攻堅克難我國強對流天氣預(yù)報技術(shù)不斷發(fā)展
發(fā)布日期：2014-04-22 閱讀數(shù)（）
3月28日至31日，江南、華南地區(qū)先后經(jīng)歷了今年首場大范圍強對流天氣過程。從3月26日開始，中央氣象臺便捕捉到了此次強對流過程即將出現(xiàn)的征兆，并在3月28日到31日連續(xù)發(fā)布強對流天氣預(yù)警。由于具有突發(fā)性、局地性等特點，強對流天氣預(yù)報被稱為“世界性難題”。記者近日采訪了強天氣預(yù)報中心主任毛冬艷，了解近年來我國在強對流天氣預(yù)報技術(shù)上的“突破”。
“最原始的強對流預(yù)報圖就是一個個大圓圈。”毛冬艷比劃著說，這個大圓圈只能展示強對流天氣的大體落區(qū)。在這個圓圈中，強對流家族成員“擠”在一起，模糊了彼此的身份。現(xiàn)如今，強對流天氣成員，如短時強降水、雷雨大風(fēng)和冰雹已經(jīng)在預(yù)報圖上擁有了各自明確的“身份”和“屬地”。毛冬艷說：“從籠統(tǒng)的強對流落區(qū)預(yù)報到現(xiàn)今的分類精細(xì)化預(yù)報是強對流天氣預(yù)報的最大進(jìn)展”。
對不同類型強對流天氣的精細(xì)預(yù)報，有利于不同行業(yè)的人員以及公眾進(jìn)行有針對性的防范，更大限度地避免損失。
能做到這一點，主要歸功于基于強對流天氣發(fā)生發(fā)展物理條件的定量化分析技術(shù)。通過分析，預(yù)報員建立了有利于不同類型強對流天氣發(fā)生發(fā)展的物理條件及其閾值區(qū)間，在實際業(yè)務(wù)中，結(jié)合數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，有助于預(yù)報員判斷其環(huán)境條件有利于哪種類型的強對流天氣發(fā)生。
“水汽、抬升、穩(wěn)定度等條件可以看作不同的‘配料’，這些配料以不同的方式組合便會產(chǎn)生不同類型的強對流天氣。”毛冬艷說。對近十年的歷史資料分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)具備強對流天氣發(fā)生發(fā)展的基本物理條件時，如若大氣整層濕度都比較高，則更有利于短時強降水的發(fā)生。如果在中層（5000米左右）存在一個干冷層，同時低層具有較好的暖濕條件，表明不穩(wěn)定能量比較高，容易出現(xiàn)對流行大風(fēng)。冰雹一般“藏身”于雷暴云之中，溫度層結(jié)決定了雷暴云中是否會有固態(tài)粒子，此時，預(yù)報員便會重點關(guān)注大氣溫度的垂直分布，如0℃層以及-20℃層的高度，從而偵查出雷暴云中是否“窩藏”了冰雹。
正是對不同物理條件的定量化分析，借給預(yù)報員一雙“慧眼”，幫助他們識別出各種強對流天氣的“真實面目”。
“強對流預(yù)報是一塊難啃的骨頭。”毛冬艷如是說。與冬季寒潮這種可以自北向南橫掃數(shù)千公里的大尺度系統(tǒng)不同，強對流天氣“身材嬌小”，水平尺度一般小于200公里，有的僅有幾公里。由于中尺度天氣系統(tǒng)有局地性強、空間范圍小、持續(xù)時間短等特點，預(yù)報員對中小尺度對流性天氣的認(rèn)識還有很多空白，特別是對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和發(fā)生發(fā)展的物理機制的認(rèn)識還有待提高，這些都給預(yù)報帶來了較大的困難。
中央氣象臺盡管已經(jīng)研發(fā)了對不同類型強對流天氣的客觀預(yù)報技術(shù)，但還只是剛剛起步，需要進(jìn)一步深入發(fā)展。一個對強對流天氣的科學(xué)合理的檢驗標(biāo)準(zhǔn)也亟待建立。因為只有在實踐過程中，科學(xué)衡量自身的預(yù)報水平，發(fā)現(xiàn)問題和不足，才能逐步提高強對流預(yù)報水平。
面向未來：發(fā)展核心技術(shù)是關(guān)鍵
“根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，發(fā)展核心技術(shù)是至關(guān)重要的。”
那么，哪些才是中央氣象臺未來需要發(fā)展的核心技術(shù)呢？
毛冬艷介紹說，這其中包括基于多源觀測資料的融合技術(shù)、建立強對流天氣的中尺度物理模型、融合外推算法與數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的短時預(yù)報技術(shù)、對數(shù)值模式的解釋應(yīng)用以及集合預(yù)報技術(shù)在強對流天氣中的應(yīng)用等。
除了雷達(dá)、衛(wèi)星等，與強對流預(yù)報相關(guān)的非常規(guī)觀測資料，包括風(fēng)廓線觀測資料、微波輻射計觀測資料等也日益豐富，預(yù)報員在短時間內(nèi)難以查看所有資料并尋找其中有用的信息。因此，未來將開發(fā)基于多種資料的“多源資料融合技術(shù)”，將不同觀測資料同化成三維、立體的天氣模型，將碎片化信息整合到一起，使得預(yù)報員在短時間內(nèi)掌握有用的信息。
繼續(xù)發(fā)展不同類型強對流天氣的中尺度物理模型也是未來技術(shù)發(fā)展的重要組成。在以往建立以天氣尺度的系統(tǒng)配置為主的天氣概念模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立基于衛(wèi)星、雷達(dá)、自動站等高分辨資料、反映中尺度天氣系統(tǒng)特征的中尺度物理模型，如其在雷達(dá)和衛(wèi)星上呈現(xiàn)出的特點、垂直結(jié)構(gòu)如何，地面上中尺度系統(tǒng)的演變?nèi)绾蔚龋诡A(yù)報員能夠從高分辨率資料中分析出中尺度系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，有助于做好短時臨近時效內(nèi)的強對流天氣預(yù)報預(yù)警。
優(yōu)化對于短時臨近預(yù)報的算法也是做好預(yù)警的關(guān)鍵所在。一般來說，對于兩小時之內(nèi)的預(yù)報以外推算法為主，即根據(jù)過去的實況推算出系統(tǒng)未來的移動方向和速度。然而中尺度系統(tǒng)瞬息萬變，兩小時以后便可能已經(jīng)發(fā)生巨大的變化，因此需要運用數(shù)值預(yù)報對其進(jìn)行補充，如何將外推算法和數(shù)值模式預(yù)報進(jìn)行有效結(jié)合，也是未來亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。
強天氣預(yù)報中心也在探索使用集合預(yù)報方法進(jìn)行強對流天氣預(yù)報。集合預(yù)報將不同預(yù)報中心制作出的預(yù)報產(chǎn)品集中在一起呈現(xiàn)，因此也被形象地稱為“郵票圖”。相對于確定性預(yù)報來說，集合預(yù)報能夠為預(yù)報員提供更多的可能性，對于強對流天氣預(yù)報尤為重要。近兩年，強天氣中心已經(jīng)開發(fā)了針對強對流天氣的集合預(yù)報產(chǎn)品，并在業(yè)務(wù)中進(jìn)行了初步的應(yīng)用。但如何有效地挖掘集合預(yù)報所蘊含的大量信息，更好地在業(yè)務(wù)中應(yīng)用集合預(yù)報產(chǎn)品，并以集合預(yù)報為基礎(chǔ)研發(fā)客觀概率預(yù)報方法，將是未來研發(fā)的重點。
“未來，我們將緊密聯(lián)合科研院所以及各大專院校的力量一起攻克難關(guān)，啃下這塊硬骨頭。”毛冬艷表示。
圖為2014年雷雨大風(fēng)概率預(yù)報。
上海市氣象局：突破關(guān)鍵技術(shù)提升精準(zhǔn)度與時效
因其“來去匆匆、身材嬌小”等特性，強對流天氣堪稱最難預(yù)報的天氣類型之一。近年來，上海市氣象局科研團(tuán)隊立足強對流天氣預(yù)報研究前沿，突破了快速更新同化預(yù)報技術(shù)（RUC）、強對流天氣預(yù)報檢驗新方法等關(guān)鍵技術(shù)。
高頻次資料同化：更全面地“刻畫”特征
與傳統(tǒng)的雷達(dá)回波與衛(wèi)星圖像外推方法只能在1小時內(nèi)有效相比，數(shù)值預(yù)報能顯著提高強對流預(yù)報的時效性。然而傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報每6小時更新一次模式初值顯然不適合于尺度小、生命史短的強對流系統(tǒng)預(yù)報。因此，進(jìn)行高頻次的資料同化以便使模式初始場包含更豐富的對流系統(tǒng)信息，是提高短時臨近數(shù)值預(yù)報準(zhǔn)確率的關(guān)鍵。近年來，上海市氣象局科研團(tuán)隊致力于短時臨近數(shù)值預(yù)報技術(shù)的研發(fā)，尤其在快速更新同化預(yù)報技術(shù)研發(fā)方面取得了明顯進(jìn)展。
據(jù)中國氣象局上海臺風(fēng)研究所副所長王曉峰介紹，為有效提高上海強對流的預(yù)警時效和準(zhǔn)確率，科研團(tuán)隊采用熱啟動技術(shù)，構(gòu)建了基于ADAS資料同化系統(tǒng)和區(qū)域中尺度數(shù)值模式WRF的快速同化預(yù)報系統(tǒng)。系統(tǒng)采用逐小時循環(huán)同化的方式對雷達(dá)、飛機報、自動站等多種加密觀測資料進(jìn)行同化，更客觀全面地“刻畫”出強對流天氣系統(tǒng)的特征，明顯優(yōu)化了數(shù)值預(yù)報模式的初始場，從而更有效地為中小尺度天氣系統(tǒng)短臨預(yù)報提供1小時到12小時內(nèi)的高時空分辨率的分析及診斷產(chǎn)品。
新檢驗方法：深度挖掘預(yù)報的“潛在價值”
強對流天氣預(yù)報檢驗新方法是科研團(tuán)隊的又一研發(fā)重點。上海中心氣象臺首席預(yù)報員戴建華介紹，對強對流天氣預(yù)報的檢驗非常重要。通過檢驗評估，預(yù)報員可發(fā)現(xiàn)預(yù)報技術(shù)中的問題并促進(jìn)其改進(jìn)和完善。此外，對強對流天氣的檢驗可以給出預(yù)報的可適用性和不確定性，作為用戶的參考，從而提高強對流天氣業(yè)務(wù)預(yù)報能力和服務(wù)效益。傳統(tǒng)的檢驗方法往往只給出簡單的對錯評價，如一旦落區(qū)偏差較大，即使對強對流系統(tǒng)的強度、大小、形態(tài)預(yù)報都比較接近實況，評分依然可能很低，然而事實上這些被掩蓋了的信息恰恰對提高強對流預(yù)報能力十分有價值。
為了彌補常規(guī)檢驗方法的不足，科研團(tuán)隊針對強對流天氣的特點、短臨預(yù)報業(yè)務(wù)需求，采用對比預(yù)報與實際的強對流天氣目標(biāo)之強度、面積、空間距離、形態(tài)和相似度等評價指標(biāo)，研發(fā)了目標(biāo)對象法和尺度模糊法等強對流預(yù)報的最新檢驗方法。其中，目標(biāo)對象法主要關(guān)注對流系統(tǒng)本身的預(yù)報準(zhǔn)確性，尺度模糊法則將強對流預(yù)報置于多個不同的空間尺度進(jìn)行檢驗，同時配以相應(yīng)的預(yù)報檢驗指標(biāo)調(diào)整與合成方法，制定基于用戶需求和使用傾向的強對流短臨檢驗指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了適合我國強對流預(yù)報預(yù)警發(fā)展的強對流短臨預(yù)報新型檢驗業(yè)務(wù)產(chǎn)品，實現(xiàn)了對強對流短臨預(yù)報的綜合檢驗和評價。該成果目前正在向中國氣象局短臨預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)SWAN中移植。
更多新技術(shù)紛紛“助陣”
盡管上海市局在強對流天氣預(yù)報方面開展了大量有針對性的技術(shù)研發(fā)，預(yù)報水平較以前有不少提高，但依然面臨不少難題。戴建華表示，研究發(fā)現(xiàn)，強對流天氣受下墊面影響非常大，城市熱島效應(yīng)、海陸風(fēng)、湖陸風(fēng)等對上海局地強對流的發(fā)生、發(fā)展都有著重要影響。目前，我們對強對流天氣系統(tǒng)的發(fā)展、演變規(guī)律的認(rèn)識依然不足，尤其是強對流天氣發(fā)生的落區(qū)、時段及其發(fā)展演變的預(yù)報方法比較欠缺。下一步，上海市氣象局將進(jìn)一步加強對強對流天氣預(yù)報新技術(shù)的研究，如新一代的混合同化技術(shù)在快速更新同化系統(tǒng)中的可行性研究、基于集合預(yù)報的短歷時強降水概率預(yù)報技術(shù)開發(fā)應(yīng)用等，進(jìn)一步提升強對流天氣預(yù)報能力。
貴州省氣象局：“專屬定制”強冰雹預(yù)報預(yù)警應(yīng)用
4月5日8時至6日8時，貴州出現(xiàn)今年最大范圍雷雨天氣，全省共有85縣1393鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雨。
早在4月4日，貴州省氣象局即作出準(zhǔn)確預(yù)報，并制作重要信息專報：4月5日至6日，貴州省將出現(xiàn)大范圍雷雨天氣。與此同時，六盤水市、黔西南州氣象部門及時開展防雹作業(yè)，作業(yè)區(qū)雹災(zāi)明顯減輕——僅在西南部局地出現(xiàn)小冰雹。
這一切，與“春季強冰雹天氣預(yù)報預(yù)警應(yīng)用技術(shù)”研究成果向業(yè)務(wù)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化密不可分。
貴州地處典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，由于西太平洋、印度洋和南海上空的暖濕氣流帶來充沛的水汽以及高原東側(cè)特殊的地理地貌，貴州氣象災(zāi)害多發(fā)、頻發(fā)。近年來，多次出現(xiàn)的冰雹、雷電、暴雨等強對流天氣給貴州工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)帶來嚴(yán)重的損失。
2007年，貴州省氣象局申報“貴州省突發(fā)性氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)急服務(wù)體系研究”重大科技項目，從突發(fā)性氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警技術(shù)、應(yīng)急服務(wù)指揮平臺和應(yīng)急服務(wù)系統(tǒng)建立開展強對流天氣研究。
作為突發(fā)性氣象災(zāi)害的重要部分，貴州夏半年的冰雹、短時強降水、雷雨大風(fēng)等強對流天氣成為該項目研究的重點。
“基于對天氣雷達(dá)體掃基數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)暴的識別、追蹤和預(yù)警技術(shù)方法研究，采用目前國際上先進(jìn)的序貫蒙特卡洛方法，利用強對流天氣發(fā)生發(fā)展的歷史數(shù)據(jù)通過線性擬合對風(fēng)暴進(jìn)行外推臨近預(yù)報并提供未來15分鐘、30分鐘和60分鐘風(fēng)暴移向的外推預(yù)警產(chǎn)品。風(fēng)暴追蹤系統(tǒng)實現(xiàn)了對風(fēng)暴的自動監(jiān)測和識別、提供了風(fēng)暴頂高、風(fēng)暴路徑、降水估計等多種客觀分析產(chǎn)品。”貴州省氣象局首席預(yù)報員、國家強對流天氣專家?guī)斐蓡T萬雪麗介紹，該項目的創(chuàng)新點就在于找到雷電、大風(fēng)、冰雹、短時強降水等強對流天氣的一般規(guī)律。以冰雹為例，在貴州，一般情況下，45dBz回波高度超過0℃層高度就可判斷即將出現(xiàn)冰雹，這時就可以發(fā)布預(yù)警信息；而當(dāng)45dBz以上回波超過-20℃層高度時出現(xiàn)大冰雹的可能性就比較大。找到這些規(guī)律，在其還未發(fā)展起來前氣象部門提前預(yù)知，為相關(guān)部門和人員采取防御措施贏得寶貴時間。
該項目成效顯著，基于每6分鐘一次天氣雷達(dá)體掃基數(shù)據(jù)的風(fēng)暴追蹤系統(tǒng)，提供了對突發(fā)性天氣的滾動監(jiān)測。其風(fēng)暴識別和預(yù)警、降雹概率、降水估計等產(chǎn)品為預(yù)報員提供了科學(xué)、客觀的預(yù)報依據(jù)，在2013年主汛期強降水、冰雹等天氣短臨預(yù)警工作中，預(yù)報預(yù)警時效性顯著提高。
萬雪麗坦言，強對流天氣屬于中小尺度天氣系統(tǒng)，空間尺度小，其生命史短暫并帶有明顯的突發(fā)性，預(yù)警工作難度很大，現(xiàn)有的降雹概率預(yù)報空報率仍然較高，短時強降水估測準(zhǔn)確率不高。
鑒于貴州“十里不同天”的天氣特點，下一步，省氣象局將在已建成的7部新一代多普勒天氣雷達(dá)、3000多個區(qū)域自動自動觀測站、18部閃電定位儀為主的中小尺度監(jiān)測網(wǎng)的基礎(chǔ)上，增加監(jiān)測密度，提高監(jiān)測能力，開展誤差因子研究，制訂強對流天氣識別指標(biāo)和強化聯(lián)防聯(lián)動，進(jìn)一步加深對強對流天氣精細(xì)化預(yù)報的研究工作。
