大氣波導條件下短臨預報預警系統(tǒng)研究

董凌宇，莫云音，李 勛

(1.海南省氣象臺，海南 ?？?570100；2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 海口 570100 3.海南省氣象服務中心，海南 ?？?570100)

0 引 言

海南省屬局地強對流天氣多發(fā)地區(qū)，每年因突發(fā)性強降水、雷雨大風、冰雹、雷電和龍卷等強對流天氣[1-2]導致的氣象災害多達數十起，經濟損失高達數十億。強對流天氣所造成的危害已嚴重影響到海南省經濟發(fā)展、社會和諧安定和人民群眾生命和財產安全。

近年來，海南省氣象局全面開展氣象綜合探測系統(tǒng)、預警預報系統(tǒng)等氣象現代業(yè)務體系建設，逐步完善中尺度氣象觀測站網，提供了地面自動站、多普勒天氣雷達、閃電定位、風廓線等非常規(guī)遙感觀測資料，為預報員在天氣預報預警特別是為短時強降水、雷暴、雷雨大風等強對流天氣的預警和臨近預報提供了基礎。

雖然通過氣象業(yè)務建設，提供了豐富的監(jiān)測和預報產品，暴雨、強對流等惡劣天氣實時監(jiān)測和預報預警能力有所提高，但是預警預報能力特別是暴雨、強對流天氣和臨近登陸臺風的路徑強度風雨影響程度的預警預報精細化服務能力，仍不能滿足政府和公眾的要求。因此，為了提高海南省對突發(fā)性強對流天氣的檢測預報能力，建立及時科學的預警機制，海南省氣象臺設計開發(fā)了海南省短時臨近預警業(yè)務系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于SWAN2.0[3]開源開放框架，采用省CS(Client/Server)+市(縣)BS(Brower/Server)的兩級分布式結構，針對不同類別災害性天氣實現實時監(jiān)測自動示警，臨近時效內發(fā)布預警，短時時效內發(fā)布預報等功能?？s短了制作發(fā)布各類氣象災害預警信號的時間，真正實現省市縣業(yè)務同步聯動、產品實時共享、預警信號發(fā)布協(xié)調一致，預報預警服務產品一鍵式分發(fā)。完善了短時強降水、雷雨大風、冰雹等強對流天氣短時臨近精細預警預報技術和能力，提高了強對流短時預報時空分辨率和準確率，形成了短臨預報到短期預報的無縫對接。

1 系統(tǒng)功能設計

海南省短時臨近預警業(yè)務系統(tǒng)針對不同類別災害性天氣實現了實時監(jiān)測自動示警，臨近時效內發(fā)布預警，短時時效內發(fā)布預報等功能。系統(tǒng)的功能結構如圖1所示。系統(tǒng)主要由多源資料處理模塊、數據產品綜合顯示模塊、實時監(jiān)測報警模塊、短臨預警產品制作模塊、預警產品一鍵式分發(fā)模塊、精細化格點預報模塊等六個部分構成。

圖1 系統(tǒng)功能結構

1.1 多源資料處理模塊

系統(tǒng)涉及的數據有：自動氣象站數據、基于雷達等觀測資料的外推預報數據，衛(wèi)星數據，閃電定位儀數據，WRF-RUC逐時同化預報數據，中國氣象局CMACAST下發(fā)的歐洲中心細網格產品，T639細網格產品，日本細網格產品，GRAPES模式產品，WRF模式產品，INCA逐小時產品，海洋模式產品，美國GFS產品，集合預報轉化及解釋應用等客觀訂正產品。

系統(tǒng)的各類數據通過數據庫、共享目錄、WebService[4-5]接口、CIMISS接口等方式實時獲取。多源資料處理模塊對獲取到的數據進行時間規(guī)整和初步數據質量控制，接著進行數據解析及數據格式轉換，生成標準的數據集，最后對各類標準數據集進行數據融合[6]，生成其他模塊需要的圖形、表格及其他自定義的數據格式。

1.2 數據產品綜合顯示模塊

基于WEBGIS[7]，綜合顯示模塊可在地圖上動態(tài)顯示各類定量估測預報、回波實況及預報、自動站各類監(jiān)測信息以及多產品合成圖等內容，為預報員提供決策參考。綜合顯示模塊將雷達拼圖實況、定量降水實況、TRACER、光流法等多家定量降水預報產品統(tǒng)一規(guī)格，統(tǒng)一表達色系和表達方式，基于WEBGIS系統(tǒng)在同一頁面進行集成顯示?？苫诓煌瑫r長(如0.5H、1H、2H、3H、4H、5H、6H)，不同尺度區(qū)域(如250 KM和64 KM)等指標要素進行信息對比顯示。基于色斑圖模式，系統(tǒng)可顯示指定自動站站點的降雨、溫度、風力時間序列圖；系統(tǒng)可顯示最大降雨量、最高溫度、最低溫度、最低能見度、最大風力信息及所在自動站站點信息；系統(tǒng)可動態(tài)顯示全省及區(qū)域的回波實況、回波預報、估測降水實況、估測降水預報、冰雹產品、剖面產品等；系統(tǒng)可動態(tài)顯示歐洲中心數值預報產品，如10米風速、2米氣溫、2米日變溫、3小時降雨、海平面日變壓。各類信息除實時綜合顯示外，綜合顯示模塊支持各類信息的歷史回放功能，基于時間指標和時長指標，可檢索查看各類信息。

1.3 實時監(jiān)測報警模塊

實時監(jiān)測報警模塊對經過多源資料處理模塊融合處理的各類數據資料進行實時監(jiān)測，針對不同氣象資料的特性，設置不同的閾值，超過相應的閾值后，會根據設定好的預警等級來報警。報警主要通過網頁預警、短信預警、電話預警等三種手段。網頁預警是當系統(tǒng)監(jiān)控到觀測數據強度達到設定的閾值時，會在瀏覽器端啟動聲音告警；短信預警是當系統(tǒng)監(jiān)控到觀測數據強度達到設定的閾值時，會根據已設定的短信接收人員，由系統(tǒng)發(fā)送相關的預警信息到指定手機號碼上；電話預警是當系統(tǒng)監(jiān)測到觀測數據強度達到設定的閾值時，系統(tǒng)會根據設定的電話接收人員自動撥打電話。

報警流程采用“階梯式”預警形式進行，分區(qū)域、分時段、分強度進行預警。具體規(guī)則如下：

(1)分區(qū)域：外圍鄰近區(qū)域(0 km～30 km警戒區(qū)，30 km～50 km監(jiān)控區(qū))、屬地責任區(qū)(預警區(qū))。

(2)分時段：短臨模式預報0～2小時內、實況實時監(jiān)測。

(3)分強度：雷達回波按分貝進行劃分(35分貝、45分貝、55分貝)、自動站觀測要素按照預警信號閾值發(fā)布標準進行劃分。

1.4 短臨預警產品制作模塊

短臨預警產品包括強對流天氣及大霧兩類產品，強對流天氣主要涵蓋了短時強降水、雷雨大風、冰雹、龍卷及雷達等天氣類型。預警類型包括海上雷雨大風、海上大霧、海上大風、臺風、大霧、寒冷、雷雨大風、暴雨、雷電、大風、高溫、冰雹、干旱等，預警級別根據不同的預警類型可選擇支持紅色、橙色、黃色、藍色等級別。

基于WebGIS平臺，通過落區(qū)繪制生成各類短臨預警產品，以縮短預警產品的制作時間，提高預警產品的發(fā)布效率。落區(qū)繪制預警產品的過程為：在短臨預警產品制作模塊選擇新建預警信號，選擇預警信號類別和預警級別，接著使用落區(qū)繪制工具繪制災害區(qū)域，繪制完成后，會自動生成預警標題、發(fā)布時間、發(fā)布單位以及預警內容。

1.5 預警產品一鍵式分發(fā)模塊

預警產品一鍵式分發(fā)模塊主要是按照業(yè)務規(guī)定及相關的業(yè)務流程將制作好的短臨預警產品發(fā)送出去。預警產品一鍵式分發(fā)模塊主要是通過對接“海南省公共氣象服務產品庫”，利用“氣象產品制作發(fā)布與監(jiān)控平臺”的一鍵式發(fā)布功能，實現預警產品的一鍵式發(fā)布。實現的發(fā)布渠道主要有短信、聲訊、傳真、網站、微博、微信、客戶端、電視、大喇叭、電子顯示屏、網盤、北斗、今日頭條、一點資訊等[8]。信息發(fā)送流程如圖2所示。

圖2 信息發(fā)送流程

短臨預警產品制作模塊制作好預警產品后，會推送至預警產品一鍵式分發(fā)模塊，接著預警產品一鍵式分發(fā)模塊將預警產品保存到“海南省公共氣象服務產品庫[9]”，“氣象產品制作發(fā)布與監(jiān)控平臺[10]”實時采集“海南省公共氣象服務產品庫”中的預警產品，根據設置好的發(fā)布策略，通過現有的各個渠道將預警產品發(fā)送出去。

1.6 精細化格點預報模塊

海南省精細化格點預報模塊的業(yè)務由短時臨近、短期和中期預報三部分組成。短時臨近預報主要依托自奧地利引進并實現本地化的INCA系統(tǒng)，基于其輸出產品實現人工交互訂正。短期和中短期預報則依據歐洲中心數值預報及省臺WRF中尺度區(qū)域模式初步釋用產品進行人工交互訂正。預報全區(qū)域為九段線內的所有南海島嶼及海區(qū)(東經1 050-1 200，北緯30-220)。預報要素有風、降水、氣溫、相對濕度、能見度、云量，形成預報產品覆蓋海南省所有海陸轄區(qū)，空間分辨率細化至1～5公里，12小時內時間分辨率縮小至1小時間隔，1～10天內時間分辨率為3小時間隔，可實現任意時間地點的動態(tài)預報提取，精細至街道、村落、漁區(qū)、航線。結合業(yè)務需求，根據精細格點預報數據，研究制定了數字向文字、定量向定性轉換規(guī)則，并開發(fā)了基于精細化格點預報和圖文模板標準的文字預報、報文預報和圖形預報等傳統(tǒng)預報產品或專業(yè)預報服務產品的自動轉換生成技術，最終形成預報產品覆蓋本省海陸轄區(qū)，精細到鄉(xiāng)鎮(zhèn)、漁區(qū)，任意時間地點，多用戶的一體化集成業(yè)務平臺。

2 關鍵技術

2.1 SWAN2.0

SWAN2.0是中國氣象局組織開發(fā)的集短時臨近監(jiān)測、分析、預報、預警制作等功能為一體的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)的推廣使用，為各級氣象臺站開展災害天氣監(jiān)測和氣象服務工作提供了強有力的保障。海南省短時臨近預警業(yè)務系統(tǒng)基于SWAN2.0開源開放框架和技術功能,充分利用該系統(tǒng)的數據處理、短時臨近算法、監(jiān)測報警、產品制作與發(fā)布等功能，結合本地短臨產品的特點，針對不同類別災害性天氣實現實時監(jiān)測自動示警，臨近時效內發(fā)布預警，短時時效內發(fā)布預報等功能。

2.2 雷達基數據質量控制技術

雷達在探測氣象目標物時，會受到包括地物、海浪、生物等的干擾，產生大氣的超折射現象，這種現象即為大氣波導。大氣波導對現代雷達探測有重要影響，會導致雷達出現超視距傳播和探測盲區(qū)，從而影響了雷達的探測性能，導致雷達數據中經常存在雜波和亮帶等虛假的回波，影響降水產品的準確性。利用雷達反射率的三維結構進行雷達質量控制[11]的算法比較成熟有效。雷達回波的垂直伸展、反射率場的空間變率、反射率的垂直梯度可以很好地用于質量控制。因此，文中主要采用雷達反射率的三維結構進行雷達質量控制，同時將回波的最低閾值定為12 dBZ，在每個“區(qū)域”中，當檢查發(fā)現資料值小于12 dBZ的點數超過“區(qū)域”內資料總點數的40%時，該“區(qū)域”將不被使用。雷達硬件故障或者大氣波導的干擾，會使得雷達數據存在缺測的情況，對于缺測的雷達數據，文中主要采用局地平均法對其進行填充處理，即當進行資料連續(xù)性判斷時，如果某個格點的值與其周圍至少三個象限內的若干個格點的平均值的差異大于某個特定值的話，即認為該點為資料缺測，用其周圍這些點的平均值來填補。

2.3 多源資料融合分析預警技術

針對6分鐘間隔的雷達回波采用光流算法實現QPF功能，最終生成0～3小時雷達回波外推與降水預報。實現多模式的融合[12-13]，實現最高、最低氣溫，逐小時氣溫，與逐小時、3小時、6小時、12小時、24小時降水輸出。采用SCIT算法，實現風暴自動識別、風暴追蹤算法，實現風暴預報功能。根據EN閃電定位資料，采用光流法提供未來60分鐘每6分鐘的閃電位置預報。對歐洲集合預報51個成員分別采用概率匹配法、混合法與融合法分別輸出降水預報。應用SWAN系統(tǒng)QPE產品、自動站實況相融合形成短時強降水精細化格點實況數據。應用雷達徑向大風速區(qū)識別技術、自動站實況、中氣旋識別等結果相融合形成雷雨大風精細化格點實況數據。利用雷達風暴特征客觀識別冰雹實況形成冰雹精細化格點實況數據。應用Grapes/Wrf/INCA模式預報、SWAN系統(tǒng)QPF產品結果融合形成短時強降水精細化格點預報數據。應用TREC外推雷雨大風、冰雹識別結果，形成雷雨大風、冰雹精細化格點預報數據。統(tǒng)一網格參數等標準，與精細化預報相一致，形成標準化產品。應用各類算法，融合格點和站點預報，以及要素預報和強對流天氣預報。多源數據融合如圖3所示。

圖3 多源數據融合

2.4 預報客觀訂正技術

基于精細化格點預報業(yè)務的需求，系統(tǒng)開展了基于海島觀測站、雷達衛(wèi)星資料和高分辨率數值模式產品的海洋降水、溫度、風等定量化預報訂正技術研究，研究完善基于落區(qū)和模式產品動態(tài)客觀訂正MOC方法的格點化定量降水預報技術，以及基于站點預報、模式預報和地理信息訂正技術的格點化溫度、濕度預報技術。實現了對海洋陸地定量化預報、智能化訂正和精細化服務應用的完整支撐。

2.5 WebGIS技術

地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)是20世紀60年代初發(fā)展起來的一門邊緣學科，集計算機科學、地理學、測繪遙感學、環(huán)境科學、城市科學、空間科學、信息科學、應用數學、管理科學等眾多學科的知識于一體。GIS針對特定的應用任務，存儲事物的空間數據和屬性數據，記錄事物之間的關系和演變過程。它可根據事物的地理坐標對其進行管理、檢索、評價、分析、結果輸出等處理，提供決策支持、動態(tài)模擬、統(tǒng)計分析、預測預報等服務。

WebGIS是傳統(tǒng)GIS在Internet上的延伸和擴展，具備Internet環(huán)境下空間信息的檢索、查詢、制圖輸出、編輯等空間信息管理和發(fā)布功能。WebGIS[14-15]支持C/S和B/S等兩種結構模式。B/S模式具備跨平臺的優(yōu)勢，同時可免去安裝升級客戶端的繁瑣操作，為此，海南省短時臨近預警業(yè)務系統(tǒng)的數據產品綜合顯示模塊選用B/S模式的WebGIS技術來實現氣象數據產品的顯示功能。

3 結束語

海南省短時臨近預報預警系統(tǒng)基于CIMISS統(tǒng)一數據環(huán)境，應用SWAN2.0開源開放框架，針對不同類別災害性天氣可實現實時監(jiān)測自動示警，臨近時效內發(fā)布預警，短時時效內發(fā)布預報等主要功能。該系統(tǒng)依托多源觀測資料(雷達、自動測站、衛(wèi)星)，設置不同閾值，可實現對近海海區(qū)、島礁附近海區(qū)的強對流等災害性天氣進行分區(qū)、逐級示警，通過后臺云電話、短信、平臺頁面等多種方式第一時間提醒當班預報員及相關責任人，確保預警及時、服務到位。該系統(tǒng)還研發(fā)了氣象災害預警信號、災害天氣落區(qū)格點預報等短臨預警產品制作模塊和一鍵式預警服務產品分發(fā)模塊，大大縮短了制作發(fā)布各類氣象災害預警信號的時間，提高了預報服務效果。