強(qiáng)對(duì)流天氣潛勢(shì)信息提取與其演變預(yù)測(cè)

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1、第一章緒論1．1本文的研究背景帚一早三百下匕冰雹、颶線(xiàn)、龍卷風(fēng)、雷暴等都是由強(qiáng)烈的對(duì)流產(chǎn)生的，氣象學(xué)上稱(chēng)為強(qiáng)對(duì)流天氣。強(qiáng)對(duì)流天氣是發(fā)生在對(duì)流云系或單體對(duì)流云塊中，這種天氣破壞力很強(qiáng)，它是氣象災(zāi)害中歷時(shí)短、天氣劇烈、破壞性強(qiáng)的災(zāi)害性天氣。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。其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。其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)。強(qiáng)對(duì)流天氣來(lái)臨時(shí)，經(jīng)常伴隨著電閃雷鳴、風(fēng)大雨急等惡劣天氣，致使房屋倒毀，莊稼樹(shù)木受到摧殘，電

2、信交通受損，甚至造成人員傷亡等。對(duì)于內(nèi)陸地區(qū)而言，暴雨和冰雹的影響最為嚴(yán)重。我國(guó)是世界上出現(xiàn)暴雨較多的國(guó)家之一，降雨景集中且強(qiáng)度較大。一次短時(shí)的或連續(xù)的強(qiáng)降水過(guò)程，在地勢(shì)低洼、地形閉塞的地區(qū)，可能造成農(nóng)田受浸，作物倒伏甚至絕收，水利設(shè)施被沖垮，甚至引起洪水暴發(fā)、江河泛濫、堤壩決口，給人民生命財(cái)產(chǎn)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)造成重大損失。暴雨不僅是產(chǎn)生洪水災(zāi)害的原因，而且還是誘發(fā)泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的原因。每年。我國(guó)因暴雨而傷亡數(shù)以千計(jì)，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十億元以上。冰雹雖然出現(xiàn)范圍小，持續(xù)時(shí)間短，但由于其來(lái)勢(shì)猛烈、強(qiáng)度大，并常伴有雷雨大風(fēng)，給農(nóng)牧業(yè)、工礦企業(yè)、電訊、交通運(yùn)輸

3、及人民生命財(cái)產(chǎn)造成的損失也很大【l】。隨著我國(guó)新一代多普勒天氣雷達(dá)觀(guān)測(cè)網(wǎng)逐步投人業(yè)務(wù)運(yùn)行，多普勒雷達(dá)探測(cè)覆蓋面、探測(cè)能力和探測(cè)資料迅速增加。因此，如何利用多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣的一些重要特征，對(duì)其進(jìn)行臨近和短時(shí)預(yù)報(bào)，以減少可能的氣象災(zāi)害，已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的工作。目前對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)測(cè)主要還是靠短時(shí)預(yù)報(bào)員，時(shí)刻盯著眾多雷達(dá)產(chǎn)品，利用強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)回波的各種指標(biāo)，經(jīng)過(guò)綜合分析、判斷，得出最終預(yù)報(bào)結(jié)果。但這種方式完全是一種人工模式，存在著主觀(guān)性大，缺乏定量分析，精度不高，容易漏報(bào)等問(wèn)題。近年來(lái)，基于各種統(tǒng)計(jì)分析和模式識(shí)別方法的雷達(dá)圖像計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理得到了快

4、速發(fā)展和積極應(yīng)用，極大地促進(jìn)和推動(dòng)了雷達(dá)圖像的理論研究和技術(shù)應(yīng)用。強(qiáng)對(duì)流天氣雷達(dá)回波識(shí)別、跟蹤、預(yù)報(bào)的自動(dòng)化可提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，減少人為經(jīng)驗(yàn)因素的影響，使分析定量化，為今后全面建立強(qiáng)對(duì)流天氣短時(shí)預(yù)報(bào)警戒自動(dòng)化第一章緒論系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。1．2氣象業(yè)務(wù)中強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)現(xiàn)狀強(qiáng)對(duì)流天氣雷達(dá)回波及雹云的識(shí)別、跟蹤技術(shù)，國(guó)外早在六、七十年代已進(jìn)行了大量研究工作。EccIes【2j對(duì)雙波長(zhǎng)雷達(dá)進(jìn)行冰雹探測(cè)，提出了一種新的方法(1970)。Barge【3】使用單部雷達(dá)進(jìn)行了雹云的識(shí)別(1973)。上述工作主要是提出較為理想的冰雹云的綜合識(shí)別因子。國(guó)內(nèi)雖起步較晚，但發(fā)展很

5、快。李子華、宮福久{4】等將回波外形、回波頂高、強(qiáng)中心高度、負(fù)溫區(qū)厚度、等效雷達(dá)反射率因子做為判別指標(biāo)(1979)。戴鐵丕、王振會(huì)等15J選擇了回波項(xiàng)高、強(qiáng)回波高度、回波強(qiáng)度、高空風(fēng)切變等做為判別因子(1988)。龔乃虎、蔡啟銘【6】等人還討論了雹云低仰角PPI強(qiáng)回波區(qū)面積與成雹的關(guān)系。青海省段勇等利用CAPPI資料對(duì)立體風(fēng)暴進(jìn)行識(shí)別，計(jì)算并提供出實(shí)用的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)參數(shù)：梁鈺，布亞林等通過(guò)建立診斷模型對(duì)致洪暴雨過(guò)程進(jìn)行了較為成功的預(yù)報(bào)。張群張，維桓等17l，進(jìn)行了邊界層輻合線(xiàn)發(fā)展成颮線(xiàn)的數(shù)值試驗(yàn)，初步肯定了大、中、小三種尺度運(yùn)動(dòng)的相互作用是邊界層輻合線(xiàn)型颮

6、線(xiàn)激發(fā)的物理機(jī)制。夏文梅，張亞萍等【8】通過(guò)分析暴雨多普勒雷達(dá)資料得出結(jié)論：零速度線(xiàn)在測(cè)站近距離兩側(cè)順轉(zhuǎn)程度不一致，近距離存在大尺度輻合與暖平流的迭加，而在較遠(yuǎn)距離處存在冷平流，為暴雨產(chǎn)生和維持提供有利的水汽垂直輸送和輻合上升運(yùn)動(dòng)，逆風(fēng)區(qū)和中小尺度氣旋性切變及垂直切變是強(qiáng)降水中心在多普勒速度圖上的另一特征，強(qiáng)回波中心朝著輻合區(qū)方向移動(dòng)。目前我國(guó)的CIN凡∞．SA雷達(dá)系統(tǒng)提供了反射率因子，平均徑向速度和譜寬三種基數(shù)據(jù)，在RPG中基數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)算法處理可形成39個(gè)種類(lèi)的分析產(chǎn)品p】。雷達(dá)產(chǎn)品分為基本產(chǎn)品和導(dǎo)出產(chǎn)品，其中導(dǎo)出產(chǎn)品是經(jīng)過(guò)RPG中的氣象算法處理后得到

7、的產(chǎn)品。風(fēng)暴單體識(shí)別與跟蹤算法是其中一個(gè)重要的算法。J．T．Johnson，PamelaL．Mackeen【Io】等提出了利用七個(gè)反射率因子識(shí)別閾值來(lái)替代此前唯一的一個(gè)閾值，同時(shí)采取特征核抽取技術(shù)，并對(duì)空間相距較近的多個(gè)風(fēng)暴單體進(jìn)行合并或者刪除處理。使對(duì)最小閾值為40dBZ風(fēng)暴的識(shí)別提高到68％，最小閾值為50dBz風(fēng)暴的識(shí)別提高到98％，而此前的僅為21％和41％。在目前條件下，從事臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的工作人員需要在很短的時(shí)間內(nèi)根據(jù)大批的雷達(dá)圖像做出快速反應(yīng)，預(yù)報(bào)結(jié)果與預(yù)報(bào)員的工作狀態(tài)、預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)、頭腦中的范例儲(chǔ)備、綜合判斷能力等關(guān)系緊密，使對(duì)致災(zāi)風(fēng)暴的錯(cuò)報(bào)

8、或漏報(bào)時(shí)有發(fā)生。所以需要構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)具有普適性意義的潛勢(shì)特征數(shù)據(jù)庫(kù)和基于客觀(guān)潛勢(shì)特征的預(yù)報(bào)模型，