基于雷暴高压分析的强对流天气临近预报方法及系统与流程

1.本技术涉及大气科学中的天气预报技术，具体涉及一种基于雷暴高压分析的强对流天气临近预报方法及系统。


背景技术：

2.强对流天气是夏半年最重要灾害性天气之一，雷暴大风、冰雹、短时强降水等强对流天气，出现的突然、来势猛，常常造成局部甚至区域性的严重灾害,做好强对流天气的临近预报是非常重要的。
3.目前强对流天气的临近预报主要是依靠雷达回波特征进行线性外推预报,往往对造成强对流天气的中尺系统的发展、移动、减弱估计不足，使得强对流天气临近预报的准确性、时效性受到一定的限制。
4.雷暴高压是强对流天气系统的下沉气流造成的地面中尺度高压系统。很多文献表明：雷暴高压与强对流天气系统的强度、强对流天气系统的移动、发展、减弱等有密切的关系。雷暴高压主要有如下作用：1、雷暴高压是雷暴大风形成的直接原因；2、雷暴高压与环境风形成辐合，产生强的上升气流；3、雷暴高压的冷垫和伪冷锋作用；4、雷暴高压下山加强大气层结的不稳定。雷暴高压的特征对强对流天气的预报具有很强的指示作用。由于雷暴高压的定义主要基于海平面气压场，由于海平面气压场的分析受到地形和日变化的影响，目前业务工作中雷暴高压的分析较少，仅局限于雷达气象中雷暴高压造成的阵风锋的分析，对其形态特征、强度变化、移动路径及与地面环境场的相互作用研究较少，更谈不上基于雷暴高压分析的强对流天气临近预报方法了。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种基于雷暴高压分析的强对流天气临近预报方法及系统，通过预设时间变压分析法对雷暴高压进行分析，并基于雷达数据进行分析，得到强对流天气临近预报结果。
6.为达到上述目的，本技术公开了以下方案：
7.基于雷暴高压分析的强对流天气临近预报方法，包括以下步骤：
8.s1.收集历史雷暴天气信息和历史强对流天气信息；
9.s2.基于天气雷达反射率因子对所述历史雷暴天气信息进行分析，得到历史雷暴高压特征；
10.s3.基于所述历史雷暴高压特征，结合所述历史强对流天气信息，得到雷暴高压特征与雷暴系统、强对流天气的特征关系；
11.s4.采集实时雷暴天气信息并分析，得到实时雷暴高压特征；
12.s5.基于所述特征关系和所述实时雷暴高压特征，得出雷暴系统预报结果，并基于所述雷暴系统预报结果结合天气雷达反射率因子，得出强对流天气临近预报结果。
13.优选的，所述历史雷暴高压特征和所述实时雷暴特征的分析方法包括：采用1小时
变压分析法对雷暴高压进行特征分析。
14.优选的，所述1小时变压分析法包括：利用天气分析系统固定时间间隔，计算与前1小时的各个气象观测站的气压差，绘制1小时变压等值线，等值线闭合区域，变压大的区域为雷暴高压，变压小的区域为中尺度低压，并用变压的大小代表雷暴高压的强度，正变压中心的值越大，表征雷暴高压越强。
15.优选的，所述雷暴高压特征的分析结果包括：
16.所述雷暴高压的强度与所述雷达反射率因子有较好的对应关系，所述雷达反射率因子强的系统形成的地面雷暴高压强；
17.所述雷暴高压的强度有明显的日变化，同样强度的所述雷达反射率因子出现在一天中不同的时段形成的地面雷暴高压的强度不一样；
18.所述雷暴高压的强度用最大变压与最小变压的差值表示。
19.优选的，所述特征关系包括：
20.暴雨、强降水雷暴系统形成的雷暴高压较弱，1小时正变压为1-3hpa，此类雷暴高压的变压线梯度较小；
21.冰雹雷暴系统形成的雷暴高压是最强的，最大1小时正变压均大于3hpa，此类雷暴高压的变压线梯度较大，同时伴随大风天气；
22.纯大风雷暴系统形成的雷暴高压也是较强的，1小时正变压均大于3hpa，此类雷暴高压的变压线梯度较大，同时伴有较强的尾流低压。
23.优选的，所述强对流天气临近预报结果包括：强对流天气的灾害种类以及强对流天气的强度。
24.优选的，所述雷暴预报结果包括：雷暴的移动传播和雷暴的发展。
25.本技术还提供了一种基于雷暴高压分析的强对流天气临近预报系统，包括：历史信息收集模块、特征分析模块、关系分析模块、实时信息处理模块和强对流预报模块；
26.所述历史信息收集模块用于收集历史雷暴天气信息和历史强对流天气信息；
27.所述特征分析模块用于基于天气雷达反射率因子对所述历史雷暴天气信息进行分析，得到雷暴高压特征；
28.所述关系分析模块用于基于所述雷暴高压特征，结合所述历史强对流天气信息，得到所述雷暴高压特征与雷暴系统、强对流天气的特征关系；
29.所述实时信息处理模块用于采集实时雷暴天气信息并分析，得到实时雷暴高压特征；
30.所述强对流预报模块用于基于所述特征关系和所述实时雷暴高压特征，得出雷暴系统预报结果，并基于所述雷暴系统预报结果结合天气雷达反射率因子，得出强对流天气临近预报结果。
31.本技术的有益效果为：
32.本技术对雷暴系统发展、移动的定性预报准确率较高，对强对流天气的临近预报、预警具有很高的参考价值，是实际业务预报中非常必要的，有利于提高强对流天气的临近预报、预警水平。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本技术基于雷暴高压分析的强对流天气临近预报方法的流程示意图；
35.图2为本技术基于雷暴高压分析的强对流天气临近预报系统的结构示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
37.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
38.实施例一
39.在本实施例一中，以2016-2017年河北中南部地区为例，如图1所示，一种基于雷暴高压分析的强对流天气临近预报方法，包括以下步骤：
40.s1.收集历史雷暴天气信息和历史强对流天气信息；收集2016—2017年河北中南部地区的30多个强对流天气过程和600多个时次的雷暴高压信息。
41.s2.基于天气雷达反射率因子对历史雷暴天气信息进行分析，得到历史雷暴高压特征。
42.每个雷暴由1个或几个单体组成。在单体的成熟阶段，由于下沉气流中水滴的蒸发作用，使其几乎保持饱和状态，所以下沉空气由上层到下层是按湿绝热增温，升温率小；而上升气块在上升过程中温度按干绝热下降，因而云底以下直到地面下沉空气比四周冷，在雷暴单体下方形成1个冷空气堆，气压较高，这个高压就是雷暴高压。由雷暴高压的定义可知：雷暴高压具有冷和气压高的特点。本技术采用分析一小时变压的方法分析雷暴高压，当有雷暴天气出现时，利用天气分析系统(swan或micaps等)固定时间间隔，计算与预设的前1小时的各个气象观测站的气压差，绘制1小时变压等值线，等值线闭合区域，变压大的区域为雷暴高压，变压小的区域为中尺度低压。并用变压的大小代表雷暴高压的强度，正变压中心的值越大，表征雷暴高越强。
43.通过对2016—2017年河北中南部地区的30多个强对流天气过程，600多个时次的雷暴高压分析，并结合同时刻的天气雷达反射因子率资料的分析，利用等值线分析系统(如气象上常用的swan或micaps等)，在分析1小时变压等值线，确定雷暴高压的同时叠加显示天气雷达反射率因子(主要是组合反射率因子)，对比多个时次的图像，发现雷暴高压具有如下特征：(1)雷暴高压的强度与组合反射率因子有较好的对应关系，组合反射率因子强的系统形成的地面雷暴高压也强。(2)雷暴高压的强度有明显的日变化，和气压的日变化相似，同样强度的组合反射率因子出现在一天中不同的时段可能形成的地面雷暴高压的强度不一样；(3)雷暴高压的强度可以用最大变压与最小变压的差值表示可以减少其日变化的影响。
44.s3.基于历史雷暴高压特征，通过对2016—2017年河北中南部地区的30多个强对流天气过程，600多个时次的雷暴高压的分析，按强对流天气出现的实况，对600多个时次的雷暴高压进行分类，分为暴雨(强降水)、雷暴大风、冰雹等3类，得到雷暴高压特征与雷暴系统、强对流天气的特征关系：(1)暴雨、强降水雷暴系统形成的雷暴高压一般较弱，大部分1h正变压为1-3hpa，分析的6次暴雨过程中，最大1h正变压为2.9hpa。此类雷暴高压的变压线梯度也较小；(2)冰雹雷暴系统形成的雷暴高压是最强的，大部分最大1h正变压均大于3hpa，分析的4次冰雹过程中，最大1h正变压达到十几hpa，此类雷暴高压的变压线梯度也较大，也同时伴随大风天气；(3)纯大风雷暴系统形成的雷暴高压也是较强的，大部分1h正变压均大于3hpa，分析的8次雷暴大风过程中，最大1h正变压达到7hpa，此类雷暴高压的变压线梯度也较大，同时伴有较强的尾流低压。
45.s4.采集实时雷暴天气信息，通过1小时变压分析法进行分析，得到实时雷暴高压特征，利用天气分析系统固定时间间隔，计算与前1小时的各个气象观测站的气压差，绘制1小时变压等值线，等值线闭合区域，变压大的区域为雷暴高压，变压小的区域为中尺度低压，并用变压的大小代表雷暴高压的强度，正变压中心的值越大，表征雷暴高压越强。
46.s5.基于所述特征关系和所述实时雷暴高压特征，得出雷暴系统预报结果，并基于所述雷暴系统预报结果结合天气雷达反射率因子，得出强对流天气临近预报结果。
47.通过对实时雷暴高压特征的分析,确定雷暴高压的强度，并分析雷达反射率因子的强度、质心、高度等，确定强对流天气的灾害种类，是以强降水为主，还是冰雹、大风天气为主，以及强对流天气的强度，得出强对流天气临近预报结果。例如，分析雷暴高压的强度只有3hpa，同时也分析得到雷达反射率因子的强度30-40dbz、且质心偏低，即可以预测为强降水天气。
48.基于特征关系，通过雷暴高压的分析,确定雷暴高压的强度以及形状，同时叠加分析天气雷达反射率因子(主要是组合反射率因子)，依据雷暴高压的长短轴方向和强天气雷达反射率因子出现在雷暴高压的方位和距离并结合天气雷达反射率因子进行分析，得出雷暴天气系统的未来增强、维持、减弱和移动、传播、发展的预报结果。
49.一般情况下，雷暴是按中高层(700或500hpa)的平均气流的方向偏右移动，雷暴传播是向右侧的。但通过对多个雷暴系统的分析，发现雷暴高压的形状与雷暴的移动，传播有密切关系：雷暴多沿雷暴高压的长轴或脊线传播，传播是跳跃的、不连续的，新生雷暴总是在雷暴高压脊线附近。雷暴的移动是按雷暴高压的短轴方向移动，与引导气流相近。利用这些特征可以较准确地预报雷暴的移动和传播，预测雷暴的可能新生，提前发布预警。
50.较强的雷暴普遍有这样的特征：雷暴前方有中尺度的热低压、雷暴区是较强的雷暴高压、雷暴后方有中尺度的尾流低压，且尾流低压也比较强。雷暴发生初，往往只有热低压和雷暴高压，雷暴最强回波中心出现在雷暴高压上或前侧，随着雷暴的发展，雷暴最强回波中心少动或向后移动，当雷暴最强回波中心出现在雷暴高压后部时，对流系统将减弱，雷暴减弱消失时，雷暴最强回波中心出现在尾流低压内。这与雷达气象学中阵风锋雷远离雷暴中心时，雷暴将减弱是一致的。根据这一特点可以预测雷暴的发展和消亡。
51.实施例二
52.在本实施例二中，如图2所示，本技术还提供了一种基于雷暴高压分析的强对流天气临近预报系统，包括：历史信息收集模块、特征分析模块、关系分析模块、实时信息处理模
块和强对流预报模块。
53.历史信息收集模块用于收集历史雷暴天气信息和历史强对流天气信息；收集2016—2017年河北中南部地区的30多个强对流天气过程和600多个时次的雷暴高压信息。
54.特征分析模块用于基于天气雷达反射率因子对历史雷暴天气信息进行分析，得到历史雷暴高压特征。每个雷暴由1个或几个单体组成。在单体的成熟阶段，由于下沉气流中水滴的蒸发作用，使其几乎保持饱和状态，所以下沉空气由上层到下层是按湿绝热增温，升温率小；而上升气块在上升过程中温度按干绝热下降，因而云底以下直到地面下沉空气比四周冷，在雷暴单体下方形成1个冷空气堆，气压较高，这个高压就是雷暴高压。由雷暴高压的定义可知：雷暴高压具有冷和气压高的特点。本技术采用分析一小时变压的方法分析雷暴高压，当有雷暴天气出现时，利用天气分析系统(swan或micaps等)固定时间间隔，计算与预设的前1小时的各个气象观测站的气压差，绘制1小时变压等值线，等值线闭合区域，变压大的区域为雷暴高压，变压小的区域为中尺度低压。并用变压的大小代表雷暴高压的强度，正变压中心的值越大，表征雷暴高越强。通过对2016—2017年河北中南部地区的30多个强对流天气过程，600多个时次的雷暴高压分析，并结合同时刻的天气雷达反射因子率资料的分析，利用等值线分析系统(如气象上常用的swan或micaps等)，在分析1小时变压等值线，确定雷暴高压的同时叠加显示天气雷达反射率因子(主要是组合反射率因子)，对比多个时次的图像，发现雷暴高压具有如下特征：(1)雷暴高压的强度与组合反射率因子有较好的对应关系，组合反射率因子强的系统形成的地面雷暴高压也强。(2)雷暴高压的强度有明显的日变化，和气压的日变化相似，同样强度的组合反射率因子出现在一天中不同的时段可能形成的地面雷暴高压的强度不一样；(3)雷暴高压的强度可以用最大变压与最小变压的差值表示可以减少其日变化的影响。
55.关系分析模块用于基于历史雷暴高压特征，通过对2016—2017年河北中南部地区的30多个强对流天气过程，600多个时次的雷暴高压的分析，按强对流天气出现的实况，对600多个时次的雷暴高压进行分类，分为暴雨(强降水)、雷暴大风、冰雹等3类，得到雷暴高压特征与雷暴系统、强对流天气的特征关系：(1)暴雨、强降水雷暴系统形成的雷暴高压一般较弱，大部分1h正变压为1-3hpa，分析的6次暴雨过程中，最大1h正变压为2.9hpa。此类雷暴高压的变压线梯度也较小；(2)冰雹雷暴系统形成的雷暴高压是最强的，大部分最大1h正变压均大于3hpa，分析的4次冰雹过程中，最大1h正变压达到十几hpa，此类雷暴高压的变压线梯度也较大，也同时伴随大风天气；(3)纯大风雷暴系统形成的雷暴高压也是较强的，大部分1h正变压均大于3hpa，分析的8次雷暴大风过程中，最大1h正变压达到7hpa，此类雷暴高压的变压线梯度也较大，同时伴有较强的尾流低压。
56.实时信息处理模块用于采集实时雷暴天气信息，通过1小时变压分析法进行分析，得到实时雷暴高压特征，利用天气分析系统固定时间间隔，计算与前1小时的各个气象观测站的气压差，绘制1小时变压等值线，等值线闭合区域，变压大的区域为雷暴高压，变压小的区域为中尺度低压，并用变压的大小代表雷暴高压的强度，正变压中心的值越大，表征雷暴高压越强。
57.强对流预报模块用于基于所述特征关系和所述实时雷暴高压特征，得出雷暴系统预报结果，并基于所述雷暴系统预报结果结合天气雷达反射率因子，得出强对流天气临近预报结果。通过对实时雷暴高压特征的分析,确定雷暴高压的强度，并分析雷达反射率因子
的强度、质心、高度等，确定强对流天气的灾害种类，是以强降水为主，还是冰雹、大风天气为主，以及强对流天气的强度，得出强对流天气临近预报结果。例如，分析雷暴高压的强度只有3hpa，同时也分析得到雷达反射率因子的强度30-40dbz、且质心偏低，即可以预测为强降水天气。基于特征关系，通过雷暴高压的分析,确定雷暴高压的强度以及形状，同时叠加分析天气雷达反射率因子(主要是组合反射率因子)，依据雷暴高压的长短轴方向和强天气雷达反射率因子出现在雷暴高压的方位和距离并结合天气雷达反射率因子进行分析，得出雷暴天气系统的未来增强、维持、减弱和移动、传播、发展的预报结果。
58.一般情况下，雷暴是按中高层(700或500hpa)的平均气流的方向偏右移动，雷暴传播是向右侧的。但通过对多个雷暴系统的分析，发现雷暴高压的形状与雷暴的移动，传播有密切关系：雷暴多沿雷暴高压的长轴或脊线传播，传播是跳跃的、不连续的，新生雷暴总是在雷暴高压脊线附近。雷暴的移动是按雷暴高压的短轴方向移动，与引导气流相近。利用这些特征可以较准确地预报雷暴的移动和传播，预测雷暴的可能新生，提前发布预警。
59.较强的雷暴普遍有这样的特征：雷暴前方有中尺度的热低压、雷暴区是较强的雷暴高压、雷暴后方有中尺度的尾流低压，且尾流低压也比较强。雷暴发生初，往往只有热低压和雷暴高压，雷暴最强回波中心出现在雷暴高压上或前侧，随着雷暴的发展，雷暴最强回波中心少动或向后移动，当雷暴最强回波中心出现在雷暴高压后部时，对流系统将减弱，雷暴减弱消失时，雷暴最强回波中心出现在尾流低压内。这与雷达气象学中阵风锋雷远离雷暴中心时，雷暴将减弱是一致的。根据这一特点可以预测雷暴的发展和消亡。
60.以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。