基于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的降雨預(yù)報(bào)模型檢驗(yàn)

路志英，陳　靖，田　碩，賈惠珍

基于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的降雨預(yù)報(bào)模型檢驗(yàn)

路志英1，陳靖1，田碩1，賈惠珍2

（1.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072；2.天津市氣象臺(tái)，天津300074）

風(fēng)暴相對(duì)螺旋度是一個(gè)衡量對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展強(qiáng)度的物理量，所以對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)具有實(shí)際意義。通過(guò)提取2008—2010年3 a天津地區(qū)153個(gè)降雨過(guò)程的多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算風(fēng)暴相對(duì)螺旋度，然后將風(fēng)暴相對(duì)螺旋度與從雷達(dá)反射率因子圖中提取的風(fēng)暴信息相融合，得到基于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的降雨預(yù)報(bào)模型。經(jīng)過(guò)2014年4—8月天津地區(qū)59個(gè)降雨過(guò)程對(duì)本文所提出的降雨預(yù)報(bào)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明降雨預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確率達(dá)到61%，其中提前2 h預(yù)測(cè)降雨占41%，在2 h以?xún)?nèi)預(yù)測(cè)降雨占59%。上述結(jié)果說(shuō)明，風(fēng)暴相對(duì)螺旋度在結(jié)合其他降雨特征后對(duì)降雨具有良好的預(yù)報(bào)效果。

風(fēng)暴相對(duì)螺旋度；降雨預(yù)報(bào)；多普勒雷達(dá)；雷達(dá)反射率因子

路志英，陳靖，田碩，等.基于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的降雨預(yù)報(bào)模型檢驗(yàn)[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（3）：9-14.

我國(guó)地域遼闊，氣候現(xiàn)象多樣，準(zhǔn)確的氣象預(yù)報(bào)對(duì)于減少災(zāi)害性天氣所造成的生命財(cái)產(chǎn)損失有著極其重要的意義。同時(shí)，有效的降水天氣預(yù)報(bào)對(duì)于指導(dǎo)居民出行、工作等日?；顒?dòng)也有著非常重要的意義[1]。隨著氣象監(jiān)測(cè)手段日益豐富，數(shù)據(jù)處理能力不斷增強(qiáng)，人們對(duì)氣象過(guò)程的了解愈加全面，氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性不斷增強(qiáng)。與此同時(shí)，由于信息來(lái)源眾多，數(shù)據(jù)量大，預(yù)報(bào)員工作繁雜，一些具有預(yù)報(bào)意義的氣象特征，其本身規(guī)律沒(méi)有被完全認(rèn)知，或不具備普遍適用性，僅能應(yīng)用于災(zāi)害性天氣的研究分析，尚未有效地應(yīng)用于氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域，風(fēng)暴相對(duì)螺旋度SRH （Storm-Relative Helicity）就是其中的一個(gè)特征[2]。風(fēng)暴相對(duì)螺旋度是一個(gè)用來(lái)衡量風(fēng)暴入流氣流的強(qiáng)弱及沿入流方向的渦度分量大小的參數(shù)，其大小可以反映風(fēng)暴的相對(duì)入流強(qiáng)度，環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)程度，從而反映風(fēng)暴旋轉(zhuǎn)發(fā)展的潛勢(shì)[3]。

在美國(guó)WSR-88D雷達(dá)的基本產(chǎn)品中有風(fēng)廓線(xiàn)VWP風(fēng)廓線(xiàn)CVAD Wind profile的輸出結(jié)果，預(yù)報(bào)人員將其應(yīng)用于氣象分析和災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)，已經(jīng)取得了不錯(cuò)的預(yù)報(bào)效果。石燕茹等通過(guò)計(jì)算風(fēng)暴相對(duì)螺旋度在強(qiáng)對(duì)流天氣中的表現(xiàn)獲取短時(shí)暴雨中不同高度風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的表現(xiàn)特征，以及伴隨冰雹大風(fēng)時(shí)風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的表現(xiàn)情況，獲取針對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)參考[4]。王麗榮等通過(guò)對(duì)不同強(qiáng)對(duì)流天氣情況中，風(fēng)暴相對(duì)螺旋度數(shù)據(jù)特征及時(shí)間提前量進(jìn)行分析，得到典型個(gè)例（數(shù)據(jù)質(zhì)量良好）的預(yù)報(bào)規(guī)則[5]。柳宏英等對(duì)西部某氣象站大降水天氣過(guò)程的SRH和雨量隨時(shí)間的變化進(jìn)行分析，驗(yàn)證了利用VWP風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品計(jì)算的SRH對(duì)大降水天氣的指示意義[6]。

綜上所述，風(fēng)暴相對(duì)螺旋度已經(jīng)得到理論驗(yàn)證并取得了較理想的研究成果，然而在預(yù)報(bào)方面，其研究往往局限于特征表現(xiàn)，而忽略了風(fēng)暴發(fā)展?fàn)顟B(tài)的差異，得到的結(jié)果難以滿(mǎn)足實(shí)際預(yù)報(bào)要求。針對(duì)目前的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度研究現(xiàn)狀，本文通過(guò)對(duì)多普勒天氣雷達(dá)反射率因子數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了風(fēng)暴基本特征，再結(jié)合風(fēng)暴相對(duì)螺旋度進(jìn)行降雨預(yù)報(bào)。本文利用2008—2010年天津地區(qū)153個(gè)短時(shí)降水過(guò)程作為樣本，得到降雨預(yù)報(bào)模型。最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證表明將風(fēng)暴基本特征同風(fēng)暴相對(duì)螺旋度特征進(jìn)行綜合分析，可以達(dá)到良好的降雨預(yù)報(bào)效果。

1　基于多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的提取

傳統(tǒng)的多普勒天氣雷達(dá)僅能夠得到雷達(dá)反射率因子數(shù)據(jù)，而新一代的天氣雷達(dá)系統(tǒng)加入探測(cè)目標(biāo)的徑向速度，從而為提取風(fēng)場(chǎng)信息提供了可能?？紤]到徑向速度數(shù)據(jù)一般具有連續(xù)性，利用有限空間風(fēng)場(chǎng)短時(shí)變化較小這一特點(diǎn)，可以估計(jì)風(fēng)場(chǎng)信息。20世紀(jì)60年代初期，Lhermitte等人提出了單部多普勒天氣雷達(dá)測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的一種方法—VAD（Velocity-Azimuth-Display）技術(shù)[7]，應(yīng)用這種方法，單部多普勒雷達(dá)能夠利用徑向速度數(shù)據(jù)得到降雨區(qū)不同仰角觀測(cè)范圍下各高度的平均散度和風(fēng)向風(fēng)速等信息，從而為計(jì)算風(fēng)暴相對(duì)螺旋度做準(zhǔn)備。

考慮到風(fēng)場(chǎng)變化受到的影響因素和實(shí)際徑向速度數(shù)據(jù)的質(zhì)量，目前比較廣泛應(yīng)用的VAD技術(shù)通常是以正弦函數(shù)與常量和為基本函數(shù)，用最小二乘法進(jìn)行曲線(xiàn)擬合來(lái)獲得。設(shè)徑向速度的分布曲線(xiàn)基本表達(dá)式為：

其中x為角度，y為徑向風(fēng)速，?和B是待定常量。利用三角函數(shù)定理將上式改寫(xiě)得到：

由于角度C為常量，則設(shè)b0=BcosC，b1=BsinC為曲線(xiàn)待定系數(shù)，X0=sinx，X1=cosx為未知量，于是得到二元一次方程：

將徑向速度數(shù)據(jù)代入方程，通過(guò)最小二乘法求解方程，即可求得方程參數(shù)。

2　風(fēng)暴相對(duì)螺旋度計(jì)算

Brandes等學(xué)者于1988年提出了風(fēng)暴相對(duì)螺旋度SRH的概念，用于衡量風(fēng)暴旋轉(zhuǎn)潛勢(shì)。風(fēng)暴相對(duì)螺旋度是具有明確意義的物理量，定義為相對(duì)氣流與環(huán)境水平渦度的點(diǎn)積，其表達(dá)式為：

其中，k為單位矢量。

在風(fēng)暴發(fā)展過(guò)程中，如果風(fēng)暴氣流入流層上沿流線(xiàn)方向的渦度可以進(jìn)入上升氣流，并與上升氣流核作用，在風(fēng)暴的深層產(chǎn)生強(qiáng)大持久的旋轉(zhuǎn)，則說(shuō)明該風(fēng)暴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)潛勢(shì)，有利于風(fēng)暴的進(jìn)一步發(fā)展。

風(fēng)暴相對(duì)螺旋度值的計(jì)算方法如下：

其中：（u0，v0）為地面風(fēng)，（un，vn）為各高度層上的水平風(fēng)，（Cx，Cy）為風(fēng)暴移動(dòng)速度。

un、vn的計(jì)算公式如式（7）所示，其中|Vn|為環(huán)境風(fēng)風(fēng)速大小，αn為環(huán)境風(fēng)相應(yīng)角度：

由于風(fēng)暴的移動(dòng)主要受中低層平流運(yùn)動(dòng)和自身傳播效應(yīng)的共同影響，以各高度層的平均風(fēng)風(fēng)向右移40°，風(fēng)速的75%來(lái)確定風(fēng)暴的移動(dòng)速度，即：

上式中為讀取的環(huán)境風(fēng)的層數(shù)。將Cx，Cy以及各高度層水平風(fēng)的風(fēng)速u(mài)n，vn代入式（7）中可計(jì)算出相應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度HSR。

3　多普勒天氣雷達(dá)反射率因子圖像分析

風(fēng)暴相對(duì)螺旋度反映了相對(duì)移動(dòng)速度和水平渦度共同作用對(duì)風(fēng)暴造成的影響，即風(fēng)暴的發(fā)展?jié)搫?shì)，但無(wú)法評(píng)估風(fēng)暴當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，經(jīng)常形成誤判，所以在進(jìn)行氣象分析的時(shí)候，還需要其它風(fēng)暴信息。為了通過(guò)風(fēng)暴相對(duì)螺旋度得到較好的預(yù)報(bào)效果，必須加入風(fēng)暴狀態(tài)的描述。由多普勒天氣雷達(dá)反射率因子圖，可以反應(yīng)不同仰角下的風(fēng)暴對(duì)電磁波反射情況，從而相對(duì)立體的反應(yīng)當(dāng)前風(fēng)暴狀態(tài)，所以加入雷達(dá)反射率因子圖像信息可以提高風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的判斷能力。

多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)生的基數(shù)據(jù)中，反射率因子數(shù)據(jù)記錄的是雷達(dá)在所有固定仰角下掃描360°采樣得到的分辨率為1 km的反射率因子數(shù)據(jù)。將每一個(gè)仰角下的反射率因子數(shù)據(jù)按照同雷達(dá)的徑向距離繪制在平面坐標(biāo)上，就形成了該仰角下的圓錐平面的俯視展開(kāi)圖。為了配合風(fēng)暴相對(duì)螺旋度進(jìn)行氣象分析，需要從多普勒天氣雷達(dá)發(fā)射率因子圖中獲取以下信息：

a.風(fēng)暴與雷達(dá)間的相對(duì)位置信息；

b.風(fēng)暴本身的影響范圍；

c.風(fēng)暴當(dāng)前發(fā)展?fàn)顟B(tài)信息。

對(duì)多普勒天氣雷達(dá)發(fā)射率因子圖的分析分為兩個(gè)步驟：確定目標(biāo)區(qū)域，特征提取。

（1）確定目標(biāo)區(qū)域階段，即通過(guò)圖像處理的手段，篩選出滿(mǎn)足一定反射率強(qiáng)度和范圍要求的風(fēng)暴區(qū)域，并選取距離雷達(dá)最近的區(qū)域作為目標(biāo)區(qū)域。結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1　程序中選取目標(biāo)區(qū)域示意圖

（2）特征提取階段，通過(guò)雷達(dá)反射率因子數(shù)據(jù)可以獲取目標(biāo)區(qū)域風(fēng)暴的狀態(tài)特征。本文選取最能代表風(fēng)暴基本狀態(tài)的特征，如：風(fēng)暴區(qū)域的面積、風(fēng)暴區(qū)域最高反射率因子與雷達(dá)間的水平距離、風(fēng)暴區(qū)域的高回波面積以及高回波比等。其中風(fēng)暴區(qū)域的面積及風(fēng)暴中心距雷達(dá)的距離會(huì)影響風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的有效性，風(fēng)暴面積較小時(shí)，無(wú)法獲得齊全的雷達(dá)徑向速度數(shù)據(jù)，而且當(dāng)風(fēng)暴中心距離雷達(dá)較遠(yuǎn)時(shí)，風(fēng)暴無(wú)法對(duì)雷達(dá)區(qū)域形成有效影響，雷達(dá)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)變化與風(fēng)暴無(wú)關(guān)，導(dǎo)致風(fēng)暴相對(duì)螺旋度無(wú)效。高回波比和高回波面積用來(lái)反映可能出現(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流現(xiàn)象。當(dāng)高回波面積較大、回波強(qiáng)度較高時(shí)，容易形成超級(jí)單體，進(jìn)而形成災(zāi)害性天氣。

4　降雨過(guò)程風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的實(shí)例分析

以天津地區(qū)世界時(shí)間2009年6月18日天氣為例，降雨時(shí)間為13：00—15:00，1 h降雨量分別為19.1 mm和30.7 mm，由此可見(jiàn)，該過(guò)程是一個(gè)短時(shí)強(qiáng)降雨過(guò)程。當(dāng)天的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖2。

圖3為2009年6月18日8時(shí)11分天津多普勒天氣雷達(dá)反射率因子圖。通過(guò)觀察，在降雨前8時(shí)11分，雷達(dá)西方87 km處存在一個(gè)風(fēng)暴，其高回波比（40 dBz區(qū)域比上25 dBz區(qū)域）為0.108，高回波面積小于200 km2，風(fēng)暴相對(duì)螺旋度數(shù)值為47 m2/s2。此時(shí)該風(fēng)暴處于發(fā)展態(tài)勢(shì)，旋轉(zhuǎn)潛勢(shì)不劇烈，尚不足以形成降雨。

圖2　2009年6月18日風(fēng)暴相對(duì)螺旋度曲線(xiàn)

圖3　2009年6月18日8時(shí)11分反射率因子

圖4　2009年6月18日10時(shí)35分反射率因子

由圖4所示的10時(shí)35分反射率因子圖看出，此時(shí)的高回波比為0.258，高回波面積大于200km2，說(shuō)明該時(shí)刻風(fēng)暴高回波比較集中，可能出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流現(xiàn)象。觀察圖2相對(duì)風(fēng)暴螺旋度曲線(xiàn)可以看出，由于風(fēng)暴影響范圍增大，風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)逐漸完善，從10 時(shí)35分開(kāi)始，3 km的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度增加達(dá)到80 m2/s2，并在連續(xù)的幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)持續(xù)增加，直到13 時(shí)47分，風(fēng)暴相對(duì)螺旋度達(dá)到165 m2/s2。當(dāng)天的降雨過(guò)程是從13時(shí)左右開(kāi)始，并在14時(shí)左右達(dá)到最大值。由此可知，在該情況下，風(fēng)暴相對(duì)螺旋度可以提前2 h左右出現(xiàn)持續(xù)增強(qiáng)現(xiàn)象，且降雨時(shí)刻出現(xiàn)在峰值來(lái)臨之前，但降雨最大值出現(xiàn)在峰值左右。

5　基于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的降雨規(guī)則及預(yù)報(bào)流程的建立

基于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的降雨規(guī)則確立的基本思路：首先，結(jié)合雷達(dá)反射率因子圖像信息判斷風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的作用范圍；其次，對(duì)雷達(dá)反射率因子圖像中得到的風(fēng)暴狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)；第三，在此基礎(chǔ)上，利用風(fēng)暴相對(duì)螺旋度信息發(fā)出降雨預(yù)警。

經(jīng)過(guò)對(duì)2008、2009、2010年天津地區(qū)153個(gè)降雨過(guò)程進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)出如下規(guī)則：

（1）判斷風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的作用范圍。

尋找雷達(dá)范圍內(nèi)所有風(fēng)暴，計(jì)算風(fēng)暴中心與雷達(dá)間的距離，篩選距離雷達(dá)最近的風(fēng)暴。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，若風(fēng)暴距離大于120 km，風(fēng)暴相對(duì)螺旋度數(shù)據(jù)無(wú)效；若小于120 km，判斷1.5 km和3 km風(fēng)暴相對(duì)螺旋度間數(shù)量差；若3 km風(fēng)暴相對(duì)螺旋度不等于1.5 km風(fēng)暴相對(duì)螺旋度，則說(shuō)明風(fēng)場(chǎng)探測(cè)高度可以支持3 km風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的計(jì)算；否則雷達(dá)探測(cè)區(qū)域未在風(fēng)暴影響范圍內(nèi)，風(fēng)暴相對(duì)螺旋度數(shù)據(jù)無(wú)效。

（2）風(fēng)暴狀態(tài)與風(fēng)暴相對(duì)螺旋度相結(jié)合。

通過(guò)對(duì)大量歷史樣本的分析，本文選取了能取得良好效果的特征——風(fēng)暴面積和高回波比作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的基本特征有閾值、上升速率、峰值等。

標(biāo)準(zhǔn)1：若風(fēng)暴面積高于2500 km2，高回波面積大于200 km2，則說(shuō)明，該風(fēng)暴結(jié)構(gòu)密實(shí)，可能在短時(shí)間內(nèi)形成短時(shí)強(qiáng)降雨，定位狀態(tài)1。若為狀態(tài)1，為了及時(shí)預(yù)報(bào)不能等風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的峰值出現(xiàn)，所以判斷風(fēng)暴相對(duì)螺旋度是否持續(xù)上升（判斷連續(xù)4個(gè)時(shí)間點(diǎn)風(fēng)暴相對(duì)螺旋度大于80 m2/s2），若連續(xù)上升，則說(shuō)明風(fēng)暴旋轉(zhuǎn)潛勢(shì)增加，有降雨跡象，發(fā)出降雨預(yù)警。

標(biāo)準(zhǔn)2：若風(fēng)暴面積高于2500 km2，高回波面積小于200 km2，則說(shuō)明此時(shí)風(fēng)暴尚存在發(fā)展空間，風(fēng)暴相對(duì)螺旋度需要加強(qiáng)到一定程度才可能出現(xiàn)降雨，定位狀態(tài)2。若為狀態(tài)2，由于風(fēng)暴組織較松散，降雨往往在風(fēng)暴相對(duì)螺旋度達(dá)到峰值之后，所以判斷風(fēng)暴相對(duì)螺旋度是否達(dá)到峰值。若某時(shí)間點(diǎn)后連續(xù)3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度不大于該時(shí)間點(diǎn)，則判斷該點(diǎn)為峰值，發(fā)出降雨預(yù)警。

標(biāo)準(zhǔn)3：若風(fēng)暴面積小于2500 km2，高回波比大于0.2或高回波面積大于200 km2，則該風(fēng)暴可能為超級(jí)單體，定位狀態(tài)3。若為狀態(tài)3，由于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度本身不能確定風(fēng)暴的降雨時(shí)刻是否位于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的作用區(qū)域內(nèi)，且風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的變化規(guī)律難以判斷，所以一旦風(fēng)暴相對(duì)螺旋度出現(xiàn)變化現(xiàn)象，就應(yīng)該發(fā)出預(yù)報(bào)。因此判斷風(fēng)暴相對(duì)螺旋度閾值，若閾值大于80 m2/s2，發(fā)出降雨預(yù)警。

標(biāo)準(zhǔn)4：若風(fēng)暴面積小于2500 km2，高回波比小于0.2且高回波面積小于200 km2，則形成短時(shí)強(qiáng)降雨可能性小，定位狀態(tài)4。若為狀態(tài)4，由于風(fēng)暴影響較小，且不易形成降雨，所以不發(fā)降雨預(yù)報(bào)。

綜上所述，基于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的暴雨預(yù)報(bào)流程見(jiàn)圖5：

圖5　基于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的暴雨預(yù)報(bào)流程

2014年4—8月一共有59個(gè)降雨過(guò)程，利用本文提出的基于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的降雨預(yù)報(bào)的方法對(duì)天津2014年4—8月的所有基數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)：如不考慮風(fēng)暴狀態(tài)，出現(xiàn)風(fēng)暴相對(duì)螺旋度明顯起伏變化現(xiàn)象的樣本有73個(gè)。

經(jīng)過(guò)風(fēng)暴相對(duì)螺旋度作用范圍判定，符合判定階段條件的共39個(gè)。從降雨過(guò)程角度分析，該39個(gè)過(guò)程多是降雨過(guò)程，而未達(dá)到判斷標(biāo)準(zhǔn)的20個(gè)降雨過(guò)程中，12個(gè)不符合120 km距離判定，風(fēng)暴相對(duì)螺旋度曲線(xiàn)無(wú)現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)風(fēng)暴狀態(tài)判定，39個(gè)樣本中，符合狀態(tài)1的有13個(gè)，符合狀態(tài)2的有18個(gè)，符合狀態(tài)3的有8個(gè)，沒(méi)有符合狀態(tài)4的樣本。通過(guò)規(guī)則判定，39個(gè)樣本中，預(yù)報(bào)提前量在2 h及以上時(shí)間者有16個(gè)過(guò)程，1~2 h有14個(gè)過(guò)程，1 h以?xún)?nèi)有6個(gè)過(guò)程，滯后降雨時(shí)間有3個(gè)過(guò)程（表1）。

表1　預(yù)報(bào)提前時(shí)間統(tǒng)計(jì)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，得出降雨預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確率達(dá)到61%，其中提前2 h預(yù)測(cè)降雨占41%，在2 h以?xún)?nèi)預(yù)測(cè)降雨占59%。

6　結(jié)論

本文的工作重點(diǎn)在于探究風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的工作原理和作用范圍，以達(dá)到短時(shí)預(yù)報(bào)降雨的效果。風(fēng)暴相對(duì)螺旋度是一個(gè)反映風(fēng)暴旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)的物理量，通過(guò)介紹其計(jì)算、應(yīng)用原理，并將其與雷達(dá)反射率因子圖像計(jì)算的風(fēng)暴特征相結(jié)合，將2008—2010年天津地區(qū)153個(gè)短時(shí)降水過(guò)程作為樣本進(jìn)行分析，探究出一套較為可靠的根據(jù)風(fēng)暴相對(duì)螺旋度有降雨天氣短時(shí)預(yù)報(bào)模型。利用2014年4—8月天津地區(qū)59個(gè)降雨過(guò)程對(duì)降雨預(yù)報(bào)模型進(jìn)行驗(yàn)證，得出降雨預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確率達(dá)到61%，其中提前2 h預(yù)測(cè)降雨占41%，在2 h以?xún)?nèi)預(yù)測(cè)降雨占59%。結(jié)果表明風(fēng)暴相對(duì)螺旋度可以作為一個(gè)有效的特征來(lái)預(yù)報(bào)降雨，但風(fēng)暴相對(duì)螺旋度是一個(gè)作用效果有限的特征量，將其納入到降雨預(yù)報(bào)中來(lái)，必須注意其作用范圍，首先要根據(jù)風(fēng)暴面積及風(fēng)暴中心距離雷達(dá)的距離判斷其有效性，再結(jié)合風(fēng)暴狀態(tài)進(jìn)行分析；同時(shí)，風(fēng)暴相對(duì)螺旋度是一個(gè)隨過(guò)程發(fā)展的特征，僅對(duì)單個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度進(jìn)行分析是沒(méi)有意義的，從過(guò)程中分析其規(guī)律性的變化才能有效地指導(dǎo)降雨預(yù)報(bào)。在未來(lái)的工作計(jì)劃中，可以通過(guò)考慮風(fēng)暴區(qū)域位置的移動(dòng)信息，并結(jié)合其對(duì)流中心的降雨能力，粗略地估計(jì)降雨量。

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doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.03.003

Weather Forecast of Rainfall Based on Storm Relative Helicity

LU Zhiying1，CHEN Jing1，TIAN Shuo1，JIA Huizhen2
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Meteorological Bureau，Tianjin 300074，China）

Storm relative helicity is an index which could measure the strength of the physical development of convective storms,so it has practical significance for the strong convective weather forecasting.By extracting Doppler weather radar wind data of 153 cases in Tianjin during 2008-2010 to calculate the storm relative helicity,combined with the storm information extracted from the radar reflectivity factor graph,we could give references for forecasting storm rainfall based on storm relative helicity.The results show that the accuracy of rainfall prediction model proposed in this study reached 61%,of which forecast rainfall 2 hours in advance accounted for 41%,and those in less than two hours 59%.As a conclusion,combined with other rainfall characteristics,the storm relative helicity has an good effect on storm rainfall forecast.

storm relative helicity；rainfall forecast；Doppler radar；radar reflectivity image features

P457.6

B

1002-0799（2016）03-0009-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.03.002

2015-08-22；

2015-11-12

天津市自然科學(xué)基金“基于帶狀回波上的冰雹回波自動(dòng)識(shí)別技術(shù)方法研究”（14JCYBJC21800）。

路志英（1964-），女，教授，主要研究方向：強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別以及氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)。E-mail：luzy@tju.edu.cn