利用常规观测资料,在对广西4个区域冰雹气候特征分析的基础上,对造成冰雹的环流形势分为华北低槽型、高原东部低槽型和南支槽型。检索出数值预报产品有物理意义的预报因子,采取判别分析法和指标叠套法制作广西冰雹的潜势预报。结果表明,指标叠套法优于判别分析法。基于数值模式输出场的参数估计,对于不同参数设置、不同阈值范围来制作广西冰雹落区的概率预报试验,过程预报有一定效果,但落区预报方法还有待于进一步改进。
By using routine observation data, the climate characteristics of the hail in four areas of Guangxi are analyzed. The circulation patterns that causes hail are classified to be three kinds: Huabei trough, east plateau trough, south branch trough. By searching the forecast factors with physics meaning from numerical forecast products, the potential forecast of hail is produced by using the discriminate analytical method and index accumulating method. The results show that the index accumulating method is better than the discriminate analytical method. Based on the parameter estimation of numerical model output fields, different thresholds for different parameters are set up to produce the probability forecast of the falling area for the hail happened in Guangxi. Process forecast has some effect while the falling area forecast needs to be improved.
广西地处低纬地区,春季冷暖空气交汇频繁,冰雹是主要灾害性天气之一。冰雹是一种中小尺度系统,具有很强的局地性,是在一定的环流背景下,在不稳定层结、触发机制和云物理机制等有利的条件下产生,预报难度较大[
本文使用1976—2006年广西89站地面观测资料,1990年至今的高空观测资料、1986年至今的ECMWF的分析场、24小时预报场和基本要素场计算后的物理量场资料。
把广西区分成4个区域,分别为:桂东南、桂东北、桂西南和桂西北,每个区域出现日冰雹数≥2个站,即视为该个区域出现一次冰雹天气过程。经统计后,1976—2006年春季(2—5月)共31年间,达到过程的次数:桂东南7次、桂东北20次、桂西南16次和桂西北27次,其中桂西北出现的次数最多。
冰雹天气过程主要是冷、暖空气在广西一带交绥的结果,但引起冰雹天气的环流形势是不完全相同的,根据冰雹发生前24小时的基本特征,概括为3种类型的环流形势。
第一类为华北低槽型(如
华北低槽型(a)、高原东部低槽型(a)和南支槽型(c)环流形势图
第二类为高原东部低槽型(如
第三类为南支槽型(如
根据以上的分型,统计了广西4个区域冰雹天气对应的环流分型次数和比例(见
广西4个区域各环流型下出现次数
总次数 | 华北低槽型 | 高原东部低槽型 | 南支槽型 | |
桂西北 | 27 | 2(7.4%) | 20(74.1%) | 5(18.5%) |
桂西南 | 16 | 2(12.5%) | 11(68.8%) | 3(18.8%) |
桂东北 | 20 | 5(25.0%) | 13(65.0%) | 2(10.0%) |
桂东南 | 7 | 2(28.5%) | 3(42.8%) | 2(28.5%) |
合计 | 70 | 11(15.7%) | 47(67.1%) | 12(17.1%) |
在对广西冰雹环流分型的基础上,取格距为2.5°×2.5°,以22.5~25.0°N、105.0~10 7.5°E的4个格点代表桂西北,20.0~22.5°N、105.0~107.5°E的4个格点代表桂西南,22.5~25.0°N、107.5~110.0°E的4个格点代表桂东北,20.0~22.5°N、107.5 °E~110.0°E的4个格点代表桂东南。
根据冰雹发生的基本条件:不稳定能量积聚引起的不稳定层结,较好的低空水汽条件和适当的对流触发因子,我们选取了以下冰雹日前一天20时的ECMWF常用预报因子。
代表不稳定能量积聚引起的不稳定层结预报因子:
(1) Δ
(2) ∑
(3) Δ
代表低空水汽条件的预报因子:
(1)
(2)
代表对流触发因子:
(1)
(2)
(3) Δ
(4) Δ
首先,利用数值预报产品资料计算出上述9个预报因子,根据1976—2004年2—5月资料,分别求出9个因子和冰雹的单相关系数,得到
预报因子和各个区域冰雹的相关系数
因子类型 | 预报因子 | 相关系数 | |||
桂西北 | 桂西南 | 桂东北 | 桂东南 | ||
不稳定条件 | Δ |
0.347 | 0.334 | 0.256 | 0.198 |
∑ |
0.253 | 0.221 | 0.398 | 0.301 | |
Δ |
0.333 | 0.253 | 0.369 | 0.342 | |
水汽条件 | 0.437 | 0.326 | 0.368 | 0.254 | |
0.102 | 0.087 | 0.161 | 0.117 | ||
对流启动条件 | -0.338 | -0.296 | -0.415 | -0.321 | |
-0.369 | -0.338 | -0.354 | -0.347 | ||
Δ |
-0.210 | -0.222 | -0.241 | -0.187 | |
Δ |
-0.432 | -0.334 | -0.365 | -0.321 |
在计算相关系数的基础上,利用逐步判别分析法建立广西各区域冰雹预报方程。方程建立过程中剔除了部分因子,得到各区域的判别方程、阈值、临界成功指数、命中率和假警率和漏报率如
各区域判别方程、阈值、临界成功指数、命中率和假警率
方程 | 阈值 | 临界成功指数 | 命中率 | 假警率 | 漏报率 | |
桂西北 | 16.38 | 40.5% | 55.6% | 37.0% | 7.0% | |
桂西南 | 23.87 | 26.1% | 37.5% | 43.8% | 18.8% | |
桂东北 | 36.82 | 35.7% | 50.0% | 40.0% | 10% | |
桂东南 | 31.37 | 33.3% | 42.9% | 28.6% | 28.6% |
对此方程进行历史拟合,得出4个判别方程的平均临界成功指数为33.9%,平均命中率为46.5 %,平均虚假报警率为37.4%,漏报率为16.4%。方程组预报结果空多漏少,虽然对冰雹有一定的预报能力,但是距离投入业务运行还有很大差距。
由于用判别方程预报方法空报偏多,再用指标叠套法进行预报。
首先,在对样本的统计分析中发现,以上的预报因子在一定的阈值之外可以是很好的消空指标。他们分别为:①Δ
其次,对消空后的样本逐区域判断预报因子的值,并将阈值确定(见
各区域冰雹预报因子阈值
桂西北 | 桂西南 | 桂东北 | 桂东南 | |
Δ |
≥7 | ≥8 | ≥6 | ≥6 |
∑ |
≥34 | ≥34 | ≥34 | ≥34 |
Δ |
≥10 | ≥10 | ≥10 | ≥10 |
≥75 | ≥75 | ≥75 | ≥75 | |
≤0 | ≤-10 | ≤6 | ≤3 | |
≤-10 | ≤-10 | ≤-10 | ≤-4 | |
Δ |
≤0 | ≥5 | ≥15 | ≥25 |
Δ |
≤-15 | ≤-10 | 0~-10 | 0~15 |
用此方法对2005、2006年的冰雹进行历史拟合,两年间共有5个区域性雷暴日,报对4个,漏报0个,空报2个,临界成功指数为57.1%,命中率为80.0%,虚假报警率为40.0%。指标叠代法比判别法的虚假报警率要低,由于2年用于检验的个例太少,除了以上的两种方法之外,我们还结合当天08时广西6个探空站实况观测资料,进行订正,分别用百色、南宁、桂林和梧州4个探空站当天700hPa(
用指标叠加法试报广西2007年2-5月的冰雹,期间共有4次区域性冰雹,用本预报方法报对4次,漏报0次,空报1次,则临界成功指数为80.0%,命中率为100.0%,虚假报警率为25.5%,对区域性的冰雹有较好的潜势预报能力。
另外,本方法对区域性的雷雨大风(规定当天有≥8级大风出现为雷雨大风)也有较好的预报能力。统计了广西在2007年2—5月出现的11次雷雨大风天气,用该预报方法报对了10次,漏报1次,该漏报样本为2个站雷雨大风。可能由于区域性的雷雨大风的预报条件比冰雹的条件相对要宽松而造成漏报,但此方法对雷雨大风、冰雹还是有较好的指示意义。
由于强对流天气系统的中小尺度特性及其发生发展的复杂性,使用数值预报结果或用常规天气图方法直接作强对流天气的定点、定时、定量短时预报十分困难。为了表述强对流天气发生、发展的环境,经常用到各种对流参数,以下是我们冰雹落区概率预报试验中所用的对流参数。
(1)
(2) 沙瓦特稳定指数:
(3) 涡度:
表征空气块旋转运动强度特征的物理量。
(4) 垂直速度:
(5) 对流有效位能(
把在自由对流高度(
选用广西气象减灾所MM5中尺度模式08和20时逐3小时预报场的数值预报产品(
2007年广西冰雹概率预报与实况对比
日期 | 时间 | 预报地点 | 预报概率 | 实况有冰雹站点 | 正确率 | 空报 | 漏报 |
070215 | 11-14 | 百色、河池等市11站 | 100% | 田林 | 1/11 | 10/11 | 0 |
070417 | 11-14 | 百色、河池、柳州、桂林等市28站 | 100% | 南丹等5站 | 5/28 | 23/28 | 0 |
070422 | 11-14 | 百色、河池等市18站 | 100% | 田林、都安 | 2/18 | 16/18 | 0 |
070423 | 17-20 | 百色、河池等市10站 | 100% | 平果 | 1/17 | 16/17 | 0 |
070508 | 14-17 | 梧州、贺州等市5站 | 100% | 0 | 0/5 | 5/5 | 0 |
070617 | 14-17 | 梧州、玉林等市9站 | 100% | 0 | 0/9 | 9/9 | 0 |
平均 | 10.2% | 89.8% | 0 |
(1) 在对广西4个区域冰雹气候特征分析的基础上,基于高空槽和地面冷空气路径将造成冰雹的环流形势,分为华北低槽型、高原东部低槽型和南支槽型,其中高原东部低槽型影响造成冰雹次数最多。
(2) 在分型基础上检索出数值预报产品有物理意义的预报因子,分别采用判别分析法和指标叠套法制作广西冰雹的潜势预报,在预报实践中,过程的准确率后者比前者要高;再结合当天的探空资料指标,可以进一步提高命中率。
(3) 基于中尺度数值模式输出场的对流参数估计,对于不同参数设置有不同阈值范围来制作广西冰雹落区的概率预报试验,试验结果表明,过程预报有一定效果,但是落区预报方法还有待于进一步改进。
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