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。     

中尺度天气的高空地面综合图分析

中尺度强天气的预报能力非常有限,一个重要原因是在业务预报中,缺乏对中尺度对流天气发生的环境场条件和发生发展特征进行及时有效的分析。本文介绍了国家气象中心正在试行的中尺度天气的天气图分析方法。中尺度天气的天气图分析主要利用探空资料和数值预报相关参量资料,分析中尺度对流天气发生发展的环境场条件,包括高空综合图分析和地面分析。在高空分析中重视风、温度、湿度、变温、变高的分析,并通过将不同等压面上最能反映水汽、抬升、不稳定和垂直风切变状况的特征系统和特征线绘制在一张图上形成综合图,以更直观的方式反映产生中尺度深厚对流系统发生发展潜势的高低空配置环境场条件。地面分析包括气压、风、温度、湿度、对流天气现象和各类边界线(锋)的分析。国家气象中心的强对流天气预报业务试验表明,中尺度天气的天气图分析已经成为强对流天气潜势预报的重要依据。     

国家级强对流天气综合业务支撑体系建设

国家级强对流天气预报业务正在从以短期预报为主调整到短期和短时预报并重的业务格局。文章从强对流天气预报技术发展与服务需求的角度,重点介绍了国家级强对流天气综合业务支撑平台及其核心技术。该平台以气象数据组织和图形化表达两个核心要求为牵引,发展了数据分析处理系统、自动气象绘图系统和WEB检索与显示系统。数据分析处理系统基于多源观测资料、中尺度数值预报和全球数值预报,发展了集约、高效的强对流天气监测和临近预报、短时预报和短期预报等数据分析处理技术,是整个平台的核心;主要核心技术包括:从不稳定与能量、水汽、抬升与垂直风切变等条件出发,以归纳总结的分类强对流天气概念模型为基础的分类强对流短期预报分析技术;应用"配料法"发展的分类分等级的强对流天气客观概率预报技术;强对流短时预报技术包括高分辨率数值预报释用、多模式预报集成、对流尺度分析、实况和模式探空分析等多项技术,重点实现了从过去3 h实况到未来12 h预报的无缝隙衔接;强对流的监测和临近预报技术在基于多源资料的强对流天气实况与强对流系统监测技术基础上,发展了基于雷达特征量、强对流实况、各类强对流指数和预警信号等多源信息的报警技术。自动气象绘图系统实现了高效、便捷地接入多种数据、自动进行数据分析和制图等多项功能。在预报服务方面,基于WebGIS发展了县级分类强对流预警信号和国家级分类强对流预警预报产品共享技术,实现强对流短时预报业务的高交互性与上下互通的功能。     

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。     

对流天气预报中的环境场条件分析

中尺度对流天气的分析包括以天气型识别和中尺度过程分析为主的主观分析,以及以动力热力物理参数诊断为主的客观分析。利用"配料法"预报的思路,通过诊断有组织的深厚中尺度对流系统发生、发展的4个条件(水汽、不稳定、抬升和垂直风切变),开发了中尺度对流天气的环境场条件分析技术(对流天气图分析和客观物理量诊断技术),并应用于中国国家气象中心的强对流天气预报。以中尺度对流天气的天气图分析方法为例,介绍如何利用高低空观测资料,分析对流天气发生发展的环境场条件;并以数值模式释用为主的强对流特征物理量诊断分析为例,介绍如何动态诊断对流天气的动力热力条件演变。     

基于中尺度数值模式的分类强对流天气预报方法研究

针对雷暴大风、短时强降水、冰雹和龙卷等强对流天气短期预报,采用0.25°×0.2°每天4次日本气象厅(JMA)东亚地区再分析资料计算的百余类对流参数(物理量)及其15 d滑动平均值,根据“邻(临)近”原则对江苏2001—2009年2—9月各类强对流天气进行时间和站点的匹配后,应用相对偏差模糊矩阵评价技术,对上述对流参数进行权重分配和逐次筛选,获得了既体现强对流与气候平均态间明显差异,又体现自身相对稳定的特征对流参数序列。同时,根据历史分类强对流个例中各特征对流参数的频谱分布获得各对流参数的频率分布分段函数,然后基于中尺度数值模式预报的对流参数,综合历史频率分布和权重分配,构建了分类强对流天气预报概率,并以优势概率作为分类判据,做出强对流分类预报。最后建立了业务化系统,以全自动方式提供分类强对流客观预报产品,投入到日常业务和南京青年奥林匹克运动会气象保障服务工作。     

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.     

强对流天气短时临近预报业务技术进展与挑战

强对流天气短时临近预报业务是国家防灾减灾、重大社会活动和精细化天气预报的迫切需要。虽然我国强对流天气短时临近预报业务已经取得了巨大进展,但与国外先进水平相比还有不少差距。本文总结了近年国内外强对流天气短时临近预报业务现状、技术进展、目前国内的技术支撑状况和所面临的挑战,并提出了相应的应对措施。目前强对流天气短时临近预报技术仍然主要是外推预报技术、数值预报技术和概念模型预报技术等,但快速更新循环的高时空分辨率数值模式预报和新一代静止气象卫星资料将在强对流天气短时临近预报中发挥重要作用。强对流天气监测、分析和机理研究是强对流天气短时临近预报的重要基础;先进的外推预报方法同快速更新循环的高时空分辨率数值模式预报以及二者的融合是未来强对流天气短时临近预报的重要发展方向。     

玉溪一次强对流天气的中尺度特征分析

利用常规探空资料、NCEP/NCAR再分析资料、地面自动站加密观测资料及T639数值模式资料对2013年6月9-10日发生在玉溪的一次强对流天气进行了诊断分析。结果表明,此次强对流天气是高空槽后西北气流引导冷空气南下并与西南暖湿气流在云南中北部交汇引发的,对流层低层切变线和地面中尺度辐合线、气旋式辐合中心等是此次强对流天气的直接影响系统。其水汽主要源于孟加拉湾,水汽在低层集中和输送并在云南等地上空辐合,为此次强对流天气的发生提供了有利的水汽条件。中尺度强对流云带与地面中尺度辐合系统及对流有效位能(CAPE)不连续带有较好的对应关系,中尺度强对流云带发生、发展的位置和走向与前期地面辐合线基本一致,对流单体在CAPE不连续带大值区一侧容易加强和发展。综合分析地面流场和高分辨CAPE的分布,对强对流天气的短时临近预报有一定指示意义。     

2011年6月23日沿淮强对流天气中尺度辐合特征模拟研究

利用常规地面、高空气象观测资料、安徽和江苏两省自动站观测资料、NCEP/NCAR再分析资料,对2011年6月23日江苏、安徽两省沿淮（简称沿淮）地区发生的一次强对流天气过程进行天气形势分析,并结合卫星、多普勒雷达资料进行综合分析,且运用中尺度数值模式WRF对本次过程进行数值模拟。结果表明:（1） 西南地区鞍型场中激发的对流单体东移使得强对流天气能够增强和维持;（2） 北方高空冷空气的下沉造成沿淮地区的雷雨大风;（3） 本次强对流天气过程中的对流单体来源路径有3条:一是西南地区鞍型场激发的对流单体沿高空西南气流向东北方向输送到沿淮地区,二是源于南海产生于副高边缘的对流单体沿偏南气流向北输送到沿淮地区,三是西北方向高空槽前产生的对流单体沿西北气流向沿淮地区集中;（4） 中低层切变线和地面辐合线对强对流系统起组织和加强作用。      

基于中尺度数值模式快速循环系统的强对流天气分类概率预报试验

在利用实况探空资料、微波辐射计和风廓线构建的特种探空资料对北京地区强对流天气进行判别,以及快速更新循环同化预报系统(BJ-RUC模式)探空资料可应用性分析的基础上,针对模式探空基本要素计算多种热力、动力、综合不稳定物理量,根据统计的强对流天气判别指标,计算模式格点上的强对流发生概率,并进一步针对冰雹(雷暴大风)和强对流短时暴雨天气下不同物理量的阈值范围,初步探索中尺度数值模式对强对流天气分类预报的可能性.通过不同组合的预报方案进行的对比分析表明,利用北京地区中尺度数值模式快速循环系统(BJ-RUC)的格点探空资料进行强对流天气概率的预报是可以实现的,强对流天气的分类概率预报也存在一定的成功率.     

940624大暴雨中尺度分析

对１９９４年６月２４￣２５日发生在河南省北中部地区的大暴雨，除进行天气背景、层结稳定度分析外，着重对中尺度流场及７１４ＣＤ资料特别是多普勒速度进行了分析，总结了产生对流性大暴雨时多普勒速度场上的特征，为制作短时强对流天气的预报提供了依据。     

海东市短时强降水天气过程的中尺度分析

2015年8月1日和2日夜间青海省海东市连续出现伴有短时强降水的强对流天气,导致部分乡镇洪涝,洪水淹没农田,冲走牲畜、冲毁自来水管道、路基,造成部分地方停水、道路中断等等,给当地群众造成严重损失。利用高空、地面观测、卫星云图、雷电等资料,采用中尺度天气图分析技术,得到预报此类短时强降水的一些依据:青海东部处于副高北侧的偏西气流中,蒙古槽底锋区南压至新疆北部、内蒙一带或西北气流中不断下滑冷空气的环流条件下,500h Pa青海东部有24小时负变压区,负变压中心易形成中小尺度的辐合流场;700h Pa青海东部有偏东或偏南气流提供充足的底层水汽,且河湟谷地内的偏东风对强降水提供一定强度的动力条件;高原低层850~700h Pa温度场上为暖脊,并与北部下滑的弱冷空气叠加,可产生强烈的对流不稳定;700h Pa干线与地面干线易触发中小尺度对流系统,并常对应降水区;地面辐合有利形成强降水;高层强的辐散为强降水提供了良好的动力条件;青海东部较强的对流有效位能、较大的风的垂直切变及深厚的湿层,非常利于强对流的发展及短时强降水天气的产生。     

一场初冬“雷打雪”天气的中尺度特征分析

利用探空资料、T639数值预报产品和多普勒天气雷达资料,对2009年11月郑州地区的一场"雷打雪"天气过程进行了中尺度特征分析,结果表明:大尺度环流背景为暴雪的产生提供了有利条件,而中尺度露点锋是"雷打雪"天气发生的直接影响系统,中低层强烈的逆温层和"上干中湿下冷"的大气垂直结构为对流天气的产生储备了充足的不稳定能量,干暖盖指数对冬季对流天气的发生有一定的预报指示意义;多普勒天气雷达的径向速度产品是制作"雷打雪"天气短时临近预报的重要依据。     

青藏高原东侧边坡地区一次强对流天气过程中尺度分析

利用常规气象观测资料、区域自动站资料、FY-2E卫星云顶亮温资料、兰州多普勒雷达资料和NCEP 1°×1°再分析资料,对2018年7月18日发生在青藏高原东侧边坡地区的一次强对流天气的环流背景、物理量场和中尺度系统特征进行了分析。结果表明:从高原中部东移的高原槽为此次强对流天气过程提供了有利的天气形势,地面辐合线和地形抬升共同触发此次强对流天气;700 hPa低空急流输送的暖湿水汽及其在暴雨区的辐合为强降水的发生提供了水汽和不稳定能量,上冷下暖的平流输送进一步增强了大气不稳定度;镶嵌在MCS中缓慢移动的中-β尺度对流风暴是产生局地短历时暴雨的直接系统。     

吉林省短时强降水天气的中尺度特征及概念模型

利用2005-2012年吉林省逐时降水资料及相应的北半球高空、低空、地面观测资料,采用中尺度分析方法分析了吉林省短时强降水的中尺度特征,总结了冷涡影响类、高空槽类、副高后部类三类短时强降水天气的中尺度概念模型,为预报员今后预报此类天气提供参考和技术支持。     

河南省一次致灾强对流天气的中尺度分析

利用常规观测资料、中尺度分析产品和雷达资料对2013年8月1日凌晨发生在河南省西部、北部的一次致灾强对流天气过程进行分析.结果表明:这次强对流是在上干冷下暖湿的不稳定大气层结条件下产生的,较大的垂直风切变出现在强对流发生后,可能与强对流天气产生时间较晚有关;地面辐合线是这次强对流产生的触发机制,强对流发生在地面等温线和等露点线的密集区内.云图亮温的低值中心对应地面的强雨区.1日凌晨,对流回波东移加强,先后形成的两条弓形回波,均存在明显的低层弱回波区和中高层的悬垂回波结构,大风发生在弓形带状回波后侧;对流回波带低层有很强的西南风急流,使得强对流回波形成弓形带状回波;强回波带的前沿速度场上,有中尺度辐合线、辐合区、逆风区存在,它们的出现和维持是产生局地强降水的一个有用指标,中尺度系统的存在是强对流风暴产生、维持、发展的必要条件;较大垂直液态含水量的维持为产生强降水提供了有利条件,垂直液态含水量的增减,预示着地面强对流天气的开始和减弱.     

浙江北部一次短时大暴雨的中尺度分析

利用常规气象观测资料、区域自动站加密观测资料和GFS 0.5°×0.5°逐6h的分析场数据以及多普勒雷达、风云卫星资料,对2013年6月24日浙江北部一次短时大暴雨天气过程的特征及其成因进行了中尺度分析,结果表明:受西太平洋副热带高压西北部边缘的暖湿西南气流和850hPa暖切的共同影响,引发了浙江北部的短时大暴雨天气。在有利的大尺度环境场和物理量场配合下,当低层925hPa的中尺度辐合线和对流层中层700hPa的垂直上升运动区相重合时,中尺度辐合线附近会产生强对流,这对强对流的发生发展具有一定的预报指示意义。此次暴雨过程与中尺度辐合线密切相关,中尺度辐合线是由偏东风和东北风辐合而成,该辐合线先于降水存在,而且从地面一直伸展到对流层中层,之后触发了浙北地区的短时大暴雨天气,强降水区域和强回波带落在中尺度辐合线附近区域。     

海口美兰机场一次雷雨天气的分析

利用GMS-5红外逐时Tbb资料和客观分析资料,分析2002年海口美兰机场一次雷雨天气产生的云图特征和相应大尺度环境场特征。认为该强对流天气是由中尺度对流系统造成的,该中尺度对流系统是在合适的西风槽前的大尺度环境场背景下,在有利的水汽场、涡度场、散度场中发展起来的。它单独起源于海南岛中部陆地上空,其生命史约为11小时。     

冀南平原7·27局地大暴雨中尺度特征分析

为提高对短时局地强降水系统演变的认识，探索短时强降水天气特征及成因，利用FY-4A气象卫星及天气雷达遥感产品，并借助地面及探空资料，对2019年7月27日冀南平原一次局地大暴雨过程进行中尺度时空演化特征分析。结果表明，本次过程是在副热带高压外围，受高空槽以及低层切变线影响生成的局地强降水天气。降水系统内的对流组织主要经历了“新生发展-合并加强-降水维持-移出消散”的演化过程。本次冀南平原地区大暴雨的成因主要包括：两个初期发展的对流系统的合并加强，前期外围对流活动提供了充沛的水汽环境，强对流系统形成了低层旋转、中层强辐合的中尺度垂直环流结构，各层辐合中心空间位置基本一致，有利于水汽供应并维持云中液滴的高效碰并增长。研究结果对冀南平原短时强对流天气的临近预报预警提供了科学依据。