胡啟元，姚 靜，王 楠

(陜西省氣象臺，西安 710014)

陜西位于青藏高原東北側，地理條件復雜，縱貫3個氣候帶(北亞熱帶氣候、暖溫帶氣候和中溫帶氣候)，氣象災害尤其是短時強降水、冰雹、雷暴大風等強對流天氣造成的經濟損失約占全省GDP的1%～3%，是突發(fā)性、災害性天氣頻發(fā)的省份之一，而陜西現有短時臨近業(yè)務系統(tǒng)已經無法滿足突發(fā)強對流天氣精細化預報服務制作發(fā)布需求。根據中國氣象局《現代氣象預報業(yè)務發(fā)展計劃(2016—2020年)》[1]和陜西省氣象局“十三五”規(guī)劃建設目標，陜西急需發(fā)展建設一套智能化、集約化、精細化的短時臨近智能預報服務系統(tǒng)。目前國外許多氣象部門都已建立了強對流天氣短時臨近預報系統(tǒng)[2]，如美國航空風暴預報系統(tǒng)(CoSPA)、美國預警決策信息綜合應用支撐系統(tǒng)(WDSS-Ⅱ)、奧地利融合預報綜合分析系統(tǒng)(INCA)、澳大利亞短期集合預報系統(tǒng)(STEPS)等，而國內氣象部門也開展研發(fā)了本地定量降水預報和強對流概率預報[3-4]，如北京市氣象局快速更新同化循環(huán)預報系統(tǒng)(BJ-RUC)和多尺度快速更新分析預報系統(tǒng)(RMAPS)、深圳市氣象局臨近預報決策支持平臺(PONDS)、江蘇省氣象局中尺度WRF模式(Jiangsu-WRF)、上海市氣象局快速循環(huán)同化系統(tǒng)(RUC)等。與上述各短臨系統(tǒng)相比較，陜西省短時臨近預報業(yè)務系統(tǒng)還存在一定差距，主要表現在缺乏支撐全省短時臨近預報業(yè)務的數據環(huán)境和業(yè)務系統(tǒng)，沒有充分應用雷達、衛(wèi)星、閃電等新型資料，缺乏雷達產品質量控制、雷達定量降水估測(QPE)、定量降水預報(QPF)等關鍵技術等，只有部分學者根據實際業(yè)務需求而開展的業(yè)務化技術研究，如李成偉等人為解決雷達超閾值報警問題研究開發(fā)的天氣雷達電話語音報警系統(tǒng)[5]，周義兵等人研究開發(fā)的基于雷達基數據的回波自動報警[6],以及田靜等人開發(fā)的氣象災害應急指揮系統(tǒng)用以解決信息快速溝通問題[7]等。為了解決需求和不足問題，陜西省短臨預報技術攻關團隊建設完成了陜西短時臨近智能預報服務系統(tǒng)(簡稱“NIFS短臨系統(tǒng)”)，本文介紹NIFS短臨系統(tǒng)的功能組成，并重點介紹針對省、市、縣三級預警工作研發(fā)的暴雨客觀預警技術，為探索適用于陜西的短臨預報技術提供一定幫助。

1 NIFS短臨系統(tǒng)總體設計

NIFS短臨系統(tǒng)以陜西分鐘級智能網格降水數據環(huán)境為基礎，研發(fā)客觀預報產品和檢驗產品，為全省短時臨近預報業(yè)務提供技術支撐，系統(tǒng)主體由短臨預報數據環(huán)境、預報技術及產品研發(fā)系統(tǒng)和前端展示與業(yè)務應用系統(tǒng)3部分組成，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 陜西短時臨近智能預報服務系統(tǒng)總體結構

短臨預報數據環(huán)境即短時臨近預報基礎數據環(huán)境，是以CIMISS為基礎搭建臨近數據存儲環(huán)境，能夠采集及存儲常用觀測資料、雷達衛(wèi)星資料、歐洲中心(EC)等高分辨率數值模式產品、陜西智能網格預報以及其他信息等數據，制訂出各類數據產品的訪問標準，開發(fā)省、市、縣三級共用的訪問接口，系統(tǒng)內部通過共用訪問接口在各模塊之間交換數據，同時數據接口向各類業(yè)務系統(tǒng)開放，各類業(yè)務系統(tǒng)通過數據接口訪問臨近預報數據，實現了安全、便捷的數據共享機制。

預報技術及產品研發(fā)系統(tǒng)由分鐘級降水及外推預報研究、強對流天氣自動分類識別技術研究、強對流概率預報研究、短臨產品檢驗系統(tǒng)以及暴雨智能預警技術研究組成。(1)分鐘級降水預報研究 通過對降水進行分類統(tǒng)計，研究陜西省動態(tài)Z-I關系，實現雷達QPE數據實時生成，并結合光流法外推技術，實現分鐘降水外推預報。(2)強對流天氣自動分類識別技術研究 通過統(tǒng)計冰雹、短時強降水等歷史個例數據，分類整理并對天氣過程建模，利用機器學習方法，研究基于圖像識別的短時強降水、冰雹自動分類識別技術，并給出自動識別客觀產品。(3)強對流概率預報研究 在分析強對流天氣歷史個例和中尺度數值模式產品的基礎上，遴選配料指標并進行權重優(yōu)配，研究各類強對流天氣分類概率預報。(4)短臨產品檢驗系統(tǒng) 采用FSS點對面檢驗技術，對NIFS短臨系統(tǒng)主客觀產品進行定量統(tǒng)計檢驗。(5)暴雨智能預警技術研究 采用實況、預報動態(tài)融合方法與GIS動態(tài)更新空間分析技術，實現暴雨預警信號省、市、縣三級客觀預報產品滾動更新生成，本文將重點介紹該技術研究方法。

前端展示與業(yè)務應用系統(tǒng)即NIFS短臨系統(tǒng)前臺顯示網站，能夠將由預報技術及研發(fā)系統(tǒng)生成的各類客觀預報產品以圖像、聲音、文本等方式提供給各級預報人員使用。該系統(tǒng)包括綜合監(jiān)測、智能報警、預報分析、預報制作、產品共享、中試平臺、值班日志、智能管理等8個模塊，具有報警、會商、產品制作、多種資料疊加滾動顯示、預報產品實時檢驗等功能，為全省短臨預報業(yè)務提供技術支撐。

2 NIFS短臨系統(tǒng)功能介紹

2.1 綜合監(jiān)測模塊

綜合監(jiān)測功能主要實現了對陜西境內以及警戒區(qū)(省界外延50 km內)和監(jiān)視區(qū)(警戒區(qū)界外延50 km內)發(fā)生的各類災害性天氣實時監(jiān)測顯示、閾值識別、統(tǒng)計分析等。災害性天氣包括短時強降水、暴雨、冰雹、大風、雷暴等。以綜合圖的方式將最近已經發(fā)生的所有災害性天氣在一個頁面中顯示，實現各站點氣象要素包括空間分布、時間曲線、極值統(tǒng)計、閾值統(tǒng)計等在內的多類統(tǒng)計數據綜合顯示。

該模塊提供分區(qū)域顯示功能，對溫度、降水以及重要天氣等監(jiān)測要素通過WebGis技術實現分市、縣顯示，同時實現省、市、縣不同范圍的監(jiān)測、統(tǒng)計功能。如省氣象臺使用全省數據統(tǒng)計，市氣象臺使用本市數據統(tǒng)計、縣氣象臺統(tǒng)計分析本縣數據。另一方面系統(tǒng)根據省、市、縣各地災害種類信息，提供各區(qū)域內聲音、動態(tài)小圖標、彈出小窗口顯示等功能，對區(qū)域內災害天氣的加強、減弱給出聲音、文字等提示。

2.2 智能報警模塊

智能報警模塊分為實況資料智能報警、預報產品智能報警和預警信號顯示。實況資料智能報警根據自動站觀測(雨量、風速)、閃電定位、雷達、衛(wèi)星資料以及短時強降水、冰雹自動識別數據等建立監(jiān)測閾值庫，當實況出現超過閾值數據時或者某類識別產品時，系統(tǒng)實時自動報警(聲音、圖像等多種方式)，報警信息會通過短信或者電話提醒值班人員。另一方面智能報警模塊利用分鐘級降水預報產品與短時強降水、冰雹客觀識別產品以及外推預報產品等數據，對可達到強降水閾值或將出現冰雹等天氣的地區(qū)進行智能報警，提示業(yè)務人員發(fā)布各種級別的預警信號。

2.3 預報分析模塊

預報分析模塊分為臨近分析與短時分析兩個功能，分別針對短時臨近預報和對流性天氣預報設計分析模塊，為短臨預報員進行中尺度天氣分析提供有力的技術支撐。預報分析模塊具備人機交互功能，使預報員能夠根據自己的工作習慣快速調用不同的觀測及模式產品，分析預報對流性天氣落區(qū)。

臨近分析功能基于地面觀測資料、多普勒雷達產品、雙偏振雷達產品、風廓線雷達產品、風云衛(wèi)星資料等四類數據產品，幫助預報員進行多源資料的實況分析。多普勒雷達產品包括短臨攻關團隊研發(fā)的三維拼圖、組合反射率因子、液態(tài)含水量、回波頂高、外推風場產品以及冰雹、短時強降水分類識別數據。雙偏振雷達產品包括部署在銅川和咸陽的兩部雙偏振雷達的強天氣概率、冰雹潛勢預測、粒子識別等資料。風廓線雷達產品為西安涇河站垂直方向上逐6分鐘不同高度的風力風向數據。短時分析功能為業(yè)務人員提供WARMS、RMAPS、EC細網格、GRAPS-3 km、GRAPS-MESO等5種數值模式產品，智能選取各種模式中最大的強對流參數進行顯示，幫助預報員對當日的強對流潛勢做出分析和預判。

2.4 預報制作模塊

預報制作模塊包括預警、預警信號、短時短臨預報和中尺度系統(tǒng)分析制作功能。該模塊提供各種交互工具。預報員能夠以分鐘級降水預報等客觀預報產品為基礎，繪制災害性天氣落區(qū)，自動生成文字產品，快捷上傳發(fā)布預報；同時能夠對相關市縣進行提示，相關市縣接到提示后點擊確認，然后根據需要制作本地預報。當省、市、縣任何一級已經對相關預報做過處理，則會在另外兩級的系統(tǒng)上顯示“已處理”圖標，實現省、市、縣三級預報產品互動交流，并且預報員在該模塊中的任何相關操作都能夠自動被系統(tǒng)記錄留痕。

2.5 產品共享模塊

產品共享模塊包含了預警共享、預警響應、預警統(tǒng)計、歷史預警查詢等功能。預警共享功能能夠幫助省、市、縣三級業(yè)務人員方便切換查看各級單位已發(fā)布的預警信號。預警響應功能主要用于下級預報單位對上級指導與發(fā)布的預警信號信息第一時間進行響應確認，具體響應機制為當上級指導發(fā)布之后，系統(tǒng)立即發(fā)送短信給預警落區(qū)內的下級用戶，如果下級用戶在兩分鐘之后未點擊確認收到，系統(tǒng)將進一步進行電話語音提醒，實現了上下級用戶聯動響應，最大限度發(fā)揮數字通信優(yōu)勢、減少人力勞動，提高短臨監(jiān)測預警時效性。預警統(tǒng)計和歷史預警查詢功能是用來統(tǒng)計通過NIFS短臨系統(tǒng)發(fā)布的各類預警信號的數量和期數，方便預報員查閱具體預警內容，并針對各類匯報材料所需歷史預警信息進行快速查找整理。

2.6 中試平臺模塊

中試平臺模塊利用8種不同的算法來研究陜西不同地區(qū)的雷達回波強度與降水強度(Z-I)關系，包括固定分級、固定不分級、動態(tài)分級、動態(tài)不分級、卡爾曼固定分級、卡爾曼固定不分級、降水多項式、機器學習法，分別進行外推得到分鐘降水預報，外推時效為2 h，時間分辨率為6 min，空間分辨率是1 km×1 km，其中降水多項式算法經過多次過程檢驗效果最好。該模塊研究得出的分鐘級降水預報填補了陜西省在短時臨近定量降水預報研究領域的空白，為進一步研究0～2 h短臨預報技術工作初步奠定了基礎。目前分鐘級降水預報產品已在陜西省氣象服務中心研發(fā)的 “陜西氣象”APP上應用，向用戶提供定點定量的降水預報，方便公眾出行。

2.7 智能管理模塊

智能管理模塊主要具有創(chuàng)建賬戶及用戶管理功能，實現全省包括省、市、縣預報人員崗位身份管理，明確預報業(yè)務人員的崗位、所在地市、所在單位及相關權限。管理人員和業(yè)務人員根據不同的權限進入不同的模塊，其在智能業(yè)務系統(tǒng)上的所有本地操作都將編入值班日志。另一方面該模塊支持配置包括預警信號、短臨預報、中尺度預報等在內的產品模板，以及各類產品對外服務路徑，方便預報人員根據本地預報產品特點進行本地化應用。

3 系統(tǒng)特色技術介紹

為進一步提高暴雨預警信號發(fā)布的及時性及客觀性，NIFS短臨系統(tǒng)增加基于實況資料、0～3 h分鐘級降水預報和2～12 h智能網格產品的暴雨預警信號智能報警功能。該功能將降水實況資料與格點預報產品進行動態(tài)融合，根據暴雨預警信號發(fā)布規(guī)則，實現省、市、縣三級暴雨預警信號客觀預報產品滾動更新生成，方便預報員快速反應、制作并發(fā)布預報產品，切實提高短臨預報預警時效性。

3.1 暴雨預警信號智能報警業(yè)務流程

暴雨預警信號智能報警業(yè)務流程如圖2所示，主要分為五個部分：降水實況資料和預報產品的采集和選取、實況和預報動態(tài)融合生成融合格點預報、判斷達到智能報警級別的地區(qū)當前預警發(fā)布狀態(tài)、實時更新顯示暴雨預警信號客觀產品落區(qū)和訂正發(fā)布暴雨預警信號文字產品。具體流程如圖2。

Ts指已發(fā)布的預警信號級別，Ty指暴雨預警客觀產品級別。圖2 暴雨預警信號客觀產品生成流程

步驟一 系統(tǒng)數據處理后臺程序采集過去12 h降水實況資料和未來0～12 h降水預報產品。降水實況資料包括中國氣象局下發(fā)的實況格點降水數據(時間分辨率1 h)，以及由氣象觀測站點降水數據轉成的格點降水數據(時間分辨率10 min)。降水預報產品包括預報時效0～3 h的分鐘級降水預報(時間分辨率6 min)，以及預報時效3～12 h的智能格點降水預報(時間分辨率1 h)。由于動態(tài)融合數據處理程序所需要的實況與預報資料時間分辨率為10 min，因此將上述實況和預報產品統(tǒng)一在后臺處理為時間分辨率為10 min的數據進行使用。

步驟二 將采集和處理完成的降水實況和預報產品，每10 min通過動態(tài)融合技術生成0～12 h融合降水量格點產品，系統(tǒng)按照融合降水量與預警信號級別對應關系(表1)，對所有格點進行預警信號級別判斷，得出暴雨預警信號客觀格點預報產品，該產品中格點數據表示該格點所處的預警信號級別(如無級別或藍、黃、橙、紅色預警信號級別)。

表1 融合降水量與預警信號級別對應表

步驟三 系統(tǒng)每10 min更新省、市、縣三級暴雨預警信號客觀預報產品，分別以紅、橙、黃、藍四個級別在網頁表格和GIS地圖上顯示預警信號客觀落區(qū)。

步驟四 當生成暴雨預警信號客觀格點預報產品之后，系統(tǒng)結合產品共享模塊中實時預警狀態(tài)信息，對達到藍色以上預警信號級別的格點所在地區(qū)進行預警狀態(tài)判斷，判斷該地區(qū)是否處在預警中或無預警狀態(tài)：①若該地區(qū)處在無預警狀態(tài)，則提醒用戶需發(fā)布暴雨預警信號，并提供暴雨預警信號客觀預報產品作為模板供用戶在模板上進行訂正及發(fā)布；②若該地區(qū)已處于預警中，則判斷已發(fā)預警等級高低，若低于暴雨預警信號客觀預報產品等級，則提醒用戶需升級發(fā)布更高一級的暴雨預警信號產品。同時系統(tǒng)每10 min進行暴雨預警信號智能報警提示。

步驟五 在暴雨預警信號客觀格點預報產品的基礎上，用戶可以選擇直接按照暴雨預警信號客觀預報進行發(fā)布，也可以選擇對客觀預報產品落區(qū)進行訂正修改后發(fā)布：①若用戶直接按照客觀落區(qū)產品進行發(fā)布，系統(tǒng)直接生成以暴雨預警信號客觀預報為預警內容的預警信號產品，用戶可直接保存發(fā)布；②若用戶需要對暴雨預警信號客觀預報訂正修改，則可以在GIS地圖顯示的暴雨預警信號客觀預報產品落區(qū)上，利用交互工具訂正，訂正后保存發(fā)布。

3.2 實況與預報產品動態(tài)融合技術

主要介紹3.1步驟二中提到的實況與預報產品的動態(tài)融合技術。在實況數據和預報數據完整的情況下，將格點實況與格點預報數據按照不同融合規(guī)則實時計算融合降水量。由于0～3 h和3～12 h預報時段分別采用了逐10 min更新的分鐘級降水格點預報和逐小時更新的智能網格降水預報，因此針對0～3 h和3～12 h兩個預報時段采用不同的動態(tài)融合規(guī)則，生成不同更新頻率的融合降水產品。具體融合規(guī)則如下。

(1)0～3 h預報時段，每10 min進行實況與分鐘級降水預報動態(tài)融合，更新生成融合降水產品。融合規(guī)則為：①判斷某格點在未來mmin是否達到紅色或橙色預警信號，采用的融合公式為Xm=R180-m+Pm，m=10，20，…，180 min，Xm指該格點未來mmin內的累計融合降水量，R180-m表示該格點過去180-mmin累計實況降水量，Pm表示該格點未來mmin內的累計預報降水量；②判斷某格點在未來mmin是否達到黃色預警信號，采用的融合公式為Xm=R360-m+Pm，m=10，20，…，180 min，Xm指該格點未來mmin內的累計融合降水量，R360-m表示該格點過去360-mmin累計實況降水量，Pm表示該格點未來mmin內的累計預報降水量；③判斷某格點在未來mmin是否達到藍色預警信號，采用的融合公式為Xm=R720-m+Pm，m=10，20，…，120 min，Xm指該格點未來mmin內的累計融合降水量，R720-m表示該格點過去720-mmin累計實況降水量，Pm表示該格點未來mmin內的累計預報降水量。

(2)3～12 h預報時段，每1 h進行實況與智能網格預報動態(tài)融合，更新生成融合降水產品，該預報時段內不判斷紅色和橙色預警信號。融合規(guī)則為：①判斷某格點在未來nh是否達到黃色預警信號，采用的融合公式為Xn=R6-n+Pn，n=3,4,5,6 h，Xn指該格點未來nh內的累計融合降水量，R6-n表示該格點過去6-nh累計實況降水量，Pn表示該格點未來nh內的累計預報降水量；②判斷某格點在未來nh是否達到藍色預警信號，采用的融合公式為Xn=R12-n+Pn，n=3、4、5、…、12 h，Xn指未來該格點當前時刻到未來nh內的累計融合降水量，R12-n表示該格點過去12-nh累計實況降水量，Pn表示該格點未來nh內的累計預報降水量。

3.3 預警信號智能報警規(guī)則

在得出融合降水量以及對應的預警信號級別情況下，系統(tǒng)將按照以下規(guī)則執(zhí)行智能報警提示(預警推薦)，并在表格或GIS地圖上顯示。

(1)紅色預警信號智能報警提醒規(guī)則：①對于縣級氣象局，當轄區(qū)內1個區(qū)域站融合降水量達到紅色預警信號級別時，向該縣級氣象局業(yè)務人員報警并建議發(fā)布紅色預警信號；②對于市級氣象臺，當其轄區(qū)內1個縣區(qū)達到紅色預警信號級別時，向該市臺報警并建議發(fā)布紅色預警信號；③對于省氣象臺，當其轄區(qū)內1個地市達到紅色預警信號級別時，向省臺報警并建議發(fā)布紅色預警信號。

(2)橙、黃、藍色預警信號智能報警提醒規(guī)則：①對于縣級氣象局，當轄區(qū)內1個區(qū)域站融合降水量達到橙、黃、藍色預警信號級別時，向該縣級氣象局業(yè)務人員報警并建議發(fā)布相應預警信號；②對于市級氣象臺，當其轄區(qū)內2個縣區(qū)達到橙、黃、藍色預警信號級別時，向該市臺報警并建議發(fā)布對應預警信號；③對于省氣象臺，當其轄區(qū)內2個地市達到橙、黃、藍色預警信號級別時，向省臺報警并建議發(fā)布對應預警信號。

4 總結

(1)本文從NIFS短臨系統(tǒng)總體設計、常用功能和特色技術等方面，介紹了NIFS短臨系統(tǒng)的特點和定位。系統(tǒng)綜合監(jiān)測模塊實現了對強對流等災害性天氣的實時監(jiān)測，使省、市、縣值班人員能夠全方位掌握短時強降水、冰雹、雷暴大風等強對流天氣動態(tài)，從而做出更準確的判斷。智能報警模塊能夠根據閾值對監(jiān)測范圍內強天氣進行報警，有效提醒值班員關注強對流天氣。預報分析模塊具備人機交互功能，使預報員能夠根據自身的工作習慣、快速調用不同的觀測及模式產品，對強天氣落區(qū)進行分析預報。產品制作模塊用來制作發(fā)布各類預警信號和短臨產品，確保省、市、縣三級預報預警信息“在線監(jiān)控，在線顯示，在線管理”，實現一鍵式、多渠道、靶向式發(fā)布，確保信息發(fā)布準確且有針對性，使預警時間大大提前。

(2)2018年5月1日開始NIFS短臨系統(tǒng)在陜西11個地市和全部縣區(qū)氣象局進行業(yè)務應用，在NIFS短臨系統(tǒng)支撐下各級氣象部門的強對流天氣監(jiān)測預警能力、氣象風險預報預警能力得到顯著增強，交通氣象、旅游氣象、電力氣象、能源氣象、林業(yè)氣象和人影氣象等領域服務水平得到大幅度提高。全省各級氣象部門充分應用NIFS短臨系統(tǒng)分鐘級降水預報產品，實現了對點、面的精細化氣象服務，為第三屆絲博會開幕式入城儀式、“西安農民節(jié)”、第二屆“西商大會”、“漢江龍舟節(jié)”、“農科城馬拉松賽”、第二十五屆農高會、國慶及中秋假日等旅游活動等提供高精度支撐產品，受到社會各界好評。未來NIFS短臨系統(tǒng)將不斷根據各方反饋和業(yè)務需求進行更新和完善，進一步推進全省短臨預報集約和預警技術發(fā)展，保證陜西氣象業(yè)務高效率、高效益地發(fā)展。