暴雨中尺度系统监测与分析平台的设计与实现

尹新怀，陈红专，欧小锋，高 嵩，钟艳雯

（1.湖南省信息中心，长沙 410118；2.湖南省怀化市气象局，湖南 怀化 418000；3.国家气象中心，北京 100081）

暴雨是各种物理条件相互作用形成的中尺度天气系统影响的结果，其主要特征是生命史短、空间范围小、天气变化剧烈，常带来巨大的经济损失和人员伤亡［1-3］。因此，对暴雨中尺度系统的研究一直是气象工作关注的重点。其中，研发能综合处理多种气象资料的应用系统是暴雨中尺度系统研究的一个方向，如国家气象中心为满足强天气监测和潜势预报业务的需求，开发了强天气监测和潜势预报系统（NMICAPS短时预报版）［4］；中国气象科学研究院开发了中尺度灾害天气分析与预报系统综合显示平台［5］；中国气象局武汉暴雨研究所针对长江中游强风暴天气特点和现代预报业务需求，研究建成了长江中游临近预报业务系统（MYNOS）［6］。

湖南省因其气候特征、地形地貌特征复杂，成为中国暴雨灾害发生最为频繁的省份之一，暴雨及其次生灾害对农业生产有巨大影响。因此，长期以来，监测、分析和预报暴雨中尺度天气系统是湖南省气象部门的重要任务。目前，湖南省共建立起97个常规地面观测站和3个常规高空观测站，3 430个区域气象观测站，并有9部多普勒雷达投入业务化运行，已建成高空间分辨率地面气象监测网。区域气象观测站、多普勒雷达资料和卫星资料在湖南省暴雨监测预警中发挥了重大作用。但这些资料通常各自为政，没有一个统一的融合平台，难以充分发挥在中尺度天气系统识别和暴雨天气监测与预警预报方面的作用。因此发展能融合多种观测资料于一体的中尺度气象分析系统，充分发挥卫星、雷达、区域自动气象站、常规地面高空观测站资料在中尺度分析中的作用，是提高中尺度灾害性天气监测与预报能力的必要途径。为了满足此类需求，开发了暴雨中尺度系统监测与分析平台（简称分析平台）。

1 系统组成

分析平台采用客户端/服务器（Client/Server，简称C/S）体系结构，以满足对暴雨中尺度系统的监测、分析以及个例总结和研究的需要。

服务器端主要提供系统平台用于监测、分析和显示的各类数据，分析平台并未建立专门的后台数据库服务器，而是充分利用了目前中国气象现代化建设成果，包括目前业务运行的Micaps（气象信息综合分析处理系统）服务器、SWAN服务器、湖南省区域自动气象站数据库和多普勒天气雷达产品数据。目前湖南省的中小尺度区域自动气象站资料是以SQL数据库记录的方式存放在数据库服务器中，为了数据访问的方便和统一，先在后台将数据库资料统一处理成Micaps格式的数据，存入Micaps服务器中，供统一访问（图1）。

客户端基于GIS技术，采用VC++多文档技术开发，充分利用GIS技术在数据管理和查询、地理空间数据分析处理、可视化表达以及能提供空间和动态的地理信息等方面的技术优势，将GIS空间分析能力与气象信息处理技术相结合，提供了气象信息的快速浏览、分析、实时监测、预报产品生成和制作等多项功能，实现了对暴雨中尺度系统实时、快速和灵活方便的分析和显示。

客户端能基于区域自动气象站资料监测中尺度雨团的变化，基于单多普勒雷达资料、SWAN雷达拼图资料和卫星TBB资料监测暴雨中尺度系统的发生发展。能基于EC数据计算并显示湿Q矢量、湿Q矢量散度、湿Q矢锋生函数、湿位涡（MPV1和MPV2）等物理量，为暴雨中尺度系统的分析和研究提供依据。

图1 系统组成

2 区域自动气象站资料处理

目前湖南省已建立了3 430个中小尺度区域自动气象站，这些自动气象站每天能提供丰富的气象资料，这些资料以数据库的方式保存在服务器中，为了方便资料的调取，需要将资料处理成Micaps格式的数据，根据区域自动气象站数据的特点，可转换成3种Micaps格式的数据，第一种是Micaps第3类数据格式（离散点通用填图格式），第二种是Micaps第4类数据格式（格点数据格式），第三种是Micaps第11类数据格式（格点矢量数据格式，用于风场）。

气象资料的误差会影响客观分析的质量，因此在客观分析前必须对自动气象站数据进行质量控制。区域自动站数据的误差可分为2类，第一类是由于台站海拨高度差异而造成的误差。湖南省是多山省份，地形、地貌的总体特点是东、南、西三面环绕高耸的山地，中间为低缓起伏的丘岗，北部为低平的平原湖泊，形似一个向北开口的马蹄形盆地。由于这个特点，自动站点的海拔高度差别非常大，对气象要素的影响很明显，特别是衡山站、雪峰山无人站等海拔较高的站点，其气压、温度都要比周边的站点偏低较多。在这种情况下，气象要素本身的值是正确的，但在进行客观分析时会出现一个明显的低值中心或高值中心，不能正确反映要素的真实水平分布情况。第二类误差是由于仪器的故障或通讯设备的故障而造成的数据错误。这种情况会使所测的要素值明显偏高或偏低，出现要素的不连续分布，会造成客观分析的严重失真，也不能正确地反映气象要素的真实水平分布情况。因此为了确保资料的合理性，必须对区域自动气象站资料进行质量控制。在研究中，对区域自动站资料进行了3项质量控制，即极值检查、要素一致性检查和水平一致性检查。

客观分析采用的是Cressman逐步订正方法［7］，这种方法原理简单，计算量小而计算速度快，适应性好，并能较好地逼近实际观测场，是目前国内外应用较多的一种方法，如美国NCAR的MM5模式预报系统和美国NOAAFSL的LAPS预报系统的中尺度客观分析方案也都采用了这类方法［8，9］，初值场采用资料的平均值。

3 平台功能

暴雨中尺度监测与分析平台提供了用户操作和应用的主界面，其功能设计直接关系到系统的可用性。在充分考虑了专业人员的使用习惯和尽量减化操作、方便使用的原则下，采用Microsoft Visual C++6.0语言（简称VC.60）开发，基于MFC多文档应用程序框架设计了系统的综合分析显示功能，其操作界面如图2所示。

3.1 地理信息系统（GIS）技术

GIS很适合做气象数据的分析，基于GIS能从面上快速和直观地展示气象要素的分布情况，许多气象软件均基于开源或商业GIS系统进行二次开发来做气象数据分析软件［10，11］。分析平台并没有采用开源或商业GIS系统，而是从底层实现了一个小型地图引擎，其具有小型地图引擎应有的一般GIS基本功能，即地图缩放、图层管理、投影变换，实现了在精细地理信息底图的基础上叠加显示暴雨中尺度系统的分析与预报结果。

为了加快系统地理信息处理与显示效率，分析平台定义了一个二进制地理数据文件格式来保存基本地理数据，这个地理数据文件包含了常用的大陆轮廓、国界、省界、县界、主要湖泊、长江黄河、主要河流、湖南省界、湖南市界、湖南县界、主要公路、主要铁路12类地理信息，系统启动时读入这个地理数据［12］。系统按图层管理的方式，通过属性窗可以设置这些地理信息的显示与隐藏，也可以设置线条宽度、颜色等属性。鼠标在底图上移动，状态栏可显示鼠标经过点的经、纬度。

地图投影方面，系统提供7种常用的地图投影，分别是兰勃托投影、麦卡托投影、北半球极射投影、南半球极射投影、等经纬度投影、阿尔伯斯投影和雷达极坐标投影，并可在这7种投影间任意切换。

3.2 图层管理

分析平台开发的一个主要目的是将目前业务运行的多个平台融合到一个系统下，要求支持各个平台的多种数据格式，为此，采用图层管理的方式，分析平台将调入的每种数据格式当作一个图层，可任意叠加显示。分析平台目前支持Micaps第4类格点数据、第11类格点矢量（风场）数据、SWAN雷达拼图数据、多普勒雷达PUP产品数据和湖南省区域自动气象站逐时资料。格点数据支持等值线、色斑图，可以限定等值线分析起始值；格点矢量数据可以以流线、风矢和风羽的形式显示，可以分析计算风场的涡度、散度和全风速。多种资料和显示形式为开展中尺度系统结构的细致分析提供了技术手段。

为了方便各种资料的快速检索和显示，分析平台提供了自定义菜单，通过在自定义菜单中设置各类资料的检索路径信息，达到快速调用和显示数据。

3.3 中尺度分析功能

在研究中尺度强对流性天气时，首先遇到的问题是，如何从观测的、包含各种时空尺度波动的气象场中将中尺度系统分离出来（中尺度滤波）。中尺度滤波的方法有很多，如多重滤波法、消除趋势法、Barnes滤波法、25点平滑算子的尺度分离法等。本系统采用的中尺度滤波方法是25点平滑算子的尺度分离法，首先滤掉2～5倍格距波得到低通滤波场（大尺度场），然后由原场减去低通滤波场得到高通滤波场（中尺度场）。计算公式为［13］：

式中，f0是滤波后的中尺度场，fi（i的范围是0～24）是滤波前的原始格点场；s1、s2是滤波系数，s1=1/2，s2=1/2。

分析平台目前对风矢量场进行高通（带通）滤波，得到中尺度风场，而对除风场以外的其他格点场低通滤波和高通滤波均可以进行，高通滤波用来显示物理量的大尺度场，带通滤波则可以分析中小尺度系统。

图3a为2019年6月21日20时EC预报的22日08时850 hPa高度场及其低通滤波、高通滤波以及22日08时850 hPa流场。从图3a可以发现，6月22日08时850 hPa在湘西北到贵州有一个西南涡存在，此西南涡既包含有大尺度信息，又包含有中尺度信息。其低通滤波场是一个椭圆形的西南涡，而高通滤波则是一个位于湘西北的中尺度低压中心，同时刻的流场上，在湘西与贵州交界处有一个中尺度辐合中心，6月22日08时后的12 h降水量主要分布在这个中尺度辐合中心的东南部（图3b），局部降水量超过100 mm。

图3 850 hPa高度场及其低通、高通滤波场和实况

3.4 中尺度天气系统识别

分析平台可进行切变线和干线的自动识别。切变线的识别通过风分解来确定，具体为将风矢量分解为东西分量和南北分量，相邻4个格点可视为1个矩形，连接矩形4个边，切变点位于边上，在矩形的纬向边上，若西东2个相邻格点分别为偏南风和偏北风，或分别为偏西风（北风）和东南风（西南风），则可判断有切变点位于边上。同理，在矩形的经向边上，若南北2个格点上分别为偏南风和偏北风，或分别为东南风（西南风）和偏西风（北风），也可判断有切变点位于边上。考察同经向或纬向相邻切变点连接距离最近的点，如果距离相同，东北—西南走向优先；2个切变点，直接连接；存在3个切变点，取距离最近连接切变点成线段，并经样条平滑和抹角平滑，得到切变线。

干线的识别是通过三角网来实现的。通过对离散站点的Delaunay三角剖分建立Delaunay三角网，由于Delaunay三角网的惟一性，使得Delaunay三角网的每个三角形、每条边也惟一存在。具体方法是根据一定范围（100-125°E，20-36°N）内有资料的站点（离散点）建立Delaunay三角网（图4），计算每条边上的露点温度梯度，结合干线的定义，规定850 hPa露点温度梯度大于2.5℃/100 km（或其他阀值，有待业务化后自行设定）的边有干线通过，去除奇异点后，就得到了干线。其他层次干线标准定义与此类似，该方法与手工分析干线的过程接近。干线识别中遇到的奇异点主要是孤立点。

两点（A，B）间露点温度梯度的计算方法如下。

式中，DAB是A、B两点间的球面距离。

干线通过边（设为AB）位置的计算方法定义为：在AB边上找到一个点，使得该点与最大露点温度处的温度露点梯度达到指定的阈值。

图4 Delaunay三角网及干线追踪

此外，分析平台还能交互分析槽线、冷锋、暖锋、静止锋、切变线、辐合线、干线和急流等系统。

3.5 定量降水预报

分析平台可以基于各模式及自动站降水资料进行6 h定量降水订正预报，方法是用模式预报的过去6 h累积降水量与实况的偏差去订正未来6 h的预报量。假设模拟预报的过去6 h累积降水量为R1，模式预报的未来6 h累积降水量为R2，过去6 h的实况降水量为R0，则它们的关系如下。

式中，（R0-R1）是模式预报的过去6 h降雨与实况的偏差量，假设模式预报的未来6 h降雨也会有这个偏差，将这个偏差量加到模式预报的未来6 h累积降水量R2上，即得到订正后的未来6 h降雨量预报值R3。

4 应用实例

4.1 一次强对流天气过程的雷达拼图和地面温压场

2013年3月19日晚，湖南省中南部出现入春以来最强一次对流性天气过程，部分地区伴有雷暴大风、冰雹、短时暴雨等强对流天气，具有突发性强、影响大、灾害损失严重等特点。全省共计12个县（市）出现冰雹，冰雹最大直径达50 mm（湘西南靖州），16个县（市）出现雷暴大风（湘东南道县瞬时最大风速达30.7 m/s）。短时强降水主要出现在3月19日19时至20日06时（北京时，下同），共计102个乡镇降暴雨，其中绥宁县寨市站日降水量最大达90.6 mm。

分析3月20日03时雷达拼图发现（图5），湘东南有一条东北—西南向强回波带（飑线），强度在50 dBz以上，在其前方有范围较小的弱回波带，后方有宽广的层云回波，其中有一片强度超过45 dBz的次强回波区，在次强回波区和对流强回波区之间为弱回波过渡带。应用自动气象站资料分析地面温压场发现，在飑线强回波南侧有一条西北气流和东南气流之间的辐合线（出流边界），辐合线附近偏北风13 m/s，偏南风2 m/s。飑线后侧有一个雷暴高压，中心气压达1 012 hPa，雷暴高压与一个16℃的冷中心对应，冷高压的形成与积云下沉气流有关。飑线前部的飑前低压中心气压仅为1 006 hPa，并与24℃的暖中心对应。飑前低压与雷暴高压之间有较大气压梯度，0.5个纬距内气压梯度达6 hPa。在雷暴高压后还有一个尾流低压，位于飑线后方宽广的层云回波区。

图5 2013年3月20日03时地面实况和雷达拼图叠加

4.2 一次局地特大暴雨的中尺度滤波分析

2014年6月19日，受高空低槽和低层切变线影响，湖南省西部出现一次局地特大暴雨天气过程，分析欧洲中心细网格资料6月19日08时925 hPa的风场发现，此时贵州东部到湘中一线为一条偏南气流与东南气流之间的暖式切变线（图6a），经过中尺度滤波以后，在湘西有一个中尺度低涡，沿低涡往西南方向有一条切变线，低涡切变线附近风场辐合明显（图6b）。19日08时后的3 h累积降水量位于中尺度低涡东侧，最大3 h降水量82.8 mm（图6c）。

图6 2014年6月19日08时欧洲中心细网格资料

4.3 2011年湘东北特大暴雨6 h定量降水预报

2011年6月9日20时至10日20时，湘东北岳阳市出现局地特大暴雨，这次过程强降雨时段集中，局地降水强度大，致灾性强，过程期间的最强1 h降雨量达105.4 mm，6 h降雨量最强达270.2 mm，短历时强降雨引发山洪和泥石流等地质灾害，造成了岳阳市重大人员伤亡事故。下面应用EC细网格资料对这次过程进行6 h定量降水预报订正。

6月9日20时至10日02时实况6 h降雨主要位于湘西北和湘东北（图7a），其中湘西北的暴雨（6 h降雨≥25 mm）区范围较大，但有大暴雨（6 h降雨≥60 mm）出现，而湘东北更是出现特大暴雨（6 h降雨≥120 mm）。EC细网格的预报明显偏小，湘西北以大雨为主，局部预报了暴雨，但漏报了湘东北的特大暴雨（图7b）。经过订正后，湘西北的预报有所改善，预报了暴雨和大暴雨区，但范围偏小，对湘东北的特大暴雨仍然漏报（图7c）。

6月10日02时至08时6 h降雨主要位于2个区域，一个是湘东北的特大暴雨，另一个是湘中偏北的大暴雨区（图7d）。EC的预报比实况偏北，湘东北预报了大雨，而湘中的大暴雨预报也偏小，且位置偏西（图7e）。经过订正后，预报结果明显改善，准确预报了湘东北的特大暴雨，而对湘中的暴雨预报也明显改进，位置略偏北（图7f）。

图7 9日20时至10日02时6 h降雨以及10日02时至08时6 h降雨

5 结论

暴雨中尺度系统监测与分析平台是专为中尺度天气系统的监测、分析与预报开发的应用平台。分析平台融合了多个业务平台的数据，可以方便进行自动站雨量、卫星云图TBB、多普勒雷达资料和SWAN拼图数据的叠加分析，监测暴雨中尺度雨团的变化和中尺度系统的发生发展；诊断分析和技术总结提供了中尺度系统滤波分析、暴雨中尺度系统的自动识别和交互识别；同时可以基于多种模式降水资料及区域自动站降水资料进行6 h定量降水预报订正。该平台具有很强的中尺度监测、分析和综合显示能力，弥补了传统气象观测网和分析系统难以捕获和分析中尺度系统结构的不足，为科研分析、短时临近预报和暴雨预警服务提供科学依据及分析手段，为防灾减灾、生产生活提供了强有力的技术支撑。