其余27次中每小时降水量均小于20mm，但VIL值达到预警标准的有仅有5次，即误报率为5/27=18.5%；其中这5次中有2次每小时降水量≧15mm/h，说明也有一定的应用价值。

3.2 强降水历史个例的分析检验

2013年4月30日宁蒗暴雨，主要出现在30日的19：00～22：00，其中红桥19：00～20：00，1小时雨量39.3mm，红旗20：00～21：00，1小时雨量27.8mm，烂泥箐21：00～22：00，1小时雨量23.6mm。本次过程当日17时有降水云系从四川盆地进入丽江新一代天气雷达探测区域，并不断南下，云系前端的是积层混合降水回波，后面是稳定的层状云降水回波。18时前后云系移动到宁蒗县北部，在移动云系的前端出现多个强对流回波单体，一部分对流单体在移动的过程中减弱，也有部分对流单体在移动的过程中继续加强。

表3是4月30日宁蒗测站、红旗、红桥、烂泥箐该过程3个单体VIL的变化分析从表2可看出此次强降水时段单峰型，VILmax为29kg/m2，VIL平均﹥9kg/m2，这与国内江西出现短时强降水的VIL平均值在28～42kg/m2，雷雨大风和短时强降水相伴出现时，VIL值在44～47kg/m2，因此，丽江短时强降水时VIL值低于国内部分地区的同期值。

表3 宁蒗2013年4月30日局地暴雨VIL特征值

4 VIL值在应用中存在的问题

VIL值在应用中存在估测误差，估测误差直接来源于雷达反射率因子Z(Dbz)，而造成Z(Dbz)误差主要有以下几个原因：

(1)在雷达扫描的静锥区内或在远距离处的云体VIL值可能会低估。因为在近距离处，云体顶部处在雷达静锥区内，导致高层无Z值资料；而在远距离处，最低仰角为0.5°，导致0.5°仰角以下无Z值资料。二者均可能导致VIL值低估。由于受雷达近锥区的影响，靠近雷达站的风暴不能被完整扫描，探测不到回波顶，VIL值会被低估，例如，2008年9月25日15时前后，雷达站附近(d<15km)出现了冰雹天气，但VIL最大值仅为19kg/m2，且高VIL值的面积比较小。对距离较远的风暴单体，低仰角波束从风暴高反射率因子区的中层或上层穿过，致使下层的VIL未被统计到，而导致VIL数值被低估，在华坪境内出现的短时强降水和冰雹中的VIL值经常会被低估，如表1在华坪境内出现的5次强降水VIL值都很小，VIL最大值小于5kg/m2。

(2)由VIL原理可看出，Z-M关系是在雨滴谱服从M-P分布假定下得到的，所以实际降水云中雨滴的易变性将导致VIL值产生误差。在使用中应对不同降水分类，然后对同一类型降水过程的VIL值进行比较，应分雷雨大风、冰雹和短时强降水相伴出现时丽江的VIL值，只出现短时强降水时的VIL值，得到对本地有实际意义的判别指标。

(3)对强烈倾斜的对流云体，其上部可能伸展到其它相邻的柱体中。这类强降水大多出现在华坪站和宁蒗站，因为丽江雷达站属高山雷达站，华坪站和宁蒗站离丽江雷达站较远，且海拔高度落差大，导致雷达探测到的是对流云中上部，其回波强度相对较弱。另外，对快速移动的降水云体，由于雷达探测低仰角和高仰角的时间差也可能使降水云体上部伸展到其它相邻的柱体中。二者均可能导致VIL值低估。

5 结语

(1)当VIL在 18kg/m2上下时预示着发生冰雹的可能性极大，如果后续VIL值有跃增性增长，并短时(1～5个体扫)达到30kg/m2以上，此时可以肯定将发生冰雹天。非汛期期间，VIL值远远小于汛期期间。

(2)通过对丽江短时强降水个例的初步研究表明：VIL值对短时强降水有一定预警效果，当VIL≧1kg/m2持续维持4个体扫以上时，则有可能出现持续性降水或强降水，历史概括率为40/49=81.6%；当VIL≧5kg/m2时有可能出现短时性强降水，历史概括率为25/49=51.0%。对2011年7月进行逐日检验表明：单用VIL≧5kg/m2作预警指标，预报准确率可达33.3%(3/9)。但由于距离、地形等的原因，出现强降水时VIL值仍可能为零，即VIL值对强降水没有明显指示作用的仍占了18%(5/18)的比例，这是业务应用中值得关注的一个问题。

(3)丽江强对流天气在距离雷达站较近或较远区域的VIL值会被低估，应结合其它产品综合判断。

以上指标大多是在业务中长期应用，并确实能够起到预判作用，但由于丽江地形特点限制，气候多变，加之高山雷达自身的局限性，以上预警指标的临界值还需要在以后的业务中加以检验和修正。

参考文献：

[1]潘江，张培昌.利用垂直积分含水量估测降水[J].南京气象学院学报，2000，23(1)：87～92。

[2]王炜，贾惠珍.用雷达垂直累积液态水含量资料预测冰雹[J].气象，2002，28(1)：47～48。

[3]张沛源，杨洪平，胡绍萍.新一代天气雷达在临近预报和灾害性天气警报中的应用[J].气象，2008，34(1)：3-11.