雷暴與強對流臨近天氣預報技術探討

聶占軍 王鵬 張增

摘 要：隨著社會經濟的持續發展及氣象科技的不斷進步，使氣象服務的需求大大增加，于是天氣預報技術也被賦予更加豐富的內涵。天氣預報已經不僅僅是對當天的氣象信息的獲取，同時要求獲得更多的氣候信息。提高氣象技術不僅是提高氣象預報準確性，同時也要求信息種類的豐富。本文對雷暴及強對流天氣進行了詳細介紹，探討雷暴與強對流臨近天氣預報技術進展及應用。

關鍵詞：雷暴；強對流；天氣預報；技術進展

一、雷暴與強對流天氣的概述

（一）所謂雷暴，從廣義上而言是指范圍較為深厚的云層對流現象。但準確而言是指伴有雷電現象產生的深厚云層強對流現象。其產生原因主要是由于云層在垂直方向上結構不夠穩定，易產生變化。除此之外，大氣中產生的水蒸氣和氣象抬升效應也會加劇雷暴產生的可能性。大氣層內風向、風速在垂直條件下的改變都會使得云層的穩定性發生變化，使得雷暴產生的幾率大大增加。

（二）所謂強對流天氣，主要是指直徑20 ～ 50mm 的冰雹、17 ～ 33mm/s 的雷暴大風天氣以及可能導致洪水等災難發生的暴雨等天氣。對于直徑差超過50mm 的冰雹、超過三級以上的龍卷、33mm/s 以上的大風稱為極端強對流天氣。不論是強對流天氣還是極端強對流天氣，都會對人們的正常生產生活造成影響。因此，必須采取一定的技術手段在這些天氣到來之前采取相應的預防措施。

二、雷暴與強對流臨近天氣預報技術進展

（一）跟蹤雷達回波（TREC）

跟蹤雷達回波（TREC）屬于圖像特征識別與追蹤技術，雷暴與強對流臨近天氣預報技術與TREC的融合成果主要表現在以下兩個方面。（1）以TREC為基礎推出CTREC技術，CTREC技術主要是TREC在直角坐標系中的應用。利用CTREC技術監測與臨近預報雷暴與強對流天氣，需要在某一等高面上的直角坐標系中插入雷達體掃資料，結合雷暴與強對流臨近天氣預報的實際需要，將反射率因子場分為若干個包含大量像素的“區域”，并將“區域”尺寸控制在適宜范圍內，避免因“區域”太小或太大而導致相關系數的產生量不足或回波移動向量的分辨率太粗。回波移動矢量的確定主要是通過從反射率因子的分布對上一時刻與下一時刻的“區域”做交叉相關，結合雷達體掃資料分析，準確找出做交叉相關的時刻與上一時刻中反射率因子分布形態相關系數最大的區域。雷暴云頂紅外輻射亮溫與地面降水率之間回歸關系的建立是與概率配對法為基礎，利用CTREC技術對風暴區域進行流型辨識追蹤，結合衛星云圖對降水進行反演，確定風暴云的移動向量并實施平滑與濾波。有機結合云頂亮溫與地面降水之間的回歸關系以及濾波后的風暴云移動向量進行衛星云圖上風暴區域的外推，對外推風暴區域的降水進行計算。（2）TREC在雷暴與強對流臨近天氣預報中的應用，在某一仰角掃描構成的二維圓錐面上進行回波的跟蹤，結合雷達資料整理出雷暴數據，進而在云圖上反映出雷暴與強對流天氣臨近的相關信息，最終達到雷暴與強對流臨近天氣預報的目的。對于TREC技術的應用，依靠方形區域的可調尺度方式的追蹤，在追蹤雷暴與強對流天氣時，允許整體雷達回波內部結構發生變化，也能夠外推某一等高面上的反射率因子，進而結合臨近天氣預報的實際需要，計算出外推反射率因子場對應的降水率場。一般情況下，TREC技術主要是作為臨近天氣預報系統的累積雨量預報與回波外推等部分。

（二）雷暴識別跟蹤分析與臨近預報技術（TITAN）

雷暴識別跟蹤分析與臨近預報（TITAN）是采用直接坐標的對流風暴外推系統，主要是在三維直角坐標系中插入單部或多部雷達的發射率因子，整合處理雷達數據，結合臨近天氣預報的實際需要，構建雷達三維數字化拼圖。利用TITAN識別單體雷暴的效率較高，對雷暴單體水平投影面積的擬合主要是應用一個橢圓，而在TITAN應用過程中，橢圓的長軸與水平軸的夾角是雷暴單體的重要特征，路徑與區域大小是雷暴單體臨近預報的主要內容，雷暴單體的區域大小用橢圓的面積大小表示。以TITAN為基礎演變出的雷暴臨近預報系統（TRT），對雷暴與強對流天氣的臨近預報具有積極作用。利用TRT進行雷暴與強對流臨近天氣預報，主要是在系統中輸入雷達與閃電定位資料，結合相關資料的整理分析，識別跟蹤并預報雷暴的位置與強度等，以實現對雷暴與強對流天氣的臨近預報[3]。

（三）基于云圖的雷暴臨近預報系統（Cb-TRAM）

基于云圖的雷暴臨近預報系統（Cb-TRAM）主要是利用衛星資料數據對雷暴路徑進行識別與追蹤和預報，在歐洲的使用較為廣泛。Cb-TRAM是依靠衛星云圖可見光與紅外特征而實現對雷暴的識別、追蹤與預報，但限制點是無法探測到雷暴內部，即利用Cb-TRAM系統判斷雷暴強度的能力較弱。Cb-TRAM系統采用衛星資料能夠同時解決與獲取輸入資料，結合臨近天氣預報的實際需要，識別與外推雷暴天氣。

（四）高分辨率數值預報模式應用系統

高分辨率數值預報模式最具代表性的應用系統是快速更新循環系統（RUC），而RUC系統更名為RR后主要是采用WRF（The Weather Research and Forecasting Model）模式。RUC系統能夠為雷暴與強對流臨近天氣預報提供逐時更新格點化的環境參數，結合臨近天氣預報的實際需要，提供的雷暴與強對流環境參數包括地面比濕與位溫、0～3 km溫度直減率、自由對流高度、對流有效位能與抑制能量等，為天氣預報相關工作人員了解高時空分辨率的近風暴環境提供有力依據。對于高分辨率數值預報模式，國內比較有代表性的臨近預報系統是更新周期為3 h的快速同化系統，而這一天氣預報系統是建立在WRF模式與三維變分技術的基礎上，主要是采用區域自動站資料與常規地面觀測資料和探空等相關資料。快速同化系統的水平分辨率為3 km，每次分析發出18 h預報，是雷暴與強對流臨近天氣預報的有力支撐。

在雷暴與強對流臨近天氣預報中，高分辨率數值預報模式的應用的關鍵有以下兩個方面。1）數值預報模式對降水系統包括對流性降水系統的預報水平。對于雷暴與強對流臨近天氣預報，對流性降水系統在鋒面氣旋與短波槽等天氣尺度強迫較強情況下的數值預報結果較為可靠；但對局部雷陣雨的預報能力極弱。2）數值預報融合雷達回波外推的具體方法[5]。利用適宜方法將高分辨率數值預報與雷達回波外推相結合，對提升臨近預報結果的可靠性有利。

三、結語

雷暴與強對流臨近天氣預報是氣象服務的關鍵，而臨近預報技術對雷暴與強對流臨近天氣預報結果的可靠性有著較大影響。綜合分析天氣預報技術的發展情況，加強TREC、TITAN等技術與高分辨率數值預報模式在雷暴與強對流臨近天氣預報中的應用，更新雷暴與強對流臨近天氣預報技術，延長雷暴與強對流臨近天氣預報的有用時效，從而提升天氣預報業務水平。

參考文獻：

[1]羅云凱，吳彤，李丹，等.雷暴與強對流臨近天氣預報技術探討[J].農村經濟與科技，2017，28（21）：243-244.