肖光梁, 肖天貴, 假 拉, 劉輝權(quán)

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225;2.西藏氣象臺,西藏拉薩850000)

1 引言

強(qiáng)對流天氣主要包括雷暴、暴雨、颮線、冰雹、大風(fēng)等中小尺度天氣現(xiàn)象,是大部分氣象災(zāi)害發(fā)生的重要影響因素。在中國氣象局的業(yè)務(wù)預(yù)報系統(tǒng)中專門設(shè)立了強(qiáng)天氣預(yù)報中心進(jìn)行研究和業(yè)務(wù)預(yù)報,并基于雷達(dá)資料的處理建立了短時臨近天氣的預(yù)報系統(tǒng)。已有的短臨天氣預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)對于災(zāi)害性天氣預(yù)報以及由此而產(chǎn)生的次生災(zāi)害的預(yù)報預(yù)警及防御有著極其重要的意義。在幫助氣象服務(wù)人員進(jìn)行強(qiáng)對流天氣的預(yù)報預(yù)警中,能夠快速調(diào)動一切氣象監(jiān)測和氣象數(shù)據(jù)收集分發(fā)工具,進(jìn)行跟蹤,監(jiān)視其發(fā)展趨勢,并及時、準(zhǔn)確地做出快速反應(yīng),向政府、有關(guān)部門以及公眾發(fā)布已經(jīng)出現(xiàn)或可能發(fā)生氣象災(zāi)害以及相關(guān)災(zāi)害事件的種類、出現(xiàn)的時間、地點(diǎn)、強(qiáng)度等天氣預(yù)警信息,為防災(zāi)減災(zāi)贏得寶貴時間,減少天氣災(zāi)害帶來的損失[1]。

在現(xiàn)代天氣預(yù)報體系中,中國氣象局組織開發(fā)了氣象信息綜合分析處理預(yù)報系統(tǒng)即MICAPS系統(tǒng)和基于雷達(dá)信息的短時預(yù)報的SWAN分析系統(tǒng)。它們具有強(qiáng)大的圖形顯示、編輯功能和多種圖形的疊加功能以及統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口功能,通過推廣,這兩套系統(tǒng)目前已經(jīng)在全國各級氣象臺得到了普遍的認(rèn)可和應(yīng)用。但由于中國幅員遼闊,各地的天氣氣候的區(qū)域特征差異明顯,對系統(tǒng)的要求和使用也不盡相同,故在對系統(tǒng)的使用中都需要對MICAPS和SWAN系統(tǒng)進(jìn)行本地化開發(fā)。對于西藏地區(qū)而言,情況更加特殊,高原的特殊地形地貌、特別的社會經(jīng)濟(jì)條件、短臨天氣預(yù)報系統(tǒng)SWAN所需雷達(dá)資料信息的缺乏,在西藏地區(qū)的短臨預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)的本地化重建工作更為迫切和重要。因此,經(jīng)過與西藏氣象局氣象臺的大量交流和研討,試圖在集成MICAPS和SWAN系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出能充分利用西藏現(xiàn)有資料資源信息的西藏地區(qū)短臨天氣預(yù)報預(yù)警系統(tǒng),并初步實(shí)現(xiàn)形成業(yè)務(wù)能力,以利于西藏高原地區(qū)短臨天氣預(yù)報預(yù)警水平的提高。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與開發(fā)環(huán)境

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)已有的常規(guī)氣象信息資料結(jié)合MICAPS系統(tǒng)特征分析,考慮氣象臺站預(yù)報員對計(jì)算機(jī)分析預(yù)報系統(tǒng)的使用習(xí)慣,通過可視化簡單編程指令代碼即VB語言環(huán)境設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)能集成MICAPS系統(tǒng)的信息分析功能并適合高原山地地區(qū)的短臨天氣預(yù)報預(yù)警的實(shí)用系統(tǒng)。

以西藏高原的強(qiáng)對流天氣短臨預(yù)報為例,設(shè)計(jì)和構(gòu)建西藏高原短臨預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)建中,考慮雷達(dá)資料的觀測性障礙問題,需要充分利用衛(wèi)星、自動站、閃電定位、常規(guī)氣象要素等綜合觀測資料,并以MICAPS系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品解釋應(yīng)用為主,獲取大尺度和中小尺度大氣運(yùn)動的動力條件、水汽條件、大氣穩(wěn)定度和觸發(fā)機(jī)制等動態(tài)變化信息,結(jié)合天氣學(xué)概念、診斷指標(biāo)和經(jīng)驗(yàn)預(yù)報方法,建立適合西藏高原強(qiáng)對流天氣的短臨預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中采用分層設(shè)計(jì)、模塊化的方法。操作系統(tǒng)采用Windows XP;編程語言環(huán)境主要采用VB 6.0、FORTRAN(公式翻譯器)PowerStation 4.0以及GRADS(格點(diǎn)數(shù)據(jù)分析顯示系統(tǒng))2.0。

3 系統(tǒng)主要邏輯結(jié)構(gòu)構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)管理

交接班登記：提供預(yù)報員登錄界面,以用戶名/密碼方式進(jìn)行值班登記,并記錄其登錄時間;提供錄入窗口,完成值班情況記錄;能方便查閱值班情況記錄。

系統(tǒng)日志：自動記錄系統(tǒng)運(yùn)行情況,包括網(wǎng)絡(luò)連接情況、資料自動收集過程中有無缺測等;根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時間和事件,通過信息窗口、警報聲等方式自動進(jìn)行信息提示。

預(yù)報評分：對不同類型強(qiáng)對流天氣潛勢預(yù)報和短臨預(yù)報進(jìn)行預(yù)報評分;評估和檢驗(yàn)結(jié)果能進(jìn)行查詢并以圖文方式顯示。

業(yè)務(wù)流程說明：將短臨預(yù)報預(yù)警的制作流程、重要事項(xiàng)、應(yīng)用事件處理方法以及系統(tǒng)操作說明等以圖文方式供值班人員隨時查看。

3.2 系統(tǒng)資料預(yù)處理

實(shí)時資料收集：通過指定的路徑和參數(shù)文件,自動收集自動站資料、閃電定位資料、衛(wèi)星資料、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品資料;并能將資料收集情況自動寫入日志,進(jìn)行調(diào)閱;如遇網(wǎng)絡(luò)故障,能通過備份系統(tǒng)或手動完成系統(tǒng)所需資料的收集。

資料質(zhì)量控制：主要是針對自動站資料進(jìn)行,自動站資料質(zhì)量控制是對其觀測的溫度、濕度、風(fēng)、氣壓、降水等物理量進(jìn)行極值檢查、空間連續(xù)性和時間連續(xù)性檢查等。

資料預(yù)處理：通過引用MICAPS系統(tǒng)的常規(guī)氣象數(shù)據(jù)資料08時和20時實(shí)時資料、數(shù)值預(yù)報資料運(yùn)用VB調(diào)用FORTRAN計(jì)算程序處理成所需的繪圖文件格式。二次處理拉薩站點(diǎn)的探空資料以便后期運(yùn)用到系統(tǒng)中三維云雹模式,V-3Theta圖(3θ指的是θ(位溫)、θse(假相當(dāng)位溫)、θ*(假定為飽和狀態(tài)下的計(jì)算值),在圖中θ線位于左邊,θse居中,θ*居右;而 V則是探空資料中各層風(fēng)向、風(fēng)速的實(shí)際觀測值,圖中標(biāo)在 θ*線上)繪制。

3.3 短臨預(yù)報預(yù)警

強(qiáng)對流天氣診斷：利用MICPAPS系統(tǒng)中的實(shí)時格點(diǎn)資料和T213數(shù)值預(yù)報資料以及拉薩單站的探空資料計(jì)算出物理量診斷指標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)對流天氣診斷,熱力診斷的物理量包括抬升指數(shù)、K指數(shù)、對流有效位能CAPE、抬升凝結(jié)高度LCL、自由對流高度LFC、溫度平流等。動力診斷的物理量包括相對風(fēng)暴螺旋度、水汽通量散度、地面位溫、地面比濕、散度、渦度、渦度平流、垂直速度等參數(shù)。根據(jù)熱力和動力診斷結(jié)果,劃分不同的區(qū)域分別建立不同類型強(qiáng)對流天氣的診斷指標(biāo),為預(yù)報預(yù)警提供必要的依據(jù)。

強(qiáng)對流潛勢預(yù)報：通過調(diào)用已開發(fā)的西藏高原地區(qū)的三維冰雹云模型、降水量天氣過程預(yù)報模型[2]。預(yù)報模型運(yùn)行是綜合運(yùn)用MICAPS系統(tǒng)的常規(guī)氣象資料,獲取預(yù)報因子,進(jìn)行圖形識別、相似判別、推理判斷,并通過模式產(chǎn)品解釋技術(shù)的應(yīng)用,利用模型分析結(jié)果,初步實(shí)現(xiàn)對災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的快速識別,獲得分區(qū)域的強(qiáng)對流天氣潛勢預(yù)報結(jié)果;預(yù)報程序通過設(shè)置參數(shù)定時運(yùn)行,也可采取人機(jī)交互方式運(yùn)行。預(yù)報結(jié)果能自動存放在指定目錄文件中,便于預(yù)報員在系統(tǒng)中調(diào)用、顯示、修改。

強(qiáng)對流短臨預(yù)報：調(diào)用運(yùn)行降水量預(yù)報模型、V-Theta圖[2]、T-lnp圖(溫度對數(shù)壓力圖)以及相關(guān)指導(dǎo)產(chǎn)品,建立不同類型強(qiáng)對流天氣預(yù)報預(yù)警模型,提供強(qiáng)對流天氣預(yù)報預(yù)警結(jié)果。預(yù)報結(jié)果存放在本機(jī)的預(yù)報產(chǎn)品文件夾目錄中,便于預(yù)報員在產(chǎn)品輸出子系統(tǒng)中調(diào)用、顯示、修改。

預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品制作模塊：將前期生成的強(qiáng)對流潛勢預(yù)報結(jié)果以及強(qiáng)對流短臨預(yù)報結(jié)果分類入庫,方便以后的調(diào)用和產(chǎn)品的進(jìn)一步包裝。

3.4 產(chǎn)品分發(fā)模塊

產(chǎn)品包裝：針對不同類型客戶群和不同服務(wù)對象,制作各類短臨預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品模板庫。以模板庫為基礎(chǔ),編程時采用自動文本替換、圖形插入等技術(shù),完成短臨預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品的包裝。

預(yù)警信息插播：對于要及時播出的短臨預(yù)警信息,按聲像制作的要求,生成所需的短臨預(yù)報預(yù)警信息,并自動發(fā)送到聲像中心指定服務(wù)器上。

短信/聲訊服務(wù)：通過對短信系統(tǒng)和聲訊系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口進(jìn)行二次開發(fā),完成短臨預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品的短信群發(fā)以及聲訊語音信箱的自動更新。

傳真/電子郵件：集成或編寫電子郵件及傳真群發(fā)模塊,將已包裝好的短臨預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品,按地址簿進(jìn)行群發(fā)。

系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

4 系統(tǒng)模型研究

4.1 強(qiáng)對流天氣物理量指標(biāo)診斷分析模型

通過VB、FORTRAN與GRADS氣象繪圖軟件的混合編程[3]實(shí)現(xiàn)引用MICAPS系統(tǒng)的實(shí)時資料與數(shù)值預(yù)報資料,通過手動輸入MICAPS數(shù)據(jù)文件的年、月、日、時次進(jìn)行選擇要進(jìn)行計(jì)算處理的文件,計(jì)算處理為對流有效位能、垂直螺旋度、水汽通量散度、位溫、比濕、散度、渦度、渦度平流、垂直速度等物理量。在繪圖選項(xiàng)中可以對時次與高度進(jìn)行選擇,并在系統(tǒng)主界面的圖層顯示窗口中顯示,對計(jì)算輸出的各物理量要素場輸出帶指定的文件夾中,方便預(yù)報員進(jìn)行查詢處理操作。根據(jù)物理量診斷分析結(jié)果,劃分不同的區(qū)域分別建立不同類型強(qiáng)對流天氣的診斷指標(biāo),為預(yù)報預(yù)警提供必要的依據(jù)。2009年5月25日08時的處理實(shí)時資料渦度場繪圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)框架圖

圖2 2009年5月25日08時850hPa渦度場

4.2 強(qiáng)對流潛勢預(yù)報

4.2.1 三維云模式模型

基于周筠王君等利用孔凡鈾及洪延超[4-5]等發(fā)展的三維全彈性、體積水雙參譜演變冰雹云模式對那曲冰雹天氣過程的數(shù)值模擬研究,采用文獻(xiàn)[6]中的動力框架,邊界條件、初始條件、啟動方式和數(shù)值計(jì)算技術(shù)。模式中的微物理過程參數(shù)化運(yùn)用雙變參數(shù)譜,既能預(yù)報各種粒子的比含量也能計(jì)算比濃度。水物質(zhì)包含7類,分別為水汽、雨水、云水、冰晶 、雪、霰、冰雹,并且考慮7類微物理過程,分別為凝結(jié)(華)、碰并、核化 、繁生、融化、融化蒸發(fā)和自動轉(zhuǎn)換等過程。初始場由濕熱泡啟動方式激發(fā)[7],能夠同時考慮熱泡和濕泡共同激發(fā)初始對流。模擬區(qū)域水平范圍是35km,垂直高度是18.5km,水平格距是1km,垂直格距是0.5km。側(cè)邊界采用輻射邊界條件,上下邊界為剛體。濕熱泡在模擬域中央,最大擾動位溫取2℃,擾動區(qū)域半徑水平為10km,厚3km。模擬時采用模擬域隨對流天氣系統(tǒng)同步移動技術(shù),使風(fēng)暴始終位于模擬域中心的位置。

模型能夠較好地反映云體發(fā)展進(jìn)程中的宏觀動力學(xué)過程以及微物理過程。宏觀方面：能夠模擬出冰雹云發(fā)生、發(fā)展、成熟、消散的過程;微物理方面：能夠模擬出各階段的水汽混合比。模式能夠應(yīng)用于對西藏地區(qū)冰雹天氣的研究;考慮冰項(xiàng)過程時,模擬的云體發(fā)展更強(qiáng)盛,云頂高度抬高,模擬時間更長;固態(tài)水成物粒子的積累過程和融化過程對降水有重要貢獻(xiàn);模式模擬的冰雹直徑對預(yù)報冰雹直徑有一定參考價值。

基于上述的模型理論運(yùn)用VB程序語言設(shè)計(jì)了三維云模式軟件模型。三維冰雹云模型主界面如圖3所示。

圖3 三維冰雹云模型

4.2.2 降水峰日預(yù)測模型

降水峰日預(yù)測模型理論基礎(chǔ)是肖天貴等[2]參考謝定升等[8-9]人用灰色理論作降水峰日的中期預(yù)報?；疑到y(tǒng)建模把時間序列轉(zhuǎn)化為微分方程。通過累加生成和累減生成使灰色量白化,建立相應(yīng)于微分方程解的模型,從而作出預(yù)測。由于降水峰日的原始數(shù)據(jù)難以尋找其變化規(guī)律,故把降水峰的日期變成時間序號,并把該時間序號經(jīng)過一次累加,生成的數(shù)列有近似指數(shù)曲線的分布規(guī)律。用一次累加生成的數(shù)列,擬合成一階微分方程解形式的指數(shù)曲線。根據(jù)指數(shù)曲線,用等間隔時間后延截取曲線的一次累加預(yù)測值。最后把累加預(yù)測值后減還原為序號值,再變?yōu)槿掌?就是所求的未來降水峰出現(xiàn)的日期。具體方法步驟：

(1)根據(jù)一段時期降水資料篩選出的降水峰日,5個數(shù)據(jù)為一組建立灰色模型。

①生成累加序列

對峰日日期序列進(jìn)行一次累加,求一次累加序列(1-AGO),其中X(0)(i)為原始非負(fù)時間序列,X(1)(i)為累加生成序列,則有：

②建立B矩陣和數(shù)據(jù)列Y m

③求參數(shù) a、u,建立預(yù)測模型

常數(shù)a、u確定以后,代入GM(1,1)模型,即可得到變量的預(yù)測模型：

(2)統(tǒng)計(jì)方法

利用每個站點(diǎn)有氣象資料以來的逐日平均值,先計(jì)算它們之間的相關(guān)系數(shù),然后由相關(guān)系數(shù)導(dǎo)出多元線性回歸方程,最終建立預(yù)報因子(氣壓、溫度、濕度、水汽壓)與預(yù)報量(降水量)的逐步回歸方程。

(3)綜合分析

基于灰色模型預(yù)測的降水預(yù)報峰日,根據(jù)當(dāng)天實(shí)測的各要素資料代入方程,則得到降水量的預(yù)測值。

根據(jù)上述模型理論與實(shí)施步驟設(shè)計(jì)完成了降水峰日預(yù)報模型的軟件主界面如圖4、5所示。

圖5為站號55248輸出的預(yù)報結(jié)果文件。

圖4 降水量峰日預(yù)測模型主界面

圖5 降水量峰日預(yù)測模型輸出的結(jié)果文件

4.3 強(qiáng)對流短臨預(yù)報

4.3.1 降水預(yù)報預(yù)警模型

模型理論基礎(chǔ)是基于袁東升等[2]對西藏單站觀測降水資料和高空觀測資料,用權(quán)重集成方法[10]、氣象統(tǒng)計(jì)方法分析了物理指標(biāo)與降水量的相關(guān)性,尋找實(shí)用于西藏高原地區(qū)的強(qiáng)降水天氣的預(yù)警指標(biāo),指標(biāo)主要來源于MICAPS系統(tǒng)中現(xiàn)有的物理指標(biāo),提出了各單站強(qiáng)對流天氣預(yù)警預(yù)報模型。根據(jù)上述理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了降水預(yù)報預(yù)警軟件模型如圖6所示。

圖6 降水預(yù)報預(yù)警界面

4.3.2 V-3Theta圖模型

V-3Theta圖的理論基礎(chǔ)是成都信息工程學(xué)院歐陽首承教授設(shè)計(jì)出來的運(yùn)用圖像結(jié)構(gòu)來預(yù)測天氣的結(jié)構(gòu)預(yù)測方法,主要是根據(jù)大氣中壓、溫、濕、風(fēng)的垂直分布,判斷大氣滾流對天氣演變的影響來預(yù)報天氣轉(zhuǎn)折性變化。V-3Theta中的3θ指的是θ(位溫)、θse(假相當(dāng)位溫)、θ*(假定為飽和狀態(tài)下的計(jì)算值),在圖中θ線位于左邊,θse居中,θ*居右;而V則是探空資料中各層風(fēng)向、風(fēng)速的實(shí)際觀測值,圖中標(biāo)在θ*線上。

圖7 V-3Theta圖窗口界面

根據(jù)文獻(xiàn)[4]提出的V-3Theta圖在西藏強(qiáng)對流天氣預(yù)報中的應(yīng)用預(yù)報模型,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)對流天氣出現(xiàn)前后具有明顯的特征。強(qiáng)對流天氣出現(xiàn)時,平流層存在超低溫,對流層逆溫被打破,層結(jié)處于上干冷下暖濕的極不穩(wěn)定狀態(tài),局部存在順滾流,顯示出強(qiáng)對流征兆;強(qiáng)對流結(jié)束后,超低溫消失,3條θ曲線走向平緩,折角消失或者減少。同時,垂直方向上,順滾流消失或者轉(zhuǎn)為逆滾流,天氣轉(zhuǎn)好。該模型在短臨預(yù)報應(yīng)用中具有重要作用。圖7為模型的主界面,圖中為2010年12月30日08時55299那曲站探空資料輸出的V-3Theta圖。

5 結(jié)束語

按照軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思路,西藏高原短臨預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有以下4個方面的特點(diǎn)：

(1)多應(yīng)用系統(tǒng)的有效集成。MICAPS系統(tǒng)是預(yù)報員通用工作平臺,不僅提供衛(wèi)星、地面測站、雷達(dá)、高空測站等資料集合處理,獲得各種資料相對統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式,具有資料的豐富性和處理的便捷性,而且最終可實(shí)現(xiàn)部分預(yù)報;SWAN系統(tǒng)主要利用的是雷達(dá)資料進(jìn)行短臨預(yù)報,在短時臨近預(yù)報方面優(yōu)越于MICAPS系統(tǒng)。然而對于西藏地區(qū)測站稀少、雷達(dá)缺乏的現(xiàn)狀,利用西藏已有資料及研究成果進(jìn)行MICAPS與SWAN的優(yōu)勢集成問題日益突出。對此提出多個氣象應(yīng)用系統(tǒng)集成的思路,實(shí)現(xiàn)了利用集合技術(shù)充分調(diào)用各個系統(tǒng)的優(yōu)勢最終達(dá)到適用于西藏高原地區(qū)強(qiáng)對流天氣預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)的區(qū)域特色要求。

(2)不同程序語言的混合編程技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)了VB、FORTRAN及GRADS三者在氣象預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)的混合編程中,不同程序語言間的通信接口問題。

(3)繪圖模塊的標(biāo)準(zhǔn)化處理。將氣象專用圖形處理軟件GRADS的強(qiáng)大繪圖功能運(yùn)用于系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)在預(yù)報業(yè)務(wù)集成的基礎(chǔ)上直接調(diào)用GRADS繪圖軟件運(yùn)用MICAPS或SWAN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)繪制各種要素圖,并顯示在系統(tǒng)窗口中,相關(guān)圖片可直接用于科學(xué)研究及論文,形成預(yù)報業(yè)務(wù)和科學(xué)研究的統(tǒng)一平臺。

(4)系統(tǒng)的可移植性。系統(tǒng)以西藏高原這一特殊地形進(jìn)行應(yīng)用研究,也可適用于其它高原山地地區(qū)進(jìn)行預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)的推廣應(yīng)用。

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