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暴雨无情,我们怎么办?河南“75·8”思考 (二)
发布时间:2021-07-25 08:38:36

85岁老院士:暴雨无情,我们怎么办?河南“75·8”思考 (二)


▍近20年我国暴雨预报业务进展及存在的问题

暴雨预报是预报员在对其形成机理深刻认识的基础上,充分利用现代化的观测资料、高分辨率的数值模式、先进的统计模型,并结合预报员的主观经验综合而成的。暴雨预报多年来有了很大进步,各级气象台为防灾减灾做出了杰出贡献。


(一)暴雨机理研究取得显著进展

在暴雨机理方面的主要进展体现在高频卫星和多普勒雷达应用后,人们对暴雨的中尺度结构和演变规律等有了更精细的认识。中小尺度天气系统的发展演变很大程度上决定了暴雨的分布和强度,在中尺度对流系统结构和中尺度系统的移动与传播等方面的研究对改进暴雨的预报有显著作用。

20 年,我国气象科学家经过不懈的努力,在暴雨机理研究领域做出了令人瞩目的成就。成果主要来源于以南方暴雨为主要研究内容的3个重大项目: “海峡两岸及邻近地区暴雨试验研究”( 简称华南暴雨科学试验———HUAMEX) 和国家973项目“我国重大天气灾害形成机理与预测理论研究”、“我国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究”,以及在项目执行期间实施的3个野外科学试验所获取的丰富的中尺度观测资料。

我国各级预报员经过长期的业务实践和个例分析,特别是对疑难或预报失败个例的分析研究,对暴雨发生发展的机理进行了很好的验证和有益的补充。


(二)暴雨客观预报技术有了长足进步

数值预报技术是现代天气预报的基础,近10 年来数值预报的同化方案越来越完善,同化的资料越来越丰富,模式分辨率越来越高,预报准确率不断提高,预报时效不断延长,在暴雨的精细化预报中发挥着越来越重要的作用。

1、数值预报系统

国际数值预报现今通常同时在运行全球模式和高分辨率区域模式,全球模式的水平分辨率在16 ~ 50 km左右,区域模式则在1.5 ~ 12.0 km( 普遍1 ~ 7 km) 。世界先进的预报支持高影响天气预报的NWP开发集中于高分辨率全球模式和中尺度模式,网格距在4 km以下的模式一定程度上具备了解析对流风暴的能力,并将天气预报的能力提到了一个新的高度。

我国从20世纪80年代开始,以数值天气预报为主的气象业务建设取得快速发展。从2007年开始业务化的全球模式T639在空间分辨率、初始场同化技术、台风Bogus技术、产品丰富性等方面都较之前的T213有长足进步,有力地保障了暴雨预报业务的发展。同时,从2001年开始,中国气象局组织自主开发建立新一代多尺度通用的同化与数值预报系统GRAPESGRAPES模式有两个系列的应用版本: GRAPES-Meso(区域中尺度模式) 和 GRAPES-GFS(全球中期预报模式) ,其中GRAPES-Meso20147月升级为4.0版本,水平分辨率由15 km提高到10 km,垂直层次由31层增加到50层,并采用了模式三维变分同化系统,暴雨预报能力有所提高。


2、客观统计方法

国家气象中 心近几年在暴雨客观统计预报方法方面也取得了较大的进步,研发了集合融合预报、多模式集成、配料法强降水等级预报及模式频率匹配订正预报等定量降水预报客观产品。集合融合预报技术主要是基于降水评分原则,利用历史资料确定每个量级降水的百分位取值,进行定量降水预报融合计算。

多模式集成利用多家模式之间的相似离度,确定比例权重,进行动态集成。配料法降水等级预报技术,主要是通过历史资料选取预报因子并训练logistic判别模型,获取等级预报参数,进行降水等级预报。频率匹配订正预报技术利用历史降水资料的频率分布曲线订正模式降水的频率分布曲线,使观测与预报降水接近或重合,以达到对于降水预报订正的目的。这4种客观预报产品较数值模式直接输出的降水预报均有提高。在实际业务中,预报员可结合具体检验结果,有针对性地选用其中一种或几种。


(三)暴雨主观预报积累了更多经验

暴雨主观预报随着预报员对暴雨形成机理认识的不断提高、数值预报模式( 中尺度数值模式和集合预报等) 的进步及预报员数值预报模式应用能力的提高,取得了飞速发展。暴雨的短期预报侧重于模式输出的天气概念模型识别、天气尺度和中尺度分析及水汽、抬升、不稳定性等降水形成要素分析,着重对物理量参数进行异常诊断和值分析(图5),并参考集合模式预报的异常性(图6) ,从而判断暴雨发生的可能性。暴雨的短临预报是在短期预报暴雨有可能发生时,进一步分析中尺度对流系统的生成时间、位置、移动、类型等,是否有后向传播和列车效应发生。

5 2012 7 21 20 GFS 模式大气可降水量( a) 、850 h Pa 水汽通量( b) 、850 h Pa 风( c) 及标准化距平( 阴影)

6 北京 7·21 暴雨过程集合预报降水量单位: mm


中 央气象台定量降水预报(QPF) 业务开展多年,预报准确率稳步提高,目前24 h暴雨的Ts评分由2007年的0.15上下提高到了0.18以上。主要产品包括未来24 h时效内逐6h累积QPF、未来168h时效内逐24h累积QPF,以及旬降水量预报、过程降水量预报等特色QPF产品。同时,试验面向全国的订正PQPF产品,开发6 ~ 10d有无降水和大量级降水概率预报产品。目前,在传统绘制等值线落区的基础上,增加了精细化的格点预报场,并初步形成中 央台发布指导产品、地方台订正反馈的业务体系。


7 2007 - 2014年气象台暴雨短期 Ts 评分


(四)我国暴雨预报业务存在的主要问题

国暴雨天气形成机理复杂,地域特征明显,预报难度大,近20年来虽然取得了诸多进步,但距离防灾减灾的需求还有较大差距。主要表现在以下几个方面:

对我国暴雨发生发展的机理认识仍要深入。我国地域辽阔,地形复杂,暴雨影响因子多样,各地各季暴雨都有不同的特点,大范围暴雨和中尺度突发性强对流暴雨是当前突出的预报难点,其机理研究和认识有待加强。

预报技术手段基础仍薄弱。数值预报模式在强降水的预报能力方面有了很大提高,区域性暴雨天气过程基本不会漏报,但具体的雨带位置和降雨强度仍有较大偏差,特别是对暴雨和中尺度突发性暴雨预报能力仍有限。各种模式产品释用和客观统计方法也是在数值预报基础上的再加工,预报准确率提高很受影响。

新型观测资料和数值模式使用能力不强。各种新型观测资料的快速业务化为预报员提供了分析暴雨天气的良好条件,但同样这些非常规资料在使用方面仍处于起步阶段; 同时,因业务流程和系统平台的局限,预报员分析新型资料的时间不够,分析不够细致。另外,预报员对数值模式的物理过程及其对不同类型暴雨的预报性能了解还不深入,缺乏对中尺度模式的理解和应用技术,集合预报系统应用也处于探索、积累经验和应用发展阶段。


业务平台对海量资料调阅和分析的支撑能力有待继续提高。目前我国主要预报业务平台为MICAPS3(现代化人机交互气象信息处理和天气预报制作系统第3版本) ,尚存在资料尤其是高分辨资料调阅显示速度慢、数据加工处理功能单一等缺点,制约了暴雨预报的精细化分析和准确率的提高。

梯队式预报员队伍建设仍需加强。现代气象预报业务向客观化和自动化方向发展,但预报员仍是满足国家防灾减灾和社会生产生活需要的预报服务业务主体。目前,各级气象台站均不同程度地存在骨干预报员缺乏的现象,尤其缺少在暴雨预报业务和研究方面的学科带头人,人才队伍建设任重道远。