雷暴与强对流临近天气预报技术进展

临近预报指0—6h(0—2h为重点)的高时空分辨率的天气预报,预报对象是该时段内出现明显变化的天气现象,主要包括雷暴、强对流、降水、冬季暴风雪、冻雨、沙尘暴、低能见度(雾)、天空云量等,其中,以雷暴和强对流天气的临近预报最具挑战性。综述了针对雷暴和强对流天气的以主观预报为主、结合客观算法的临近预报技术,同时讨论了高分辨率数值预报模式在临近预报中的应用。主观临近预报技术包括基于多普勒天气雷达观测数据并结合其他资料(常规高空和地面观测、气象卫星云图、快速同化循环的数值预报产品等)对雷暴生成、发展和衰减,特别是对强对流天气(包括强冰雹、龙卷、雷暴大风和对流性暴雨)的临近预报,客观算法包括几种应用最广的雷达回波或云图外推算法和强对流天气识别技术。高分辨率数值预报模式的应用包括与雷达回波外推融合延长临近预报时效,与各种观测资料融合得到快速更新的三维格点资料为雷暴和强对流近风暴环境的判断提供重要参考。     

城市空气污染预报方法简述

概括论述了城市空气污染预报的基本方法(潜势预报、统计预报和数值预报)、数值预报的主要特征(空间尺度与预报时效、高分辨率、多化学物质、理化生过程耦合、污染气象与污染物排放特征)及其用于天津和沈阳等城市的空气污染数值预报模式系统(σ中尺度和β中尺度气象预报模式与城市空气污染预报模式)。     

高分辨率数值模式在强对流天气预警中的业务应用进展

结合高分辨率数值模式的业务发展及笔者在使用高分辨率数值模式中的一些经验,分析和总结高分辨率数值模式在强对流天气预报和预警中的国内外应用现状和发展趋势,并通过2014年一次强风雹过程的产品应用分析,指出高分辨率模式产品在业务应用中的两大优势:增加预报员的预期能力;有助于精细化预警和延长预警时效.论文还探讨了高分辨率数值模式在业务应用中需要注意的问题.最后,就我国天气预警业务如何快速从“基于观测分析”向“基于模式预报分析”过渡提出了一些建议,包括尽快建立灾害性天气测试平台、重视高分率数值模式的产品后处理研发和加强针对预报员的数值预报理论及相关技术培训.     

美国数值预报研究动态与业务进展

介绍了近年来美国数值预报研究和业务应用方面的进展和动态,简述了资料分析与同化,高分辨率模式,短期集合预报,热带气旋预报及物理过程参数化等方面的技术进展,并提出了为使数值预报适应未来高性能巨型计算机技术的发展需要考虑的关于模式分辨率,资料的观测及分析同化技术等问题。     

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.     

深圳单点气温的时间滞后集合预报研究

利用欧洲中心TL799 L91模式在深圳的单点气温预报数据和深圳本地的气温观测数据,对比分析了时间滞后集合预报方法与传统确定性预报的预报能力.结果表明:(1)TL799 L91 模式提供的确定性预报对于深圳单点气温有一定预报能力,它的预报误差总体上有随预报提前量增加而增加的趋势,但最近时次的确定性预报并不一定是最佳的预报;(2)时间滞后集合预报总体上优于确定性预报,而且参与集合的成员数量越多则预报准确率大体上越高.所以,时间滞后集合预报可在一定程度上改进单点气温的预报质量,是充分利用更早起报时刻数值预报价值的一种有效途径.     

基于数值预报产品的地面气温BP-MOS预报方法

在山东省临沂市气象局开发的"中尺度数值预报业务系统"的基础上,利用高分辨率的数值预报产品和地面气温观测资料,建立了地面气温的BP神经网络方法预报模型。检验结果表明BP神经网络模型的气温预报准确率高于逐步回归模型和MM5模式输出的气温预报准确率,可应用于实际预报业务中来制作气温的精细化预报。     

基于相似预报法的宁夏雷电潜势预报业务系统

以宁夏雷暴、闪电观测资料和ECMWF、T213数值预报产品为基础,采用VB、VC语言和MS SQL Server数据库等编程技术,研制开发了基于相似预报法的宁夏雷电潜势预报业务系统。系统在客观形势相似和影响系统判别的基础上进行物理量相似离度分析,可提供0～168h环流形势和物理量相似预报结果,并以相似离度最小的前10(20)个最佳相似个例中的一个作为预报蓝本,以人机交互的方式完成0～12h雷电潜势预报的制作与分发,增强了雷电潜势预报的客观化和自动化;实现了历史雷电数据的查询、统计、输出、保存、添加入库及闪电信息的统计显示等功能,成为宁夏雷电潜势预报制作发布的主要工作平台。     

利用起放电模式开展闪电活动的直接预报试验

利用耦合有起电和放电物理过程的中尺度起电放电模式WRF-Electric,开展了华北地区连续3年（2015—2017年）的闪电活动预报试验。结合全国地闪定位观测资料,针对不同影响范围雷暴类型和预报时间,对数值预报结果开展点对点的定量检验,评估模式对闪电活动的预报能力及特点。结果表明:WRF-Electric中尺度模式具备一定的区域闪电活动预报能力,在起报后的6~12 h对闪电活动区域具有较好的预报效果。雷暴落区预报的点对点定量检验中,模式和业务预报在华北主汛期（6—8月）的预报临界成功指数（CSI）均为0.1,模式对于活动范围较小的局地性雷暴过程的预报更具参考价值。模式预报的闪电活动范围相对集中,闪电活动密度偏高,预报的主要问题存在于放电参数化方案的设计。应当考虑到模式空间分辨率对云内电场强度的影响,合理降低闪电参数化中的放电阈值以扩大预报的闪电活动范围。模式在闪电密度的定量预报上还有较大改进空间,单次放电中和电荷量应当更符合观测事实。     

ECMWF、日本高分辨率模式降水预报能力的对比分析

利用2012年4月1日至2013年3月31日ECMWF、日本高分辨率模式降水预报资料,全国2419个台站逐6 h降水量观测、CMORPH(NOAA Climate Prediction Center Morphing Method)卫星与全国3万余个自动站逐小时降水融合资料,基于列联表预报评分、泰勒图等统计方法,客观对比分析ECMWF、日本高分辨率模式对中国逐6、12和24 h分段降水的预报能力,主要结论如下:(1)整体来说,ECMWF对降水的预报优于日本模式,日本模式预报离散度偏大,而ECMWF预报相对平稳,与观测更加一致;(2)两个模式晴雨预报中降水发生频率较实际偏高,暴雨预报频率较实际偏低,随着分段间隔的增加,这一情况有所改善;(3)ECMWF模式6 h分段降水晴雨预报评分低于日本模式,暴雨预报评分整体高于日本模式,12和24 h分段ECMWF模式晴雨、暴雨预报评分一致高于日本模式;(4)通过调整阈值改变预报偏差能够在一定程度上提高预报技巧;(5)就空间分布来看,模式在东南地区Bias、CSI技巧评分整体优于西北地区。     

Assimilation of Radar and Cloud-to-Ground Lightning Data Using WRF-3DVar Combined with the Physical Initialization Method——A Case Study of a Mesoscale Convective System

Radar data, which have incomparably high temporal and spatial resolution, and lightning data, which are great indicators of severe convection, have been used to improve the initial field and increase the accuracies of nowcasting and short-term forecasting. Physical initialization combined with the three-dimensional variational data assimilation method(PI3 DVar_rh) is used in this study to assimilate two kinds of observation data simultaneously, in which radar data are dominant and lightning data are introduced as constraint conditions. In this way, the advantages of dual observations are adopted. To verify the effect of assimilating radar and lightning data using the PI3 DVar_rh method, a severe convective activity that occurred on 5 June 2009 is utilized, and five assimilation experiments are designed based on the Weather Research and Forecasting(WRF) model. The assimilation of radar and lightning data results in moister conditions below cloud top, where severe convection occurs; thus, wet forecasts are generated in this study.The results show that the control experiment has poor prediction accuracy. Radar data assimilation using the PI3 DVar_rh method improves the location prediction of reflectivity and precipitation, especially in the last 3-h prediction, although the reflectivity and precipitation are notably overestimated. The introduction of lightning data effectively thins the radar data, reduces the overestimates in radar data assimilation, and results in better spatial pattern and intensity predictions. The predicted graupel mixing ratio is closer to the distribution of the observed lightning,which can provide more accurate lightning warning information.     

网络化多普勒天气雷达反射率因子的衰减订正

利用国内第一个网络化雷达试验平台的观测资料,基于网络化雷达反射率因子衰减订正算法,对观测数据进行衰减订正。并与单部雷达自适应约束算法和常州S波段雷达观测资料进行比较分析,结果显示订正方案合理。个例分析表明,经过雨区后单部雷达探测的回波强度较弱甚至探测不到,而网络化雷达可以利用多部雷达的共同观测,弥补单部雷达探测上的不足,体现出网络化雷达衰减订正的优势。     

基于TRMM/PR的长江下游地基雷达一致性订正

我国有近200部地基多普勒天气雷达,已经积累了近20年的观测数据,这些数据对雷达气候学研究非常重要。但由于不同雷达的标定误差不同,雷达之间存在观测值不一致性的现象（与美国的地基雷达类似）,有的反射率因子差异超过了3 dB。这种不一致影响了多雷达联合降水估计的精度和雷达组网临近预报的效果。为此,采用筛选比较法对地基雷达与TRMM/PR（Tropical Rainfall Measuring Mission/Precipitation Radar）进行空间匹配和异常数据剔除,以TRMM/PR为参照计算并订正地基雷达偏差。对2013年5—9月长江下游7部S波段雷达数据订正后,结果表明:订正后7部雷达之间的平均反射率因子差异从1.8 dB降至0.5 dB,任意两部雷达之间的差异均小于1.0 dB,多雷达的观测一致性和空间连续性有明显改善。与传统的几何匹配法比较,筛选比较法订正结果相对稳定,不存在过量订正的问题。     

青藏高原那曲地区地闪与雷达参量关系

基于2014—2015年5—9月西藏那曲地区多普勒天气雷达数据,结合地闪观测数据,识别雷暴单体样本,统计分析了地闪位置附近的雷达回波分布特征,并研究了高原雷暴的雷达参量与地闪频次的相关关系。结果表明:那曲地区地闪发生位置附近的雷达最大反射率因子呈正态分布,峰值分布区间集中于34~41 dBZ。发生地闪位置附近的20 dBZ回波顶主要集中于11~15 km高度,30 dBZ回波顶高分布的峰值区间则为8.5~12 km。分析表明:表征局地雷暴对流发展强度的雷达参量与地闪频次之间一对一的相关关系较差,但相关性随地闪频次增加而增强。基于雷达参量分段统计得到的对应分段平均地闪频次与雷达参量之间表现出较强相关关系,体现了宏观上闪电活动强度与雷暴发展强度之间的正向关系。其中,基于原始数值进行区间划分的强回波（组合反射率因子不小于30 dBZ）面积与平均地闪频次的线性相关系数达0.75,基于对数数值区间划分的7~11 km累积可降冰含量的对数值和地闪频次的线性相关系数达0.95。文中对比了多个雷达参量和地闪频次线性拟合与幂函数拟合结果,整体上幂函数拟合略好于线性拟合。     

基于大气层结和雷暴演变的闪电和降水关系

选取2006—2008年发生在北京及其周边地区的28次雷暴过程,基于大气不稳定度参数和雷达参量对雷暴过程进行分类,分析了不同分类条件下的总闪电活动 (SAFIR3000三维闪电定位系统观测) 和对流降水 (雷达反演) 的关系。结果表明:整体而言,总闪对应降水量的平均值为1.92×107 kg·fl-1。依据对流有效位能和抬升指数对雷暴进行分类的分析表明,较强的不稳定状态对应了较小的总闪对应降水量,同时总闪频次和对流降水量的相关性更好。基于雷达特征参数的分类分析表明,总闪对应降水量在对流运动较弱情况下最小,其次是对流运动较强的情况下,而对流运动适中时最大。     

飑线系统中的闪电活动与雷达回波特征的相关性研究

基于北京宽频带闪电网（Beijing Broadband Lightning Network,简称BLNet）获得的全闪三维定位和多普勒天气雷达等资料,详细分析了2015～2017年北京暖季7次强飑线过程的闪电活动与雷达回波强度之间的关系。结果表明,闪电主要发生于前部线状对流云区内且集中分布在30 dBZ以上的强回波区域,少部分的闪电分布在后部的层状云区域内。从闪电辐射源三维分布结构可以发现,闪电活动大部分处在6～11 km的高度范围。将能够同时反映强回波深度和面积的0～?30°C温度区域内大于30 dBZ雷达回波体积（V_30dBZ）作为强回波指标,并与闪电活动进行统计分析发现,整体上在7次飑线过程中,总闪频数和V_30dBZ存在较好的相关性,其中5次过程的闪电频数峰值同时或提前于V_30dBZ的峰值出现,二者的时滞相关系数超过0.61,提前时间为0～96 min。另外两次过程中闪电峰值落后于V_30dBZ峰值,落后时间分别为30 min和60 min。研究结果不仅对认识闪电与对流活动的关系有重要的科学意义,也可为闪电资料在数值模式中的同化应用提供科学依据。     

PRELIMINARY STUDY ON THE INFLUENCE OF FY-4 LIGHTNING DATA ASSIMILATION ON PRECIPITATION PREDICTIONS

Data from the lightning mapping imager on board the Fengyun-4 meteorological satellite (FY-4) were used to study the assimilation of lightning data and its influence on precipitation predictions. We first conducted a quality control check on the events observed by the first Fengyun-4 satellite (FY-4A) lightning mapping imager, after which the noise points were removed from the lightning distribution. The subsequent distribution was more consistent with the spatial distribution and range of ground-based observations and precipitation. We selected the radar reflectivity, which was closely related to the lightning frequency, as the parameter to assimilate the lightning data and utilized a large sample of lightning frequency and radar reflectivity data from the eastern United States provided by Vaisala. Based on statistical analysis, we found the empirical relationship between the lightning frequency and radar reflectivity and established a look-up table between them. We converted the lightning event data into radar reflectivity data and found that the converted reflectivity and composite reflectivity of ground-based radar observations showed high consistency. We further assimilated the lightning data into the model, adjusted the model cloud analysis process and adjusted the model hydrometeor field by using the lightning data. A rainstorm weather process that occurred on August 8, 2017, in south China was used for the numerical forecast experiment, and three experiments were designed for comparison and analysis: a control experiment, an experiment without the assimilation of FY-4 lightning data (NoLig), and an experiment with the assimilation of FY-4 lightning data (Lig). The results show that after assimilating the FY-4A lightning data, the accuracies of the intensity, central location and range of the precipitation predicted by the Lig experiment were obviously superior to those predicted by the control and NoLig experiments, and the effect was especially obvious in the short-term (1–2 hour) forecast. The studies in this paper highlight the application value and potential of FY-4 lightning data in precipitation predictions.     

鹤壁市雷暴短时监测和临近预报流程

利用卫星云图数字化资料、雷达探测和雷电定位探测资料对雷暴天气进行短时监测 ,并与多种短期预报方法集成 ,建立时效为 3～ 6小时的雷暴临近预报流程 ,从而达到预测强对流天气之目的。     

强对流天气综合监测业务系统建设

强对流天气监测是其预报的基础.国家气象中心强天气预报中心利用多源观测资料(常规和非常规资料)建设了强对流天气综合监测业务系统.强对流天气的监测对象包括积云、地面高温、雷暴、地闪、冰雹、龙卷、大风、雷暴大风、短时强降水、雷暴反射率因子、对流风暴(基于雷达资料)、深对流云及中尺度对流系统(Mesoscale Convective Systems,MCS,基于静止卫星红外1通道资料)等不同时段的分布.发展的监测技术主要包括自动站资料质量控制技术、强对流信息提取和统计技术、直角坐标交叉相关雷达回波追踪(Cartesian Tracking Radar Echoes by Correlation,CTREC)技术、雷暴识别追踪分析和临近预报(Thunderstorm Identification Tracking Analysis and Nowcasting,TITAN)技术、深对流云识别技术、中尺度对流系统识别和追踪技术,以及闪电密度监测技术等.强对流天气监测系统自动定时运行,其输出数据与MICAPS业务平台完全兼容.该监测系统在国家气象中心的强对流天气预报业务中发挥了重要作用.     

不同下垫面雷暴雷达回波特征与地闪的关系

利用闪电定位资料和雷达资料,研究了宁波市城区、山区和海陆三种地区增强型雷暴的闪电活动特征,结果表明：城区增强型雷暴的≥50 dBz组合反射率面积和≥9 km、≥10 km回波顶高的回波面积,以及山区增强型雷暴的≥45 dBz组合反射率面积和≥12 km的回波顶高的回波面积,这些指标与每6 min地闪次数都有很好的相关性;而海陆增强型雷暴的≥10 km回波顶高的回波面积与每6 min地闪次数的线性关系明显,相关系数高达0.916;3种增强型雷暴对地闪密度分布的影响各有不同,城区增强型雷暴会产生更多的地闪。