阜新地区冰雹预报平台的程序设计与开发

摘要 通过天气学、物理量计算等方法和数据挖掘技术对冰雹天气预报方法的研究，阜新地区降雹天气形势分类归结为高空槽型、高空涡型、西北气流型和横槽型4个类型。平台通过程序代码建立有短期、短时、临近预报模式的阜新地区冰雹预报平台，平台通过人机交互判断天气类型，利用micaps实时数值预报产品资料和观测资料数据中的5个降雹物理量因子提取出来，进行计算和因子指标判断，因子指标代入降雹判别方程，自动运算、自动判断是否有冰雹发生。通过阜新地区冰雹预报平台的建设，使预报员增强了对降雹天气的理解和预报冰雹的能力，提高了对降雹天气的预报水平和为农服务能力。

关键词 冰雹；预报平台；程序设计与开发；数据掘取；数据预报

中图分类号 P457 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）08-0215-03

冰雹是阜新地区主要灾害性天气之一，常与雷电大风、短时暴雨同时出现，对社会造成较大危害。为减轻冰雹灾害损失，提高预报准确率，特成立了对冰雹进行研究的省级科研项目小组，并开发出了阜新地区的冰雹预报平台。

1 阜新冰雹预报平台的适用时间

从冰雹发生的月际变化情况来看（图1），全区冰雹主要发生在5―9月，6月达到峰值，为33次，4月、10―11月较少，12月至次年3月无冰雹出现。根据阜新降雹的月份变化情况和当地农作物的生长月份情况，平台程序适用时间设定为5―9月。其他月份预报平台不支持。

2 降雹天气统计分型

根据对阜新地区1977―2009年产生冰雹的105个降雹日当日8：00的天气形势进行统计分析，根据500 hPa高空气压场形势，并结合对流层低层的特点，将降雹天气形势归类为4个类型：高空冷槽型、高空冷涡型、西北气流型、横槽型。其中，横槽型的次数最少，为7次，只占冰雹总次数的6.7%；高空冷涡型的次数最多，占冰雹总次数的42.9%，为45次；高空冷槽型次数为23次（表1）。

2.1 高空冷涡型

高空500、700、850 hPa均有闭合低压中心，并配合有明显的冷中心。冷涡大多从贝加尔湖经过蒙古国东部向东南方移动，当日8：00的500 hPa高空冷涡中心位于北纬43°～49°，东经116°～123°关键区内，850 hPa的当地上空为涡底槽前暖舌或涡底暖舌，少数没有暖舌，会配合有西南气流，地面北纬41°～51°，东经114°～124°范围内有冷锋或副冷锋。当500 hPa高空冷槽位于850 hPa暖脊之上时，冰雹常发生在地面锋线和高空槽附近，地面无冷锋时，冰雹常发生在地面切变线附近或冷涡的东南象限。高空冷涡产成的冰雹天气通常发生在午后到傍晚，一般出现在低涡中心的东南方向4～8个纬距。冷涡属深厚天气系统，移动缓慢，并且涡区不断有小槽活动，当大气层结不稳定时，每次小槽活动都有可能引起强对流天气发生。每当冷涡从进入到移出关键区，当地可连续2～3 d出现短时冰雹、雷雨伴有大风天气。此类型多发生在6―8月，5、9月极少[1-3]。

2.2 高空冷槽型

在500 hPa高空图上在北纬40°～55°，东经112°～121°关键区内有东北―西南走向的高空槽，配合冷温度槽，且高空冷槽移动明显，当上下锋区移速不一致时，有时会出现前倾槽。850 hPa阜新地区上空配合有槽前西南气流或槽前暖舌，有的虽然没有明显槽区，却配合有切变线。地面北纬40°～50°，东经115°～120°范围内有冷锋或北纬44°～45°，东经115°～122°范围内有静止锋或横切变。当地面有暖锋、冷锋、静止锋、横切变移入阜新地区时，引发前方暖湿空气上升，加强了层结的不稳定性。此类型多发生于8―9月，5―7月极少。

2.3 横槽型

在500 hPa高空图上，阜新北部北纬42°～48°，东经110°～130°关键区内存在一横槽，横槽北部东北气流南下输送冷空气，能促进横槽的发展。地面和850 hPa有横切变或横槽相配合配合，位置和走向与500 hPa高空基本相同。前期天气晴好，近地层明显增温，形成了上冷下暖的不稳定层结，同时当横槽南下与地面横切变经过阜新的前后会产生降雹天气。此类型多发生于5―7月，8、9月极少[4-5]。

2.4 西北气流型

当500 hPa高空系统移动快，冰雹当日8：00 500 hPa高空槽已经移出境内时，阜新上空受高压脊前西北气流控制，而850 hPa该区上空有切变线或低槽，同时配合有西南气流或暖舌，地面有切变线、冷锋或静止锋在阜新西北部。当脊前西北气流里有小股冷空气不断地滑下来，在对流层中有垂直风切变表现明显，近地面层增温明显，500 hPa高空强冷平流在低层暖湿空气上面，大气层结非常不稳定，会促使低层的暖湿空气释放不稳定能量，产生降雹天气。此类型多发生于7―8月。

3 冰雹预报平台的设计思路和功能

冰雹预报平台的设计思路：首先人机交互判断当前天气形势是否符合降雹天气的4种形势，如果不是，程序显示无冰雹。如果符合4种形势之一，程序开始提取T639数值预报产品中预报日的环境场关键区中的物理量数据。再计算物理量数据得出物理量关键因子，并代入相应形势场的冰雹预报回归方程中，判断是否有冰雹，并输出结果。阜新冰雹预报平台的功能有冰雹短期潜势预报、冰雹短时预报和冰雹临近预报，只要在3种预报中有一种判断有冰雹，就会降雹。

3.1 冰雹的短期潜势预报

平台的流程：应用T639资料检验次日8：00的500 hPa和850 hPa高空图和地面天气形势的预报上的天气形势是否符合冰雹天气类型，若符合，则程序自动选取T639数值预报产品中T850-500、K指数、θse（850-500）、U700-850、850 hPa比湿Q等5个预报因子，其中K指数、θse（850-500）、U700-850、850hPa比湿Q为有利降雹时段（12：00―18：00）的最大值，T850-500为8：00数据，将以上5个因子代入回归方程进行计算，再根据方程的临界值，判断未来24 h有无冰雹发生。

3.1.1 物理量因子。以动力学原理为基础，通过研究冰雹形成的物理原因、天气形势背景等因素对以上4种降雹类型选取了大量个例进行统计分析，根据统计分析结果，选取了以下相关好、历史拟合率高的因子作为预报指标因子[6-7]。

（1）高空冷涡型。当5个因子满足表2条件时取为1，否则为0。

（2）高空冷槽型。当5个因子满足表3条件时取为1，否则为0。

（3）横槽型。横槽型中θse（850-500）值较小，没有规律，认为此项因子对冰雹贡献不大，取其余4个因子。当4个因子满足表4条件时取为1，否则为0。

（4）西北气流型。当5个因子满足表5条件时取为1，否则为0。

3.1.2 冰雹预报判别方程。利用SPSS把5个物理量因子进行统计计算，建立4种天气类型的判别方程，将5个预报因子的值再次代入预报方程，选取历史个例概括率能达到85%以上的的Y值确定为方程的临界值Yc，当符合4种冰雹天气类型，且方程的Y值大于临界值Yc时，预报未来24 h有冰雹发生。

高空涡型判别方程为：

Y1=0.224X3+0.129X1+9.918×10-2 X4+3.79×10-2X5+1.740×10-2X2+0.517（1）

临界值Y1为0.925，历史概括率为85%。当临界值Y1≥0.925时，预报未来24 h有冰雹。此方程的历史拟合率为85%。

高空冷槽型判别方程为：

Y2=0.224X3+0.123X1+0.260X4+0.137X5+6.849×10-2X2+0.274（2）

临界值Y2c为0.862，历史概括率为95%。当临界值Y2≥0.862时，预报未来24 h有冰雹。此方程的历史拟合率为95%。

横槽型判别方程为：

Y3=0.313X3+0.313X4+0.125X5+0.188X2+0.187（3）

临界值Y3c为0.813，历史概括率为100%。当临界值Y3≥0.813时，预报未来24 h有冰雹。此方程历史拟合率为100%。

西北气流型判别方程为：

Y4=0.271X3+0.125X1+0.146X4+0.125X5+0.271X2+0.167（4）

临界值Y4c为0.959，历史概括率为93%。当Y4≥0.959时，预报未来24 h有冰雹。此方程的历史拟合率为93%。

3.1.3 检验短期预报方程。检验当日8：00 500 hPa与850 hPa图上的天气形势是否符合降雹天气形势的4种类型，若符合就对这种天气型的短期预报方程（1）～（4）进行检验，如果计算Y值大于临界值YC，则预报有冰雹，否则预报无冰雹。

3.2 短时预报方程的建立

选当日8：00 T850-500、锦州探空的零度层高度和-20度层高度的实况值以及θse（850-500）、850hPa比湿、U700-850、K指数的午后最大值，作为回归方程的7个因子，分别做（0，1）化处理，建立4个天气形势的冰雹预报判别方程，按历史概括率最高原则确定方程临界值YC，依据临界值YC判断是否有冰雹。

平台的流程：分析当日8：00的500 hPa、850 hPa和地面图上的天气类型是否符合降雹天气的4种类型，如果符合，将计算的物理量代入回归方程进行计算，根据方程的临界值YC做出当日午后有无冰雹的短时预报[8-9]。

7个因子如下（表6）：

X1：阜新上空8：00 θse（850-500），高空冷槽型6、7、8月θse（850-500）≥6，9月θse（850-500）≥3时取1；高空涡型θse（850-500）≥2时取1；西北气流型5、6月θse（850-500）≥6，7、8、9月θse（850-500）≥8时取1；横槽型θse（850-500）值较小，没有规律，此项直接取1。否则为0。

X2：阜新上空8：00 850 hPa比湿q，高空冷槽型6≤q≤13；高空涡型6≤q≤10；西北气流型6≤q≤11；横槽型6≤q≤9。否则为0。

X3：阜新上空8：00 T850-500，T850-500≥25时取1，否则为0。

X4：阜新上空8：00垂直风切变U700-850，高空冷槽型U700-850 1.7时取1；高空涡型U700-850≥2.0时取1；西北气流型U700-850≥3.0时取1；横槽型值较小，U700-850≥1.0时取1。否则为0。

X5：阜新上空8：00 K指数，当K指数≥28时取为1，否则为0。

X6：锦州上空8：00零度层高度，当2 500≤零度层高度≤4 500时取1，否则为0。

X7：锦州上空8：00 -20度层高度，当5 000≤-20度层高度≤7 500时取1，否则为0。

用SPSS求回归系数，作出如下的短时预报方程[10-12]：

Y=5.985×10-2X1+2.831×10-2X2+9.119×10-2X3+5.118×10-2X4+4.184×10-2X5+1.493×10-2X6+8.704×10-2X7+0.673（5）

临界值YC=0.917。y≥0.917时，预报当日有冰雹发生；y

3.3 冰雹的临近预报

冰雹临近预报时，通过人工查看雷达产品的CR值和VIL值来进行预报。主要利用营口雷达产品进行临近预报。

（1）冰雹发生时，CR≥55 dBZ（拟合率：87.5%），VIL≥35 kg/m2（拟合率：81.3%），ET≥8 km（拟合率：100%）。

（2）冰雹发生前30 min，CR≥45 dBZ（拟合率：87.5%），VIL≥20 kg/m2（拟合率：81.3%），ET≥8 km（拟合率：93.8%）。

（3）冰雹发生前1 h，CR≥40 dBZ（拟合率：93.8%），VIL≥25 kg/m2（拟合率：62.5%），ET≥8 km（拟合率：87.5%）。

3.4 冰雹预报检验

自2011年夏季进行业务试运行。首先应用次日8：00的T639高低空、地面、物理量因子资料通过人机交互检验未来24 h有无冰雹的短期潜势预报。然后再选用当日8：00 T639资料通过人机交互分析检验当日午后有无冰雹的短时预报。当冰雹临近预报时，则通过人工查看雷达产品的CR值和VIL值来进行预报[13-15]。

经检验，2011年8月20日预报有冰雹，实况是雷阵雨，预报错误；2011年8月21日预报有冰雹，与实况相同；2011年8月31日预报有冰雹，实况有冰雹，预报正确；预报2012年6月1日有冰雹，与实况吻合；预报2013年8月4日有冰雹，与实况一致。即报对4次，空报1次，预报准确率80%。

4 结论与讨论

阜新地区冰雹的时间分布很不均匀。月变化特征显著，主要集中在5―9月，程序设定运行月份为5―9月。

（2）平台利用500 hPa的高空形势，通过人机交互判断阜新地区降雹天气形势（高空冷槽型、高空涡型、西北气流型和横槽型），找出冰雹系统的关键区，并分别建立4种天气形势下的降雹预报方程。

（3）用计算机程序把T850-500、U700-850、θse（850-500）、850 hPa比湿、K指数5个因子提取出来并进行计算，然后将其作0、1化处理，并代入回归方程，判别是否有冰雹。

（4）平台通过程序代码建立有短期、短时、临近预报模式的阜新地区冰雹预报平台。

（5）应用此平台对5次冰雹天气过程进行预报检验，取得了准确率较高的预报效果，通过把冰雹潜势预报和短时预报模型相结合，冰雹预报准确率得到明显提高。在冰雹预报个例还是比较少的情况下，研究工作还有待深入和完善。

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