江淮流域夏季局地强降水预警预报方法研究

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致灾暴雨的预报预警是气象预报重点问题之一,临近短时的暴雨预报预警,尤其是暴雨的雨强雨量预警,是相关单位和政府部门决策应对、实施应急所需的重要信息与专业依据,是社会各项生产生活有序进行的必要保障。短时临近预报的基础是短时临近气象监测,在此类监测中天气雷达是最重要的监测设备之一,为应对致灾暴雨的预报预警,国家建立了新型天气雷达监测网。因此雷达监测产品的有效运用,并在极端暴雨预报预警中发挥关键作用,成为气象行业的重点攻关项目。我国江淮流域雨量充沛,极端强降水在汛期发生,会引发局地的洪涝灾害,造成城市淹渍、交通阻碍、以及经济生产的重大损失。因此本文运用江苏淮河流域作为研究基地,进行天气雷达产品预报预警方法研究。天气雷达产品包括雷达回波、径向风及谱宽,其中雷达回波多用于识别各种对流性天气系统以及了解这类天气系统发生发展、三维结构、移动路径、携带的水汽和降水量等暴雨系统的基本活动信息。但是对于局地暴雨的预测预警,以朗格朗日观点关注雷达体扫范围内暴雨系统的识别与追踪其演变特征是一个方面,以欧拉观点关注位于体扫面内特定局地区域的暴雨过程以及预测预警该地暴雨极值雨量也是重要的方面。本研究工作基于盐城气象局天气雷达的三维多层体扫面的回波信息,考虑该雷达体扫面内建湖地区的暴雨过程,对建湖地区汛期降水进行对应雷达监测时刻。随后1小时的暴雨预报预警。由于雷达仅能提供对当前时刻体扫面内的云系监测特征,因此本预警方法依据当地当时回波特征,进行历史降水概率分析,首先通过对雷达回波三维多层体扫结构、回波空间动态分布、回波时间演变趋势的综合,构建综合指标级别。在对应此类级别的基础上,依概率统计基础的重现期极值预测方法,建立天气雷达回波概率预警方案,并以中尺度模式的预报结果作为预测预警的环流背景参考与预警验证。通过这一系列的运算过程,预测局地下一个小时不同量级的极端致灾暴雨的发生概率。此种预测方法避开了从雷达回波反演降水量的难点,将雷达精细化监测信息与雨量极值重现概率相结合,构建动力诊断与概率统计综合定量预测方法,并配以中尺度模式对下一小时暴雨及环流背景的预测参考与预警验证。在预警体系建立过程中,还特别考虑了相对于体扫面内局地位置的回波动态上游的确定及其对未来1小时局地雨强的影响。整体预测方法综合了局地暴雨环境的回波时空特征与演变概率特征,对雷达回波空间信息进行了时变定量化分析,并结合中尺度模式对环流背景的预测参考和预警验证,使预测预警方法具有良好的系统性和实用性。具体地利用盐城市气象局多普勒天气雷达中回波基数据和建湖县自动雨量计资料,对小时内降水进行过程降水强度、降水时段、回波强度等级分类分析,建立对应的天气环流背景信息与局地雷达信息特征的对应关系;进一步地为预警下1小时的暴雨降水极值程度,运用2006-2011年6、7、8月中625个1小时降水资料及其所对应的的3750个回波基数据资料,将当前1小时降水与前1小时雷达区域平均回波资料进行统计概率谱的调查与分析,以雷达回波的三维、动态、时变等综合信息作为预警因子,利用Lucas-Kanade局地光流法求出局地暴雨关键区内雷达回波的移动矢量场,构建出与下一小时降雨量具有良好相关性的雷达回波综合特征指标。进一步地,用皮尔逊三型分布和广义帕累托分布两种概率统计方法计算各种雷达回波综合特征指标级别下的不同降雨极值的出现概率,通过极值理论方法预测出局地小时内极端致灾暴雨的重现概率以及相应的暴雨降水强度。最后,结合数值模式预报,参考WRF模式输出的相应的下一小时环流背景、降水系统、降水分布及强度,对预警指标的动力环流背景与关键影响系统进行确认和验证,从而通过动力监测、概率统计、模拟验证综合体系,为江淮流域夏季局地暴雨预测预警提供信息技术支持。
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