一种分类强对流诊断分析系统的制作方法

1.本发明涉及天气预报技术领域，尤其涉及一种分类强对流诊断分析系统。


背景技术：

2.目前国际上对强对流天气的定义尚没有统一标准，在我国强对流天气的监测和预报业务中，一般是指：直径5mm及以上的冰雹、任何级别的龙卷、17m/s(或者8级)及以上的雷暴大风或20mm/h及以上的短时强降水等任意一种或几种天气。
3.对流主要是研究垂直方向由浮力变化引发的天气变化，相对于平流引发的天气如寒潮等，对流天气往往由中小尺度天气系统造成，其空间尺度小，发展演变快，是天气预报分析中的难点。
4.现有技术中对分类强对流分析诊断系统的研究较少，并且现有的分类强对流分析诊断系统难以满足用户对强对流天气预报进行高水平预报的要求。


技术实现要素：

5.本发明提供一种分类强对流诊断分析系统，用以解决现有技术中的缺陷，实现对强对流天气的高水平的诊断分析。
6.本发明提供一种分类强对流诊断分析系统，包括：温湿层结结构分析模块、风场分析模块；所述温湿层结结构分析模块，用于根据温度层结曲线、露点温度层结曲线、湿球温度层结曲线及状态曲线，获取大气垂直方向对流发生环境的热力分布和湿度分布情况；所述风场分析模块，用于获取大气的各高度层的风矢量，以进行图形化展示。
7.本发明提供的分类强对流诊断分析系统，通过温湿层结结构分析模块和风场分析模块，对垂直方向对流发生的热力、湿度分布情况以及组织化程度和动力分布情况进行图像化的展示，以便于用户可以清晰的进行对流发展的判断，以提高对强对流天气的预报水平。
8.根据本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：假相当位温分析模块、相对湿度分析模块、风速分析模块；所述假相当位温分析模块，用于根据假相当位温层结曲线，获取对流发展的对流不稳定情况；所述相对湿度分析模块，用于根据相对湿度层结曲线，获取大气各高度层的湿度情况；所述风速分析模块，用于根据大气的各高度层的全风速，获取各高度层的风速和风切变情况。
9.根据本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：能量与抬升量化模块、动力条件量化模块；所述能量与抬升量化模块，用于获取在不同抬升条件下的对流发展的物理特征量；所述动力条件量化模块，用于获取在不同层结条件下的动力特征参数；所述动力特征参数包括以下参数中的至少一种：风暴相对螺旋度、垂直风切变、平均风、风暴相对速度。
10.根据本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：风矢端图分析模块、热力条件量化模块；所述风矢端图分析模块，用于根据风矢端图计算任意两层或多层之间的风切变，以进行对流组织化发展和对流移动的分析；所述热力条件量化模块，用于获取对流环境
的热力表征量，以对对流环境的热力特征进行量化分析；所述热力表征量包括以下表征量中的至少一种：0℃层高度、-10℃层高度、-20℃层高度、-30℃层高度、对流温度、最大温度、温度递减率。
11.根据本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：水汽条件量化模块；所述水汽条件量化模块，用于获取对流环境的水汽表征量，以对对流环境的水汽分布特征进行分析；所述水汽表征量包括以下表征量中的至少一种：整层可降水量、有效降水量、低层平均湿度、中层平均湿度。
12.根据本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：强对流综合分析指数量化模块；所述强对流综合分析指数量化模块，用于获取强对流指数，以对强对流天气进行量化分析；所述强对流指数包括以下参数中的至少一种：k指数、沙氏指数、强天气威胁指数、超单综合指数、mcs维护的概率、derecho综合参数。
13.根据本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：冰雹分析量化模块、冰雹强度分析模块；冰雹分析量化模块，用于基于量化冰雹指数，对发生冰雹的概率和严重程度进行预测；所述量化冰雹指数包括：ship指数、lhp指数、零下10度到零下30度之间的对流有效位能；所述冰雹强度分析模块，用于基于ship指数，通过箱线图的方式对冰雹强度进行量化评估。
14.根据本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：龙卷分析量化模块、龙卷强度分析模块；龙卷分析量化模块，用于获取龙卷的量化特征指数，以对龙卷进行量化分析；所述龙卷强度分析模块，用于通过箱线图的方式，确定龙卷强度的分级。根据本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：雷暴大风分析量化模块；所述雷暴大风分析量化模块，用于根据雷暴大风指数，以对雷暴大风进行量化分析。
15.根据本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：分类强对流短时预警分析模块；所述分类强对流短时预警分析模块，用于基于模糊推理的方法，利用与强对流天气相关的物理量，确定强对流天气的类型。
16.本发明提供的分类强对流诊断分析系统，通过温湿层结结构分析模块和风场分析模块，对垂直方向对流发生的热力、湿度分布情况以及组织化程度和动力分布情况进行图像化的展示，以便于用户可以清晰的进行对流发展的判断，以提高对强对流天气的预报水平。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本发明提供的分类强对流诊断分析系统的结构示意图之一；
19.图2是本发明提供的分类强对流诊断分析系统的结构示意图之二；
20.图3是本发明提供的分类强对流诊断分析系统的结构示意图之三。
21.图4是本发明提供的分类强对流诊断分析系统的结构示意图之四。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.需要说明的是，在本发明实施例的描述中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
24.图1是本发明提供的分类强对流诊断分析系统的结构示意图之一，如图1所示，所述系统包括：温湿层结结构分析模块101、风场分析模块102。所述温湿层结结构分析模块101，用于根据温度层结曲线、露点温度层结曲线、湿球温度层结曲线及状态曲线，获取大气垂直方向对流发生环境的热力分布和湿度分布情况；所述风场分析模块102，用于获取大气的各高度层的风矢量。
25.在t-lnp图的基础上，本发明可以根据探空资料利用进行温度层结曲线、露点温度层结曲线、湿球温度层结曲线及状态曲线的绘制，并且向用户展示。t-lnp图为温度-对数压力图，利用t-lnp图可以分析垂直方向对流发生环境的热力、湿度分布情况。
26.风场分析模块102主要用来分析对流的组织化程度及动力的垂直分布情况，配合热力、湿度分析是对流分析的必要基础。本发明可以基于探空资料，利用风场分析模块图形化显示各个高度层的风矢量。本发明的风场分析模块，可以利用不同的颜色代表不同的高度范围，通过风矢量直观的向用户展示各个高度层的风矢量。
27.例如，高度3000m以下标为红色；高度3000-6000m标为绿色；高度6000-9000m标为藏蓝色；高度9000-12000m标为紫色；高度12000m以上标为浅蓝色。风矢量可以帮助用户初步构建各层的大气环境结构情况，急流情况、以及各层的风切变情况。
28.本发明提供的分类强对流诊断分析系统，通过温湿层结结构分析模块和风场分析模块，对垂直方向对流发生的热力、湿度分布情况以及组织化程度和动力分布情况进行图像化的展示，以便于用户可以清晰的进行对流发展的判断，以提高对强对流天气的预报水平。
29.基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：假相当位温分析模块103、相对湿度分析模块104、风速分析模块105；所述假相当位温分析模块，用于根据假相当位温层结曲线，判断对流发展的对流不稳定情况；所述相对湿度分析模块，用于根据相对湿度层结曲线，判断大气各高度层的湿度情况；
30.所述风速分析模块，用于根据大气的各高度层的全风速，判断各高度层的风速和风切变情况。
31.本发明的假相当位温分析模块可以向用户展示大气垂直方向的假相当位温层结曲线，当大气中低层某层气块出现位温上冷夏暖(下层位温大于上层位温)时，出现对流不稳定，也是预测湍流和微下击暴流的一个重要指征。
32.利用相对湿度分析模块的相对湿度层结曲线，可以判断各层的干湿情况，各层的
干湿分布情况对分类强对流的判断非常重要。当某层相对湿度大于60％时，可大致判断这一层可能存在云区。
33.进一步地，用户可以通过风速分析模块所展示的各层的全风速，简单判断各层的风速及风切情况，对对流发展的动力条件有一初步认知。
34.可选地，本发明提供的分类强对流诊断分析系统还包括：风矢端图分析模块。风矢端图分析模块是强对流分析的一个重要工具，是对流组织化条件分析和对流移向移速分析的高级应用。
35.通过风矢端图可以计算任意两层或多层之间的矢量风切变，风切变是判断对流组织化发展的重要依据。风切变的方向也是判断对流移动的重要判据。一般来讲对流单体的移动主要由对流层中下层的移动方向决定，对流单体的移向可分为左移和右移，北半球以右移为主，其移向可简单表示为对流层平均风向向右旋转一定角度(30)，移速为平均风速大小的75％左右。所以中低层风切的计算也是判断对流移向移速的重要依据，通常采用0-6000m的风切变作为对流层中下层风切的重要判据。
36.另外，低层(0-1000m或0-3000m)相对风暴螺旋度和风切变也是判断旋转性对流大风(如龙卷)的重要依据。相对风暴螺旋度也可以通过风矢端图进行求取。
37.基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：能量与抬升量化模块；所述能量与抬升量化模块，用于获取在不同抬升条件下的对流发展的物理特征量。
38.对流主要是研究低层气块受热力变化的影响，开始抬升，产生浮力，同时配合动力作用，进而发展成不同强度不同类型的强对流天气。不同抬升条件下对流环境的能量与不稳定情况可能存在较大差异，进而影响浮力变化。那么气块可能从哪层抬升，这直接影响着浮力以及不稳定、能量等相关物理量的计算，对对流的发展趋势也会产生至关重要的影响，这也是对流分析的一个难点。本发明计算了4种不同的抬升情况，基本涵盖了对流浮力分析的各个关键点，相对于传统的地面抬升，其科学性更强，物理意义更为明确。
39.地面抬升：气块从地面开始抬升，抬升点取地面的温度、本站气压和露点温度。
40.最有利抬升:从地面往上最底层的300hpa以内最大假相当位温所在的高度被指定为“最不稳定层”，以“最不稳定层”作为气块起始抬升点。取该层的温度、气压和露点温度、风作为起始抬升点的基本要素。最有利抬升层的判断对于从中低层(非地面)触发的对流，如春季的高架雷暴等预报具有非常重要的指示意义。
41.混合层抬升：定义从地面往上最底层的100hpa以内为“混合层”。混合层的温度取该层的平均位温对应到地面的温度；混合层的露点取该层平均比湿对应的露点；混合层气压取地面气压。混合层考虑了热力湍流的影响，减少了地面超绝热或局地扰动对地面温湿结构异变的影响，考虑混合层抬升，对于相关物理量的计算具有较好的稳定性，减少了观测误差等随机性，对于构建分类强对流复杂指数具有重要的意义。
42.最大预报温度抬升：定义从地面往上最底层的100hpa以内为“混合层”。温度取最大预报温度，即混合层顶的温度增加2℃沿干绝热线到地面；露点取混合层平均比湿对应的露点；气压取地面气压。最大预报温度抬升其主要物理意义为考虑受地面辐射影响，午后地面温度可能达到的最大峰值；其考虑了近地面湍流，热辐射等可能性，具有一定的经验性。这对于判断午后热对流具有重意义。
43.分别考虑四种抬升情况，计算在各自抬升条件的假设下和对流发生发展密切相关的一些关键物理量特征量，可以帮助预报员更好地了解对流发生发展的演变趋势。下面对与对流发展密切相关的物理特征量进行简要的介绍。
44.对流有效位能(convective available potential energy，cape)：气块上升过程中所有因温度差异形成的正浮力对气块所做的功，是气块在给定环境中绝热上升时的正浮力所产生的能量的垂直积分，是对流发生潜势和潜在强度的一个重要指标。
45.cape3km：地面到3000m高度的对流有效位能，反映了近地面层对流触发或发展的潜力，这对于龙卷的判断有较重要意义。
46.cape6km：地面到6000m高度的对流有效位能，反映了中低层对流发展的潜力，中低层的环境特征是决定对流发展的关键因素。同时也反映了低质心对流发展的可能性。
47.抬升指数(简称li)：条件不稳定指数，反映地面气块移动到500hpa时的不稳定状况。是对流有效位能的一种粗略定性表达，指500hpa环境温度与气块从自由地面出发，沿绝热线(先沿干绝热线，饱和后沿湿绝热线)上升至500hpa处的温度之差。
48.当li为负值时，大气层结不稳定，表示气块不稳定，其负值的绝对值越大，意味着对流有效位能(cape)可能越大，不稳定程度越大。通常情况下，计算气块抬升时，假定地面温度为逆温层顶沿干绝热线达到地面温度，湿度(比湿或露点)为近地面最低1km的平均值；反之(即li》0)，则表示大气层是稳定的。
49.对流抑制能量(简称cin)：自由对流高度以下的负浮力区域面积的大小，也是一个重要的对流参数，抬升力必须克服cin大小的负浮力才能将气块抬升到自由对流高度。对流抑制能量是平均大气边界层气块通过稳定层到达自由对流高度所做的负功。
50.抬升凝结高度(简称lcl)：一般可以视为云底高度，也是龙卷分析的一个重要指标，一般情况下发生龙卷时，lcl小于1000m，在我国南方地区，龙卷多发生在台风或梅雨季，这个条件往往比较符合，但在北方地区，相对南方地区lcl往往较高。
51.自由对流高度(简称lfc)：不饱和气块延干绝热线被抬升至饱和(在lcl)，然后延湿绝热线被抬升，到首次变成比周围的空气更热的高度
‑‑
即lfc。然后，该气块将继续在lfc上方自由上升，直到它变得比温度曲线(周围空气)更冷
‑‑
在el。是一个被抬升的气块开始自由加速上升到平衡水平的高度。最近的初步研究表明，当lfc高度低于地面2000米时，龙卷风在超级单体中更有可能出现。
52.平衡层高度(简称el)：是指被提升的包裹变得比环境温度低，不再具有浮力(即"不稳定")的水平。平衡层高度el一般视为对流云顶高度，一般视为对流云顶高度，lcl至el的高度可以看作对流云发展的高度，这个层结内的温湿和动力结构对对流分析非常重要。lcl至lfc的高度是气块克服负浮力做功的区域，这个高度越小，气块克服负浮力的距离越短，对流越容易发展。
53.基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：动力条件量化模块；所述动力条件量化模块，用于获取在不同层结条件下的动力特征参数；所述动力特征参数包括以下参数中的至少一种：风暴相对螺旋度、垂直风切变、平均风、风暴相对速度。
54.对流环境场的动力结构特征是决定对流发生发展的另一个重要条件。但是在进行动力条件分析时，用户往往存在较大的困惑。例如：关于低层风切变的选择以及中层风切的
选择。
55.本发明提供了不同层结条件下对流环境的动力特征的量化分析。本发明提供了3组层结的对比分析，分别是对流低层(0-1km，0-3km，有效入流层)层结、对流中层(0-6km，0-8km，有效入流层底-半平衡高度层)层结和对流整层(抬升凝结高度-平衡层高度)层结；在确定三组层结的基础上，分别计算了两层之间的风暴相对螺旋度、两层的风切变、两层之间的平均风、两层之间的风暴相对速度四组量化动力特征分析。
56.有效入流层(简称efflay):从地面开始，每次抬升1hpa做为抬升起点层，循环计算cape和cin；当cape大于100j/kg同时cin的绝对值小于250j/kg时，该抬升起点层就是有效入流层的底高；继续循环计算cape和cin，当cape小于100j/kg同时cin的绝对值大于250j/kg时，该抬升起点层即为有效入流层的顶高。有效入流层的底至有效入流层顶之间的高度即为有效入流层。
57.有效入流层对应0-1km(可称为sfc-1km)层结和0-3km(可称为sfc-3km)层结，都是针对对流层低层的动力或热力条件进行分析评估。从有效入流层的物理意义及统计特征可知，在有效入流层以内，任何一层有触发条件，对流都有可能发展；而在有效入流层外，任何一层即使有触发条件，对流都不太可能获得发展。这有助于用户快速聚焦于对流触发条件的分析。相对于sfc-1km和sfc-3km的固定层结，有效入流层的高度是动态的，更符合对流发生发展的实际情况，更具有科学性，而sfc-1km和sfc-3km的固定层结则主要是为了简化分析，具有一定的经验性。在分析近地面有一定抑制能量，不是从地面触发的对流时，有效入流层具有明显的优势，更能反映强对流发生发展的机理，因而在构建复合强对流指数时，有效入流层往往代替sfc-1km和sfc-3km层结，作为低层的首选层结。
58.对流低层(0-1km，0-3km，有效入流层)层结主要用于从近地面发生发展的强对流系统(如龙卷)；另外也是分析对流系统传播的重要层结。
59.有效入流层底-半平衡高度层(简称ebwflay)：有效入流层的底高至一半平衡高度的层结。该高度层结对应0-6km(可称为sfc-6km)层结和0-8km(可称为sfc-8km)层结，反映的是对流层底至对流层中部的层结情况。由于对流的发生发展以及移动主要是由对流系统的中下层动力和温湿状态所决定，因而分析对流层的中下层层结的动力状态是对流分析的重点。相对于0-6km和0-8km的固定层结，有效入流层底-半平衡高度层的高度是动态的，更符合对流发生发展的实际情况，更具有科学性，既去除了近地面可能的抑制对流区，又考虑了对流的真实高度；而0-6km和0-8km的固定层结则主要是为了简化分析，具有一定的经验性，其默认对流的高度(el高度)是12km或16km，这符合大多数对流发展高度的统计特征。对流中层的层结动力特征更多地可反映对流发展的强度(组织化程度)以及对流受环境影响的移动速度。
60.下面对本发明提供的动力特征参数进行简要的描述。以下动力特征参数均可基于探空资料进行求取。具体的计算方式不再赘述。
61.风暴相对螺旋度(简称srh)：螺旋度的简化形式。在强风暴发生前，涡度的垂直分量一般比风的垂直切变小一个量级以上；在强天气发生之前，垂直速度本身及其在水平方向上的变化不大。
62.垂直风切变(简称shear)：两个高度层之间的矢量风之差。
63.平均风(简称mnwind):指两个层结之间的平均风。一般可反映环境风场的基本状
态，可以用来分析基本的平流的影响，可简单评估动量下传的作用，在分析混合型大风时尤为重要。
64.风暴相对速度(简称srw)：风暴的相对移动速度一般可由移动和传播两个速度场合成，移动一般由两层之间的平均风速来估算，传播主要由两层之间的垂直风切变来估算，由于传播可分为前向传播和后向传播两种，在进行速度合成时，会形成风暴的左移和右移两种形态，在北半球，多以右移为主。需要注意的是，低层风切对传播影响可能更大。传统的风暴移动速度可以采用平均风速75％的速度，移向平均风右侧的30
°
方向。平均风向、风速选用地面、850、700、500、300和200hpa的风计算。
65.基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：所述热力条件量化模块，用于获取对流环境的热力表征量，以对对流环境的热力特征进行量化分析；所述热力表征量包括以下表征量中的至少一种：0℃层高度、-10℃层高度、-20℃层高度、-30℃层高度、对流温度、最大温度、温度递减率。
66.本发明为了对强对流的一些重要的热力特征进行量化分析。主要选取了以下几个热力表征量：
67.0℃层高度：是冰态与液态水凝物相态转化的一个关键高度，常用来评估冰雹融合的高度。0℃层高度太高时，冰雹可能融化到不了地面；太低时，冰雹循环增涨的路径不足，不利于形成大冰雹。通常0℃层高度在3500-4500m左右，有利于冰雹。
[0068]-10℃层高度：是判断过冷水一个关键高度，与湿度配合，可用来评估过冷水的密度；过冷水在-5℃至-15℃之间最有利于过冷水的存在，当飞机经过过冷水区域时，容易发生积冰事件。另外，-10℃至-30℃也是冰雹增涨的关键层。两层之间的厚度也是判断冰雹增涨的另一个重要指标。
[0069]-20℃层高度：既可以判断过冷水的顶高，也是冰雹增涨关键区的中间层，也有一些科学家以0℃至-20℃之间的高度作为冰雹预报的一个重要指标。
[0070]-30℃层高度：-10℃至-30℃也是冰雹增涨的关键层。两层之间的厚度也是判断冰雹增涨的另一个重要指标。一般来讲-10℃至-30℃的厚度在3200以内，有利于冰雹的预报。
[0071]
对流温度(简称convt)：取混合成层厚度为100hpa，地面湿度取混合层的平均湿度；地面温度采用循环迭代法，每次增加0.5℃，直至cape》0同时cin＝0时的温度定义对流温度。只有当近地面气温达到或超过对流温度，气块的凝结高度才可以由ccl确定。对流温度反映了午后热对流的可能性，只有当午后地面温度高于对流温度时，有热力左右触发的局地热对流才有可能触发。
[0072]
最大温度(简称maxt)：取混合成层厚度为100hpa，从地面往上定义100hpa为混合层，取混合成层顶的温度增加2℃，再沿干绝热线下降到地面的温度。最大温度考虑了近地面湍流的影响，在湍流混合后，考虑了近地面午后辐射增温的影响，具有一定的经验性。可用于评估午后热对流的影响。
[0073]
温度递减率：是温度随高度变化的速率。温度随高度下降的速度越快，温度递减率就越“陡峭”，大气就越“不稳定”。温度递减率以℃/km的来表示。小于5.5-6.0℃/km的数值代表“稳定”的条件，而大于9.8℃/km的数值被认为是“绝对不稳定”。在这两个值之间，温度递减率被认为是“条件不稳定”。条件不稳定意味着，如果有足够的水分存在，被提升的气团可能有一个负的li(抬升指数)或正的cape。
[0074]
需要说明的是，温度递减率可以分为低层温度递减率、中层温度递减率、最大温度递减率。
[0075]
低层温度递减率：0-3公里的温度递减率，也被称为低层温度递减率，是为了确定更深层的混合区域(例如更陡峭的温度递减率)，这通常导致在地面雷暴发展之前对流抑制减弱，以及在低层出现强下沉气流的可能性。
[0076]
中层温度递减率：700-500hpa的温度递减率，也被称为中层温度递减率，是为了确定深层对流更有可能的区域(其他条件相同)。同样，更陡峭的温度递减率对应于更大的cape和更强的风暴上升气流的可能性。
[0077]
最大温度递减率：地面以上2-6km，每次增加250m，循环计算2km厚度的温度递减率，取最大值。反映了最不稳定层的气块，也是对流最有可能发展的气层。
[0078]
本发明可以以表格的方式对上述热力表征量进行展示，方便用户根据热力表征量对热力特征进行量化分析。
[0079]
基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：所述水汽条件量化模块，用于获取对流环境的水汽表征量，以对对流环境的水汽分布特征进行分析；所述水汽表征量包括以下表征量中的至少一种：整层可降水量、有效降水量、低层平均湿度、中层平均湿度。
[0080]
本发明为了对对流环境的水汽分布特征进行分析。可以选取以下几个水汽表征量。
[0081]
整层可降水量(pwat):大气整层可降水量是指从地面直到大气层顶的单位截面积大气柱中所含水汽总量全部凝结并降落到地面可以产生的降水量。大气柱垂直含水量之积分(总和)；大气柱中所有水汽都凝结并变成降水后的降水量。通常用在同面积容器中相当水量的深度表示，以cm或mm为单位。pwat的获取通常有以下几种方法：(1)根据探空资料采用近似计算公式计算；(2)根据水汽密度随高度分布的经验公式计算；(3)利用地面露点查算；(4)根据日射资料来计算。
[0082]
有效降水量(effective precipitation，eff_prec)：估算实际能降落到地面的降水量。计算公式为：
[0083]
eff_prec＝pwat*rh
1000-700
[0084]
其中，pwat为整层可降水量，rh
1000-700
为1 000hpa至700hpa的平均相对湿度。
[0085]
低层平均湿度：为0到100hpa以内的平均湿度。
[0086]
中层平均湿度：为150hpa到350hpa以内的平均湿度。
[0087]
图2是本发明提供的分类强对流诊断分析系统的结构示意图之二，如图2所示，所述系统还包括：强对流综合分析指数量化模块201；强对流综合分析指数量化模块201，用于获取强对流指数，以对强对流天气进行量化分析；所述强对流指数包括以下参数中的至少一种：k指数、沙氏指数、强天气威胁指数、超单综合指数、mcs维护的概率、derecho综合参数。
[0088]
强对流系统主要受组织化条件-风切、抬升触发条件、不稳定条件、水汽条件四个基本层面共同影响，由这四个层面的物理量进行组合可以构建出众多的强对流指数，对强对流的发生发展具有一定的指示意义，本发明选择以下几个较好的综合指数对强对流天气进行综合判识。
[0089]
k指数：综合反映中低层垂直降温、低层露点及温度露点差的物理量；用于暴雨预报较好。其计算公式：
[0090]
k＝(t
850-t
500
)+t
d850-(t-td)
700
[0091]
其中t与td分别表示温度与露点，下标500、700与850分别表示500、700与850hpa。上式的第一项代表温度直减率；第二项表示低层的水汽条件；第三项可以反映中层的饱和程度。
[0092]
一般k指数大小与可能出现的雷暴活动的关系是：当k《20℃时，无雷暴；当20℃《k《25℃时，孤立雷暴；当25℃《k《30℃时，零星雷暴；当30℃《k《35℃时，分散雷暴；当k》35℃时，成片雷暴。
[0093]
沙氏指数(简称si)：条件不稳定指数，反映850hpa气块移动到500hpa时的不稳定状况。其计算公式：
[0094]
si＝t
500-t8′
50
[0095]
t8′
50
为850hpa空气块绝热抬升至500hpa时的温度。
[0096]
强天气威胁指数(sweat)：经验公式，综合反映了中低层热力稳定度特性及适宜风暴发生动力环境对风暴发生所产生的共同作用。其计算公式：
[0097]
i＝12t
d850
+20(tt-49)+2f
850
+f
500
+125(s+0.2)
[0098]
其中i代表sweat，t
d850
为850hpa露点温度，若t
d850
是负数，则此项为0，tt＝(t+td)-2t
500
，即全总指数，若tt小于49，则20(tt-49)项等于0，f
850
为850hpa风速(海里/小时)，f
500
为500hpa风速(海里/小时)，s＝sin(α
500-α
850
)，α
500
与α
850
分别代表500hpa风向与850hpa风向，最后一项125(s+0.2)在下列4个条件中任何一条件不具备时为零：850hpa风向在130
°‑
250
°
之间；500hpa风向在210
°‑
310
°
之间，500hpa风向减850hpa风向为正；850hpa及500hpa风速至少等于15节。
[0099]
本发明可以根据sweat的大小对风暴潜势进行判断：
[0100]
当sweat《300时，风暴潜势为弱；
[0101]
当sweat在300到399之内时，风暴潜势为中；
[0102]
当sweat在400到599之内时，风暴潜势为强；
[0103]
当sweat》600时，风暴潜势为高。
[0104]
超单综合指数(supercell composite parameter，scp)：一个多要素组成的综合指数，包括有效入流层风暴相对螺旋度(简称esrh)、最不稳定层抬升cape(简称mucape)和对流抑制(简称mucin)，以及有效高度风切(简称ebwd)。每种要素都被归一化为超级单体的“阈值”，scp的较大数值表示三种超级单体要素值有较大“重叠”。只显示scp的正值，它对应于有利于右移(气旋)的超级单体的环境。其具体公式如下：
[0105]
scp＝(mucape/1000)*(esrh/50)*(ebwd/20m s-1
)*(mucin/40)
[0106]
当ebwd小于10m/s时，ebwd被设置为0，大于20m/s时的ebwd被设置为1。当mucin《40j/kg时，它被设置为1.0。
[0107]
mcs维护的概率(probability of mcs maintenance，mmp)：从348个来自各种mcs类型的暖季mcs临近探测结果被用来开发这个参数。通过对数百个探测参数的假设检验和判别分析，选择了以下四个参数来开发确定该概率。这四个参数分别为：低层0-1km和中层6-10km之间的最大风切变(m/s)；3-8km的温度递减率(℃/km)；最不稳定层cape；3-12km平
均风速(m/s)。
[0108]
derecho综合参数(derecho composite parameter，dcp)：这个参数主要是用来分析分类强对流中雷暴大风的重要指数。dcp的开发是为了通过四个主要机制来确定被认为有利于冷池“驱动”大风事件的环境：(1)冷池的产生；(2)沿着阵风前缘维持强风暴的能力；(3)任何后续对流的组织潜力；(4)对流周边环境中足够的流动有利于沿着阵风前缘的下游部分发展。计算公式为：
[0109]
dcp＝(dcape/980)*(mucape/2000)*(shear
0-6
/20kt)*(wind
0-6
/16kt)
[0110]
其中，dcape代表下沉对流有效位能；mucape代表最不稳定层抬升cape；sheare
0-6
代表0-6km垂直风切变；wind
0-6
代表0-6km平均风，kt为风速单位。
[0111]
基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明提供的分类强对流诊断分析系统，如图2所示，还包括：雷暴大风分析量化模块202；所述雷暴大风分析量化模块202，用于根据雷暴大风指数，以对雷暴大风进行量化分析；所述雷暴大风指数包括以下参数中的至少一种：下沉对流有效位能、derecho综合参数、灾害性大风指数、微下击暴流指数、混合微下击暴流指数、干微下击暴流指数、湿微下击暴流指数、微下击暴流日潜势指数。
[0112]
由对流引发的雷暴大风是强对流天气中的一种，也是一种较易致灾的强对流天气，雷暴大风大体可分为三类：一类是带有明显旋转特征的对流性大风，其极端条件下发展成龙卷，这种对流性大风更多地要关注近地面的相对螺旋度和风切等；一类是下击暴流族，如飑线、阵风锋等，这类雷暴大风尺度比较大，切往往要关注降水拖曳的影响，因而需要关注中低层风切变好dcape的影响；第三类雷暴大风是微下击暴流，这类雷暴大风往往由局地热对流触发，时间尺度非常短，对流组织化程度不高，比较难预报，需要重点关注低层温度递减率及中低层干湿区的影响。
[0113]
雷暴大风也一直是强对流预报的一个难点，本发明基于近些年的科研成果，基于三类对流性大风发生的环境特征，重点提出了八个雷暴大风的量化特征指数。主要选取的雷暴大风指数如下：下沉对流有效位能、derecho综合参数、灾害性大风指数、微下击暴流指数、混合微下击暴流指数、干微下击暴流指数、湿微下击暴流指数、微下击暴流日潜势指数。
[0114]
下沉对流有效位能(dcape):可用于估计深层对流中降水冷却下沉气流的潜在强度，与cape类似，较大的dcape值与较强的下沉气流有关。
[0115]
灾害性大风指数(wind damage parameter，wndg)：一个无量纲复合参数，该参数识别的区域主要是较大的cape、低层陡峭的温度递减率、中低层急流和较小的对流抑制能量并存的地区。
[0116]
微下击暴流指数是由chad entremont nws jan 12/7/2014提出,是以下各个参数的加权求和:sbcape(surfaced based convective available potential energy)sbli(surfaced based li)、温度递减率850-500hpa温差、dcape和可降水量。微下击暴流指数可以对微下击暴流产生的概率进行评估。
[0117]
除了上述微下击暴流指数外，本发明还可以通过以下微下击暴流指数对微下击暴流的发生概率进行判断，包括但不限于：混合微下击暴流指数、干微下击暴流指数、湿微下击暴流指数、微下击暴流日潜势指数，上述指数均为大气科学领域常用的指数，这里不再一一赘述。
[0118]
需要说明的是，上述雷暴大风指数可以以图像化或者表格化的方式向用户展示以
便于用户进行分析判断。
[0119]
图3是本发明提供的分类强对流诊断分析系统的结构示意图之三，如图3所示，该系统还包括：冰雹分析量化模块301；所述冰雹分析量化模块301，用于基于量化冰雹指数，对发生冰雹的概率和严重程度进行预测；所述量化冰雹指数包括：ship指数、lhp指数、零下10度到零下30度之间的对流有效位能。
[0120]
冰雹也是一种较易致灾的强对流天气，影响冰雹的生成的几个重要因子包括：对流的强度，体现为对流的组织化程度、cape的大小和胖瘦、li、温度递减率等；冰雹的增涨区，体现为-10℃～-30℃的厚度，湿度及该区间是否有有利于冰雹的上升速度等；冰雹的融化区，体现为0℃层高度，太高，冰雹可能落不到地面，太低，不利于冰雹循环生长成大冰雹；适当的湿度条件，体现为太湿，则容易形成以降水为主的强对流天气，太干，则不利于冰雹增涨。本发明选取三种量化冰雹指数，对冰雹进行量化分析。
[0121]
大冰雹指数(significant hail parameter，ship)：ship指数被开发是利用一个大型地面观测强冰雹及近距离探空的大型数据库。它以5个参数为基础，旨在区分严重(直径》2英寸)和非严重(直径《2英寸)冰雹环境。ship值大于1表示有利的重大冰雹环境，而值大于4则被认为是非常高。值得注意的是，ship“不是”对冰雹大小的预测。计算公式为：
[0122][0123]
其中，mucape为从最不稳定层抬升的对流有效位能，单位j/kg，a为最不稳定层气块的混合比,单位g/kg，b为700与500hpa温度递减率，单位℃/km，c为500hpa的温度，单位℃，d为0-6km的风切，单位m/s。
[0124]
ship指数主要是用来预报发生较大冰雹潜势的指数。根据评分统计，当ship值为0.4以上时，发生冰雹的概率较大。
[0125]
大冰雹参数(large hail parameter，lhp)：lhp指数为一个多要素组合的综合指数，包括三个热力学成分：mucape、700-500mb温度递减率、冰雹生长区的深度(-10至-30℃)，以及三个垂直风切变：地面至el的垂直风切变、el和3-6km层相对地面的风向差，以及3-6km和0-1km层的风暴相对移动风速的风向差。具体公式如下：
[0126]
lhp＝(terma*termb)+5
[0127]
terma＝(((mucape-2000)/1000)+((3200-thk
hgz
)/500)+((lr
75-6.5)/2))
[0128]
termb＝(((shear
el-25)/5)+((grw
direl
+5)/20)+((srw
dirmid-80)/10)
[0129]
其中：thk
hgz
是冰雹生长区的厚度(-10至-30℃层)；
[0130]
lr
75
是700-500hpa的温度递减率；
[0131]
shear
el
为地面到平衡层风切；
[0132]
grw
direl
：平衡层风向-平均风向
(3000-6000m)
；
[0133]
srw
dirmid
：平均相对风暴风向
(3000-6000)-平均相对风暴风向
(地面-1000m)
。
[0134]
零下10度到零下30度对流有效位能：冰雹主要增涨层在-10℃～-30℃之间，而对流有效位能(cape)是反映对流强度最有效的物理量，通过-10℃～-30℃之间的对流有效位能能够帮助用户评估冰雹增涨层对流的强度，进而进行预测冰雹。
[0135]
基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明提供的分类强对流诊断分析系统，如图3所示，还包括：冰雹强度分析模块302；所述冰雹强度分析模块302，用于基
于ship指数，通过箱线图的方式对冰雹强度进行量化评估。
[0136]
本模块选用对冰雹预报具有重要指示意义的复合物理量ship指数，通过大量历史个例进行统计分析，计算其气候统计特征，通过箱线图的方式，直接为用户提供冰雹直径的量化评估。
[0137]
本发明所分类的冰雹直径大体可分为小于50mm和大于等于50mm两级。在箱线图中不同的箱线为ship针对不同分级冰雹历史统计特征。本发明基于当前构建的虚拟或实况探空计算的ship指数，计算其与不同分级冰雹ship箱线图中位数的绝对误差，当绝对误差最小时，则该分级的冰雹箱线图可以被激活，例如，显示为红色。说明发生该强度的冰雹概率较大，未激活任何分级的冰雹箱线，说明此次强对流过程发生大冰雹的概率不大。
[0138]
图4是本发明提供的分类强对流诊断分析系统的结构示意图之四，如图4所示，该系统还包括：龙卷分析量化模块401；所述龙卷分析量化模块401，用于获取龙卷的量化特征指数，以对龙卷进行量化分析。
[0139]
龙卷是一种极端强对流天气现象，其生命期仅有几十分钟至几个小时，半触地半径往往只有几十米至几公里，非常难以预报，一直是强对流预报的一个难点，本发明基于近些年的科研成果，基于龙卷发生的环境特征，重点提出了三个龙卷的量化特征指数。下面分别对三个量化特征指数，进行介绍。
[0140]
强龙卷指数_固定层(significant tornado parameter(fixed layer)，stp_fixed):一个多要素组合的综合指数，包括0-6km垂直风切变(简称6bwd)、0-1km的风暴相关螺旋度(srh1)、地基cape(sbcape)和地基lcl(sblcl)。具体公式如下：
[0141]
stp_fixed＝(sbcape/1500)*((2000-sblcl)/1000)*(srh1/150)*(6bwd/20)*((200+sbcin)/150)
[0142]
sblcl项在sblcl《1000m时设置为1.0，在sblcl》2000m时设置为0.0；sbcin项在sbcin》-50j/kg时设置为1.0，在sbcin《-200时设置为0.0；6bwd项在6bwd》30m/s时上限为1.5，在6bwd《12.5m/s时设置为0.0。
[0143]
强龙卷指数_有效层(significant tornado parameter(effective layer)，stp_eff)：一个多要素组合的综合指数，包括有效入流层风切(ebwd)、有效入流层风暴相对螺旋度(esrh)、混合层cape(mlcape)、混合层cin(mlcin)和混合层lcl高度(mllcl)。具体公式如下：
[0144]
stp_eff＝(mlcape/1500)*((2000-mllcl)/1000)*(eshr/150)*(ebwd/20)*((200+mlcin)/150)
[0145]
如果存在有效入流层，则0-500m的esrh被限制在有效入流层内。mllcl项在mllcl《1000m时设置为1.0，在mllcl》2000m时设置为0.0；mlcin项在mlcin》-50j/kg时设置为1.0，在mlcin《-200时设置为0.0；ebwd项在ebwd》30m/s时，数值上限为1.5，在ebwd《12.5m/s时设置为0.0。最后，当有效流入层底高高于地面时，整个指数被设置为0.0。
[0146]
强龙卷指数(vstp：violent tornado parameter)：一个包含有效层风切变(简称ebwd)、有效入流层风暴相对螺旋度(简称esrh)、混合层cape(简称mlcape)、混合层cin(简称mlcin)、混合层lcl高度(简称mllcl)、0-3km混合层cape(简称mlcape
0-3
)和0-3km温度递减率的复合指数(简称lapse rate)。
[0147]
vstp＝stp_eff*(mlcape
0-3
/50)*(lapse rate/6.5)
[0148]
当mlcape
0-3
》100j/kg时，0-3km温度递减率设为2.0。当mllcl《1000m时，mllcl设置为1.0；当mllcl》2000m时，mllcl设置为0.0；当mlcin》-50j/kg时，将mlcin项设置为1.0；当mlcin《-200时，将mlcin项设置为0.0；对于ebwd》30m/s，ebwd的值上限为1.5，当ebwd《12.5m/s时，该值设置为0.0。最后，当有效入流层底高在地面以上时，整个指数设置为0.0。
[0149]
本发明可以通过表格的形式对当前对流环境的龙卷指数向用户展示，便于用户对强对流天气进行判断。
[0150]
基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明提供的分类强对流诊断分析系统，如图4所示还包括：所述龙卷强度分析模块402；所述龙卷强度分析模块402，用于通过箱线图的方式，确定龙卷强度的分级。
[0151]
本发明选用对龙卷预报具有重要指示意义的复合物理量stp_eff，通过大量历史个例进行统计分析，计算其气候统计特征，通过箱线图的方式，直接为用户提供龙卷强度的量化评估。本发明所分类的龙卷强度大体可分为非龙卷、ef0级、ef1级、ef2级、ef3级、ef4级。
[0152]
本发明基于当前构建的虚拟或实况探空计算的stp_eff计算其与不同强度龙卷stp_eff箱线图中位数的绝对误差，当绝对误差最小时，则该强度的龙卷箱线图将被激活，例如显示为红色，说明发生该强度的龙卷概率较大。
[0153]
基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明提供的分类强对流诊断分析系统，还包括：分类强对流短时预警分析模块；所述分类强对流短时预警分析模块，用于基于模糊推理的方法，利用与强对流天气相关的物理量，确定强对流天气的类型。
[0154]
本发明通过构建虚拟探空，计算和强对流相关的scp、各层结不稳定、风切等；和对流大风相关的dcape、温度递减率等；和冰雹相关的ship、冰雹厚度，零度层高度等；和龙卷相关的stp_fixed、stp_eff，抬升凝结高度等数十个物理量，采用模糊逻辑，可以对强对流天气的类型进行判断。例如：龙卷天气、雷暴大风、冰雹等天气。
[0155]
本发明提供的分类强天气短时预警分析模块，进行模糊逻辑推理的思路为，结合预测经验和国家级业务应用中的实际标准，通过为上述物理量的设置不同阈值，在根据当前探空资料获取的各物理量的实际取值与阈值进行对比，进而确定强对流天气的类型。
[0156]
本发明基于强对流发生发展的机理研究，围绕决定对流发生发展的充分必要条件：对流系统组织化条件-风切、抬升触发条件、不稳定条件、水汽条件构建图形化解析和量化的指数表达，通过图形和表格形象化的表达，可以为用户构建一个清晰的对流发展三维结构及量化指标特征，帮助用户判断雷暴、雷暴大风、龙卷、强降水、冰雹等分类强对流的类型和强度，及未来短时时效内的发展趋势。
[0157]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0158]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。