强对流天气综合监测业务系统建设

摘  要

  强对流天气监测是其预报的基础。国家气象中心强天气预报中心利用多源观测资料(常规和非常规资料)建设了强对流天气综合监测业务系统。强对流天气的监测对象包括积云、地面高温、雷暴、地闪、冰雹、龙卷、大风、雷暴大风、短时强降水、雷暴反射率因子、对流风暴(基于雷达资料)、深对流云、MCS(中尺度对流系统,基于静止卫星红外1通道资料)等不同时段的分布。使用的监测技术包括自动站资料质量控制技术、强对流信息提取和统计技术、CTREC(CartesianTracking RadarEchoesbyCorrelation,直角坐标交叉相关雷达回波追踪)技术、TITAN(ThunderstormIdentification,Tracking,Analysis,andNowcasting,雷暴识别、追踪、分析和临近预报)技术、深对流云识别技术、MCS识别和追踪技术和闪电密度监测技术等。强对流天气监测系统自动定时运行,其输出数据与MICAPS业务平台完全兼容。该监测系统在国家气象中心的强天气预报实时业务中发挥了重要作用。

关键词:强对流;多源资料;综合监测;业务系统

引 言
  我国是强对流天气(短时强降水、冰雹、雷雨大风、龙卷等)频发国家之一。由于强对流天气时空尺度小、变化快、天气剧烈、社会影响大,发生发展机制比较复杂,是目前天气预报业务中的难点和重点之一。
  强对流天气的监测是强对流天气业务预报的重要组成部分,尤其是短时临近预报的基础。由于短时临近预报时间紧、任务急,方便快捷的强对流天气的监测系统和产品调用就显得尤为重要。方便快捷的监测系统快速提取强对流天气有效信息,实现大量数据的快速处理,可以有效减轻预报员的工作量,显著提高工作效率。因此加强强对流天气的监测是提高强对流天气预报业务水平的重要方面。
  强对流天气的监测不仅可以了解强对流天气的发生状况,包括当前强对流天气的状态、强对流天气过程、历史强对流天气状况和强对流天气气候分布等,还可以为强对流天气预报检验(包括定性检验和定量检验)提供基础数据。
  强对流天气监测的含义包括狭义监测、广义监测。狭义强对流天气监测主要是指强对流天气实况的监测,这也是通常所理解的监测。广义监测还包括强对流天气发生条件的监测。本文所指的监测主要是指狭义监测。
  现阶段中国气象局已经建设完成了灾害性天气短时临近预报系统———SWAN[12]。SWAN 系统具有了相当的强对流天气监测能力,但其监测的重点是当前强对流天气(包括冰雹、大风、短时强降水、雷
达特征量等)的实况,尚不具有相应的统计功能,缺乏对不同时段、不同强度不同类别强对流天气的监测能力,不能完全满足强对流天气预报和技术总结的需要。2009年,国家气象中心强天气预报中心利用常规观测资料、WS(重要天气报告)报、自动站、闪电部分实现了全国强对流天气的实时监测[23]。
  综上所述,非常有必要在SWAN 系统监测技术基础上进一步推进国家气象中心强天气预报中心的强对流天气的监测技术开发,实现利用多源数据资料综合监测我国强对流天气的分布。
1 监测内容
  国家气象中心强天气预报中心利用常规地面观测资料、重要天气报告(WS 报)、自动站资料、地闪定位资料、雷达反射率因子资料(包括全国拼图和单站雷达基数据资料)、静止卫星红外1和水汽通道资料等,实现了我国及其周边地区不同类别强对流天气的不同时段、不同强度的实时监测。
  不同的数据具有不同的优势和劣势。常规地面观测资料和重要天气报告可信度高,包含天气现象数据,但时空分辨率较低。自动站资料时空分辨率高,但存在一些质量问题,且没有天气现象数据。地闪定位资料时空分辨率高,能够提供正地闪和负地闪信息,但目前尚未覆盖全国。雷达反射率因子能够提供高时空分辨率的对流活动信息,但容易受到地物杂波等的影响。静止卫星资料覆盖范围广,时空分辨率较高,但只能提供云顶信息。因此不同的数据源提供了不同的强对流天气监测信息,所以强对流天气的监测需要综合多源数据来进行。
  强对流天气的监测对象包括积云、地面高温、雷暴、地闪、冰雹、龙卷、大风、雷暴大风、短时强降水、雷达反射率因子、对流风暴(基于雷达资料)、深对流云、MCS(中尺度对流系统,基于静止卫星红外1 通
道资料)的最近1、3、6、12和24小时的分布,为时间滑动监测;还可以进行月、旬、候等强对流天气分布监测,从而为制作强对流天气监测月报和年报提供数据基础;也可以根据需要设置为任意时次、任意天
数的强对流实况监测。
  强对流天气的最近时间段(1、3、6、12 和24 小时)的监测是为了了解最新天气实况和天气过程;时间滑动监测为了数据的随时更新;月、旬、候等监测是为了提供强对流月度监测报告;任意时次、任意天的强对流实况监测是为了天气技术总结和技术研发以及气候分布特征分析。
  积云是大气不稳定状态的反映,其中以鬃积雨云发展最为强烈。地面高温也一定程度上反映了大气的不稳定程度。监测积云和地面高温的分布可为强对流天气预报提供大气是否稳定的前期信息。
  雷暴和闪电是最为常见的对流天气。监测雷暴和闪电是为了较全面了解大气中对流天气的分布。

  雷暴的监测(如图1)使用常规地面观测资料和重要天气报告完成,包括基本站、基准站和一般站的观测资料。闪电监测(如图2)的资料来源是中国气象局气象探测中心提供的地基监测网监测的地闪资料。
  冰雹、龙卷和大风的监测(如图1)是强对流天气监测的重点,资料来源主要是常规地面观测资料和重要天气报告。冰雹监测包括发生时间和直径大小。为了提高大风监测产品的时空分辨率,也使用了自动站资料进行大风监测(如图3),但该资料需要进行必要的质量控制。大风的监测划分为不同的强度,分别为17m/s、25m/s和30m/s。使用雷暴和大风产品综合进行雷暴大风监测(如图3)。

  短时强降水的发生频率显著高于冰雹、龙卷和雷暴大风。其监测资料来源是自动站的1小时降水资料。短时强降水监测(如图1和3)等级区分为三类,分别为:≥20mm/h、≥30mm/h、≥50mm/h;也监测每一自动站的最近3小时、6小时、12小时和24小时降水累积数据。

  反射率因子(如图4)、CTREC (CartesianTrackingRadarEchoesbyCorrelation,直角坐标交叉相关雷达回波追踪)[34]矢量场(如图5)和对流风暴(如图6)监测主要基于全国的反射率因子拼图,也可以根据需要切换为单站雷达基数据。反射率因子和对流风暴的监测划分为不同的等级(35dBz、40dBz、45dBz、50dBz、55dBz等)来反映不同强度的对流天气;CTREC 矢量场主要提供整体对流系统的移向和移速;对流风暴的监测基于TITAN(Thunderstorm Identification,Tracking,Analysis,and
Nowcasting, 雷暴识别、追踪、分析和临近预报)[3,56]算法,主要关注不同对流体的移向和移速。

  深对流云(如图7)和MCS(如图8)监测基于我国的风云2静止卫星红外1和水汽通道资料。该监测产品区分为弱、中、强三个等级。深对流云监测可以给出不同时段的对流活动强弱分布,MCS监测给出了对流系统的移向移速和强度等信息。一般说来,基于静止卫星红外TBB 资料识别的MCS 尺度要大于基于雷达反射率因子资料识别的对流风暴,这是因为对流系统的云砧远大于对流风暴、且一个MCS往往包含多个对流风暴的缘故。因此MCS的移动路径更能够代表对流系统的移动。

2 监测技术和方法
  强对流天气监测技术架构如图9,主要包括资料质量控制技术、信息提取和统计技术、卫星资料监测技术、雷达资料监测技术和闪电监测技术等。

2.1 质量控制技术

  重点发展了自动站大风和降水资料、地闪资料的质量控制技术。
  基于加密自动站资料的大风和短时强降水监测可以达到1 小时的时间分辨率,高于常规测站的3小时时间分辨率;空间分辨率更是大大高于常规测站。
  但自动站没有雷暴观测,因此仅仅根据自动站资料很难直接判断观测到的大风数据(大于等于8级风)是否是雷暴大风。因此,需要根据常规观测、地闪观测和静止卫星观测的TBB 综合来判断自动站观测到的大风天气是否雷暴大风。
  由于自动站降水资料会出现一些错误数据,因此需要对该资料进行质量控制以提高可用性。但是自动站降水数据时空分辨率较高,目前与其分辨率相匹配的资料只有静止卫星资料、地闪资料和雷达资料。
  地闪资料不能直接提供降水的信息,但能够提供对流活动的信息。由于短时强降水区域可能无地闪定位资料,也可能地闪活动较弱,因此尚不能判断低地闪密度区域就一定没有短时强降水天气发生。
  雷达反射率因子资料可用于直接判断是否有短时强降水发生。但目前的雷达反射率因子资料不能覆盖全国,质量控制也存在一些问题(比如地物杂波问题等)。因此也难于直接使用该资料判断是否有短时强降水天气。

  静止卫星TBB 资料具有较高的时空分辨率和可用性,可直接使用TBB资料来辅助判断自动站降水资料的可信度。因此,除了对自动站降水资料进行极值检查来判断降水的合理性,还使用了静止卫星TBB资料进行辅助判断。高TBB的区域发生短时强降水的可能性较低,低TBB的区域发生短时强降水的可能性较高。
  利用地闪分布的空间连续性关系对地闪资料进行了质量控制,重点去除了比较孤立的地闪分布。

2.2 强对流信息提取和统计技术
  从多源数据中提取强对流天气信息是强对流天气监测的基础。不同类型的监测提取技术有所不同。对于积云监测,提取的是云状信息;对于雷暴、冰雹、龙卷等提取的是天气现象信息;对于高温、大风、短时强降水、雷达反射率因子则是根据设定的不同强度阈值来提取相关不同强度的对流信息;对于雷暴大风则综合使用雷暴和大风信息来获取其分布。
  对不同时段的强对流天气监测使用了不同的统计方法。对于最近24 小时以内的强对流天气监测主要监测是否有强对流天气发生,最强的强对流天气如何;对于雷达反射率因子、对流风暴、深对流云和MCS监测的则是其发生频率。月、旬、候等强对流天气分布监测不同于24 小时以内的强对流天气监测,对于雷暴、冰雹、大风等则监测的是雷暴日数、冰雹日数和大风日数;对于闪电监测的则是闪电密度;对于短时强降水监测的则是其发生频率。

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