雷暴与强对流临近天气预报技术进展

2022-06-09于文革

中国科技纵横 2022年10期

于文革

（丹东市气象台，辽宁丹东 118000）

临近预报处于一类先进的预报方法，在我国发展时间较短，多普勒天气雷达布网在不断实践中发展成熟，其应用获取较佳的成效，气象台工作内容较多，主要包含降水、雷暴等临近预报。为推动临近预报技术在我国的发展和提升，需对当下临近预报方法、手段进行分析，有助于对其进行创新和升级，获取较佳的发展成效。

1.我国临近天气预报技术现状

据相关研究分析，雷暴雨强对流临近天气预报分析过程中，为从本质层面掌握相关天气形成基本原理和预报相关技术，基于风暴体层面，充分利用雷达技术对其开展分析，主要因其自身应用成熟度较高。利用计算机软件对其气象模型建立，对雷暴雨强对流天气进行更深次分析。国外相关领域专家为达到雷暴雨强对流等气候下，获取精准性较高的预报目标，处于以往天气预报技术基础上，结合实际状况利用高新技术，研究与之相适应的算法，当下国外使用频次较高的算法为TREC算法和COTREC算法，后者对于国外使用频次较高，可获得优良的估测效果。我国使用COTREC算法应用获取一定成效，并不断对其进行完善和更新，积累丰富的应用经验，现下国际使用最新的临近天气预报技术为概念模型预报技术。该技术正式实施预报过程中，专业人员充分应用雷达完成大量气象数据的收集和汇总，基于气象是卫星获取相应的图形展开分析，依托计算机软件构建完善的气象模型，建立完善的NCAR系统，可显著提升整个气象预报的全面性和精准性，符合当下天气预报自身多元化需求。

2.雷暴的生成、发展和消散的临近预报

2.1 雷暴的生成

从广泛宏观层面分析雷暴现象，其特指深厚湿对流现象，狭义层面是指伴有雷电深厚湿对流，由于大气内深厚湿对流的的产生与静力不稳定等机制，伴随大气内部风向风速显著波动变化，以及云和降水的全生命周期，对大气内部深厚湿对流形成、结构等方面均产生相应的干扰。为检验整层大气对流的主趋，主要结合实际状况选取与之相适应的方法，严格分析相关对流参数，依照我国规定的相关指标参数进行判定，均是将大气静力稳定度和水汽条件充分融合。对流实际有效位能与实际抑制能量成反比，其位能持续性增加，与之相匹配的对流能量呈现下降趋势，结合实际状况客观、全面评估大气静力稳定度、水汽条件十分关键，分析探空资料作为常规性分析方法。并不综合性考量平流过程中，可及时将探空计算的对流有效位能简单计算和动态化优化，雷暴多产生于午后，可第一时间结合预报午后最高温度节点、露点，设定初期点二者指标均呈上升趋势，地面以上探空曲线处于固定，可获取动态化修正探空。

2.2 雷暴维持、发展和衰减

雷暴形成后其发展态势十分关键，判定其是否处于加强或维持状态，其与多方面因素密切相关，如垂直风切变相、雷暴出流边界等，与其实际发展成反向，超过边层界以上的风雷暴出流边界正式发展的方向应一致，则对流异地呈现为向上发展，有助于推动雷暴自身实际状态的维持和加强。反之雷暴上升气流会产生显著的倾斜，不利于其加强和维持。雷暴的加强与多个因素密切相关，应结合实际状况确定与其加强相关的因素，精准性判定其之间的关联性。

雷暴自身实际出流边界循序渐进远离雷暴时，不同程度中断雷暴暖湿气流的供应，雷暴进一步发生消散，雷暴正式入驻稳定区域内，缺少与之相适应的对流有效位能，其实际便消散。更为关键的是，结合实际状况判定该区域内属于稳定区。判定实际稳定区主要取决于探空曲线，还应结合是否存在积云状况，若始终以气象卫星高分辨率可见云图做好精细化分析，及时发现某区域内不存在相应的积云，估测其可能属于一类缺少水汽的区域，若天气为多云、阴天等状况无法通过此类方法进行精准性判定。此外，选取相应的方法为进一步明确前1h雷达估测1h积雨量较高区域内，则基于平流薄弱状况下，该区域内未来几个小时内可保持稳定。

2.3 高架雷暴

并非所有的雷暴发生为地面周围上升气块引发，其中便存在部分雷暴位于边界层以上触发，通常将其称之为高架雷暴，临近地面周围具有较为稳定的冷空气，更加速雷暴的生成。地面气块无法穿过稳定层获取相应的浮力，主要是将逆温层作为核心媒介获得浮力，从而生成雷暴。高架雷暴正式发生过程中，其基本处于900hPa～600hPa中尺度辐合切变线触发的，评定其实际产生的对流有效位是否正常状况下选用最不稳定的对流有效位能，充分依托扰动逆温层顶气块绝热上升而获得。一般处于正常状况下，高空观测时间周期处于1d～2d，难以确定。辐合切变线实际位置，高架雷暴实际预报临近预报难度较大，其处于我国较为常见，多出现于早春和深秋季节。雷暴正式生成多处于冷空气的一侧，常见灾害天气为冰雹，亦或为大风天气。此外，处于凌晨等时间段内也会不同程度发生此类高架雷暴，其主要源于高架，伴随其逐步恶化和发展可能产生阵风锋，促使新雷暴发展，转变为非高架的新雷暴，可进一步引发冰雹、龙卷等天气。

2.4 自动外推算法

为从本质层面精准性预报估测雷暴15min、30min和60min后相应的部位，自动的客观外推技术自身成效更佳，使用频次较高的客观外推方法为SCIT、TITAN、TREC，前两种属于单体追踪法，后者为区域追踪算法，其实际算法基本原理存在较大差异性，体现在以下几方面：

（1）SCIT。风暴单体识别和跟踪算法，作为新一代雷达开发的系列重要算法之一。首先，为保证其后续算法结果的精准性，应结合实际状况合理设定相应的顺序阀数值，以此为核心基础判定所有的三维雷暴单体，提供相应的三维雷暴质心坐标、积液态水量等，通过精准性辨识雷暴上实际预测部位，将其与同一雷暴具体位置做好比对，并对其做好精准性分析。其次，以雷暴过去质心部位精准性推算其质心处于不同时间段后具体部位，主要包含15min、30min、45min等。SCIT作为算法中最常规的方法，其属于应用较为成熟的算法，通过原有实际数据进行分析，上述风暴单体实际路径偏差控制于隔离范围内，我国当下天气雷达充分汲取国外先进的算法优势，其也成为当下临近预报方法之一。

（2）TITAN。雷暴辨识动态化跟踪分析、临近预报主要源于美国，其在后续不断实践中优化和升级，其获取较佳的应用成效。该临近预测方法基本应用原理为，通过使用一个直角坐标，以相关规范和要求，进一步确定实际对流单体自身强度、体积，当其满足设定要求便可判定其为雷暴的对流单体。此类方法适用于两部或多部雷达处于合理范围内处理，最终呈现为雷达3位数字化拼图，其自身辨识率较高，单体呈现的特征最为重要的是，包含与SCIT相类似的质心坐标外，还存在相应的体积和投影面积，充分利用一个椭圆将其进行投影所获得的面积，其自身大小便为雷暴区域内实际大小，其实际取向也作为该雷暴重要特征，应对其加以重视。

（3）TREC。结合实际状况最大限度应用跟踪雷达回波，其主要是以辨识技术图像为核心，动态化做好各方面追踪工作，其实际基本原理为选用交叉方法实时对雷达特定仰角进行扫描，从而构成完整的二维回波型。CTREC基于特定时间周期内，收集汇总相应的雷达数据资料，将其合理划分为若干个体积相当的区域，不同区域内包含是多个像素，其处于不同时刻区域内存在交叉因子，以此为核心基础确定整个回波实际移动矢量，对整个回波做好实时跟踪。REC技术另一个优点是可实现某登高面上反射率因子外推目标，主要以相关规范为基准，合理选用Z-R的关联性，可获取外推的反射率因子区域内所对应降水率场，结合实际状况持续性完成时间周期累积，进而获得特定时间段内未来30min、60min内雨量预测，从本质层面实现更为精准的预报[1]。

3.强对流天气的临近预警

3.1 强冰雹

强冰雹产生有利环境条件，不包含生成雷暴3个基本要素，其实际生成基本要求较高，不仅需具备较强，而且应保持时间较长的上升气流，建议具备较大的对流有效位能和较强的0km～6km深层垂直风切变。系统型考量冰雹一般融化是处于0℃层以下的融化，大气中℃层的高度不建议太高，积极关注整个微物理条件，尤其是冰雹实际增长层-10℃～-30℃涵盖足够的过冷却水滴。强冰雹天气雷达自身具备相应的回波特征，伴随回波中心强度、高度均显著增大，强冰雹发生的风险显著增加，初期估测的冰雹持有直径也可能增加。

3.2 雷暴大风

雷暴大风的临近估测十分重要，最大限度发挥多普雷天气雷达自身优势，将其实际回波基本特征为基准，处于较强雷暴下产生重要的机制为，周围较干的空气逐步被卷入，进一步导致整个雷暴发生下沉，促使短时间内引发相应的向下加速度，此类流程中中层干空气夹杂进入雷暴实际过程中处于径直速度图上呈现为中层径向辐合特征。正常状况下，处于中层垂直方向实际特征处于高度为2km～7km，其构成一个完善的垂直速度差值，一般应保证其超过25m/s，结合现下实际状况便可判定其具备较强的特征。基于有利雷暴大风实际环境下，超级单体中的中气旋可有效将环境内干空气夹卷进入雷暴下沉气流内，进一步加速雨滴蒸发降温形成向下加速度，地面内气旋周围气压下降，与其产生相应的气压梯度，雷暴内部下沉气流至地面后处于此气压梯度作用下风速显著增强，自身辐合特征较为显著。

3.3 龙卷

龙卷作为一类常见不良天气，其带来的危害较为严重，其内部中心最高风速可达140m/s，结合龙卷造成的危害，可将其划分为5个等级，其处于世界范围内均可发生。龙卷的临近预警主要以多普勒天气雷达探测到的中气旋，龙卷产生的概率为20%，正式探测气旋底部与地面间距离小于1km时，此类天气产生的概率为40%，中气旋底与地面距离约小，龙卷发生的概率显著增加，处于环境低层垂直风切变和相对湿度较大状况下，探测到强中气旋，或探测中等以上强度的中气旋，且底部距离地面通常不超过1km。

3.4 导致暴洪的对流性暴雨

暴洪作为强对流系统发生频次较高的灾害，其预报精准性十分关键。其自身预报的关键内容涵盖两大方面，明确每个子流域内部产生的暴洪超过实际降水阈值，阈值与整个流域实际地貌特征合前期降水存在紧密的关联型。正常状况下地形较为复杂的区域内较小流域实际暴洪阈值较低，假设前期产生降水该数值更低，估测每个子流域内降水超过当天暴洪阈值实际可能性。针对大陆强对流型降水估计而言，冰雹的存在仍是其雨强估计的关键误差来源，表1为当反射率因子分别为40dBz、45dBz和50dBz时对应得大陆强对流降水型和热带降水型的雨强。

表1 不同反射率因子对应的大陆强对流降水型和热带降水型的雨强（mm/h）

4.高分辨率数值预报模式的应用分析

数值预报模式处于临近实际预报工作中应用，主要体现在2个方面，不仅可提供全面、精准的近风暴环境参数、与雷达回波外推进行融合提供延长临近预报时效。具体而言包含以下内容：第一，提供短周期内更新的环境参数。处于该领域最具典型性的是美国研发的RUC，该系统主要选取先进的三维变分技术，不断以1h为基本单位周期做好循环更新工作，形成相应的分析场，以其为核心基础制作18h的预报。预报人员可积极选取相应的系统，提供相应的参数条件，选取实际观测资料成果对其做好精准性分析，并对18h预报做好严格检验，精细化评估系统计算的各类参数。第二，与雷达回波外推结合延长预报时效。多数雷暴雷达回波实际应用时效小于1h，为积极解决该问题，需及时将雷达回波外推和高分辨数值进行充分融合，形成完善的临近预报。