定量降水预报技术进展

为提升现有业务系统的降水临近预报（0—2 h）能力,以业务应用为目标,基于中国气象局强对流天气短时临近预报系统—SWAN （Severe Weather Automatic Nowcasting）开展降水临近预报算法改进和应用评估研究。首先使用分钟雨量数据,采用分雨团的雷达-雨量站降水订正技术,提高降水的实况订正频率,提升定量降水估计格点场的准确率;再通过基于光流法的回波运动矢量反演技术优化改进回波运动矢量;最终将改进后的定量降水估计格点场和外推矢量相结合进行降水临近预报。通过对2021年7月全国1 km分辨率回波和降水临近预报检验评估和个例分析发现：（1）改进的基于光流法的回波运动矢量反演技术可以捕捉不同天气尺度下的回波运动规律,反演结果具有较好的一致性和平滑性,可以提高外推的准确率。（2）新的降水临近预报子系统和现有SWAN系统相比,在0—1 h预报中,TS评分相对提高50%以上,Bias更趋近于1。在1—2 h预报中,除了20 mm/h的强降水以外,TS评分相对提升约20%,Bias下降1—3。新的降水临近预报子系统基于SWAN算法标准开发接口实现,运行效率满足业务需求,预报性能得到明显提升,具备业务应用的潜力。     

基于DBSCAN聚类的2σ闪电跃增算法应用

针对业务运行中雷达观测存在遮挡和雷达产品延迟,提出利用带噪声基于密度的空间聚类(density-based spatial clustering of applications with noise,DBSCAN)算法对闪电数据的聚类结果替代雷达产品,并分别利用北京三维闪电定位网(Beijing Total Lightning System,BJTLS)和升级后的国家闪电定位网(DDW1)总闪数据,应用2σ闪电跃增算法对北京2022年6月4日和12日两次强对流致灾过程进行临近预警,对比强对流单体识别法和DBSCAN聚类法的预警效果。结果表明:两种算法和两种闪电数据均能有效预警北京地区的灾害性天气,基于BJTLS总闪数据的预警效果较优;对于BJTLS总闪数据,两种方法的预警效果相当,预警命中率、误报率、临近成功指数和平均预警提前时间依次分别为100%,11.9%,88.1%,38.9 min和100%,13.3%,86.7%,42.8 min;仅利用闪电数据并应用2σ闪电跃增算法可对灾害性天气进行临近预警,摆脱对雷达产品的依赖。     

北京2008奥运会天气预报示范项目基本情况简介

对北京2008奥运会天气预报示范项目的来源、组织形式、参与系统及项目实施意义进行了逐一介绍。总体来讲,参与项目的8个临近预报系统设计理念都非常先进,大量应用了先进探测资料和数值模式输出产品,针对北京地区开展了本地化工作,并充分应用了GIS技术,以满足奥运气象保障的需求。此外,8个系统又独具特色,产品丰富多样,算法原理先进,如CARDS提供了点预报产品,SWIFF中采用多阂值和核抽取技术的风暴产品;TIFS使用了临近预报集合方法;BJ—ANC中的边界层辐合线识别算法;SWIRLS中的云地闪初生算法等。     

湘东北一次大暴雨“列车效应”特征分析和预警服务

2014年5月9日晚湘东北出现一次大暴雨天气过程。利用常规观测资料、中小尺度自动雨量站资料、多普勒雷达产品对此次大暴雨的＂列车效应＂雷达回波特征及其成因进行分析,并对这次过程的短临时预警服务进行了探讨。结果表明：＂列车效应＂回波带主要由积状云为主的混合型回波组成,对流强降水明显;低质心结构的回波特征有利于短时暴雨的发生;径向速度图上的＂牛眼＂特征表明有强盛的西南急流存在,＂列车效应＂发生在急流轴的左侧;逆风区的出现和长时间维持为＂列车效应＂提供了动力条件;925 h Pa湘西南-湘东北的切变线和地面低压倒槽暖区内出现的中尺度辐合线位置重合,配合低空西南急流的增强是形成＂列车效应＂的主要原因;多普勒雷达特征分析为短临预警服务提供了准确的判别依据。     

WINDEX在民航济南机场的应用举例

WINDEX是1994年McCann提出的预报下击暴流潜势的一个新指数。通过分析2001年7月2日的一次强雷暴带来的下击暴流，发现WINDEX在我国某些地区(例如济南)可能有一定用处，值得进一步尝试。     

基于多变量LSTM神经网络模型的风暴潮临近预报

台风的风暴潮是台风引发的一种重要次生灾害,对沿海城市带来的威胁是多方面的。及时准确地预报风暴潮,对沿海地区采取合理措施减少人员伤亡和经济损失具有重要意义。本文利用长短期记忆神经网络 （LSTM） 模型,综合考虑风速、 风向、气压等气象因素和前时序的潮位数据,建立了风暴潮的临近预报模型。结果表明,基于 LSTM 的临近预报模型具有相当的预报技巧,利用前时序的风速和风向数据以及潮位数据建立的模型可对风暴潮潮位进行准确地预测。研究还表明,仅考虑前时序潮位的预测模型误差最大,考虑气压后的模型预测能力有一定进步,而考虑风的要素以后,预测的效果提升更为明显。     

中国电离层TEC现报系统

作为最重要的电离层参量之一,电离层电子浓度总含量(TEC)可以通过当前广泛使用的全球定位系统(GPS)的信标进行观测.我们在我国北起漠河、经北京和武汉、南到三亚四个观测站建立了GPS接收站,经单站数据处理后将原始的单站GPS TEC观测数据上载到北京数据处理中心;采用我们发展的经验基函数模式算法,用实测数据估算格点TEC并提供给用户,同时生成覆盖中国疆域的TEC地图并在因特网上实时发布.这一电离层TEC现报系统是我国首个类似的技术系统,在观测站布局和TEC地图算法上有所创新.该系统已用于实时监测我国电离层环境,并可为我国卫星定位导航和测控等技术系统的电波修正提供实测电离层数据.     

基于雷达回波区域跟踪算法的临近预报技术进展

目前,临近预报技术主要包括外推技术、数值预报技术以及概念模型预报技术等。而业务上主流的临近预报技术以外推为主,主要以雷达资料为基础,采用雷达回波单体质心跟踪算法或雷达回波区域跟踪算法,得到雷达回波以及降水的临近外推预报。本文详细介绍了3种基于雷达回波区域跟踪算法(交叉相关回波跟踪算法、光流法和变分回波跟踪算法)的临近预报技术的国内外研究进展和基本原理。大量的研究和业务实践结果表明,雷达回波区域跟踪算法作为临近预报专家系统的核心部分,在对流天气临近预报方面有较好的可预报性,在临近预报业务时效内,外推预报结果和实况接近,优于数值模式预报。而通过对算法的不断改进,可以提升各临近预报专家系统在临近预报方面的性能。随着天气雷达技术的不断进步,天气雷达在硬件和软件两方面都逐步改进,雷达资料的数据质量明显提高,在对流天气临近预报上,基于雷达回波的区域跟踪技术会凸显其明显优势。     

暴雨期间GNSS遥感气象要素的时序变化

针对暴雨短临预报准确率不高的问题,该文结合香港地区的暴雨实例,分析暴雨发生期间天气尺度特征和GNSS气象要素的时序变化特点及其各要素之间的相关性。研究结果表明:强烈的西南气流带来丰富水汽,高空强烈的辐散抽吸引起低层气压降低和对流运动的发展,配合中层低槽过境和低层冷空气南下,为暴雨发生提供条件;天顶对流层延迟变化的主要贡献来自大气水汽含量,可以用天顶对流层延迟替代大气水汽含量分析大气中的水汽累计及变化情况;暴雨发生前,气温较高,大气水汽含量和相对湿度时序增长快速,增长强度及其维持高水平状态的时长与后续雨量有较好的对应关系;大气水汽含量和相对湿度时序的上升分别反映了降水之前的充足水汽供应和水汽正在转向于饱和状态。     

一次飑线天气过程多普勒雷达产品分析及临近预报

为了对飑线这类强天气作有效的预报、预警,同时对临近预报系统的预报效果作初步的检验,利用常规气象资料、自动站资料、多普勒雷达资料,结合临近预报系统分析了2006年8月1日北京地区飑线天气过程.结果表明:飑线是在有利的天气形势下发生的,飑线上强风暴的强度大、高度高;飑线速度剖面图中显示有低层辐散、中层辐合、高层辐散的特征;垂直累积液态水含量迅猛增加到比较大的数值对冰雹预报有很好的指示意义;在冰雹指数产品中以强冰雹概率大于30%作为冰雹预警门限则有较好的效果;边界层辐合线起到了触发对流和加强对流的作用.临近预报系统可作为强对流临近预报的有力工具.