逐步消空法在上海雷电潜势预报中的应用_杨仲江
第29卷 第6期气象科学
Vo.l 29,No .6 2009年12月
SCI ENT I A M ETEOROLOG ICA SI N I CA
Dec .,2009
杨仲江,唐晓峰.逐步消空法在上海雷电潜势预报中的应用.气象科学,2009,29(6):810-814
逐步消空法在上海雷电潜势预报中的应用
杨仲江
1,3
唐晓峰
1,2
(1南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,南京210044)
(2南京信息工程大学电子与信息工程学院,南京210044)
(3南京信息工程大学大气物理学院,南京210044)
摘 要 利用上海地区1999)2007年的探空资料、地面观测资料和历史天气图资料,从雷暴
发生的形势场入手,分析上海地区雷暴主要类型。选取合理、适当的对流参数对于短时局地强雷雨天气的潜势预测、强度判别是有指示意义的。利用天气型、K 指数、沙氏指数以及对流有效位能作为预报因子,采用逐步消空法找出雷暴识别指标集合,变小概率事件为条件概率下的大概率事件,进而提高雷电潜势预报准确率。
关键词 逐步消空法 高空槽 雷电潜势预报 强对流参数 分类号 P446 文献标识码 A
收稿日期:2008-10-7;修改稿日期:2008-12-19
基金项目:2008年公益性行业科研专项(GY HY200806014)
第一作者简介:杨仲江(1961-),男,江苏射阳,副教授,高工。主要从事雷电防护、电磁兼容的研究.m ash i m aro2974@https://www.wendangku.net/doc/7e695256.html,
The application of ste p -w ise decreasi ng FAR m ethod to
t hunderstor m potenti al trend forecast
Yang Zhongjiang
1,3
Tang X i a ofeng
1,2
(1K ey Laboratory of M eteorolog ical D isaster of M inistry of Educati on ,N anjing University of Informa tion Science&T echnology,N anj i ng 210044,China )(2C ollege of E lectronic&Infor ma tion Eng ineering,N anj i ng Universit y of
Information S cience&T echnology,N anjing 210044,Ch i na)
(3Schoo l of A t m ospher ic Phy sics ,N anjing Un i ver sit y of Information S cience&T echnology,N anjing 210044,Ch i na)
Abstrac t The sound i n g da ta ,ground obser vati o n data and w eather chart infor m ati o n are used to an -
alyze t h e m ain types o f thunderstor m s i n Shangha,i started fr o m the situa ti o n fi e l d of thunderstor m s .A deta ilm ethod o f recogn izi n g thunderstor m w as i n troduced by step -w ise decreasi n g F AR .The synoptic pa-t ter n ,K index ,SI i n dex and Convective Ava ilab le Potential Energy (CAPE)w ere used as the factors to produce the indicator se t of thunderstor m recogn ition,wh ich w ere selected to be reasonab le for the poten -tial trend forecast o f str ong thundersto r m s i n the shor-t ter m w eather .It can be seen t h at a m ethod to i m -prove the forecast accuracy of rare events is to tur n t h e rare events fro m very little probability into large probab ility by conditional probab ility
K ey w ords Stepw ise decreasing FAR m ethod H i g h -a ltitude trough L i g htning potential forecast Severe convecti v e para m eters
引 言
在气象服务中,人们关心的雷暴、强降雹、龙卷
等许多灾害性天气现象都属于次数较小的小概率事
件,但这些小概率的事件却给人们的生活带来了极大的危害。近年来,在这些小概率的灾害天气中,雷
电的危害尤为严重。虽然提高雷电这种小概率风险事件的气象服务质量与许多环节有关,但提高预报
成功率却是关键的一环
[1]
。为此,国内外许多专家
都对雷电进行了大量的研究并提出了许多方法:Anthes [2]
认为,中尺度天气现象,如飓风、强雷暴以及雹暴等都不是随机发生的现象,而是强烈地取决于大尺度环流系统以及有关的热力场与水汽场;李霞
[3-4]
等具体分析了苏州地区的雷电分布规律;李建华
[5-6]
等分析了地闪活动与雷达回波和降水的关
系;王永忠[7-8]
等分析了雷暴的危害性;刘玉玲
[9]
分
析了多种对流参数在强对流天气潜势预测中的作用。彭治班
[10]
等提出了提高小概率事件预报成功
率的方法,即/变小概率事件为条件概率下的大概率事件0。但将天气形势作为条件概率,结合对流参数,使用逐步消空法,将雷电这个小概率事件变为大概率事件,还未应用于雷电潜势预报中。同时逐
步消空法在其他强对流天气)))雹云和暴雨的识别效果明显。因此,尝试借鉴逐步消空法来进行雷电潜势预报。
1 逐步消空法
[1]
的数学表述
根据目前我国天气预报质量检验和评估的规定,引入临界成功指数I cs 、探测概率I p 与虚假报警率I f 。根据表1
[11]
,有
I cs =
x x +y +z
, (1)I p =
x
x +y , (2)I f =
z x +z
。 (3)
表1 定义I cs 、I p 、I f
用表T ab l e 1 The d efi n i ti on of I cs ,I p and I f
预报(雷电)
观测(雷电)
有
无总计
有x z x +z 无y w y +w 总计
x +y
z +w
N
表1中引入的I cs 、I p 、I f 是衡量预报质量、预报指标或预报方法优劣很有用的参数。提高预报准确率,就是使I cs 的数值加大;寻找预报指标,就是寻找使表一中y 和z 减小、I cs 变大的条件。而所谓的逐步消空法就是一种寻找预报指标集的数学方法,就是使y =0、使z 逐步变小的方法,用探测概率I p 与虚假报警率I f
来表示就是I p =10010%
(4)
10010%>I f =m >0
(5)[(I f )i-1-(I f )i ]>m i %>0
(6)
式(6)中(I f )i 表示为第i 个指标的虚假报警率。其中式(4)表示/勿漏0;式(5)、(6)表示/宁空0;式(4~6)共同表示/宁空勿漏0,也就是/逐步消空法0的数学表述。
2 上海地区的雷暴特征
利用上海市1999)2007年的历史天气图对上海地区雷暴日天气形势进行分类(以500hPa 和850hPa 天气图为主),大体可以划分为5种天气类型:高空槽型、中低空切变线型、东风波型(包括台风外围影响)、热对流型、复合型(热对流与高空槽共同作用)(表2)。
这里的雷暴日定义为:上海地区11个地面观测站一天内有一站或多于一站观测到闪电或者闻雷。通过对1999)2007年的地面观测资料的统计和分析:这9a 中共出现了382个雷暴日。其中6)8月所占的百分比共为6717%,6月为13172%,7月为24134%,8月为29164%。另外由表3可见,上海地区的雷暴日有将近6成发生在高空槽型,同时6)8月为雷暴活动高发时段,将近7成在夏季发生。因此,本文以高空槽型6)8月份的雷暴日为例进行分析。
表2 上海地区雷暴天气类型特征
Table 2 The m ai n typ es of thunderst or m s in Shanghai
雷暴天气类型特征
高空槽型高空(500hPa)影响系统为较明显低压槽,中
低层(700、850hPa)也多表现为低压槽,而非切变线。
中低空切变线型
500hPa 往往为偏西波动气流,无明显槽。但
是中低空(700~850hPa)有明显切变线,雷暴过程850hPa 无明显温度锋区,对应地面影响系统为静止锋。
东风波型
多发生在8月份以后,此时副高脊线在30b N 以北,副高中心位于东部海上,本地处于副高南侧,高低空盛行偏东气流。
热对流型
多发生在8、9月份,副高脊线在30b N 以北,
且副高中心深入内陆(110b E 附近),本地500hPa 处于副高东侧(东南侧)偏北气流控制,但低层往往有弱切变线,白天由于风小盛行下沉气流易产生35e 左右的高温,午后到夜里,在低空切变线的触发下不稳定能量得以释放,多在水陆边界处产生局地雷暴单体,且缓慢南压并减弱。复合型热对流与高空槽共同作用
8116期
杨仲江,等:逐步消空法在上海雷电潜势预报中的应用
表3 雷暴天气类型比例
Table 3 Proporti on of t h em a i n types of t hunderstor m s 雷暴天气类型雷暴日/d 占总雷暴日
比例高空槽型2275914%中低空切变线型
5715%东风波型(包括台风外围影响)36914%热对流型
521316%复合型(热对流与高空槽共同作用)
10
21
6%
图1 高空槽型天气图2005年6月27日08时形势场(a)500hPa ;(b )850hPa
Fi g .1 W eat h er m ap of upper -level trough typ e for sit u ati on fiel d at 08:00on J une 27(a)500hPa ,(b )850hPa
3 利用天气型消空
中尺度天气现象,如强雷暴、雹暴等都不是随机发生的现象,而是与大尺度环流系统以及有关的热力场与水汽场密切相关。首先将大尺度环流形势作为逐步消空法的第一个因子。
高空槽型是指高空(500hPa)影响系统为较明显低压槽,中低层(700、850hPa)也多表现为低压槽,而非切变线,一般都发生在6)8月。副高脊线在20~30b N 之间,上海地区处于副高北侧(西北侧)西南气流控制下,受高空低压槽影响易发生强对流天气,如图1所示(以2005年6月27日天气图为例)。其中发生在梅雨期(6月中旬到7月上旬前后)的雷暴天气占多数。槽后有干冷平流,而低层冷锋前又有暖湿平流,因此不稳定度较大。而槽前两侧风向交角比较接近,槽线上的辐合上升运动也较强。这种高低空形势配置,不但有利于层结不稳定的进一步发展,而且有利于出现抬升作用,有一定的触发机制同时又有较为充足的水汽条件,很好的满足了雷暴天气发生的3个基本条件。
1999)2007年的6)8月中,共有248个雷暴日,雷暴日的发生概率为248/828U 30%,而高空槽
型共有288d,在高空槽共出现147个雷暴日,雷暴日的发生概率为147/288U 5110%。
空报次数为N k =7+11+18+15+12+18+22+19+19=141d ,如表4。由此可见,增加高空槽型的条件后,雷暴日的概率增加了21%,使较小概率事件变为较大概率事件的效果比较明显。因此,将高空槽型天气形势作为第一个预报因子,记为X b 。
表4 高空槽型雷暴日表T ab l e 4 L i ghtn i ng of upper -level trough
年份高空槽型出现天数/d
雷暴日/d
高空槽天气型下出现的雷暴日/d
1999
21221420002523142001343116200229251420032934172004342316200537221520063934202007
40
34
21
4 利用K 指数消空
国外研究认为,下述3个条件有利于雷暴的发生、发展和维持:(1)层结不稳定。(2)较好的低空水汽条件。(3)有适当的触发因子。当高空环流形
势、水汽条件、对流稳定度3个条件适合的情况下,一旦有切变、冷锋、强对流天气区等触发因子入侵启动,则非常有利于雷暴天气的发生。
Johns 与Dosw ell [12]
指出,几乎所有的局地强风暴事件(包括雷暴)都与深对流有关。而要达到深
812
气 象 科 学 29卷
对流必需具备下列3个条件:(1)在对流层的下部有足够的潮湿层。(2)有足够强的温度直减率。
(3)潮湿层的气块能充分抬升以达到自由对流高度。K指数很好地定量表示了前两个条件。
K指数的定义为[19]
K=(T850-T500)+T d850-(T-T d)700,(7)式中T850、T500、T d850、(T-T d)700分别表示850hPa、500hPa温度,850hPa露点以及700hPa温度露点差,上式中第一项表示温度直减率,第二项表示低层水汽条件,第三项表示中层饱和程度。由此可以看出K指数反映了高低空温度、湿度差异,是反映大气层结稳定性的参数。通常当K指数大于35e 时,层结就相当不稳定了。
由1999年)2007年6)8月的探空资料得出,所有高空槽型雷暴日的K指数(所用的K指数是雷暴发生前08时和20时探空资料所得),它们的值均大于、等于30。于是,选取K\30作为一个预报因子,并记为X1。
1999)2007年6)8月满足X1高空槽型共有(20+18+26+17+18+20+22+26+30)=197d,而且该197d中雷暴日共出现147d,雷暴日发生的概率为147/197U7416%。由此得出,增加预报指数X1后,雷暴日几率增加了约2316%,使空包次数从上一次的141d减少为(6+4+10+3+1+4+7+ 6+9)=50d,显示出X1在消空及使小概率事件变为大概率事件方面有一定作用。
5利用沙氏指数I s消空
郝莹[13]等曾指出沙氏指数能对强对流天气的发生有较好的指示作用,并且利用沙氏指数等对流参数来作为预报因子,对雷暴有较好的指示意义。
沙瓦特指数(I s)也称沙氏指数,其值等850hPa 等压面上的湿空气团沿干绝热线上升,到达凝结高度后再沿湿绝热线上升至500hPa时所具有的气团温度与500hPa等压面上的环境温度的差值,即
I s=(T500-T850),(8)式中,T500、T850分别表示500hPa等压面上的环境温度和850hPa等压面上的湿空气团抬升至500hPa所具有的气团温度。沙氏指数也是一种反映大气稳定程度的参数,常与K指数一起使用。一般I s<0时,大气层结不稳定,且负值越大,不稳定程度越大,反之,则表示气层是稳定的。
根据1999年)2007年6)8月所有高空槽型雷暴日的探空资料得出(所用的I s指数是雷暴发生前08时和20时探空资料所得),它们的I s指数均小于、等于0172。因此,选取I s[0172作为第二个预报因子,记为X2。
同时满足X1与X2的高空槽型共有(16+15+ 17+15+18+17+18+23+25)=164d,其雷暴日几率为147/164U8916%。由此得出,增加预报指标X2后,雷暴日几率增加了约15个百分点,同时使空报次数从上一次的50d减少为(2+1+1+1+1+ 1+3+3+4)=17d,显示出X2在消空及使小概率事件变为大概率事件方面的作用非常明显。
6利用对流有效位能消空
对流有效位能(E cap)是一个与环境联系最为密切的热力学变量,广泛应用于国内外强对流天气诊断分析。郑栋[14]等用北京地区闪电定位资料和探空资料,分析了大气不稳定参数与闪电活动的关系,发现对流有效位能与闪电活动具有较好的相关性,并提出了闪电活动预报的诊断指标;Petersen[15]用谈空资料发现E cap与24h内的闪电次数存在弱的正相关,E cap越大、对流负能量越小、对流层垂直风切变越弱,会对应越大的对流降水比例、越强的闪电密度、越强的对流垂直发展结构;H alverson[16]用探空资料对闪电活动进行了分析,发现巴西地区E cap大于1500J#kg-1时,对流闪电活动活跃。
当气块的重力与浮力不相等且浮力大于重力时,一部分位能可以释放,由于这部分能量对大气对流有着积极的作用,并可转化成大气动能,故称其为对流有效位能。其表达式为
E cap=g Q z e z f f1T ve(T va-T ve)d z,(9)式中,T v表示虚温,z f为自由对流高度,即T va-T ve由负值转正值的高度,下标a为地面上升量,下标e为环境相关量在平衡高度处,环境对气块的浮力加速度为0,在此高度之上,对流将因为环境的负浮力作用而受到削弱。E cap为在自由对流高度之上,气块可从正浮力做功而获得的能量。它从理论上反映出上升运动受环境浮力做功而能达到垂直运动的强度,这种能量对大气对流发展有积极意义。
由上海地区1999年至2007年6)8月高空槽型雷暴日的探空资料得出(所用的E cap指数是雷暴发生前08时和20时探空资料所得),它们的对流有效位能均大等于511189J#kg-1。因此,选取E cap\511189J#kg-1作为一个预报因子,记为X3。同时满足X1、X2、X3的高空槽型共有147d,其雷暴日
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6期杨仲江,等:逐步消空法在上海雷电潜势预报中的应用
几率为100%。由此得出,增加指标X3后,雷暴日几率增加了1014%,使空报次数从上一次的17d减少为0d,X3具有一定的消空作用与使小概率事件变为大概率事件的作用。
由上述结果得出,X b、X1、X2和X3为上海地区6)8月高空槽天气型下雷电潜势预报识别的指标集。
7预报流程及效果检验
利用逐步消空法得出的指标集(以高空槽型为例),先从当天的M icaps天气图资料(一般为早晚8点500hPa和850hPa形势场)判断天气类型是否属于满足雷暴发生的形势场,满足则用下一指标K指数来判别;不满足则判断为无雷暴。再以K指数作为判别条件,如果K值大等于30,则进入下一个指标I s的判断;如不满足则为无雷暴。同样再判断第三个指标I s指数,如果满足I s指数小等于0172,则进入下一个指标E cap的判别,否则则为无雷暴。最后当E cap的值大等于511189J#kg-1,才能判断有雷暴,否则则为无雷暴。
通过四个指标的层层筛选,在逐步减小空报率的同时增加预报准确率,只到雷电预报指标集合中每一个的临界值都达到时,才预报未来有雷暴。
为了检验逐步消空法在雷电潜势预报中的使用效果,利用上述得出的指标集,使用1998年6)8月上海地区的资料进行检验(以高空槽型为例)。1998年6)8月高空槽型天气有34d,雷暴日32d,高空槽型雷暴日19d。逐步消空法预报的结果是雷暴日22d,没有漏报,只有3d(分别是98年7月1日、7月20和8月10日)指标集识别为雷暴日,但实际不是,属于空报,I cs=19/22=86%。
8结语
(1)通过对上海地区1999)2007年的探空资料、地面观测资料和历史天气图资料的分析,结合逐步消空法,得出了高空槽型条件下上海地区雷电潜势预报的指标集,并将雷电这类小概率的灾害性天气逐步变为条件概率下的大概率事件,使雷电潜势预报变为可能。
(2)逐步消空法得出的指标集在1998年的试报检验中没有出现漏报,但有3次空报,临界成功指数达到86%。可见其成功率较高,对雷电的潜势预报识别效果明显。
(3)逐步消空法不单单用于高空槽型,还同样可以用于上海地区其他类型的雷暴。
在今后的研究中,还将结合闪电定位仪资料、雷达资料和卫星资料,将它们与雷电潜势预报有机的结合起来,以期达到更好的效果。
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决策树法在贵州雷电潜势预报中地应用
分类号：P457.9 U D C：D10621-408-（2014）0541-0 密级：公开编号：2010024057 信息工程学院 学位论文 决策树法在雷电潜势预报中的应用
论文作者：王加敏 申请学位专业：雷电防护科学与技术申请学位类别：工学学士 指导教师（职称）：凌 论文提交日期：2014年05月16日
独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得信息工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示意。 签名：日期：2014年5月22日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解信息工程学院有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权信息工程学院可以将学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （的学位论文在解密后应遵守此规定）
签名： 日期：2014年5月22日
决策树法在雷电潜势预报中的应用 摘要 省位于我国西南部地区，是雷暴活动频繁、雷电灾害最为严重的省份之一。为了更多的了解地区的雷暴灾害，本文利用MICAPS软件，对2013年地区75个地面观测站的资料，进行雷暴发生时间、站点和天气形式的统计。结果显示，地区所发生的雷暴主要是在天气系统的影响下产生的，其中受高空槽影响产生的雷暴数最多，占总数的31%；其次是受副热带高压移动所产生的雷暴占总数的22%；受西南低涡影响所产生的雷暴占总数的10%，受高空急流影响所产生的雷暴占总数的7%，受切变线影响造成的雷暴占总数的6%，受东风波影响所产生的雷暴次数占3%，受冷锋系统影响造成的雷暴占2%。由其他因素影响产生的雷暴占总数的19%。地区雷暴的时空分布表现出如下特征：从月变化上看雷暴主要集中在6-8月份，从日变化上看雷暴数白天少于夜间，从地区上看，南部多于北部，而且主要分布在西南部，东南部，西北部。通过和威宁两个高空探测站所记录的925 hPa、850 hPa、800hPa、700 hPa、500 hPa、250hPa等探测资料，对雷暴发生的不稳定参量进行相关性统计分析，得出与雷暴发生情况相关性较好的不稳定指标为，对流有效位能，850hPa假相当位温，气团指标K，沙氏指数S ，850hPa与500hPa 假相当位温差，全总指数。根据以上指标，运用决策树方法生成省未来12小时雷暴潜势预报的决策树，并通2014年3月份的资料对决策树进行验证和修正，得到
短时临近预报系统
1.前言 地处亚热带季风气候区，暴雨、雷电、大风、冰雹等强对流灾害性天气频发。目前，气象卫星探测技术、新一代雷达探测技术不断发展和完善，我省的灾害性天气预警系统建设也取得了很大的成功。在此背景下，短时预报工作人员迫切需要建立“强天气监视平台”，充分利用这些气象信息新成果，实时监视我省可能出现的强对流天气，并能及时发现短时突发性天气的“蛛丝马迹”，从而准确预报强对流天气。 2.系统建设目标 2.1强天气监测平台的具体目标 ●一能自动侦查预设目录下新生成的文件，并解读文件内容，检查文件中 的值是否达到预设阈值。 ●二是要能用图形和文字或列表等方式显示卫星、雷达、闪电定位仪、地 面观测、探空、数值预报产品等气象信息，并能对达到预设值的气象信 息进行声音预警或闪烁提醒、各预警值可设开关功能 ●三是要与地理信息相叠加，能在图形上反映观测点的海拔高度、地形 地貌特征。 ●四是能在地理信息的基础上多层叠加显示各种产品，并能选择各图层的 消隐/显示状态。各图层的叠加顺序可调 ●能列表统计达到预警值的县（区、市）（###） ●五是要能多个屏幕显示不同气象信息。 2.2系统要求 ●基于WebGIS进行开发； ●图形的放大采用鼠标左键双击图形放大、右键双击图形缩小，按住左键 移动鼠标实现图形的拖动。 ●图形显示颜色柔和，功能操作简单。 ●要求报警的气象要素报警阈值可以修改。 3.应用系统建设项目 3.1地面观测资料 地面资料分为自动站资料、本站资料。自动站资料10分钟更新一次，人工站资料3小时更新一次。降水、气温、气压、风向风速、湿度从自动站文件中获取，天气现象从人工站资料中获取。相应的文件格式见附录1。 系统可以综合显示地面资料信息（按天气图填图格式），在显示站点的要素时可以进行单选或多选。对站点也可以进行区域站和所有站的选择。 表1是地面资料实时监视的气象要素、显示方式、报警阈值