崔春光 杜牧云 肖艷姣 賴安偉 李紅莉 王志斌 王 玨 孫玉婷 王俊超 冷 亮 王 斌 張 文 彭菊香 馬鶴翟 康兆萍

中國氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430205

提 要： 強(qiáng)對(duì)流天氣的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)依然具有極大難度和挑戰(zhàn)性。為了提高強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)能力，“災(zāi)害性天氣資料同化與臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)開發(fā)”研究共開展了以下工作：研發(fā)了新的中氣旋和龍卷渦旋特征識(shí)別算法，并在十幾個(gè)龍卷風(fēng)實(shí)例中成功地識(shí)別出龍卷渦旋特征；從多普勒天氣雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)中提取了諸多參數(shù)(超過20個(gè))，開展分類強(qiáng)對(duì)流天氣(下?lián)舯┝?、龍卷、冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水)自動(dòng)識(shí)別預(yù)警技術(shù)研究?？焖俑卵h(huán)預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以有效地提高模式初值的質(zhì)量，非常適合于短時(shí)天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用。為進(jìn)一步提高強(qiáng)雷暴預(yù)報(bào)的精度，提出了一種新的基于雷達(dá)反演水汽的“偽水汽”同化方法，以更好地初始化對(duì)流尺度的數(shù)值天氣模式。旨在克服目前中尺度數(shù)值模式在對(duì)流尺度定量降水短時(shí)預(yù)報(bào)方面的不足，彌補(bǔ)基于“外推”的臨近預(yù)報(bào)技術(shù)在2 h以上定量降水預(yù)報(bào)能力快速下降的缺陷而研發(fā)的融合技術(shù)具有提高短時(shí)臨近降水預(yù)報(bào)能力的潛力。

引 言

在我國，強(qiáng)對(duì)流天氣(短時(shí)強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)、冰雹、龍卷)常導(dǎo)致重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。例如：2015年6月1日，“東方之星”客輪突遇颮線伴有的下?lián)舯┝饕u擊后翻沉，共計(jì)造成442人遇難；2016年6月23日，江蘇省鹽城市阜寧、射陽等地突發(fā)龍卷風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害，因?yàn)?zāi)死亡99人，受傷近850人；2018年7月18日，甘肅臨夏遭遇多年未遇短時(shí)強(qiáng)降水天氣，隨即引發(fā)洪水、泥石流等自然災(zāi)害，共造成13人死亡，3人失蹤。

強(qiáng)對(duì)流天氣具有突發(fā)性和局地性強(qiáng)、尺度小、生命史短、災(zāi)害嚴(yán)重等特點(diǎn)，因此一直是天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。國家防災(zāi)減災(zāi)、重大社會(huì)活動(dòng)和精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)的大眾化需求都對(duì)此類災(zāi)害性天氣的臨近預(yù)報(bào)提出了更高的客觀要求。國外眾多國家均建立了自己的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其中包括：美國MDL(Meteorological Development Lab)的SCAN預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Smith et al，1998)；NSSL(National Severe Storms Laboratory)開發(fā)的WDSS(Eilts et al，1996)和WDSS II系統(tǒng)(Lakshmanan et al，2007)；NCAR(National Center for Atmospheric Research)發(fā)展的ANC臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Wilson et al，1998)以及與數(shù)值預(yù)報(bào)相融合的NIWOT系統(tǒng)(Cai et al，2006)；FAA(Federal Airline Administration)聯(lián)合多家單位建立的航空風(fēng)暴預(yù)報(bào)系統(tǒng)CoSPA(Wolfson et al，2008)；英國的NIMROD(Golding，1998)和GANDOLF(Pierce et al，2000)預(yù)報(bào)系統(tǒng)；加拿大的MAPLE和CARDS預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Fox et al，2004)；澳大利亞的STEPS系統(tǒng)(Bowler et al,2006)；法國的SIGOONS系統(tǒng)(Brovelli et al，2005)；日本的VSRF系統(tǒng)；奧地利的INCA系統(tǒng)(Haiden et al，2011)等。國內(nèi)方面，香港天文臺(tái)最早開始建設(shè)SWIRLS(“小渦旋”)系統(tǒng)(Li et al，2000)進(jìn)行短時(shí)臨近預(yù)報(bào)；廣東省氣象局建立的GRAPES-SWIFT系統(tǒng)(胡勝等，2010)；湖北省氣象局的MYNOS臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)(萬玉發(fā)等，2013)；上海市氣象局的NoCAWS系統(tǒng)；北京的BJ-ANC系統(tǒng)(陳明軒等，2010)等；中國氣象局從2007年開始組織建設(shè)SWAN強(qiáng)天氣臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，目前已發(fā)展到SWAN2.0以上版本(韓豐和沃偉峰，2018)，前期版本也已完成全國推廣(鄭永光等，2010)。上述國內(nèi)的臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)在實(shí)際氣象服務(wù)保障中發(fā)揮了重要的作用，取得了不錯(cuò)的服務(wù)效果。

我國強(qiáng)對(duì)流天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)開始較晚，盡管已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展，但與國外先進(jìn)水平相比還存在一定差距(鄭永光等，2010)。作為一種中小尺度天氣，強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)很難被常規(guī)氣象觀測(cè)網(wǎng)捕捉到。我國氣象觀測(cè)系統(tǒng)尤其在進(jìn)入21世紀(jì)取得了長足發(fā)展，建立了地基、空基和天基相結(jié)合，門類比較齊全，布局基本合理的綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)(行鴻彥等，2017)。 加上全國200多個(gè)站點(diǎn)的新一代雷達(dá)數(shù)據(jù)(高玉春，2017)，大幅增加了實(shí)況觀測(cè)對(duì)于氣象要素的精細(xì)空間分布刻畫能力。近些年，得益于大氣探測(cè)能力的大幅提升，多源資料融合分析系統(tǒng)快速發(fā)展(崔春光等，2011；彭菊香等，2011；韓帥等，2018；師春香等，2019)，融合了常規(guī)、雷達(dá)、衛(wèi)星、閃電、GNSS/MET水汽、飛機(jī)、船舶等多源實(shí)況觀測(cè)資料，能實(shí)時(shí)提供包括地面常規(guī)要素、三維云量、天氣現(xiàn)象、洋面風(fēng)、海表溫度等多種網(wǎng)格實(shí)況分析產(chǎn)品，為網(wǎng)格預(yù)報(bào)模型建立、實(shí)況信息更新和預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)提供了基礎(chǔ)條件。2009年，國家氣象中心強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)中心利用常規(guī)地面觀測(cè)資料、重要天氣報(bào)告(WS報(bào))、自動(dòng)站資料、地閃定位資料、雷達(dá)反射率因子資料(包括全國拼圖和單站雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料)、靜止衛(wèi)星紅外和水汽通道資料等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)我國及其周邊地區(qū)不同類別強(qiáng)對(duì)流天氣的不同時(shí)段、不同強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(鄭永光等，2010；2011；2013；何立富等，2011)。國家級(jí)強(qiáng)對(duì)流天氣綜合業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)的建設(shè)則對(duì)加強(qiáng)我國強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)與成果應(yīng)用起到了重要的支持作用(楊波等，2017)。當(dāng)前，無縫隙精細(xì)化網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)已經(jīng)逐漸成為國際主流趨勢(shì)，并被視為未來幾十年科學(xué)界指導(dǎo)方針的重要指標(biāo)。我國的無縫隙精細(xì)化網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)技術(shù)自2014年開始發(fā)展并也取得了長足的進(jìn)展(金榮花等，2019)。

就目前而言，我國現(xiàn)有的天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)對(duì)中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)手段還相對(duì)匱乏，與發(fā)達(dá)國家仍存在一定差距。當(dāng)前預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)部門對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)能力還有很大不足， 因此如何提高強(qiáng)對(duì)流天氣的分析技術(shù)水平和預(yù)報(bào)能力，仍是當(dāng)前現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。國內(nèi)中小尺度資料同化技術(shù)研究起步較晚，還未能將各種資料進(jìn)行有效的綜合應(yīng)用；而且受模式本身物理過程方案以及分辨率的局限，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣過程的描述能力也有限。因此，借鑒和吸收國外最新成果，建立自動(dòng)、客觀、實(shí)用的無時(shí)間縫隙強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)，進(jìn)而提高監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)能力顯得十分必要。目前，國內(nèi)分類強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警多以基于雷達(dá)觀測(cè)的主觀概念模型預(yù)報(bào)技術(shù)為主，有限時(shí)間內(nèi)主觀判斷難度大，迫切需要研發(fā)自動(dòng)且客觀的分類強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警技術(shù)，并克服資料質(zhì)量問題的影響。到目前，國家臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，主要通過外推預(yù)報(bào)風(fēng)暴位置、雷達(dá)回波強(qiáng)度和雷達(dá)定量降水。由于沒有考慮其演變和生消，隨著外推時(shí)間的延長(超過1 h)，預(yù)報(bào)效果快速下降。稠密、多源觀測(cè)資料(雷達(dá)、衛(wèi)星、自動(dòng)站等)的融合分析，以及高分辨率的快速更新循環(huán)同化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是解決強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)的重要手段(潘旸等，2018；楊璐等，2019；張涵斌等，2020)。通過混合 Blending 技術(shù)將外推預(yù)報(bào)和高分辨率的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)相結(jié)合是目前提高臨近預(yù)報(bào)能力的可行方法(程叢蘭等，2019)。

為此，中國氣象局武漢暴雨研究所建立了分類強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警系統(tǒng)，提供0～3 h雷達(dá)外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品；提高了多源稠密觀測(cè)資料在LAPS(Local Analysis and Prediction System)系統(tǒng)(Albers et al，1996；李紅莉等，2009)中的融合同化效果，為模式提供最優(yōu)初值，建立高分辨率的快速更新循環(huán)同化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提供每15 min更新一次的1～3 km分辨率的中尺度分析場(chǎng)和0～12 h的臨近預(yù)報(bào)產(chǎn)品；形成了強(qiáng)對(duì)流天氣0～12 h客觀預(yù)報(bào)支撐技術(shù)體系。

1 項(xiàng)目介紹

“災(zāi)害性天氣資料同化與臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)開發(fā)”(項(xiàng)目編號(hào)：2016YFE0109400)是2016年中國氣象局武漢暴雨研究所獲批的科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的政府間國際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)。項(xiàng)目研究內(nèi)容包括與美國海洋和大氣管理局(NOAA)的地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室(ESRL)和強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室(NSSL)合作，開展分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別預(yù)警技術(shù)、我國多源稠密觀測(cè)資料數(shù)據(jù)融合技術(shù)、外推預(yù)報(bào)和高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)混合技術(shù)這三個(gè)方面的研究，具體研究內(nèi)容詳見圖1。

圖1 主要研究內(nèi)容框圖Fig.1 Overview of main contents of the research program

目前，依托該項(xiàng)目完成了改進(jìn)的雷達(dá)徑向速度質(zhì)量控制、分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別預(yù)警、多源觀測(cè)資料融合和快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)以及定量降水外推預(yù)報(bào)和數(shù)值預(yù)報(bào)的混合等技術(shù)研究。重點(diǎn)開展了改進(jìn)的變分同化技術(shù)和多源稠密觀測(cè)資料融合技術(shù)研發(fā)，包括構(gòu)建新的觀測(cè)算子，實(shí)現(xiàn)了雙偏振雷達(dá)資料的變分同化，有效提高了模式初值的準(zhǔn)確度及其預(yù)報(bào)效果；在基于雷達(dá)觀測(cè)識(shí)別深對(duì)流云的基礎(chǔ)上，根據(jù)模式背景場(chǎng)的信息構(gòu)造“偽水汽”觀測(cè)同化，改善對(duì)流尺度系統(tǒng)的水汽條件，減弱模式spin-up問題；針對(duì)梅雨鋒降水，改進(jìn)溫度調(diào)整方案，提高對(duì)梅雨鋒上對(duì)流系統(tǒng)的模擬能力；研究了基于稠密觀測(cè)資料融合分析的LAPS各要素平衡關(guān)系和模式熱啟動(dòng)技術(shù)，改進(jìn)了模式0～6 h降水臨近預(yù)報(bào)效果；研究了LAPS和WRF模式(Weather Research and Fore- casting Model)的耦合技術(shù)?；谏鲜鲅芯砍晒⒘藶?zāi)害性天氣0～12 h臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)，包括分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別預(yù)警、多源觀測(cè)資料融合同化和快速更新循環(huán)預(yù)報(bào)等3個(gè)子系統(tǒng)。

2 研究成果簡(jiǎn)介

2.1 分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別預(yù)警技術(shù)

2.1.1 改進(jìn)雷達(dá)定量降水估計(jì)技術(shù)和定量降水外推預(yù)報(bào)方法

武漢暴雨研究所研發(fā)的雷達(dá)定量降水估測(cè)(QPE)算法已在SWAN系統(tǒng)中業(yè)務(wù)運(yùn)行多年(呂曉娜等，2013；王紅燕等，2015)。本項(xiàng)目主要通過針對(duì)層狀云降水對(duì)混合反射率因子進(jìn)行VPR(reflectivity vertical profile)訂正，得到近地面的反射率因子用于Z-R關(guān)系擬合和降水率的計(jì)算來改進(jìn)雷達(dá)定量降水估計(jì)。其中，使用2005—2007年11次降水過程的武漢雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)，采用現(xiàn)有層狀云和對(duì)流云降水回波自動(dòng)分離技術(shù)分離出層狀云降水回波，采用近距離垂直分層(垂直分辨率為0.25 km)平均方法建立每個(gè)體掃下層狀云降水回波的平均視在VPR。通過統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，最大反射率因子(Zmax)所在高度hp之上1 km(hp+1)和之下0.75 km(hp-0.75)是反射率因子垂直梯度大值區(qū)，而且這兩個(gè)區(qū)間的反射率因子垂直梯度的大小與Zmax呈線性關(guān)系(圖2a)。由此建立了層狀云降水的動(dòng)態(tài)氣候VPR模型(圖2b)，其中，α和β為反射率因子變化斜率，hp則由雷達(dá)觀測(cè)識(shí)別出來。使用兩次層狀云降水個(gè)例進(jìn)行初步效果評(píng)估，結(jié)果表明：經(jīng)VPR訂正后層狀降水雷達(dá)QPE的平均相對(duì)誤差率從28%下降到23%。

圖2 層狀云降水的VPR訂正(a)最大反射率因子擬合結(jié)果，(b)層狀云降水動(dòng)態(tài)氣候VPR模型Fig.2 The VPR correction for stratiform precipitation(a) fitting result of maximum reflectivity, (b) dynamic climate VPR model of stratiform precipitation

SWAN系統(tǒng)最早使用COTREC(continuity of tracking radar echo by correlation)方法(Li et al，1995)進(jìn)行定量降水外推預(yù)報(bào)，該方法對(duì)變化平緩的層狀云降水系統(tǒng)能夠取得較準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)，從而得到有效的外推預(yù)報(bào)。但對(duì)于變化較快的強(qiáng)對(duì)流降水系統(tǒng)，COTREC方法得到的運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)的質(zhì)量降低，跟蹤失敗的情況顯著增加。光流是空間運(yùn)動(dòng)物體在觀測(cè)面上投影像素運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度。光流法就是利用圖像序列中像素強(qiáng)度數(shù)據(jù)的時(shí)域變化和相關(guān)性來確定各像素運(yùn)動(dòng)位置的研究方法。本項(xiàng)目提出一種改進(jìn)的光流法(王志斌等，2017)進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流回波的外推預(yù)報(bào)，以此來改進(jìn)定量降水的外推預(yù)報(bào)效果。首先，對(duì)比分析全局最優(yōu)約束的HS(Horn and Schunck，1981)光流方法和局部最優(yōu)約束的LK(Lucas and Kanade，1981)光流方法后發(fā)現(xiàn)，HS方法很難滿足全局最優(yōu)條件，而LK方法雖然容易滿足局部最優(yōu)條件，但難以使全場(chǎng)的圖像數(shù)據(jù)完全滿足最優(yōu)條件。改進(jìn)的光流法將上述兩種方法通過一個(gè)能量函數(shù)有機(jī)結(jié)合起來，并加入高階平滑項(xiàng)。求解方程得到流場(chǎng)結(jié)構(gòu)后，再運(yùn)用九點(diǎn)滑動(dòng)平均得到運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)，最后采用Semi-Lagrange方法進(jìn)行外推預(yù)報(bào)。初步評(píng)估結(jié)果表明，基于改進(jìn)光流法的外推預(yù)報(bào)效果優(yōu)于HS和LK方法。其中，30 min外推的擊中率(POD)比HS和LK方法分別高12%和9%；成功指數(shù)(CSI)也比HS和LK方法分別高7%和5%；虛警率(FAR)則均比HS和LK方法低5%左右。

為了滿足業(yè)務(wù)運(yùn)行需求，利用共享內(nèi)存方式并行處理，并基于Fork/Join框架進(jìn)行編程，通過將整個(gè)計(jì)算任務(wù)分割成若干子任務(wù)，再匯總每個(gè)子任務(wù)計(jì)算結(jié)果的方式顯著縮短了運(yùn)行時(shí)間，其加速比可達(dá)5.05(王志斌等，2019)。目前，改進(jìn)的雷達(dá)定量降水估計(jì)和定量降水外推預(yù)報(bào)算法已投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，可提供每6 min滾動(dòng)更新的0～3 h 的逐小時(shí)定量降水格點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品和強(qiáng)降水(>20 mm·h-1)格點(diǎn)預(yù)報(bào)，格點(diǎn)分辨率為0.01°×0.01°。

2.1.2 分類強(qiáng)對(duì)流天氣關(guān)鍵參量自動(dòng)提取及其統(tǒng)計(jì)特征研究

雷達(dá)徑向速度模糊問題是阻礙其廣度和深度應(yīng)用的重要原因，下?lián)舯┝骱妄埦淼淖R(shí)別預(yù)警更是離不開徑向速度資料的使用，因此，對(duì)徑向速度進(jìn)行有效的退模糊處理是資料應(yīng)用的關(guān)鍵。

武漢暴雨研究所自主研發(fā)了一套全自動(dòng)速度退模糊算法(肖艷姣等，2012)，并在我國新一代天氣雷達(dá)建設(shè)業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)(ROSE)中業(yè)務(wù)運(yùn)行。但在本項(xiàng)目研究過程中發(fā)現(xiàn)，存在劇烈方位切變的情況下，該算法難以有效區(qū)分速度模糊和風(fēng)切變，從而導(dǎo)致了不適當(dāng)?shù)乃俣韧四：捌鋽U(kuò)展(圖3b)，影響了對(duì)中氣旋和龍卷渦旋特征的準(zhǔn)確識(shí)別。為此，針對(duì)顯著速度模糊和強(qiáng)風(fēng)切變等情況調(diào)整了原算法中初始參考徑向的搜索方法，改變多輪退模糊過程中多參量動(dòng)態(tài)變化的閾值變化順序，并改進(jìn)了第二輪退模糊過程中的參考速度搜索方法，從而實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的速度退模糊算法(圖3c)，批量個(gè)例檢驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)存在劇烈切變的速度模糊區(qū)的退模糊效果有顯著提高。

以改進(jìn)的速度退模糊算法為基礎(chǔ)，進(jìn)一步開發(fā)了風(fēng)暴識(shí)別追蹤、冰雹指數(shù)、中層徑向輻合特征和中氣旋識(shí)別，下?lián)舯┝黝A(yù)報(bào)和識(shí)別(肖艷姣等，2021)等算法，綜合上述算法，完成了風(fēng)暴單體20多個(gè)特征參量(詳見表1)的自動(dòng)提取。基于大量下?lián)舯┝鳌埦砗捅v史個(gè)例，統(tǒng)計(jì)分析了產(chǎn)生這三種災(zāi)害天氣的風(fēng)暴單體的雷達(dá)特征量，為建立分類強(qiáng)天氣識(shí)別預(yù)警方法奠定基礎(chǔ)。

圖3 2016年6月23日14:25(北京時(shí)，下同)鹽城雷達(dá)1.4°仰角的徑向速度(a)未退模糊，(b)原速度退模糊算法，(c)改進(jìn)的速度退模糊算法Fig.3 The PPI of radial velocity for Yancheng Radar site at elevation 1.4° at 14:25 BT 23 June 2016(a) raw data, (b) original de-aliasing algorithm, (c) advanced de-aliasing algorithm

表1 風(fēng)暴單體的部分屬性特征參量Table 1 Characteristic parameters of the partial features of thunderstorm cell

2.1.3 建立分類強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警方法

以下?lián)舯┝鳛槔?，利用湖北省的雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)和地面大風(fēng)測(cè)站資料，對(duì)2010—2016年湖北省下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)天氣過程的雷達(dá)特征參量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。將大風(fēng)發(fā)生前6 min距離站點(diǎn)10 km范圍內(nèi)的風(fēng)暴均作為統(tǒng)計(jì)樣本?？紤]到研究目的在于尋找地面下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)發(fā)生的雷達(dá)先兆因子，故把匹配到地面大風(fēng)的風(fēng)暴單體前1 h的雷達(dá)特征參量都進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。為了有效地分析徑向速度因子的影響，選取的單體位于雷達(dá)站10～150 km范圍內(nèi)風(fēng)暴單體的雷達(dá)特征參量。通過對(duì)產(chǎn)生下?lián)舯┝骱头窍聯(lián)舯┝鞯娘L(fēng)暴單體的雷達(dá)特征量進(jìn)行對(duì)比分析，選出9個(gè)分布特征差異較大的風(fēng)暴單體雷達(dá)特征量，統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生下?lián)舯┝鞯母骼走_(dá)特征量的隸屬函數(shù)(式1)和權(quán)重，使用模糊邏輯法建立了下?lián)舯┝黝A(yù)警方程。

對(duì)流性大風(fēng)單體的雷達(dá)特征量x的隸屬函數(shù)F(x)見式(1)：

(1)

式中：TL和TU分別為下限、上限臨界值。

以雷達(dá)特征量作為輸入變量，基于模糊邏輯的下?lián)舯┝黝A(yù)警概率方程為：

(2)

式中：P為下?lián)舯┝靼l(fā)生的概率，F(xiàn)(xi)和W(xi)分別為雷達(dá)特征量xi的隸屬函數(shù)和權(quán)重。當(dāng)P大于預(yù)設(shè)閾值(缺省值為50)時(shí)認(rèn)為將有下?lián)舯┝靼l(fā)生。此外，當(dāng)1 km以下有顯著的徑向輻散特征(徑向輻散值大于40×10-4s-1)或有大風(fēng)核(徑向速度大于25 m·s-1)存在時(shí)也會(huì)觸發(fā)下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)預(yù)警。圖4 給基于單站雷達(dá)觀測(cè)的分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別產(chǎn)品。有關(guān)該算法更詳細(xì)的描述見肖艷姣等(2021)。

圖4 基于單站雷達(dá)觀測(cè)的分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別產(chǎn)品(風(fēng)桿表示下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)，黃色圓圈表示中等強(qiáng)度中氣旋，藍(lán)色三角形表示冰雹)Fig.4 The classified severe convective weather products based on single-station radar data(wind shaft: downburst， yellow circle: moderate mesocyclone， blue triangles: hail)

與下?lián)舯┝黝愃?，本?xiàng)目同樣給出了中氣旋產(chǎn)生龍卷的3個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)，以此實(shí)現(xiàn)了超級(jí)單體龍卷的識(shí)別；綜合使用最大反射率因子、垂直積分液態(tài)水含量及其密度與冰雹概率等4個(gè)特征參量建立了冰雹識(shí)別方法。建立的分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別預(yù)警系統(tǒng)可提供逐6 min的分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別產(chǎn)品，包括：風(fēng)暴單體的位置，移動(dòng)方向和速度，下?lián)舯┝?、龍卷和冰雹的發(fā)生概率及其位置等。利用2019年的下?lián)舯┝?、龍卷和冰雹個(gè)例對(duì)該系統(tǒng)開展批量測(cè)試評(píng)估，結(jié)果表明其性能穩(wěn)定，識(shí)別效果良好。

2.2 我國多源稠密觀測(cè)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

2.2.1 稠密觀測(cè)資料質(zhì)量分析、控制及檢驗(yàn)評(píng)估

多源稠密觀測(cè)資料是采用不同手段，從不同角度，具有不同特征的大氣觀測(cè)。為了充分利用這些資料開展數(shù)據(jù)融合分析，開展多源資料的特征分析和質(zhì)量控制研究至關(guān)重要。為此，項(xiàng)目組主要開展了GPS/MET、微波輻射計(jì)、風(fēng)廓線雷達(dá)等觀測(cè)資料的質(zhì)量控制及檢驗(yàn)評(píng)估。針對(duì)多源觀測(cè)資料各自特點(diǎn)，采取相應(yīng)的對(duì)比方法進(jìn)行質(zhì)量控制，以滿足LAPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的精度要求。

依托建立的GPS/MET(Global Positioning System Meteorology)自動(dòng)解算與反演系統(tǒng)，在GPS/PWV解算過程中，利用本地化模型的大氣加權(quán)平均溫度Tm=0.776 5Ts+53.775 4替代常數(shù)Tm=0.15，并基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，剔除0～160 mm范圍外的GPS/PWV數(shù)據(jù)。以探空RS/PWV為參考的GPS/PWV評(píng)估結(jié)果表明，使用本地化模型的大氣加權(quán)平均溫度提高了GPS/PWV反演數(shù)據(jù)的精度(付志康等，2017)。

在微波輻射計(jì)資料質(zhì)量分析及評(píng)估方面:(1)將無線電探空資料代入輻射傳輸模式(MWCLD)，模擬“晴空無云”條件下各通道亮溫，與武漢MP-3000A型地基微波輻射計(jì)的亮溫觀測(cè)值對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，兩者的相關(guān)系數(shù)很高，偏差很小。(2)對(duì)同址GPS無線電探空和微波輻射計(jì)觀測(cè)的氣象要素進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二者的溫度和水汽密度廓線具有很好的正相關(guān)，相對(duì)濕度廓線的正相關(guān)系數(shù)受天氣影響明顯；二者的觀測(cè)結(jié)果具有系統(tǒng)偏差，在無降水時(shí)較小，有降水時(shí)較大。有降水時(shí)，微波輻射計(jì)反演的亮溫偏高，可降水量明顯偏大。(3)對(duì)比分析了武漢站高時(shí)、空分辨率(3 h、30 m)的探空資料和地基微波輻射計(jì)資料，結(jié)果表明：降水對(duì)兩種設(shè)備的溫度廓線和水汽密度廓線的相關(guān)性無明顯影響，但對(duì)相對(duì)濕度廓線的相關(guān)性有較為明顯的影響，其相關(guān)性在有降水時(shí)好于無降水時(shí)；整體上，微波輻射計(jì)的廓線誤差在降水時(shí)大于無降水時(shí)，其溫度、相對(duì)濕度和水汽密度廓線的平均偏差均值分別在1.0～2.5℃，6%～15%和0.08～1.75 g·m-3，對(duì)應(yīng)的均方差均值分別在1.3～1.6℃，14%～17%和1.28～1.85 g·m-3。另外，將不同高度上微波輻射計(jì)和探空的資料進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，降水會(huì)嚴(yán)重破壞兩種資料的正相關(guān)性，導(dǎo)致大部分高度上的廓線呈負(fù)相關(guān)，同時(shí)也明顯增加溫度和水汽密度的平均偏差和均方差。

對(duì)于風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)，采用多高斯擬合方法對(duì)其觀測(cè)的原始數(shù)據(jù)功率譜中經(jīng)常出現(xiàn)的多譜峰情況進(jìn)行判斷，選取合理的譜峰作為大氣湍流回波計(jì)算風(fēng)速，避免了降水粒子等因素對(duì)速度的影響，從而得到更為合理的大氣風(fēng)場(chǎng)。

2.2.2 LAPS融合同化技術(shù)改進(jìn)和云分析技術(shù)研究

在LAPS系統(tǒng)中研發(fā)了變分法訂正的雷達(dá)反射率因子數(shù)據(jù)(Li and Xu，2017)、FY-2E衛(wèi)星輻射數(shù)據(jù)(李紅莉等，2016)、FY-4A溫濕度廓線產(chǎn)品、反演的三維GPS層析水汽密度數(shù)據(jù)的同化技術(shù)，并建立了能同化雷達(dá)、風(fēng)云衛(wèi)星、GPS水汽、風(fēng)廓線雷達(dá)、探空、地面等多源稠密觀測(cè)資料的華中區(qū)域3 km 逐小時(shí)資料融合分析系統(tǒng)(李紅莉和王志斌，2017)。該系統(tǒng)融合了115部雷達(dá)基數(shù)據(jù)，可提供接近實(shí)況并滿足業(yè)務(wù)需求的高時(shí)空分辨率分析產(chǎn)品。

評(píng)估表明，LAPS云分析產(chǎn)品較接近實(shí)況。由圖5可知，2016年6月28日09時(shí)，1 h實(shí)況降水雨區(qū)位于長江中游，且存在數(shù)個(gè)降水中心，分別位于安徽東南部—浙江北部、鄂皖贛交界大別山地區(qū)、浙江南部、湖南北部洞庭湖西側(cè)、湘黔渝交界區(qū)域(圖5a)，LAPS較好地分析出這5個(gè)降水中心對(duì)應(yīng)的云頂高度超過10 km的云團(tuán)(圖5c)，與葵花8衛(wèi)星觀測(cè)的穩(wěn)定云帶中的云團(tuán)位置及云頂高度(圖5b)較為一致。由于LAPS云分析方案是基于背景場(chǎng)的濕度診斷初估云量，再結(jié)合雷達(dá)、衛(wèi)星等觀測(cè)修訂云分析(李紅莉等，2016)，與衛(wèi)星對(duì)云區(qū)的觀測(cè)反演有所不同，故雖然兩者對(duì)強(qiáng)降水云區(qū)的分析較為接近，但在弱降水云區(qū)仍存在較大差異。

圖5 2016年6月28日09時(shí)實(shí)況降水(a)以及葵花8衛(wèi)星(b)和LAPS(c)的云頂高Fig.5 The observed precipitation (a) and the cloud tops by Himawari-8 Satellite (b) and LAPS (c) at 09:00 BT 28 June 2016

2.3 外推預(yù)報(bào)和高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)混合技術(shù)

2.3.1 快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)

針對(duì)3D-Var方法直接同化雷達(dá)反射率時(shí)無法改善對(duì)流系統(tǒng)中的水汽問題，在雷達(dá)反射率觀測(cè)識(shí)別深對(duì)流云的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步調(diào)整模式的相對(duì)濕度場(chǎng)，將對(duì)流降水柱內(nèi)抬升凝結(jié)高度至回波頂高之間的水汽置為飽和(即相對(duì)濕度為100%)，并降低層狀云降水和虛假對(duì)流區(qū)的相對(duì)濕度，然后根據(jù)模式背景場(chǎng)信息構(gòu)造“偽水汽”觀測(cè)并開展同化(具體算法詳見賴安偉等，2021)，從而改善對(duì)流尺度系統(tǒng)的水汽條件，減弱模式spin-up問題(Lai et al，2019)。ADAS云分析技術(shù)中云內(nèi)溫度調(diào)整對(duì)對(duì)流發(fā)展有促進(jìn)作用(Hu et al，2006)，為此，利用對(duì)流云濕絕熱溫度調(diào)整方案調(diào)整后的云內(nèi)溫度作為“偽云內(nèi)溫度”觀測(cè)，對(duì)2016年6月23日江蘇省阜寧龍卷個(gè)例開展了“偽水汽”和“偽云內(nèi)溫度”同化試驗(yàn)，結(jié)果表明該方法提高了對(duì)梅雨鋒上強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的模擬能力(圖6)。

圖6 2016年6月23日兩組同化試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(a，d，g，j)觀測(cè)實(shí)況，(b，e，h，k)只同化雷達(dá)數(shù)據(jù)，(c，f，i，l)同化雷達(dá)、“偽水汽”和“偽云內(nèi)溫度”Fig.6 The comparison of two assimilation experiments on 23 June 2016(a, d, g, j) observations， (b, e, h, k) only radar data assimilated， (c, f, i, l) radar, pseudo water vapor and temperature in cloud assimilated

針對(duì)梅雨鋒上環(huán)境水汽條件充沛，“偽水汽”方案調(diào)整水汽幅度較弱，對(duì)流系統(tǒng)模擬發(fā)展緩慢，維持時(shí)間較短等問題，融合了云分析系統(tǒng)中的層狀云凝結(jié)潛熱和對(duì)流云濕絕熱溫度調(diào)整方案，將融合兩種溫度方案后獲得的調(diào)整溫度作為“觀測(cè)值”，并與雷達(dá)徑向風(fēng)和反射率因子一起同化，改善了梅雨鋒的0～3 h降水預(yù)報(bào)(Lai et al，2020)。

研發(fā)了LAPS系統(tǒng)和WRF模式的耦合技術(shù)，利用暴雨天氣過程開展了數(shù)值模擬試驗(yàn)，檢驗(yàn)了觀測(cè)資料同化對(duì)暴雨預(yù)報(bào)的影響。開展了基于融合稠密觀測(cè)資料的LAPS云分析的模式熱啟動(dòng)技術(shù)和LAPS各要素平衡關(guān)系等研究，評(píng)估了平衡前后模式初值對(duì)預(yù)報(bào)的影響，結(jié)果表明，可緩解模式spin-up問題，提高模式0～6 h的強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)效果。以上述研究為支撐，完成了基于實(shí)時(shí)稠密觀測(cè)資料(雷達(dá)、衛(wèi)星、GPS水汽、探空、地面等)融合的逐時(shí)更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)。相較于目前華中區(qū)域?qū)崟r(shí)運(yùn)行的快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)(HRRR)，逐時(shí)更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)(EXPRUC)的0～6 h降水預(yù)報(bào)評(píng)分更高(圖7)。

圖7 HRRR(a,c,e,g)和EXPRUC(b,d,f,h)模式系統(tǒng)0～6 h(a，b)1 mm，(c，d)5 mm，(e，f)10 mm和(g，h)20 mm不同量級(jí)降水預(yù)報(bào)的TS評(píng)分Fig.7 The TS scores of 0-6 h precipitation forecast of HRRR (a, c, e, g) and EXPRUC (b, d, f, h) models at different levels: (a, b) 1 mm， (c, d) 5 mm， (e, f) 10 mm， (g, h) 20 mm

2.3.2 模式降水預(yù)報(bào)校正方法研究

借鑒RAPIDS(real-time acceleration platform for integrated data science)的技術(shù)思路，開展了數(shù)值降水預(yù)報(bào)落區(qū)和強(qiáng)度校正方法研究。

對(duì)于數(shù)值預(yù)報(bào)降水位相采用兩步校正法。即：第一步，先用快速傅里葉變換FFT法，保證雨帶整體位移偏差得到修正；第二步，用多尺度光流變分法，使雨帶的走向和小范圍降水區(qū)得到合理調(diào)整，使得快速更新循環(huán)預(yù)報(bào)的降水落區(qū)和實(shí)況更加吻合。

強(qiáng)度訂正則是通過調(diào)整模式降水預(yù)報(bào)使其逐步向定量估測(cè)降水場(chǎng)逼近來完成的。統(tǒng)計(jì)可知模式預(yù)報(bào)降水和雷達(dá)估測(cè)降水均滿足韋布爾分布，且兩個(gè)降水場(chǎng)的概率密度分布函數(shù)相同。通過多樣本運(yùn)算求解可得到韋布爾分布的參數(shù)α和β。值得注意的是，對(duì)于不同的降水個(gè)例以及降水過程的不同時(shí)次，韋布爾分布參數(shù)都有所不同，每次強(qiáng)度調(diào)整的具體情況也不盡相同，以此來保證每次的調(diào)整都合理有效。

2.3.3 雷達(dá)外推預(yù)報(bào)和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)混合技術(shù)研究

混合方法的實(shí)質(zhì)是“取長補(bǔ)短”，混合前期取臨近預(yù)報(bào)的“長”補(bǔ)數(shù)值預(yù)報(bào)的“短”，混合后期則是取數(shù)值預(yù)報(bào)的“長”補(bǔ)臨近預(yù)報(bào)的“短”，以求在0～6 h內(nèi)取得較好的預(yù)報(bào)效果(見下式)，其中，混合權(quán)重的分配是問題的關(guān)鍵。

R_blending(t)=W(t)×R_model+

[1-W(t)]×R_radar (1≤t≤6)

(3)

本項(xiàng)目采用正切動(dòng)態(tài)權(quán)重融合法，正切曲線的兩個(gè)端點(diǎn)根據(jù)降水的天氣類型和預(yù)報(bào)員的天氣變化經(jīng)驗(yàn)給定，結(jié)合不同降水系統(tǒng)的空間尺度，在不同情況下取不同的權(quán)重(楊丹丹等，2010)：

(1≤t≤6)

(4)

式中:α和β分別是t=1(當(dāng)前時(shí)次)和t=6(未來6 h)的數(shù)值模式權(quán)重，α和β的取值根據(jù)預(yù)報(bào)員的天氣變化經(jīng)驗(yàn)、雷達(dá)氣候?qū)W、對(duì)流系統(tǒng)的強(qiáng)弱等確定，γ代表在融合時(shí)段中間部分W的斜率，通過調(diào)節(jié)γ值來確定權(quán)重曲線的變化快慢，γ和α值根據(jù)降水系統(tǒng)類型和降水過程快慢等確定。在業(yè)務(wù)應(yīng)用前，需要開展大量歷史個(gè)例試驗(yàn)，通過統(tǒng)計(jì)分析與對(duì)比檢驗(yàn)得到適合于本地應(yīng)用的參數(shù)設(shè)置；或者通過大量個(gè)例的檢驗(yàn)結(jié)果建立本地化參數(shù)庫，針對(duì)不同天氣系統(tǒng)配置不同的參數(shù)。

考慮到局地的強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)，1 h內(nèi)外推預(yù)報(bào)的效果較好，因此，混合前1 h內(nèi)的融合權(quán)重保持不變，即混合前1 h內(nèi)數(shù)值預(yù)報(bào)權(quán)重保持α值不變；外推預(yù)報(bào)隨時(shí)間延長預(yù)報(bào)效果急劇下降，6 h后已不具備參考價(jià)值，因此，第6小時(shí)數(shù)值預(yù)報(bào)權(quán)重β取1。根據(jù)天氣系統(tǒng)類型和雷達(dá)資料的譜空間相關(guān)性等進(jìn)一步確定γ和α值。當(dāng)前已實(shí)現(xiàn)了基于雷達(dá)的定量降水外推預(yù)報(bào)和校正后的數(shù)值模式定量降水預(yù)報(bào)的混合技術(shù)，可提供湖北省0～6 h定量降水預(yù)報(bào)的混合服務(wù)產(chǎn)品。經(jīng)檢驗(yàn)，強(qiáng)回波1 h(2 h)臨近預(yù)報(bào)結(jié)果和雷達(dá)監(jiān)測(cè)實(shí)況之間的總體相關(guān)性達(dá)到50%(30%)左右，而對(duì)于大范圍強(qiáng)降水可達(dá)70%(60%)左右。

基于上述研究內(nèi)容及其成果，完成了強(qiáng)對(duì)流天氣0～12 h臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)，并配套建設(shè)了預(yù)報(bào)產(chǎn)品網(wǎng)頁顯示平臺(tái)，方便預(yù)報(bào)員實(shí)時(shí)查閱各類預(yù)報(bào)產(chǎn)品(表2)。該系統(tǒng)已于2019年投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行。

表2 0～12 h臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)產(chǎn)品列表Table 2 Product list of the 0-12 h nowcasting system

3 應(yīng)用檢驗(yàn)

3.1 個(gè)例介紹

2020年5月4—5日，受高空低槽東移影響，重慶、湖北、湖南、江西一帶自西向東發(fā)生大范圍的冰雹、大風(fēng)天氣，491個(gè)區(qū)域自動(dòng)站出現(xiàn)8級(jí)以上大風(fēng)，極大風(fēng)速的最大值超過30 m·s-1，27個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，最大冰雹直徑超過5 cm。圖8為5月4日09時(shí)至5日08時(shí)的逐小時(shí)冰雹大風(fēng)分布(同一站點(diǎn)多次出現(xiàn)大風(fēng)的僅保留風(fēng)速最大的時(shí)次，極大風(fēng)速相同時(shí)則保留最早的時(shí)次)。

3.2 效果檢驗(yàn)分析

3.2.1 分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別預(yù)警子系統(tǒng)

結(jié)合分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別預(yù)警子系統(tǒng)的冰雹識(shí)別產(chǎn)品，以強(qiáng)冰雹概率(POSH)≥50%作為大冰雹的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程的冰雹識(shí)別情況進(jìn)行了評(píng)估。冰雹落區(qū)來源于中國氣象局災(zāi)情報(bào)告和網(wǎng)絡(luò)報(bào)道，其中，為了盡可能保證冰雹落區(qū)的客觀真實(shí)性，僅選取災(zāi)情描述中明確有冰雹發(fā)生或伴有冰雹天氣的記錄，落雹地點(diǎn)精確到鄉(xiāng)鎮(zhèn)。由于大部分冰雹災(zāi)情沒有具體的發(fā)生時(shí)間，故選取災(zāi)情發(fā)生時(shí)段內(nèi)與受災(zāi)點(diǎn)距離最近的對(duì)流單體的識(shí)別情況開展檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果如圖8中所示，約81.5%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)點(diǎn)識(shí)別出了冰雹天氣，識(shí)別成功率較高。

圖8 2020年5月4日09時(shí)至5日08時(shí)冰雹、大風(fēng)的時(shí)空分布Fig.8 Spatial and temporal distribution of hail and gale from 09:00 BT 4 to 08:00 BT 5 May 2020

與冰雹檢驗(yàn)相似，以大風(fēng)預(yù)警指數(shù)≥50%為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，利用區(qū)域自動(dòng)站的小時(shí)極大風(fēng)數(shù)據(jù)開展大風(fēng)識(shí)別預(yù)警檢驗(yàn)。其中，當(dāng)颮線系統(tǒng)上任意單體達(dá)到大風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，颮線影響范圍內(nèi)的大風(fēng)站點(diǎn)均被認(rèn)為預(yù)警正確；且剔除了受陣風(fēng)鋒影響或大風(fēng)站點(diǎn)附近沒有明顯對(duì)流回波的站點(diǎn)。預(yù)警時(shí)效為初次大風(fēng)預(yù)警與站點(diǎn)出現(xiàn)大風(fēng)實(shí)況的時(shí)間差。表3給出了區(qū)域內(nèi)10部天氣雷達(dá)的大風(fēng)預(yù)警產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果，可以看出95%的站點(diǎn)在大風(fēng)發(fā)生前，臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)均成功發(fā)布預(yù)警，預(yù)警時(shí)效為4～63 min不等。其中，從大風(fēng)預(yù)警時(shí)刻較實(shí)況的提前量(預(yù)警時(shí)效)來看，颮線系統(tǒng)影響的站點(diǎn)相對(duì)較長，而分散性對(duì)流單體或發(fā)展較快的對(duì)流系統(tǒng)對(duì)應(yīng)站點(diǎn)相對(duì)較短。

表3 10部雷達(dá)大風(fēng)識(shí)別預(yù)警檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of gale identification and warning of ten radars

綜上所述，基于華中區(qū)域業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)和地面加密觀測(cè)網(wǎng)，災(zāi)害性天氣0～12 h臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)在此次強(qiáng)對(duì)流過程中成功識(shí)別出了大部分冰雹，并多次提前預(yù)警了地面大風(fēng)，取得了不錯(cuò)的服務(wù)效果。

3.2.2 快速更新循環(huán)預(yù)報(bào)子系統(tǒng)

搭建的小時(shí)更新的快速更新循環(huán)預(yù)報(bào)子系統(tǒng)對(duì)此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行了較好的預(yù)報(bào)指示。圖9為預(yù)報(bào)系統(tǒng)2020年5月5日00時(shí)起報(bào)未來3 h內(nèi)的上升螺旋度預(yù)報(bào)路徑。從圖中不難看出，高分辨率快速更新循環(huán)預(yù)報(bào)系統(tǒng)通過高頻同化實(shí)時(shí)資料能較好地描述此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程，多個(gè)實(shí)況大風(fēng)站點(diǎn)正好對(duì)應(yīng)水平風(fēng)場(chǎng)的大風(fēng)區(qū)(>17 m·s-1),而冰雹的落區(qū)也位于對(duì)冰雹生成具有較好指示意義的上升螺旋度的大值區(qū)內(nèi)。

圖9 2020年5月5日00時(shí)預(yù)報(bào)未來3 h內(nèi)的2～5 km上升螺旋度預(yù)報(bào)路徑(藍(lán)色三角：大風(fēng)站點(diǎn)，綠色矩形：冰雹落區(qū)，彩色陰影：2～5 km上升螺旋度預(yù)報(bào)路徑)Fig.9 The forecast of 2-5 km rising helicity path within 3 h starting from 00:00 BT 5 May 2020(blue triangle: strong wind site， green rectangle: hail area， colored: 2-5 km rising helicity path forecast)

如圖10所示，從不同降水預(yù)報(bào)結(jié)果的對(duì)比中可以看到，數(shù)值模式(圖10b)對(duì)此次降水過程的整體預(yù)報(bào)效果較好，成功地預(yù)報(bào)出位于鄂東北和鄂東南的兩塊主降水區(qū)，降水量級(jí)也與實(shí)況(圖10a)接近；但湖南東北部的降水預(yù)報(bào)明顯弱于實(shí)況，而在江漢平原地區(qū)也存在一定的空?qǐng)?bào)和漏報(bào)。基于雷達(dá)外推的降水估計(jì)結(jié)果(圖10c)有效改善了江漢平原地區(qū)的漏報(bào)，但是量級(jí)仍偏低，除此之外，湖南東北部的降水明顯增強(qiáng)，向?qū)崨r靠近；而鄂東北和鄂東南這兩個(gè)主要降水區(qū)的降水強(qiáng)度與實(shí)況也更加吻合?；旌项A(yù)報(bào)結(jié)果(圖10d)則有效結(jié)合了上述兩者的預(yù)報(bào)結(jié)果，除了改善模式空?qǐng)?bào)和漏報(bào)等問題，對(duì)于雷達(dá)外推的部分高估問題也有所抑制，總體預(yù)報(bào)效果最優(yōu)。預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果(表略)也驗(yàn)證了該結(jié)論，即：混合預(yù)報(bào)的TS評(píng)分、ETS評(píng)分和POD都要高于模式預(yù)報(bào)和雷達(dá)外推結(jié)果。

圖10 2020年5月5日02時(shí)起報(bào)1 h降水量結(jié)果對(duì)比(a)實(shí)況，(b)模式預(yù)報(bào)，(c)雷達(dá)QPF，(d)混合預(yù)報(bào)Fig.10 Comparison of 1 h precipitation forecast results starting from 02:00 BT 5 May 2020(a) observation, (b) NWP forecast, (c) radar QPF, (d) blending forecast

3.2.3 多源資料融合分析子系統(tǒng)

圖11為多源資料融合分析子系統(tǒng)在此次颮線過程發(fā)生前的大氣環(huán)境場(chǎng)分析結(jié)果，從圖中不難看出，湖南、江西等地的Δθse(500-850)(850～500 hPa的假相當(dāng)位溫差)普遍小于-12℃，對(duì)流有效位能(CAPE)則超過2 000 J·kg-1，這說明大氣具有較強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定性。盡管最大CAPE值與Bryan and Morrison(2012)給出的中緯度颮線典型CAPE值(4 200 J·kg-1)相比偏小，但仍超過了國內(nèi)研究得到的颮線CAPE值，例如：潘玉潔等(2008)研究的颮線CAPE值為1 601 J·kg-1，Meng and Zhang(2012)給出的我國2007—2009年間伴隨熱帶氣旋的颮線平均CAPE值(1 548 J·kg-1)。本次颮線的形成很可能還與較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變密切相關(guān)。已有研究表明, 在中尺度對(duì)流云團(tuán)組織成颮線的過程中垂直風(fēng)切變經(jīng)常起著重要作用(楊曉霞等，2007；Yamasaki，2009)。在18時(shí)，湖南境內(nèi)出現(xiàn)1 000～500 hPa垂直風(fēng)切變大于4×10-3s-1的大值中心，大于孫虎林等(2011)研究的黃淮區(qū)域颮線的平均垂直風(fēng)切變(1.41×10-3s-1)，而與陳云輝等(2019)得到的江西強(qiáng)颮線的研究結(jié)果(24 m·s-1)相接近。這種強(qiáng)垂直切變能夠增強(qiáng)中層干冷空氣的吸入，加強(qiáng)風(fēng)暴中的下沉氣流和低層冷空氣外流。

圖11 2020年5月4日18時(shí)融合分析子系統(tǒng)分析的環(huán)境場(chǎng)大氣對(duì)流參數(shù)(填色：CAPE，單位：J·kg-1；等值線：1 000～500 hPa垂直風(fēng)切變，>4×10-3 s-1；點(diǎn)區(qū)：Δθse(500-850)≤-12℃的區(qū)域)Fig.11 Ambient atmospheric convection parameters analyzed by the fusion analysis subsystem at 18:00 BT 4 May 2020(colored: CAPE, unit: J·kg-1; contour： 1 000-500 hPa vertical wind shear， >4 ×10-3 s-1; dotted: the region with Δθse(500-850)≤-12℃)

由雷達(dá)反射率因子逐小時(shí)演變(圖略)和地面瞬時(shí)大風(fēng)的站點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)(圖8)可以判斷，5日01時(shí)颮線已發(fā)展成熟，強(qiáng)回波呈明顯的弓形(如圖12中等值線所示)。在南北向的對(duì)流強(qiáng)回波帶(簡(jiǎn)稱“C區(qū)”)后方存在層云次強(qiáng)回波區(qū)(簡(jiǎn)稱“S區(qū)”),在S區(qū)和C區(qū)之間有弱回波過渡帶(簡(jiǎn)稱“T區(qū)”)。由700 hPa 和600 hPa的水平風(fēng)場(chǎng)、散度場(chǎng)和垂直速度場(chǎng)(圖12)可以看出,C區(qū)和T區(qū)存在明顯的輻合上升運(yùn)動(dòng)(散度<-20×10-5s-1, 上升速度>0.6 m·s-1)；S區(qū)則以輻散下沉運(yùn)動(dòng)為主(散度>20×10-5s-1,下沉速度<-0.4 m·s-1)。盡管強(qiáng)回波區(qū)與輻合區(qū)和強(qiáng)上升區(qū)并不完全一致，但仍可以看出，強(qiáng)回波區(qū)北段存在明顯的輻合上升運(yùn)動(dòng)(上升速度約為1.6 m·s-1)，而強(qiáng)回波南段的上升運(yùn)動(dòng)并不明顯，這可能與成熟階段大雨滴向下的拖曳作用有關(guān)(Houze，2014)。對(duì)流區(qū)存在下沉氣流在以往的外場(chǎng)試驗(yàn)中也被證實(shí)，如：Tridon et al(2019)利用ARM(atmospheric radiation measurement)試驗(yàn)中風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)揭示了颮線過境時(shí)對(duì)流區(qū)上升、下沉氣流共存的現(xiàn)象。上述結(jié)構(gòu)特征與孫虎林等(2011)的研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，颮線中低層散度和垂直速度的垂直分布特征較為一致，均顯示S區(qū)的整個(gè)中低層為下沉運(yùn)動(dòng)，低層存在明顯輻散；而C區(qū)為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)；主要的不同在于：T區(qū)在本次颮線過程中為上升氣流控制，這一差異值得后期進(jìn)一步探討。

圖12 2020年5月5日01時(shí)(a)700 hPa的水平風(fēng)(箭頭)、雷達(dá)反射率(等值線，≥30 dBz)及散度(填色，單位：10-5 s-1)；(b)同圖12a，但為600 hPa，填色為垂直速度(單位：m·s-1)(雷達(dá)數(shù)據(jù)已在LAPS融合模塊中由極坐標(biāo)格式轉(zhuǎn)換為p坐標(biāo)系下的三維網(wǎng)格數(shù)據(jù))Fig.12 (a) Composite of horizontal wind (arrow), divergence (colored, unit: 10-5 s-1) and radar reflectivity (contour, ≥30 dBz) at 01:00 BT 5 May 2020; (b) same as Fig.12a, except for 600 hPa and vertical velocity (colored, unit: m·s-1) (The radar data are three-dimensional Cartesian gridded data in constant pressure coordinates processed by the fusion module of LAPS)

4 結(jié)論與討論

中國氣象局武漢暴雨研究所重點(diǎn)圍繞災(zāi)害性天氣的資料同化與臨近預(yù)報(bào)開展了分類強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別預(yù)警技術(shù)，多源稠密觀測(cè)資料數(shù)據(jù)融合技術(shù)以及外推預(yù)報(bào)和高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)混合技術(shù)這三個(gè)方面的研究，并從中實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)徑向速度質(zhì)量控制算法改進(jìn)、雷達(dá)QPE的VPR訂正、對(duì)流尺度模式的“偽水汽”同化、LAPS與WRF的耦合等一系列的技術(shù)方法，取得了較豐富的研究成果，并以此為基礎(chǔ)搭建了強(qiáng)對(duì)流天氣0～12 h臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)已于2019年投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行，取得了積極的效果反饋。

雖然取得了一定的研究成果，但強(qiáng)對(duì)流天氣的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)預(yù)警仍有待開展多方面的研究和探索：

(1)利用更長歷時(shí)的災(zāi)害性天氣資料開展統(tǒng)計(jì)分析和特征提取以改進(jìn)相關(guān)的識(shí)別預(yù)警算法，提高實(shí)際應(yīng)用效果；探索運(yùn)用新的技術(shù)手段(如：大數(shù)據(jù)、人工智能等)開展相關(guān)研究，尋求更大的技術(shù)突破。

(2)深入開展新型探測(cè)資料(如雙偏振雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)等)同化技術(shù)的研究，發(fā)揮資料探測(cè)優(yōu)勢(shì)以改進(jìn)高分辨率數(shù)值模式的模擬和預(yù)報(bào)效果。

(3)組織開展更加全面有效的強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)試驗(yàn)，深入理解其發(fā)生發(fā)展的機(jī)制機(jī)理，從而改進(jìn)模式的微物理參數(shù)化方案，增強(qiáng)模式對(duì)此類天氣系統(tǒng)的模擬與預(yù)報(bào)能力。