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京津冀地区强对流天气特征和预报技术研究

闵晶晶  
【摘要】:本文利用京津冀地区基本气象站观测资料、多普勒天气雷达资料、FY-2C静止卫星资料、NCEP再分析资料、北京快速更新循环数值预报(BJ-RUC)模式资料,首先采用气候统计分析、分区统计及集中度(期)等方法,分析了京津冀地区雷暴大风、冰雹、短时强降水三类强对流天气的时空、强度分布特征,并研究了近30年冰雹的气候变化趋势特征及成因。然后基于自组织特征映射方法(SOM)对发生强对流天气的天气形势进行客观分型,采用平均概率方法(PRO)、神经元网络方法(ANN)和基于SOM的神经元网络方法(ASOM),研究了四类不同天气形势下强对流天气的预报模型,并对其48h内的强对流天气区域预报进行了检验;利用典型个例构建了冰雹天气的中尺度概念模型,分别选取与降雹相关性好的热力、动力参数作为预报因子,研究了基于综合指标叠套法(Ingredients-Based Methodology)建立冰雹天气的单站点逐1h预报模型。最后基于数学形态学的改进TITAN算法对风暴单体的识别、跟踪技术,通过分析京津冀地区冰雹云和雷雨云的雷达回波统计特征,研究了冰雹天气提前识别和预警方法。主要研究结果如下: (1)京津冀地区强对流天气的统计特征:京津冀地区雷暴大风多发生在5月上旬到6月中旬,冰雹主要出现在6月中旬到7月上旬,短时强降水则主要发生在7月中旬到8月中旬,并且具有明显的日变化和局地性特征。50%以上的短时强降水或雷暴大风天气会伴随其他天气的发生,90%以上的冰雹天气会伴有雷暴大风或短时强降水现象。近30年冰雹存在2.0~2.5a的变化周期,且呈明显减少趋势,其突变点发生在1993年;北部地区比南部地区的减少幅度要大,山地地区比平原地区减少幅度要大。200hPa西风急流中心西移、0℃层抬升和0℃到-20℃之间的厚度减小可能是造成近30年冰雹减少的主要原因。 (2)强对流天气的天气形势客观分型:5-9月发生强对流天气的天气形势进行客观分型,分型结果依次为:暖湿切变型、冷涡型、西北气流型、西风槽型。其中,西北气流型和冷涡型出现强对流天气的概率最高,达65%以上,暖湿切变型次之,西风槽型最低。 (3)传统预报因子选取方法和ANN方法的改进:通过分析预报因子与预报量之间相关系数的空间分布,利用相关性较大的主要影响区域提炼出的组合预报因子可以消除单站因子的局限性,相比传统方法,改进的选取方法获取的预报因子与预报量之间的相关性都有不同程度的提高,最高达到17%。改进的ANN方法在网络训练中可以自动网络结构和学习训练参数,还能有效的解决网络模型泛化能力差和局部极小等问题。通过拟合正弦曲线的试验,改进算法与标准函数的拟合曲线更为接近,平均误差较小,拟合效果优于传统ANN算法。 (4)强对流天气潜势预报建模技术:对比3种预报方法对新样本的试报结果,检验结果表明,改进ANN方法的预报效果最优,ASOM方法次之,PRO方法预报结果最差,并且3种预报方法对白天(北京时08:00-20:00时段)的预报效果比晚上(北京时20:00-08:00时段)的预报结果要好。 (5)典型冰雹天气过程的诊断:冰雹发生前,对流有效位能(CAPE)有一个明显增大的过程,只。廓线呈弓状,与之相对应,对流抑制能量(CIN)有一个减小的过程,使得层结不稳定显著加大,同时,0-3km垂直风切变(SHR)明显增大;造成降雹的超级单体风暴,在发展成熟阶段,多普勒雷达图上呈现出弓形回波、底层弱回波区和中高层悬垂回波区及三体散射现象,降雹前垂直液态含水量(VIL)出现明显跃增现象。 (6)BJ-RUC系统对地面基本要素的预报效果的评估:研究结果表明,系统对2m温度、10m风速、逐1h降水量的预报结果整体偏高,对2m相对湿度的预报偏低,平均误差随着预报时效的增长逐渐增大,0-12h内的预报性能优于12-24h,同时,系统能很好的预报出各要素的日变化,2m温度的预报与实况最为接近。整体上,BJ-RUC系统对高空和地面要素的预报性能较好。 (7)冰雹天气单站点的短时预报技术:4种天气型预报结果的平均临界成功指数(CSI)为15.8%,因为受选取样本的限制,冰雹样本占总样本的比例较低,造成虚假报警率(FAR)较高。同时,K指数、(T-TD)850、V300、θse950均是冰雹天气预报的较好消空因子。 (8)冰雹临近预报和提前识别技术:雹云提前识别模型的预报结果CSI达到82%,冰雹预警模型的预报结果CSI达到了90%。相比基于单参数统计阈值的雹云提前识别和预警方法,利用选取指标建立的提前识别和预警模型对冰雹的预报效果更好。


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