西藏高原短临天气预报预警系统构建研究

肖光梁, 肖天贵, 假 拉, 刘辉权

(1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225;2.西藏气象台,西藏拉萨850000)

1 引言

强对流天气主要包括雷暴、暴雨、飑线、冰雹、大风等中小尺度天气现象,是大部分气象灾害发生的重要影响因素。在中国气象局的业务预报系统中专门设立了强天气预报中心进行研究和业务预报,并基于雷达资料的处理建立了短时临近天气的预报系统。已有的短临天气预报预警系统对于灾害性天气预报以及由此而产生的次生灾害的预报预警及防御有着极其重要的意义。在帮助气象服务人员进行强对流天气的预报预警中,能够快速调动一切气象监测和气象数据收集分发工具,进行跟踪,监视其发展趋势,并及时、准确地做出快速反应,向政府、有关部门以及公众发布已经出现或可能发生气象灾害以及相关灾害事件的种类、出现的时间、地点、强度等天气预警信息,为防灾减灾赢得宝贵时间,减少天气灾害带来的损失[1]。

在现代天气预报体系中,中国气象局组织开发了气象信息综合分析处理预报系统即MICAPS系统和基于雷达信息的短时预报的SWAN分析系统。它们具有强大的图形显示、编辑功能和多种图形的叠加功能以及统一的数据接口功能,通过推广,这两套系统目前已经在全国各级气象台得到了普遍的认可和应用。但由于中国幅员辽阔,各地的天气气候的区域特征差异明显,对系统的要求和使用也不尽相同,故在对系统的使用中都需要对MICAPS和SWAN系统进行本地化开发。对于西藏地区而言,情况更加特殊,高原的特殊地形地貌、特别的社会经济条件、短临天气预报系统SWAN所需雷达资料信息的缺乏,在西藏地区的短临预报预警系统的本地化重建工作更为迫切和重要。因此,经过与西藏气象局气象台的大量交流和研讨,试图在集成MICAPS和SWAN系统的基础上设计出能充分利用西藏现有资料资源信息的西藏地区短临天气预报预警系统,并初步实现形成业务能力,以利于西藏高原地区短临天气预报预警水平的提高。

2 系统设计思路与开发环境

2.1 系统设计思路

根据已有的常规气象信息资料结合MICAPS系统特征分析,考虑气象台站预报员对计算机分析预报系统的使用习惯,通过可视化简单编程指令代码即VB语言环境设计并实现能集成MICAPS系统的信息分析功能并适合高原山地地区的短临天气预报预警的实用系统。

以西藏高原的强对流天气短临预报为例,设计和构建西藏高原短临预报预警系统。系统构建中,考虑雷达资料的观测性障碍问题,需要充分利用卫星、自动站、闪电定位、常规气象要素等综合观测资料,并以MICAPS系统数值预报产品解释应用为主,获取大尺度和中小尺度大气运动的动力条件、水汽条件、大气稳定度和触发机制等动态变化信息,结合天气学概念、诊断指标和经验预报方法,建立适合西藏高原强对流天气的短临预报预警系统。

2.2 系统开发环境

系统在设计和实现过程中采用分层设计、模块化的方法。操作系统采用Windows XP;编程语言环境主要采用VB 6.0、FORTRAN(公式翻译器)PowerStation 4.0以及GRADS(格点数据分析显示系统)2.0。

3 系统主要逻辑结构构建

3.1 系统业务管理

交接班登记：提供预报员登录界面,以用户名/密码方式进行值班登记,并记录其登录时间;提供录入窗口,完成值班情况记录;能方便查阅值班情况记录。

系统日志：自动记录系统运行情况,包括网络连接情况、资料自动收集过程中有无缺测等;根据预先设定的时间和事件,通过信息窗口、警报声等方式自动进行信息提示。

预报评分：对不同类型强对流天气潜势预报和短临预报进行预报评分;评估和检验结果能进行查询并以图文方式显示。

业务流程说明：将短临预报预警的制作流程、重要事项、应用事件处理方法以及系统操作说明等以图文方式供值班人员随时查看。

3.2 系统资料预处理

实时资料收集：通过指定的路径和参数文件,自动收集自动站资料、闪电定位资料、卫星资料、数值预报产品资料;并能将资料收集情况自动写入日志,进行调阅;如遇网络故障,能通过备份系统或手动完成系统所需资料的收集。

资料质量控制：主要是针对自动站资料进行,自动站资料质量控制是对其观测的温度、湿度、风、气压、降水等物理量进行极值检查、空间连续性和时间连续性检查等。

资料预处理：通过引用MICAPS系统的常规气象数据资料08时和20时实时资料、数值预报资料运用VB调用FORTRAN计算程序处理成所需的绘图文件格式。二次处理拉萨站点的探空资料以便后期运用到系统中三维云雹模式,V-3Theta图(3θ指的是θ(位温)、θse(假相当位温)、θ*(假定为饱和状态下的计算值),在图中θ线位于左边,θse居中,θ*居右;而 V则是探空资料中各层风向、风速的实际观测值,图中标在 θ*线上)绘制。

3.3 短临预报预警

强对流天气诊断：利用MICPAPS系统中的实时格点资料和T213数值预报资料以及拉萨单站的探空资料计算出物理量诊断指标进行强对流天气诊断,热力诊断的物理量包括抬升指数、K指数、对流有效位能CAPE、抬升凝结高度LCL、自由对流高度LFC、温度平流等。动力诊断的物理量包括相对风暴螺旋度、水汽通量散度、地面位温、地面比湿、散度、涡度、涡度平流、垂直速度等参数。根据热力和动力诊断结果,划分不同的区域分别建立不同类型强对流天气的诊断指标,为预报预警提供必要的依据。

强对流潜势预报：通过调用已开发的西藏高原地区的三维冰雹云模型、降水量天气过程预报模型[2]。预报模型运行是综合运用MICAPS系统的常规气象资料,获取预报因子,进行图形识别、相似判别、推理判断,并通过模式产品解释技术的应用,利用模型分析结果,初步实现对灾害性天气系统的快速识别,获得分区域的强对流天气潜势预报结果;预报程序通过设置参数定时运行,也可采取人机交互方式运行。预报结果能自动存放在指定目录文件中,便于预报员在系统中调用、显示、修改。

强对流短临预报：调用运行降水量预报模型、V-Theta图[2]、T-lnp图(温度对数压力图)以及相关指导产品,建立不同类型强对流天气预报预警模型,提供强对流天气预报预警结果。预报结果存放在本机的预报产品文件夹目录中,便于预报员在产品输出子系统中调用、显示、修改。

预报预警产品制作模块：将前期生成的强对流潜势预报结果以及强对流短临预报结果分类入库,方便以后的调用和产品的进一步包装。

3.4 产品分发模块

产品包装：针对不同类型客户群和不同服务对象,制作各类短临预报预警产品模板库。以模板库为基础,编程时采用自动文本替换、图形插入等技术,完成短临预报预警产品的包装。

预警信息插播：对于要及时播出的短临预警信息,按声像制作的要求,生成所需的短临预报预警信息,并自动发送到声像中心指定服务器上。

短信/声讯服务：通过对短信系统和声讯系统数据接口进行二次开发,完成短临预报预警产品的短信群发以及声讯语音信箱的自动更新。

传真/电子邮件：集成或编写电子邮件及传真群发模块,将已包装好的短临预报预警产品,按地址簿进行群发。

系统逻辑结构框架如图1所示。

4 系统模型研究

4.1 强对流天气物理量指标诊断分析模型

通过VB、FORTRAN与GRADS气象绘图软件的混合编程[3]实现引用MICAPS系统的实时资料与数值预报资料,通过手动输入MICAPS数据文件的年、月、日、时次进行选择要进行计算处理的文件,计算处理为对流有效位能、垂直螺旋度、水汽通量散度、位温、比湿、散度、涡度、涡度平流、垂直速度等物理量。在绘图选项中可以对时次与高度进行选择,并在系统主界面的图层显示窗口中显示,对计算输出的各物理量要素场输出带指定的文件夹中,方便预报员进行查询处理操作。根据物理量诊断分析结果,划分不同的区域分别建立不同类型强对流天气的诊断指标,为预报预警提供必要的依据。2009年5月25日08时的处理实时资料涡度场绘图如图2所示。

图1 系统逻辑结构框架图

图2 2009年5月25日08时850hPa涡度场

4.2 强对流潜势预报

4.2.1 三维云模式模型

基于周筠王君等利用孔凡铀及洪延超[4-5]等发展的三维全弹性、体积水双参谱演变冰雹云模式对那曲冰雹天气过程的数值模拟研究,采用文献[6]中的动力框架,边界条件、初始条件、启动方式和数值计算技术。模式中的微物理过程参数化运用双变参数谱,既能预报各种粒子的比含量也能计算比浓度。水物质包含7类,分别为水汽、雨水、云水、冰晶 、雪、霰、冰雹,并且考虑7类微物理过程,分别为凝结(华)、碰并、核化 、繁生、融化、融化蒸发和自动转换等过程。初始场由湿热泡启动方式激发[7],能够同时考虑热泡和湿泡共同激发初始对流。模拟区域水平范围是35km,垂直高度是18.5km,水平格距是1km,垂直格距是0.5km。侧边界采用辐射边界条件,上下边界为刚体。湿热泡在模拟域中央,最大扰动位温取2℃,扰动区域半径水平为10km,厚3km。模拟时采用模拟域随对流天气系统同步移动技术,使风暴始终位于模拟域中心的位置。

模型能够较好地反映云体发展进程中的宏观动力学过程以及微物理过程。宏观方面：能够模拟出冰雹云发生、发展、成熟、消散的过程;微物理方面：能够模拟出各阶段的水汽混合比。模式能够应用于对西藏地区冰雹天气的研究;考虑冰项过程时,模拟的云体发展更强盛,云顶高度抬高,模拟时间更长;固态水成物粒子的积累过程和融化过程对降水有重要贡献;模式模拟的冰雹直径对预报冰雹直径有一定参考价值。

基于上述的模型理论运用VB程序语言设计了三维云模式软件模型。三维冰雹云模型主界面如图3所示。

图3 三维冰雹云模型

4.2.2 降水峰日预测模型

降水峰日预测模型理论基础是肖天贵等[2]参考谢定升等[8-9]人用灰色理论作降水峰日的中期预报。灰色系统建模把时间序列转化为微分方程。通过累加生成和累减生成使灰色量白化,建立相应于微分方程解的模型,从而作出预测。由于降水峰日的原始数据难以寻找其变化规律,故把降水峰的日期变成时间序号,并把该时间序号经过一次累加,生成的数列有近似指数曲线的分布规律。用一次累加生成的数列,拟合成一阶微分方程解形式的指数曲线。根据指数曲线,用等间隔时间后延截取曲线的一次累加预测值。最后把累加预测值后减还原为序号值,再变为日期,就是所求的未来降水峰出现的日期。具体方法步骤：

(1)根据一段时期降水资料筛选出的降水峰日,5个数据为一组建立灰色模型。

①生成累加序列

对峰日日期序列进行一次累加,求一次累加序列(1-AGO),其中X(0)(i)为原始非负时间序列,X(1)(i)为累加生成序列,则有：

②建立B矩阵和数据列Y m

③求参数 a、u,建立预测模型

常数a、u确定以后,代入GM(1,1)模型,即可得到变量的预测模型：

(2)统计方法

利用每个站点有气象资料以来的逐日平均值,先计算它们之间的相关系数,然后由相关系数导出多元线性回归方程,最终建立预报因子(气压、温度、湿度、水汽压)与预报量(降水量)的逐步回归方程。

(3)综合分析

基于灰色模型预测的降水预报峰日,根据当天实测的各要素资料代入方程,则得到降水量的预测值。

根据上述模型理论与实施步骤设计完成了降水峰日预报模型的软件主界面如图4、5所示。

图5为站号55248输出的预报结果文件。

图4 降水量峰日预测模型主界面

图5 降水量峰日预测模型输出的结果文件

4.3 强对流短临预报

4.3.1 降水预报预警模型

模型理论基础是基于袁东升等[2]对西藏单站观测降水资料和高空观测资料,用权重集成方法[10]、气象统计方法分析了物理指标与降水量的相关性,寻找实用于西藏高原地区的强降水天气的预警指标,指标主要来源于MICAPS系统中现有的物理指标,提出了各单站强对流天气预警预报模型。根据上述理论基础设计实现了降水预报预警软件模型如图6所示。

图6 降水预报预警界面

4.3.2 V-3Theta图模型

V-3Theta图的理论基础是成都信息工程学院欧阳首承教授设计出来的运用图像结构来预测天气的结构预测方法,主要是根据大气中压、温、湿、风的垂直分布,判断大气滚流对天气演变的影响来预报天气转折性变化。V-3Theta中的3θ指的是θ(位温)、θse(假相当位温)、θ*(假定为饱和状态下的计算值),在图中θ线位于左边,θse居中,θ*居右;而V则是探空资料中各层风向、风速的实际观测值,图中标在θ*线上。

图7 V-3Theta图窗口界面

根据文献[4]提出的V-3Theta图在西藏强对流天气预报中的应用预报模型,发现强对流天气出现前后具有明显的特征。强对流天气出现时,平流层存在超低温,对流层逆温被打破,层结处于上干冷下暖湿的极不稳定状态,局部存在顺滚流,显示出强对流征兆;强对流结束后,超低温消失,3条θ曲线走向平缓,折角消失或者减少。同时,垂直方向上,顺滚流消失或者转为逆滚流,天气转好。该模型在短临预报应用中具有重要作用。图7为模型的主界面,图中为2010年12月30日08时55299那曲站探空资料输出的V-3Theta图。

5 结束语

按照软件系统设计中的模块化、标准化的设计思路,西藏高原短临预报预警系统的设计和实现具有以下4个方面的特点：

(1)多应用系统的有效集成。MICAPS系统是预报员通用工作平台,不仅提供卫星、地面测站、雷达、高空测站等资料集合处理,获得各种资料相对统一的数据格式,具有资料的丰富性和处理的便捷性,而且最终可实现部分预报;SWAN系统主要利用的是雷达资料进行短临预报,在短时临近预报方面优越于MICAPS系统。然而对于西藏地区测站稀少、雷达缺乏的现状,利用西藏已有资料及研究成果进行MICAPS与SWAN的优势集成问题日益突出。对此提出多个气象应用系统集成的思路,实现了利用集合技术充分调用各个系统的优势最终达到适用于西藏高原地区强对流天气预报预警系统的区域特色要求。

(2)不同程序语言的混合编程技术的实现。实现了VB、FORTRAN及GRADS三者在气象预报预警系统的混合编程中,不同程序语言间的通信接口问题。

(3)绘图模块的标准化处理。将气象专用图形处理软件GRADS的强大绘图功能运用于系统,从而实现在预报业务集成的基础上直接调用GRADS绘图软件运用MICAPS或SWAN系统的数据绘制各种要素图,并显示在系统窗口中,相关图片可直接用于科学研究及论文,形成预报业务和科学研究的统一平台。

(4)系统的可移植性。系统以西藏高原这一特殊地形进行应用研究,也可适用于其它高原山地地区进行预报预警业务的推广应用。

[1]王玉彬,周海光,苏德斌,等.天气预警系统技术基础及设计[M].北京：气象出版社.2006.9：15-20.

[2]假拉,肖天贵,边巴扎西,等.西藏地区强对流天气及短临预报系统研究[M].北京：气象出版社,2011：186-190,223-236.

[3]杜文娟,李建东.用VB和FORT RAN语言混合编程开发气象软件[J].气象与环境科学,2007,30(4)：88-90.

[4]孔凡铀,黄美元,徐华英.冰相过程在积云发展中的作用的三维数值模拟研究[J].中国科学,1992,B35：1000-1008.

[5]洪延超.积层混合云数值模拟研究[J].气象学报,1996,54(5)：544-557.

[6]孔凡铀,黄美元,徐华英.对流云中冰相过程的三维数值模拟[J].大气科学,1990,14(4)：442-453.

[7]周玲,陈宝君,李子华.冰雹云中累积区与冰雹的形成的数值模拟研究[J].大气科学,2001,25(4)：536-550.

[8]谢定升,梁凤仪.用灰色理论作降水峰日的中期预报[J].气象,1992,18(11)：22-25.

[9]谢定升,梁凤仪.易爱民.广州暴雨过程的非线性预报[J].灾害学,1999,14(2)：18-22.

[10]朱海利,杜继稳.综合集成暴雨预报方法[J].咸阳师范学院学报2006,21(2)：56-57.