气象科技管理信息系统

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行业专项成果综述-行业专项成果综述-强对流天气短期概率预报技术研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2020/9/7 16:05:43   标签:   浏览次数:1306

项目编号GYHY201206004

研究周期2012年1月-2015年12月

国拨经费348万元

项目负责人】谌芸

项目骨干成员】谌芸、郑永光、张涛、盛杰、田付友、唐文苑、王毅、刘聪、曾明剑、吴海英、王桂臣、张备、张冰、王易、苏爱芳、王丽、张宁、崔丽曼、李周、吕晓娜、谷秀杰、李朝兴、齐伊玲、赵玉广、王宗敏、李宗涛、田志广、杨晓亮、张南、陈传雷、王式功、尚可政、孔德兵、李德帅、柳志慧、白晓平、胡钰玲、宁贵财

项目承担单位】国家气象中心

项目协作单位】江苏省气象台、河南省气象台、河北省气象台、兰州大学

主要研究成果

在项目组全体成员的努力下,取得了如下研究成果

1)基于长历史站点观测序列,整理形成全国分类强对流天气气候概率分布数据集,针对我国中东部重点地区,形成了包含龙卷、冰雹等天气在内的更精细的分类强对流气候概率统计数据,形成强对流气候概率图集。

2)依据中国季风气候特点将中东部区域性强对流天气过程按照夏季风推进的进程总结了概念模型,并分华中、华东、华北、西北等区域给出更具有本地特色的强对流天气模型。依据建立的概念模型提炼分类强对流天气预报综合图,为国家级强对流天气预报平台提供支持。

3)针对分类强对流天气,根据配料法思想,统计分析了用于表征其环境大气水汽、热力不稳定及能量和抬升触发条件的物理量,并给出了主要物理量的关键阈值信息,最终提取敏感特征物理量,构建了基于实况天气资料的不同类型强对流天气的指标体系。

4)项目采用权重配料法、Logistic模型、分类强对流概率预报算子等方法研发中东部地区不同类型强对流天气的统计概率方法,基于中尺度数值模式建立强对流概率预报系统,提供强对流概率客观预报产品,为强对流概率预报提供支撑。

5)依据我国强对流天气特点,基于ecncep全球集合预报模式,开发了多种表现形式的集合预报概率产品。基于快速更新同化的中尺度数值预报系统GRAPES-RAFS的逐小时降水预报订正产品,利用时间滞后集合预报技术,构建强对流天气的分类落区潜势预报客观产品,为分类强对流概率预报提供支持。

 

成果应用情况

本项目研究成果在国家级及省级、地市级业务单位进行转化,有的集成在气象信息综合分析处理系统(MICAPS3),有利于成果直接转化为预报分析工具或业务平台 ,方便预报人员的业务应用。

1.不同类型区域性强对流天气气候概率特征在预报预警业务中的应用

使用1981-2010年基本站和基准站(756站)观测资料,包含逐小时的天气观测记录,其中强对流天气包括雷暴、短时强降水(≥20mm/h)、冰雹和雷暴大风(雷暴和≥17.2m/s大风同时出现)共计四类,初步建成分类强对流实况数据库。在此基础上,分析了雷暴、短时强降水、冰雹和雷暴大风的气候概率分布特征,建立我国分类强对流气候概率图集。完成华中、华东、华北和西北地区分类强对流天气的统计特征分析。

该成果已经应用国家气象中心强天气预报中心、相关区域省级气象台的实时强对流天气预报业务中,作为强对流天气业务预报的基本参考资料在业务中应用。同时,该成果也作为培训新预报员以及交流预报员的重要气候背景材料。

2.按照季风进退的时空演变规律建立的不同类型的强对流天气概念模型在国家级预报业务系统中的应用。

对2001—2010 年近10年典型强对流天气大尺度环流背景场分析,研究其物理机制、中尺度特征,    按照季风进退的时空演变规律建立的不同类型的强对流天气概念模型。按时间划分,主要分为早春、春季、初夏和盛夏四个时段,按区域和类型则分为贵州江南江淮一带的冷区高架雷暴;江南华南的暖区强对流;华南前汛期暴雨强对流;华北黄淮江淮一带的冷涡强对流;黄淮江淮的暖区强对流以及江南华南的东风带强对流等。

依据提炼的随季风推进强对流天气概念模型在国家级强对流预报平台上建立分类强对流预报综合图,利用数值预报模式产品为分类强对流天气分析和预报提供支撑。

3.不同类型强对流天气的统计概率方法及强对流统计概率预报产品在国家级和省级预报业务系统中的应用

(1)国家气象中心短时强降水特征物理量统计分析在国家级业务单位中的应用

利用国家气象信息中心经过质量控制的基本基准气象站整点观测1991-2009年的整点时刻小时降水资料和2002-2009年NCEP一天四次的1°X 1° FNL分析资料,经过处理和计算,并基于NCEP FNL格点分析资料所获得的物理量场使用双线性插值方法得到站点数值,统计分析短时强降水反映   水汽、热力、和动力条件的特征物理量进行统计分析。

相关结果已经在国家气象中心强天气预报中心中得到应用推广,为短时强降水的预报制作提供了客观的参考信息。该成果依托MICAPS系统集成,受到了预报人员的好评,具有良好的应用推广价值。

(2)基于气候统计和接近度概念的强对流概率预报系统在华东地区实现共享

针对雷暴大风、短时强降水、冰雹和龙卷等强对流天气短期预报,采用0.25o×0.2o每天4次日本气象厅(JMA)东亚地区再分析资料计算的百余类对流参数(物理量)及其15天滑动平均值,根据“邻(临)近”原则对江苏2001-2009年2-9月各类强对流天气进行时间和站点的匹配后,应用相对偏差模糊矩阵评价技术,对上述对流参数进行权重分配和逐次筛选,获得了既体现强对流与气候平均态间明显差异性,又体现自身相对稳定性的特征对流参数序列。同时,根据历史分类强对流个例中各特征对流参数的频谱分布获得各对流参数的频率分布分段函数,然后基于中尺度数值模式预报的对流参数,综合历史频率分布和权重分配,构建了分类强对流天气预报概率,并以优势概率作为分类判据,作出强对流分类预报。最后建立了业务化系统,以全自动方式提供分类强对流客观预报产品,投入到日常业务和南京青奥气象保障服务工作,取得显著效果。

分类强对流预报产品自2014年5月投入业务试用以来,受到全省预报员的普遍欢迎,随即在当年举行的第二届南京青奥会气象保障服务中发挥了重要的参考作用。在日常预报业务中。也比较受全省各级预报员欢迎,对近年江苏强对流预报总体效果良好。分类强对流预报产品不仅在江苏全省使用,之前通过江苏省气象信息平台,邻近安徽、上海等气象台台站也在广泛使用,后来在河南省气象台也进行了技术移植,并取得一定效果。由于分类强对流预报方法基础历史个例与相关分析数据量大,预报方法逻辑清晰,在系统建设过程中又特别强化了程序的模块化设计,自动化程度高,可移植性较强。各地只需对当地历史资料搜集整理并做好模式产品的接口。

(3)河南省强对流概率预报系统业务应用

NCEP产品为背景场,基于WRF模式构建了河南省强对流概率预报系统(空间分辨率10km,间隔1小时)。该系统可提供48小时内逐小时的预报产品,包括高度场、温度场、风场、相对湿度场、降水预报场。同时,根据WRF中尺度模式的输出要素场,计算了热力动力等强对流诊断物理量。统计分析2010-2012年共3年的预报物理量,获取反映短时暴雨、大风等灾害天气的相关因子的敏感阈值,通过对多个因子阈值指标的综合判断,得出各种灾害天气的预报概率。以历史强对流天气个例热力、动力因子的作为历史阈值,建立了42个WRF模式热力动力预报诊断量的阈值库。通过历史模拟,进一步统计了42个因子在相应灾害个例阈值处的概率(准确率)及前n(n<=42)个的灾害概率。

2014年到2016年上述研究成果在河南省气象台、郑州市气象台和新乡市气象台业务应用。通过对2014-2016年6-8月的业务应用与检验分析显示,以上研究成果能够在业务中发挥积极作用,为提高汛期气象服务能力提供有效支撑,能有效提高防灾减灾的针对性,并产生较明显的的社会效益和经济效益。

(4)河北省基于EC细网格资料强对流天气分类概率预报业务应用

基于强对流天气发生的水汽、不稳定、抬升触发等基本条件,计算表征基本条件物理量平均值、标准差及变异系数等,并进行概率统计,挑选根据其排位情况确定权重系数,再求平均,最终得到各类强对流天气预报产品。

在正式投入业务运行以后,该预报产品能够保证24小时不间断正常运行,为全省强对流天气的分类落区预报提供参考。该产品可以全省共享,广泛应用于河北省各级气象台站,为基层预报水平的提高提供了技术支撑,2014年汛期该产品已经在唐山气象台、秦皇岛气象台得到了有效应用,反馈较好。

4.强对流天气概率预报的集合概率预报方法及集合概率预报产品的业务应用

(1)基于GRAPES-RAFS模式的小时降水Time-Lagged集合订正技术的业务应用

完成基于快速更新同化的中尺度数值预报系统GRAPES-RAFS的逐小时降水预报订正产品。首先通过时间滞后(Time-Lagged)集合预报方法构建了多个集合成员,使用平均TS评分值计算相应预报成员权重系数建立预报方程,然后采用频率匹配订正法进行降水量级订正,从而得到集合订正的逐小时降水量预报。检验结果显示,GRAPES-RAFS最新时次的预报场并不完全代表最好的预报效果,通过Time-Lagged集合订正方法自动识别优选预报成员,显著提高了预报能力;GRAPES-RAFS预报存在降水量级偏弱的系统性误差,经过频率匹配方法订正后,在量级预报上更接近实况;对于中小尺度的强降水过程,经过上述方法订正后,显著提高了模式对强降水系统位置、形态及降水量级的预报水平。

每日间隔3小时输出逐小时的Time-Lagged集合订正小时降水量预报产品,该算法已经业务运行稳定,有效的为短时预报提供客观预报技术支撑。目前产品以图片形式展示在强对流天气监测网站上。

(2)基于全球集合预报模式的强对流概率预报产品的业务应用

基于EC和NCEP集合预报模式,开发了标准层相对湿度、cape、850hPa与500hPa温差,k指数、风垂直切变、cs冰雹指数等对流指数,集合产品形式包括箱线图,阈值概率图、概率匹配产品、mode值产品、最值产品、分位数产品、离散度产品等。另外,还基于“配料法”研发了短时强降水的客观概率预报产品。

基于NCEP的强对流集合预报系统结开发了相关的显示交互软件,方便预报员的操作调用。

    强对流集合预报系统集成在强天气预报中心业务内网上,可供全国预报员调阅使用,辅助预报员制作每日的强对流潜势概率预报,在强对流集合概率预报业务中取得了较好的应用效果。

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