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[分析探讨] 基于统计学模型的龙卷风速估计

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发表于 2019-12-23 23:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 jat4 于 2019-12-23 23:17 编辑

一直以来,龙卷风的强度都是由事后的灾情调查来估计的。经过多年的数据总结,气象学家把被龙卷毁坏的结构分成了28类,称为毁坏指标(DI, Damage Indicator),包括了不同类型的房屋和树。每种毁坏指标则又按照破坏程度分成几档(DOD,Degree of Damage),每一档又对应了可以做出此强度的破坏的风速的上限和下限。按照这套对应表,气象学家就可以通过灾情调查来获得较为准确的龙卷风速。但是,这样的定强方式无法在龙卷发生时估算出它的风速,也就使得气象局无法做出精准的龙卷预警。近年来,随着天气雷达这一遥测的重要工具的发展,实时估算龙卷的强度不再是遥不可及的目标。天气雷达所测得的多普勒速度在一定程度上便可以反映龙卷的风速,但由于雷达扫描方式的限制以及采样密度的不同,只依靠入流和出流速度之差再除以二计算出的旋转速度来定强是不可靠的。在2018年,美国的风暴预测中心发表了根据单纯的统计学模型来估算龙卷风速的论文,本文是对这篇文章的一些归纳,以便他人查阅。


在这篇文章中,龙卷风速用多元线性回归来计算,即变量乘上其对应权重之和再加上截距。第一个变量是旋转速度(Vrot),单位为节。第二个变量是环流相对于雷达的高度(arl),单位为英尺。第三个变量是龙卷碎屑标志(TDS,tornado debris signature),是龙卷碎屑球在雷达上的标志。该项只有0和1两个值,如果雷达的协相关系数(CC)图上有该标志则记为1,没有则记为0。第四个变量是强龙卷指数(STP,significant tornado parameter),这是由模式资料或者探空数据计算出的一个指数,可以反映强龙卷发生的概率。回归的结果为:

1.png
所以可以得到公式:拟合风速(mph)=5.96*10**-4*arl+0.588*vrot+1.50*stp+12.2*tds+60.7。

论文同时也对照了拟合结果和实地调查结果。该模型会比较明显地低估强龙卷(EF2+)的风速。这可能与强龙卷样本量较少有关。

2.png

来看一个论文中给出的例子。这帧雷达扫描显示出了比较明显的龙卷特征,92.8节的旋转速度以及明显的龙卷碎屑标志(左下图)。同时论文给出了当时的STP以及扫描高度,由此便可计算出约125mph的风速估计值。而实地调查给出了135mph的风速,都属于EF2级别。由此可见该算法的准确度是不错的。

3.png

近两年来,风暴预测中心也逐渐在他们发布的中尺度讨论中涵盖对龙卷的风速估计,不出意外这些估计值就是由这个模型产出。以下是一篇中尺度讨论的节选,其中对强度的估计基本涵盖了该统计学模型需要的变量。预报员给出了120-155mph的风速估算,而实地调查也证实了这是一个强烈的EF3龙卷。这只是众多成功案例中的一个,而同时也有不少估算不准确的例子。随着历史资料的积累和探测技术的进步,相信在未来我们会有更准确,更快速的手段来估计龙卷的风速,从而减少龙卷带来的人员伤亡。


DISCUSSION...An intense supercell will continue to move through a favorable environment over southeast Mississippi,characterized by 0-1 km SRH around 300 m2/s2 and MLCAPE near 1200 J/kg perrecent mesoanalysis. Recent radar signatures from KDGX as of 0017 UTC reveal an intense supercell characterized by a 0.3 degree rotational velocity between 55 and 60 kt. A tornadic debris signature has also been noted on recent radar scans. These signatures are occurring in an environment characterized by STP between 3 and 4. Previous signatures within similar environments produced tornado-damage-estimated wind speeds from 120 to 155 mph and confidence is high for likely strong to potentially intense tornado.

参考文献:
Cohen, A., Cohen, J., Thompson, R. andSmith, B. (2018). Simulating Tornado Probability and Tornado Wind Speed Basedon Statistical Models. Weather and Forecasting, 33(4), pp.1099-1108.
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 楼主| 发表于 2019-12-23 23:14 | 显示全部楼层
本帖最后由 jat4 于 2019-12-23 23:15 编辑

在看到这篇论文之后,我自己做了一个excel表格来计算风速,在今年很多龙卷的案例中也得到了很准确的结果。当我再读这篇文章的时候,我发现我忘记把旋转速度除以二了,修正了输入数据之后,我惊讶的发现原来(错误)的估算结果在强龙卷案例中更加准确。例如今年9月底的Elk Mound龙卷,我之前计算得出的结果是147mph,输入正确的旋转速度之后得出的结果是115mph,而气象局经过调查给出的结果是150mph,比较奇妙。
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