作者:郑永光 来源:人民日报海外版 发布时间:2023/8/7 10:24:48
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精准预报强对流天气 守住“第一道防线”

 

2019年,在新中国气象事业70周年之际,习近平总书记对气象工作作出重要指示,明确要求广大气象工作者要发扬优良传统,加快科技创新,做到监测精密、预报精准、服务精细,推动气象事业高质量发展,提高气象服务保障能力,发挥气象防灾减灾第一道防线作用。

大家熟知的夏季雷雨天气通常是电闪雷鸣同时有阵雨、阵风、冰雹等,这就是气象学上所称的对流天气。强对流天气通常指的是短时强降水、雷雨大风、龙卷风、大冰雹等剧烈天气,它们时空尺度小、突发性强、发展快、强度大,易于导致重大灾害。比如,2015年6月,下击暴流所致“东方之星”号长江游轮翻沉事件;2015年10月,超强台风“彩虹”横扫广东沿海地区,造成严重灾害;2016年4月,广东东莞突发雷电大风强降雨,导致龙门吊倒塌事故。

中国强对流天气发生频繁,从初春到深秋、从华南到东北、西北都有强对流天气发生。强对流天气是国际气象学界和业务天气预报重点关注的主要灾害天气之一。

强对流天气预报预警就是在监测当前天气和大气状况基础上,应用多种观测资料和对这些天气发生发展的物理规律认识,判断未来一定时段的强对流天气情况,包括未来哪些区域有对流风暴、哪些类型的对流风暴、哪些类型的强对流天气以及它们的强度和持续时间等。

提高对这些灾害性天气的精密监测和精准预报能力,是筑牢气象防灾减灾第一道防线。2009年,中国气象局在国家气象中心(中央气象台)成立强天气预报中心。作为强天气预报中心初创人员之一和强对流天气重点创新团队首席科学家,笔者和科研团队同仁一起一直致力于相关科研工作并到一线指导相关防灾减灾实践,通过十多年来不懈努力,强天气预报中心研究团队规模不断发展壮大,强对流天气业务预报能力持续提升,充分践行了气象防灾减灾第一道防线的职责和使命。

持续深化机理认识

强对流天气是地球大气复杂非线性运动的结果,也是多种尺度(分为空间尺度和时间尺度,空间尺度指的是大小,时间尺度指的是持续时间)大气系统相互作用的结果,对其机理认识是一个不断深化的过程。

为了给强对流天气精准预报提供气候背景认识,我带领团队利用长时间序列静止气象卫星、雷达、闪电、逐时降水、地面等多源观测资料,深入分析了中国不同区域、不同尺度、不同类型对流风暴和强对流天气,不同累积时段极端强降雨的气候分布特征,发现了不同类型天气的高发时段和高发区、不同区域和季节的日变化特征差异及其成因和所表征物理意义。例如,华南初春和华北春末夏初多强风冰雹、降雨小的“干”性对流,而盛夏多降雨量大的“湿”性对流等;针对不同强度降雨的气候特征,揭示了中国总体降雨、不同强度层状云降雨和对流性降雨以及极端降雨等不同性质的降雨日变化特征的异同、相互联系和成因。

对流天气的发生需要充足的水汽、一定的不稳定条件和抬升触发机制。我们总结分析了对流天气和强对流天气发生所需条件的一些基本物理问题,总结了不同季节和区域分类强对流天气等的环流特征等,包括春季高架对流、梅雨锋强对流、暖区强对流、华南前汛期强对流、冷涡强对流以及东风带强对流等,分别构建了形成不同类型强对流天气的物理条件和机制模型等,给出了分类强对流天气发生发展的必要环境条件和近似的充分条件,揭示了这些天气发生发展所需要的大气环境条件,为提高强对流天气预报水平提供了更加深入的环境条件认识。

中小尺度对流风暴是各类强对流天气的直接制造者。为了进一步提升强对流天气的精准预报水平,从对流风暴(如超级单体、飑线、弓形回波等)的热动力结构和微物理特征等方面,我们进一步揭示了雷暴大风、龙卷、极端强降雨形成机制,龙卷近地面涡度生消机制,下击暴流加强机制,地面冷池对对对流风暴发展的作用等。

基于这些深化的机理认识,我们建立了分类强对流天气的精细化短期和短临预报分析技术规范和流程,提供了分类强对流天气的预报思路和定量化指标,规范了基于自动气象站、雷达、闪电和气象卫星等观测资料的中尺度天气过程分析和临近预报,引领和带动了全国强对流天气研究和业务的发展。

扎实创新监测预报技术

2013年以前,强天气预报中心成立初期,基于常规地面观测、重要天气报、自动气象站、闪电、雷达和卫星等多源观测资料,我们应用模糊逻辑、聚类、卡尔曼滤波等算法发展了自动站资料质量控制技术、强对流信息提取和统计技术、对流风暴识别和追踪、深对流云识别、中尺度对流系统识别和追踪、雷暴单体识别和追踪等实时监测、外推预报技术和气象资料的客观分析诊断技术,基于数值天气预报资料和强对流天气的环境条件,构建了分类强对流天气短期预报技术,形成了业务化的强对流天气综合监测、分析和预报产品,为强对流天气短期预报业务提供了支撑。

2014年到2016年,我们构建了基于雷达观测资料的覆盖全国的强对流特征量报警,包含龙卷涡旋特征、中尺度气旋、风暴结构、风暴追踪、冰雹指数等,发展了初生对流和不同发展阶段对流风暴的临近预报技术,建立了雷暴(闪电)和短时强降水等临近预报产品;利用数值集合预报资料,发展了基于极端天气指数的不同类型强对流天气分析和短期预报技术;开始采用深度学习模型发展分类强对流天气短期预报技术,在国际上率先把机器学习技术应用于分类强对流天气短期短时预报中。

2017年以来,在科技部重点研发计划项目资助下,我们聚焦龙卷、雷暴大风、极端降水等强对流天气监测预报预警,深入挖掘雷达、卫星、自动站、高分辨数值预报等多源精细资料,综合应用模糊逻辑、配料法、频率订正、多模式集成和机器学习等先进方法,研发了初生对流、下击暴流、龙卷、大冰雹识别等监测算法,开发了基于隐空间条件生成模型的三维像素卷积循环网络模型、对抗生成网络(GAN)等深度学习技术的对流风暴和分类强对流天气短时临近预报方法,形成了一整套应用物理机理和人工智能相结合方法的强对流天气监测、短期预报和短时临近技术体系。

基于这些监测预报技术和信息技术,从强对流天气监测、分析、临近短时短期预报等方面构建了“强天气监测和分析综合业务平台”和新一代中央、省、市、县短临协同预报业务系统(SWAN3.0),应用于气象部门和民航等多个部门。这些系统平台能够快速处理多源和海量的气象数据,具有标准化、高效化、专业化、模块化和易学习、易推广、易维护的气象信息图形加工能力,实现了气象信息在网络(Web)和网络地理信息系统(WebGIS)中的应用。

提升业务预报预警能力

2005年,国家气象中心(中央气象台)开始尝试进行雷暴和强对流天气短期预报,但并没有进行天气分类预报。

目前,我们团队通过国际互联网和业务内网实时发布国家气象中心(中央气象台)的不同类别、不同时间段的强对流天气分类监测产品;每年4月—9月每日3次定时发布未来24小时分类强对流天气落区预报,1次发布未来48小时和72小时的强对流落区预报。2013年,中央气象台开始发布强对流天气预警,分为蓝、黄、橙3个等级,其中2015年4月28日首次发布黄色预警。从2015年起,中央气象台开始在气象部门内部发布未来0—6小时的短时临近预报产品。

得益于监测预报预警技术的发展和我们团队能力的不断提升,更多的强对流天气被监测和精准预报。2015年4月28日,江苏、上海等地发生了大范围的大冰雹、大风等强对流天气,中央气象台提前3天气发布预报、提前1天发布强对流黄色预警,这是中央气象台历史上首次发布强对流黄色预警。2022年“7·20”江苏大风龙卷风过程中,我们实现了提早3天提醒关注,并在当天早间全国天气会商中细致分析,多渠道提示政府、应急部门和民众,取得了非常好的防灾减灾效果。

强对流天气监测预报是国际难题和前沿研究课题,对它们的认识和预报技术发展还面临很多困难和挑战。我们将继续深入研究强对流天气的机理,努力攻关监测预报技术难题,把新技术转化为业务能力,力争尽早实现提前1小时预警局地强对流天气、提前1天预报逐小时强对流天气的气象高质量发展目标,为实现中国式现代化和中华民族伟大复兴保驾护航。

(作者为中国气象局强对流天气重点创新团队首席科学家)

 

 
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