国家级水文气象预报业务技术进展与挑战

近年来,国家级水文气象预报业务已经取得了明显进展,但与国外先进水平相比还有一定的差距。总结了近十年来国内外水文气象预报业务现状和技术进展,目前国家级的技术支撑状况和所面临的挑战,并提出未来发展计划。目前,水文气象预报技术主要是以基于统计学的致灾阈值模型和分布式水文模型等为主,结合大数据分析与人工智能的气象—水文—地质耦合预报模式将在水文气象预报中发挥重要作用。流域天—空—地基监测、水文气象灾害机理研究和多尺度分析是水文气象预报的重要基础;基于无缝隙精细化智能网格降水的水文气象预报技术及水文集合预报模式是水文气象预报的发展方向。     

水文气象信息概述:观测、融合与再分析

高质量的水文气象观测数据是开展气象和水文灾害监测、预报预警及长期气候变化趋势分析的基本支撑。以降水等水分循环基本要素为重点,简要概述部分单源的观测数据集、二维/三维的融合分析产品和多维的再分析产品的研发进展,及其在水文气象监测预报中的应用。分析表明:气象和水文数据是地球系统中水分循环的最重要体现,二者的有效汇聚和协同质量控制,能更有效地促进其在地球系统模式各分量中的应用;经过多源数据融合分析和同化分析形成的多尺度、高精度、高时效、时空连续的格点化分析场,是智能网格天气预报和气候预测的“零时刻”起点,已经成为无缝隙预报业务的组成部分;经过历史数据同化分析产出的长序列大气、陆面等再分析产品,是气候变化演变评估和监测的重要保障,其应用价值远超观测数据本身。     

汉江流域(陕南段)水文气象服务系统介绍

详细介绍了陕西省安康市气象局搭建的汉江流域(陕南段)水文气象服务系统,该系统利用气象、水文等相关数据,基于精细化预报技术和水文气象模型,从自动化水文气象监测网建设、精细化水文气象预报、水文气象服务、三维仿真化模拟四个方面进行设计,采用人工智能(AI)、大数据(big data)和云计算(cloud computing)技术。该系统为汉江流域陕南段气象水文的监测预报和防汛抗旱气象服务,特别是各大中型水库防汛调度和蓄水发电,提供了精细化的预报服务产品和科学化的应急策略,提高了汉江流域(陕南段)水文气象服务的能力和水平。     

雷电灾害数据可视化分析系统研制

随着社会和经济的发展,雷电灾害造成的经济损失和社会影响越来越大.为了研究雷电灾害发生、发展规律和分布特征,实现相关数据可视化分析,通过基于GIS和ActiveX自动化技术的等值线绘制技术、基于数据库的闪电密度图和极性图绘制策略、基于自绘图层的多普勒雷达图快速绘制方法和基于GIS的闪电数据与雷达回波数据叠加等多种技术手段,研制了雷电灾害数据可视化分析系统VASLDD(Visualized Analysis System of Lightning Disaster Data).该系统使用图表、GIS专题图、等值线、密度图等多种方式,实现雷灾调查数据、雷暴日数据、雷达数据、闪电定位数据的可视化分析,为防雷部门业务和科研工作提供有力的技术支撑.     

水文气象安全问题国际会议简介

2006年9月26-29日在俄罗斯首都莫斯科召开了水文气象安全问题(对于极端气候变化社会学预测和适应性)国际会议。根据WMO报告指出,在全球各种灾害中,水文气象灾害约占总灾害的85％。因此,研究全球及各个地区水文气象灾害安全问题就成为各国科学家和政策制定者以及公众关心的重大问题。会议的中心是围绕极端气候     

多尺度残差金字塔网络模型三维气象要素降尺度研究

本文将研究对象从地面气象要素扩展到三维气象要素;针对三维气象要素空间分辨率提升问题,融合多气象要素交互影响、多尺度作用、多气压层气象要素天气系统配置作用等机理,提出一种多尺度残差拉普拉斯金字塔网络三维气象要素深度学习降尺度模型（Multi-Scale Residual Laplacian Pyramid Network,MSRLapN）。具体地,构造一种多尺度残差模块（Multi-Scale Resolution Block,MSRB）,用于从三维空间多种气象要素中自动提取预报特征;从机器学习领域引入多尺度金字塔技术描述气象要素的多尺度交互作用;然后,通过超分辨重建循环迭代方法,基于大样本历史数据学习订正降尺度预报的误差。在华东气候区,本文针对相对湿度和风速两种气象要素,实现了7种前沿深度学习超分辨降尺度方法的三维空间气象要素降尺度,并将本文提出的方法与这7种深度学习超分辨降尺度方法与之对比,实验结果表明：MSRB模块可从数据中有效提取三维气象要素多尺度作用的特征信息,MSRLapN有效实现了三维气象要素降尺度,效果优于其他对比方法。     

交互式数据语言在气象数据可视化中的应用

科学计算可视化是20世纪80年代后期随着计算机图形学应用的拓广而发展起来的一个新的研究分支，受其推动，数字信息的可视化成为20世纪90年代研究的前缘。随着“数字地球”、“数字城市”、“数字油田”等概念的提出，气象工作者迫切需要更加精确地了解各种气象数据和地形实体。而对于这些复杂的数据资料，目前人们已不能满足于等线图那样的平面描述，更需要建立三维图像，用更接近实际的方式去描述它，从各个不同角度观察它，三维可视化就是实现以上目标的有效手段。实体三维可视化技术是描绘和理解三维实体的一种重要计算机技术，它可以帮助使用者快速、准确理解和描述三维实体，并能协助快速选定感兴趣的目标，为分析、理解数据提供了有利工具。     

流域水文气象耦合的洪水预报研究及应用进展

洪水预报在防洪减灾中具有重要的理论意义和现实意义。论文从流域暴雨的定量降水估算与预报、流域洪水预报水文模型、流域水文气象耦合、流域洪水实时预报系统研发及业务应用等方面回顾了国内外流域水文气象耦合的洪水预报研究与实践的进展,并从洪水预报与气象预报的集成耦合、有物理基础的分布式水文模拟、洪水风险灾害评价等展望了流域洪水灾害预报的一些关键技术和问题。     

三维气象GIS平台关键技术研究与实现

针对三维GIS的发展应用以及气象服务对于高效决策和直观可视性的要求,开发了具有自主知识产权的三维气象GIS平台。本文从体系结构、功能、数据访问及组件方面介绍了系统的设计方法,并详细论述了平台的关键实现技术,包括气象数据组织、气象标绘、二维图层和三维体绘制技术。该系统能够高效加载海量的二三维气象数据,并支持气象标绘和分析等功能。该系统运行稳定,可视化效果突出,为气象数据处理、数值预报、气象模拟仿真等气象服务搭建了一个坚实的三维基础平台,具有重要的应用价值。     

三维可视化技术在雷达三维组网产品显示中的运用

采用三维可视化技术,将三维面重建算法和体重建算法引入气象雷达回波图像的分析中,同时与中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室开发的新一代3D组网拼图产品相结合,对2007年9号台风"圣帕"进行了三维显示。结果表明:对于单部雷达体扫产品,三维组网拼图产品能全面地掌握更大范围内雷达回波的演变过程;相对于单一的二维平面的分析显示,三维可视化技术在构建回波的空间分布状况,尤其是回波的空间结构上有更大的优势,三维可视化技术结合雷达三维组网拼图产品为雷达回波的分析提供了一种更为全面的方式。     

多普勒天气雷达三维可视化分析平台设计与实现

为方便气象业务人员多角度观察雷达回波细节和空间分布情况,本文提出并实现了一个跨平台访问的可交互操作的多普勒天气雷达三维可视化分析平台。首先根据雷达基数据特点提出相邻梯形柱体间隔划分四面体的三维可视化算法,基于B/S模式进行三维可视化分析平台整体架构与设计,最终采用HTML的Canvas技术和WebGL技术实现基于Web的雷达回波的二维、三维可视化显示。试验结果表明,多普勒天气雷达三维可视化分析平台具有良好的三维可视化效果和较好交互式可视化体验,为气象工作者提供了一种有效的雷达回波分析工具。     

GIS MCE技术在农业气象灾害风险评价中的应用

气象灾害风险评价涉及多源、多维、多尺度空间数据与社会经济统计数据,对应用GIS结合MCE技术进行农业气象灾害风险评价进行了研究。利用特尔菲专家测定法建立评价准则,利用空间划分技术建立评价单元,利用属性值空间化技术实现对气象灾害影响因素空间分布特征进行描述,以空间叠置计算获得多准则条件下空间单元决策目标分值,从而实现区域气象灾害风险区划。研究表明,GIS结合MCE技术能够较好地整合与气象灾害风险评价相关的各类空间数据和社会统计数据,实现气象灾害风险的定量化评价。以冰雪灾害致灾因子评价为例,证明以上技术方法具有可行性。     

气象网格数据的快速渲染研究与应用

随着更高精度的气象网格数据在气象业务中的广泛应用,使用高精度网格数据为社会公众提供精细化气象服务的需求越来越旺盛。针对气象网格数据文件大,网页前端动态渲染效率低等问题,提出基于瓦片金字塔模型的网格数据快速传输和渲染技术的研究及应用。采用服务器端的金字塔模型的瓦片动态切割、压缩传输以及浏览器终端的插值和渲染等技术,实现基于B/S框架下HTML5的气象网格数据快速展示的流程。同时,利用中国区域1 km分辨率多源融合实况分析产品,基于微信小程序终端进行检验发布,试验结果表明,百兆级气象网格数据可视化更新时间达毫秒量级,可以广泛应用于各类空间网格数据高效可视化的页面渲染。     

气象灾害灾情共享系统的设计与实现

气象灾害灾情共享系统设计用于实时、历史气象灾害灾情数据的收集、上报、传输、处理、应用和管理。系统分为采集传输、数据逻辑和应用服务3层,由灾情直报客户端、数据传输分系统、灾情预处理和入库分系统、气象灾害灾情收集、整理、分析和评估网站、气象灾害灾情综合数据库组成。重点介绍构建气象灾害灾情系统的灾情数据规范化收集、质量控制和空间化分析等关键技术。在国家级气象部门的业务应用表明,系统实现了干旱、暴雨、台风、高温、低温等气象灾害灾情收集、处理、分析和共享,能够满足灾害性天气预报和服务需求,并对各级气象部门构建气象灾害灾情共享系统具有指导意义。     

气象信息科学视算环境及其若干问题

多维动态气象数据的科学视算环境通过多视角的图形、图像表达方式 ,能够直接、准确地展示复杂多样的天气过程及其时空演变 ,辅助解释人员和预报人员形成天气系统的四维空间 /时间结构 ,已成为天气系统分析的重要工具。文中首先讨论了描述天气系统和天气过程的常用图形、图像表达方式 ,然后通过若干典型天气系统数值模拟结果的示例分析 ,介绍了目前气象信息科学视算环境的主要功能 ,最后结合当前的应用状况和气象科学发展的需求 ,讨论了气象信息科学视算环境中的若干问题及其解决方案 ,并展望了未来气象信息科学视算环境的发展前景。     

高频精细化气象格点数据实时处理系统设计与实现

以高频海量气象格点数据为研究对象，针对传统实时处理系统数据处理效率不高的问题，设计并实现了高频精细化气象格点数据实时处理系统的总体架构和业务流程，在分析海量高频次气象格点数据特点的基础上，设计和实现了符合气象业务需求的分布式存储模型；利用多通道动态感知技术实现了动态多通道的文件处理和文件到达的快速感知触发；利用实时数据快速处理技术实现基于精准位置寻址的快速数据块定位算法，进而实现数据块的精准定位；利用数据按需实时截取技术实现了在空间范围内按需进行裁剪的截取算法，进而实现数据按需抽取；实际业务应用表明，系统有效地提升了半结构气象数值预报产品数据的实时处理效率。     

云南滑坡泥石流灾害精细化气象预警系统

通过开展低纬高原地区MM5 V3不同参数化方案降水模拟试验,建立了基于SGI O350小型机的MM5中尺度数值模式业务系统.使降水预报输出产品时间分辨率小于等于60 min、水平距离分辨率小于等于10 km;对雷达、卫星降水反演资料与气象站及加密雨量站的实测资料用权重法集成为精细化实况降水场;基于滑坡泥石流灾害发生的天气气候背景和不同地质地貌条件下滑坡泥石流与降水的关系研究,采用PP-ES模式,建立了以时间分辨率为12 h、水平距离分辨率为30 km的滑坡泥石流灾害气象等级预报产品为主要内容的云南省精细化滑坡泥石流灾害气象监测预警系统.     

1950—2015年我国铁路气象及其衍生灾害特征分析

利用1964-2015年气象观测资料对河北廊坊冰雹天气的时空分布特征进行分析,并利用MICAPS资料、北京探空资料及多普勒雷达资料研究了廊坊冰雹日的天气形势、物理量特性及雷达回波特征。结果表明：廊坊冰雹日数整体呈下降趋势,20世纪80年代末至90年代初降雹达到高峰期。冰雹天气主要发生在1519时,多持续1～5 min。廊坊冰雹有明显的地域特征,西北部较多。降雹日500 hPa环流形势有4类,并对应3种地面形势。对预报冰雹天气有指导意义的物理量参数阈值为：冰雹开始前对流层中下层存在逆温层或等温层;对流参数SI指数或LI指数<0,中低层假相当位温随高度减小;0 ℃层高度多为3050～4702 gpm,-20 ℃层高度多为5996～8332 gpm,850 hPa与500 hPa温差为27～32 ℃,低层有大的垂直风切变,近地面925 hPa垂直风切变为5.5～15.0 m·s-1·km-1。此外,廊坊冰雹云回波有块状单体和飑线两种结构,回波中心强度普遍大于60 dBz,垂直结构上均有悬垂回波,速度场为逆风区或旋转速度>12 m·s-1的弱切变,VIL普遍大于35 kg·m-2,ET普遍大于11 km。