西北地区东部雷暴特征及24h预报研究

摘要

雷暴等强对流天气是西北地区东部主要气象灾害之一。雷暴对航空运输、电力设施、通讯设备与建筑物等均可造成不同程度的破坏，严重时甚至造成人员伤亡。西北地区东部地貌地形复杂多样，雷暴预报难度较大。因此，开展西北地区东部雷暴预报具有重要的科学意义与实用价值。本文基于西北地区东部60个气象站1980—2013年常规观测资料和2008—2013年NCEP/NCAR1??1?再分析资料，利用气候统计方法对西北地区东部雷暴时空分布特征进行分析，并划分了雷暴亚区；定义西北地区东部区域雷暴日概念，分析了区域雷暴日发生的天气形势，归纳出区域雷暴日的主要天气型；设计了各天气型自动识别及强度指标计算方法，实现了天气型自动分型；应用物理量诊断分析消去空样本，结合天气分型与诊断分析建立了西北地区东部区域雷暴24 h预报流程；应用线性逐步回归、Logistic回归与BP神经网络3种方法建立了西北地区东部单站雷暴24 h预报模型，检验并对比了各模型的预报效果，选择各站最优的预报模型。
　　主要结论如下：
　　（1）西北地区东部60个测站平均年雷暴日数为15.6 d，区域年雷暴日数为70.7 d。雷暴空间分布特征为：甘南高原最多、秦岭以南和陕西北部次之；黄土高原又次之；戈壁荒漠与关中平原较少。按照下垫面特性的不同，雷暴可划分为戈壁沙漠区、黄土高原区、高原高山区、关中平原区和秦岭以南区等5个亚区。雷暴年际变化特征为：1980年代中期与2000年代前期为雷暴多发期；1980年代末期到1990年代初期与2004年之后为少发期。雷暴季节特征为：夏季最多（峰值出现在7月），站平均年雷暴日数与区域年雷暴日数分别占全年总数的67.3％和66.4%，春秋次之，冬季很少发生。雷暴日变化特征为：14:00至02:00雷暴最多，且下午雷暴多于前半夜雷暴，02:00至14:00雷暴较少。
　　（2）西北地区东部雷暴的主要天气型可划分为4种：低涡型、低槽型、西北气流型和西南气流型。西北气流型和低槽型出现最多，西南气流型次之，低涡型出现最少。低涡型、低槽型和西北气流型大气温度配置为高层干冷低层暖湿型；西南气流型为整层增暖型。对4种天气型相应的定量判据进行归纳总结，利用这些判据对2008—2012年4—10月的雷暴天气型进行自动判别，共得到入型样本1030 d。自动分型临界成功指数CSI为33.6%，空报率FAR为66.3%。
　　（3）对上一步得到的1030 d入型样本，进一步进行物理量诊断分析，回代检验结果表明：共消去433 d空样本，CSI上升为54.1%，FAR下降为45.5%。将天气型自动分型结合物理量诊断分析进行2013年4—10月雷暴试预报，结果表明：共预报雷暴日129 d，消空85 d，CSI为51.8%，FAR为44.2%。该结果与回代预报结果接近，说明天气分型结合物理量诊断分析的方法是稳定可用的。
　　（4）对比线性逐步回归模型、Logistic回归模型与BP神经网络模型的平均预报效果得出：Logistic回归模型最为稳定，预报效果最好，线性逐步回归模型次之，BP神经网络模型较不稳定，预报效果一般。雷暴发生较多的站点，Logistic回归模型与线性逐步回归模型预报效果较好；雷暴发生较少的站点，BP神经网络模型预报效果较好。各模型平均CSI均最高的雷暴亚区为气候概率最高的高原高山区；气候概率最低的关中平原区各模型平均CSI均最低。集合各站最优试预报结果，站平均最优CSI达26.6%，FAR为49.6%。预报效果较为理想。
　　综上所述，本文将天气分型与物理量诊断分析相结合，建立西北地区东部区域雷暴24 h预报流程，并采用线性逐步回归、Logistic回归和BP神经网络方法建立西北地区东部单站雷暴24 h预报模型，可为该区域雷暴的预报预警提供参考依据。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 资料来源及研究方法

2.1 研究区域

2.2 资料来源

2.3 研究方法

第三章 西北地区东部雷暴时空分布特征

3.1 雷暴空间分布特征

3.2 雷暴区划及气候概率

3.3 雷暴时间变化特征

3.4 本章小结

第四章 西北地区东部雷暴天气分型及自动识别

4.1 雷暴天气分型

4.2 天气型自动识别及强度指标计算方法

4.3 天气型自动分型流程及分型结果

4.4 本章小结

第五章 西北地区东部区域雷暴24 h预报

5.1 诊断分析物理量的选取

5.2 基于相关诊断物理量进一步消空

5.3 区域雷暴日试预报

5.4 本章小结

第六章 西北地区东部单站雷暴24 h预报

6.1 单站雷暴24 h预报模型的建立

6.2 单站雷暴24 h预报模型的检验

6.3 单站雷暴24 h预报模型的对比

6.4 本章小结

第七章 总结与讨论

7.1 全文总结

7.2 特色与创新点

7.3 问题与讨论

参考文献

在学期间的研究成果

致谢