干旱区生态环境知识资源中心(Arid): 新疆强对流天气雷达和云图预警预报指标研究

Arid

	新疆强对流天气雷达和云图预警预报指标研究
	王旭; 徐文霞; 杨坤; 马士剑
完成单位	中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所
登记(发布)日期	2013
中文摘要	1 主要研究成果 1.1 新疆中尺度对流系统的地理分布和生命史中尺度对流系统(MCS)是夏季造成暴雨、冰雹等灾害性天气的重要天气系统,高时空分辨率的静止气象卫星红外云图是监测MCS的主要手段之一。结合新疆的实际情况,将中-尺度MCS的最小尺度定义为1.0～3.0个纬距。利用1998—2002年日本第5代地球静止气象卫星(GMS-5)逐时红外云图数字资料,采用红外云图增强和图像叠加处理技术,对发生在新疆的MCS进行了分析研究,给出了新疆MCS的地理分布特征和生命史特点。 (1)5年内新疆没有出现中-尺度MCS,出现了111个中-尺度MCS。MCS具有年际不均衡性,1998、2000年为多发年,2002年为少发年。新疆有两个明显的MCS集中区,一处在伊犁河谷东边天山山脉的迎风坡,另一处在西天山东侧背风坡的柯坪附近,北部的古尔班通古特沙漠中MCS发生的很少,而南部的塔克拉玛干沙漠有MCS的活动。 (2)MCS主要出现在春末和夏季,秋冬少见。6月最多,占总数的34?%,其次是5月和7月,分别占总数的25?%和15?%,与新疆沙尘暴、冰雹等灾害性天气的高发季节相对应。 (3)多数MCS形成于午后到午夜,夜间至凌晨消散,持续4～6?h,有明显的夜发性。发生在新疆的MCS维持时间较短,这与新疆水汽供应较少有关。 (4)新疆MCS的形状规则,圆形和椭圆形各占一半。绝大多数MCS是由对流泡发展而成,尺度较小。 (5)给出了3个发生在新疆不同地区的MCS个例,表现出MCS冷云盖在发生和发展过程中的多样性。在MCS发展过程中,冷云盖向TBB等值线稀疏方向扩展,与中国东部冷云盖向TBB等值线密集部位扩张的结论相反。结合常规气象观测资料对产生MCS的天气背景进行了分析,触发并维持MCS的天气系统具有多样性,包括低涡、中亚槽和平直锋区波动。 1.2 基于细胞神经网络(CNN)建立冰雹判识指标在气象领域内采用细胞神经网络(CNN)这种新兴方法,尝试提供一种新的方式方法和思路来建立冰雹识别指标。细胞神经网络(CNN)具有强大的图像处理功能,已经在其他领域的边缘探测、锐化、去噪等中发挥了重要的作用。云团雷达图像的纹理变化表征云团的活跃程度,强对流天气的纹理变化也是显著的,纹理中蕴含了降雹的重要信息。研究采用CNN技术对云团雷达跟踪图像进行实时探测,提取变化的纹理信息,构造出云团生命发展的特征向量。通过多项式拟合等数学方法对云团发展特征向量进行数据分析与数据挖掘,建立雹云判识指标的数学模型。对冰雹天气进行短时预警,达到防雹减灾的作用。利用2005—2009年新疆多个新一代多普勒天气雷达资料,与地面实况资料相结合,采用细胞神经网络(CNN)中的边缘探测模板对连续的雷达图像进行处理,探测出每幅连续雷达图像中的目标云的边缘,计算出纹理权重值,即图像的纹理特征,然后对每场天气过程中纹理权重值的变化进行5次多项式拟合,找到5次多项式里各个系数的变化特征,建立对流天气是否出现冰雹的判识指标。结果表明,CNN的边缘探测模板能够很好的探测出图像的边缘,对于大批量图像处理,找到雷达图像纹理变化中的规律,有很好的实用性。结合多项式拟合,对大量雷达图像分析,使宏观的云图边缘纹理变化与较为具体的多项式的参数相联系,并在其中找到云团降雹前的临近指标,多项式的四次方系数和一次方系数,能够给出冰雹临近预报预警的判识指标。 1.3 2010年1月阿勒泰地区特大暴雪过程的云图分析利用2010年1月6—8日常规观测资料和静止气象卫星FY-2C红外云图资料,分析了6—8日阿勒泰地区特大暴雪过程的环流特征和云图特征。结果表明,500hPa阻塞高压是产生暴雪天气的主导系统,西伯利亚冷涡是影响系统,短波槽、高低空西南急流、700hPa辐合线、850hPa暖切变的相互耦合,为暴雪天气提供了水汽和动力条件;阿勒泰东北高西南底的地势,对降雪具有增幅作用;在阿勒泰地区爆发性发展的中尺度冷云团(≤-60℃)和境外生成的中尺度冷云团(≤-60℃)先后影响下,阿勒泰地区出现暴雪,暴雪出现在中尺度冷云团外围等值线梯度最大区域。 1.4 阿勒泰地区白灾的等级划分及致灾暴雪的环流特征利用1960—2010年冬季阿勒泰地区7个气象站观测资料、灾情报告、欧亚高空和地面资料,对阿勒泰地区白灾等级和一次致灾暴雪天气进行了分析。依据白灾的灾情报告与积雪厚度、日平均气温、日平均风速等气象要素,阿勒泰地区的白灾可划分为轻度、中度和重度三个级别。 (1)积雪厚度和低温的持续时间决定了白灾的危害程度,阿勒泰地区白灾划分为轻度、中度、重度三个级别。51年内阿勒泰地区遭受的白灾轻度11次、中度4次、重度6次,白灾集中出现在11月至次年1月,主要发生在阿勒泰地区北部和东部以及浅山、丘陵和河谷一带。降雪量、相对湿度、气温、积雪深度等气候要素的分布和地形地势决定了白灾的空间格局。 (2)2010年1月6—7日阿勒泰地区致灾暴雪天气的主导系统是高空500?hPa阻塞高压,西伯利亚冷涡和中亚低槽是影响系统。高空偏北气流、中层西南气流、低层偏东气流在阿勒泰地区的汇集,增加了暴雪天气的斜压性和不稳定性,暴雪落区上方伴有强烈的上升运动。阿勒泰地区的致灾暴雪出现在冷锋前部与暖锋后部之间的暖区内,造成暴雪的天气系统与温带气旋冷锋、锢囚锋、以及华北回流形势下的冷锋锢囚锋不相同。高空500hPa的阻塞高压不仅对冷涡有阻塞作用,而且通过向冷涡输送高纬的冷空气,使得冷涡加深和发展。影响暴雪天气产生的冷涡和中亚低槽是对流层的深厚系统。对流层高层干冷偏北气流、中层中亚槽前的西南暖湿气流、低层偏东暖湿气流在暴雪地区的汇集,增加了暴雪天气的斜压性和不稳定性。高空辐散、低空辐合,加上强锋区的维持和地形的抬升作用,使得暴雪落区上方维持强上升运动。 1.5 奎玛流域冰雹天气的时空分布特征根据奎玛流域5个气象站1961—2000年连续40年的冰雹天气记录资料和1998—2004年人工防雹作业记录资料,分析了该区域冰雹天气的时空分布特征：(1)流域北部绿州边缘地带和南部山前区域是冰雹的多发生区域,其中流域北部绿州边缘地带呈冰雹天气的重灾区;(2)冰雹天气主要出现在5—7月,降雹日数最多的是6月;(3)冰雹天气多出现在午后,以17：00—21：00最为集中,降雹时间多在10分钟之内。奎玛流域冰雹天气路径主要有北(西北)路径和南方路径。 1.6 奎屯-玛纳斯流域冰雹天气物理量场特征通过对新疆近10年筛选出的冰雹天气个例进行分析,发现产生冰雹时有一定的共同点,许多物理量的数值也有着一定的上下限值,归纳出以下特点： (1)K指数超过25,且值越大,发生冰雹可能性越大; (2)涡度场和比湿场的叠加对比发现,在中低层必须要有强烈的辐合上升,还要有湿,抬升凝结高度不能太高,辐合抬升高度要充分; (3)3℃层高度在4000m以下,尤其是在3700m左右容易发生冰雹天气; (4)-20℃层高度大于6500m后较难产生冰雹天气,且-20℃层高度越低,越容易产生冰雹天气; (5)风场的垂直分析发现,在低层必须有暖湿风向,在高层是干冷风向; (6)从垂直速度剖面图图分析发现,在冰雹发生前,台站高空有强烈的抬升气流。 2 关键技术 (1)在静止气象卫星红外云图分析中,采用了红外云图增强和图像叠加处理技术。 (2)采用CNN技术对云团雷达跟踪图像进行实时探测,提取变化的纹理信息,构造出云团生命发展的特征向量。通过多项式拟合等数学方法对云团发展特征向量进行数据分析与数据挖掘,建立雹云判识指标的数学模型。 3 可能的创新点 (1)利用空间高分辨率的静止气象卫星红外云图资料,给出了新疆中尺度对流系统的时空分布特征;(2)基于CNN图像探测技术,建立了雹云判识指标的数学模型。
中文关键词	强对流天气 ; 雷达 ; 云图预警预报 ; 中尺度对流系统
成果类型	应用技术
中图法分类号	P456
URL	http://dbpub.cnki.net/grid2008/dbpub/detail.aspx?dbcode=SNAD&dbname=SNAD&filename=SNAD000001740298
来源机构	中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所
资源类型	成果
条目标识符	http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/243310
推荐引用方式 GB/T 7714	王旭,徐文霞,杨坤,等. 新疆强对流天气雷达和云图预警预报指标研究[Z]. 应用技术,2013.