張立杰 胡娟 張凱 李游 鄭慧
(作者單位:張立杰、李游、鄭慧,深圳市氣象局/深圳市國家氣候觀象臺/深圳南方強天氣研究重點實驗室;胡娟、張凱,深圳市氣象局/深圳南方強天氣研究重點實驗室)
從應(yīng)用研發(fā)、基礎(chǔ)研究兩方面對深圳氣象近10年的科學(xué)研究和研發(fā)成果進行了分類總結(jié)。在應(yīng)用研發(fā)領(lǐng)域,深圳氣象在臨近預(yù)報方法、數(shù)值預(yù)報方法以及氣象服務(wù)方法等領(lǐng)域都取得了較為豐碩的成果,在很大程度上滿足了城市防災(zāi)減災(zāi)和決策服務(wù)對及時、快速和準(zhǔn)確的氣象信息的需求。在基礎(chǔ)研究方面,深圳氣象主要在天氣學(xué)、城市氣候和大氣環(huán)境等應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得了一些成果。
深圳瀕臨南海,飽受臺風(fēng)、暴雨、強對流等災(zāi)害性天氣的影響,城市的生命和財產(chǎn)安全遭受到嚴(yán)重威脅。深圳的快速城市化與工業(yè)發(fā)展,在一定程度上帶來了局地氣候和大氣環(huán)境的變化,諸多研究表明,深圳出現(xiàn)了城市熱島加劇、灰霾增多等問題,并給市民的生活帶來不利影響。
為解決這些問題,更好地服務(wù)城市防災(zāi)減災(zāi)和可持續(xù)發(fā)展的需要,深圳市氣象局依靠科技創(chuàng)新著力推進現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)體系建設(shè)和提升氣象服務(wù)能力,逐漸形成了以“業(yè)務(wù)中發(fā)現(xiàn)問題-科學(xué)研究解決問題-業(yè)務(wù)服務(wù)中檢驗問題”為特色的良性循環(huán)機制。尤其是近10年來,深圳市氣象局取得了大量的科技創(chuàng)新成果,并推動了氣象監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警水平及服務(wù)能力的快速提高。本文著重對近10年深圳在氣象科技創(chuàng)新領(lǐng)域取得的成果作簡要總結(jié),以期為國內(nèi)不同城市的氣象科技創(chuàng)新發(fā)展提供參考。
由于地處華南沿海,天氣復(fù)雜多變,臨近預(yù)報對于深圳具有特別重要的意義。深圳市氣象局在臨近預(yù)報的技術(shù)方法研究上投入了大量的人力和物力。2009年,蘭紅平等基于雷暴云團邊界追蹤技術(shù)開發(fā)了一種短時臨近預(yù)報方法,主要通過模式識別技術(shù)進行云團邊界識別、拓撲處理,建立云團生命時序與族譜關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上通過雷暴云團外推進行臨近預(yù)報。該方法主要解決了三個技術(shù)難題:一是對已預(yù)處理的雷達數(shù)據(jù)進行邊界識別;二是利用四分樹匹配分析因子、重疊因子、外接矩形因子、輪廓綜合因子、局部相似判定因子等六個判斷因子,分別識別出每個云團的時間序列,以及每個云團的運動方向、速度、面積、強中心,以及所處的狀態(tài)等信息;三是對云團的移動方向、速度、面積、強度進行線性外推。通過這些技術(shù),可獲得雷暴云團的空間位置信息、發(fā)展軌跡、演變特征和未來預(yù)測。該方法在一定程度上推動了臨近預(yù)報預(yù)警技術(shù)的發(fā)展。
在蘭紅平等工作的基礎(chǔ)上,曹春燕等嘗試將計算機視覺領(lǐng)域的重要方法——光流法引入對流臨近預(yù)報外推算法方案中。光流法具有高彈性、高靈活性等特點,可以模擬出接近理想的運動矢量場,能準(zhǔn)確地實現(xiàn)對目標(biāo)物的識別、追蹤和運動估計,被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、天文、氣象等領(lǐng)域。光流法的基本原理是由于運動目標(biāo)和觀測器之間的相對運動,以圖像量化作為識別對象,在序列圖像中產(chǎn)生瞬時位移,體現(xiàn)圖像亮度模式的表觀運動,圖像中所有像素點的亮度光流構(gòu)成了圖像的光流場,而光流法的核心就是從連續(xù)的圖像系列中計算光流場。與傳統(tǒng)的交叉相關(guān)法相比,光流法立足于變化,而不是選定不變特征再跟蹤不變特征移動的方式。將光流法應(yīng)用于臨近預(yù)報,開發(fā)基于光流法的雷達回波預(yù)報產(chǎn)品,不僅得到了回波的外推預(yù)報,還很大程度上彌補了傳統(tǒng)的雷暴外推(交叉相關(guān)法)的缺陷,提升了臨近預(yù)報系統(tǒng)的性能。
陳元昭等利用廣東省12臺天氣雷達的資料開展研究,開發(fā)了基于粒子濾波法的新臨近預(yù)報方法。該方法首先在雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制中應(yīng)用了一種雙邊濾波器;同時采用基于Lucas-Kanade算法和Harris角點檢測算法的光流方法跟蹤雷達回波并提取回波運動矢量;然后,將運動矢量用粒子濾波混合算法進行混合,以估計真實回波運動的最優(yōu)運動矢量;最后,基于獲得的運動矢量場采用準(zhǔn)拉格朗日外推方法進行雷達回波外推。應(yīng)用檢驗表明,這種改進對于颮線等西風(fēng)帶系統(tǒng)帶來的降水天氣過程,粒子濾波融合法30 min的擊中率為82%,較傳統(tǒng)方法有所提升,在應(yīng)對“5·20”暴雨和“山竹”臺風(fēng)等多次氣象服務(wù)保障過程中發(fā)揮了重要作用。
過去10年,深圳市氣象局通過技術(shù)引進、吸收再創(chuàng)新的途徑,與國內(nèi)外多家機構(gòu)合作開展了多項研究,建成了有深圳特色的數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)。Hou等利用WRF對深圳及周邊的雷達資料和自動氣象站資料進行了同化,表明其短時預(yù)報的效果令人滿意,同化對于預(yù)報技巧的提高可以延伸至9 h。基于這種技術(shù),深圳市氣象局開發(fā)了逐時循環(huán)同化系統(tǒng)(Hourly Assimilation and Prediction System,HAPS)。Pan等同樣利用WRF同化了深圳及周邊的大量觀測資料,與Hou等基于三維變分的同化方法有所不同,Pan等使用了基于張弛逼近(Nudging)的四維數(shù)據(jù)同化技術(shù)(FDDA)。在實際工作中,兩套模式并行運行,表現(xiàn)上也各有千秋,HAPS在降雨的短時預(yù)報中發(fā)揮了重要作用,而FDDA因為同化了大量地面自動氣象站資料,在風(fēng)、溫的預(yù)報中有一定優(yōu)勢。
歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心(ECMWF)精細化數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品和NCEP/NCAR的全球模式預(yù)報產(chǎn)品一直是深圳市氣象局開展預(yù)報業(yè)務(wù)的重要支撐,為充分挖掘這些產(chǎn)品的價值,深圳市氣象局組織對這些模式產(chǎn)品進行了二次開發(fā)。蘭紅平等在ECMWF的15 d數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品基礎(chǔ)上開發(fā)了時間滯后集合預(yù)報產(chǎn)品,結(jié)果表明,采用時間滯后集合對于氣溫的預(yù)報比直接用單次預(yù)報的準(zhǔn)確率有一定提升。陳申鵬等利用NCEP/NCAR格點資料和華南地區(qū)主要站點的降水資料,結(jié)合華南地區(qū)汛期強降水過程的大氣低頻系統(tǒng)的地理位置和相互配置,建立了華南汛期大氣低頻系統(tǒng)延申期強降水預(yù)測模型,并應(yīng)用在業(yè)務(wù)服務(wù)中,通過兩年的實踐表明,該模型可以提前10~30 d預(yù)報華南地區(qū)強降水過程,具有一定的預(yù)報能力,這也意味著,低頻系統(tǒng)預(yù)測模型在華南地區(qū)實現(xiàn)本地化,成為深圳中長期降水預(yù)報的重要支撐。
孫石陽等根據(jù)深圳氣象服務(wù)特點,剖析存在的問題,提出轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要性和必要性,對氣象服務(wù)轉(zhuǎn)型發(fā)展的實現(xiàn)目標(biāo)、前提條件、業(yè)務(wù)體系建設(shè)及配套政策進行了深入研究和探索。劉錦泉等根據(jù)深圳現(xiàn)有氣象信息發(fā)布方式,分析了建立綜合氣象信息發(fā)布平臺的必要性,研究團隊采用地理信息系統(tǒng)可視化、人機交互式設(shè)計,并運用單一信息源生成與多種信息源發(fā)布模式對接的方法,開發(fā)了氣象災(zāi)害預(yù)警、預(yù)報產(chǎn)品及監(jiān)測資料的發(fā)布平臺,平臺的實際應(yīng)用極大地提高了信息發(fā)布效率,并為今后增加發(fā)布渠道提供了擴展空間。劉東華等利用高性能計算技術(shù)、智能語音識別技術(shù)、智能語音合成、海量氣象監(jiān)測與預(yù)報數(shù)據(jù)庫,提出了個性化氣象信息服務(wù)模式,設(shè)計了深圳市個性化氣象信息服務(wù)系統(tǒng),同時拓寬了公眾獲取氣象信息的渠道,并可實現(xiàn)實時交互。謝坤、陳申鵬等結(jié)合重要天氣過程詳細分析了“深圳天氣”微博、微信等互聯(lián)網(wǎng)新媒體在氣象服務(wù)中的應(yīng)用,對微博、微信的優(yōu)勢和劣勢進行了對比分析,在發(fā)布方式方面,微博發(fā)布方式屬于點對面,對用戶沒有“非看不可”的硬性要求,信息送達率相對較低,有些信息可能會被公眾忽略,所以微博通常發(fā)布頻率很高,重大災(zāi)害天氣影響期間最頻繁約1條/15 min;微信推送次數(shù)雖然受限,但屬于真實的朋友圈建立的聯(lián)絡(luò)方式,信息送達率可達100%,重要天氣過程時的一條推文創(chuàng)下過40多萬閱讀量的記錄。目前“深圳天氣”微博粉絲已達180多萬,微信粉絲110多萬,成為深圳氣象公共服務(wù)的叫得響品牌。
特殊的地理位置和地形地貌使深圳災(zāi)害性天氣頻發(fā),受熱帶氣旋影響頻繁,全方位探究災(zāi)害性天氣特征,了解其演變規(guī)律,認(rèn)識災(zāi)害性天氣形勢和形成的物理機制,是準(zhǔn)確把握災(zāi)害性天氣形勢、做好災(zāi)害性天氣預(yù)報的基礎(chǔ)前提。張蕾等利用深圳機場跑道兩端氣象觀測資料,針對颮線、強對流、連續(xù)暴雨和冷空氣等典型災(zāi)害性天氣過程,分析了不同天氣條件下水平梯度變化特征。謝坤等對熱帶氣旋海高斯登陸后重新加強并導(dǎo)致深圳暴雨的情況進行分析,分析表明,弱冷空氣擴散南下,“海高斯”變性加強,且GPS/MET大氣水汽含量變化和強降水具有一定的對應(yīng)關(guān)系,強對流發(fā)生前的快速增加過程,對強對流天氣預(yù)報具有指示意義。謝小敏等對30年的前汛期西風(fēng)帶大暴雨期間的500、850 hPa和地面環(huán)流形勢進行分析,發(fā)現(xiàn)深圳市前汛期有77%的大暴雨過程由西風(fēng)帶系統(tǒng)引起。2012年,胡娟等通過近40年深圳出現(xiàn)的臺風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性天氣過程的環(huán)流特征,構(gòu)建了深圳市重大災(zāi)害性天氣的概念模型和指標(biāo)體系,并研發(fā)了基于Web網(wǎng)頁的各類災(zāi)害天氣過程概念模型查詢系統(tǒng),對提高預(yù)報準(zhǔn)確率、做好城市防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。2014年,Li等結(jié)合探空資料、鐵塔資料、利用CFD(計算流體力學(xué))模擬分析了臺風(fēng)莫拉菲登陸期間深圳東部山地的風(fēng)場精細結(jié)構(gòu),為深圳強風(fēng)致災(zāi)等問題的研究提供了新的技術(shù)手段。為進一步了解珠三角地區(qū)重大短時強降水發(fā)生的環(huán)境特征,2016年,陳元昭等利用珠三角地區(qū)自動氣象站資料、探空資料、衛(wèi)星資料研究了7年間68個重大短時強降水事件的環(huán)境流型和關(guān)鍵物理參數(shù),結(jié)果表明,珠三角地區(qū)重大短時強降水天氣流型主要有臺風(fēng)型、西南季風(fēng)型、北部灣低壓型、冷切變線型和熱帶云團型5種,將不同流型配置方法、重大短時強降水對應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)以及根據(jù)箱線圖展示的參數(shù)范圍設(shè)定適宜的閾值方法相結(jié)合,為珠三角地區(qū)顯著強降水的預(yù)報改進提供了重要參考。
深圳自1980年成立經(jīng)濟特區(qū)后,人口、GDP及城市建成區(qū)面積都快速增加,其城市化進程的速度之快在全世界范圍內(nèi)都極為罕見。然而,快速城市化對深圳的氣候造成了顯著影響。早期,張小麗等對新時段的氣候要素平均值的演變特征進行了分析,指出新的氣候平均值出現(xiàn)了氣溫上升、雨量增加、濕度下降和日照減少等特點;張恩潔等的分析表明,近50年間深圳增溫速率為0.034 ℃/a,明顯高于全國水平。王博等在張小麗、張恩潔等研究基礎(chǔ)上,分析了不同年代的氣候要素平均值的變化趨勢,并進一步指出了深圳的氣候存在著夏季延長,秋、冬季漸短及雷雨影響時段略有延長的事實。李輝等利用56年來對深圳造成風(fēng)雨影響的熱帶氣旋特征進行分析,結(jié)果表明,影響深圳的熱帶氣旋年內(nèi)變化呈單峰型分布,其中8月出現(xiàn)對深圳造成嚴(yán)重影響的熱帶氣旋概率最大。
隨著深圳探測數(shù)據(jù)的不斷積累,關(guān)于深圳城市氣候特征的研究也不斷深入。張立杰等利用自動站氣溫觀測資料,對深圳的城市熱島現(xiàn)象進行了研究,發(fā)現(xiàn)深圳的近地層氣溫分布是海陸作用疊加城市熱島效應(yīng)形成的結(jié)果。特別值得一提的是,該研究所用資料空間密度很高,在深圳近2000 km2的土地上,共收集了103 個自動氣象站的資料,所反映出的近地層氣溫空間結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星遙感資料具有非常好的一致性。李磊等對深圳快速城市化的氣候效應(yīng)及物理機制展開分析,在得出城市化造成高溫日數(shù)顯著增多、夜間變得更為炎熱、相對濕度顯著降低以及短歷時降水強度增加等局地變化結(jié)論的基礎(chǔ)上,從發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃層面對城市發(fā)展提出可針對性采取一定措施,從而保護和調(diào)節(jié)城市氣候,例如:海綿城市建設(shè)、低碳發(fā)展戰(zhàn)略、自然通風(fēng)規(guī)劃等。
隨著城市化的快速發(fā)展,大氣環(huán)境也受到嚴(yán)重影響,開展大氣環(huán)境研究,分析灰霾、臭氧等典型污染特征及成因,對城市大氣環(huán)境治理和改善具有重要的參考意義。王明潔等在大運會(26屆世界大學(xué)生運動會)召開前夕,對大運會即將召開時段深圳重度灰霾天氣特征及環(huán)流形勢進行分析,研究了可能造成該時段重度灰霾天氣的主要原因以及發(fā)生重度灰霾的可能性,為做好大運氣象服務(wù)保障工作提供科學(xué)支撐。楊琳等研究了深圳地區(qū)灰霾分布特征、預(yù)報預(yù)警方法,建立了灰霾預(yù)警預(yù)報模型,檢驗表明,該模型具有一定的可靠性,為灰霾防治和預(yù)警系統(tǒng)的建立提供了科學(xué)依據(jù)。張麗等利用深圳國家基本氣象站觀測數(shù)據(jù)和竹子林大氣成分站顆粒物、污染氣體的濃度資料,對典型灰霾過程粒子濃度的日變化特征進行對比分析,分別給出了在變性高壓脊控制下、在熱帶氣旋外圍下沉氣流控制以及在低槽或切變線影響下,灰霾污染物的變化特征。2015年王明潔等利用精細化的觀測資料對深圳不同季節(jié)灰霾的污染特征進行研究分析表明,約80%的中重度灰霾出現(xiàn)在風(fēng)速小于2 m/s和相對濕度在70%~90%情況下。2017年,梁碧玲等利用3年深圳國家基本氣象站的觀測資料和11個國家級環(huán)境監(jiān)測點的臭氧數(shù)據(jù),對其污染特征及氣象條件進行了分析,分析結(jié)果為深圳地區(qū)臭氧污染監(jiān)測預(yù)報和進一步深入研究臭氧污染機理提供了參考。
過去的10年,深圳氣象無論在臨近預(yù)報、數(shù)值預(yù)報以及氣象服務(wù)方法還是在天氣學(xué)、城市氣候和大氣環(huán)境等學(xué)科發(fā)展研究方面都取得了較為豐碩的成果。
未來,隨著臨近預(yù)報技術(shù)和數(shù)值預(yù)報方法越來越成熟,預(yù)報預(yù)警越來越精細和精準(zhǔn),以及決策部門和公眾對氣象服務(wù)的需求越來越高,如何提高服務(wù)效率和信息發(fā)布的精準(zhǔn)度,做到將合適的信息發(fā)送給合適的接收者,均值得在業(yè)務(wù)服務(wù)中不斷實踐、應(yīng)用和分析研究。在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,隨著氣象探測網(wǎng)絡(luò)的進一步完善,探測資料質(zhì)量日益提高,有助于對典型天氣過程的特征進行更為深入和精細化分析,而關(guān)于城市氣候、大氣環(huán)境變遷后的物理、化學(xué)機制和社會經(jīng)濟機制的大量科學(xué)問題將可能得到進一步研究和解決,從而對建設(shè)更安全和可持續(xù)發(fā)展的深圳有一定的促進作用。
致謝:本文由“中國氣象局華南區(qū)域中心科技攻關(guān)項目(GRMC2015M05)”資助。
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Advances in Meteorological Science and Technology2019年3期