雷暴與強對流臨近天氣預報技術進展

2022-06-09 10:12:46于文革

中國科技縱橫 2022年10期

于文革

（丹東市氣象臺，遼寧丹東 118000）

臨近預報處于一類先進的預報方法，在我國發展時間較短，多普勒天氣雷達布網在不斷實踐中發展成熟，其應用獲取較佳的成效，氣象臺工作內容較多，主要包含降水、雷暴等臨近預報。為推動臨近預報技術在我國的發展和提升，需對當下臨近預報方法、手段進行分析，有助于對其進行創新和升級，獲取較佳的發展成效。

1.我國臨近天氣預報技術現狀

據相關研究分析，雷暴雨強對流臨近天氣預報分析過程中，為從本質層面掌握相關天氣形成基本原理和預報相關技術，基于風暴體層面，充分利用雷達技術對其開展分析，主要因其自身應用成熟度較高。利用計算機軟件對其氣象模型建立，對雷暴雨強對流天氣進行更深次分析。國外相關領域專家為達到雷暴雨強對流等氣候下，獲取精準性較高的預報目標，處于以往天氣預報技術基礎上，結合實際狀況利用高新技術，研究與之相適應的算法，當下國外使用頻次較高的算法為TREC算法和COTREC算法，后者對于國外使用頻次較高，可獲得優良的估測效果。我國使用COTREC算法應用獲取一定成效，并不斷對其進行完善和更新，積累豐富的應用經驗，現下國際使用最新的臨近天氣預報技術為概念模型預報技術。該技術正式實施預報過程中，專業人員充分應用雷達完成大量氣象數據的收集和匯總，基于氣象是衛星獲取相應的圖形展開分析，依托計算機軟件構建完善的氣象模型，建立完善的NCAR系統，可顯著提升整個氣象預報的全面性和精準性，符合當下天氣預報自身多元化需求。

2.雷暴的生成、發展和消散的臨近預報

2.1 雷暴的生成

從廣泛宏觀層面分析雷暴現象，其特指深厚濕對流現象，狹義層面是指伴有雷電深厚濕對流，由于大氣內深厚濕對流的的產生與靜力不穩定等機制，伴隨大氣內部風向風速顯著波動變化，以及云和降水的全生命周期，對大氣內部深厚濕對流形成、結構等方面均產生相應的干擾。為檢驗整層大氣對流的主趨，主要結合實際狀況選取與之相適應的方法，嚴格分析相關對流參數，依照我國規定的相關指標參數進行判定，均是將大氣靜力穩定度和水汽條件充分融合。對流實際有效位能與實際抑制能量成反比，其位能持續性增加，與之相匹配的對流能量呈現下降趨勢，結合實際狀況客觀、全面評估大氣靜力穩定度、水汽條件十分關鍵，分析探空資料作為常規性分析方法。并不綜合性考量平流過程中，可及時將探空計算的對流有效位能簡單計算和動態化優化，雷暴多產生于午后，可第一時間結合預報午后最高溫度節點、露點，設定初期點二者指標均呈上升趨勢，地面以上探空曲線處于固定，可獲取動態化修正探空。

2.2 雷暴維持、發展和衰減

雷暴形成后其發展態勢十分關鍵，判定其是否處于加強或維持狀態，其與多方面因素密切相關，如垂直風切變相、雷暴出流邊界等，與其實際發展成反向，超過邊層界以上的風雷暴出流邊界正式發展的方向應一致，則對流異地呈現為向上發展，有助于推動雷暴自身實際狀態的維持和加強。反之雷暴上升氣流會產生顯著的傾斜，不利于其加強和維持。雷暴的加強與多個因素密切相關，應結合實際狀況確定與其加強相關的因素，精準性判定其之間的關聯性。

雷暴自身實際出流邊界循序漸進遠離雷暴時，不同程度中斷雷暴暖濕氣流的供應，雷暴進一步發生消散，雷暴正式入駐穩定區域內，缺少與之相適應的對流有效位能，其實際便消散。更為關鍵的是，結合實際狀況判定該區域內屬于穩定區。判定實際穩定區主要取決于探空曲線，還應結合是否存在積云狀況，若始終以氣象衛星高分辨率可見云圖做好精細化分析，及時發現某區域內不存在相應的積云，估測其可能屬于一類缺少水汽的區域，若天氣為多云、陰天等狀況無法通過此類方法進行精準性判定。此外，選取相應的方法為進一步明確前1h雷達估測1h積雨量較高區域內，則基于平流薄弱狀況下，該區域內未來幾個小時內可保持穩定。

2.3 高架雷暴

并非所有的雷暴發生為地面周圍上升氣塊引發，其中便存在部分雷暴位于邊界層以上觸發，通常將其稱之為高架雷暴，臨近地面周圍具有較為穩定的冷空氣，更加速雷暴的生成。地面氣塊無法穿過穩定層獲取相應的浮力，主要是將逆溫層作為核心媒介獲得浮力，從而生成雷暴。高架雷暴正式發生過程中，其基本處于900hPa～600hPa中尺度輻合切變線觸發的，評定其實際產生的對流有效位是否正常狀況下選用最不穩定的對流有效位能，充分依托擾動逆溫層頂氣塊絕熱上升而獲得。一般處于正常狀況下，高空觀測時間周期處于1d～2d，難以確定。輻合切變線實際位置，高架雷暴實際預報臨近預報難度較大，其處于我國較為常見，多出現于早春和深秋季節。雷暴正式生成多處于冷空氣的一側，常見災害天氣為冰雹，亦或為大風天氣。此外，處于凌晨等時間段內也會不同程度發生此類高架雷暴，其主要源于高架，伴隨其逐步惡化和發展可能產生陣風鋒，促使新雷暴發展，轉變為非高架的新雷暴，可進一步引發冰雹、龍卷等天氣。

2.4 自動外推算法

為從本質層面精準性預報估測雷暴15min、30min和60min后相應的部位，自動的客觀外推技術自身成效更佳，使用頻次較高的客觀外推方法為SCIT、TITAN、TREC，前兩種屬于單體追蹤法，后者為區域追蹤算法，其實際算法基本原理存在較大差異性，體現在以下幾方面：

（1）SCIT。風暴單體識別和跟蹤算法，作為新一代雷達開發的系列重要算法之一。首先，為保證其后續算法結果的精準性，應結合實際狀況合理設定相應的順序閥數值，以此為核心基礎判定所有的三維雷暴單體，提供相應的三維雷暴質心坐標、積液態水量等，通過精準性辨識雷暴上實際預測部位，將其與同一雷暴具體位置做好比對，并對其做好精準性分析。其次，以雷暴過去質心部位精準性推算其質心處于不同時間段后具體部位，主要包含15min、30min、45min等。SCIT作為算法中最常規的方法，其屬于應用較為成熟的算法，通過原有實際數據進行分析，上述風暴單體實際路徑偏差控制于隔離范圍內，我國當下天氣雷達充分汲取國外先進的算法優勢，其也成為當下臨近預報方法之一。

（2）TITAN。雷暴辨識動態化跟蹤分析、臨近預報主要源于美國，其在后續不斷實踐中優化和升級，其獲取較佳的應用成效。該臨近預測方法基本應用原理為，通過使用一個直角坐標，以相關規范和要求，進一步確定實際對流單體自身強度、體積，當其滿足設定要求便可判定其為雷暴的對流單體。此類方法適用于兩部或多部雷達處于合理范圍內處理，最終呈現為雷達3位數字化拼圖，其自身辨識率較高，單體呈現的特征最為重要的是，包含與SCIT相類似的質心坐標外，還存在相應的體積和投影面積，充分利用一個橢圓將其進行投影所獲得的面積，其自身大小便為雷暴區域內實際大小，其實際取向也作為該雷暴重要特征，應對其加以重視。

（3）TREC。結合實際狀況最大限度應用跟蹤雷達回波，其主要是以辨識技術圖像為核心，動態化做好各方面追蹤工作，其實際基本原理為選用交叉方法實時對雷達特定仰角進行掃描，從而構成完整的二維回波型。CTREC基于特定時間周期內，收集匯總相應的雷達數據資料，將其合理劃分為若干個體積相當的區域，不同區域內包含是多個像素，其處于不同時刻區域內存在交叉因子，以此為核心基礎確定整個回波實際移動矢量，對整個回波做好實時跟蹤。REC技術另一個優點是可實現某登高面上反射率因子外推目標，主要以相關規范為基準，合理選用Z-R的關聯性，可獲取外推的反射率因子區域內所對應降水率場，結合實際狀況持續性完成時間周期累積，進而獲得特定時間段內未來30min、60min內雨量預測，從本質層面實現更為精準的預報[1]。

3.強對流天氣的臨近預警

3.1 強冰雹

強冰雹產生有利環境條件，不包含生成雷暴3個基本要素，其實際生成基本要求較高，不僅需具備較強，而且應保持時間較長的上升氣流，建議具備較大的對流有效位能和較強的0km～6km深層垂直風切變。系統型考量冰雹一般融化是處于0℃層以下的融化，大氣中℃層的高度不建議太高，積極關注整個微物理條件，尤其是冰雹實際增長層-10℃～-30℃涵蓋足夠的過冷卻水滴。強冰雹天氣雷達自身具備相應的回波特征，伴隨回波中心強度、高度均顯著增大，強冰雹發生的風險顯著增加，初期估測的冰雹持有直徑也可能增加。

3.2 雷暴大風

雷暴大風的臨近估測十分重要，最大限度發揮多普雷天氣雷達自身優勢，將其實際回波基本特征為基準，處于較強雷暴下產生重要的機制為，周圍較干的空氣逐步被卷入，進一步導致整個雷暴發生下沉，促使短時間內引發相應的向下加速度，此類流程中中層干空氣夾雜進入雷暴實際過程中處于徑直速度圖上呈現為中層徑向輻合特征。正常狀況下，處于中層垂直方向實際特征處于高度為2km～7km，其構成一個完善的垂直速度差值，一般應保證其超過25m/s，結合現下實際狀況便可判定其具備較強的特征?；谟欣妆┐箫L實際環境下，超級單體中的中氣旋可有效將環境內干空氣夾卷進入雷暴下沉氣流內，進一步加速雨滴蒸發降溫形成向下加速度，地面內氣旋周圍氣壓下降，與其產生相應的氣壓梯度，雷暴內部下沉氣流至地面后處于此氣壓梯度作用下風速顯著增強，自身輻合特征較為顯著。

3.3 龍卷

龍卷作為一類常見不良天氣，其帶來的危害較為嚴重，其內部中心最高風速可達140m/s，結合龍卷造成的危害，可將其劃分為5個等級，其處于世界范圍內均可發生。龍卷的臨近預警主要以多普勒天氣雷達探測到的中氣旋，龍卷產生的概率為20%，正式探測氣旋底部與地面間距離小于1km時，此類天氣產生的概率為40%，中氣旋底與地面距離約小，龍卷發生的概率顯著增加，處于環境低層垂直風切變和相對濕度較大狀況下，探測到強中氣旋，或探測中等以上強度的中氣旋，且底部距離地面通常不超過1km。

3.4 導致暴洪的對流性暴雨

暴洪作為強對流系統發生頻次較高的災害，其預報精準性十分關鍵。其自身預報的關鍵內容涵蓋兩大方面，明確每個子流域內部產生的暴洪超過實際降水閾值，閾值與整個流域實際地貌特征合前期降水存在緊密的關聯型。正常狀況下地形較為復雜的區域內較小流域實際暴洪閾值較低，假設前期產生降水該數值更低，估測每個子流域內降水超過當天暴洪閾值實際可能性。針對大陸強對流型降水估計而言，冰雹的存在仍是其雨強估計的關鍵誤差來源，表1為當反射率因子分別為40dBz、45dBz和50dBz時對應得大陸強對流降水型和熱帶降水型的雨強。

表1 不同反射率因子對應的大陸強對流降水型和熱帶降水型的雨強（mm/h）

4.高分辨率數值預報模式的應用分析

數值預報模式處于臨近實際預報工作中應用，主要體現在2個方面，不僅可提供全面、精準的近風暴環境參數、與雷達回波外推進行融合提供延長臨近預報時效。具體而言包含以下內容：第一，提供短周期內更新的環境參數。處于該領域最具典型性的是美國研發的RUC，該系統主要選取先進的三維變分技術，不斷以1h為基本單位周期做好循環更新工作，形成相應的分析場，以其為核心基礎制作18h的預報。預報人員可積極選取相應的系統，提供相應的參數條件，選取實際觀測資料成果對其做好精準性分析，并對18h預報做好嚴格檢驗，精細化評估系統計算的各類參數。第二，與雷達回波外推結合延長預報時效。多數雷暴雷達回波實際應用時效小于1h，為積極解決該問題，需及時將雷達回波外推和高分辨數值進行充分融合，形成完善的臨近預報。