雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)探討

聶占軍 王鵬 張?jiān)?/p>

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展及氣象科技的不斷進(jìn)步，使氣象服務(wù)的需求大大增加，于是天氣預(yù)報(bào)技術(shù)也被賦予更加豐富的內(nèi)涵。天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)不僅僅是對(duì)當(dāng)天的氣象信息的獲取，同時(shí)要求獲得更多的氣候信息。提高氣象技術(shù)不僅是提高氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，同時(shí)也要求信息種類的豐富。本文對(duì)雷暴及強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行了詳細(xì)介紹，探討雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：雷暴；強(qiáng)對(duì)流；天氣預(yù)報(bào)；技術(shù)進(jìn)展

一、雷暴與強(qiáng)對(duì)流天氣的概述

（一）所謂雷暴，從廣義上而言是指范圍較為深厚的云層對(duì)流現(xiàn)象。但準(zhǔn)確而言是指伴有雷電現(xiàn)象產(chǎn)生的深厚云層強(qiáng)對(duì)流現(xiàn)象。其產(chǎn)生原因主要是由于云層在垂直方向上結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，易產(chǎn)生變化。除此之外，大氣中產(chǎn)生的水蒸氣和氣象抬升效應(yīng)也會(huì)加劇雷暴產(chǎn)生的可能性。大氣層內(nèi)風(fēng)向、風(fēng)速在垂直條件下的改變都會(huì)使得云層的穩(wěn)定性發(fā)生變化，使得雷暴產(chǎn)生的幾率大大增加。

（二）所謂強(qiáng)對(duì)流天氣，主要是指直徑20 ～ 50mm 的冰雹、17 ～ 33mm/s 的雷暴大風(fēng)天氣以及可能導(dǎo)致洪水等災(zāi)難發(fā)生的暴雨等天氣。對(duì)于直徑差超過(guò)50mm 的冰雹、超過(guò)三級(jí)以上的龍卷、33mm/s 以上的大風(fēng)稱為極端強(qiáng)對(duì)流天氣。不論是強(qiáng)對(duì)流天氣還是極端強(qiáng)對(duì)流天氣，都會(huì)對(duì)人們的正常生產(chǎn)生活造成影響。因此，必須采取一定的技術(shù)手段在這些天氣到來(lái)之前采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

二、雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)展

（一）跟蹤雷達(dá)回波（TREC）

跟蹤雷達(dá)回波（TREC）屬于圖像特征識(shí)別與追蹤技術(shù)，雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)與TREC的融合成果主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。（1）以TREC為基礎(chǔ)推出CTREC技術(shù)，CTREC技術(shù)主要是TREC在直角坐標(biāo)系中的應(yīng)用。利用CTREC技術(shù)監(jiān)測(cè)與臨近預(yù)報(bào)雷暴與強(qiáng)對(duì)流天氣，需要在某一等高面上的直角坐標(biāo)系中插入雷達(dá)體掃資料，結(jié)合雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)的實(shí)際需要，將反射率因子場(chǎng)分為若干個(gè)包含大量像素的“區(qū)域”，并將“區(qū)域”尺寸控制在適宜范圍內(nèi)，避免因“區(qū)域”太小或太大而導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)的產(chǎn)生量不足或回波移動(dòng)向量的分辨率太粗。回波移動(dòng)矢量的確定主要是通過(guò)從反射率因子的分布對(duì)上一時(shí)刻與下一時(shí)刻的“區(qū)域”做交叉相關(guān)，結(jié)合雷達(dá)體掃資料分析，準(zhǔn)確找出做交叉相關(guān)的時(shí)刻與上一時(shí)刻中反射率因子分布形態(tài)相關(guān)系數(shù)最大的區(qū)域。雷暴云頂紅外輻射亮溫與地面降水率之間回歸關(guān)系的建立是與概率配對(duì)法為基礎(chǔ)，利用CTREC技術(shù)對(duì)風(fēng)暴區(qū)域進(jìn)行流型辨識(shí)追蹤，結(jié)合衛(wèi)星云圖對(duì)降水進(jìn)行反演，確定風(fēng)暴云的移動(dòng)向量并實(shí)施平滑與濾波。有機(jī)結(jié)合云頂亮溫與地面降水之間的回歸關(guān)系以及濾波后的風(fēng)暴云移動(dòng)向量進(jìn)行衛(wèi)星云圖上風(fēng)暴區(qū)域的外推，對(duì)外推風(fēng)暴區(qū)域的降水進(jìn)行計(jì)算。（2）TREC在雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，在某一仰角掃描構(gòu)成的二維圓錐面上進(jìn)行回波的跟蹤，結(jié)合雷達(dá)資料整理出雷暴數(shù)據(jù)，進(jìn)而在云圖上反映出雷暴與強(qiáng)對(duì)流天氣臨近的相關(guān)信息，最終達(dá)到雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)的目的。對(duì)于TREC技術(shù)的應(yīng)用，依靠方形區(qū)域的可調(diào)尺度方式的追蹤，在追蹤雷暴與強(qiáng)對(duì)流天氣時(shí)，允許整體雷達(dá)回波內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，也能夠外推某一等高面上的反射率因子，進(jìn)而結(jié)合臨近天氣預(yù)報(bào)的實(shí)際需要，計(jì)算出外推反射率因子場(chǎng)對(duì)應(yīng)的降水率場(chǎng)。一般情況下，TREC技術(shù)主要是作為臨近天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的累積雨量預(yù)報(bào)與回波外推等部分。

（二）雷暴識(shí)別跟蹤分析與臨近預(yù)報(bào)技術(shù)（TITAN）

雷暴識(shí)別跟蹤分析與臨近預(yù)報(bào)（TITAN）是采用直接坐標(biāo)的對(duì)流風(fēng)暴外推系統(tǒng)，主要是在三維直角坐標(biāo)系中插入單部或多部雷達(dá)的發(fā)射率因子，整合處理雷達(dá)數(shù)據(jù)，結(jié)合臨近天氣預(yù)報(bào)的實(shí)際需要，構(gòu)建雷達(dá)三維數(shù)字化拼圖。利用TITAN識(shí)別單體雷暴的效率較高，對(duì)雷暴單體水平投影面積的擬合主要是應(yīng)用一個(gè)橢圓，而在TITAN應(yīng)用過(guò)程中，橢圓的長(zhǎng)軸與水平軸的夾角是雷暴單體的重要特征，路徑與區(qū)域大小是雷暴單體臨近預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容，雷暴單體的區(qū)域大小用橢圓的面積大小表示。以TITAN為基礎(chǔ)演變出的雷暴臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)（TRT），對(duì)雷暴與強(qiáng)對(duì)流天氣的臨近預(yù)報(bào)具有積極作用。利用TRT進(jìn)行雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)，主要是在系統(tǒng)中輸入雷達(dá)與閃電定位資料，結(jié)合相關(guān)資料的整理分析，識(shí)別跟蹤并預(yù)報(bào)雷暴的位置與強(qiáng)度等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷暴與強(qiáng)對(duì)流天氣的臨近預(yù)報(bào)[3]。

（三）基于云圖的雷暴臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Cb-TRAM）

基于云圖的雷暴臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Cb-TRAM）主要是利用衛(wèi)星資料數(shù)據(jù)對(duì)雷暴路徑進(jìn)行識(shí)別與追蹤和預(yù)報(bào)，在歐洲的使用較為廣泛。Cb-TRAM是依靠衛(wèi)星云圖可見(jiàn)光與紅外特征而實(shí)現(xiàn)對(duì)雷暴的識(shí)別、追蹤與預(yù)報(bào)，但限制點(diǎn)是無(wú)法探測(cè)到雷暴內(nèi)部，即利用Cb-TRAM系統(tǒng)判斷雷暴強(qiáng)度的能力較弱。Cb-TRAM系統(tǒng)采用衛(wèi)星資料能夠同時(shí)解決與獲取輸入資料，結(jié)合臨近天氣預(yù)報(bào)的實(shí)際需要，識(shí)別與外推雷暴天氣。

（四）高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式應(yīng)用系統(tǒng)

高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式最具代表性的應(yīng)用系統(tǒng)是快速更新循環(huán)系統(tǒng)（RUC），而RUC系統(tǒng)更名為RR后主要是采用WRF（The Weather Research and Forecasting Model）模式。RUC系統(tǒng)能夠?yàn)槔妆┡c強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)提供逐時(shí)更新格點(diǎn)化的環(huán)境參數(shù)，結(jié)合臨近天氣預(yù)報(bào)的實(shí)際需要，提供的雷暴與強(qiáng)對(duì)流環(huán)境參數(shù)包括地面比濕與位溫、0～3 km溫度直減率、自由對(duì)流高度、對(duì)流有效位能與抑制能量等，為天氣預(yù)報(bào)相關(guān)工作人員了解高時(shí)空分辨率的近風(fēng)暴環(huán)境提供有力依據(jù)。對(duì)于高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式，國(guó)內(nèi)比較有代表性的臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)是更新周期為3 h的快速同化系統(tǒng)，而這一天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)是建立在WRF模式與三維變分技術(shù)的基礎(chǔ)上，主要是采用區(qū)域自動(dòng)站資料與常規(guī)地面觀測(cè)資料和探空等相關(guān)資料?？焖偻到y(tǒng)的水平分辨率為3 km，每次分析發(fā)出18 h預(yù)報(bào)，是雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)的有力支撐。

在雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)中，高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式的應(yīng)用的關(guān)鍵有以下兩個(gè)方面。1）數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)降水系統(tǒng)包括對(duì)流性降水系統(tǒng)的預(yù)報(bào)水平。對(duì)于雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)，對(duì)流性降水系統(tǒng)在鋒面氣旋與短波槽等天氣尺度強(qiáng)迫較強(qiáng)情況下的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果較為可靠；但對(duì)局部雷陣雨的預(yù)報(bào)能力極弱。2）數(shù)值預(yù)報(bào)融合雷達(dá)回波外推的具體方法[5]。利用適宜方法將高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)與雷達(dá)回波外推相結(jié)合，對(duì)提升臨近預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性有利。

三、結(jié)語(yǔ)

雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)是氣象服務(wù)的關(guān)鍵，而臨近預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性有著較大影響。綜合分析天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展情況，加強(qiáng)TREC、TITAN等技術(shù)與高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式在雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，更新雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)，延長(zhǎng)雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)的有用時(shí)效，從而提升天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅云凱，吳彤，李丹，等.雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)探討[J].農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技，2017，28（21）：243-244.