智慧冬奥2022天气预报示范计划的实施与评估

主要介绍了“智慧冬奥2022天气预报示范计划”(简称FDP)的运行与评估结果。此次FDP是在我国首次针对中纬度山区0~10 d冬季天气预报展开的示范计划,国内气象部门内外共22家单位、近40个数值模式或客观预报系统参与了该计划。FDP实现了实时运行所需的多种源数据和多源数据产品的高效传输分发、监控、实时处理、综合集成显示。首次开展了次百米级客观预报、人工智能释用订正预报等新型技术在冬奥复杂山地赛场的实时示范应用,为冬奥气象中心和3个赛区预报团队提供了丰富多样和稳定可靠的高精度客观产品,有力支撑了高标准的冬奥气象服务保障。针对参与FDP产品的系统性检验评估发现,与模式系统原始预报相比,释用后的专项站点预报对平均风、阵风、温度、相对湿度等要素的预报误差明显减小。但是对于冬季复杂山地的降水、能见度预报,客观预报技术还有待进一步改进,而且站点解释应用效果不明显。此次FDP对风、温度、降水、能见度、相对湿度的最优预报检验指标(最小误差值),总体体现了目前国内在中纬度山区冬季天气客观预报的大致水平和现实能力,对于认识复杂山地冬季天气预报存在困难、提升高精度天气预报水平等具有极为重要的价值。

2m气温集成订正方法及在冬奥延庆赛区的应用

为提升北京冬(残)奥会气象服务保障能力,利用2018—2021年1月1日—3月28日欧洲中期天气预报中心(ECMWF)模式预报产品以及冬奥延庆赛区8个自动气象站的2 m气温实况,通过基于地形修正的模式偏差订正和支持向量机算法,构建赛区不同海拔高度站点72 h预报时效内逐3 h的2 m气温集成订正方法。2022年北京冬(残)奥会前夕及赛事期间应用评估表明:集成订正方法对延庆赛区2 m气温的预报准确率为0.856,平均绝对偏差为1.08℃,订正效果较单一订正方法更优,尤其针对海拔高度高出模式地形高度的站点订正性能更为突出,同时,对超阈值及关键过程的气温订正效果也表现较好。对于延庆赛区大多数站点而言,该方法订正的72 h预报时效内逐3 h的2 m气温平均绝对偏差总体上表现出一定的日变化特征,且0~24 h,24~48 h,48~72 h预报时效之间偏差变化相对平稳,但不同站点的日变化趋势存在差异。随着预报时效增加,该方法订正的2 m气温平均绝对偏差的变化趋势表现出海拔依赖性。

天气和气候的时间序列特征分析

本文从天气和气候资料出发,提出气候的q阶(0≤q≤1)微商是天气,而天气可以近似为白噪声.在此基础上,利用描述自相似非马尔可夫随机过程的时间分数维扩散方程的分析成果,并结合时间序列的相关性分析,从理论上进一步指出气候信号的记忆性好于天气信号,且其概率密度分布的尾巴比较长.

精细化预报在2008年8月10日北京奥运赛事中的应用

2008年8月10日奥运会开幕式以来的首场降雨,给按照日程安排正在进行比赛的网球、射箭和赛艇等赛事的顺利进行造成了一定的影响。北京市奥运气象服务中心服务团队采取滚动天气会商,跟进式服务方案,为奥组委提供了准确的精细化预报。竞赛组织者对赛事进行了调整,网球上午单元未完成的11场比赛和原定17:00开始的下午单元26场延期;依据预报的降雨空隙,射箭女子团体决赛顺利完成;依据16:50预报的未来半小时将有雷雨出现,赛艇赛事组织终止了17:30后的四组比赛,避开了雷暴天气的影响。竞赛指挥中心对气象服务给予了高度评价。预报员也深刻体会到提高短时临近预报准确率、做好短时临近预报服务的重要性。

中国沙尘天气变化的时空特征及其气候原因

根据中国大陆 1 954～ 1 998年 338站沙尘天气频次 (日数 )资料、 1 948～ 1 999年 NCEP/NCAR 850 h Pa位势高度资料、 1 950～ 1 998年中国 1 60站月降水和气温资料分析了中国沙尘天气与降水、气温及扰动涡旋的相关关系。分析发现 ,沙尘天气的出现与气温和扰动涡旋的关系密切 ,表现为沙尘天气频次与冬春气温存在显著的负相关 ,而与春季 850 h Pa上的扰动涡旋有显著的正相关。基于上述关系建立了一个描述中国沙尘天气特征的指数 :沙尘指数。通过分析发现沙尘指数能较好地反映中国北方除新疆以外地区沙尘天气的变化规律。

三种探空资料在各类强对流天气中的应用对比分析

使用2007和2008年5-9月常规探空资料、微波辐射计和风廓线数据构建的特种探空资料以及BJ-RUC模式探空资料计算的常用热动力物理参量,比较了在冰雹、雷暴大风和短时暴雨等强天气中特种探空和常规探空的各参量之间的差异,探讨了特种探空在强对流天气判别中定量应用的可靠性,最后选取不同强对流天气个例,详细对比分析了三种探空的物理参量在不同强对流天气发生前后的演变趋势。结果表明:(1)特种探空与常规探空的热动力物理参量在三种不同强天气中的表现基本一致。与常规探空相比,特种探空数据的时间分辨率高,各物理参量的变化特征表现更明显,能更详细地描述强天气发生前后大气状态的变化。(2)由特种探空计算的多种物理参量在不同强天气的酝酿、发展过程中差别明显,在强天气发生前3～6小时的变化趋势尤其明显,对于3类强天气的判别具有明确的短时临近预报意义。(3)与特种探空相比,模式探空的多数物理参量在强天气发生前后的变化趋势一致,低空垂直风切变最接近,而少数表征大气热力性质的物理参数的数值和转折时间仍有一定差别,尤其是模式对潜热释放过程的描述能力明显不足,几乎不能描述强对流云团发展过程中对流层中上层强烈的增温过程。因此,在使用模式探空参量制作强对流天气的潜势预报时,须辅以特种探空的实时探测数据计算的物理参量,对模式预报结果进行订正。

应用多种探测资料对比分析两次突发性局地强降水

为了做好突发性局地暴雨的临近预报和预警,利用常规天气图、BJ-ANC系统的北京区域雷达拼图和VDRAS风场、地面自动站、风廓线雷达的水平风垂直廓线、卫星云图等多种探测资料,对2009年7月13日和2008年8月14日北京城区的两次突发性强对流局地暴雨天气的影响系统和中尺度系统进行了对比分析,提炼了城区突发对流性暴雨预报预警的预报着眼点。分析表明:两个个例在水汽输送条件、中低层的动力条件、冷空气侵入等方面有有利的天气尺度条件;暴雨之前卫星云图上介于南北两个系统之间的晴空区、对流系统的发生发展与1 km以下的中尺度辐合中心的联系等方面有相似之处;而在雷达回波的移向移速、各层VDRAS风场配置及风廓线雷达资料中水平风垂直廓线结构等方面有差异。通过分析研究,进一步提高了运用高时空分辨率资料作短时突发性对流性暴雨的预报能力,这对于主汛期的预报和服务工作有十分重要的作用。

北京沙尘天气的变化特征及其沙尘源地分析

通过对北京市沙尘天气的变化特征、出现沙尘天气的天气形势、移动路径、关键区域和地表特征的分析,以及与降水量的相关分析,研究了北京市沙尘天气的变化趋势及其沙尘源地的基本特征。结果表明,近56年来,北京市浮尘、扬沙和沙尘暴等天气现象均呈现出不规则的波动减少的变化态势;进入北京的冷空气和沙尘主要有偏西、西北和偏北三条移动路径;蒙古气旋加冷锋是北京产生沙尘天气的最主要天气系统;影响北京的沙尘质点主要来源于我国内蒙古以及中蒙边境地区;从地表特征来看,北京市周边地区存在着大片的沙尘来源地。沙尘天气与降水量的相关分析表明,沙尘源区的春季降水对当年北京市三种沙尘天气的影响突出,而本地的降水更多的是仅仅影响当年的沙尘暴天气。要缓解北京市的沙尘天气灾害,除了在北京市及其周边地区植树造林、建立生态屏障外,还要加强对沙尘源地的监测与管理,坚持以草定畜、适度放牧,严防植被破坏,同时要及时预报沙尘天气的影响范围和持续时间,把危害降到最低程度。

北京奥运演练精细化预报方法及其检验评估

2007年北京奥运演练期间精细化场馆客观预报方法,即支持向量机方法(SVM)和半周期函数拟合(HPFF)预报方法,为场馆精细化预报产品的制作提供了有力的技术支撑。利用2007年8月1—26日国家体育场、顺义水上中心等5个奥运场馆的5种地面气象要素(气温、相对湿度、风向、风速、和3小时累积降水量)观测资料,对SVM和HPFF客观预报方法以及预报员在客观方法基础上制作的3天逐3小时预报进行了检验评估。结果表明:(1)两种客观方法相比较,HPFF方法对于预报连续变化的气象要素(如气温、相对湿度和风速)的精细预报比SVM方法预报技巧高;而对不连续变化的变量(如:风向)的预报技巧低于SVM方法。(2)预报员制作精细要素预报在很大程度上依靠客观方法。预报员对于气温、相对湿度和风速的预报技巧略高于客观方法,对于降水和风向的预报技巧与客观方法相当。尽管预报员对客观方法的修正能力比较有限,但具有对两种客观方法结果做出择优选择的综合判别能力;(3)预报员0～63小时气温预报平均绝对误差约为1.8℃,气温预报误差≤1℃的准确率在43%左右,预报误差随预报时效变化不大;0～24小时相对湿度预报平均绝对误差约为10%,相对湿度预报误差≤10%的准确率是60%,误差随预报时效而有所增大;0～63小时风向预报准确率约20%,预报准确率随预报时效变化不大;0～63小时风速预报平均绝对误差在0.8～1.4m.s-1之间。

北京一次连续重污染过程的气象条件分析

2006年4月7—10日北京出现空气质量持续重污染,对当地生产和生活带来较大影响。从天气形势、气象要素、流场、大气稳定度等方面分析了这次重污染的形成及维持原因。结果表明,此次连续重污染过程是一次沙尘过程先后两次影响北京所造成。第一次为内蒙沙源地沙尘随西北气流南下影响北京的典型沙尘污染过程;第二次是移至下游的沙尘在“回流”天气形势下沿偏东风返回北京所造成,较为少见。这次重污染是混合型的,是沙尘和静稳气象条件共同作用的结果。

国庆60周年演练中一次降水过程的短时预报服务

由于降水的原因,原定于2009年9月5日晚间的国庆60周年彩排向后平移24小时进行。在预报北京地区有连阴雨的天气背景下,利用风云2C、新一代天气雷达网、地面自动站、垂直风廓线、微波辐射计等多种高时空分辨率探测资料,结合BJ-RUC产品,对北京天安门降水进行精细化的短时预报。通过采取严密监视天气变化,跟进式精细化预报服务的措施,顺利完成了这次重大气象服务的保障任务。再次证明多种新型探测资料在对大气物理状况的释用,填补常规探测资料时空分布的不足等方面的应用价值,这些资料有助于对天气系统位置、强度变化的确定;雷达回波拼图可以得到较大范围降雨区的位置、移向和移速,在天气系统较为稳定的情况下可以进行2小时以上的外推。

大气流场的拓扑结构

用简化的大气运动方程 ,定性分析了大气中几种常见天气系统流场的拓扑结构 .研究表明 ,气旋反气旋流场与中心点附近的流形相对应 ;长波演化形成阻塞高压流场 ,与鞍点和中心点从合并到分离的流形相对应 ;台风和龙卷风的流场与三维空间中鞍 -焦点附近的流形相对应 .研究大气流场的拓扑结构 ,可以直观清晰地揭示大气运动的形态和形成机理 ,有助于认识大气运动的规律 .文中讨论基于一定假设 ,结果与实际大气有差异 ,因而具有局限性 .

天气和气候之间的桥梁——分数阶导数

天气和气候虽然遵从流体力学规律,但是却显示出随机性,研究天气和气候之间的关系必须引入分数阶的导数和积分,从物理上讲不外乎说明天气和气候的随机程度是不相同的。为此提出气候的q(0≤q≤1)阶微商是天气,扩展了Hasselmann的结果。实际资料分析表明,气候距平具有长程相关,比天气有更好的记忆性。气候距平的概率密度分布函数有较长的尾巴,较长的尾巴反映了极值气候所发生的频率。

北京奥运期间场馆精细预报应用及分析

基于2008年8月1—24日国家体育场、顺义水上中心等5个奥运场馆自动站的5种地面气象要素(气温、相对湿度、风向、风速、和3小时累积降水量)的观测资料,对SVM和HPFF客观预报方法以及预报员在客观方法基础上制作的3天逐3小时预报产品进行检验评估。结果表明:(1)两种客观方法相比较,HPFF方法对于预报连续变化的气象要素(如气温、相对湿度)的精细预报比SVM方法更有优势,预报技巧要高;而对不连续变化的变量(如:风向)的预报技巧低于SVM方法。总体说来,HPFF方法比SVM方法的精细要素预报技巧高一些。(2)预报员对于5种气象要素的预报技巧略高于客观方法。体现了预报员对客观方法的修正能力。(3)0～12小时预报时效内,预报员气温预报平均绝对误差约为1.2℃,气温|F-O|≤1℃的预报准确率在57%上下;相对湿度预报平均绝对误差约为7%,相对湿度|F-O|≤10%的预报准确率约为74%;风向预报准确率约为30%;风速预报平均绝对误差为1m.s-1左右,预报准确率在92%左右。(4)12～63小时预报时效内,预报员气温预报平均绝对误差约为1.7℃,气温|F-O|≤1℃的预报准确率在36%上下;相对湿度预报平均绝对误差约为9%,相对湿度|F-O|≤10%的预报准确率约为63%;风向预报准确率约为25%;风速预报平均绝对误差在1.3m.s-1左右,预报准确率为85%。

北京一次大雾天气成因分析及模式预报性能检验

为了研究空气中水汽层结变化、大露天气发生发展的环境场紊件及BJ-RUC模式在大雾期间的预报性能，对北京2012年3月16～17日大雾天气个例中能见度变化和地基微波辐射计液态水含量等资料进行分析。结果表明，雾生消前后液态水含量的廓线变化明显，因此通过不同时刻液态水舍量的廓线对比分析，对大雾天气的预报还是具有指示意义的；地面高压底部偏东风为大雾维持提供良好的水汽，大雾期间风力的加大有利于水汽的输送，而持续的偏东风则有利于水汽的维持；辐射降温触发了华北雾区的形成；逆温层的存在是此次大雾发生的条件之一；近地面层系统性的偏东风、相对湿度和温度均在BJ—RUC模式中有很好的反映，模式探空的预报随着起报时间的临近，越接近实况，特别是逆温层和近地面偏东风的预报与实况基本一致，由此导出产品的能见度预报也能给预报员很好的指示参考性。

天气和气候能预报吗？

天气和气候是日常生活中人们最关心的事情之一.关于天气、气候的预测问题,自从混沌(chaos)和分形(fractal)理论发现以来和传统有迥然不同的看法.

2015年北京田径世锦赛开幕式天气的精细化预报与方法

重大活动关键时段的定点预报一直是天气预报服务的难点,因此对2015年北京田径世锦赛开幕式天气的预报思路和方法进行分析总结,结果表明开幕式天气采取了时间、空间逐步递进的精细化预报思路,每个阶段的预报重点、使用的预报方法和信息资料是不同的。短期预报以天气诊断和数值预报方法为主,应用多尺度数值模式和集合预报产品,预报出开幕式当天在东北冷涡背景下北京东部的强对流天气和"鸟巢"出现弱降水的可能性;短时临近预报依据高时空分辨率的探测资料、快速更新的同化产品和中尺度模式,采用多种资料融合技术,对稳定度、水汽和阵风锋等多要素综合分析,预判雷暴的生消变化,预报了开幕式"鸟巢"地区无降水,保障活动顺利举行。

“智慧冬奥2022天气预报示范计划”进展综述

简要介绍了“智慧冬奥2022天气预报示范计划”的主要目标、组织方式、产品情况,阐述了为组织本次示范计划所开展的平台技术研发成果和在2021年冬奥测试活动中的初步应用成效,也总结了执行示范计划目前所存在的主要问题和下一步计划,为示范计划成果支撑即将到来的冬奥气象服务保障实战提供指导,也为气象部门实现预报精准和服务精细的气象现代化目标提供借鉴。