（气象学专业论文）暴雨天气诊断及潜势预报研究.pdf

i 摘要 统计2 0 0 4 - - 2 0 0 6 年a r e m 模式输出k 指数、8 5 0 h p a 假相当位温、 3 0 0 - 8 5 0 h p a 涡度差、各层平均湿度和8 5 0 h p a 水汽通量散度等物理量与暴 雨及强对流天气关系，采用模糊逻辑方法建立暴雨及强对流潜势预报多参 数组合方程，然后代入a r 模式提供的相关物理量的预报场，进行暴雨 及强对流落区潜势预报。并针对暴雨分别带入2 4 小时物理量预报场的平 均值和最大值对每日暴雨潜势预报与日降水量比较、评估。对比分析 2 0 0 7 2 0 0 9 年每日潜势预报情况和暴雨t s 评分，结果表明：最大值方法， 潜势预报强中心偏多，范围偏大，暴雨空报较多；平均值方法能够较好反 映2 4 h 内整体降水分布情况，t s 评分较高，虽然对强降水中心落区预报 仍有偏差，但其总体效果要优于最大值方法，最好时高近1 0 。两种方法 的潜势预报结果对区域性暴雨的t s 评分均比局地性暴雨的高，这与模式 本身对区域性降水的预报能力较好有关。平均法潜势预报的t s 评分达 0 2 8 3 ，对暴雨预报有一定指示作用。 关键词：暴雨；中尺度模式；潜势预报 a b s t r a c t f o u n dr r i n s t o r l na n ds e v e r ec o n v e c t i o n p o t e n t i a lp r e d i c t a b i l i t y c o m b i n a t i o nq u a n t i t ye q u a t i o nb ys t u d y i n gt h ec o n n e c t i o n sb e t w e e np h y s i c s q u a n t i t y 、c o n v e c t i o np a r a m e t e r sa n dr s i n s t o r m f o r mr e l a t i o no fs e v e r e c o n v e o t i o nw e a t h e ra n dk ，8 5 0 h p a 吒，3 0 0 8 5 0 h p av o r t i c i t yd i f f e r e n c e ， d i f f e r e n tl e v e la v e r a g eh u m i d i t y , 8 5 0 h p am o i s t u r ef l u xd i v e r g e n c eo u t p u tb y a r e mf i o m2 0 0 5t o2 0 0 6w i 也t h em e t h o do ff u z z yl o g i c m a k i n gi r i n s t o r m p o t e n t i a lp r e d i c t a b i l i t y 、析也p h y s i c a lq u a n t i f i e sf o r ma r e mp r e d i c t a b i l i t ya n d c o m p a r i n gd a i l yp r e c i p i t a t i o na n d2 4 hr a i l l s t o r l np o t e n t i a lp r e d i c t a b i l i t y d u r i n g2 0 0 7t o2 0 0 9 ，t h er e s u l ts h o w st h e r ei sm o r ea b s e n tf o r e c a s t , s t r o n g e r c e n ：t e ：ra n dl a r g e rb o u n do fr a i n s t o r l nb yu s e dm a xv a l u e t h o u g hi te x i s t s w a r pb e t w e e nr a i n s t o r mp o t e n t i a lp r e d i c t a b i l i t y u s e da v e r a g ev a l u ea n d r a i n s t o r m , a n dt si sh i g h e r s i n c et h ea v e r a g er e f l e c tt h ew h o l ec o m p l e x i o no f p r e c i p i t a t i o nc o n d i t i o na m o n g2 4h o u r s ，i ti sb e t t e rb yu s i n ga v e r a g et h a n u s i n gm a x , t h eh i g h e s ti s 10 t so ft w ok i n d so fm e t h o da la r e ac o v e r a g e 随n s t o l i ni sh i g h e rt h a nl o c a lr a i n s t o r m , i ti sr e l a t e dw i t ht h ec a p a b m t yo f f o r e c a s t i n ga r e ac o v e r a g er a i n s t o r mb yn w p t so fa v e r a g ev a l u ep o t e n t i a l p r e d i c t a b i l i t ya r e0 2 8 3 ，a n di th a sd i r e c t i o ne f f e c ta lr a i n k t o r l np r e d i c t a b i l i t y k e y w o r d s ：r a i n s t o r m ；m e s o - n u m e r i c a lm o d e l ；p o t e n t i a lp r e d i c t a b i l i t y n 第一章前言。 目录 l 1 1 研究现状。l 1 2 问题的提出1 1 3 研究的目的2 第二章研究方法及资料 4 2 1 研究方法一模糊逻辑的原理4 z2 费料介绍5 第三章强对流天气潜势7 3 1 强对流潜势预报。7 3 1 1 雷暴落区的参数。7 3 1 2 雷雨大风落区的参数7 3 1 3 冰雹落区的参数8 3 2 统计结果9 3 3 强对流天气潜势预报模型9 3 4 预报实例。1 0 第四章暴雨潜势预报1 5 4 1 个例分析1 5 4 1 1 大气环流背景分析1 6 4 1 2 暴雨发生条件分析l7 4 1 3 潜势预报分析2 9 4 2 暴雨潜势方程参数分析3 3 4 3 参数统计与方程建立4 0 4 3 1 个例选取及参数处理4 0 4 3 2 参数统计4 0 4 3 2 1k 指数4 0 4 3 2 2 假相当位温4 0 4 3 2 33 0 0 - 8 5 0 1 p a 涡度差。4 1 4 3 2 4 平均相对湿度4 l 4 3 2 5 水汽通量散度4 1 4 3 3 建立预报方程。4 6 4 4 预报应用4 9 4 4 1 逐时预报4 9 4 4 22 4 小时预报。5 6 4 52 4 小时评估5 8 第五章结论 致谢 参考文献 作者简介 6 1 6 2 i v 6 3 6 5 第一章前言 1 1 研究现状 第一章前言 我国是一个幅员辽阔，气候、地形、地貌等特性复杂多样的农业大国，气象 灾害占自然灾害的7 0 9 6 ( 中国气象灾害大典湖北卷，2 0 0 6 ) ，影响我国的气象灾 害有2 0 余种，暴雨就是其中之一，由之引发的洪水泛滥、城市渍涝、山洪暴发等 次生灾害给人民的生活带来极大的影响。据新华社报道，来自国家减灾委、民政部 的统计，截至2 0 1 0 年8 月6 日，2 0 1 0 年洪涝灾害造成全国2 亿人( 次) 受灾，1 4 5 4 人 死亡，6 6 9 人失踪，1 2 1 4 8 万人( 次) 紧急转移安置，1 3 4 7 1 万公顷农作物受灾，其中 2 0 9 万公顷绝收，1 3 6 4 万间房屋倒塌，3 5 8 1 万问房屋损坏，因灾直接经济损失 2 7 5 1 6 亿元。而2 0 1 0 年8 月7 日晚连日暴雨导致甘肃舟曲突发泥石流，泥浆带长 约5 公里，平均宽度3 0 0 米，平均厚度5 米，总体积约1 8 0 万立方米，共造成1 1 1 7 人遇难，6 2 7 人失踪。不仅是中国，世界各地同样面临着暴雨天气引发次生灾害带 来的巨大影响。2 0 1 0 年6 月1 5 日起，法国东南部连降暴雨，引发该国自1 8 2 7 年 以来最严重的水灾。截至1 8 日，洪水已造成2 5 人死亡，1 3 人失踪。在受灾严重 的瓦尔省，水灾造成2 0 0 0 多民众无家可归，他们已被政府安置在体操馆和其他多 功能大厅内暂时栖身。6 月1 1 日早上，美国阿肯色州偏远山区暴发山洪，造成至 少2 0 人丧生，其中大多数为前往当地露营的游客。另外还有数十人失踪，恐怕已 经遇难。广大人民群众的生产、生活迫切需要提供准确的暴雨预报，但是暴雨的 成因非常复杂，它是多种尺度天气系统相互作用的结果，故而暴雨预测是世界性 的难题，尤其是定点、定量、定时的精细化预报非常难，美国等发达国家的暴雨 预报水平为2 3 。我国目前平均只有1 7 - 1 8 的准确率。 1 2 问题的提出 目前，天气预报主要以数值预报为基础，普遍认为要提高天气预报的准确率， 首先要提高数值预报的准确率，暴雨预报也是如此。l u c i eb r e z k o v 矗等认为洪水 是引发欧洲中部巨大经济损失的自然灾害而有效地水文和气象结合的预警预报系 统是减少暴洪灾害特别是生命损失的一种途径。段晚锁等瞪1 在对2 0 0 3 - - - , 2 0 0 6 年对 中国数值预报发展过程研究后，提到有一种新的集合预报初始扰动方法用于中尺 度暴雨预报，这种方法在1 9 9 8 年7 月8 日广东和福建的暴雨个例中适应性很好， 此外，集合预报也用于热带气旋降水预报。 然而数值预报对天气尺度强迫显著的暴雨过程有较好预报效果；对动力强迫 南京信息工程大学硕士学位论文 i 抬升较弱，而热力作用明显的对流性局地暴雨预报效果较差。r u s ss s c h u m a c h e r 等1 对0 7 - - 一0 8 年一些在美国中西部引发灾难的暴洪事件的天气过程研究之后，认 为数值模式对降水预报提供大量指导，更重要的是它们在高影响事件中的预报评 估，能够让用户对这些预报方法的优缺点有较好的理解。现在正研究如何使用全 球集合预报数据来衡量预报技巧及大尺度降水的局限性和拓展暴雨集合数值预 报，并判断不同大气过程如何限制这些天气强迫过程的变化。由于那些小尺度、 组织发展无序的对流降水系统很难预报，特别是那些包含深厚湿对流的系统，所 以，弱天气强迫的温季降水呈现出很高的预报挑战。以往全球定量降水预报的研 究证实他们对冬季小量级的降水有预报性，对夏季暴雨的预报要差。 有研究表明：对流的发生与物理量、对流参数有着密切的关系。cc a l a s 等1 利用同化自动站观测资料的a l a d i nm o d e l 诊断资料做中尺度分析，主要研究对流 有效位能和水汽辐合与雷暴的关系，结果表明雷暴通常发生在对流有效位能的连 续集中大值区，而且雷暴系统沿1 - 3 小时前的水汽辐合区发展。t h a i d e n 等哺1 使用边界层流场辐合和水汽、对流有效位能、抬升凝结高度等对流参量结合卫星 可见光图像做降水临近预报比单纯从对流单体转换做预报结果有改进。 众多气象工作者也一直在探讨研究物理量、对流与暴雨天气的关系。尹东屏 等拍1 将2 0 0 3 年7 月5 日江苏区域性大暴雨作为典型个例，与2 0 0 3 年梅汛期1 2 个 暴雨日的合成平均场在天气形势、物理量场等方面进行了对比，认为在同样的梅 雨天气形势下，大暴雨的产生与暖湿气流的强度、水汽辐合的大小、动力因子的 增强有密切的关联。郑仙照等h 1 对2 0 0 2 年闽东的一次暴雨过程分析后认为暴雨产 生在低层的正螺旋度中心与高层负螺旋度中心相配合和中低层有不稳定能量储存 的高能区并且对流有效位能的时空变化能较好的反映暴雨的时空演变特征。张海 玲等哺根据香港天文台提供的2 0 0 1 年8 月和2 0 0 2 年6 7 月业务区域谱模式( o r s m ) 物理量场预报值，采用决策树方法研究了空间环境物理量场的变化与暴雨中心的 关系，结果表明研究区暴雨中心降雨量的多少与周边相对湿度、海平面高度、温 度和经向风速以及这些物理量场所处的纬度位置关系密切，而与这些物理量场所 处的经度位置和纬向风速关系较小。 1 3 研究的目的 目前使用物理量场及对流参数做暴雨预报的方法有很多，蔡义勇等睁1 对 1 9 9 5 2 0 0 1 年7 - 1 0 月的1 4 4 个个例t 1 0 6 物理量场的普查和统计分析，认为k 指 数、比湿q 、涡度善和垂直速度缈对预报福建省热带气旋区域暴雨有较好的指示意 义，据此得到福建省热带气旋区域暴雨预报的着眼点和物理量诊断模型，建立了 2 第一章前言 应用t 2 1 3 数值预报模式输出的物理量预报场，试用表明预报结果优于t 2 1 3 雨量 预报。来小芳等u 伽利用配料法，用q 矢量、湿位涡、水汽通量散度设计了一个表 示强降水趋势的参数( 强降水指数i 丑i ) ，得到i 翻与降水的对应关系，之后用m m 5 模 式进行运算，得到预报时刻的i 捌值，用来预报强降水的产生，此方法在南通地区 应用后发现比单一参量预报暴雨效果要好。梁钰等1 在建立高度场分型的基础上， 选用5 0 0 h p a 温度、7 0 0 l l p a 风场、8 5 0 h p a 水汽通量散度、8 5 0 h p a 假相当位温、7 0 0 h p a 散度、5 0 0 h p a 涡度和5 0 0 h p a 垂直速度等7 个因子，采用合成法求取平均场，建立 致洪暴雨预报模型应用于面雨量预报，研究和使用的资料是天气尺度模式，对中 尺度天气系统影响考虑较少，该预报模型在2 0 0 3 年预报业务试验中对黄河秋汛期 间发生在小花间区域的致洪暴雨过程进行了较为成功的预报。李俊等n 羽用可降水 量( p r ) 、整层平均相对湿度( a r h ) 、对流有效位能( c a p e ) 、最有利抬升指数( b l i ) 、 k 指数、对流抑制能量( c i n ) 作为配料法的诊断因子做梅雨锋的强降水预报，统计 对长江中下游2 3 个探空站1 9 9 8 2 0 0 4 年梅雨期间暴雨个例“配料”的配置情况， 并根据不同降水量级分别建立了统计模型，然后运用“配料法”模型给出的暴雨 潜势预报，并给出了1 个预报实例，但这只是应用单站探空资料做的模拟实验，离 业务应用还有一段距离。 如何利用中尺度模式，建立物理量与强对流和暴雨天气的相关方程，得到暴 雨天气发生的潜在可能性即暴雨潜势预报，给预报员提供可参考的客观产品，是 本次的研究重点。研究a r e m 模式输出物理量与0 4 0 6 年强对流天气和区域暴雨 天气的关系，借用模糊逻辑理念，建立各类参数的隶属函数，进而得到与强天气 和暴雨相关的组合值，做强对流和暴雨天气的潜势预报，并重点对暴雨潜势预报 进行了评估，结果表明该潜势预报方法对强对流和暴雨天气的预报有一定的指示 作用。 3 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章研究方法及资料 1 研究方法一模糊逻辑的原理 张惠民在模糊逻辑简介中介绍到模糊逻辑( f u z z yl o g i c ) 是非经典逻 辑的一个领域亦称弗晰逻辑。它建立在多值逻辑基础上，运用弗晰( 模糊) 集合 的方法来研究模糊性思维、语言形式及其规律的科学。1 9 6 5 年美国数学家查德首 先提出了弗晰集合的概念，标志着弗晰数学的诞生。建立在二值逻辑基础上的原 有的逻辑与数学难以描述和处理现实世界中许多模糊性的对象，弗晰数学与弗晰 逻辑实质上是要对模糊性对象进行精确的描述和处理。查德为了建立模糊性对象 的数学模型，把只取o 和l 二值的普通集合概念推广为在 o ，1 区间上取无穷多 值的模糊集合概念，并用“隶属度”这一概念来精确地刻画元素与模糊集合之间的 关系。正因为模糊集合是以连续的无穷多值为依据的，所以，模糊逻辑可看作是 运用无穷连续值的模糊集合去研究模糊性对象的科学。把模糊数学的一些基本概 念和方法运用到逻辑领域中，产生了模糊逻辑变量、模糊逻辑函数等基本概念。 对于模糊联结词与模糊真值表也作了相应的对比研究。查德还开展了模糊假言推 理等似然推理的研究，有些成果已直接应用于模糊控制器的研制。创立和研究模 糊逻辑的主要意义有：( 1 ) 运用模糊逻辑变量、模糊逻辑函数和似然推理等新思 想、新理论，为寻找解决模糊性问题的突破口奠定了理论基础，从逻辑思想上为 研究模糊性对象指明了方向。( 2 ) 模糊逻辑在原有的布尔代数、二值逻辑等数学 和逻辑工具难以描述和处理的自动控制过程、疑难病症的诊断、大系统的研究等 方面 素， 描述 第二章研究方法及资料 理，表达过渡性界限或定性知识经验，模拟人脑方式，实行模糊综合判断，推理 解决常规方法难于对付的规则型模糊信息问题。模糊逻辑善于表达界限不清晰的 定性知识与经验，它借助于隶属度函数概念，区分模糊集合，处理模糊关系，模 拟人脑实施规则型推理，解决因“排中律”的逻辑破缺产生的种种不确定问题，根 据宽松的原则，可求得较为合适结果，并具有扩充性和兼容性。 2 2 资料介绍 本研究选用a r e m ( a d v a n c e dr e g i o n a l1 1 - c o o r d i n a t em o d e l ) 综合考虑中国 区域的地形特点和复杂的水汽演变过程，是由中国科学院大气物理研究所宇如聪 等( 1 9 8 9 ，1 9 9 4 ，1 9 9 5 ，2 0 0 4 ) 设计并改进的一个对中国区域暴雨有较强预报能 力的暴雨数值预报模式n 射。a r e m 采用静力框架，垂直坐标为q 坐标，变量的水平 分布采用e 网格，水平分辨率平均约3 7 1 m ，垂直方向等距分为3 2 层，模式顶为 l o h p a 。对2 0 0 3 年主汛期( 6 8 月) 进行了每天两个时次( 0 8 时和2 0 时) 的实时平行 预报试验。对2 4h 累积降水量预报进行了分区检验，结果之一：a r e m s 对我国夏 季降水具有较强预报能力，长江中下游地区t s 评分最高且长江中下游、华北和华 南地区空报率大于漏报率，东北和西南地区东部则相反n 4 1 ，对长江中下游暴雨预 报的t s 评分为0 0 5 5 。将2 0 0 4 - - 一2 0 0 5 连续两年两个模式的预报结果与河南省1 1 7 站逐日降水实况进行分级t s 评分检验，结果发现：两个模式对小雨以上量级的预 报能力基本相当，夏秋季节的预报效果好于冬春季节；中雨以上量级预报均无季 节特征；大雨以上量级的预报评分夏季i 2 1 3 高于a r e m 模式；大暴雨预报a r e m 模 式好于t 2 1 3 。对3 例不同性质降水过程落区的预报检验表明：a r e m 对一般稳定性 降水和暴雨以上量级降水的预报能力较强，而且2 4 ha r e m 的预报比t 2 1 3 准确n 习。 在2 0 0 5 年汛期( 6 8 月) 试验运行，分析结果表明对于长江中下游、华北、华南、 东北、西南、湖北省以至全国范围均有较好的预报水平，对全国范围内2 4 h 暴雨 预报t s 评分0 0 9 6 ，对长江中下游暴雨预报t s 评分夏季平均值为0 1 3 1 1 6 o 对2 0 0 7 年6 - 8 月a r 嘲与t 2 1 3 、j a p a n 三个模式降水预报做不同时效、不同区域的t s 评 分对比，并对a r i d 模式2 0 0 7 年汛期主要降水过程预报效果进行检验分析，结果 表明a r e m 模式( 各预报时效) 对长江中下游地区各量级降水预报的t s 评分均高于 全国范围的评分，而且三个模式小雨( 以上) 量级降水的t s 评分基本相当，对该区 域暴雨、大暴雨强降水中心的预报，a r e m 好于t 2 1 3 ，j a p a n 相对较差，随量级增 加a r e m 预报优势表现更为明显，t s 评分结果不到o 1 。对2 0 0 7 年汛期6 次个例 分析可知，a p , e m 模式对长江中下游尤其是江淮流域的大范围强降水过程预报效果 较好，对暴雨、大暴雨中心的预报较t 2 1 3 和j a p a n 有明显的优势，但对小范围、 局地强降水过程的预报效果不够理想u 5 南京信息工程大学硕士学位论文 2 0 0 3 年起湖北省科技厅、中国气象局、湖北省气象局共同资助项目“长江中 游短时天气预警报业务系统”引入a r 脚模式，做长江中游强天气诊断与预报，设 计了适用于暴雨等强对流天气分析和解释应用的诊断分析模块，增加了一些有较 重要意义的与强对流天气有关的指数。表2 1 给出了诊断分析模块现有的常规产 品清单( 王叶红，2 0 0 4 ) 表2 1 诊断分析模块产品清单 经过预报员实际应用发现，模式提供对流指数对雷暴、暴雨等对流性天气的 发生有一定的指示意义，利用模糊逻辑将复杂问题简单化的优势，可以提供客观 的、有参考意义的潜势预报产品。 6 第三章强对流天气潜势 第三章强对流天气潜势 3 1 强对流潜势预报 。长江中游短时天气预警报业务系统”项目分析不同类型强对流天气的主要 影响因素，利用a r e m 模式输出物理量作为隶属函数的参数，应用模糊逻辑学技术 对强天气潜势进行诊断，首先开发出雷暴、冰雹、雷雨大风3 类对流性天气落区 的潜势预报产品，并进行了初步的业务试验，效果较好。 3 1 1 雷暴落区的参数 解决雷暴形成的问题，传统方法是着眼于三个基本条件：层结不稳定、水汽 和抬升源u 引。这里，对雷暴的形成，这里选取了模式输出的对流有效位能c a p e 、k 指数、对流抑制能量c i n 、8 5 0 - 7 0 0 h p a 平均相对湿度和8 5 0 h p a 涡度5 个参数( 见 表3 1 ，1 5 ) 。前三个参数与能量和稳定度有关，后两个参数分别反映水汽条件和 抬升条件。对流有效位能反映了上升运动的气块可从环境中获得的浮力能的大小， 与对流的强度有关。水汽的水平分布和垂直分布对雷暴的重要性以被人们所认识， 这里，只考虑垂直方向上低层湿度条件，湿度越大，凝结高度越低，越有利对流 发展。对流抑制能量是负的不稳定能量，低的c i n ，低层气块只需要在较小的强迫 下就能到达自由对流高度以上，若c i n 足够大的话，对流可能被抑制，因此雷暴 的形成应考虑c i n 的作用。抬升与低层中尺度热力和动力过程有关啪1 ，这里简单 选用模式输出的8 5 0 h p a 涡度，这仅能描述大气低层天气或次尺度系统的强迫作用。 该量计算较稳定，并能够描述长江中游多低涡、切变线及低空急流等系统活动的 影响。 3 1 2 雷雨大风落区的参数 大的c a p e 、大的垂直风切变和干的中层环境是几个影响强雷暴发生的主要环 境热力和动力因子n 卅。一般而言，降水负载和由蒸发冷却产生的负浮力被认为是 形成和维持下沉气流的主要物理过程。降水负载是液态水的拖曳效应，它是下沉 气流启动机制之一；蒸发冷却形成的负浮力是降水下降通过未饱和的空气产生的， 一旦下沉气流形成建立，连续的未饱和空气的挟播可能有助于蒸发冷却过程。我 国对雷暴大风环境条件的研究表明，雷暴大风发生的典型垂直湿度分布大多是低 7 南京信息工程大学硕士学位论文 层湿、中高层干冷；降水的拖曳作用、中层干冷空气的挟摧导致蒸发冷却的物理 过程占主导地位，而中层湿、下层干的干环境也有。因此，雷暴大风落区潜势 的预报用到1 - 7 参量( 见表3 1 ) ，除了应具有雷暴发生的基本配料1 5 因子外， 把中、高层湿度条件也作为重点配料加以考虑。 3 1 3 冰雹落区的参数 表3 1 预报对象、模式输出物理量和权重系数 冰雹的发生相当复杂，冰雹的发生除热力、动力环境有关外，还与融化、风 暴尺度气流结构和非静力压力对上升气流的影响及地形等多个方面有关r 7 l 。因此， 其配料除前述卜7 个因子外，还考虑以下几个因素影响： ( 1 ) 融化的影响。冰雹在地面大小受冰雹从冻结高度降至地面过程中融化的影 响 7 1 ，影响因素包括：冻结高度到地面的距离；在此距离范围内大气的平均温 度； 冰雹大小。 ( 2 ) o 。c 、- 2 0 。c 温度层。0 、一2 0 0 c 间主要由过冷水滴、雪花及并冰晶组成， 8 第三章强对流天气潜势 这个区域是冰雹形成的雹源区，适当的高度与冰雹增长有关。 因此，( 1 ) 、( 2 ) 对地面冰雹大小大影响简单地用模式输出的0 、- 2 0 所在 的高度加以考虑。 ( 3 ) 气候因素。由于山地局地热力环流等因素，山地冰雹明显多于平原地区。 为了表征这一气候特征的影响，从地理信息库中提取地形海拔高度来描述山地对 冰雹发生的影响。因此，冰雹落区潜势的预报用了1 - 1 0 个参量。 3 2 统计结果 表3 2 冰雹、雷暴大风模式输出参数统计结果 表3 2 是根据对2 0 0 4 年6 - 8 月份1 5 次对流天气过程观测实况和模式输出的 参量对比分析后统计的结果。统计数据选取天气区最大和最小值，因此相应的统 计特征也有一个范围。从表3 2 可以看出，1 ) 冰雹和雷暴大风前7 个量基本无差 异，用前7 个参数诊断的雷暴大风的潜势包含了冰雹在内。实际上，冰雹发生于 更加强烈的风暴中，降雹往往伴随有雷暴大风。2 ) 冰雹和雷暴大风在o 、- 2 0 温度高度上有明显差异。加上地形等其它条件，冰雹天气落区就可以从强风暴 类中诊断出来。3 ) 低层湿、中高层干冷是强风暴发生的重要环境条件，普通雷暴 的发生与此关系不明显。 3 3 强对流天气潜势预报模型 从上述分析可知，影响雷暴、雷雨大风和冰雹发生的因子很多，单一的某个 物理量诊断效果有限。在实际天气预报中，预报员是对各种资料通过主观分析综 9 南京信息工程大学硕士学位论文 合考虑后做出预报。如何采用合适的客观方法分别将影响雷暴、冰雹、雷雨大风 发生的这些参数进行融合来预报它们落区就贴近预报员的主观预报思路。决策树 方法不失为一种有效的方法，其缺点是对某一物理量采用二值决策判断的办法不 r1 完全符合实际情这里采用美国临近预报系统a n c ( a u t o - n o w c a s t e r ) 的技术思路。， 用模糊逻辑学方法融合模式输出的若干参数，建立诊断雷暴、雷暴大风和冰雹的 潜势的模糊逻辑学预报模型。 表3 2 给出了建立强对流天气落区的潜势预报的模型参量和权重系数，通过对 个例的统计分析得到各参量的隶属函数。隶属函数值动态范围取0 1 或一1 1 ，正 值越大表示强天气发生的可能性越大，o 表示强天气发生的可能性为零，负数表示 有抑制对流的作用。图3 1 是模糊逻辑算法简单流程示意图，通过隶属函数将对应 的物理量转换到 o ，1 或 - i ，1 空间，得到单个参量对应的天气事件可能性大小； 采用加权平均法，得到组合量对应天气事件的可能性大小；给定阈值，确定天气 的范围等。用组合量描述天气事件可能性s 的算式为： 厂( x ) ( 3 1 ) 式中z ( x ) 为某物理量隶属函数，w l 为试验权重，权重系数取试验过程的统 计平均得到。 中尺度模式匕冷 蒌薹| | | | | ) 匕冷 善琴 3 4 预报实例 图3 1 模糊逻辑算法流程示意简图 根据上述方式得到的潜势预报产品在湖北省短时临近预报业务中应用，取得 的较好的效果。这里给出几个强对流天气过程预报例子，可以看出该方法对雷暴 和雷雨大风有一定的预报能力。 l o 风尢暴雹雨雷冰雷r-vl 吕 、i，jr 第三章强对流天气潜势 受5 0 0 h p a 高原槽和中低层切变线共同影响，2 0 0 5 年4 月2 9 日下午，除鄂东 北外，湖北省出现了较大范围的雷雨天气，监利、沙市、枣阳、保康、京山、襄 阳等地遭受雷雨大风天气袭击，其中襄阳最大风力达8 级，京山局部风力达1 0 级 ( 图3 2 b 椭圆区内) 。图3 2 是用2 9 日0 8 ：0 0 资料计算的1 4 ：0 0 - 2 0 ：0 0 雷暴、大 风可能性的组合值s 等值线分布。天气实况由雷达观测和灾情调查得到( 雷达观 测区以外或外省无灾情调查验证) ，用方框、椭圆分别表示雷暴、大风实况的大致 位置。由图3 2 a 可看出，以组合值s o 7 的区域表达雷暴可能出现的区域，雷 暴潜势大的区域主要在江汉平原和鄂东北，东南略有漏报；雷雨大风出现区域与 组合值s 0 6 区域相吻合，准确性较高( 图3 2 b ) 。 南京信息工程大学硕士学位论文 。 图3 22 0 0 5 年4 月2 9 日1 4 ：0 0 - 2 0 ：0 0 雷暴、雷暴大风可能性s 分布。 ( a 、b 分别代表雷暴、雷暴大风的出现可能性分布，方框、椭圆各表示实况雷暴、 大风的大致位置。) 2 0 0 8 年6 月3 日1 5 时到4 日0 3 时，湖北省大部地区出现雷雨大风、冰雹等 短时强对流天气，其中松滋出现4 1 m 冰雹，枝江出现9 衄冰雹和2 3 6 e s 的雷雨 大风天气，将江面两艘船只刮翻( 图3 3 d 圆圈内) 。鄂州在2 0 ：2 5 分出现1 9 o m s 的大风，2 0 时前后黄冈地区大部也出现风雹天气( 图3 3 d 方框内) 。图3 3 为根 据1 9 时预报场物理量计算的得到的3 类强对流天气潜势预报产品与雷达回波实况 对比图。从图中可以看出雷暴范围较冰雹和大风范围都大，雷暴带从宜昌横穿湖 北省直至江西北部，而雷暴潜势组合值s 在宜昌和武汉附近出现强中心，冰雹和 大风天气值中心的位置与雷暴潜势组合值中心位置一致，但s 值略低。最大值的 落区与雷达回波实况相比，位置略偏西，但是带状分布和走向却是一致，总体上 来说预报是准确的。这对临近预报来说有很大的指示意义。 1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 图3 32 0 0 8 年6 月3 日1 9 时三类强对流天气潜势预报产品与雷达回波实况对比 图 1 4 第四章暴雨潜势预报 第四章暴雨潜势预报 暴雨大多发生在高能、高湿、有强烈水汽辐合的地区，与其它强对流天气的 发生环境有着较大的区别，按照上面研究雷暴等天气的方法，根据暴雨发生的动 力、热力、水汽等条件选择参与统计的参量。 4 1 个例分析 利用a r e m 中尺度模式逐时预报产品，对发生在鄂东南的一次大暴雨过程发生 的不稳定条件、水汽条件及垂直运动的维持等进行了初步研究，并通过计算有关 对流参数，探讨这次过程的潜势预报。 2 0 0 6 年5 月8 - 9 日湖北省东南部发生了一次大暴雨天气过程，大暴雨带位于 监利、赤壁、咸宁、江夏、鄂州、大冶一线，南北宽约1 2 0 公里、东西长约2 6 0 公里( 图4 1 ) 。强降水集中出现在8 日夜间。 图4 12 0 0 6 年5 月8 - 9 日2 4 h 雨量( 单位：r a m ) 1 5 南京信息工程大学硕士学位论文 4 1 1 大气环流背景分析 8 日0 8 时，2 0 0 h p a 至5 0 0 h p a 各层中高纬均为典型的两脊一槽，贝加尔湖至四 川盆地为宽广槽区，四川到贵州( 3 0 。n 以南) 为南支槽区，可见本次过程的主要影 响系统西风带低槽系统较深厚并有南支槽配合；2 0 0 h p a 上，成都至阜阳有东北西 南向高空急流存在，江汉平原至鄂东南位于其右后方( 辐散区) ，其抽吸作用有 利于低层上升运动发展( 图4 2 a ) ；8 日0 8 时至9 日0 8 时，西太平洋副热带高压 脊线维持在1 9 。n 附近，5 0 0 h p a 武汉至长沙、南昌的2 4 h 位势高度差- 4 9 p m ，7 0 0 h p a 上为- 3 9 p m ，位势梯度较大，有利于该处西南急流的发展；随着南支槽配合西风带 低槽东移，2 4 小时宜昌变高- 1g p m ，武汉为0g p m ，而长沙、南昌变高为- 3g p m 、 - 2g p m ，可见9 日0 8 时后，武汉至长沙、南昌的位势高度梯度显著减小，强降水 也告结束。8 日0 8 时，7 0 0 h p a 上湖南北部( 2 9 。n ) 附近有西南低空急流存在， 其北侧为辐合区，有利于上升运动加强发展，晚2 0 时后，荆州至武汉一线有切变 线生成并缓慢南压( 图4 3 ) 。8 5 0 h p a 上，为明显的气旋性环流影响我省，2 0 时 至次日0 8 时，有低涡自鄂西南沿7 0 0 h p a 切变线东移，2 1 时低涡在鹤峰南方( 1 1 0 5 。e ，2 9 。n ) 形成，2 4 时，低涡东移至江汉平原南部监利附近( 图4 4 a ) ，9 日3 时，低 涡东移至赤壁、咸宁附近( 图4 4 b ) ，6 时，低涡移至鄂州附近( 图4 3 c ) 。8 时，低涡东移进入安徽省( 图4 2 b 为实况，图4 3 d 为预报场) ，预报与实况比 较一致，该低涡对我省的影响结束。已有研究表明，低涡沿切变线移动，会造成 较强的辐合，为暴雨产生提供动力条件，同时由于低涡移动速度慢，也有利于强 降水的持续：8 日0 8 时地面图上，湖北省南部受暖低压倒槽控制，有利于近地层 增湿增温。 第四章暴雨潜势预报 图4 2 ( a2 0 0 6 年5 月8 日0 8 时2 0 0 h p a 风场、流线图：b2 0 0 6 年5 月9 日0 8 时 8 5 0 h p a 风场、流线图) 4 1 2 暴雨发生条件分析 暴雨发生通常与不稳定机制、水汽输送和强的上升运动维持时间有关。下面 分别从这三个方面分析这次暴雨过程的条件。 1 ) 不稳定机制 对流性稳定度指数七一= ( 臼k 一目雕下) ，指厚度相当大的某一层空气被抬升 且达到饱和时的稳定度情况，当以随高度减少时，为对流性不稳定，反之则为对 流性稳定，其触发机制要有大范围的抬升运动且使不稳定气块达到饱和，其造成 的天气往往比较强烈，范围也较大。这里对流稳定度指数取瓦8 一气湖，与k 概 正负符号相反。图4 3 为2 0 0 6 年5 月8 - 9 日对流稳定度指数与7 0 0 h p a 风场的叠 加图。 1 7 南京信息工程大学硕士学位论文 1 8 第四章暴雨潜势预报 图4 32 0 0 6 年5 月8 - 9 日对流稳定度指数与7 0 0 h p a 风场叠加图 ( a 8 日1 5 ：0 0 ；b8 日1 8 ：0 0 ；c8 日2 1 ：0 0 ；d 9 日0 8 ：0 0 ) 由图4 3 可见，对流稳定度指数高值中心里东西向带状分布，其高值中心位 于湖南省，随着南支槽和低涡东移，其高值中心向东发展，湖北省南部位于高值 中心北侧的等值线密集区内( 梯度大) 。8 日1 5 时( 图4 3 a ) ，湖南西北部、鄂东南 南部、鄂西南对流不稳定开始发展( 鄂南高值中心达9 1 2 k ) ；1 8 时，前述地区对流 不稳定进一步加强( 鄂南高值中心达1 2 1 5 k ，图4 3 b ) ，并向北向东发展，江汉 平原、鄂西南降水有所加强：2 1 时，鄂南对流不稳定发展到顶峰( 鄂南高值中心达 1 5 k ，图4 3 c ) ，鄂东南、江汉平原降水开始显著加强；9 日6 时后，高值中心显 著南压出省，强降水区也随之南压，至0 8 时，江汉平原、鄂东南出现负值中心， 对流不稳定消失( 图4 3 d ) ，我省强降水也随之结束。可见随着低涡沿切变线东移， 对流不稳定也随之东移加强，降水随之加强；低涡东移出省，对流性不稳定相应 减弱消失，强降水也随之显著减弱。分析对流稳定度指数与7 0 0 h p a 切变线叠加图 以及前者与8 5 0 h p a 低涡的叠加图( 图4 4 c 、4 4 d ) 可见，切变线南侧的西南气流 区、低涡的东南方，稳定度指数都较高( 不稳定性较强) 1 9 南京信息工程大学硕士学位论文 第四章暴雨潜势预报 2 1 南京信息工程大学硕士学位论文 图4 42 0 0 6 年5 月8 - 9 日0 ”与9 5 0 h p a 风场叠加图( a8 日2 2 ：0 0 ；b9 日3 ：0 0 ；c9 日6 ：0 0 ；d 9 日0 8 ：0 0 ) 秒。高值中心，对应着高能中心这里取秒。= ( 钆+ 如嘲+ + 屯瑚) 4 ， 一 一 图4 4 为2 0 0 6 年5 月8 - 9 日0 。与8 5 0 h p a 风场叠加图。由秒鼯的分布可见，2 2 时，能量锋呈东西向分布，位于江汉平原南部至鄂东南一线，监利、咸宁附近为 两个高能舌区，强降水位于高能舌区( 大于3 4 2 k ) 的靠近能量锋区一侧；9 日3 ：0 0 ， 能量锋区在咸宁至大冶一线，9 日6 ：0 0 ，锋区东移南压至通山武穴一线，9 日8 ：o o ， 锋区移出鄂东南，可见，能量锋区向东发展并缓慢南压与强降水中心的移动对应 较好。同时可见，高能舌位于低涡的东南部，而8 5 0 h p a 低涡的移动，与高能舌区 的移动也较一致。 2 ) 水汽条件 由8 5 0 h p a 、7 0 0 h p a 两层比湿之和的时间分布可见( 图4 5 ) ，自8 日0 8 时到9 日4 时，除鄂西北外，大部地区为高湿区，比湿在2 0 9 k g 1 以上，而荆 州至江夏以南地区则维持在2 2g k g - 1 以上，为湿舌区；3 _ 4 时，监利、赤壁、 咸宁、江夏、鄂州、大冶湿舌区域比湿达极大值2 5 2 6g k g ；此后，湿舌区显 著东移南压，鄂东南强降水随之结束。可见，充足、稳定的水汽输送是鄂东南大 暴雨发生的显著特征，大暴雨落区位于湿舌的中心左前方。 南京信息工程大学硕士学位论文 、弱| l 瀚爵：擎囊凝 k 一，l ；赛糕嚣雅 图4 50 6 年5 月8 日比湿分布( 7 0 0 h p a + 8 5 0 h p a , 单位：g 堙1 ：a 2 2 时，b o o 时，c 0 4 时) 3 ) 强的上升运动维持 垂直速度逐时分析可见( 图略) ，5 0 0 h p a 、7 0 0 h p a 、8 5 0 h p a 三层。2 0 时以后， 湖北省南部上升运动明显发展，强的上升运动区自湖南西北部向北向东加强移动， 最强时大暴雨区8 5 0 h p a 达o 0 5 h p a s 、7 0 0 h p a 达0 1 0 h p a s 、5 0 0 h p a 达 0 1 8h p a j 一，可以发现在中层，上升运动相当剧烈这可能与前述2 0 0 h p a 急流 轴第三象限的强辐散抽吸作用有关；进一步分析涡度场发现( 图4 6 ) ，大暴雨区内， 5 0 0 h p a 、7 0 0 h p a 、8 5 0 h p a 三层均为正涡度中心与负涡度中心水平方向上对称出现， 负涡度中心位于正涡度中心的北侧或西侧( 负涡度中心在系统移动的来向) ，负 值中心量值上小于正值中心，大暴雨区内正值中心极大值5 0 0 h p a 、7 0 0 h p a 、8 5 0 h p a 分别为5 x l o 。s 、5 x l o q s 一、6 x l o s 一，可见在大暴雨区上空有较强的正涡度自 西向东传播，有利于上升运动的发展和低层气旋性辐合加强。散度场上( 图4 7 ) ， 鄂南5 0 0 h p a 上正负中心对称出现，并成东西向间隔排列；而7 0 0 h p a 、8 5 0 h p a 上， 负值中心则被正值中心包围，负值中心几乎连成片，并成东西向分布。这显示， 中低层以辐合为主，下沉区位于辐合区外围，在5 0 0 h p a 上，中低层辐合区则对应 着一个辐散区和辐合区，5 0 0 h p a 辐合区位于中低层辐合区前部。自2 0 时至次日 一_j 第四章暴雨潜势预报 0 8 时止，辐合和上升运动区自西向东向南移动缓慢，持续时间达1 1 个小时，非常 有利于鄂东南强降水的持续和大暴雨的发生。 南京信息工程大学硕士学位论文 图4 62 0 0 6 年5 月9 日4 时涡度预报场 第四章暴雨潜势预报 南京信息工程大学硕士学位论文 图4 72 0 0 6 年5 月9 日4 时散度预报场 图4 8 为鄂东南咸宁大暴雨站( 2 4 h 降水1 2 8 m m ) 的2