基于SWAN系统的降水临近预报算法改进和应用评估

为提升现有业务系统的降水临近预报(0—2 h)能力,以业务应用为目标,基于中国气象局强对流天气短时临近预报系统—SWAN(Severe Weather Automatic Nowcasting)开展降水临近预报算法改进和应用评估研究。首先使用分钟雨量数据,采用分雨团的雷达-雨量站降水订正技术,提高降水的实况订正频率,提升定量降水估计格点场的准确率;再通过基于光流法的回波运动矢量反演技术优化改进回波运动矢量;最终将改进后的定量降水估计格点场和外推矢量相结合进行降水临近预报。通过对2021年7月全国1 km分辨率回波和降水临近预报检验评估和个例分析发现:(1)改进的基于光流法的回波运动矢量反演技术可以捕捉不同天气尺度下的回波运动规律,反演结果具有较好的一致性和平滑性,可以提高外推的准确率。(2)新的降水临近预报子系统和现有SWAN系统相比,在0—1 h预报中,TS评分相对提高50%以上,Bias更趋近于1。在1—2 h预报中,除了20 mm/h的强降水以外,TS评分相对提升约20%,Bias下降1—3。新的降水临近预报子系统基于SWAN算法标准开发接口实现,运行效率满足业务需求,预报性能得到明显提升,具备业务应用的潜力。

短时强降水诊断物理量敏感性的点对面检验

对诊断物理量的准确认识可以帮助提高短时强降水的预报准确率,并帮助理解产生短时强降水的可能机制。考虑我国降水观测网的布设特点,结合NCEP最终分析资料的物理量场,以大气水汽总量和最优抬升指数为例,通过点对面检验分析了多个用于表征短时强降水环境特征的诊断物理量的敏感性。结果表明:常规的点对点检验是点对面检验的特殊情况。大气水汽总量和最优抬升指数对短时强降水的指示均存在最佳阈值,且140 km范围内的大气状况才对某点3 h内能否出现短时强降水有直接影响。对于水平分辨率为1°×1°的NCEP资料,建议点对面检验的搜索半径和记录数阈值分别为140 km和2个记录。对多个诊断物理量对比分析显示,短时强降水对水汽相关量最为敏感,其次是表征热力条件的物理量,而表征动力条件和垂直风切变的量的指示意义不够显著。

国家级强对流天气分类预报检验分析

预报产品的客观检验是记录、考量各种预报业务质量,促进预报水平提高的重要手段,也是整个天气预报过程中的重要环节。本文采用"点对面"Threat Score(TS)、漏报率、空报率等客观指标首次对2010—2015年4—9月国家级强对流天气预报中雷暴、短时强降雨以及雷暴大风和冰雹等分类预报进行了检验。同时,本文也对强对流天气落区分类预报客观检验存在的问题以及未来发展进行了讨论。检验结果表明:过去6年间,6~24 h时效预报,雷暴TS评分为0.22~0.34,短时强降水为0.18~0.24,雷暴大风和冰雹为0.01~0.07;48、72 h时效预报、雷暴TS评分为0.30~0.40,强对流天气TS评分为0.16~0.23,除雷暴预报TS评分在2012—2013年有所回落外,其他类别的强对流天气预报总体上TS评分呈上升趋势,雷暴大风和冰雹预报评分明显低于其他两个类别。雷暴空报率是漏报率的2~3倍,短时强降水漏报率与空报率接近,雷暴大风和冰雹天气漏报率和空报率都在0.8以上。与美国风暴预报中心(SPC)2000—2010年定期发布的1 d对流展望产品检验结果比较,强天气预报中心雷暴和短时强降水落区预报TS评分较高,雷暴大风和冰雹评分较低。典型个例预报检验结果表明,系统性大范围的风雹天气可预报性较强,评分要显著高于平均预报水平;对于非过程性的、分散的风雹天气,预报难度大,TS评分低。

基于FSS的高分辨率模式华北对流预报能力评估

目前高分辨率数值预报模式已具有一定的对流系统结构和演变特征预报能力,但对其预报能力的客观评估仍存在较多不足。选取2017年7—9月华北地区在不同天气系统背景下、具有不同组织模态的7次对流天气个例,使用模糊检验方法中的分数技巧评分(fraction skill score,简称FSS)指标评估不同高分辨率模式(包括快速更新同化GRAPES_Meso,GRAPES_3 km及华东区域中尺度模式)对中小尺度对流过程的预报能力。结果表明:分数技巧评分能够实现当模式预报存在位移和强度偏差时仍然给出有价值的评分结果,其优势还在于可以给出表征模式空间位移偏差尺度的预报技巧尺度信息;所用3个模式的雷达回波强度预报均偏弱,当回波强度小于44 dBZ时,华东区域中尺度模式预报最接近实况,而对于44 dBZ以上的较强回波,GRAPES_3 km模式预报偏差最小;采用百分位阈值(通过升序排列求出预报和实况数列的相同百分位数作为其相应的阈值)进行检验发现,对于预报难度更大的高阈值、小尺度的对流事件,GRAPES_3 km模式预报能力更强。

基于快速更新同化数值预报的小时降水量时间滞后集合订正技术

由中小尺度对流系统造成短时强降水天气的发生发展十分迅速,对其落区和时效的预报预警一直都是预报业务中的难点。本文基于快速更新同化的中尺度数值预报系统GRAPES-RAFS 0. 1°×0. 1°分辨率逐小时降水预报,首先通过时间滞后集合预报方法构建了多个集合成员,使用平均TS评分值计算相应预报成员权重系数建立预报方程,然后采用频率匹配订正法进行降水量级订正,从而得到集合订正的逐小时降水量预报。2017年8-9月的逐日试验和典型个例预报结果评估表明效果良好。(1)GRAPES-RAFS最新时次的预报场并不完全代表最好的预报效果,通过时间滞后集合订正方法自动识别优选预报成员,显著提高了预报能力;(2)GRAPES-RAFS预报存在降水量级偏弱的系统性误差,经过频率匹配方法订正后,在量级预报上更接近实况;(3)时间滞后集合预报对我国中东部(包括黄淮、江淮、江南地区)的小时降水量订正效果最好;(4)进一步使用的频率匹配订正方法显著提升了逐时降水量的预报效果,其在降水频率更高、强度更大的江南南部、华南、西南地区效果更为显著;(5)对于中小尺度的强降水过程,经过上述方法订正后,显著提高了模式对强降水系统位置、形态及降水量级的预报水平。

2011年5月大气环流和天气分析

2011年5月大气环流主要特征如下:北半球极涡呈现双极型,北半球中高纬度环流呈脱四波型分布,亚洲中高纬地区西风带多波动,引导多股冷空气影响我国;东亚大槽较常年同期略偏强,西太平洋副热带高压及南支槽强度接近常年同期。2011年5月,全国平均气温为17.7℃,比常年同期(17.4℃)偏高0.3℃。5月全国平均降水量为81.4 mm,较常年同期(92.6 mm)偏少12.1%。月内共出现两次冷空气过程,7次明显降水过程及一次强沙尘暴过程,长江中下游地区气象干旱持续发展,四川、湖南、广东、广西等地遭受暴雨洪涝灾害,新疆、甘肃、宁夏、河北、山东、湖南、贵州、广东等省区遭受较为严重的风雹灾害。

强对流天气综合监测业务系统建设

强对流天气监测是其预报的基础。国家气象中心强天气预报中心利用多源观测资料(常规和非常规资料)建设了强对流天气综合监测业务系统。强对流天气的监测对象包括积云、地面高温、雷暴、地闪、冰雹、龙卷、大风、雷暴大风、短时强降水、雷暴反射率因子、对流风暴(基于雷达资料)、深对流云及中尺度对流系统(Mesoscale Convective Systems,MCS,基于静止卫星红外1通道资料)等不同时段的分布。发展的监测技术主要包括自动站资料质量控制技术、强对流信息提取和统计技术、直角坐标交叉相关雷达回波追踪(Cartesian Tracking Radar Echoes by Correlation,CTREC)技术、雷暴识别追踪分析和临近预报(Thunderstorm Identification Tracking Analysis and Nowcasting,TITAN)技术、深对流云识别技术、中尺度对流系统识别和追踪技术,以及闪电密度监测技术等。强对流天气监测系统自动定时运行,其输出数据与MICAPS业务平台完全兼容。该监测系统在国家气象中心的强对流天气预报业务中发挥了重要作用。

强对流天气监测预报预警技术进展

强对流天气预报业务包括监测、分析、预报、预警和检验等方面。对流初生识别、对流系统强度识别和对流天气类型识别等监测技术取得新进展,综合多源资料的监测技术已应用于中国气象局中央气象台业务。对流系统的触发、发展和维持机制等获得了新认识,我国不同类型强对流天气及其环境条件统计气候特征、分析规范及相应业务产品等为业务预报提供了必要基础和技术支撑。光流法、多尺度追踪技术以及应用模糊逻辑方法的临近预报技术等有明显进展,融合短时预报技术得到广泛应用,对流可分辨高分辨率数值(集合)预报及其后处理产品预报试验取得了显著成效,基于数值(集合)预报应用模糊逻辑方法的分类强对流天气短期预报技术为业务预报提供了技术支撑。强对流天气综合监测和多尺度自适应临近预报技术、多尺度分析技术以及融合短时预报技术、发展并应用模糊逻辑等方法的、基于高分辨率数值(集合)模式的区分不同强度等级和极端性的分类强对流天气精细化(概率)预报技术等是未来发展的主要方向。

2019年7月3日辽宁开原EF4级强龙卷形成条件、演变特征和机理

综合应用高时空分辨率多源观测资料,分析了2019年7月3日下午辽宁开原EF4级强龙卷的天气形势、环境条件、对流触发、对流风暴演变特征和龙卷的形成与消亡机制。开原龙卷发生在东北冷涡西南侧500 hPa西北气流、850 hPa切变线、地面强西南暖湿气流中;除了对流层中下层相对湿度低、抬升凝结高度较高是开原龙卷的不利环境条件外,其他有利于强中气旋龙卷的环境条件都具备。但风廓线雷达观测和天气雷达观测的径向速度场显示0~1 km垂直风切变的增强具有中尺度特征,表明边界层强风与中层急流相耦合形成了非常有利于龙卷的垂直风切变条件。形成开原龙卷的直接系统是一孤立超级单体,具有典型的超级单体雷达回波特征、强中气旋和龙卷涡旋特征等;其由地面干线辐合线与东侧的阵风锋辐合线共同作用触发。该对流风暴前部产生的降水先使得开原及周边地区大气快速饱和、显著改善了大气低层湿度条件,当对流风暴后部钩状回波部分移动到该区域时,有利于其不太强的下沉气流产生强度适宜的冷池,加之边界层强暖湿气流入流、强低层和中层垂直风切变与强烈上升气流的共同作用,从而产生了该次开原龙卷。地面自动站观测温度分布表明,开原龙卷超级单体的冷池与环境大气温度差异在2~4℃时有利于龙卷形成,而当对流风暴的强下沉气流使冷池温差加大到7℃时,不利于近地面垂直涡度维持,导致龙卷消亡。

国家级强对流潜势预报业务进展与检验评估

为了推动我国现阶段天气预报业务向专业化和精细化方向发展,国家气象中心自2009年组建了强天气预报中心并开展了国家级强对流落区潜势预报业务。开发了基于加密自动气象站WS报、全国闪电定位监测网、FY系列卫星以及雷达组网等多种实况观测资料的强对流实时监测产品,制定了基于MICAPS 3.0业务平台的《中尺度天气分析规范》,研发了基于全球模式T639以及区域中尺度模式GRAPES-RUC、WRF-EPS等模式输出量的强对流动力热力参数的诊断分析产品及潜势预报方法,建立了国家级强对流天气实时预报业务并发布雷暴、雷雨大风和冰雹、短时强降水等分类落区预报指导产品。对2010年4—9月国家级预报产品进行的客观检验结果表明:6小时间隔雷暴TS评分为18%,短时强降雨为2.6%,冰雹和雷雨大风为2.1%;12小时间隔雷暴TS评分为18.4%,短时强降雨为4.1%,冰雹和雷雨大风为1.3%。

国家级中尺度天气分析业务技术进展Ⅰ:对流天气环境场分析业务技术规范的改进与产品集成系统支撑技术

中尺度天气分析技术已经在我国天气预报业务中发挥了重要作用。2011年以来国家级中尺度天气分析业务技术取得了明显进展,促进了国家级强对流预报业务的发展。《中尺度天气分析业务技术规范》已重新编写和完善,内容分为两篇,第一篇是中尺度对流天气环境场分析;第二篇为中尺度对流天气过程分析,第二篇为新增内容,将另文介绍。短时和短期时效内中尺度对流天气环境场条件分析以配料法思路为基础,重新编排和简化了分析内容,兼顾分析的精细化和分析产品的可操作性,增加了分类强对流天气分析量化指标建议供预报参考,新增了基于局地探空的强对流天气分析规范。中尺度天气分析业务的支撑技术是推进该业务的必备基础,因此国家气象中心改进了MICAPS 3中尺度天气主观分析工具箱功能;开发了中尺度天气分析产品集成系统,包括强对流天气监测产品、中尺度天气分析主观和客观产品、基于不同数值模式预报的强对流参数诊断产品等的数据产品和图形产品等。

GRAPES_3 km数值模式对流风暴预报能力的多方法综合评估

利用传统点对点TS评分、邻域法以及对象检验等多种方法,综合评估了GRAPES_3 km模式的对流风暴预报性能,分析了传统检验方法和新型空间检验方法对高分辨率模式评估的适用性和差异性,并同GRAPES_Meso模式的相关结果进行了对比。结果表明:对强对流典型个例的预报评估发现,综合应用多种评估方法能够更全面地评估对流风暴预报,获取模式在对流风暴初生和发展变化过程中的预报性能。使用点对点评分方法,GRAPES_3 km模式对风暴和强风暴的预报都明显优于GRAPES_Meso模式。对于模式不同起报时间的预报,起报时间越新预报效果越好。邻域TS方法考虑了时空偏差,GRAPES_3 km模式20和35 dBz采用时间邻域1 h,空间点对点时预报技巧最高;50 dBz时空偏差较大,时间邻域尺度为3 h技巧最高。分数技巧评分(FSS)显示GRAPES_3 km模式对不同阈值的对流风暴预报均能达到最低技巧尺度,而GRAPES_Meso模式对35 dBz以上的对流风暴基本无预报能力。对象检验可以评估对流风暴特征的预报效果,GRAPES_3 km模式的对流风暴个数预报与实况较为一致,但面积预报明显低估。该模式对β中尺度的对流风暴形态、位置等预报较好,对γ中尺度的对流风暴预报尺度偏大、形状偏圆、轴角偏小,对α中尺度的对流风暴预报尺度偏小、形状偏扁、轴角偏大。GRAPES_Meso模式的对流风暴面积、个数、尺度预报较实况均偏小,位置预报偏差较大,形状预报较实况偏圆、轴角偏小。传统点对点TS评分方法和新型空间检验方法对高分辨率模式对流风暴预报的检验结论一致,依然具有一定的参考价值,但新型空间检验方法能够提供更详细的评估信息。

基于GRAPES_3 km模式输出的风雹概率预报技术研究

基于我国自主研发的GRAPES_3 km高分辨率模式预报数据,通过计算逐时最大上升螺旋度(updraft helicity,UH)产品,发展了不同预报时效时段内超过指定阈值的UH格点概率预报技术。由于UH能够表征对流风暴的上升运动和中低层旋转强度,因此通过UH格点概率预报产品得到了综合表征对流性大风或冰雹(简称风雹)的概率预报指导产品。对2019年6月14日至7月31日我国华北东北区域和华南区域两个风雹高发区的逐日试验和典型个例预报结果进行了细致评估,结果表明该产品具有良好的预报能力。该产品对华北东北区域和华南区域的风雹TS评分均明显高于主观预报,特别是对于华南区域可预报性较低的弱天气尺度强迫过程,能够显著降低漏报率从而明显提高预报准确率。预报产品还能够很好地指示对流风暴的形态分布和移动传播特征,概率落区与实况风雹的落区位置具有较好的匹配效果。对选取不同的UH阈值和空间高斯平滑系数的概率产品对比检验结果表明,基于较低UH阈值计算的概率预报产品由于漏报率更低,其TS评分要高于较高阈值的预报结果,高斯平滑系数取值20 km得到的概率产品在各等级概率评分中预报效果总体表现最佳。

基于模拟脚本的气象自动绘图系统

气象自动绘图系统(MEPAS)是一款紧贴我国业务数据环境,以MICAPS和GRIB1/GRIB2数据为主要输入源来实现自动化绘图的业务系统。MEPAS集成了多种物理量和对流参数的计算算法,在中尺度分析方面独具特色。MEPAS主要通过编写XML配置文件来模拟脚本,以命令行的方式运行,它学习简单,使用方便,运行稳定,出图高效,可用于业务系统的建设,也可用于气象科研,具有较高的应用推广价值。MEPAS通过模拟脚本实现自动绘图的技术可以被MICPAS借鉴或吸收,以填补MICAPS脚本交互的技术空白。

国家气象中心预报员访问香港天文台总结

2011年1月10～15日，由国家气象中心业务（科技发展）处王建林处长带队，天气预报室代刊和徐辉、台风海洋预报中心张玲、气象服务室王秀荣、强天气预报中心唐文苑6人，对香港天文台进行了为期6天的交流访问。访港期间，代表团了解了香港天文台的业务现状和最新进展、公共服务、科研动态以及管理体系等方面的情况，双方预报员还就台风、强对流、暴雨等预报技术进行了交流。此次考察交流活动安排紧凑、内容丰富，代表团收获颇丰、启迪良多。

上海地区臭氧周末效应研究

分析了2006年上海5个臭氧监测站（徐家汇、崇明、宝山、浦东和金山）周末与工作日臭氧浓度的变化规律，发现上海徐家汇与国外许多城市中心一样，存在周末臭氧浓度比工作日高，而臭氧前体物NO，NO2，CO和VOCs的浓度却是周末要比工作日低的“臭氧周末效应”．一方面，上海徐汇区NO2／NO在周末比工作日要高25．61％，NO排放的减少是造成上海臭氧周末效应可能的化学原因；另一方面，上海徐家汇由于周末NOx（NO＋NO2）比工作日在清晨（05：00-09：00）平均减少近12．13％，使清晨NO抑制臭氧生成的持续时间比工作日少近半个小时，周末臭氧积累持续时间更长，臭氧平均生成速率更大．臭氧的产生率是关于环境中VOCs与NOx混合比率的函数．上海徐家汇VOCs与NOx比率周末为4．55，工作日为4．37，位于VOC敏感区．由于周末NOx和VOCs减少，VOCs／NOx比率增加，使臭氧从73mL/L增加到80nL/L，这与上海徐家汇的“周末效应”基本一致．利用MICAPS云量资料做进一步分析．周末、工作日臭氧值都随云量增加而降低，并且明显发现徐家汇臭氧“周末效应”随云量增加而逐渐减弱．云量的增加最终结果使臭氧“周末效应”几乎消失，说明徐家汇臭氧“周末效应”是由于臭氧光化学生成引起的．

灾害性天气预报示范计划技术进展

在全球气候变化背景下,灾害性天气越来越危及世界各国尤其是发展中国家的可持续发展,准确和可靠的气象预报和预警信息至关重要。介绍了世界气象组织灾害性天气预报示范计划从最初的概念到各区域子计划的发展现状,分别从全球确定性数值模式、区域数值模式、集合预报系统和气象卫星资料应用回顾了灾害性天气预报技术的进展,以及国内外主要气象中心各数值模式和业务系统的基本特征,并分析了目前灾害性天气预报示范计划发展面临的挑战。结合全球气象发展战略和技术趋势,展望了该计划及数值模式技术应用的未来发展。