基于模糊綜合評價的地區(qū)強(qiáng)降水潛勢預(yù)測

張啟凡，王永忠

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618300）

強(qiáng)對流天氣是我國夏秋兩季多發(fā)的天氣現(xiàn)象，短時的強(qiáng)對流天氣具有局地性強(qiáng)、集中時間短的特點，因此在預(yù)報上有很大的難度，且易產(chǎn)生各類氣象災(zāi)害[1]。張祥[3]等人提出的加權(quán)型馬爾科夫模型，通過將歷史數(shù)據(jù)分級，建立四步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，對月降水量進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與實際資料吻合較好。李智超[4]將偏自相關(guān)系數(shù)(PAC)與自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(ANFIS)相結(jié)合預(yù)測年降水量，以年降水量序列自身數(shù)據(jù)作為輸入和輸出變量，將預(yù)測結(jié)果與多元線性回歸模型(MLR)的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比。屈文崗[5]等人基于滑動平均馬爾可夫預(yù)測模型，對華山地區(qū)2014—2023年的降水量進(jìn)行預(yù)測。諸多研究中鮮有用綜合氣象因素或指數(shù)對地區(qū)短時的強(qiáng)降水量和概率進(jìn)行數(shù)值的預(yù)測。我國強(qiáng)降水的預(yù)測的主要方法有經(jīng)驗統(tǒng)計、物理統(tǒng)計法和數(shù)值模式方法。本文選取比濕、相對濕度、水平水汽通量、垂直水汽通量、水汽通量散度和四層最大抬升指數(shù)。綜合六項氣象因子數(shù)據(jù)用模糊綜合評價的思想建立預(yù)測模型對強(qiáng)降水潛勢進(jìn)行預(yù)測分析。

1.數(shù)據(jù)來源

由美國國家環(huán)境預(yù)測中心（NCEP/NCAR）提供的2.5°×2.5°每6小時1次的網(wǎng)格數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上再對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算，包括700hPa、850hPa風(fēng)場、比濕，相對濕度，四層最大抬升指數(shù)資料。選用了北京地區(qū)2007年1月1日至2017年12月31日的地面逐日降水資料，本文將小時雨量(R12h)大于等于25 mm作為短時強(qiáng)降水的標(biāo)準(zhǔn)。

2.強(qiáng)降水潛勢預(yù)測方法

考慮強(qiáng)降水產(chǎn)生的三個必要條件，水汽條件，動力條件和大氣穩(wěn)定度，建立綜合比濕、相對濕度，水平水汽通量，垂直水汽通量、水汽通量散度和四層最大抬升指數(shù)，六項氣象要素的強(qiáng)降水潛勢模糊綜合評價模型，為保證模型的可靠性嘗試采用主成分分析法對影響要素進(jìn)行降維處理，但由于KMO＜0.6，證明所選取的變量均為獨立變量。采用熵權(quán)法對氣象因子在評價模型中的權(quán)重進(jìn)行求解，求得到比濕的權(quán)重為8%、相對濕度為23%、水平水汽通量為22%、垂直水汽通量為15%、4層最佳抬升指數(shù)為18%、水汽通量散度為14%。

2.1 比濕和相對濕度與強(qiáng)降水相關(guān)系數(shù)的確定

由于大氣高層的水汽含量很少，絕大部分集中于中低對流層，850hPa是水汽含量最豐富的一層、700hPa次之。所以，本文選取850hpa的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，經(jīng)處理過后的樣本數(shù)據(jù)中強(qiáng)降水發(fā)生在比濕在8～14。所以將比濕小于8時相關(guān)系數(shù)設(shè)定為0，當(dāng)比濕大于14時將相關(guān)系數(shù)設(shè)定為1。同樣，強(qiáng)降水發(fā)生在相對濕度在53%～95%。所以將相對濕度小于53%時相關(guān)系數(shù)設(shè)定為0，當(dāng)相對濕度大于95%時將相關(guān)系數(shù)設(shè)定為1。

圖 1 (a)比濕—強(qiáng)降水相關(guān)系數(shù) (b)相對濕度—強(qiáng)降水相關(guān)系數(shù)

2.2 水平水汽通量和垂直水汽通量與強(qiáng)降水相關(guān)系數(shù)確定

源地的水汽，主要是通過大規(guī)模的水平氣流被輸送到降水區(qū)。但一般來說，水汽向上輸送才能增厚濕層，產(chǎn)生凝結(jié)，成云致雨。因此在討論暴雨的水汽收支問題時，經(jīng)常需要計算鉛直水汽通量。同樣，經(jīng)處理后的樣本數(shù)據(jù)中強(qiáng)降水發(fā)生在水平水汽通量2～14，考慮原始數(shù)據(jù)檢測中的偏差，將比濕小于2時，相關(guān)系數(shù)設(shè)定為0，當(dāng)比濕大于14時將相關(guān)系數(shù)設(shè)定為1。垂直水汽通量相關(guān)系數(shù)的確定同上所述。

圖2 (a)水平水汽通量—強(qiáng)降水相關(guān)系數(shù) (b)垂直水汽通量—強(qiáng)降水相關(guān)系數(shù)

2.3 水汽通量散度—強(qiáng)降水相關(guān)系數(shù)確定

當(dāng)水汽由源地輸送到某地區(qū)時，必須有水汽在該地區(qū)水平輻合，才能上升冷卻凝結(jié)成雨。水汽水平輻合的大小可以用水平水汽通量散度來表示。整層水汽的輻合近似地等于降水率。水汽通量散度由水汽平流和風(fēng)的散度組成，實際計算中，水汽通量輻合主要由風(fēng)的輻合造成，特別是在底層的空氣里水平輻合最為重要，而水汽平流對水汽的貢獻(xiàn)甚微。計算得到的水汽通散度數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可以得出強(qiáng)降水發(fā)生在水汽通量散度在-5～0.4的情況下，考慮原始數(shù)據(jù)監(jiān)測中的偏差，將水汽通量散度小于-5時相關(guān)系數(shù)設(shè)定為0，當(dāng)水汽通量散度大于0.4時將相關(guān)系數(shù)設(shè)定為1。

圖3 水汽通量散度—強(qiáng)降水相關(guān)系數(shù)

2.4 四層最大抬升指數(shù)—降水相關(guān)系數(shù)確定

所謂，是指一個氣塊從自由對流高度出發(fā)，沿濕絕熱線上升到四層氣壓高度時處所示的溫度與四層氣壓高度實際溫度之間的差的最大值。4-Layer為負(fù)時，表明氣塊比其環(huán)境溫度更暖，因此將會繼續(xù)上升。四層最大抬升指數(shù)的絕對值越大，出現(xiàn)對流天氣的可能性也越大。當(dāng)指數(shù)為正數(shù)時，表示大氣層結(jié)穩(wěn)定。通過經(jīng)處理后得到的最大抬升指數(shù)可以看出強(qiáng)降發(fā)生時該指數(shù)在-3.6～1，將四層最大抬升指數(shù)小于-3.6的相關(guān)系數(shù)設(shè)定為1，大于1的相關(guān)系數(shù)設(shè)定為0。

圖4 最大抬升指數(shù)—強(qiáng)降水相關(guān)系數(shù)

2.5 強(qiáng)降水潛勢算法

模糊綜合評價法具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。強(qiáng)降水潛勢算法的評價因素為比濕、相對濕度，水平水汽通量，垂直水汽通量、水汽通量散度和四層最大抬升指數(shù)。評價因素值為各氣象要素與降水潛勢的相關(guān)系數(shù)。強(qiáng)降水潛勢即綜合評價值是指同一級評價因素的加權(quán)平均評價值之和。

使用熵權(quán)法對6項氣象因子在強(qiáng)降水綜合評價中的權(quán)重進(jìn)行求解得到比濕的權(quán)重為8%、相對相對濕度23%、水平水汽通量22%、垂直水汽通量15%、4層最佳抬升指數(shù)18%，水汽通量散度14%。所以最終由模型得到的強(qiáng)降水潛勢公式如式（1）所示：

Prepot為強(qiáng)降水潛勢，μsh為比濕相關(guān)關(guān)系、μrh相對濕度相關(guān)關(guān)系、μhwvf為水平水汽通量相關(guān)關(guān)系、μvwvf為垂直水汽通量相關(guān)關(guān)系、μ4L為四層最大抬升指數(shù)相關(guān)關(guān)系、μwvfd為水汽通量散度相關(guān)關(guān)系，這些氣象因子與強(qiáng)降水的相關(guān)系數(shù)可由前4節(jié)的方法確定。最終得到的強(qiáng)降水潛勢是指強(qiáng)降水發(fā)生的潛在程度，可以理解為強(qiáng)降水可能出現(xiàn)的概率和強(qiáng)度。

3.結(jié)語

本文所選取的六項氣象因子均對強(qiáng)降水的預(yù)報有重要的作用。首先，依據(jù)氣象因子數(shù)據(jù)與歷史強(qiáng)降水?dāng)?shù)據(jù)之間的關(guān)系得到各氣象因子與強(qiáng)降水潛勢之間的相關(guān)系數(shù)。再利用熵權(quán)法對六項氣象因子的在評價模型中的權(quán)重進(jìn)行求解得到各項評價因子在綜合評價模型中的權(quán)重。其中相對濕度和水平水汽通量權(quán)重較高，是預(yù)判是否發(fā)生強(qiáng)降水的關(guān)鍵。最后，利用模糊綜合評價的思想建立強(qiáng)降水潛勢預(yù)測模型得到潛勢公式(1)。該模型可以依據(jù)氣象因子數(shù)據(jù)對地區(qū)強(qiáng)降水潛勢做出實時預(yù)報。