气象卫星遥感技术在暴雨预报中的应用研究

随着全球气候变化的加剧,极端天气事件的发生频率和强度不断上升,暴雨作为其中的一种极端天气,给人们的生命财产安全带来了较大的威胁。因此,准确预测暴雨的发生不仅对紧急预防措施的制定具有重大意义,也是提高社会应急管理体系效能的关键。目前,主要是借助气象卫星遥感技术来获取地球大气层的状态信息,其具有覆盖范围广、时效性强、观测精度高和持续性强等优点,在暴雨预报中的应用价值较高。基于此,本文就气象卫星遥感技术在暴雨预报中的应用进行了研究,以期能够为防灾减灾提供科学的参考依据。

云迹风资料同化对暴雨预报影响的数值模拟

文中运用MM5对 1998年 6月 13～ 14日长江中下游一次暴雨强降水进行了数值模拟及云迹风资料同化试验研究。结果表明 ,云迹风资料同化能有效地改善高空风场质量 ,修正控制试验中模式高空风场对中纬度高空西风急流前沿西风强度的描述 ,使得模拟的暴雨强度与实际降水分布更加接近。分析认为在暴雨预报业务和科研中 ,云迹风资料的使用可有效地改善高空风场分布 ,对提高降水预报质量是一个有效途径 。

卫星反演湿度场及其在暴雨预报中的初步应用分析

文中分别用两套相对湿度初始场方案 ,对 5个暴雨个例进行了预报对比试验 ,探讨了利用GMS- 5卫星图象反演的高分辨率湿度场资料改进初始场 ,以提高暴雨中尺度数值预报水平的可能性。结果表明 :( 1 )引入卫星反演湿度场能较好地反映出实际湿度场的水平中尺度结构 ,尤其是有效地增强了对降水有重要影响的高湿区的分析 ,且与实际探空资料更为接近 ;( 2 )引入卫星反演湿度场资料改进初始场一般会使 2 4 h的降水预报评分有所提高 ,特别是具有使预报前期 ( 0～ 6h)的降水场向观测场逼近的作用 ,但对预报后期 ( 6～ 2 4 h)降水场的影响具有不确定性。

逐时云迹风资料同化对暴雨预报的模拟试验

文中基于不同的云迹风同化方案,用GRAPES模式对2005年7月11—12日长江中下游一次暴雨强降水过程进行了云迹风资料同化试验及数值模拟,通过对比分析不同方案所得的分析场及预报场的差异,研究逐时云迹风资料三维变分同化对分析场及暴雨预报的影响。首先,根据连续性原理及双通道各层次云迹风资料的误差分析,分3个步骤对7月11日00:00—12:00UTC共12个时次的双通道云迹风资料进行了初步的质量控制;然后,把经过质量控制的云迹风资料放入基于GRAPES3D-VAR三维变分同化方案开发的逐小时循环同化系统中进行同化,将得出的分析场与单一时次未经质量控制的云迹风资料同化得出的分析场进行对比,探讨了逐时云迹风资料同化对数值预报分析场的影响;最后,把同化后的分析场作为初始场,用GRAPES模式对2005年7月11—12日长江流域暴雨过程做24h降水预报试验,分析两个同化方案所模拟得到的预报场的差异。结果表明,经资料的筛选、同经纬度单点通道的选择及资料的稀疏化3个步骤控制后,各层次云迹风资料的误差有明显减小;加入经质量控制的逐时云迹风资料其三维变分同化可以提高分析场中风压场及水汽场的质量;而且在暴雨预报试验中可以相对更准确地预报暴雨落区及雨强。

“配料法”用于长江下游暴雨预报

利用配料法,设计了一个表示强降水趋势的参数IZH(强降水指数),根据2001—2003年NCEP资料计算,得到IZH与降水的对应关系。之后用MM5模式进行运算,得到预报时刻的IZH值,用来预报强降水的产生。IZH作为指示强降水的参数,其正值区域表示有降水的区域,其数值大小反映降水的强度。分析表明,用IZH指数作暴雨预报比用单一物理量作预报的效果要好。

雷达资料的3DVAR和EnSRF直接同化方法对一次暴雨预报的影响分析

利用合肥站雷达资料和NCEP再分析资料,采用WRF模式、WRF-3DVAR和WRF-En SRF同化系统设计了直接同化雷达径向风和反射率的试验,对2003年7月4—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟分析。结果表明:(1)同化雷达径向风资料可以增加暴雨区低层的扰动,增强对流运动,同时可以减少模拟的过量降水;(2)3DVAR同化方法对水平风场调整明显,同化反射率改进了模式中的微物理量和动力场,同时同化径向风和反射率可以更好地调整风场,改善模拟雷达回波带的强度和位置;(3)En SRF同化方法可以将更多小尺度的风场信息同化进入模式,单独同化反射率可以较准确预报出降水中心,同时同化径向风和反射率可以改进模拟雷达回波带的位置;(4)使用3DVAR和En SRF同化雷达径向风和反射率可以提高降水预报,改善雨带的范围,对降水中心位置和强度的预报也有改进。

集合动力因子暴雨预报方法研究

介绍了广义位温、湿热力平流参数、热力螺旋度、热力散度垂直通量、广义湿位涡、力管涡度、热力力管涡度、二级位涡、对流涡度矢量和波作用密度等宏观物理量的定义及其物理意义。个例分析表明,这些动力因子与降水系统发展演变密切相关,对地面观测降水有一定的指示作用。这主要是因为:(1)这些因子能够描述降水系统的动、热力垂直结构等共性特征;(2)这些因子大部分包含广义位温,而广义位温又与凝结潜热和相对湿度有关,因而这些因子也能描述降水系统的水汽场结构特点。以这些动力因子为基础建立了集合动力因子预报方法,该方法首先建立以GFS预报场资料为基础的单动力因子降水预报方程,然后根据其与观测降水的相关性,定义权重函数,对多个动力因子的降水预报进行权重平均,最后得到集合动力因子的降水预报。该预报方法可以充分发挥多个动力因子的优势,比较全面地反映暴雨过程的共性特征。长时间序列的统计检验表明,集合动力因子的降水预报评分略高于全球预报系统(GFS)模式自身的降水预报评分,表现在降水落区预报方面,集合动力因子的预报效果略优于GFS模式的自身预报,然而,在降水强度预报方面,集合动力因子和GFS模式都略有过度预报。集合动力因子预报方法计算量小,容易移植,可以提供降水预报产品,为预报员做暴雨预报提供支持。

中央气象台暴雨预报业务的发展及思考

暴雨是影响我们国家最重要的灾害性天气之一,暴雨预报既是业务中的关键点也是难点。本文论述了目前中央气象台的暴雨预报业务已经由基于天气学、统计学等在天气图分析的基础上进行主观外推的传统预报向基于数值预报的现代天气预报发展,强调了暴雨预报的科学问题是从预报实践中提炼出来的,而不是从参考文献中找出来的,突出了预报员是暴雨科学问题的提出者和解决实际问题的第一参与者,阐明了预报与服务工作紧密结合是中国特色气象事业的重要组成部分,充分肯定了中央气象台和中国气象局暴雨研究所等科研单位在暴雨预报、研究和我国应对突发自然灾害中发挥的重要作用,明确了暴雨等灾害天气的预报是以服务人民、社会、经济发展和国家安全为最终目标。并从预报员科学研究与实践能力的培养和提高、多源观测资料应用、区域中尺度数值预报模式和集合预报技术的发展及订正能力的提高、人工智能技术的应用等几个方面对如何提高暴雨预报准确率提出一些思考。

聚类分析在暴雨预报和环流形势分型中的应用

数值预报投入业务运行以来，高空形势预报具有较高的准确率，要素预报的准确率也在不断提高，对数值预报产品的释用是近年来人们极为关注的问题。作者利用数值预报５００ｈＰａ高度场及降水实况资料，采用聚类分析法，研究暴雨落区预报和我国暴雨环流形势特征，所得结果在暴雨预报业务中有一定参考价值。

SVM方法在武汉区域夏季暴雨预报业务中的应用

以2003～2006年ECMWF数值预报产品、Japan和T213降水预报场资料为基础，应用支持向量机（SVM）方法和CMSVM应用软件平台，通过对训练样本进行交叉验证和模型核参数的逐渐逼近，分区建立了武汉区域16，个区SVM24h暴雨预报模型，并在武汉区域5～7月进行实时业务应用。通过预报结果检验，5～7月武汉区域暴雨预报TS评分为33．59％，其中湖北省平均成绩为34．69％、湖南省平均成绩为34．15％、河南省平均成绩为31．71％。检验结果较好，表明SVM方法在区域性暴雨预报中具有一定的预报能力和参考价值。

用SMAT建立台风暴雨预报模型的试验研究

台风暴雨的灾害性天气预报是科研与业务都特别关注的问题,因此其预报技术方法的研究显得尤为必要。采用综合多级相似预报技术(简记为SMAT),对"浙东南沿海"区域台风过程所引发的暴雨天气进行研究。该技术利用数值模拟结果对样本间的相似程度进行描述,同时将描述样本相似程度的物理量由单因子拓展为因子组合。通过对13年间历史资料的试验,得出了台风暴雨预报模型(SMAT-Ty-phoon)。详细介绍了该模型的试验过程和试验结果,给出了重要试验数据参数。台风暴雨的相似试验结果显示,建模时的CSI(forecast successful index)高于0.7,且漏报率为0。在试报阶段,CSI也能保持在0.45以上。此外,台风暴雨预报模型的准确率(0.72)和漏报率(0.26)与业界同行相比,也具有一定优势。在引进数值产品和多因子求相似技术后,试验结果证明SMAT具有较强的平均预报能力,说明了所得到的台风暴雨预报模型是有优势的。最后,通过对试验的分析,得出了对当地台风暴雨发生可能起重要作用的一些物理量,对于这些指标,预报员在业务预报中应给予足够考虑;同时也给出了在做类似相似试验中关键区和相似因子选取时的一些建议。

风云3号气象卫星资料在暴雨预报中的应用

介绍了风云3号(FY-3A)气象卫星资料应用示范项目《卫星资料在暴雨监测预报中的应用》的研究成果。讨论了以FY-3A资料为主,结合风云气象卫星系列其他资料和数值预报产品等,在云团识别的基础上计算云团特征量作为预报因子建立预报方程并计算云团最大降水量的暴雨临近预报方法,以及使用FY-3A资料作为"配料法"配料之一的暴雨6 h落区预报方法。结果表明,该方法对于暴雨的临近和短时预报有一定的指导作用。

边界层过程对“98·7”长江流域暴雨预报影响的数值试验研究

通过ETA模式对“98·7”长江流域暴雨过程的数值试验研究 ,讨论了行星边界层过程对暴雨数值预报的影响 ,结果表明边界层过程在这次暴雨预报中有重要作用。具体结论为 :( 1 )降水大范围落区是受大尺度流场所决定的 ,但边界层过程对暴雨预报具有重要的作用 ;( 2 )不考虑边界层过程会影响对天气系统的正确预报 ,包括影响大气低层的运动场、水汽及大气不稳定度 ,从而影响暴雨的预报 ;( 3)从时间层次上看 ,由于地表通量有着显著的日变化 ,边界层过程的作用不仅与暴雨本身发生发展及消亡的阶段有关 ,也与各阶段的时间 (白天或夜间 )有联系 ;( 4 )在空间范围内 ,边界层过程对大气的影响是通过大气流场重新分布来影响降水的环境条件 ,故地表通量分布和低层流场的相互配置作用十分重要。长江南北的情况有所不同 ,长江流域南侧区是地表通量的大值区 ,也是长江流域雨区水汽和不稳定能量的源区 。

“集合统计量集成法”在湖北短期暴雨预报中的应用研究

利用2013年11月—2014年11月ECMWF全球集合预报的51个成员降水预报资料和湖北省78个国家气象站逐日降水实况,对集合平均值、分位值、概率匹配平均值、众数(Mode值)等10种集合统计量在湖北省不同预报分区内的降水预报效果分别进行检验评估。在此基础上,采用在不同降水量级上选取TS评分最优的集合统计量的原则,设计出适用湖北降水预报的最佳集合统计量集成方案,并检验了该方法在2015年和2016年6—8月湖北降水预报的应用效果。结果表明:将集合统计量集成法应用于湖北降水预报时,集合统计量集成方案应随着预报分区的改变而改变;改进后的ECMWF集合统计量集成方案对湖北72 h内大雨及以上降水预报的TS评分均有不同程度的提高,且空报率和漏报率总体上有所降低;与ECMWF确定性预报相比,ECMWF集合统计量集成预报产品对湖北24 h内各降水量级的预报均优于ECMWF确定性预报,且对湖北72 h内的暴雨预报准确率均高于ECMWF确定性预报。

卫星云图资料同化中的质量控制及其在暴雨预报中的应用

以1996年7月3～4日发生在江淮流域的暴雨过程为例,依据统计特征分别以常规分析场、正涡度高值区、高低空急流为标准,设计了三套方案对卫星反演湿度场进行质量控制。利用中尺度MM5模式进行的数值试验表明:经质量控制后预报场得到较大改善;质量控制方案的优劣对预报效果有直接影响,选择合理的控制标准是重要的。

初值及物理过程对“98·7”暴雨预报结果的影响

利用非静力中尺度模式系统(ARPS),对1998年7月20日至22日期间长江流域的低涡切变线及暴雨过程进行了模拟。探讨了对“98·7”突发暴雨的影响因子及改进预报的可能途径。初值的不完全是影响成功预报的重要原因之一。在利用尽可能收集到的资料,对初值进行了合理的处理之后,模式能较好地复制出7月20～22日24h降水及环流形势。利用模式结果,讨论了凝结潜热释放和行星边界层过程在低涡切变线维持中的作用以及云贵高原在低涡发生发展过程中的作用。此外,还对低涡及切变线的演变过程做了初步的分析,初步探讨了低涡切变线形势维持的可能机制。

涡旋自组织现象在上海一次暴雨预报中的应用

根据涡旋自组织理论的研究成果,通过对天气背景以及卫星、雷达等资料的分析发现,在2008年8月25日早晨上海地区发生的一场雨强为百年未遇的强雷电和大暴雨天气过程中,确实存在着涡旋自组织现象。地面中低压的发展与中小尺度涡旋的组织、合并关系密切,而中低压的发展导致了剧烈而集中的降水发生,进而造成了上海地区的这场特大暴雨。此外,详细阐述了在业务预报中预报员如何应用涡旋自组织理论的相关成果来改进和提高暴雨预报的时效和准确度,显示该理论在业务应用中具有广阔前景。

高阶递归滤波在一次暴雨预报中的数值试验

为了考察具有多种特征尺度四阶递归滤波器在极端暴雨事件预报中的应用效果和能力,利用GRAPES三维变分同化系统,对2007年7月16—19日的川渝暴雨过程进行了模式分析。共开展了3组模拟试验:第一组试验在模式中使用单一特征尺度的一阶递归滤波;第二组试验在模式中使用由3种不同特征尺度的四阶滤波拟合而成的四阶递归滤波;第三组试验在模式中使用由3种不同特征尺度的一阶滤波拟合而成的一阶递归滤波。结果表明,具有多种特征尺度的递归滤波的预报效果要好于单一尺度的递归滤波。相比而言,由3种不同特征尺度的四阶递归滤波对预报的改进最大,不论是降水的落区还是降水的强度都有很大程度的改善,对水汽的调节更为理想。

致洪暴雨预报模型应用研究

通过普查、分析黄河花园口站洪峰流量大于等于4000m3/s的黄河中游8次洪水过程,着重分析了洪水过程中小花间区域致洪暴雨发生前的天气学特征,归纳出造成小花间洪水过程的天气形势主要有鞍型场和台风倒槽两大类型,并建立了相应的500、700hPa高度场模型和热力、水汽条件诊断模型及动力条件物理量诊断模型,并采用相似离度进行入型判别。该预报模型在2003年预报业务试验中,对黄河秋汛期间发生在小花间区域的致洪暴雨过程进行了较为成功的预报。

气象卫星遥感技术在暴雨预报中的应用研究

气象卫星资料直观、形象、信息量大等特点使得其进行天气系统的动态监测具有无可替代的优势。辉发河流域暴雨预报中的应用表明,气象卫星云图可以有效地监测降水天气系统的演变过程,提高暴雨预报的准确率。信息处理技术的加强和高水平专家诊断的介入,将使气象卫星遥感技术在暴雨预报中的作用日益加强。