形成期風(fēng)暴預(yù)測(cè)與潛勢(shì)特征提取

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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(guó)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(chēng)為強(qiáng)對(duì)流天氣，又稱(chēng)對(duì)流風(fēng)暴，來(lái)源于英文的“convectivestorm”[1l。這一類(lèi)對(duì)流性天氣系統(tǒng)，具有很大的能量，若以風(fēng)速估計(jì)它的動(dòng)能，一個(gè)對(duì)流風(fēng)暴的平均能量相當(dāng)十多個(gè)在廣島爆炸的原子彈。強(qiáng)烈天氣給人類(lèi)帶來(lái)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(guó)屬于內(nèi)陸國(guó)家，受強(qiáng)對(duì)流天氣影響較為嚴(yán)重，我

2、國(guó)是世界上著名的多暴雨的國(guó)家，每年暴雨、冰雹等災(zāi)害性天氣都對(duì)全國(guó)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(cái)產(chǎn)安全，對(duì)暴雨的分析和預(yù)報(bào)受到氣象、水利等部門(mén)各方面的高度重視【21。依據(jù)Orlanski分類(lèi)的氣象尺度，強(qiáng)對(duì)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(jí)、時(shí)間尺度103—105s量級(jí)的天氣系統(tǒng)和現(xiàn)象?？紤]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(lèi)，即中a尺度(102_103km，l～5天)中13尺度(101--

3、102km，3小時(shí)～l天)和中y尺度(100—101km，l小時(shí))14]。各種強(qiáng)對(duì)流天氣形成的物理過(guò)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(shí)至十幾小時(shí)，較短的僅有幾分鐘至一小時(shí)。正是由于該系統(tǒng)時(shí)空規(guī)模較小的原因，通過(guò)傳統(tǒng)的分布較廣的氣象臺(tái)站很難進(jìn)行準(zhǔn)確的短時(shí)預(yù)報(bào)，就好像用網(wǎng)眼很大的網(wǎng)很難捕捉到小魚(yú)～樣。1．2現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)在對(duì)流天氣預(yù)報(bào)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(dòng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的發(fā)展都有關(guān)系。大尺度環(huán)境條件不但制約了對(duì)流系統(tǒng)的種類(lèi)與演變過(guò)程，還影響對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)和組織程度【5】。做好強(qiáng)天氣的預(yù)報(bào)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(cè)強(qiáng)風(fēng)暴的最佳手段。第一章緒論近年來(lái)隨著氣象雷達(dá)在我國(guó)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(cè)條件已有很大好轉(zhuǎn)，各

5、級(jí)氣象臺(tái)站對(duì)冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)測(cè)也比以往更加便利、準(zhǔn)確。但預(yù)測(cè)的手段依然主要依賴(lài)預(yù)報(bào)員憑借專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行人工識(shí)別，自動(dòng)化程度不高。由于預(yù)報(bào)員是通過(guò)雷達(dá)資料反演的圖像通過(guò)先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行分析，因此完全有可能通過(guò)圖像處理技術(shù)，借助模式識(shí)別的基本方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)的自動(dòng)化。同時(shí)由于量化后圖像特征更精確、客觀，因此通過(guò)對(duì)它們的知識(shí)發(fā)掘使得自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性超過(guò)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(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)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(duì)流天氣監(jiān)測(cè)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(lái)分析產(chǎn)生這些天氣的強(qiáng)對(duì)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(shí)別和追蹤的方法，用于臨近預(yù)報(bào)[61。1．3．1國(guó)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(duì)誤差在兩個(gè)連續(xù)的反射率場(chǎng)中尋找矩形區(qū)域的最佳匹配，得到每個(gè)格點(diǎn)的位移矢量。考慮到地形遮擋、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(cè)距離和計(jì)算位移構(gòu)造價(jià)值函數(shù)，通過(guò)變分技術(shù)平滑速度場(chǎng)(COTREC)。Dixon和Wiener結(jié)合交叉相關(guān)法和質(zhì)心法用于雷暴識(shí)別跟蹤分析和預(yù)報(bào)(TITAN)[91。Johnson等人提出改進(jìn)的基于反射率因子圖像識(shí)別技術(shù)的風(fēng)暴識(shí)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(gè)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(gè)單體合并為一個(gè)風(fēng)暴單體。該算法不僅能夠識(shí)別孤立的風(fēng)暴體，而且能夠識(shí)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(gè)小時(shí)內(nèi)的風(fēng)暴位置采用最,j,--乘法擬合得到，同時(shí)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(duì)流單體的方法第一章緒論(TRACE3D)。該方法先利用一些特