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1、三峡近坝区雹云临近预报集成系统试验研究 万蓉 中国气象局武汉暴雨研究所武汉 4 3 0 0 7 4 徐永和 周建志 何明琼 湖北省人工影响天气办公室武汉 4 3 0 0 7 4 湖北省宜昌市气象局宜昌 4 3 0 0 0 0 摘 要 本文采用集成预报方法 将天气学诊断 雹云数值模拟 雷达回波参数判别三种预报方法的结论经 01 化处理分别作为预报因子根据三种不同预报方法的预报准确率给出各个因子的权重系数最后调整组合成雹云临近预报方程结合三峡近坝区 5年的降雹资料建立预报模型外场试验检验表明该集成预报系统预报准确率可达到 7 0 % 以上 关键词雹云 临近预报 集成 1 引 言 冰雹多发生在地形复
2、杂的山区和丘陵地带 鄂西山南地是湖北省冰雹频发地区之一 三 峡近坝区的兴山秭归宜昌县几乎每年春夏季节都有冰雹出现素有冰雹窝子之称 为了进一步提高冰雹预报准确率和服务效果 充分发挥数值预报 雷达探测产品在冰雹预报 中的作用我们结合宜昌市地县级现代化业务系统实际和人工防雹作业指挥的需求进行 了雹云临近预报集成系统试验和分析利用 1 9 9 4 1 9 9 8 年 4 5 7 8 月份宜昌站的冰雹和 雷暴日探空资料通过模拟计算结果对比分析和模式调整进行雹暴的模式预报并对兴 山秭归宜昌县气象站 1 9 9 4 1 9 9 8 年 4 5 7 8 月份的地面观测资料县人工防雹站灾 情报告以及宜昌市雹暴日
3、的雷达回波资料等进行了统计初步分析鄂西地区冰雹天气的 气候特征和降雹环流形势特征 对降雹天气系统进行了归类和分型 建立预报冰雹云的天气 学诊断指标和识别冰雹云的雷达回波指标 结合冰雹云数值预报模式 应用多指标集成和权 重系数相结合的方法建立冰雹预报方程在 1 9 9 9 年指导人工防雹作业试验中我们对预 报方程进行了预报对比检验在改进和完善的基础上投入地市级管辖区域的冰雹高炮联 防作业应用 图 1.三峡近坝区示意图 2 数值模式预报 积雨云是我省的主要降水云有时伴有冰雹用数值模拟冰雹的增长揭示冰雹生成的 规律国内外许多研究工作取得了这方面的成果 1 - 2 胡志晋积云参数化微物理模式提出了 云
4、滴冰晶霰雹雨的比质量和比浓度的预报方程包括了积雨云中主要的二十六种微 物理过程模式考虑冰晶和降水粒子浓度模拟冰晶核化繁生等过程并能精确地计算各 种过程的速率反映降水粒子谱分布特征 可以模拟具有特征落速和危害的雹的形成 干湿增 长 在强上升气流中的落出及其伴随的动力热力效应以及地面降雹特征 因此我们将一维时 变积云参数化微物理模式用于雹暴的分析和预报 积云参数化模式根据积云中水粒子的物理特征 考虑到它们增长和下落的不同 将它们 分成云滴雨滴直径 0 . 0 2 c m冰晶包括雪团霰包括冻雨滴雹直径 0 . 5 c m 的冰球等五种模式计算预报量为它们的比水量 Q 和比浓度 N 单位质量空气中所含
5、该粒 子的质量和个数假定各种粒子都有一定的谱分布根据实测冰雹采用截断指数谱即 N D = N0eD当 D D* N D = 0 当 D D*式中 D 为直径N0为参数D*为冰雹的最小直径根据观测规范取 D*= 0 . 5 c m 雹块 的质量同直径立方成正比落速按 A u e r 1 9 7 2 的经验公式 3 加上空气密度订正即得 冰雹落速 Vh= Av hDh0 . 8 01 / 2冰雹质量 Mh= Am hDh3冰雹比浓度 Qh =DN0 heh DAm hD3d D 冰雹比水量 Nh=DN0 heh Dd D 其它微物理量在模式中参数化不一一描述这十个变量M 的预报方程考虑了平流 湍流
6、夹卷自身下落和源汇项即 tM zVMMMEzMkzMVWtMm em +=)()(22式中 W为气流升速R为湍流交换系数E为夹卷率Me为云外变量值Vm为粒子的平均落速向下为正tM 为源汇项包括的 2 6 种微物理转化过程为冰晶雨云霰的凝结华和蒸发冰晶霰雹雨对云滴的碰并雨和冰碰并霰雹碰并雨霰雹碰 并冰晶冰晶核化繁生云雨转化冰晶霰转化霰雹转化雨冻结成霰霰雹冰融 化成雨冰晶相并雨滴相并以及雹得湿增长等等根据实验得出模式中雨滴最小直径一 般取 0 . 2 m m 冰晶最小直径为 0 . 0 3 c m 霰最小直径为 0 . 1 0 . 4 c m 雹最小直径为 0 . 5 c m 通过冰晶和降水粒子的
7、浓度计算冰晶的核化繁生等过程分析具体条件下各种降水 过程的相对重要性提出主导的生成机制能较逼真的模拟雹云形成过程及变化趋势计算 输出降雹量 Mh a i l在雹暴临近集成预报中 Mh a i l 0 为有雹预报因子为 1 否则为 0 设置模拟初始扰动温度T 为 0 . 5 1 . 5地面上升温度 V 为 1 m / s 2 m / s 初始热泡 半径为 4 k m 6 k m 夹卷率为 0 . 2 模式垂直步长为 0 . 2 0 . 9 k m 时间步长 1 8 0 s 3 0 0 s 我们利用宜昌站 1 9 9 4 1 9 9 8 年 4 5 7 8 月份的雷暴天气过程的探空资料进行了模 拟
8、实验通过对 1 0 7 个雷暴天气包括 3 5 次降雹个例资料模拟对比在初始情况定常的 情形下准确率能达到 5 5 % 如果对初始情况考虑得更细致初始条件做不定常处理模式 预报准确率可达到 9 0 % 以上在实时预报中不可能考虑的太细太全因此将之单独投入雹云 临近预报业务应用还存在相当差距将数值模拟计算得出0 1 预报产品作为一个或多 个预报因子和天气诊断雷达回波参数判别参与集成有望发挥模式预报作用 3 天气学诊断分析 冰雹是一种中小尺度的天气现象其发生具有明显的局地性因此除了兴山秭归宜 昌等县气象站的观测资料外还增加了防雹点上报的冰雹样本资料普查 1 9 9 4 1 9 9 8 年 4 5
9、7 8 月份的冰雹天气个例根据天气学原理归纳得出在三峡近坝区区域降雹主要 产生于高空冷涡型和西北气流型两种主要环流形势 高空冷涡型是 5 0 0 H P A 上来自四川的的西南低涡当深厚的低涡系统缓慢移近鄂西南山 区时高空又有较强的冷空气活动配合触发低层暖湿空气的抬升促使深厚不稳定层结的 发展有利于冰雹云的产生高空西北气流型是比较常见的降雹天气环流类型在 5 0 0 h P a 上一个温度槽落后于高度槽的稳定长波槽 当槽后有小股冷空气在午后到傍晚沿西北气流活 动于山区时会激发暖湿不稳定能量释放促使对流云的强烈发展进而形成冰雹 从热力性质说 三峡近坝区的冰雹可分为暖性雹暴和冷性雹暴两种 其中暖性
10、雹暴具有 T7 0 03 C 且 T8 5 01 2 C 的特点冷性雹暴则是 T7 0 0 3 6 0 0 m 无雹令 X2为0 3 低层热力作用的指数A低层剧烈增温增湿和降压是不稳定能量的主要来源 是形成冰雹天气的重要因素 A = ( Td 8 5 0T7 0 0) + ( Td 8 5 0T5 0 0) ( 注下标 8 5 0 7 0 0 和 5 0 0 分别表示 8 5 0 h P a 7 0 0 h P a 和 5 0 0 h P a . ) 设定当 A2 4 C ,有雹令 X3为1 A 0 . 5 9 预报有雹否则预报无雹 4 雷达回波分析 利用雷达强度资料判断雹云一直是雹云临近预报
11、得有利手段考虑冰雹的增长主要 发生在雹云回波最强的区域 选其最强回波强度及强核高度作为预报指标 鉴于雹云和雷雨 云的移速有较大差异也考虑了回波移速参量根据 1 9 9 4 1 9 9 8 年 4 5 7 8 月份的宜昌 市气象台雷达回波资料选其最强回波强度大于等于 5 0 d b z 强核高度大于 8 k m 回波移速 大于等于 1 5 k m / h r 等作为判断指标 当回波强度5 0 d b z 有冰雹令 X 1 为 1否则 X 1 为0 当强核高度8 k m 有冰雹令 X 2 为 1 否则 X 2 为0 当回波移速 1 5 k m / h r 有冰雹令 X 3 为 1 否则 X 3 为
12、0 这样就把雷达回波历史资料中的上述 3 项参数作了0 1 化处理进而应用0 1 迭代法确定下面预报方程中的待定系数 b0b1b2b3 y3t =30)()(iiitXtb 式中 t 为样本序列数X0是为了求取常数项而设的因子恒等于 1 令序列 1 的系数bi 1 = 0 i = 0 , 3 开始迭代计算 y3的期待值 y31如此可以得到各样本的期待值 y3 t为了便于与实测资料比较若当日有雹设定用于比较的实测参数 y3t 为正若 当日无雹y3t 为负 如果 y3t + 1 y3t0 那么bit + 1 = bit 如果 y3t + 1 y3t0 且 y3t 为正那么bit + 1 = bit
13、 + Xi( t ) 如果 y3t + 1 y3t0 且 y3t 为负那么bit + 1 = bitXi( t ) 将 6 5 个实例如此循环迭代 直到求得各序列方程中相应相关系数达到稳定 即bit + 1 = bit得到系数bi分别为 b0= 3 b1= 2 b2= 2 b3= 2 应用最强回波高度强核高度回波移速等雷达参数预报冰雹的判别式可表示为 y3= 3 + 2 X1+ 2 X2+ 2 X3 令其 y3 0 , 有雹否则无雹现对含有雹雷暴的 6 5个实例检验准确数 4 2次漏 报数 6 次错报数 1 7 次判别式的预报准确率 C S I = 6 5 % 5 雹云临近集成预报方程的建立和
14、检验 我们将天气学诊断雹云数值预报和雷达回波参数判别的结果0 1 化处理作为预报因子1 y2 y3 y根据各自的预报准确率加以权衡分别配给权重系数 A1A2A3, 组成集成预报方程 y = A11 y+ A22 y+ A33 y表 2 三种预报方法的诊断指标和预报准确率 天气学诊断 数值模式预报 雷达回波分析 0 SI - 1 . 5 C T : 0 . 5 1 . 5 0 回 波 强 度3 6 0 0 m R : 4 k m 6 k m 0 强核高度 0 y3= 3 + 2 X1+ 2 X2+ 2 X3 准确率 5 9 % 5 5 % 6 5 % 降雹判断 若 y1 0 . 5 9 则有雹
15、1 y= 1 若 y2 0 则有雹2 y= 1 若 y3 0 则有雹3 y= 1 其中权重系数满足 A1+ A2+ A3= 1 根据三个预报因子的预报准确率如表 2 . 推得权重系数 A1= 0 . 3 3 A2= 0 . 3 1 A3= 0 . 3 6 三 峡近坝区雹云临近集成预报方程为 y = 0 . 3 31 y+ 0 . 3 12 y+ 0 . 3 63 y由此可见雷达探测是集成预报中的主要诊断手段其次是天气形式分析数值模式预报也 是不可忽略的部分 应用三峡近坝区连续 5 年的 4 5 7 8 月 6 5 个雹暴日的有关历史资料对集成预报方 程进行试验检验得出预报结果可信度为 0 . 7 以 y0= 0 . 7 为预报临界值即当 y y0时预 报有冰雹 6 雹云临近预报的对比试验 1 9 9 9年在三峡近坝区进行了外场试验检验统计近坝区三县气象站的观测资料以及周 边防雹点上报的冰雹报告资料实际降 5 次5 月 2 日秭归兴山宜昌县6 月 2 5 日 秭归7 月 9 日秭归兴山宜昌县7 月 2 2 日兴山5 月 1 8 日宜昌县利 用宜昌雷达探测回波指标判断漏报 1 次报准 4 次虚报 2 次同样利用天气学诊断和数 值模式预报判断与实际状况进行比对如表
