数值诊断（共3篇）
数值诊断 篇1
强对流天气具有发生突然、天气剧烈和破坏力强的特点, 常伴随雷雨大风、冰雹、龙卷和局部强降雨等灾害性天气, 是有重大杀伤力的灾害性天气之一, 常造成国民经济和人民生命财产的重大损失, 因此强对流天气成为各级气象部门预报的重点和难点。近年来, 许多气象学家利用常规气象资料、多普勒雷达资料以及卫星云图对强对流天气激发机制和其特征做出了很多的研究。寿少文等[1]指出造成大范围的强对流性天气过程的基本条件, 是有一个大范围的强度较大的不稳定区和有多种强抬升力作为触发机制。丁一汇等[2]指出飑线发生在强烈的位势不稳定层结中, 在飑线发生前, 低层是明显的湿层, 其上为干层, 中间一段由逆温或等温层隔开。刘勇[3]指出强风暴发生在高空急流入口区右侧辐散和低空急流左前侧辐合重叠区, 与地面中尺度气旋活动紧密相关。
随着计算机技术的不断发展, 数值模拟试验成为研究飑线的一种非常重要的手段。研究者们[4,5,6]结合WRF数值模拟和诊断分析, 揭示强对流过程发生时, 形成冰雹、暴雨、大风等天气的原因。研究表明, WRF对强对流天气的数值模拟是可靠的。
该文利用常规资料、气象卫星、多普勒天气雷达、NCEP/NCAR再分析资料, 并采用中尺度WRF模式对2013年8月10日凌晨发生在青岛近海的一次飑线过程进行数值模拟, 诊断分析飑线形成的原因, 揭示其中尺度系统发生发展的物理机制, 将为预防近海对流性天气的突然袭击, 为海上交通运输、渔业生产、石油平台等防御突发性强对流大风天气提供科学依据, 以减少人民群众生命和财产损失。
1 过程及环流背景概述
2013年8月10日4:00—5:00, 锚泊在青岛附近朝连岛西南12 22.224 km (120°42′E, 35°36′N) 的一条渔船发生翻扣, 造成2人死亡, 9人失踪的重大事故。调查事故地点附近的海上气象浮标资料, 发现瞬时风速超过24 m/s的记录。结合同时段自动气象站风速观测资料, 都出现极端大风的时空分布特征, 该海区受强对流系统影响的可能性非常大, 不排除事故海区瞬时极大风速超过10级的可能。
此次飑线过程发生的大尺度环流背景是2013年8月8日20:00至10日8:00, 欧亚地区500 h Pa中高纬度地区的西风环流较平直, 其中在我国东北地区的 (120°E, 50°N) 处存在一个东北冷涡, 其下部的低槽随时间缓慢东移, 槽后的西北气流引导冷空气东移, 在9日20:00该槽移至山东半岛上空;在中低纬度地区, 西北太平洋副热带高压脊线维持在30°N附近, 其边缘的588dagpm等高线维持在山东半岛南侧;在700 h Pa和850 h Pa存在副高边缘的西南风水汽输送, 将南海北部的水汽输送至黄淮地区。从事故发生时段10日5:00地面天气图来看, 与事故发生前后2个时刻2:00、8:00相比, 地面天气形势明显特征是, 中尺度天气系统影响事故海区海平面气压增强, 说明有雷暴高压存在。
2 高空急流及涡度平流诊断分析
在200 h Pa上, 2013年8月6日20:00, 位于90°E附近存在一低槽, 槽后存在冷平流, 使低槽加深并缓慢东移。如图1所示, 至8月8日14:00, 此低槽北端位于 (110°E, 45°N) , 南端位于 (100°E, 32°N) , 后部冷平流强度-50×10-5/K, 此后槽后一直存在冷平流区, 低槽逐渐东移, 至8月10日2:00, 低槽北段位于120°E附近, 后部冷平流强度达-70×10-5/K。在此期间, 槽前形成了等高线较为密集的区域, 有利于产生高空急流。
8月8日20:00, 低槽东移至110°E附近, 槽前高空急流最大值高达55 m/s, 位于 (125°E, 45°N) 附近, 约为东西走向, 入口区右侧位于山西至河北北部上空, 至9日8:00其入口区右侧逐渐下摆至河南北部一带, 至9日14:00形成2个核心, 其中北侧急流核呈长条状, 从辽宁北部一直到黑龙江东北部一带;南侧急流核在吉林东南部地区, 均为45m/s, 其中急流轴入口区右侧东移至河南东北部, 至20:00缓慢东移至山东南部, 2:00移至山东半岛附近的黄海西部, 8:00逐渐北抬至黄海北部, 此时急流核位于辽宁东南部, 为40 m/s。
注:a—8月8日14:00;b—8月9日2:00;c—8月9日14:00;d—8月10日2:00。
沿对流云团发展的北纬35°N作垂直剖面, 发现在9日14:00 113E°~115°E上空, 从地面一直到500 h Pa高空涡度平流正值均不显著, 到500 h Pa向上迅速增大, 到300 h Pa处可达9×10-9/s2;至20:00 116°E~118°E上空的600~700 h Pa处有一高于3×10-9/s2的大值区, 继续向上增大, 在300 h Pa处仍达9×10-9/s2;至9日2:00, 存在2个大值区, 200 h Pa处位于116°E~117°E上空, 300~400 h Pa处位于118°E~120°E上空, 均为5×10-9/s2, 在后者的下方850 h Pa附近存在-1×10-9/s2的负值区;至8:00, 119°E上空的涡度平流大值区区域缩小, 对应急流轴入口区右侧的北抬。
根据ω方程[7], 涡度平流随高度增加时, 会出现上升运动 (ω<0) ;当涡度平流随高度减小时, 有下沉运动 (ω>0) 。根据诊断结果, 在高空西风急流轴的入口区右侧, 涡度平流随高度增加而增大。分析天气系统的空间配置特征, 发现8月9日14:00—20:00, 对应急流轴入口区右侧的辐合上升区恰好和低空副高边缘的低空急流轴的左前方与水汽输送辐合区重合, 高空辐散, 低空辐合, 从而造成空气的垂直上升运动, 充足的水汽抬升后, 导致对流云团生成并强烈发展。
3 数值模拟方案
为揭示此次飑线过程中尺度系统发生发展的物理机制, 采用高分辨率中尺度数值模式WRF v3.4.1, 对2013年8月10日飑线过程进行数值模拟。采用了2013年8月8日20:00至8月10日8:00每隔6 h 1次的NCEP/NCAR FNL1°×1°再分析资料作为模式的初始场, 采用了双重嵌套方案, 外层积分中心区域外层为 (36°00′N, 117°30′E) , 网格点数为74×61, 网格距为15 km;内层积分中心区域内层为 (36°15′N, 119°33′E) , 网格点数为112×97, 网格距为5 km。垂直方向积分层为27个不等距的σ层, 模式顶气压为10 h Pa。积分时间从2013年8月8日20:00至8月10日8:00, 时间步长为2 min, 外层模式结果每30 min输出1次, 内层模式结果每10 min输出1次。微物理过程运用WSM6类冰雹方案, 积云参数化方案采用浅对流Kain-Fritsch方案, 同时采用了YSU边界层方案、Dudhia短波辐射方案、RRTM长波辐射方案、Monin-Obukhov近地面层方案和Noah陆面过程方案等。
4 模拟输出结果和实况对比分析
如图2所示, 8月10日5:00, 朝连岛西南海域的模拟雷达回波强度场强度与实况基本一致, 极值均在60 dbz左右。
如图3所示, 飑线约在3:30到达黄海上空, 于4:30, 飑线大风2 min平均风速达到19 m/s左右, 之后继续东移, 至5:00到达事故海域, 此时最大风速在23 m/s左右, 位于事故海域南侧约10 km处, 前侧风速梯度区呈南北方向, 约在121°E处。之后这个强对流系统逐渐减弱并消失, 与实况观测结果基本一致。
注:a—8月10日4:00;b—8月10日4:30;c—8月10日5:00;d—8月10日5:30。
对事故发生海域2013年8月9日20:00到10日8:00进行2 min平均风速模拟, 结果每10 min输出1次。发现10日4:30开始至5:00, 正好对应事故发生的时刻, 风速在15m/s以上维持, 其中在5:00 2 min平均风速达到20 m/s, 瞬时风速很可能达到10级以上, 同之前的推断基本吻合, 造成了此次事故。
5 物理量场诊断分析
如图4所示, 8月10日4:00对流系统可达200 h Pa, 600~900 h Pa为辐合区, 涡度正值高达250×10-5/s, 位于700~800 h Pa, 其后存在一个负值区;散度低值为-250×10-5/s, 位于750 h Pa附近, 200~600 h Pa为辐散区, 高值为200×10-5/s, 位于400 h Pa附近;至4:30, 对流系统移至120.4°E上空, 散度和涡度各项高值和对应区域变化不大, 对流高度仍在200h Pa附近;5:00移至120.7°E上空, 对流高度降低至500h Pa, 散度和涡度各项高值均开始减小, 至5:30此系统减弱消失, 对应飑线大风迅速减弱。
注:a—8月10日4:00涡度场;b—8月10日5:00涡度场;c—8月10日4:00散度场;d—8月10日5:00散度场。
从垂直速度场来看, 造成事故的强对流系统, 10日4:00在120°E的500 h Pa上空存在大于6 m/s以上的垂直速度, 在近地面存在较大的下沉垂直速度, 达到1 m/s以上, 之后此系统逐渐东移, 于5:00移至事故海区上空, 这说明风暴内部降水质粒的重力拖拽和云下的融化、蒸发冷却过程驱动并加强下沉气流的结果, 强下沉气流到达地面后形成很强的地面出流, 导致了局地海平面强阵风。
从K指数场看出, 在强对流过程影响之前的10日4:30, 事故发生海域及其附近达到了40℃, 飑线影响之后, 下降了10℃左右。
从假相当位温沿35.6°N剖面看出, 10日事故发生前4:00, 120.7°E的上空500~850 h Pa存在湿对流不稳定, θse差值在15 K左右。5:00, 在120.7°E上空的假相当位温剖面等值线也趋于陡立状态, 850 h Pa层θse值大值区东移, 飑线过程后事故海域上空呈整层湿对流稳定的状态。
6 结论
(1) 此次飑线过程发生在副高边缘附近, 存在低空急流的水汽输送通道, 受西风槽的东移影响, 干冷空气从中高层入侵, 形成下湿上干的不稳定层结, 有利于飑线天气过程的发生。
(2) 200 h Pa高空存在低槽, 低槽后有冷平流作用, 槽前形成了高空急流区。此次飑线过程发生海区, 位于高空急流轴入口区的右侧, 存在强抽吸作用。
(3) 分析飑线的垂直结构, 发现对流系统可达200 h Pa以上的高空, 200~600 h Pa高空存在强烈辐散, 600~900 h Pa低空存在强烈辐合, 且发现来自对流层中高层较干的下沉气流, 导致了海平面的强阵风。
(4) 对假相当位温、k指数等物理量进行诊断分析发现, 飑线发生前海难发生海区大气层结不稳定, 飑线发生时层结不稳定能量迅速释放。
(5) 高分辨率中尺度数值模式WRF成功的模拟出此次飑线过程的结构特征, 从大尺度环流场、动力结构、热力结构、雷达回波以及海平面风速模拟和分析结果表明, WRF模式对强对流天气系统的结构和时空变化特征具有一定的模拟能力。
参考文献
[1]寿少文, 陈学溶, 林锦瑞, 等.1974年6月17日强飑线过程的成因[J].南京气象学院学报, 1978 (1) :16-23.
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[3]刘勇.急流次级环流对局地持续强风暴天气的作用[J].气象科技, 2005, 33 (3) :214-217.
[4]陈业国, 农孟松, 黄海洪, 等.一次华南强飑线过程的数值模拟分析[J].气象, 2009, 35 (9) :29-37.
[5]刘峰.一次强对流天气过程的诊断分析和数值模拟[J].气象, 2008, 34 (2) :18-24.
[6]张德林, 马雷铭.“0730”上海强对流天气个例的中尺度观测分析及数值模拟[J].气象, 2010, 36 (3) :62-69.
[7]朱乾根, 林锦瑞, 寿绍文, 等.天气学原理和方法[M].北京:气象出版社, 2007:121.
数值诊断 篇2
利用常规观测资料和NCEP资料以及WRFV2.0模式模拟的结果,对3月21～23日黑龙江省中南部地区的大到暴雪过程进行了分析.结果表明:WRF模式对这次大到暴雪的区域进行了很好的模拟.进一步对模式输出的`物理量进行了仔细的分析发现:中低层的西南气流为此次区域暴雪提供了充足的水汽;总螺旋度的变化对降雪的强度变化有一定的指示意义:在这次降雪过程中,MPV2的作用大于MPV1,说明条件性对称不稳定加强,有利于暴雪的形成.
作 者：王莹 张金鑫 李永生 WANG Ying ZHANG Jin-Xin LI Yong-Sheng 作者单位：王莹,WANG Ying(哈尔滨市气象局,黑龙江,哈尔滨,150080)
张金鑫,ZHANG Jin-Xin(黑龙江省气象信息中心,黑龙江,哈尔滨,150030)
李永生,LI Yong-Sheng(黑龙江省气候中心,黑龙江,哈尔滨,150030)
数值诊断 篇3
1资料及方法
1.1一般资料:收集2011年1月至2014年9月经病理证实的子宫内膜病变共56例,其中子宫内膜癌患者24例,年龄36~74岁,平均年龄55.9岁。 子宫内膜良性病变包括子宫内膜增生者11例,子宫内膜息肉3例, 子宫黏膜下肌瘤变性1例, 年龄21~56岁, 平均年龄41.8岁。 正常子宫内膜17例, 年龄30~54岁,平均年龄40.5岁。
1.2 MRI检查 : 使用Siemens Avanto 1.5T磁共振机,体部相控阵线圈,行盆腔平扫,所有患者均行常规MRI及DWI检查。 常规MRI序列: 矢状面及轴位T2WI:TR 3 000 ms,TE 91 ms,层厚6~7 mm,FOV 210×280,矩阵320×233,采集次数2;冠状面T2WI: TR 5 500 ms,TE 94 ms, 层厚6 ~7 mm,FOV 350 × 263, 采集次数4, 矩阵384×357; 横断面T1WI: TR 450 ms,TE 11 ms, 层厚7~9 mm,FOV 350×262,矩阵384×269, 采集次数2;DWI行轴位检查,ASSET校正,SE-EPI采集,TR 3 900 ms,TE 83 ms,层厚6~ 7 mm,FOV 320×272,矩阵320×233,采集次数2,弥散加权b值分别为0,800 s/mm2,自动生成ADC图。
1.3 ADC值及r ADC值测量:由1名放射科医师进行数据的测量及分析。 对于肿瘤的测量感兴趣区 (ROI)放置,先在轴位T2WI像与ADC图相互融合 , 在融合图像上选取肿瘤最大径线层面进行ADC值测量,ROI放置时尽量避免局灶性信号异常出现伪影及坏死的区域,ADC值共测量3次得出平均值。 所有患者闭孔内肌ADC值均在闭孔内肌横径最大层面选择ROI进行测定,将内膜ADC值与其相比, 获得其r ADC值。
1.4统计学方法 : 采用SPSS19.0统计软件进行分析,所有ADC值及r ADC用±s表示,采用独立样本t检验分别两两比较子宫内膜癌、 子宫内膜良性病变及正常子宫内膜的ADC值、r ADC值是否具有统计学差异,以P<0.05为差异有统计学意义。 利用ROC曲线分析ADC值及r ADC值区分以下各组的能力。
2结果
ADC值及r ADC值测量:正常分泌期子宫内膜、 子宫内膜癌、 子宫内膜良性病变、ADC图像见图1~ 3。 所有病变ADC值均两两比较,子宫内膜癌组与子宫内膜良性病变组ADC值比较差异有统计学意义 (P<0.01);子宫内膜癌与正常子宫分泌期内膜ADC值比较差异有统计学意义(P<0.01);子宫内膜良性病变与正常子宫分泌期内膜ADC值比较差异无统计学意义(P>0.05)。 子宫内膜癌组、子宫内膜良性病变组及正常分泌期子宫内膜r ADC值两两比较,差异均有统计学意义(表1)。 对子宫内膜癌组与子宫内膜良性病变组r ADC值进行ROC曲线分析,曲线下面积为0.96;对子宫内膜癌组与正常分泌期子宫内膜组r ADC值进行ROC曲线分析,曲线下面积为0.93。
图1 正常子宫内膜 MRI 图(a:T2WI 轴位 ;b:相同层面子宫内膜的 ADC 图 ,呈较高信号 ;c:闭孔内肌层面 T2WI 图与 ADC 图相互融合 , 进行闭孔内肌 ADC 值的测量 )
图2 子宫内膜癌MRI 图 (a:T2WI 轴位 ,病灶呈低信号 ;b:相同层面子宫内膜的 ADC 图 ,呈显著低信号 ;c:T2WI 轴位与 ADC 图相互融合,进行 ADC 值测量)
图3 子宫内膜癌 MRI 图(a:T2WI 轴位 ,病灶呈略低信号;b:相同层面子宫内膜的 ADC 图,呈低信号;c:T2WI 轴位与 ADC 图相互融合 ,进行 ADC 值测量)
3讨论
磁共振成像在子宫内膜癌的诊断及术前判断侵犯范围中起着无可替代的作用, 但是对早期内膜与非典型内膜增生较难判断。 DWI是目前唯一能够测定活体组织内水分子扩散运动的无创性成像方法, 可以检测出与组织含水量变化相关的形态学和生理学早期改变及与细胞密度有关的独特信息。 ADC值可反映水分子在各个方向上的平均弥散能力,ADC值越高,说明水分子的弥散能力越强;相反,ADC值越低,说明水分子的弥散能力越弱[1,2]。 通常恶性肿瘤细胞繁殖旺盛,细胞密度较高,细胞密度和ADC值之间有相关性。 同时细胞生物膜的限制和大分子物质如蛋白质对水分子的吸附作用也增强,这些因素致使恶性肿瘤内水分子的有效运动受限,ADC值降低。 尽管大量研究已经证明子宫内膜癌与子宫内膜良性病变在ADC值上存在差异,但是回顾不同的研究结果发现子宫内膜癌组织的平均ADC值各家报道不一。 导致这种差异可能的解释是某种特定组织的扩散能力可能受很多的因素影响[3,4,5,6,7]。 因此,有些研究者应用标准化的ADC值来减少这种差异,即r ADC。 计算公式是ADC病灶/ADC参比部位[8]。
子宫内膜不同病变临床处理方式不同,目前在鉴别诊断方面, 诊断性刮宫是最为常用的方法,但是,诊断性刮宫系盲刮,诊刮组织的数量以及取材部位等的局限性, 直接影响诊刮病理诊断的准确性; 而超声的敏感性及准确性较低,对操作者技术水平依赖较高[9]。 在本研究中,子宫内膜癌组与子宫内膜良性病变组ADC值比较差异有统计学意义 (P< 0.01); 子宫内膜癌与正常子宫分泌期内膜ADC值比较差异有统计学意义(P<0.01); 子宫内膜良性病变与正常子宫分泌期内膜ADC值比较差异无统计学意义(P>0.05),利用ADC值可以区分子宫内膜的良、恶性病变。