基于WRF 模式物理量參數(shù)的雷電潛勢(shì)MOS 預(yù)報(bào)方法研究

楊秀莊，彭 芳，童碧慶

(貴州省氣象臺(tái)，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 引言

我國(guó)是典型的季風(fēng)氣候區(qū)，夏半年受東亞季風(fēng)環(huán)流影響，強(qiáng)對(duì)流天氣頻繁，雷電是強(qiáng)對(duì)流天氣最明顯的特征。雷暴一般具有突發(fā)性強(qiáng)、范圍小、局地災(zāi)害嚴(yán)重等中小尺度特征，因此對(duì)雷暴的預(yù)報(bào)難度較大。隨著大氣探測(cè)設(shè)備的更新，如閃電定位儀、大氣電場(chǎng)儀、雷達(dá)衛(wèi)星等的廣泛應(yīng)用，雷電特別是強(qiáng)雷電的研究取得了很大的進(jìn)展。張義軍［1］、張延龍［2］等對(duì)雷電的電荷結(jié)構(gòu)及其成因做了很多研究，得出一些很有用的結(jié)論。郝瑩［3］等做了關(guān)于判別分析法和指標(biāo)疊加法應(yīng)用于雷暴潛勢(shì)預(yù)報(bào)方面的研究;鄭傳烈［4］等將獨(dú)立參數(shù)條件概率法應(yīng)用于雷暴的預(yù)報(bào);AgostinoManzato 等［5］利用探空資料以及閃電定位資料對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了訓(xùn)練，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)雷暴的發(fā)生以及閃電的密度進(jìn)行了預(yù)報(bào);金米娜［6］等利用衛(wèi)星資料分析了中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)的雷電演變特征。

貴州地處青藏高原東南部，橫斷山脈的下坡段，全省多山，對(duì)流天氣頻繁，雷電天氣較多。楊秀莊等［7］通過(guò)分析貴州雷電時(shí)空分布特征得到貴州雷電主要發(fā)生時(shí)間為4—10月份，呈不均勻分布，西部、南部偏多，北部、東部偏少，特別是省的西南部雷電天氣頻繁。因此，加強(qiáng)對(duì)貴州雷電天氣的分析與研究，提高雷電天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)能力，對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)有十分重要的意義。本文通過(guò)中尺度模式輸出的時(shí)空分辨率較高的物理量場(chǎng)資料，開(kāi)展對(duì)貴州雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)研究。

2 研究資料和MOS 方法介紹

選取2011年5—8月份ADTA 閃電定位儀地閃資料，范圍為貴州區(qū)域(22～30°N，103～110°E)。利用ADTA 地閃資料通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯網(wǎng)格(0.5°×0.5°)插值，獲取經(jīng)緯網(wǎng)格上地閃頻數(shù)。物理量場(chǎng)資料為以T639 數(shù)值模式為背景場(chǎng)的中尺度模式WRF 輸出的物理量場(chǎng)，時(shí)間分辨率為3 h，空間分辨率為5 km。

MOS 預(yù)報(bào)方法是統(tǒng)計(jì)方法的一種。選取一定數(shù)量的樣本，以數(shù)值模式輸出的數(shù)據(jù)作為預(yù)報(bào)因子，以同時(shí)刻實(shí)際觀測(cè)的數(shù)據(jù)為預(yù)報(bào)量，二者建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系。其推導(dǎo)方程的函數(shù)關(guān)系式如下:

3 WRF 模式物理量選取及物理意義

以T639 數(shù)值模式為背景場(chǎng)的中尺度模式WRF輸出的物理量很多，包括高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)等等，在分析雷暴發(fā)生基本條件基礎(chǔ)上，選取10 個(gè)能有效反映雷暴發(fā)生發(fā)展的物理量參數(shù)。

根據(jù)雷暴發(fā)生的基本條件，要出現(xiàn)明顯的雷暴天氣，大氣必須為層結(jié)不穩(wěn)定，通常來(lái)說(shuō)，主要表現(xiàn)為大氣的熱力不穩(wěn)定。結(jié)合天氣學(xué)知識(shí)，選取了常用的K 指數(shù)、對(duì)流有效不穩(wěn)定能量(CPAE)、對(duì)流抑制能量(CIN)、地面總溫度(TT)，這4 項(xiàng)物理量參數(shù)主要反映大氣聚集的有效能量，選取沙氏指數(shù)(SI)、850 hPa 與300 hPa 溫度之差(T850－T300)，主要反映大氣的不穩(wěn)定指標(biāo)。同時(shí)，雷暴的發(fā)生必須有合適的水汽條件，所以選取了物理量850 hPa、700 hPa、500 hPa 溫度露點(diǎn)差之和(TTd)。不穩(wěn)定條件和水汽條件都滿足的情況下，不一定會(huì)有雷暴的發(fā)生，必須有一定的觸發(fā)機(jī)制，才有雷暴天氣的發(fā)生，反映雷暴觸發(fā)機(jī)制的動(dòng)力條件選取了850 hPa 渦度(vort850)、850 hPa 散度(div850)、300 hPa 散度(div300)。最后，選取了850 hPa 與500 hPa 假相當(dāng)位溫之差(θse850－θse500)、850 hPa 水汽通量散度(fluxdiv850)等綜合指標(biāo)來(lái)加強(qiáng)對(duì)雷暴發(fā)生發(fā)展的反映，更好的開(kāi)展雷暴潛勢(shì)預(yù)報(bào)研究。

4 物理量參數(shù)和雷電相關(guān)性研究及預(yù)報(bào)因子的篩選

上述選取的WRF 模式輸出的物理量參數(shù)是結(jié)合天氣學(xué)知識(shí)人為選取的，在貴州地區(qū)雷電特別是強(qiáng)雷電的發(fā)生發(fā)展是否與這些所有的物理量有關(guān)還有待科學(xué)的檢驗(yàn)。收集整理5—8月份ADTA 閃電定位儀的地閃資料和WRF 模式輸出的物理量參數(shù)資料，選取了符合條件的188 個(gè)樣本。以經(jīng)緯網(wǎng)格內(nèi)的閃電頻數(shù)作為雷暴強(qiáng)度來(lái)表示，WRF 模式輸出物理量場(chǎng)選取上一日20 時(shí)起報(bào)的18 h 預(yù)報(bào)產(chǎn)品和當(dāng)日08 時(shí)起報(bào)的18 h 預(yù)報(bào)產(chǎn)品。二者之間建立相關(guān)性統(tǒng)計(jì)關(guān)系。其關(guān)系式如下:

其中x 為經(jīng)緯網(wǎng)格內(nèi)的閃電頻數(shù)，y 為WRF 模式輸出的18 h 預(yù)報(bào)產(chǎn)品。通過(guò)計(jì)算，上述選取的10個(gè)物理量與雷電的相關(guān)系數(shù)如表1。

表1 中NaN 表示數(shù)據(jù)缺失，本文不予討論，其余數(shù)據(jù)為物理量產(chǎn)品與雷電的相關(guān)系數(shù)。由于所選取樣本數(shù)較少，所有必須對(duì)相關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。在顯著水平α =0.05 情況下，樣本容量為188個(gè)時(shí)臨界相關(guān)系數(shù)為0.138 4，即如果相關(guān)系數(shù)在0.138 4 以上，則呈顯著相關(guān)。通過(guò)分析，選取了呈顯著相關(guān)的6 個(gè)物理量產(chǎn)品。包括K 指數(shù)、CAPE(對(duì)流不穩(wěn)定能量)、SI(沙氏指數(shù))、TT(地面總溫度)、θse850－θse500(850 hPa 與500 hPa 假相當(dāng)位溫之差)、TTd(850 hPa、700 hPa、500 hPa 溫度露點(diǎn)差之和)。其中SI、TTd 和雷電為明顯的負(fù)相關(guān)。

表1 WRF 模式輸出的物理量18 h預(yù)報(bào)產(chǎn)品與雷電相關(guān)系數(shù)

5 利用判別分析法進(jìn)行雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)

利用WRF 模式輸出的上一日20 時(shí)起報(bào)的18 h預(yù)報(bào)產(chǎn)品和當(dāng)日08 時(shí)起報(bào)的18 h 預(yù)報(bào)產(chǎn)品，選取呈顯著相關(guān)6 個(gè)物理量作為預(yù)報(bào)因子，以ADTA 閃電定位儀監(jiān)測(cè)到的單位經(jīng)緯網(wǎng)格的閃電頻數(shù)為預(yù)報(bào)對(duì)象，在樣本容量為188的情況下用判別分析法使二者之間建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系，建立判別分析方程。計(jì)算得到的雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)方程如下:

其中X1～X6為預(yù)報(bào)因子，Y 為預(yù)報(bào)量。X1為K指數(shù)，X2為CAPE(對(duì)流不穩(wěn)定能量)，X3為SI(沙氏指數(shù))，X4為T(mén)T(地面總溫度)，X5為θse850－θse500，x6為T(mén)Td。

YC=－215.1 為預(yù)報(bào)量閾值。

當(dāng)計(jì)算的Y ＞YC=－215.1 時(shí)，則無(wú)雷電。

當(dāng)計(jì)算的Y ＜YC=－215.1 時(shí)，則有雷電。

在實(shí)際預(yù)報(bào)中，利用WRF 模式輸出的上述6 個(gè)物理量18 h 預(yù)報(bào)產(chǎn)品，代入上述雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)方程，根據(jù)計(jì)算出的預(yù)報(bào)量Y 值與YC對(duì)比，就可以判定未來(lái)12 h(當(dāng)日08—20 時(shí)或20 時(shí)—次日08 時(shí))單位經(jīng)緯網(wǎng)格有無(wú)閃電，從而建立12 h 雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)。

圖1 是以9月3日20 時(shí)為起始場(chǎng)的WRF 模式輸出的18 h 預(yù)報(bào)產(chǎn)品，利用上述的雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)方程計(jì)算得到的9月4日08—20 時(shí)雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。產(chǎn)品以Micaps 第4 類(lèi)格點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示，100 表示有雷電，0 表示無(wú)雷電，999 表示數(shù)據(jù)缺失。圖中可以看到，除東北部地區(qū)外，其余大部分地區(qū)都有明顯的雷電潛勢(shì)，西部邊緣地區(qū)數(shù)據(jù)缺失。由于西部邊緣地區(qū)海拔較高，某些物理量參數(shù)無(wú)法計(jì)算出來(lái)，如850 hPa 與500 hPa 假相當(dāng)位溫之差，因此得到的雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)缺失。圖2 是9月4日08 時(shí)—20 時(shí)的ADTA 閃電定位儀閃電監(jiān)測(cè)情況，圖中顯示，貴州北部地區(qū)雷電少，其余大部分地區(qū)都有雷電，其中省的西南部雷電比較密集，雷電頻數(shù)高，雷電強(qiáng)。對(duì)比分析圖1、圖2 可以看到，利用上述雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)方程得到的結(jié)果和實(shí)況基本吻合，但省北部地區(qū)有一定程度的空?qǐng)?bào)，可能的原因是其受數(shù)值預(yù)報(bào)影響較大，WRF 模式當(dāng)日對(duì)北部的整體預(yù)報(bào)效果較差，且由于雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)方程本身的誤差以及閃電離散化程度較高的原因，造成了一定程度空?qǐng)?bào)。但總的來(lái)說(shuō)，本次個(gè)例雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)產(chǎn)品在實(shí)際的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中具有一定的參考作用。通過(guò)選取其他幾次出現(xiàn)雷電天氣明顯的個(gè)例，雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)產(chǎn)品大趨勢(shì)預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確，但局部地區(qū)有一定程度空?qǐng)?bào)或漏報(bào)。由于閃電數(shù)據(jù)離散程度較高，且ADTA 閃電定位儀探測(cè)的數(shù)據(jù)本身誤差較大，對(duì)閃電的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)一直是雷電預(yù)報(bào)的難點(diǎn)。本文中雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)雷電有不同程度的空?qǐng)?bào)或漏報(bào)，這也屬正常現(xiàn)象，希望在今后的工作中對(duì)其進(jìn)一步改進(jìn)和提高，使其在實(shí)際的業(yè)務(wù)應(yīng)用中能發(fā)揮較大作用。

6 小結(jié)

①本文采用ADTA 閃電定位儀資料，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)獲取經(jīng)緯網(wǎng)格內(nèi)的閃電頻數(shù)，采用WRF 模式輸出的高分辨率的物理場(chǎng)資料，二者之間建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系，利用MOS 方法開(kāi)展雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)研究。

②通過(guò)研究得到對(duì)貴州雷電潛勢(shì)有明顯影響的物理量預(yù)報(bào)因子有K 指數(shù)、對(duì)流不穩(wěn)定能量、沙氏指數(shù)、地面總溫度、850 hPa 與500 hPa 假相當(dāng)位溫之差、850 hPa、700 hPa、500 hPa 溫度露點(diǎn)差之和，利用這些因子采用判別分析法建立了貴州地區(qū)雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)方程，通過(guò)檢驗(yàn)，此雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)方程在實(shí)際的雷電潛勢(shì)業(yè)務(wù)中有一定的參考作用。

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