攻堅克難我國強對流天氣預報技術不斷發展
發布日期：2014-04-22 閱讀數（）
3月28日至31日，江南、華南地區先后經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的征兆，并在3月28日到31日連續發布強對流天氣預警。由于具有突發性、局地性等特點，強對流天氣預報被稱為“世界性難題”。記者近日采訪了強天氣預報中心主任毛冬艷，了解近年來我國在強對流天氣預報技術上的“突破”。
“最原始的強對流預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。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。現如今，強對流天氣成員，如短時強降水、雷雨大風和冰雹已經在預報圖上擁有了各自明確的“身份”和“屬地”。毛冬艷說：“從籠統的強對流落區預報到現今的分類精細化預報是強對流天氣預報的最大進展”。
對不同類型強對流天氣的精細預報，有利于不同行業的人員以及公眾進行有針對性的防范，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生發展物理條件的定量化分析技術。通過分析，預報員建立了有利于不同類型強對流天氣發生發展的物理條件及其閾值區間，在實際業務中，結合數值預報產品，有助于預報員判斷其環境條件有利于哪種類型的強對流天氣發生。
“水汽、抬升、穩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現，當具備強對流天氣發生發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，表明不穩定能量比較高，容易出現對流行大風。冰雹一般“藏身”于雷暴云之中，溫度層結決定了雷暴云中是否會有固態粒子，此時，預報員便會重點關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千公里的大尺度系統不同，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有局地性強、空間范圍小、持續時間短等特點，預報員對中小尺度對流性天氣的認識還有很多空白，特別是對其內部結構和發生發展的物理機制的認識還有待提高，這些都給預報帶來了較大的困難。
中央氣象臺盡管已經研發了對不同類型強對流天氣的客觀預報技術，但還只是剛剛起步，需要進一步深入發展。一個對強對流天氣的科學合理的檢驗標準也亟待建立。因為只有在實踐過程中，科學衡量自身的預報水平，發現問題和不足，才能逐步提高強對流預報水平。
面向未來：發展核心技術是關鍵
“根據業務發展的需求，發展核心技術是至關重要的。”
那么，哪些才是中央氣象臺未來需要發展的核心技術呢？
毛冬艷介紹說，這其中包括基于多源觀測資料的融合技術、建立強對流天氣的中尺度物理模型、融合外推算法與數值預報產品的短時預報技術、對數值模式的解釋應用以及集合預報技術在強對流天氣中的應用等。
除了雷達、衛星等，與強對流預報相關的非常規觀測資料，包括風廓線觀測資料、微波輻射計觀測資料等也日益豐富，預報員在短時間內難以查看所有資料并尋找其中有用的信息。因此，未來將開發基于多種資料的“多源資料融合技術”，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，使得預報員在短時間內掌握有用的信息。
繼續發展不同類型強對流天氣的中尺度物理模型也是未來技術發展的重要組成。在以往建立以天氣尺度的系統配置為主的天氣概念模型的基礎上，進一步建立基于衛星、雷達、自動站等高分辨資料、反映中尺度天氣系統特征的中尺度物理模型，如其在雷達和衛星上呈現出的特點、垂直結構如何，地面上中尺度系統的演變如何等，使預報員能夠從高分辨率資料中分析出中尺度系統的發生發展，有助于做好短時臨近時效內的強對流天氣預報預警。
優化對于短時臨近預報的算法也是做好預警的關鍵所在。一般來說，對于兩小時之內的預報以外推算法為主，即根據過去的實況推算出系統未來的移動方向和速度。然而中尺度系統瞬息萬變，兩小時以后便可能已經發生巨大的變化，因此需要運用數值預報對其進行補充，如何將外推算法和數值模式預報進行有效結合，也是未來亟需解決的關鍵技術之一。
強天氣預報中心也在探索使用集合預報方法進行強對流天氣預報。集合預報將不同預報中心制作出的預報產品集中在一起呈現，因此也被形象地稱為“郵票圖”。相對于確定性預報來說，集合預報能夠為預報員提供更多的可能性，對于強對流天氣預報尤為重要。近兩年，強天氣中心已經開發了針對強對流天氣的集合預報產品，并在業務中進行了初步的應用。但如何有效地挖掘集合預報所蘊含的大量信息，更好地在業務中應用集合預報產品，并以集合預報為基礎研發客觀概率預報方法，將是未來研發的重點。
“未來，我們將緊密聯合科研院所以及各大專院校的力量一起攻克難關，啃下這塊硬骨頭。”毛冬艷表示。
圖為2014年雷雨大風概率預報。
上海市氣象局：突破關鍵技術提升精準度與時效
因其“來去匆匆、身材嬌小”等特性，強對流天氣堪稱最難預報的天氣類型之一。近年來，上海市氣象局科研團隊立足強對流天氣預報研究前沿，突破了快速更新同化預報技術（RUC）、強對流天氣預報檢驗新方法等關鍵技術。
高頻次資料同化：更全面地“刻畫”特征
與傳統的雷達回波與衛星圖像外推方法只能在1小時內有效相比，數值預報能顯著提高強對流預報的時效性。然而傳統數值預報每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預報。因此，進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信息，是提高短時臨近數值預報準確率的關鍵。近年來，上海市氣象局科研團隊致力于短時臨近數值預報技術的研發，尤其在快速更新同化預報技術研發方面取得了明顯進展。
據中國氣象局上海臺風研究所副所長王曉峰介紹，為有效提高上海強對流的預警時效和準確率，科研團隊采用熱啟動技術，構建了基于ADAS資料同化系統和區域中尺度數值模式WRF的快速同化預報系統。系統采用逐小時循環同化的方式對雷達、飛機報、自動站等多種加密觀測資料進行同化，更客觀全面地“刻畫”出強對流天氣系統的特征，明顯優化了數值預報模式的初始場，從而更有效地為中小尺度天氣系統短臨預報提供1小時到12小時內的高時空分辨率的分析及診斷產品。
新檢驗方法：深度挖掘預報的“潛在價值”
強對流天氣預報檢驗新方法是科研團隊的又一研發重點。上海中心氣象臺首席預報員戴建華介紹，對強對流天氣預報的檢驗非常重要。通過檢驗評估，預報員可發現預報技術中的問題并促進其改進和完善。此外，對強對流天氣的檢驗可以給出預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務預報能力和服務效益。傳統的檢驗方法往往只給出簡單的對錯評價，如一旦落區偏差較大，即使對強對流系統的強度、大小、形態預報都比較接近實況，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報能力十分有價值。
為了彌補常規檢驗方法的不足，科研團隊針對強對流天氣的特點、短臨預報業務需求，采用對比預報與實際的強對流天氣目標之強度、面積、空間距離、形態和相似度等評價指標，研發了目標對象法和尺度模糊法等強對流預報的最新檢驗方法。其中，目標對象法主要關注對流系統本身的預報準確性，尺度模糊法則將強對流預報置于多個不同的空間尺度進行檢驗，同時配以相應的預報檢驗指標調整與合成方法，制定基于用戶需求和使用傾向的強對流短臨檢驗指標和標準，開發了適合我國強對流預報預警發展的強對流短臨預報新型檢驗業務產品，實現了對強對流短臨預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報業務系統SWAN中移植。
更多新技術紛紛“助陣”
盡管上海市局在強對流天氣預報方面開展了大量有針對性的技術研發，預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，研究發現，強對流天氣受下墊面影響非常大，城市熱島效應、海陸風、湖陸風等對上海局地強對流的發生、發展都有著重要影響。目前，我們對強對流天氣系統的發展、演變規律的認識依然不足，尤其是強對流天氣發生的落區、時段及其發展演變的預報方法比較欠缺。下一步，上海市氣象局將進一步加強對強對流天氣預報新技術的研究，如新一代的混合同化技術在快速更新同化系統中的可行性研究、基于集合預報的短歷時強降水概率預報技術開發應用等，進一步提升強對流天氣預報能力。
貴州省氣象局：“專屬定制”強冰雹預報預警應用
4月5日8時至6日8時，貴州出現今年最大范圍雷雨天氣，全省共有85縣1393鄉鎮降雨。
早在4月4日，貴州省氣象局即作出準確預報，并制作重要信息專報：4月5日至6日，貴州省將出現大范圍雷雨天氣。與此同時，六盤水市、黔西南州氣象部門及時開展防雹作業，作業區雹災明顯減輕——僅在西南部局地出現小冰雹。
這一切，與“春季強冰雹天氣預報預警應用技術”研究成果向業務應用的轉化密不可分。
貴州地處典型的亞熱帶季風氣候區，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特殊的地理地貌，貴州氣象災害多發、頻發。近年來，多次出現的冰雹、雷電、暴雨等強對流天氣給貴州工農業生產和人民生命財產帶來嚴重的損失。
2007年，貴州省氣象局申報“貴州省突發性氣象災害監測預警關鍵技術與應急服務體系研究”重大科技項目，從突發性氣象災害預報預警技術、應急服務指揮平臺和應急服務系統建立開展強對流天氣研究。
作為突發性氣象災害的重要部分，貴州夏半年的冰雹、短時強降水、雷雨大風等強對流天氣成為該項目研究的重點。
“基于對天氣雷達體掃基數據進行風暴的識別、追蹤和預警技術方法研究，采用目前國際上先進的序貫蒙特卡洛方法，利用強對流天氣發生發展的歷史數據通過線性擬合對風暴進行外推臨近預報并提供未來15分鐘、30分鐘和60分鐘風暴移向的外推預警產品。風暴追蹤系統實現了對風暴的自動監測和識別、提供了風暴頂高、風暴路徑、降水估計等多種客觀分析產品。”貴州省氣象局首席預報員、國家強對流天氣專家庫成員萬雪麗介紹，該項目的創新點就在于找到雷電、大風、冰雹、短時強降水等強對流天氣的一般規律。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冰雹，這時就可以發布預警信息；而當45dBz以上回波超過-20℃層高度時出現大冰雹的可能性就比較大。找到這些規律，在其還未發展起來前氣象部門提前預知，為相關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分鐘一次天氣雷達體掃基數據的風暴追蹤系統，提供了對突發性天氣的滾動監測。其風暴識別和預警、降雹概率、降水估計等產品為預報員提供了科學、客觀的預報依據，在2013年主汛期強降水、冰雹等天氣短臨預警工作中，預報預警時效性顯著提高。
萬雪麗坦言，強對流天氣屬于中小尺度天氣系統，空間尺度小，其生命史短暫并帶有明顯的突發性，預警工作難度很大，現有的降雹概率預報空報率仍然較高，短時強降水估測準確率不高。
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、3000多個區域自動自動觀測站、18部閃電定位儀為主的中小尺度監測網的基礎上，增加監測密度，提高監測能力，開展誤差因子研究，制訂強對流天氣識別指標和強化聯防聯動，進一步加深對強對流天氣精細化預報的研究工作。
