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。     

水文气象研究进展

从面向流域的定量降水估测与预报、流域水文模型、水文气象耦合预报三个方面系统介绍水文气象研究进展。研究指出,融合天气雷达、卫星遥感及实况降水等多源信息是精细化定量降水估测产品的主要发展方向;采用多模式降水预报集成技术是提高定量降水预报精度的重要途径;分布式水文模型是流域水文模型的发展方向;引入定量降水预报的水文气象耦合预报模式可以延长洪水预报预见期,水文集合预报是水文预报方法的有效解决途径,而数值预报模式与水文模型的双向耦合模式是另一重要发展方向。     

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。     

我国三维云融合分析业务系统（3DCloudA V1.0）研制与开发

云是地球系统的重要组成部分,能够通过影响大气辐射传输,进而影响地气系统的辐射平衡。目前对于三维云场观测得到的信息均具有一定的局限性,需要通过融合分析,综合多源观测资料的优势,得到更为准确的三维云场信息。三维云融合分析业务系统(3DCloudA-V1.0)基于逐步订正方法,融合数值预报产品、静止气象卫星、雷达等多源数据,实时生成0.05°/h分辨率、覆盖中国及其周边地区(0°~60°N、70°~140°E)的三维云融合分析产品,并通过国内气象通信系统将产品下发至全国气象部门;系统采用模块化的系统框架,开发了EC-Flow调度进程实时监测与自动重启等容错功能,有效地提升了稳定性和可靠性。评估结果表明,通过融合多源观测资料,三维云融合分析产品能够对云顶、云中和云底信息进行更为准确的描述。     

CMA-BJ 2.0版逐时快速更新追赶循环同化预报系统研发及应用Ⅰ：资料同化及系统构建

介绍了CMA-BJ 2.0版区域逐时快速更新循环同化分析及短时预报业务系统在逐时更新循环和资料同化方面的关键技术特点。该系统采用分析增量更新作为初始化方案,有效抑制了初始噪声累积问题;通过充分考虑各类观测资料实际到报截断时长的差异,发展了包括循环分析和更新预报两个部分耦合的逐时追赶循环运行框架,实现了对各类观测资料充分高效的利用,也较好地兼顾了短临预报服务对逐时更新循环预报产品的时效性要求;通过在分析循环的同化背景场部分应用动态混合方案,实现了全球模式大尺度场对区域模式中小尺度热动力场发展的动态约束,有效抑制了快速更新循环预报误差累积导致的大尺度预报场变形的问题;在资料同化方面,实现了中国全国雷达反射率因子拼图资料的同化应用,并通过仅在更新预报部分开展雷达反射率资料同化以规避连续循环同化造成的水汽正向过量累积、调整雷达同化时的背景场误差的方差和长度尺度两方面的策略优化有效提升了雷达同化的应用效果;此外,在CMA-BJ 2.0版系统中实现了中国全国风廓线雷达观测资料的实时同化应用。     

天气与气候再分析的进展与前景

随着业务系统发展,用于数值预报的全球大气观测资料实时分析缺乏时间上的连续性,对观测资料的再分析——有更完整的资料,更高的质量控制,稳定、先进的同化模式和分析系统——极大地提高了记录的均一性,使其可用于监测气候变化。这一工作现在被称为“再分析（reanalysis）”。     

基于前置模式的气象观测数据整合技术实现

为实现地市级气象、水务、水文部门观测数据的整合并解决基层气象业务单位跨省调用本部门自动站数据的问题,基于FTP、Web Service等网络协议和数据交换方法,构建了前置模式共享网络,通过XML文件交换部门间需要共享的观测数据,利用面向对象的编程技术,将多个信息渠道的数据进行了同化处理,在Sql Server数据库环境下完成了多源数据的整合。整合机制和业务系统的建立实现了部门间的信息共享和部门内部自动站数据的跨省调用,为基层气象部门的监测预警、预报服务工作提供了更加全面的基础观测数据。     

GAME再分析资料与NCEP再分析资料在1998年HUBEX试验期的对比分析

1998年夏季中日合作开展了淮河流域能量与水分循环试验（HUBEX），该试验和GAME其他试验的探空加密观测资料作为原始资料的一部分经过同化分析，得到了GAME再分析资料。该文就是以1998年6～8月我国江淮地区的天气过程为背景，对GAME和NCEP两组不同的再分析资料的基本要素场、导数场、降水量场和地面通量场用气候诊断和统计的方法进行了对比分析。结果表明，在对流层低层和中高层GAME再分析资料的基本要素场及地面的降水场和通量场较NCEP再分析资料更为准确；GAME再分析资料能很好地反映出西南涡东移并影响江淮大暴雨的重要天气特征，而NCEP资料则反映不出这一现象。同时还得到，GAME再分析资料优于NCEP再分析资料的主要原因是GAME的资料同化系统中加入了包括HUBEX等气象科学试验的探空加密观测资料。因此，该文证实了GAME的外场加密观测试验—HUBEX等开展的必要性，说明增加观测资料的时空分辨率对于提高我国天气气候的预报准确率具有重要意义。     

气象数据质量分析与评估

MDOS系统实现地面小时数据、分钟数据、日数据、日照、酸雨数据质量控制,观测数据经过本系统实现台站级、省级和国家级三级质量控制。文章分别从站点分布、下垫面环境、观测要素疑误及产生原因、数据可用率等多个方面进行了数据质量的统计、分析与评估,统计了2017年1—6月考核数据,数据可用率高达99.98%,数据质量总体呈优良水平,保证各个应用系统使用数据的及时性和正确性,为数值天气预报、资料同化与再分析、公共气象服务、特色气象服务产品提供更准确的高质量地面气象观测数据。     

淮河流域能量和水分循环观测系统及作用

淮河流域是中国南北气候重要的过渡带,气象灾害频繁发生。这里水网、农田、丘陵、山地、城镇密布,地-气作用复杂,干冷与暖湿空气时常交汇于此,造成局地或流域旱涝经常发生。淮河流域处于梅雨区,且是中国重要的农业生产基地,具有气象和水文综合观测系统,积累了长序列的气象和水文观测资料。因此,淮河流域是研究能量和水分循环的理想试验区。国家自然科学基金重大项目“淮河流域能量与水分循环试验和研究（HUaihe river Basin Experiment,简称HUBEX）”于1998、1999年夏在淮河流域开展了气象和水文联合观测试验。文中回顾了HUBEX试验的目的、观测网设计与布局,介绍了HUBEX推动下的淮河流域综合观测网的发展,总结了HUBEX观测试验对区域气候事件和暴雨等灾害性天气机理研究、提高模式模拟和预报能力及建立长期连续的气象观测数据集等方面的成果和作用。      

气象水文耦合的洪水预报研究进展

从洪水预报中定量降水预报应用进展、面向洪水预报的流域水文模型研究进展、气象水文耦合预报不确定性研究进展三个方面系统介绍气象水文耦合的洪水预报研究进展。研究指出,融合预报员预报的格点化定量降水预报技术是提高面向洪水预报的流域降水预报精度的重要方法,中尺度集合预报技术是提升流域局地性强降水预报能力的主要途径;概念性与物理性相结合的分布式水文模型是面向洪水预报的流域水文模型发展方向;水文集合预报是考虑气象水文单向耦合预报不确定性有效解决技术,贝叶斯系列模型可为分析气象水文预报不确定性提供重要的借鉴意义。     

雷达径向风观测在华北区域数值预报系统中的实时三维变分同化应用试验

以实现业务应用为目标开展了区域多部雷达径向风观测资料的三维变分直接同化应用研究。重点对背景场误差协方差的方差和尺度因子进行调整,形成能够与其他常规观测资料协同同化的雷达径向风同化方案,并建立了京津冀6部多普勒雷达观测资料的实时预处理系统。基于上述工作开展2011年汛期京津冀多普勒雷达径向风观测资料在华北区域快速更新循环同化和预报系统中的实时同化和对比试验,并对应用效果进行了初步评估。实时同化试验期间京津冀地区6部雷达经过质量控制后的径向风数据质量和同化情况的分析结果表明,同化系统有效地吸收了雷达径向风的观测信息并形成合理的分析增量,其中,S波段雷达观测的径向风数据数量、质量和稳定度均明显优于C波段雷达;整体来看,雷达径向风同化对地面和高空要素预报性能的影响基本为中性,且主要影响时段集中在最初的6 h。但降水预报评分结果表明,雷达径向风同化从降水强度、落区和范围等方面均明显提升了系统对对流尺度降水的短时预报性能。同时也应该看到,受制于目前3 h一次的同化更新频率,雷达资料同化的效果往往到对流临近时次才能体现。     

地面观测资料在快速更新同化系统中的敏感性试验

通过对2011年7月31日发生在上海的局地强对流过程,利用快速更新同化系统(SMS-WARR),设计了四个试验,对地面观测资料(常规地面观测资料、加密自动气象站资料)进行敏感性数值试验。结果表明:不同地面观测资料同化对模式初始场的调整作用不同,地面观测资料的疏密影响模式初始场预报,加密自动站气象资料同化对初始温度场、风场的影响最明显;所有试验中,同化所有观测资料的模式能较好地模拟出此次强降水过程,且模拟的地面温度场、风场以及辐合线的演变与实况基本一致;通过分析、比较各试验初始场和预报结果的影响发现,同化所有地面观测资料能改善模式的初值,且观测资料通过循环同化的方式融合进模式,提高了模式对强对流中尺度结构特征的刻画,改善了对局地强对流天气系统的预报效果。     

基于GIS长江中游气象水文预报系统的设计

分析了GIS技术在气象和水文领域的应用现状,探讨了气象与水文综合预报业务对地理信息系统的特殊需求,提出了将气象与水文信息相融合、气象水文信息与GIS有机结合的系统设计思路,明确了基于GIS气象水文预报系统的目标、结构和功能。     

2000年以来我国长江中游区域暴雨研究进展

长江中游地区是暴雨多发区和重灾区,深入认识该区域暴雨形成的中、小尺度天气系统、分析暴雨发生机理与发展暴雨、洪水预报技术,对于我国防洪减灾具有重要意义。针对长江中游区域暴雨从观测到资料分析、机理研究,再到数值预报与水文应用研究,重点从暴雨外场观测试验及资料反演和中尺度资料融合技术、长江中游暴雨MCS(中尺度对流系统)观测分析和理论研究、中尺度暴雨数值模式研究和长江中游水文气象耦合的暴雨洪水预报系统四个方面介绍了2000年以来我国科研业务单位的主要研究进展,并对制约长江中游区域暴雨研究深入与预报水平提高的主要问题进行了简要讨论,对未来的研究趋势进行了展望。     

中国农业气象业务系统(CAgMSS)设计与实现

中国农业气象业务系统(CAgMSS)是基于C/S架构,研发的面向国家级和省级农业气象服务的业务工作平台,主要包括农业气象监测评价、作物产量预报、灾害监测评估、农用天气预报等子系统,是农业气象业务的基础性软件。系统融合现代信息技术和农业气象业务技术,实现了全部子系统数据管理、模型运算、产品制作等业务流程的一体化。系统采用大型关系型数据库规范了农业气象各类业务数据,基于插件技术集成各项业务功能,实现多元数据、多指标、多模型在农业气象监测、评价、预报等领域的综合应用,提高了农业气象产品的定量化、精细化、客观化水平。系统于2012年投入业务应用,基于该系统制作的农业气象情报、作物产量气象预报、农业气象灾害影响评估、关键农时农事气象保障等服务产品,在指导全国农业生产和防灾减灾中发挥了重要作用,明显提高了农业气象业务能力和业务工作效率。     

天津港气象水文综合预报系统

天津港气象水文综合预报系统是针对天津港安全生产特点和需求,集气象、水文要素监测实况和预报于一体、信息量大、获取及时、使用方便的一个具有行业特色的实用专业平台。该系统采用WRF大气模式和ECOM、ADI两种海洋模式以及计算浪高的半经验半理论的公式对海上大风、能见度、风暴潮、风浪进行了模拟计算,并依据自动站的观测数据进行了验证,从而实现了港口大雾、大风、风浪和风暴潮这四个方面的预报模拟,并提供了相关的可视化产品。     

基于ECharts的库区水文及气象数据监测系统的设计与应用

在水电生产中,需要对实时水文气象要素实况和预报数据进行可视化呈现。为满足此需求,基于ECharts可视化技术,采用B/S架构开发库区水文及气象数据监测系统。结果表明,监测系统能将水库流量、降雨实时监测与预测情况以图表的方式呈现;通过对ECharts开源可视化库的再编程实现双图联动,引入System.Data.OracleClient解决asp.net访问Oracle数据库问题;通过编写高效的sql语句实现对数据矩阵的数据提取,使水电用户能够快速查询相关数据与径流量实时计算,并据此做出有针对性的决策,从而提高水电气象服务的质量和水库水情监控能力。     

基于Silverlight的气象信息查询系统设计与应用

为减轻基层气象台站服务人员在气象数据统计分析方面的工作量,提高天气监测和预报服务核心能力,研究开发了基于B/S结构,通过具有RIA(Rich Internet Applications,富网络应用)特性的Silverlight框架,采用WebGIS技术的昆明市气象信息查询系统。系统实现了对预报服务所需实时地面观测数据、精细化预报产品和多普勒雷达回波产品等进行统计查询以及地理信息可视化显示。应用实践表明,系统在天气实况监测、临近预报与灾害性天气预警业务中为气象服务人员提供了直观的气象信息网络平台,为预报服务提供了科学、高效的技术支持。     

风廓线雷达资料质量控制及其同化应用

为更好地同化风廓线雷达观测资料开展了相应的质量控制与同化应用研究。针对2013年5月广东地区13部风廓线雷达的观测数据,采用经验正交函数(EOF) 分析方法对其进行质量控制。相比原始观测,经过质量控制的风场提高(降低)了来自时空大(小)尺度的贡献,较好地滤除了小尺度高频脉动,也较好地保留了大尺度平均状态与局地中小尺度系统的共同影响,并且更加接近ECMWF再分析场。此外,还对质量控制后的数据进行了垂直稀疏化。分别计算了质量控制前、后风廓线雷达观测与NCEP 6 h预报场的差值,对比差值的特征发现,经过质量控制的数据的观测增量更好地满足了高斯分布与无偏假设。针对一个实际天气个例,基于GRAPES 3D-Var同化系统,分析了质量控制后的风廓线雷达资料对模式分析与预报的影响。试验表明,在循环同化过程中加入风廓线雷达资料可以更好地描述模式初始场低层风场的特征,从而对强降水的位置与强度做出更好的预报。针对2013年5月的批量试验表明,同化风廓线雷达资料使短期降水预报有明显的改善。