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(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所,山東青島6600）

綜合指標(biāo)疊套方法在海上雷暴預(yù)報(bào)中的應(yīng)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(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)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(yàn)基礎(chǔ)上，采用綜合指標(biāo)疊套的方法，探討不同海域雷暴的影響因子及其預(yù)報(bào)。選取的預(yù)報(bào)參數(shù)主要包括溫度露點(diǎn)差、相對(duì)濕度、層結(jié)穩(wěn)定度、對(duì)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(gè)指標(biāo)，并分區(qū)域確定各自的閾值。對(duì)2013年6月東海和南海區(qū)域雷暴進(jìn)行試預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確率可達(dá)到70%以上，且有效減少漏報(bào)率?？梢姡x取的預(yù)報(bào)因子及其閾值是有效的，綜合指標(biāo)疊套方法用于海上雷暴的預(yù)報(bào)是可行的。

關(guān)鍵詞：海上雷暴；綜合指標(biāo)疊套方法；預(yù)報(bào)

1　引言

雷暴是我國(guó)夏季常見的重大災(zāi)害性天氣之一，它的發(fā)生常伴有強(qiáng)烈的雷電活動(dòng)及短時(shí)暴雨、冰雹、龍卷風(fēng)等災(zāi)害性天氣，是一種嚴(yán)重威脅飛行安全的天氣。根據(jù)美國(guó)民用航空1962—1988年氣象原因飛行事故分析統(tǒng)計(jì)，48起事故中有23起與雷雨天氣有關(guān)，占總數(shù)的47.9%。因此，對(duì)雷暴產(chǎn)生機(jī)制的研究及預(yù)報(bào)一直是氣象科學(xué)中研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)雷暴預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了許多有意義的研究。現(xiàn)階段，雷暴的預(yù)報(bào)手段主要集中在雷達(dá)、衛(wèi)星等臨近預(yù)報(bào)上，但臨近預(yù)報(bào)只有在一定時(shí)間內(nèi)起到預(yù)警作用，預(yù)報(bào)時(shí)效短。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，對(duì)氣象等環(huán)境因素精確預(yù)測(cè)的需求逐漸加強(qiáng)，為了提高對(duì)各種情況的應(yīng)對(duì)能力，雷暴的預(yù)報(bào)時(shí)效的要求將會(huì)越來越高，因此，研究各種物理意義明確的能量、動(dòng)力和熱力穩(wěn)定度參數(shù)不斷被提出并應(yīng)用于研究及預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，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(fēng)切變有關(guān)的幾個(gè)對(duì)流參數(shù)的物理概念和計(jì)算方法,并結(jié)合具體個(gè)例分析了這些參數(shù)在強(qiáng)對(duì)流天氣潛勢(shì)預(yù)測(cè)中的作用。齊琳琳等人[2]在利用觀測(cè)資料和NCEP再分析資料對(duì)2003年7月4—5日的一次強(qiáng)雷雨過程的天氣形勢(shì)、暴雨特征分析基礎(chǔ)上,從雷暴和強(qiáng)暴雨的發(fā)生條件入手,探討了對(duì)流有效位能、對(duì)流抑制指數(shù)、K指數(shù)、沙瓦特指數(shù)、粗里查森數(shù)等強(qiáng)對(duì)流參數(shù)的物理意義、計(jì)算方法及其在此次強(qiáng)雷雨發(fā)生潛勢(shì)預(yù)測(cè)中的指示意義。郝瑩等人[3]在統(tǒng)計(jì)分析安徽省雷暴形成天氣條件的基礎(chǔ)上,利用2003—2004年T213資料,選取與雷暴相關(guān)性好的對(duì)流參數(shù)作為預(yù)報(bào)因子，分別用判別分析法和指標(biāo)疊加法制作雷暴潛勢(shì)預(yù)報(bào)。趙旭寰等人[4]利用探空資料計(jì)算了一些與雷暴發(fā)生相關(guān)的預(yù)報(bào)因子，嘗試?yán)萌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)南京地區(qū)的雷暴天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)。

隨著經(jīng)濟(jì)和國(guó)防發(fā)展的需要，海上航空飛行活動(dòng)日益增加，研究和預(yù)報(bào)海上強(qiáng)天氣變化對(duì)于保障航空飛行及我國(guó)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(duì)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(yàn)基礎(chǔ)上，采用綜合指標(biāo)疊套的方法，探討不同海域雷暴預(yù)報(bào)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(biāo)疊套方法及指標(biāo)選取

綜合指標(biāo)疊套技術(shù)是一種主要用于預(yù)報(bào)災(zāi)害性天氣落區(qū)的方法。該方法首先要分析研究與災(zāi)害性天氣落區(qū)相關(guān)的因子，找到相關(guān)性較好的因子（即預(yù)報(bào)因子），然后確定預(yù)報(bào)因子的閾值得到預(yù)報(bào)指標(biāo)，最后將這些預(yù)報(bào)指標(biāo)疊套處理，預(yù)報(bào)指標(biāo)共同圍成的區(qū)域即為強(qiáng)對(duì)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(shí)具備N個(gè)指標(biāo)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(yīng)了雷暴發(fā)生的基本條件并且指標(biāo)選取較為適當(dāng)，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(diǎn)：層結(jié)不穩(wěn)定、水汽條件和抬升機(jī)制。由于這些條件涉及到大氣溫度、水汽、風(fēng)、抬升和凝結(jié)高度等5個(gè)方面，因此利用WRF模式（The Weather Research & Forecasting Model）預(yù)報(bào)產(chǎn)品及有關(guān)觀測(cè)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(diǎn)差、相對(duì)濕度、風(fēng)場(chǎng)、散度、渦度、水汽通量，大氣水含量，有對(duì)流有效位能（CAPE），下沉對(duì)流有效位能（DCAPE），對(duì)流抑制能（CIN），抬升指數(shù)（LI），K指數(shù)、深厚對(duì)流指數(shù)（DCI），SWEAT指數(shù)，粗理查森數(shù)（BRN），全總指數(shù)（TT），風(fēng)暴螺旋度（SRH），能量螺旋度（EHI），BOYD指數(shù)等。

圖2　綜合多指標(biāo)疊套技術(shù)圖示

利用歷史micaps (Meteorological Information Combine Analysis and Process System)觀測(cè)記錄，統(tǒng)計(jì)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(gè)例，以每日逐3 h的WRF模式輸出產(chǎn)品計(jì)算這些參數(shù)在雷暴發(fā)生前后的大小，統(tǒng)計(jì)分析其變化規(guī)律，提煉出與雷暴發(fā)生指示意義較強(qiáng)的參數(shù)作為預(yù)報(bào)指標(biāo)。以盡量不漏報(bào)為原則，統(tǒng)計(jì)得到雷暴發(fā)生臨近時(shí)該指數(shù)的變化范圍，歸納閾值；最后將這些預(yù)報(bào)指標(biāo)疊套處理，預(yù)報(bào)能夠滿足70%的指標(biāo)閾值的范圍即為雷暴落區(qū)，從而設(shè)計(jì)制作區(qū)域雷暴天氣預(yù)報(bào)的綜合多指標(biāo)疊套方法。確定的參數(shù)及閾值見表1。

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

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

式中，Tv表示虛溫，Zf表示自由對(duì)流高度。Ze為平衡高度。在實(shí)際大氣中，CAPE可以反映對(duì)流潛勢(shì)的強(qiáng)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(yù)報(bào)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(dá)凝結(jié)高度后再沿濕絕熱線上升至500 hPa時(shí)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(jì)算公式為：

式中，當(dāng)LI<0時(shí)，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，且負(fù)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(gè)大氣層結(jié)的不穩(wěn)定程度，只能反映強(qiáng)對(duì)流性天氣發(fā)生的一種潛勢(shì)。

（4）全總指數(shù)（TT）

TT指數(shù)反映了850 hPa和500 hPa溫度露點(diǎn)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(shì)高度。BOYD指數(shù)最早用于英國(guó)鋒面過境時(shí)的強(qiáng)天氣事件，反映了1000—700 hPa整個(gè)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(diǎn)。

（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(dòng)力學(xué)環(huán)境，值與雷暴發(fā)生的可能性成正比。

式中，α是風(fēng)向；F是風(fēng)速。

（7）SWISS指數(shù)

SWISS指數(shù)又叫做穩(wěn)定度和風(fēng)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(yù)報(bào)效果分析

用上述綜合指標(biāo)疊套方法試預(yù)報(bào)2013年6月東海和南海區(qū)域雷暴預(yù)報(bào)，根據(jù)雷暴預(yù)報(bào)輸出的結(jié)果與實(shí)際天氣作對(duì)比，兩者相同即為預(yù)報(bào)正確。結(jié)果見表2和表3。其中，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率計(jì)算公式為：

預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率=正確個(gè)例數(shù)/總預(yù)報(bào)個(gè)例數(shù)。

正確個(gè)例數(shù)＝預(yù)報(bào)有而實(shí)際有＋預(yù)報(bào)無而實(shí)際無。

同時(shí)，考慮到海上雷暴發(fā)生的概率比較小，為了體現(xiàn)預(yù)報(bào)的有效性，還統(tǒng)計(jì)了“發(fā)生準(zhǔn)確率”和“未發(fā)生準(zhǔn)確率”，其統(tǒng)計(jì)公式分別為：

發(fā)生準(zhǔn)確率=預(yù)報(bào)有而實(shí)際有個(gè)例數(shù)/實(shí)際有雷暴的總個(gè)例數(shù)；

未發(fā)生準(zhǔn)確率=預(yù)報(bào)無而實(shí)際無個(gè)例數(shù)/實(shí)際無雷暴的總個(gè)例數(shù)。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，相比較而言，東海的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高，都在72%以上，尤其是對(duì)有雷暴發(fā)生的平均預(yù)報(bào)率在60%以上。雖然結(jié)果還不是很理想，但對(duì)于海上雷暴的預(yù)報(bào)，其效果已經(jīng)相當(dāng)不錯(cuò)了。從預(yù)報(bào)時(shí)效上看，發(fā)生準(zhǔn)確率會(huì)受到時(shí)效的影響，這主要是因?yàn)轭A(yù)報(bào)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(zhǎng)，其準(zhǔn)確率會(huì)稍有下降，從而影響雷暴的預(yù)報(bào)率。但這種影響也不是很明顯，特別是綜合預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，基本不變。而且，0時(shí)刻的預(yù)報(bào)率普遍較低，這主要是受觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。而觀測(cè)數(shù)據(jù)由于在某些高度層會(huì)存在缺測(cè)，是由插值計(jì)算得到的，必然影響其準(zhǔn)確性。由此可見，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對(duì)結(jié)果的影響是非常重要的，這正是海上預(yù)報(bào)所面臨的一大難題——資料匱乏。

另外，南海的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低，最低的僅為52.051%，這其中主要是空?qǐng)?bào)較多。分析原因主要有2點(diǎn)：一是南海區(qū)域大，但觀測(cè)樣本少，所以預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不高，這可以在下一步試驗(yàn)時(shí)再將有雷暴的個(gè)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(dǎo)致空?qǐng)?bào)較多，也影響準(zhǔn)確率，下一步可以考慮適當(dāng)將閾值門檻提高以減少空?qǐng)?bào)。但這又會(huì)造成漏報(bào)多，要考慮在兩者之間取個(gè)均衡。

表2　2013年6月東海區(qū)域雷暴預(yù)報(bào)結(jié)果分析

表3　2013年6月南海區(qū)域雷暴預(yù)報(bào)結(jié)果分析

4　小結(jié)

文章以東海、南海海域的雷暴為預(yù)報(bào)對(duì)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(biāo)疊套方法進(jìn)行篩選預(yù)報(bào)因子、確定閾值，探討提高海上雷暴的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的方法。最終選取的預(yù)報(bào)參數(shù)主要包括溫度露點(diǎn)差、相對(duì)濕度、層結(jié)穩(wěn)定度、對(duì)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(gè)指標(biāo)，并以盡量不漏報(bào)為原則，分區(qū)域確定各自的閾值。并對(duì)2013年6月東海和南海區(qū)域雷暴進(jìn)行試預(yù)報(bào)，結(jié)果表明，東海預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可達(dá)到70%以上，且有效減少漏報(bào)率。可見，選取的預(yù)報(bào)因子及其閾值是有效的，指標(biāo)疊套方法用于海上雷暴的預(yù)報(bào)是可行的。

參考文獻(xiàn)：

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[2]齊琳琳,劉玉玲,趙思雄.一次強(qiáng)雷雨過程中對(duì)流參數(shù)對(duì)潛勢(shì)預(yù)測(cè)影響的分析[J].大氣科學(xué), 2005, 29(4): 536-548.

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[4]趙旭寰,王振會(huì),肖穩(wěn)安,等.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在雷暴預(yù)報(bào)中的應(yīng)用初步研究[J].熱帶氣象學(xué)報(bào), 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(jiǎn)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(xiàng)目：國(guó)家“863”計(jì)劃（2012AA091801）；國(guó)家自然科學(xué)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(hào)：P732

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2015）01-0058-05