一种梅雨期短时强降水分级预警方法与流程

1.本发明涉及天气预报技术领域，具体为一种梅雨期短时强降水分级预警方法。


背景技术：

2.短时强降水是强对流天气的一种表现形式，时常会引发城市内涝、山洪、山体滑坡、泥石流等次生灾害。2021年7月发生在河南的极端强降水过程就曾出现过201.9mm/h强度的短时强降水，创造了中国有气象记录以来小时雨强的极值，造成了巨大的灾害，因此短时强降水也一直是气象部门研究与关注的重点。每年的6月至7月间，在我国长江-淮河流域常常会形成一条准静止的锋面雨带并产生持续性的强降水，即梅雨。
3.在梅雨期间，常常会产生各种强度的短时强降水，造成财产甚至生命的损失，因此也是公众及地方政府部门关切的天气现象之一。但目前现有的研究中，针对梅雨期短时强降水的判识与预报方法还很有限，并且对于公众而言，他们对强降水的预报也有了更多、更高的期待。公众不仅关心是否有强降水出现，也更关心强降水的剧烈程度；因为短时间内强降水的量级越大，它造成的灾害就往往越严重。因此，急需一种梅雨期短时强降水分级预警方法，来解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种梅雨期短时强降水分级预警方法，能对强降水的量级进行量级划分，并输出最终的短时强降水分级预警，来解决上述现有技术中存在的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种梅雨期短时强降水分级预警方法，包括如下步骤：s1、获取梅雨期不同量级短时强降水发生时的环境物理量，以及双偏振雷达特征量和中气旋产品；s2、计算并确定各个关键环境因子和双偏振雷达特征量的阈值；s3、基于各参数阈值，利用指标加权法建立预报模型；s4、利用预报方程对短时强降水做分级预警，输出识别产品。
6.优选的，在步骤s1中，短时强降水的量级分为：ll量级、lm量级和lh量级，其中，ll量级降水量为20-50mm/h，lm量降水量为50-80mm/h，lh量级降水量为80mm/h以上。
7.优选的，在步骤s2中，，关键环境因子包括平衡层高度elc、对流有效位能cape、修正深对流指数mdci、风暴强度指数ssi和抬升指数li，双偏振雷达特征量包括水平反射率因子、差分反射率因子、比差分传播相移和相关系数，中气旋产品m由双偏振雷达所识别。
8.优选的，在步骤s3中，计算各个敏感环境因子的中位值，并以中位值作为阈值。
9.优选的，在步骤s2中，基于短时强降水的量级，确定双偏振雷达特征量的阈值。
10.优选的，在步骤s3中，参数阈值还包括1小时变温阈值，具体为：通过获取选定区域内所有自动站前后两个时刻的温度，然后用后一时刻各站的温
度减去前一时刻各站的温度；将得到的数据绘制自动站前后1小时变温演变曲线；利用概率分析的方法，获得1小时变温阈值。
11.优选的，在步骤s3中，预报模型为：;其中，基于y值确定预报等级。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明中，利用再分析资料、自动站资料、双偏振雷达资料以及高精度模式输出资料等多源数据，获取梅雨期不同量级短时强降水发生时的关键环境因子，以及双偏振雷达特征量，并计算相应的阈值，从而建立预报模型，通过预报模型得到的最终预报值以及所划分的短时强降水预报等级阈值范围，对输出的短时强降水格点预报值在区域内进行量级划分，输出最终的短时强降水分级预警识别产品。
附图说明
13.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
14.在附图中：图1是本发明梅雨期短时强降水分级预警方法流程图；图2是本发明一实施例短时强降水分级预警效果对比图。
具体实施方式
15.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
16.实施例：如图1所示，一种梅雨期短时强降水分级预警方法，其中，利用再分析资料、自动站资料、双偏振雷达资料以及高精度模式输出资料等多源数据，本实施例中，利用的数据包括江苏省基本站以及自动站数据，欧洲中心2011-2020年第五代大气再分析资料（era5），江苏省业务天气雷达数据以及高精度模式（pwrfs）输出资料；其中，基本站数据为逐小时降水资料，经过质量控制；自动站数据来自国家级自动站上传的bufr报文，程序解析分钟级文件，并提取文件里的温度、气压等数据录入数据库进行查询、统计及计算；era5数据为空间分辨率为0.25
°
ｘ0.25
°
的逐小时数据；pwrfs数据为空间分辨率为1kmｘ1km的逐小时高精度模式输出。
17.包括如下步骤：s1、获取梅雨期不同量级短时强降水发生时的环境物理量，以及双偏振雷达特征量和中气旋产品；其中，双偏振雷达特征量是采用采用江苏省7部升级改造过的cinrad/sa双偏振业务天气雷达。这7部雷达分别布设在南京、南通、盐城、徐州、连云港、常州以及泰州。雷达探测扫描模式采用vcp-21，平均每6 分钟进行一次体扫，每个体扫包含9 层数据，仰角分别为0.5
°
、1. 5
°
、2.4
°
、3.4
°
、4.3
°
、6.0
°
、9.9
°
、14.6
°
、19.5
°
，回波强度最大探测距离460 km，分辨率为1
°×ꢀ
250 m。通过双偏振雷达获取0.5度仰角上、、和等偏振参量以及
双偏振雷达所识别的中气旋产品；水平反射率因子的计算公式为：；dh为雷达探测的粒子在水平方向的尺寸，n(d)为降水粒子的滴谱分布。
18.差分反射率因子 (db) 的计算公式为：；为水平偏振反射率因子，为垂直偏振反射率因子。
19.比差分传播相移（deg/km）的计算公式为：；rm与 rn分别是降水区中两个相邻距离库的中心距离雷达中心的距离； (rn) 与是分别从这两个相邻的距离库上获得的双程差分传播相位的变化值。
20.为相关系数，表示相隔时段t先后接收到的后向散射回波中的水平偏振分量与垂直偏振分量之间的相关程度。它是一个复数，通常用它的模表示。当t=0时，称为零时滞相关系数，它的计算公式为：；零时滞相关系数反映了水平偏振波与垂直偏振波同时打到同一气象粒子时产生的后向散射进行同时取样后，在一个脉冲重复周期t 的时间间隔内它们之间的相关程度。
21.中气旋（m）由偏振雷达中的中气旋产品获得，满足以下几个主要条件：（1）涡旋的垂直伸展至少3km，涡旋底部的高度不超过5km；（2）距离雷达站不同距离的旋转速度满足二维特征强度阈值；（3）涡旋必须在连续两个体扫中被探测到，则判定产生中气旋。
22.将短时强降水分为20-50mm/h(ll量级)，50-80mm/h（lm量级）以及80mm/h以上（lh量级）三个量级，采用欧洲中心0.25
°
ｘ0.25
°
的逐小时大气再分析资料计算与不同量级短时强降水事件发生密切相关的16个环境物理量（大气可降水量、k指数、沙氏指数、条件对流稳定度指数、零度层高度、整层比湿、抬升凝结高度、平衡层高度、cin、cape、修正深对流指数、风暴强度指数、抬升指数、风暴相对螺旋度、粗理查逊数、垂直风切变）。
23.s2、计算并确定各个关键环境因子和双偏振雷达特征量的阈值；对于各个关键环境因子阈值的确定本实施例中，选取强降水事件发生前最临近时刻的数据，利用箱型图差异指数评估s1中计算得到的16个物理量对于区分不同量级短时强降水的相关程度，具体差异指数的计算方法如下：将16组物理量的各组数据从大到小排列，分别计算上边缘，上四分位数，中位数，
下四分位数，下边缘，以及异常值；以中位数作为关键物理量的阈值标准。
24.中位数的具体计算方法为：将一组数据平均分成两份，取中间这个数。
25.如果原始序列长度n是奇数，那么中位数所在位置是(n 1)/2；如果原始序列长度n是偶数，那么中位数所在位置是n/2，n/2 1，中位数的值等于这两个位置的数的算数平均数；通过上述方法判识出能够有效区分上述不同量级的关键物理量，由此得到如下5个关键因子：平衡层高度（elc），对流有效位能（cape），修正深对流指数（mdci），风暴强度指数（ssi）和抬升指数（li）。计算5个关键因子的中位值，即不同强度短时强降水环境物理量阈值，如下表所示：其中，当elc和li低于该阈值，其他3个因子高于该阈值时，则满足不同强度强降水发生的基本环境条件。
26.获得的不同强度短时强降水对应的雷达偏振参量的阈值如下表所示：本实施例中，参数还包括1小时变温阈值：1小时变温可以代表地面冷池的强度，对于短时强降水的移动有较好的指示意义；因此能利用1小时变温进一步判识短时强降水的移动；1小时变温的计算方法如下：通过获取选定区域内所有自动站前后两个时刻的温度，然后用后一时刻各站的温度减去前一时刻各站的温度：，其中，表示1小时变温，代表第i个
站点的温度，t代表当前时刻；将得到的数据绘制自动站前后1小时变温演变曲线；利用概率分析的方法，获得1小时变温阈值；本实施例中，以50mm/h强度短时强降水发生前上游区域的1小时变温为例，当，则在预报模型中赋予该强度及以上强度短时强降水一定的值；s3、基于各参数阈值，利用指标加权法建立预报模型；；s4、利用预报方程对短时强降水做分级预警，输出识别产品。
27.其中，基于上述短时强降水的量级，将预报分成四种情况，预报等级为0，无短时强降水发生；预报等级为1，有20-50mm/h强度的短时强降水发生；预报等级为2，有50-80mm/h强度的短时强降水发生；预报等级为3，有80mm/h强度以上的短时强降水发生；根据上述预报方程中的预报值确定不同短时强降水的发生等级；具体的预报值以及对应的预报等级如下：当y《5，shr=0；当5≤y《9，shr=1；当9≤y《16，shr=2；当16 ≤y，shr=3；其中，有中气旋时，m=1；无中气旋，m=0；1小时变温小于-4℃，=1；否则，=0。
28.参考图2所示，在一具体实施例中，根据0-2小时雷达回波外推产品确定未来2小时的预报区域，调取预报区域内预报模型中各参数的观测数据，并根据上述操作所建立的预报方程计算最终的预报值，输出为1kmｘ1km的格点值；经与实际降水过程对比检验，短时强降水分级预警产品能够较好反映不同量级短时强降水的落区。
29.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。