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        研發(fā)中的美國強(qiáng)天氣(龍卷、大冰雹和局地強(qiáng)降水)預(yù)報系統(tǒng)FACETs

        2018-05-21 07:40:57杜鈞薛明
        關(guān)鍵詞:龍卷局地天氣預(yù)報

        ■ 杜鈞 薛明

        薛明,俄克拉荷馬大學(xué)氣象學(xué)院和風(fēng)暴預(yù)報分析中心)

        美國強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室(NSSL)正在研發(fā)的FACETs系統(tǒng)預(yù)報對象包括龍卷、大冰雹和局地強(qiáng)降水,這套系統(tǒng)把預(yù)報信息同社會影響、人的心理行為和經(jīng)濟(jì)效益等學(xué)科相結(jié)合,把預(yù)報信息轉(zhuǎn)化為同用戶直接相關(guān)的問題。

        目前,美國氣象局的龍卷預(yù)警系統(tǒng)是基于觀測的,即當(dāng)雷達(dá)已經(jīng)看到有強(qiáng)天氣的早期跡象或已觀測到強(qiáng)天氣現(xiàn)象,才運(yùn)用短臨預(yù)報方法外推發(fā)布預(yù)警。但因龍卷等強(qiáng)天氣變化快、生命期很短,所以這種基于觀測的預(yù)警系統(tǒng)可用時效很短,如目前對龍卷的預(yù)警只能提前13 min左右,并且預(yù)報是確定性的,即只有出現(xiàn)或不出現(xiàn)龍卷的二分預(yù)報,而沒有該預(yù)報的可信度度量。為了延長預(yù)報時效,目前正在研究試驗(yàn)的是“基于(數(shù)值)預(yù)報的預(yù)警(Warn on Forecast,WOF)”(圖1)①https://www.nssl.noaa.gov/projects/wof/。,目標(biāo)是爭取能提前30~60 min預(yù)報出龍卷形成的地點(diǎn)、強(qiáng)度、移動方向和路徑等,并且定量給出這一預(yù)報可信度(概率)的時空分布,以適用于更廣泛的用戶群,同時這一預(yù)報同最新的觀測資料(包括愛好龍卷的“追風(fēng)者”實(shí)時從現(xiàn)場傳回的信息)進(jìn)行比較并訂正,這樣的預(yù)報會在數(shù)分鐘后不斷快速地更新。如圖1所示,要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)包括對流尺度的數(shù)值預(yù)報模式、雷達(dá)觀測資料同化能力、模式運(yùn)算快速更新的能力(如每間隔10 min積分一次)、快速更新風(fēng)暴(雷暴)尺度集合預(yù)報系統(tǒng)和實(shí)時的精細(xì)觀測技術(shù)(包括短臨預(yù)報方法)。

        圖1 研發(fā)中的基于WOF為核心預(yù)報技術(shù)的美國強(qiáng)天氣(龍卷、大冰雹和局地強(qiáng)降水)預(yù)報系統(tǒng)FACETs以及與其他項(xiàng)目的關(guān)系示意圖

        以WOF 為核心預(yù)報技術(shù)加上行為科學(xué)(考慮心理、社會和經(jīng)濟(jì)因素的決策),美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)下屬的美國強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室(NSSL)正在研發(fā)下一代強(qiáng)天氣預(yù)警系統(tǒng)“對環(huán)境潛在危險的全方位預(yù)報系統(tǒng)”(Forecasting a Continuum of Environmental Threats,F(xiàn)ACETs,圖1)②https://www.nssl.noaa.gov/projects/facets/。,預(yù)報對象包括龍卷、大冰雹和局地強(qiáng)降水,并且這套系統(tǒng)把預(yù)報信息同社會影響、人的心理行為和經(jīng)濟(jì)效益等學(xué)科相結(jié)合,把預(yù)報信息轉(zhuǎn)化為同用戶直接相關(guān)的問題,如:這一風(fēng)暴會影響我嗎?風(fēng)暴已造成多大損失?最壞會是什么結(jié)果?什么時間開始影響、什么時間結(jié)束?預(yù)報有多可信?我該做什么?所以預(yù)報員可以用它來發(fā)布面向用戶的、能被用戶所理解的預(yù)報信息。這個系統(tǒng)包括七大部分(圖2):危險天氣預(yù)報概率的網(wǎng)格點(diǎn)資料、觀測包括氣候和指導(dǎo)預(yù)報、預(yù)報員意見、處理網(wǎng)格資料的強(qiáng)天氣軟件包工具、可供用戶直接決策的預(yù)報信息輸出、用戶應(yīng)該采取的有效行動指南、事后檢驗(yàn)。

        圖2 同F(xiàn)ACETs有關(guān)的各種項(xiàng)目標(biāo)識圖徽

        FACETs同美國國家氣象局正在實(shí)施的總體計(jì)劃“對緊急天氣事件時刻有防范的社會”(Weather Ready Nation,WRN)③https://www.weather.gov/wrn/。理念一致、互相匹配。FACETs的研發(fā)也緊密與實(shí)踐相結(jié)合,它有一個非常有效的試驗(yàn)平臺,即NOAA的“危險性天氣試驗(yàn)基地”(Hazardous Weather Testbed,HWT)①https://hwt.nssl.noaa.gov/。,幫助它在實(shí)時業(yè)務(wù)環(huán)境中邊研發(fā)邊應(yīng)用,這樣可以不斷檢驗(yàn)效果、根據(jù)預(yù)報員的反饋意見進(jìn)行改進(jìn)。每年春季(4—5月),美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)的風(fēng)暴預(yù)報中心(Storm Prediction Center)會進(jìn)行關(guān)于強(qiáng)對流天氣預(yù)報的“春季試驗(yàn)”②https://hwt.nssl.noaa.gov/spring_experiment/。來測試和FACETs 有關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品,如近幾年主要集中在對流尺度模式(convection-allowing model,CAM)和雷暴尺度集合預(yù)報(storm-scale ensemble)的應(yīng)用和檢驗(yàn)。參加人員除了業(yè)務(wù)預(yù)報員外,還有預(yù)報系統(tǒng)開發(fā)人員、研究所和大學(xué)的研究員和教授,以及其他國家數(shù)值預(yù)報研發(fā)專家等。圖1~2大致勾畫出了這一關(guān)系。除了對流天氣,NOAA的HWT還在NCEP的天氣預(yù)報中心(Weather Prediction Center)進(jìn)行冬季天氣試驗(yàn)(1—2月)、局地強(qiáng)降水試驗(yàn)(6—7月)③http://www.wpc.ncep.noaa.gov/hmt/experimentsummaries.shtml。和在航空天氣預(yù)報中心(Aviation Prediction Center)進(jìn)行航空天氣預(yù)報的夏季試驗(yàn) (8月)④https://testbed.aviationweather.gov/。,所有這現(xiàn)行的四個試驗(yàn)都以集合預(yù)報系統(tǒng)和產(chǎn)品為中心,可見美國預(yù)報員已經(jīng)把如何對待天氣預(yù)報中的不確定性作為改進(jìn)天氣預(yù)報服務(wù)的重心。如何在決策中正確考慮天氣預(yù)報的不確定性也是WRN建設(shè)的關(guān)鍵。

        對流尺度數(shù)值模式對龍卷的模擬能力近年也有長足的進(jìn)步。圖3是美國俄克拉荷馬大學(xué)薛明教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)用水平分辨率為25 m×25 m的ARPS(Advanced Regional Prediction System)模式所模擬的凝結(jié)云的三維圖像,云底的超級龍卷清晰可見。

        圖3 水平分辨率為25 m×25 m的ARPS模式所模擬的凝結(jié)云三維圖像(圖由Pittsburgh超算中心的Greg Foss 先生提供)

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