2007年6月7日大暴雨定量降水精细化临近预报初步探讨

通过利用多普勒雷达资料、运用交叉相关法计算大面积稳定降水回波的移速,用外推法尝试做未来1-2小时定量降水的精细化预报,经检验,1h定量降水预报效果较好,2h定量降水预报在降水回波较稳定时,仍有一定的效果。     

利用多普勒雷达资料作站点雨量及面雨量临近预报

通过对近两年收集的降水过程的雷达回波资料进行统计分析,得到本地区主要降水过程类型及其回波演变特征;利用反射率因子的基数据和风廓线产品数据等资料,运用交叉相关法计算区域速度、读取风廓线得到环境风速度,自动判别降水回波类型、识别回波整体及单体移动速度;应用本地实时的dBz-I关系及线性外推法计算未来1～2 h站点降水量及面雨量,实现降水临近预报自动化;应用自动站雨量资料及雷达联合自动站资料所作的雨强实时分析场对1 h站点雨量预报及区域雨量预报进行初步检验,1～24.9 mm和≥25 mm以上站点预报的平均相对误差分别为58%、33%;区域雨量预报的雨区范围及中心分布与实况具有较好的一致性;2 h降水预报在回波较稳定时,仍有较好的预报效果.     

基于数值预报与雷达外推预报融合方法的降水回波短临预报试验研究

采用傅里叶-梅林变换、多尺度光流法及威布尔分布,对湖北省2020年6—7月4次降水过程雷达回波进行多尺度预报试验及其相位和强度校正。在此基础上,利用双曲正切函数对校正后的模式降水回波预报和雷达回波外推临近预报进行融合。最后,基于预报技巧评分和平均绝对误差及命中率等指标对不同时效、尺度及回波阈值的预报结果进行定量分析。结果表明:(1)融合后的0~3 h降水回波预报在范围和位置上均较模式预报和雷达外推预报改进明显,尤其对强回波预报有明显优势,对对流预报有积极作用;0.01°×0.01°尺度的0~1 h预报效果明显好于其他尺度及预报时效。(2)武汉RUC模式预报效果最差,平均绝对误差(mean absolute error,MAE)最大为6.1~8.2 dBZ,而融合预报效果最好,MAE最小为4.7~6.5 dBZ。0.01°×0.01°尺度下融合预报的命中率(probability of detection,POD)随回波阈值和预报时效增加而降低,而其他尺度下20 dBZ回波阈值的平均POD最大、MAE最小,平均POD(MAE)均高于(低于)其他2种预报。总体来看,融合预报明显优于单一预报,对改进0~3 h定量降水预报有一定参考。     

0～3小时短时定量降水预报算法研究

利用广东省3 km高度CAPPI雷达反射率因子拼图资料,对2012年6月22日一次降水个例进行0～3 h短时定量降水预报算法研究,以期通过改进算法来提高降水短时预报的准确率。在利用交叉相关算法获取回波移动矢量场后,使用五点平滑及卡尔曼滤波的方法对其进行处理,利用处理后的矢量场对雷达回波进行3 h外推,再进行0～3 h降水量预报。研究结果表明,经过滤波处理后可得到时空连续性更好的回波移动矢量场,滤波后回波外推预报效果明显改善,其临界成功指数（CSI）有所提高,空报率（FAR）显著降低,提高了降水预报准确率。      

临近预报的两种高时空分辨率定量降水预报融合算法的对比试验

长期以来,雷达回波外推技术是0—2 h临近预报系统主要采用的方法,但其实际有效预报时间≤1 h,而中尺度数值模式预报则受平衡约束时间的限制,最初2 h的降水预报无效。为解决上述两种预报的缺陷,目前国际上流行采用外推预报与数值模式预报融合的技术,形成统一的0—6 h格点化的高分辨率无缝隙定量降水临近预报系统。对目前流行的两种融合算法（INCA（Integrated Nowcasting and Comprehensive Analysis System）算法及RAPIDS（Rainstorm Analysis and Prediction Integrated Data-processing System）算法）进行了分析和对比试验,以期为业务应用提供借鉴。RAPIDS算法的核心是用自动气象站雨量融合雷达估测得到的定量降水对模式预报的降水强度和位相进行修正;INCA算法则是用数值模式预报的风场修正外推技术的降水移动矢量。两种方法在0—6 h预报时效内,外推预报的权重均逐渐减小,模式预报的权重逐渐增大,从而实现外推预报和模式预报的平滑过渡。试验结果表明,两种方法对降水雨带和降水强度的预报均优于单一的外推预报或模式预报。集二者的优势研发最优的高时、空分辨率降水预报无缝隙融合算法,将有助于进一步提升高分辨率定量降水0—6 h无缝隙预报水平。      

变分回波跟踪算法及其在对流临近预报中的应用试验

目前业务上0—1 h对流天气临近预报仍旧以客观外推为主,采用不同外推算法,得到雷达回波以及降水的外推临近预报。以业务应用为目标,开展了变分回波跟踪算法在强对流天气临近预报中的应用研究。利用京津冀地区的8部新一代多普勒天气雷达逐6 min雷达组网拼图资料,选取2016—2018年夏季发生在京津冀地区的18个典型对流个例,开展变分回波跟踪算法和交叉相关法的0—1 h临近预报对比试验及检验评估。与传统的交叉相关法相比,变分回波跟踪算法采用变分技术求解雷达回波运动矢量场,在计算中使用两个严格的约束条件,运用迭代法进行求解,其得到的运动矢量场更为准确。结果表明,变分回波跟踪算法优于传统的交叉相关法,得到的30、60 min内雷达回波的形状、位置及强度的外推预报和实况更接近,定量检验评分更高:（1）京津冀地区4次典型对流天气过程临近预报对比试验表明,和交叉相关法相比,变分回波跟踪算法可以更好地预报出未来1 h内雷达回波的位置、形态和强度。（2）通过对18个典型对流个例定量检验,发现当雷达回波强度阈值为35和45 dBz时,无论是30或是60 min外推预报,变分回波跟踪算法的命中率（POD）和临界成功指数（CSI）都明显高于交叉相关法,且虚警率（FAR）更低;分天气类型定量检验发现,绝大多数天气类型,变分回波跟踪算法外推预报效果优于交叉相关法。      

基于生成对抗网络GAN的人工智能临近预报方法研究

研究设计了基于生成对抗网络(Generative Adversarial Networks,GAN)的人工智能临近预报方法,并进行了业务试验。该方法利用广东12部S波段天气雷达2015—2017年海量雷达拼图资料进行人工智能学习来做临近预报。GAN方法从一系列雷达观测资料中,运用卷积法提取回波图像信息建立预报模型,并通过损失函数训练模型,得到基于人工智能技术的临近预报。对2018年发生在广东地区的4个天气过程的外推预报试验表明,GAN方法对对流天气过程的回波位置、形状及强度的临近预报多数情况下与实况基本一致,具有较好的预报效果。但是该方法预报的回波范围偏大,对层状云降水的预报效果较差。对西风带系统引起的降水,西南季风降水,东风系统引起的降水以及台风降水的18个个例1 h预报的3个级别的回波强度检验发现,GAN方法对中等强度回波的预报较好,但对强回波的预报效果仍有待提高。     

一种改进短临降水预报的雷达产品应用方法

通过将组合反射率因子、垂直累积液体水两种雷达产品合并成一种新的雷达产品CR_VIL,使用6万多张CR_VIL产品与对应时次6min自动站雨量数据,通过统计分析得到CR_VIL的6min雨量均值表。在短时临近预报系统中根据雷达回波外推结果,使用CR_VIL的6min雨量均值表求得各时段定量降水估测值(QPE)作为该时段的定量降水预报值(QPF),得到预报时效2h,时间分辨率为6min的定量降水预报数据,业务运行中对1h的预报结果进行检验,晴雨预报准确率为87.0%,短时强降水TS=0.106,Bias=1.09,表明CR_VIL应用在业务系统中对短时强降水具有一定预报能力。     

基于雷达外推临近预报和中尺度数值预报融合技术的短时定量降水预报试验

为克服目前中尺度数值模式在对流尺度定量降水短时预报方面的不足,弥补基于“外推”的临近预报技术在2h以上定量降水预报能力方面的缺陷,研究设计了一种基于“外推”临近预报技术和中尺度数值模式的定量降水预报(QPF)融合技术方案,并进行了试验应用.该方案首先基于雷达探测和自动气象站观测的定量降水估计(QPE)结果,对中尺度数值模式输出的定量降水预报在谱空间进行相位校正,分析计算出数值预报和观测的偏差,导出一个附加的数值预报校正场;其次,根据数值预报校正场满足一定时间变化分布的特征,调整相应时段的数值预报降水区域和强度;最后,利用双曲正切线权重函数,对校正后的数值模式定量降水预报和基于临近预报技术的定量降水预报进行融合,融合权重根据典型环流特征动态变化.融合后的定量降水预报在前1-2h表现出主要依赖“外推”临近预报结果,之后随着融合权重的变化,数值预报对融合结果的贡献逐渐加大,直至融合后5-6h占主导地位.通过对京津冀地区2011年夏季5个及2012年夏季2个典型强降水个例的80次预报试验及其检验,表明融合后的0-6h定量降水预报结果改进较为明显,总体优于单独的临近预报技术或者中尺度数值预报模式的结果.     

复杂地形下C波段雷达定量降水估计算法

C波段雷达定量降水估计（QPE）精度受到很多因素的影响,主要包括:（1）雷达标定,（2）非气象回波的干扰,（3）降水物垂直空间变化,（4）地形或地物的严重遮挡,（5）Z-R关系的代表性,（6）雷达拼图的质量,（7）雷达观测回波衰减等。文中雷达定量降水估计算法基于陕西省C波段天气雷达展开,从雷达探测数据质量控制、地形遮挡、Z-R关系和雷达拼图等方面提高C波段天气雷达定量降水估计的精度,产生降水类型产品和1 h定量降水估计产品,产品空间分辨率为0.01°×0.01°,时间分辨率为6 min。通过对7次降水过程进行评估,结果表明:基于混合仰角反射率因子处理模块和降水类型分类模块进行雷达定量降水估计,得到的结果与地面雨量站观测降水接近,1 h累计降水量的统计评分指标均方根误差稳定在3 mm以下,相对误差稳定在50%左右,相对偏差保持在?30%以内,雷达定量降水估计产品的离散度和绝对偏差都较低,表明该算法得到的雷达定量降水估计稳定可靠。      

SWAN产品在“2012·7”沙澧河流域特大暴雨过程中的应用

利用灾害性天气短时临近预报业务系统(SWAN,Severe Weather Automatic Nowcast System),对2012年7月4—5日发生在河南沙澧河流域的大-特大暴雨过程进行SWAN产品特征分析,总结SWAN产品在此次过程短时临近预报、预警中的特征指标,结果表明:(1)1 h降水量30 mm以上站点对应的1 h最大反射率因子97.4%在45 d Bz以上,回波顶高84.6%在11 km以上,反射率因子对短时强降水预报的指示意义较强;(2)垂直积分液态含水量(VIL,Vertically Integrated Liquid Water)高值区与1 h降水量10 mm以上降水区有很好的对应关系;(3)定量降水估测(QPE,Quantitative Precipitation Estimation)对此次特大暴雨过程30 mm以上1 h降水量有较好的估测能力;(4)定量降水预报(QPF,Quantitative Precipitation Forecast)对此次过程1 h降水量30 mm以上的站点预报量级普遍偏小,平均QPF预报误差偏小30 mm;(5)回波移动矢量(COTREC风场)指示着未来风暴移动的方向,且1 h强降水中心与COTREC风场辐合区有一定的对应关系。     

雷达反射率资料的三维变分同化研究

应用天气研究和预报模式(WRF)三维变分系统中一种新的雷达反射率资料间接同化方法来进行反射率资料的三维变分同化研究,评估雷达反射率资料对夏季短时定量降水预报的作用.该方法不直接同化雷达反射率资料,而是同化由反射率资料反演出的雨水和估计的水汽.以2009年夏季北京地区发生的4次强降水过程为例,考察了北京市气象局业务运行的快速更新循环同化预报系统对京津冀地区雷达网的雷达反射率资料的同化性能以及雷达反射率资料和径向风资料同时同化的效果.数值试验结果表明:(1)同化反演雨水或水汽都能改善降水预报,但同化反演水汽对降水预报效果的改善起了更重要的作用;(2)同化反射率资料能极大地提高短时降水预报的效果,其稳定的正面效果可以延伸到6h的预报时效,而同化径向风资料不能得到稳定的正效果;(3)同化雷达资料时,应用快速更新循环同化预报系统是提高短时定量降水预报的一个有效途径.     

雷达反射率反演水汽和温度同化技术在一次飑线过程中的应用研究

针对2020年5月4日发生在江南的一次飑线过程,在逐15 min快速更新循环同化预报系统中,探讨了利用3DVAR方法同化雷达径向风、反射率和反演观测对短时降水、大风和冰雹等灾害天气的预报影响,同时研究了不同冷启动时刻对降水预报的影响。结果表明:冷启动时刻同化反演水汽和云内温度观测,观测强回波区的水汽和降水回波区内位温增量为正。随着循环次数的增加,背景场中虚假对流区的水汽减弱,对流被抑制;正的温度增量主要集中在观测回波大于背景模拟回波区,其增幅明显减小。相对于只同化雷达资料试验,同化"伪观测"资料能明显改善0～3 h内的雷达组合反射率和降水预报,2～5 km上升螺旋度路径与大风、冰雹灾害位置更接近;对0～6 h的1 h累计降水量在1、5和10 mm等级的FSS评分改善明显,随着循环同化次数增多,改进效果先明显增加,6～8 h左右改进效果达到顶峰,随后FSS评分相对雷达同化试验有所下降。在12时(世界时)更新背景场后,相对于05时冷启动明显提高降水FSS评分,且同化"伪观测"资料的积极贡献预报时效更长。     

基于雷达外推和中尺度数值模式的定量降水预报的对比分析

应用广东2010年出现的4次暴雨过程的气象资料,检验分析了临近预报系统（SWAN）和华南中尺度数值模式（GZMM）中的定量降水产品对晴雨及不同类型降水的预报效果,在此基础上探讨了临近预报系统和数值模式在0～6 h范围内的预报能力的交叉点。结果表明：首先,对于晴雨预报,SWAN系统中降水产品随着预报时效的增加预报效果呈现出减弱的趋势,且高分辨（0.02°）产品的下降速度要快于低分辨率（0.12°）;GZMM降水产品（0.12°）在1～3 h预报能力逐步提升,在4～6 h维持相对稳定的水平。对于分辨率同为0.12°的SWAN系统和GZMM模式产品,在第1和第2 h,SWAN产品的CSI评分分别为0.504和0.442,高于GZMM的0.306和0.375,但从第3小时开始GZMM产品CSI评分略高于SWAN产品,表明此后华南中尺度数值模式对晴雨的预报能力优于SWAN系统,交叉点介于2～3 h。其次,进一步检验了上述产品对弱降水（1小时雨量为0.1～2 mm）、一般性降水（2～10 mm）和较强降水（超过10 mm）的预报能力。对于弱降水,GZMM产品CSI评分在0～6 h维持在0.23,高于SWAN产品,表明GZMM模式对于弱降水的预报能力在整体上要强于SWAN系统。对于一般性降水,在0～3 h,分辨率为0.12°的SWAN产品CSI评分高于GZMM产品;两者的CSI评分曲线的交叉点介于3～4 h,即从第4小时开始,GZMM降水产品预报效果更好。对于较强降水,无论是SWAN系统还是GZMM模式,预报能力都呈现出明显的减弱;但SWAN系统在整体上对强降水的预报能力要优于GZMM模式。     

新一代天气雷达灾害性天气警报和短时预报系统

由中国气象科学研究院主持，北京、湖北、广东、安徽和厦门等省市气象局科研人员参与的以多普勒天气雷达实时观测资料为基础的新一代天气雷达灾害性天气警报和短时预报系统于2006年底完成，建立了一整套回波特征参数定量提取技术、风场反演技术、灾害性天气自动识别技术以及自动和人机交互的0～2h暴雨、大风、冰雹的预报和0～2h降水预报技术。     

OTS、MOS和OMOS方法及其优化组合应用于72 h内逐3 h降水预报的试验分析研究

开展了夏半年72 h内逐3 h降水预报试验,针对ECMWF模式预报、基于ECMWF的模式输出统计(MOS)预报、纳入超前空间实况信息的OMOS预报,以及三种预报的最优TS评分订正(OTS)预报,对比分析预报效果,探讨一种多方法结合能够提供良好预报性能的3 h定量降水预报技术方案。结果表明:在短期预报中,MOS预报与OTS订正相结合的MOSOTS综合预报方法的预报性能最好,而且MOS-OTS方法的3 h强降水预报与业务运行的城镇指导预报中融合主客观预报的降水预报相比,也具有一定优势;而在临近3 h预报中,则OMOS预报与OTS订正相结合的OMOS-OTS综合预报方法最优,3 h内0.1、3和10 mm以上降水的TS评分最高,比原始模式预报分别提高73%、198%和483%,Bias评分接近于1,在夏半年的逐日晴雨预报中,OMOS-OTS方法在大部分日期都稳定优于MOS-OTS预报和城镇指导预报。     

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。     

利用天气雷达观测资料预报小流域流量

将天气雷达降水临近预报与半分布式水文模型TOPMODEL(TOPography based hydrological MODEL)相结合,研究了降水临近预报延伸小流域流量预报预见期的可行性。研究流域为淠河(安徽省内)上游的佛子岭流域(1813km~2)内划分出的6个上游源头小流域(约60—100km~2)。用雷达估测的降水得到的流量输出作为参考,与1h降水临近预报得到的流量输出进行比较。结果表明:定量降水临近预报准确率是延伸小流域流量预报预见期的关键;基于所研究的个例,定量降水临近可以延长小流域流量预报预见期平均约0.7h左右,但其延长程度还受到具体降水过程、流域属性等的影响。     

峡谷地形对两次极端降水的作用

利用地面加密自动站、常规观测资料、NCEP再分析资料和两种模式产品,对发生在宜昌峡谷地区2016年7月7日局地极端短时强降水过程和2018年4月22日稳定性极端降水过程形成原因及模式预报性能进行检验分析。结果表明:(1)强的块状回波稳定少动,造成7月7日高效率的对流降水。4月22日降水既有沿山中尺度对流回波造成的对流降水,也有螺旋状涡旋回波形成的锋面层状云降水。(2)山谷风形成中尺度切变线,触发对流,中尺度切变线发展为中尺度涡旋使对流加强是极端短时降水形成的主要原因。(3)地形强迫抬升使对流降水强度明显增大,锋面层状云回波受地形阻挡影响长时间维持是稳定性极端降水形成主要原因。(4)地形相差大的地区模式预报性能差异较大,模式对复杂地形下的对流降水预报偏弱,导致系统强度出现差异,进而影响降水强度预报。     

0～6 h定量降雪(雨)预报技术及其在温哥华冬奥会中的应用

利用中尺度数值预报模式与雷达回波外推技术相结合,围绕SNOWV10项目的科学目标,在自动判识降水相态(雨、雪或雨雪混合物)基础上,利用雷达反演降雪(雨)关系,建立短时(0～6 h)定量降雪(雨)预报方法,并集成到GRAPES-SWIFT临近预报系统,为温哥华冬奥会提供实时场馆预报产品.从2010年2月冬奥会使用情况看,所建立的定量降雪(雨)预报技术,一定程度满足高纬度冬季降雪(雨)临近预报预警的需求,但降水(雨或雪)预报量级偏小,针对场馆的降水预报起止时间节奏偏差较大,各时次预报一致性有待改进.