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.     

雷达资料与中尺度数值预报的融合方法研究及其在临近预报中的应用

通过融合多普勒天气雷达资料与中尺度数值预报产品,发展了一种便于临近预报业务使用的方法。该方法首先通过相关分析计算当前相同时刻雷达估测降水与中尺度数值预报的反射率因子估测降水之间的位置偏差,导出一个位移偏差矢量场;然后,利用人机交互的方式对矢量场进行分区,并对各分区的矢量场进行平滑处理,计算出各分区的平均位移偏差矢量;最后,采用最小二乘法对各分区连续多次的平均位移偏差矢量进行线性拟合,得到各分区平均位移偏差矢量随时间的变化特征,订正未来时段相应区域的数值预报反射率因子估测降水的位置偏差。利用该方法对2012和2013年夏季发生在重庆西部、四川东部的3次强降水天气过程进行临近预报试验并对预报结果进行了检验,结果表明:对0~2 h的临近预报,融合预报效果总体上优于模式预报效果;另外,与雷达外推定量降水预报相比,0~1 h雷达外推预报效果优于融合预报效果,1~2 h融合预报效果优于雷达外推预报效果。     

单多普勒天气雷达在暴雨临近预报中的应用

利用3824－C单多普勒天气雷达资料，分析了暴雨过程中的中尺度系统：低空急流、暖平流、暖切变、冷切变、逆风区的雷达回波特征；通过对它们的识别及与降水特征、暴雨落区的比较研究，表明这些中尺度系统在暴雨的临近预报中都有明确的指示意义。     

An Algorithm on Convective Weather Potential in the Early Rainy Season over the Pearl River Delta in China

This paper describes the procedure and methodology to formulate the convective weather potential （CWP） algorithm. The data used in the development of the algorithm are the radar echoes at 0.5° elevation from Guangzhou Doppler Radar Station, surface observations from automatic weather stations （AWS） and outputs of numeric weather prediction （NWP） models. The procedure to develop the CWP algorithm consists of two steps： （1） identification of thunderstorm cells in accordance with specified statistical criteria; and （2） development of the algorithm based on multiple linear regression. The thunderstorm cells were automatically identified by radar echoes with intensity greater than or equal to 50 dB（Z） and of an area over 64 square kilometers. These cells are generally related to severe convective weather occurrences such as thunderstorm wind gusts, hail and tornados. In the development of the CWP algorithm, both echo- and environment-based predictors are used. The predictand is the probability of a thunderstorm cell to generate severe convective weather events. The predictor-predictand relationship is established through a stepwise multiple linear regression approach. Verification with an independent dataset shows that the CWP algorithm is skillful in detecting thunderstorm-related severe convective weather occurrences in the Pearl River Delta （PRD） region of South China. An example of a nowcasting case for a thunderstorm process is illustrated.     

鹤壁市雷暴短时监测和临近预报流程

利用卫星云图数字化资料、雷达探测和雷电定位探测资料对雷暴天气进行短时监测 ,并与多种短期预报方法集成 ,建立时效为 3～ 6小时的雷暴临近预报流程 ,从而达到预测强对流天气之目的。     

一次大范围强对流天气的中尺度分析

运用１小时间隔的数字红外云图和常规气象资料，分析了１９９２年４月２０－２２日造成我国中南部地区一次较大范围强风雹天气中的中尺度对流系统活动，展示了卫星资料与常规气象资料相结合，中尺度天气分析和临近预报中的潜力。     

强对流天气监测短时预报系统

作者在前３年研究和试验的基础上，研制了一套适合湖南实际情况的较完善的准客观强对流天气监测短时预报系统，它包括图形图象显示，雷达定量估算降水和强对流天气短时预报方法子系统。     

雷暴外流边界与郑州强对流天气

利用2002～2004三年5～8月郑州714CD多普勒雷达回波资料，以90km内向郑州方向移动的回波强度Z≥50dBz、高度H≥9km的回波和郑州附近新生的50dBz以上强对流回波为研究对象，通过分析雷达回波，找出了雷暴外流边界和郑州强对流天气的关系，并和无外流边界出现的强回波对郑州天气的影响进行了对比，得出了对郑州强对流天气临近预报有意义的参考结论。     

2016年6月13—14日山东强对流天气过程的中尺度特征及成因分析

利用NCEP再分析资料、常规观测资料、区域气象观测站资料和多普勒天气雷达资料等,对2016年6月13—14日山东强对流天气过程的中尺度特征、触发条件及雷达回波等进行了分析。结果表明,冷涡前部高空槽和地面气旋造成13日强对流天气,高空冷涡和地面气旋造成14日强对流天气。高空干冷、低层暖湿气流有利于大气对流不稳定度加大。13日对流系统由2个独立的MαCS组成,14日则是由MβCS演变而成的MαCS系统。辐合线和干线是强对流天气的触发条件,两者重合处能诱发对流单体强烈发展。移动路径右偏中层引导风向、高空西北风的切入和地形因素是导致强降雹超级单体发展及持续存在的原因。6 h前的400～1 200 J·kg-1对流有效位能区域与降水落区对应较好。两日强对流天气过程的水汽均以西南向输入、南北向辐合为主;14日过程中渤海湾的水汽输送也很重要。高层更宽阔的MPV异常及显著下传、高低层正负位涡差的增大会造成更强的上升运动和对流不稳定。