形成期风暴预测与潜势特征提取

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1、第一章绪论1．1引言第一章绪论雷雨大风、冰雹、局部强降雨等属于我国所处地理环境中最容易发生的的灾害性天气，在气象学中它们被统称为强对流天气，又称对流风暴，来源于英文的“convectivestorm”[1l。这一类对流性天气系统，具有很大的能量，若以风速估计它的动能，一个对流风暴的平均能量相当十多个在广岛爆炸的原子弹。强烈天气给人类带来很大灾难，其伴随产生的暴雨和大风都具有极强的破坏力，世界上把它列为仅次于热带气旋、地震、洪涝之后第四位具有杀伤性的灾害性天气。我国属于内陆国家，受强对流天气影响较为严重，我

2、国是世界上著名的多暴雨的国家，每年暴雨、冰雹等灾害性天气都对全国各地区造成巨额的经济损失，严重威胁人民的生命财产安全，对暴雨的分析和预报受到气象、水利等部门各方面的高度重视【21。依据Orlanski分类的气象尺度，强对流天气属于中尺度天气系统，是介于大尺度和小尺度之间的天气系统【31。中尺度天气系统研究水平空间尺度10吐103km量级、时间尺度103—105s量级的天气系统和现象。考虑到各种中尺度系统有相异的特征，在中尺度谱段中再分为三类，即中a尺度(102_103km，l～5天)中13尺度(101--

3、102km，3小时～l天)和中y尺度(100—101km，l小时)14]。各种强对流天气形成的物理过程各不相同，但它们共同具有中尺度天气系统典型的特点：1．空间尺度小，一般水平范围大约在十几公里至二三百公里，有的水平范围只有几十米至十几公里。2．生命史短暂并带有明显的突发性，约为一小时至十几小时，较短的仅有几分钟至一小时。正是由于该系统时空规模较小的原因，通过传统的分布较广的气象台站很难进行准确的短时预报，就好像用网眼很大的网很难捕捉到小鱼～样。1．2现代雷达技术在对流天气预报中的应用雷暴、暴雨(雪)、大

4、风、冰雹等严重灾害性天气大多由25--一250km的13．中尺度天气系统造成，龙卷的尺度更小。有组织的雷暴或对流等强风暴系统，能明显地显示各种尺度系统间的相互作用，与各种尺度的运动场、温度场和湿度场的发展都有关系。大尺度环境条件不但制约了对流系统的种类与演变过程，还影响对流系统内部的结构、强度、运动和组织程度【5】。做好强天气的预报需要关注强风暴系统及其大尺度背景，而天气雷达则是监测强风暴的最佳手段。第一章绪论近年来随着气象雷达在我国气象系统中的普及尤其是多普勒雷达的出现，现代气象监测条件已有很大好转，各

5、级气象台站对冰雹等强对流天气的预测也比以往更加便利、准确。但预测的手段依然主要依赖预报员凭借专业知识进行人工识别，自动化程度不高。由于预报员是通过雷达资料反演的图像通过先验知识进行分析，因此完全有可能通过图像处理技术，借助模式识别的基本方法，通过计算机实现预报的自动化。同时由于量化后图像特征更精确、客观，因此通过对它们的知识发掘使得自动预报系统的准确性超过人工是可以期待的。1．3研究现状上世纪七十年代以来，国内外开展了非常多的利用多普勒天气雷达进行暴雨、冰雹、龙卷、雷雨大风等灾害性强对流天气监测预警的技术

6、研究。这些研究主要是根据强天气的雷达反射率特征或者径向速度特征来分析产生这些天气的强对流风暴(SevereConvectiveStorm)系统的发生、发展、成熟和消亡的物理机制，建立了强风暴模型，提出了一些基于雷达反射率因子的风暴识别和追踪的方法，用于临近预报[61。1．3．1国外研究现状Rinehart和Garvey提出用相关的方法跟踪雷达回波(TREC)"】，利用最大相关系数或最小绝对误差在两个连续的反射率场中寻找矩形区域的最佳匹配，得到每个格点的位移矢量。考虑到地形遮挡、回波变化快等原因，TREC分

7、析的速度经常存在不连续，Li等人又以二维连续性方程作为强限制条件悼J，利用观测距离和计算位移构造价值函数，通过变分技术平滑速度场(COTREC)。Dixon和Wiener结合交叉相关法和质心法用于雷暴识别跟踪分析和预报(TITAN)[91。Johnson等人提出改进的基于反射率因子图像识别技术的风暴识别追踪(SCIT)算法【10】，并应用于WSR．88D的Build9．0之后的风暴系列算法中。SCIT用质心法提取七个反射率因子阈值(30，35，40，45，50，55，60dBZ)的回波参数，并将lOkm范

8、围内的多个单体合并为一个风暴单体。该算法不仅能够识别孤立的风暴体，而且能够识别多单体风暴和风暴带。风暴的移矢则根据近一个小时内的风暴位置采用最,j,--乘法拟合得到，同时提供最大反射率因子及其高度、风暴体底高和顶高、风暴体的VIL、风暴质心三维坐标等参数。SCIT在方法大范围降水区的跟踪上不如区域跟踪算法有效。Handwerker等人2001年提出用雷达体扫数据跟踪对流单体的方法第一章绪论(TRACE3D)。该方法先利用一些特