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《形成期風(fēng)暴預(yù)測與潛勢特征提取》由會員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、第一章緒論1.1引言第一章緒論雷雨大風(fēng)、冰雹、局部強(qiáng)降雨等屬于我國所處地理環(huán)境中最容易發(fā)生的的災(zāi)害性天氣,在氣象學(xué)中它們被統(tǒng)稱為強(qiáng)對流天氣,又稱對流風(fēng)暴,來源于英文的“convectivestorm”[1l。這一類對流性天氣系統(tǒng),具有很大的能量,若以風(fēng)速估計它的動能,一個對流風(fēng)暴的平均能量相當(dāng)十多個在廣島爆炸的原子彈。強(qiáng)烈天氣給人類帶來很大災(zāi)難,其伴隨產(chǎn)生的暴雨和大風(fēng)都具有極強(qiáng)的破壞力,世界上把它列為僅次于熱帶氣旋、地震、洪澇之后第四位具有殺傷性的災(zāi)害性天氣。我國屬于內(nèi)陸國家,受強(qiáng)對流天氣影響較為嚴(yán)重,我
2、國是世界上著名的多暴雨的國家,每年暴雨、冰雹等災(zāi)害性天氣都對全國各地區(qū)造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失,嚴(yán)重威脅人民的生命財產(chǎn)安全,對暴雨的分析和預(yù)報受到氣象、水利等部門各方面的高度重視【21。依據(jù)Orlanski分類的氣象尺度,強(qiáng)對流天氣屬于中尺度天氣系統(tǒng),是介于大尺度和小尺度之間的天氣系統(tǒng)【31。中尺度天氣系統(tǒng)研究水平空間尺度10吐103km量級、時間尺度103—105s量級的天氣系統(tǒng)和現(xiàn)象。考慮到各種中尺度系統(tǒng)有相異的特征,在中尺度譜段中再分為三類,即中a尺度(102_103km,l~5天)中13尺度(101--
3、102km,3小時~l天)和中y尺度(100—101km,l小時)14]。各種強(qiáng)對流天氣形成的物理過程各不相同,但它們共同具有中尺度天氣系統(tǒng)典型的特點(diǎn):1.空間尺度小,一般水平范圍大約在十幾公里至二三百公里,有的水平范圍只有幾十米至十幾公里。2.生命史短暫并帶有明顯的突發(fā)性,約為一小時至十幾小時,較短的僅有幾分鐘至一小時。正是由于該系統(tǒng)時空規(guī)模較小的原因,通過傳統(tǒng)的分布較廣的氣象臺站很難進(jìn)行準(zhǔn)確的短時預(yù)報,就好像用網(wǎng)眼很大的網(wǎng)很難捕捉到小魚~樣。1.2現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)在對流天氣預(yù)報中的應(yīng)用雷暴、暴雨(雪)、大
4、風(fēng)、冰雹等嚴(yán)重災(zāi)害性天氣大多由25--一250km的13.中尺度天氣系統(tǒng)造成,龍卷的尺度更小。有組織的雷暴或?qū)α鞯葟?qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng),能明顯地顯示各種尺度系統(tǒng)間的相互作用,與各種尺度的運(yùn)動場、溫度場和濕度場的發(fā)展都有關(guān)系。大尺度環(huán)境條件不但制約了對流系統(tǒng)的種類與演變過程,還影響對流系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、運(yùn)動和組織程度【5】。做好強(qiáng)天氣的預(yù)報需要關(guān)注強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)及其大尺度背景,而天氣雷達(dá)則是監(jiān)測強(qiáng)風(fēng)暴的最佳手段。第一章緒論近年來隨著氣象雷達(dá)在我國氣象系統(tǒng)中的普及尤其是多普勒雷達(dá)的出現(xiàn),現(xiàn)代氣象監(jiān)測條件已有很大好轉(zhuǎn),各
5、級氣象臺站對冰雹等強(qiáng)對流天氣的預(yù)測也比以往更加便利、準(zhǔn)確。但預(yù)測的手段依然主要依賴預(yù)報員憑借專業(yè)知識進(jìn)行人工識別,自動化程度不高。由于預(yù)報員是通過雷達(dá)資料反演的圖像通過先驗(yàn)知識進(jìn)行分析,因此完全有可能通過圖像處理技術(shù),借助模式識別的基本方法,通過計算機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)報的自動化。同時由于量化后圖像特征更精確、客觀,因此通過對它們的知識發(fā)掘使得自動預(yù)報系統(tǒng)的準(zhǔn)確性超過人工是可以期待的。1.3研究現(xiàn)狀上世紀(jì)七十年代以來,國內(nèi)外開展了非常多的利用多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行暴雨、冰雹、龍卷、雷雨大風(fēng)等災(zāi)害性強(qiáng)對流天氣監(jiān)測預(yù)警的技術(shù)
6、研究。這些研究主要是根據(jù)強(qiáng)天氣的雷達(dá)反射率特征或者徑向速度特征來分析產(chǎn)生這些天氣的強(qiáng)對流風(fēng)暴(SevereConvectiveStorm)系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展、成熟和消亡的物理機(jī)制,建立了強(qiáng)風(fēng)暴模型,提出了一些基于雷達(dá)反射率因子的風(fēng)暴識別和追蹤的方法,用于臨近預(yù)報[61。1.3.1國外研究現(xiàn)狀Rinehart和Garvey提出用相關(guān)的方法跟蹤雷達(dá)回波(TREC)"】,利用最大相關(guān)系數(shù)或最小絕對誤差在兩個連續(xù)的反射率場中尋找矩形區(qū)域的最佳匹配,得到每個格點(diǎn)的位移矢量??紤]到地形遮擋、回波變化快等原因,TREC分
7、析的速度經(jīng)常存在不連續(xù),Li等人又以二維連續(xù)性方程作為強(qiáng)限制條件悼J,利用觀測距離和計算位移構(gòu)造價值函數(shù),通過變分技術(shù)平滑速度場(COTREC)。Dixon和Wiener結(jié)合交叉相關(guān)法和質(zhì)心法用于雷暴識別跟蹤分析和預(yù)報(TITAN)[91。Johnson等人提出改進(jìn)的基于反射率因子圖像識別技術(shù)的風(fēng)暴識別追蹤(SCIT)算法【10】,并應(yīng)用于WSR.88D的Build9.0之后的風(fēng)暴系列算法中。SCIT用質(zhì)心法提取七個反射率因子閾值(30,35,40,45,50,55,60dBZ)的回波參數(shù),并將lOkm范
8、圍內(nèi)的多個單體合并為一個風(fēng)暴單體。該算法不僅能夠識別孤立的風(fēng)暴體,而且能夠識別多單體風(fēng)暴和風(fēng)暴帶。風(fēng)暴的移矢則根據(jù)近一個小時內(nèi)的風(fēng)暴位置采用最,j,--乘法擬合得到,同時提供最大反射率因子及其高度、風(fēng)暴體底高和頂高、風(fēng)暴體的VIL、風(fēng)暴質(zhì)心三維坐標(biāo)等參數(shù)。SCIT在方法大范圍降水區(qū)的跟蹤上不如區(qū)域跟蹤算法有效。Handwerker等人2001年提出用雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)跟蹤對流單體的方法第一章緒論(TRACE3D)。該方法先利用一些特