辐射大雾预报方法的研究

航空发表于 2010-8-15 09:38:38

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航空发表于 2010-8-15 09:38:59

1 辐射大雾预报方法的研究 管翔 （太原空管中心气象台山西太原工程师030031） 提要：本文详细介绍了逐步消空、极值剔除等预报方法在辐射大雾预报中的应用过程。文章另外给出了一 个预报实例。 关键词：辐射大雾指标集合逐步消空法极值剔除法多指标叠套法 一、辐射大雾分析研究的原因、预报现状和需要努力的方向 1、研究的原因 大雾是近地面层存在大量水滴、冰晶，使得能见度降到1 公里以下的天气现象，是TAF 中一项重要预 报内容。统计显示，辐射大雾在大雾中占有很高的比例。开展辐射大雾天气的研究，对提高辐射大雾天气 的预报准确率，促进航空气象保障水平、提高飞行安全有着重要意义。 2、预报现状 （1）预报员利用天气学原理结合地方特点，主观判断辐射大雾是否产生。 （2）辐射大雾的预报没有定量化的指标，操作随意性大，预报结果因人因时而异，预报质量不稳定， 波动较大，缺乏一种客观定量化的预报方法。 3、努力方向 （1）新的辐射大雾预报方法应该便于预报人员操作，符合民航气象服务特点的； （2）新的辐射大雾预报方法采用的资料应是标准化的、并且容易得到的常规气象资料及其扩展； （3）新的辐射大雾预报方法应该向客观化、定量化的方向发展； （4）新的辐射大雾预报方法应该能够明显提高预报准确率、降低空报率、尽可能减少漏报。 二、一种建立在统计基础上的客观预报方法：逐步消空法，及其和极值剔 除法、多指标叠套法的关系。 1、逐步消空法的介绍 对于一份天气预报的质量的好坏，我们可以采用临界成功指数CSI、探测概率POD 和虚假报警率FAR 来描述： CSI=(大雾报对次数) /（大雾报对次数+大雾空报次数+大雾漏报次数） POD=(大雾报对次数) /（大雾报对次数+大雾漏报次数） FAR=(大雾空报次数) /（大雾报对次数+大雾空报次数） 提高大雾预报准确率，就是使CSI 的数值加大，也就是减少大雾空报次数、大雾漏报次数；寻找大雾 预报指标，就是寻找减少大雾空报次数、大雾漏报次数，使得CSI 变大的条件。所谓逐步消空法，就是使 得大雾漏报次数为0，大雾空报次数逐步减小的方法，用POD 和FAR 表示为： POD=100% (1) 100%>(FAR)j=mj >0 (2) 2 [(FAR)j-1 — ( FAR)j]> mj% >0 (3) (1)~（3）式构成了“逐步消空法”的数学表达。其中（1）式表示“勿漏”，（2）~（3）共同表示“消 空”。 2、寻找预报指标集的几个问题 把一些事物汇集到一起组成一个整体就叫做集合。照此，辐射大雾预报使用的全体预报指标可叫做辐 射大雾预报指标集。逐步消空法就是寻找辐射大雾预报指标的一种方法。 2．1 寻找指标的步骤 首先，列出多年（至少10 年）所有辐射大雾日，然后根据资料寻找出大雾出现前它们共有的特征， 这个特征，我们就可以作为备选的指标。选出几个特征，就选出了几个指标。这里所说的资料，可以包括 任何类型的气象资料，如常规资料，雷达云图产品、数值产品等。 2．2 从何处入手选择执预报指标 选择预报指标，也就是选择反映本质的特征。多年以来，大家对有利于辐射大雾产生的环境和条件进 行了很多研究和归纳，比如： (1) 地面处于弱高压中心或弱高压脊附近，高空偏西气流； (2) 降水和潮湿的地面增湿导致近地气层中水汽含量充沛； (3) 晴夜微风有利于加大地表冷却程度，形成适度的垂直混合作用。 (4) 逆温层可以保持水汽和凝结核等。 可以反映上述气象条件的一个或几个气象要素（如3 小时气压变化、高空风向、地面风速、相对湿度、 温度日较差、温度垂直方向直减率、k 指数等）的临界值，都有可能（不一定是）被选作一个预报指标。 不言而喻，对于每个预报辐射大雾的参数，都能找出临界值，至于该临界值有没有充当预报指标的资 格，需要进一步论证。 2．3 确认每个指标的入选资格 在辐射大雾预报过程中，虽然大家总结出许多预报指标，但是其中某些指标代表的意义相同或者相似。 因此，在将它们选入指标集前，需要进行确认。也就是审查它们是否有资格作为预报指标。确认的具体步 骤是： 在把Xj 作为预报指标前，必须分别计算出指标集（X1，X2，X3，… …，Xj-1）的虚假报警率（FAR） j-1 和加入Xj 后指标集（X1，X2，X3，……，Xj）的虚假报警率（FAR）j，假如有[（FAR）j-1 —（FAR） j ] > mj% >0，也就是增加预报指标Xj 对减少虚假报警率有作用时，才能确认Xj 可以作为预报指标。 2．4 选取哪个指标作为指标集的第一个指标 可以想象，每个指标的临界值跨度越大，起其对应的虚假报警率FAR 也越大，反之亦然。根据经验， 当按照大尺度环流形势进行分型，然后再对有关参数进行统计，有利于指标临界值的跨度缩小。 根据以上原则，对于辐射大雾，我们可以清楚的知道，应该把反映环流特点的高空风向作为指标集的 第一个指标。 2．5 指标集中指标的顺序 一旦选定指标集后，即选定X1，X2，X3，… …，Xj 后，预报结论和指标集中各元素（即预报指标） 的次序无关。 2．1~2．5 向大家展示了“逐步消空”的具体方法。 3、逐步消空法的特点 （1）避免了“边用边丢弃”的怪圈。随着时间的推移，理论研究新成果层出不穷，预报经验越积越 多，这样必然会产生一些新的预报指标。如何处理新旧之间的关系？我们不主张全部推倒旧的，而在判明 新指标确实优于旧指标时，再用新的取代旧的。检验新旧指标哪个好用，只要把它们运用到“逐步消空” 法中去，看哪个FAR 值更低，取舍结果便一目了然。 （2）变小概率事件为大概率事件。辐射大雾属于发生次数较少的小概率事件，提高大雾天气下的服 3 务质量，提高大雾预报准确率是关键的一环。如何提高？将小概率事件转化为大概率事件是行之有效的途 径，而逐步消空法正是逐步将小概率事件变为大概率事件的具体办法。 4、与“极值剔除法”、“多指标叠套法”的关系 4．1 和“极值剔除法”的关系 在2．2 中我们指出：“对于每个预报辐射大雾的参数，都能找出临界值”。其实找出临界值也有一定 的技巧，我们称之为“极值剔除法”。 对于大雾样本中任意一个指标Xn 都有以下三种极值（临界值）形式： （Xn）max ≥ Xn ≥ （Xn）min （4） Xn ≤ （Xn）max （5） Xn ≥ （Xn）min （6） 为什么要分为这三种形式？主要是由于其各自反映的天气意义不同。（4）式含有“预报指标Xn 取值 在合适的区间，不能过大或过小，才有利于大雾产生”的意思；（5）式含有“预报指标Xn 取值不能过高， 才有利于大雾产生”的意思；（6）式含有“预报指标Xn 取值不能太低，才有利于大雾产生”的意思。 如何在（4）~（6）式间取舍？我们可以把指标放入非辐射大雾样本中，分别利用（4）~（6）式来看 看各自可以排除多少非大雾天气。排除的越多的，说明预报指标取这种形式越有利于剔除非大雾天气，那 么预报指标就取这种形式，这也是“极值剔除法”名字的由来。 作为一个辅助部分，“极值剔除法”给出了单个指标具体的“临界值”形式，从而为“逐步消空法” 的顺利进行打下了基础。 4．2 和“多指标叠套法”的关系 所谓多指标叠套法，是指辐射大雾预报指标集中每一个临界值都达到要求时，则预报未来有辐射大雾 产生；否则预报没有辐射大雾产生（图一）。辐射大雾预报指标集从哪里来？可利用“逐步消空法”找出。 图1 将辐射大雾预报指标集合X1,X2,…,Xn 用于辐射大雾预报的流程图 yes yes yes yes yes 有关资料 符合X1 否？ 亦即入型否？ 符合X2 否？ 符合Xn-1 否？ 符合Xn 否？ 有辐射大雾 无 辐 射 大 雾 NO NO NO NO 4 5、总结 图2 展示了利用逐步消空法建立辐射大雾预报指标集，进而应用指标集进行辐射大雾预报的流程： 图2 辐射大雾预报指标建立和预报流程图 最后为避免空对空的感觉，下面我们针对太原机场10 月份辐射大雾的预报，利用上面讲到的方法进 行实际分析操作，最后得出太原机场10 月份辐射大雾的预报指标集。 三、实例 为预报10 月份本场北京时间06-14 点是否出现大雾，我们需要建立相关的预报指标集合，我们选择 1986-1995 年有关气象资料作为统计样本，具体步骤如下： 1、收集待选辐射大雾预报指标集合 需要注意：以下指标只有概念，而没有具体的判据。时间采用北京时间。 1)地面气压指标： （1）当日05 时本场气压：P21 （2）前一日20 时本场气压：P12 （3）最近气压变化程度：P21P12 2)地面温度、水汽饱和程度指标： （1）当日05 时温度：T21 待选指标 确定指标 临界值 待选指标 极值剔除法 确定指标 是否入选 逐步消空法 辐射大雾 预报指标集 实际预报 多指标叠套法 大雾出现？ Yes or No 5 （2）前一日20 时温度：T12 （3）当日05 时相对湿度：RH21 （4）前一日20 时相对湿度：RH12 （5）湿度饱和程度变化：RH21RH12 （6）地面辐射程度：T21T17 3)地面风速指标： （1）当日05 时风速：WS21 （2）前一日20 时风速：WS12 4)高空指标： （1）前一日20 时850-500hpa 的温度、温度露点差、高空风速：T850、TD850、WS850… 等 （2）前一日20 时850hpa24 小时变温：T850T850 （3）前一日20 时500hpa 风向：WS500 （4）前一日20 时K 指数：K （5）前一日20 时低层温度层结：T850TG 等等。 2、统计样本我们选取1986-1995 年共10 年的有关地面高空资料 首先选出1986-1995 年中06-22 点出现辐射大雾的样本，共15 个。（图3） （图3） 3、确定在这15 个辐射大雾天气样本下每个待选辐射大雾预报指标的临界值 也就是最大最小取值，从而得到各个指标的取值范围（图4） 6 （图4） 4、利用“极值剔除法”确定指标的形式 在非大雾天气样本中检验每个指标分别取（4）-（6）式时各自剔除非辐射大雾天气的能力。（图5） “大于最大值的非大雾天数”对应指标取（5）式“Xn ≤ （Xn）max”时剔除非大雾的天数； “小于最小值的非大雾天数”对应指标取（6）式“Xn ≥ （Xn）min”时剔除非大雾的天数； 以上两者的和对应指标取（4）式“（Xn）max ≥ Xn ≥ （Xn）min ”时剔除非大雾的天数； （图5） 5 、按照剔除能力的大小，根据剔除结果确定指标形式 7 目前为止，我们得到了待选指标的形式和内容（图6）。至于能不能入选指标集合，还需进一步判断。 （图6） 6、应用逐步消空法确定各指标 把待选指标依次作为预报指标（500hpa 风向作为第一个指标），在统计样本中进行预报，根据预报结 果得出各个指标依次加入后的虚假报警率FAR（图7）。 （图7） 7、应用“逐步消空法”筛选指标，建立预报指标集合 8 把步骤6 得到的各个指标依次加入后的FAR 值，按照(3) 式“[(FAR)j-1 — ( FAR)j]> mj% >0”进行判 断。满足(3) 式的指标留下，否则剔除出预报指标集合, 最后得到10 月份辐射大雾预报指标集合。（表一） 10 月份辐射大雾预报指标集合 序号指标指标内容 1 WD500 WD500<=325 andWD500>=245 2 T12 T12<=15 and T12>=4.6 3 RH12 RH12>=70 4 P21P12 P21P12<=1.80000000000007 5 T21 T21<=8.7 and T21>=-2 6 RH21 RH21>=95 7 RH21RH12 RH21RH12<=25 and RH21RH12>=-2 8 T850 T850<=160 and T850>=24 9 T850T850 T850T850<=58 and T850T850>=-90 10 TTD850 TTD850<=120 11 WS850 WS850<=11 andWS850>=2 12 P700 P700<=3152 and P700>=3075 13 TTD700 TTD700<=210 and TTD700>=15 14 WS700 WS700<=15 and WS700>=3 15 P500 P500<=5790 and P500>=5670 16 K K<=317 and K>=41 17 T850TG T850TG<=3.4 and T850TG>=-4.3 （表一） 四、预报效果 2005 年1-10 月期间，太原空管气象台预报室使用科技立项的成果之一：逐月辐射大雾预报指标集， 对本场辐射大雾进行了实验预报，结果如下： 2005 年1-10 月期间22-06 点（世界时间）本场共出现15 次辐射大雾天气（22-06 点纪要栏只要出现1 次FG，并且是由于地面辐射冷却引起的，即算作1 次辐射大雾天气），应用逐月预报指标集合共预报正确 13 次大雾天气，空报5 次大雾天气，漏报2 次大雾天气（具体预报指标见附页，预报结果数据见用户报告）。 从以上数据可以得出以下预报优劣指标： 临界成功指数CSI=(13) /（13+5+2）=0.65 探测概率POD=(13) /（13+2）=0.86 虚假报警率FAR=(5) /（13+5）=0.27 指标显示应用“太原机场逐月辐射大雾预报指标集合”可以明显提高辐射大雾的预报准确率，空报和 漏报率也达到了较为满意的程度，考虑到统计样本的增加和不断有新的有效预报指标的加入，今后会有更 令人满意的预报结果。 五、总结 1、预报对象要细分，比如大雾有辐射、平流等，雷暴有冷涡、冷锋、热雷暴、台风倒槽等类型，由于每 种类型天气的天气背景，产生原因不同，必然决定了每重类型背后都各自对应一套专有的预报指标集合。 2、随着时间的推移，新的理论研究成果层出不穷，必然推出新的预报因子。怎样处理新旧预报指标之间 9 的关系？我们不主张推倒重来。应该在判明新指标确实优于旧指标时，再用新指标取代。而“逐步消空法” 是检验的好办法。 3、由于一些指标在不同时间有较大的差异，具体预报时应该针对指标数值相对稳定的各个时期制定不同 的预报指标集合，比如以旬、月、季度等时间跨度来划分。 4、每个指标对于预报都有一定的作用。但是如果单独考虑，很多都是小概率事件。利用“逐步消空法” 建立预报指标集合，可以逐步将预报由“小概率事件”变为“大概率事件”。 5、“极值剔除法”和“逐步消空法”是建立在统计学基础上的，因此统计样本的多少非常重要。样本越多， 建立的预报指标集合预报效果越好。 6、“极值剔除法”和“逐步消空法”并非有什么特别之处，而是它在日常业务中能够发挥一定的作用。在 其他气象预报领域，比如雷雨、大风、降水等的预报中，以上方法也可以大展身手。 参考文献 1 孔燕燕寻找降雹预报指标集的一种方法气象2000.10期 2 王绍龙强对流天气统计预报的一种指标选取方法 The Research Of Heavy Radiation Fog Forcast Method Guan Xiang (Taiyuan Air Traffic Management Center,Taiyuan Shanxi 030031,China) Abstract : A detail method was introduced in building the Heavy Radiation Fog Forcast Indicator Set with “Limit Value Rejecting Method” 、“Stepwise Decreasing FAR Method” and “Multi-indicator superposition method”.also we give an example about it. Key words: Heavy Radiation Fog；Forcast Indicator Set；Limit Value Rejecting Method； Stepwise Decreasing FAR Method; Multi-indicator superposition method

desperado 发表于 2010-9-9 15:08:42

桂林民航气象预报的现状

天上星 发表于 2010-10-12 18:44:15

学习学习:P

guanshyy 发表于 2011-3-29 15:24:57

kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk

erick239441 发表于 2012-2-28 21:08:58

cool, great to share...

lht520yy 发表于 2012-4-8 15:05:36

看看先咯咯噢咯

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