一种基于一维冰雹云模型的冰雹客观定量实时预报方法

本发明涉及强对流冰雹防灾减灾领域，具体涉及一种基于一维冰雹云模型的冰雹客观定量实时预报方法。

背景技术：

1、冰雹在中国对农作物以及生命财产具有重大危害。根据中国气象灾害年鉴，中国平均每年雹灾面积170余万公顷，重灾年达400万公顷，冰雹造成的直接经济损失达数亿元至十余亿元。冰雹在中国各个地区都常有发生，在高原地区冰雹发生频率最高但冰雹粒径较小，而平原地区频率偏低但更容易形成破坏性大的大冰雹。中国西部地区属于大陆性天气，强对流冰雹天气时有发生，对该区域的农作物等能造成严重灾害。冰雹都形成于强对流天气系统中，一般对应于强上升运动，冰雹粒子能得以循环增长达到较大粒径，降到地面时能产生较强的破坏力。冰雹形状、层次、内部结构及化学成分多样，形成机制复杂，降雹与否是环境条件、风暴动力、热力和云微物理过程综合作用的结果。

2、然而，目前对于冰雹的短临预报方法，主要是基于雷达强回波或双偏振雷达冰雹识别算法进行外推，其预报时效一般局限于一小时以内，实用价值有限。而对冰雹的潜势预报，仍主要依靠基于大气环境常数预报的定性推断，很不可靠。随着对流尺度数值天气预报模式的发展以及微物理过程参数化方案的改进，对流可分辨数值预报模式对冰雹已经有了一定的预报能力，但是需要使用计算成本较高的多参数微物理参数化方案，对数值模式分辨率要就也较高(1-3km格距)，目前大多数气象业务部门的计算能力还不足以维持此类大型高分辨率数值预报系统开展实时预报。因此，目前还难以准确预报冰雹风暴强度及移动路径，而冰雹的定点、定时、定量预报更是国际难点。综上，十分有必要针对这些问题，发展高效经济的冰雹大小的实时客观预报方法，以提高气象部门对冰雹灾害的预报能力。

技术实现思路

1、发明目的：本发明提供一种基于一维冰雹云模型的冰雹客观定量实时预报方法，实现对冰雹大小的客观实时定量预报，从而更好地为气象部门冰雹防灾减灾服务。

2、技术方案：本发明所述的一种基于一维冰雹云模型的冰雹客观定量实时预报方法，具体包括以下步骤：

3、(1)实时获取不同气压层下的气象要素预报场；

4、(2)从气象要素预报场中提取经纬度网格点的垂直多层气象要素；

5、(3)设定多个不同初始雹胚状态，建立冰雹尺寸预报集合初始场；

6、(4)构建一维冰雹云模型；所述一维冰雹云模型包含一维云模式和一个拉格朗日质点轨迹增长的冰雹模式；其中一维云模式依据输入的温度、水汽和风廓线条件，模拟出垂直运动、云水和云冰含量及云内温度廓线；冰雹模式则在给定的云模式模拟的环境条件下，计算雹胚粒子的上升及其运动轨迹上的干、湿增长、下落及融化等动力及微物理过程；

7、(5)获得地面冰雹尺寸分布特征的实时客观预报结果，及冰雹集合概率实时预报产品。

8、进一步地，步骤(1)所述不同气压层下的气象要素预报场包括1000hpa至50hpa，共23个气压层的位势高度、气压、水平风场、温度、湿度、地面降水、不稳定能量，空间水平分辨率为0.25度，时间分辨率为逐小时。

9、进一步地，步骤(2)所述经纬度网格点的垂直多层气象要素包括各经纬度网格点处的垂直各层的大气温度、气压、湿度、风廓线，并单独存储为局地资料格式。

10、进一步地，所述步骤(3)实现过程如下：

11、鉴于冰雹预报对初始大气状态，尤其是云底温度和露点、冰雹雹胚尺寸及所处高度等特征的强敏感性，通过对底层温度、湿度、雹胚大小及高度进行扰动，得到地面冰雹集合预报；通过对集合预报结果的合成，以减小地面降雹预报的不确定性；其中，设置云底温度tcontrol和露点tdcontrol，25组扰动温度tensemble和露点温度tdensemble分别为：

12、tensemble＝tcontrol±0.5×i,其中i＝1,2,3,4,5

13、tdensemble＝tdcontrol±0.5×i,其中i＝1,2,3,4,5。

14、进一步地，步骤(4)所述一维云模式依据输入的温度、水汽和风廓线条件，模拟出垂直运动、云水和云冰含量及云内温度廓线实现过程如下：

15、模拟冰雹生长环境条件，具体包括其预报的探空数据信息，1.5km高度以下的垂直层数、6km高度对应的垂直层数、最不稳定粒子所处的气压层、抬升凝结高度处对应的温度、露点、集合预报中底层大气温度和湿度扰动、云底垂直速度、垂直风切变等；并基于垂直风切变及不稳定能量信息，判断云类型；

16、计算冰雹粒子的温度和质量混合比，计算粒子拉个朗日上升运动速度，其由冰雹粒子自身温度与环境大气温度的差异决定；其中，风暴类型、风暴内垂直上升运动w和垂直上升运动的维持时间duration由定义的参数type决定：

17、type＝cape×shear1.5-6km

18、

19、其中，cape是抽取探空所具有的不稳定能量，g为重力加速度，z为高度，t'v为空气块虚温，tv为周围环境虚温，zlfc为自由对流高度，zlnb为气块状态曲线与环境层结曲线再次相交的中性浮力高度；shear1.5-6km为1.5km和6km之间的垂直风切变：

20、

21、其中，u6km,u1.5km,v6km和v1.5km分别为6km和1.5km高度层抽取探空中的水平x和y方向的风速大小；垂直上升运动的维持时间duration为：

22、duration＝(-2.5×type2+25×type-2.5)×60

23、由于气块温度和夹卷作用进入的环境气块温差导致的浮力驱动的垂直上升运动速度w为：

24、

25、其中，w0为抬升凝结高度处的上升速度，zlcl为抬升凝结高度，zel为平衡高度，tcloud和tair分别为云内温度和环境温度。

26、进一步地，步骤(4)所述雹胚粒子为冰雹生成的最开始的物质，为直径大于5mm的冰雹粒子的胚胎。

27、进一步地，步骤(4)所述冰雹模式实现过程如下：

28、基于冰雹粒子拉格朗日质点轨迹增长的冰雹模式，将一维云模式模拟的温度、水汽和风廓线条件输入到冰雹增长模式中，设置不同雹云云底温度、露点共25组扰动场，分别对其预报雹胚从云底开始的增长，具体包括沿着一定初始速度上升，在上升过程中雹胚通过收集过冷云水碰并增长，并在一定温度下冻结；之后冰雹继续通过干增长或者湿增长继续长大；当冰雹粒子生长到一定程度后，上升运动无法托住或者上升运动减弱时，冰雹粒子开始下降；在下降过程中，冰雹粒子部分融化最终达到地面；

29、冰雹最终下落末速度vt：

30、

31、其中，anu为冰雹动力拖曳系数：

32、

33、其中，tcloud为云内温度；

34、re＝10y

35、y＝-1.7095+1.33438×mm-0.11591×mm2

36、

37、

38、其中，re为雷诺数，d为冰雹直径，y和mm为计算雷诺数需要计算的中间参数，hailmass为冰雹粒子质量，g为重力加速度，ρhail和ρair分别为冰雹粒子和云内空气密度，与冰雹表面附着液态水比例fw有关：

39、ρhail＝fw×(1.0-0.9)+0.9

40、

41、其中，p为气压，rd为干空气比气体常数，rs为空气饱和比湿；当冰雹经历干增长过程时，即冰雹表面温度ts≤0℃，fw＝0；当冰雹经历湿增长过程时，即冰雹表面温度tsurface>0℃，fw＝1；最后，冰雹实际运动速度vactual：

42、vactual＝w-vt

43、其中，w为垂直上升运动速度；

44、冰雹收集云水的效率ei定义为：当冰雹表面温度tsurface≤-5℃，ei＝1.0；当冰雹表面温度tsurface>-5℃，ei＝0.21。

45、进一步地，所述步骤(5)实现过程如下：

46、基于一维冰雹云模型实时预报及集合预报结果，计算最终到达地面的逐小时的0.25度分辨率的冰雹直径预报产品；基于25个成员的集合预报结果，以减小地面降雹的不确定性，合成获得地面冰雹集合预报冰雹平均直径dmean和最大直径dmax；

47、

48、dmax＝max(di),i＝1,2,3,…25

49、利用24小时地面累计降水量raccu，对地面降雹产品做过滤，得到被地面累计降水过滤的地面降雹直径dmaxrainfilter：

50、

51、dmaxrainfilter＝0 whenraccu<1.0mm

52、dmaxrainfilter＝di i＝1,2,3,..24whenraccu≥1.0mm

53、结合24小时时段内的地面降雹结果，获得该预报时段内地面最大降雹尺寸分布实时预报直径dmax24h：

54、dmax24h＝max(di) i＝1,2,3,…24。

55、有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明可以在较粗分辨率的全球数值预报模式的预报探空廓线驱动下，对可能形成的冰雹大小进行定量预报；本发明中冰雹客观定量预报方法，介于对流尺度模式直接显式预报和利用环境参数进行推断之间，运算经济高效；本发明通过开展实时冰雹定量预报，可对冰雹直径空间分布、冰雹最大估计直径等变量做出相比以往经验型参数预测更精确的冰雹直径预估。