綜合指標疊套方法在海上雷暴預報中的應用

安潔，齊琳琳，王東明（.空軍裝備研究院航空氣象防化研究所,北京00085; .山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所,山東青島6600）

綜合指標疊套方法在海上雷暴預報中的應用

安潔1，齊琳琳1，王東明2
（1.空軍裝備研究院航空氣象防化研究所,北京100085; 2.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所,山東青島266001）

摘要：在前人研究陸上雷暴的經(jīng)驗基礎上，采用綜合指標疊套的方法，探討不同海域雷暴的影響因子及其預報。選取的預報參數(shù)主要包括溫度露點差、相對濕度、層結(jié)穩(wěn)定度、對流有效位能、抬升指數(shù)、BOYD指數(shù)、全總指數(shù)、K指數(shù)、SWEAT指數(shù)、SWISS00、水汽通量散度等15個指標，并分區(qū)域確定各自的閾值。對2013年6月東海和南海區(qū)域雷暴進行試預報，準確率可達到70%以上，且有效減少漏報率?？梢?，選取的預報因子及其閾值是有效的，綜合指標疊套方法用于海上雷暴的預報是可行的。

關鍵詞：海上雷暴；綜合指標疊套方法；預報

1　引言

雷暴是我國夏季常見的重大災害性天氣之一，它的發(fā)生常伴有強烈的雷電活動及短時暴雨、冰雹、龍卷風等災害性天氣，是一種嚴重威脅飛行安全的天氣。根據(jù)美國民用航空1962—1988年氣象原因飛行事故分析統(tǒng)計，48起事故中有23起與雷雨天氣有關，占總數(shù)的47.9%。因此，對雷暴產(chǎn)生機制的研究及預報一直是氣象科學中研究的重點和熱點。國內(nèi)外許多學者對雷暴預報方法進行了許多有意義的研究?，F(xiàn)階段，雷暴的預報手段主要集中在雷達、衛(wèi)星等臨近預報上，但臨近預報只有在一定時間內(nèi)起到預警作用，預報時效短。隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，對氣象等環(huán)境因素精確預測的需求逐漸加強，為了提高對各種情況的應對能力，雷暴的預報時效的要求將會越來越高，因此，研究各種物理意義明確的能量、動力和熱力穩(wěn)定度參數(shù)不斷被提出并應用于研究及預報業(yè)務，結(jié)合數(shù)值模式產(chǎn)品的釋用方法便成為一條可以探討的途徑。例如劉玉玲[1]研究了與浮力能和風切變有關的幾個對流參數(shù)的物理概念和計算方法,并結(jié)合具體個例分析了這些參數(shù)在強對流天氣潛勢預測中的作用。齊琳琳等人[2]在利用觀測資料和NCEP再分析資料對2003年7月4—5日的一次強雷雨過程的天氣形勢、暴雨特征分析基礎上,從雷暴和強暴雨的發(fā)生條件入手,探討了對流有效位能、對流抑制指數(shù)、K指數(shù)、沙瓦特指數(shù)、粗里查森數(shù)等強對流參數(shù)的物理意義、計算方法及其在此次強雷雨發(fā)生潛勢預測中的指示意義。郝瑩等人[3]在統(tǒng)計分析安徽省雷暴形成天氣條件的基礎上,利用2003—2004年T213資料,選取與雷暴相關性好的對流參數(shù)作為預報因子，分別用判別分析法和指標疊加法制作雷暴潛勢預報。趙旭寰等人[4]利用探空資料計算了一些與雷暴發(fā)生相關的預報因子，嘗試利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡的方法對南京地區(qū)的雷暴天氣進行預報。

隨著經(jīng)濟和國防發(fā)展的需要，海上航空飛行活動日益增加，研究和預報海上強天氣變化對于保障航空飛行及我國海洋安全都具有十分重要的意義。但受地域和資料的限制，目前對海上雷暴的研究幾乎沒有。文章在前人研究陸上雷暴的經(jīng)驗基礎上，采用綜合指標疊套的方法，探討不同海域雷暴預報因子及其方法。研究海區(qū)選取東海和南海兩區(qū)域，如圖1所示，東海區(qū)域（圖1中1區(qū)）為（117°—132°E,22°—33°N）,南海區(qū)域（圖1中2區(qū)）為（105°—120°E,7°—21°N）。

圖1　研究海域（1區(qū)為東海區(qū)域，2區(qū)為南海區(qū)域）

2　綜合指標疊套方法及指標選取

綜合指標疊套技術是一種主要用于預報災害性天氣落區(qū)的方法。該方法首先要分析研究與災害性天氣落區(qū)相關的因子，找到相關性較好的因子（即預報因子），然后確定預報因子的閾值得到預報指標，最后將這些預報指標疊套處理，預報指標共同圍成的區(qū)域即為強對流天氣的落區(qū)。

若雷暴發(fā)生的必要條件為X1，滿足這一條件的為X1區(qū)；另一必要條件為X2，滿足這一條件的為X2區(qū)。這樣，雷暴發(fā)生區(qū)必然X1和X2共同滿足的區(qū)域X1·X2內(nèi)。雷暴發(fā)生必須同時具備N個指標條件（X1，X2，…，XN），則雷暴發(fā)生區(qū)必在這些條件共同滿足的區(qū)域X1·X2·…·XN內(nèi)。若這些條件全面反應了雷暴發(fā)生的基本條件并且指標選取較為適當，從理論上講，X1·X2·…·XN能反映出雷暴發(fā)生區(qū)。

雷暴發(fā)生發(fā)展的條件主要有3點：層結(jié)不穩(wěn)定、水汽條件和抬升機制。由于這些條件涉及到大氣溫度、水汽、風、抬升和凝結(jié)高度等5個方面，因此利用WRF模式（The Weather Research & Forecasting Model）預報產(chǎn)品及有關觀測資料，將其量化成判定雷暴發(fā)生的若干指數(shù)，主要包括：海平面溫度、海平面氣壓，高空溫度露點差、相對濕度、風場、散度、渦度、水汽通量，大氣水含量，有對流有效位能（CAPE），下沉對流有效位能（DCAPE），對流抑制能（CIN），抬升指數(shù)（LI），K指數(shù)、深厚對流指數(shù)（DCI），SWEAT指數(shù)，粗理查森數(shù)（BRN），全總指數(shù)（TT），風暴螺旋度（SRH），能量螺旋度（EHI），BOYD指數(shù)等。

圖2　綜合多指標疊套技術圖示

利用歷史micaps (Meteorological Information Combine Analysis and Process System)觀測記錄，統(tǒng)計2010—2012年5—9月發(fā)生在東海和南海區(qū)域的有記錄雷暴個例，以每日逐3 h的WRF模式輸出產(chǎn)品計算這些參數(shù)在雷暴發(fā)生前后的大小，統(tǒng)計分析其變化規(guī)律，提煉出與雷暴發(fā)生指示意義較強的參數(shù)作為預報指標。以盡量不漏報為原則，統(tǒng)計得到雷暴發(fā)生臨近時該指數(shù)的變化范圍，歸納閾值；最后將這些預報指標疊套處理，預報能夠滿足70%的指標閾值的范圍即為雷暴落區(qū)，從而設計制作區(qū)域雷暴天氣預報的綜合多指標疊套方法。確定的參數(shù)及閾值見表1。

表中各指數(shù)的計算方法及物理意義如下：（1）對流有效位能（CAPE）

CAPE表示在自由對流高度之上，氣塊可從正浮力作功而獲得的能量。計算公式為：

式中，Tv表示虛溫，Zf表示自由對流高度。Ze為平衡高度。在實際大氣中，CAPE可以反映對流潛勢的強弱，CAPE越大，表示大氣層結(jié)越不穩(wěn)定，越有可能發(fā)生雷暴。

（2）抬升指數(shù)（LI）

表1　南海和東海區(qū)域預報參數(shù)及其閾值

LI是指氣塊從修正的低層（通常為地面或近地面層）沿干絕熱線上升，到達凝結(jié)高度后再沿濕絕熱線上升至500 hPa時所具有的溫度Ts與500 hPa等壓面上的環(huán)境溫度T500的差值。計算公式為：

式中，當LI<0時，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，且負值越大，不穩(wěn)定程度越大，反之，則表示氣層是穩(wěn)定的。

（3）K指數(shù)

K指數(shù)是綜合反映中低層溫濕度分布的熱力物理量，定義為：一般情況下，K指數(shù)越大，表示大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。但是它并不能明顯表示出整個大氣層結(jié)的不穩(wěn)定程度，只能反映強對流性天氣發(fā)生的一種潛勢。

（4）全總指數(shù)（TT）

TT指數(shù)反映了850 hPa和500 hPa溫度露點垂直分布情況，值越大，說明溫度遞減率越大、低層水汽含量越充足，大氣越不穩(wěn)定。

（5）Boyden指數(shù)(BOYD)

式中，Z是位勢高度。BOYD指數(shù)最早用于英國鋒面過境時的強天氣事件，反映了1000—700 hPa整個氣層的溫度狀況，溫度越高，氣層越厚；700 hPa溫度值越低，指數(shù)最終的值越大。指數(shù)值的大小代表了雷暴的發(fā)生概率。該指數(shù)沒有加入水汽的影響，這也是該指數(shù)與其它指數(shù)不同點。

（6）SWEAT指數(shù)

SWEAT指數(shù)綜合反映了中低層熱力穩(wěn)定度特征以及雷暴發(fā)生的動力學環(huán)境，值與雷暴發(fā)生的可能性成正比。

式中，α是風向；F是風速。

（7）SWISS指數(shù)

SWISS指數(shù)又叫做穩(wěn)定度和風切變指數(shù)，包括SWISS00和SWISS12。值越小，大氣越不穩(wěn)定。

（8）水汽通量散度

3　預報效果分析

用上述綜合指標疊套方法試預報2013年6月東海和南海區(qū)域雷暴預報，根據(jù)雷暴預報輸出的結(jié)果與實際天氣作對比，兩者相同即為預報正確。結(jié)果見表2和表3。其中，預報準確率計算公式為：

預報準確率=正確個例數(shù)/總預報個例數(shù)。

正確個例數(shù)＝預報有而實際有＋預報無而實際無。

同時，考慮到海上雷暴發(fā)生的概率比較小，為了體現(xiàn)預報的有效性，還統(tǒng)計了“發(fā)生準確率”和“未發(fā)生準確率”，其統(tǒng)計公式分別為：

發(fā)生準確率=預報有而實際有個例數(shù)/實際有雷暴的總個例數(shù)；

未發(fā)生準確率=預報無而實際無個例數(shù)/實際無雷暴的總個例數(shù)。

由統(tǒng)計結(jié)果可以看出，相比較而言，東海的預報準確率較高，都在72%以上，尤其是對有雷暴發(fā)生的平均預報率在60%以上。雖然結(jié)果還不是很理想，但對于海上雷暴的預報，其效果已經(jīng)相當不錯了。從預報時效上看，發(fā)生準確率會受到時效的影響，這主要是因為預報數(shù)據(jù)是數(shù)值模式的輸出產(chǎn)品，隨著模式積分的增長，其準確率會稍有下降，從而影響雷暴的預報率。但這種影響也不是很明顯，特別是綜合預報的準確率，基本不變。而且，0時刻的預報率普遍較低，這主要是受觀測數(shù)據(jù)的影響。而觀測數(shù)據(jù)由于在某些高度層會存在缺測，是由插值計算得到的，必然影響其準確性。由此可見，預報數(shù)據(jù)的準確性對結(jié)果的影響是非常重要的，這正是海上預報所面臨的一大難題——資料匱乏。

另外，南海的預報準確率較低，最低的僅為52.051%，這其中主要是空報較多。分析原因主要有2點：一是南海區(qū)域大，但觀測樣本少，所以預報準確率不高，這可以在下一步試驗時再將有雷暴的個例參數(shù)加入樣本，再次斟酌各參數(shù)閾值；二是由于本文中是遵循“寧空勿漏”原則選定各參數(shù)閾值得，這必然導致空報較多，也影響準確率，下一步可以考慮適當將閾值門檻提高以減少空報。但這又會造成漏報多，要考慮在兩者之間取個均衡。

表2　2013年6月東海區(qū)域雷暴預報結(jié)果分析

表3　2013年6月南海區(qū)域雷暴預報結(jié)果分析

4　小結(jié)

文章以東海、南海海域的雷暴為預報對象，以2010—2012年5—9月每日逐3 h的WRF模式輸出產(chǎn)品的基本物理量和物理參數(shù)為影響因子，基于綜合指標疊套方法進行篩選預報因子、確定閾值，探討提高海上雷暴的預報準確率的方法。最終選取的預報參數(shù)主要包括溫度露點差、相對濕度、層結(jié)穩(wěn)定度、對流有效位能、抬升指數(shù)、BOYD指數(shù)、全總指數(shù)、K指數(shù)、SWEAT指數(shù)、SWISS00、水汽通量散度等15個指標，并以盡量不漏報為原則，分區(qū)域確定各自的閾值。并對2013年6月東海和南海區(qū)域雷暴進行試預報，結(jié)果表明，東海預報準確率可達到70%以上，且有效減少漏報率。可見，選取的預報因子及其閾值是有效的，指標疊套方法用于海上雷暴的預報是可行的。

參考文獻：

[1]劉玉玲.對流參數(shù)在強對流天氣潛勢預測中的作用[J].氣象科技, 2003, 31(3): 147-151.

[2]齊琳琳,劉玉玲,趙思雄.一次強雷雨過程中對流參數(shù)對潛勢預測影響的分析[J].大氣科學, 2005, 29(4): 536-548.

[3]郝瑩,姚葉青,陳焱,等.基于對流參數(shù)的雷暴潛勢預報研究[J].氣象, 2007, 33(1): 51-56.

[4]趙旭寰,王振會,肖穩(wěn)安,等.神經(jīng)網(wǎng)絡在雷暴預報中的應用初步研究[J].熱帶氣象學報, 2009, 25(3): 357-360.

Application of the indices overlapping sets method in thunderstorm forecasting over the sea

AN Jie1，QI Lin-lin1，WANG Dong-ming2
（1.Institute of Aeronautical Meteorology, Air Force Academy of Equipment, Beijing 100085 China；2.Shandong Province Key Lab of marine environment monitoring technology, marine Instrument Research Institute of Shandong Academy of Sciences, QingDao 266001 China）

Abstract：Based on the previous study of thunderstorm on land, the thunderstorms over the East China Sea and South China Sea were studied by using the overlapping sets method of indices. The 15 indices, including depression of the dew point, relative humidity, stratification stability, convective available potential energy, lifted index, BOYD index, K index, SWEAT index, SWISS00, water vapour flux divergency, were chosen, and the thresholds were confirmed at different regions. The thunderstorms on June, 2013 were predicted, and the accurate rate was increased more than 70% . The selected forecast factors and the thresholds were effective, and the overlapping sets method of indices was feasible in thunderstorm forecasting over the sea.

Key words：thunderstorm forecasting; overlapping sets method of indices; forecast

作者簡介：安潔（1979-），女，博士，工程師，主要從事海洋航空氣象研究。E-mail：anjie_1029@163.com

基金項目：國家“863”計劃（2012AA091801）；國家自然科學基金青年基金（41005030）

收稿日期：2014-02-18

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.01.009

中圖分類號：P732

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2015）01-0058-05