暴雨中尺度系統監測與分析平臺的設計與實現

尹新懷，陳紅專，歐小鋒，高 嵩，鐘艷雯

（1.湖南省信息中心，長沙 410118；2.湖南省懷化市氣象局，湖南 懷化 418000；3.國家氣象中心，北京 100081）

暴雨是各種物理條件相互作用形成的中尺度天氣系統影響的結果，其主要特征是生命史短、空間范圍小、天氣變化劇烈，常帶來巨大的經濟損失和人員傷亡［1-3］。因此，對暴雨中尺度系統的研究一直是氣象工作關注的重點。其中，研發能綜合處理多種氣象資料的應用系統是暴雨中尺度系統研究的一個方向，如國家氣象中心為滿足強天氣監測和潛勢預報業務的需求，開發了強天氣監測和潛勢預報系統（NMICAPS短時預報版）［4］；中國氣象科學研究院開發了中尺度災害天氣分析與預報系統綜合顯示平臺［5］；中國氣象局武漢暴雨研究所針對長江中游強風暴天氣特點和現代預報業務需求，研究建成了長江中游臨近預報業務系統（MYNOS）［6］。

湖南省因其氣候特征、地形地貌特征復雜，成為中國暴雨災害發生最為頻繁的省份之一，暴雨及其次生災害對農業生產有巨大影響。因此，長期以來，監測、分析和預報暴雨中尺度天氣系統是湖南省氣象部門的重要任務。目前，湖南省共建立起97個常規地面觀測站和3個常規高空觀測站，3 430個區域氣象觀測站，并有9部多普勒雷達投入業務化運行，已建成高空間分辨率地面氣象監測網。區域氣象觀測站、多普勒雷達資料和衛星資料在湖南省暴雨監測預警中發揮了重大作用。但這些資料通常各自為政，沒有一個統一的融合平臺，難以充分發揮在中尺度天氣系統識別和暴雨天氣監測與預警預報方面的作用。因此發展能融合多種觀測資料于一體的中尺度氣象分析系統，充分發揮衛星、雷達、區域自動氣象站、常規地面高空觀測站資料在中尺度分析中的作用，是提高中尺度災害性天氣監測與預報能力的必要途徑。為了滿足此類需求，開發了暴雨中尺度系統監測與分析平臺（簡稱分析平臺）。

1 系統組成

分析平臺采用客戶端/服務器（Client/Server，簡稱C/S）體系結構，以滿足對暴雨中尺度系統的監測、分析以及個例總結和研究的需要。

服務器端主要提供系統平臺用于監測、分析和顯示的各類數據，分析平臺并未建立專門的后臺數據庫服務器，而是充分利用了目前中國氣象現代化建設成果，包括目前業務運行的Micaps（氣象信息綜合分析處理系統）服務器、SWAN服務器、湖南省區域自動氣象站數據庫和多普勒天氣雷達產品數據。目前湖南省的中小尺度區域自動氣象站資料是以SQL數據庫記錄的方式存放在數據庫服務器中，為了數據訪問的方便和統一，先在后臺將數據庫資料統一處理成Micaps格式的數據，存入Micaps服務器中，供統一訪問（圖1）。

客戶端基于GIS技術，采用VC++多文檔技術開發，充分利用GIS技術在數據管理和查詢、地理空間數據分析處理、可視化表達以及能提供空間和動態的地理信息等方面的技術優勢，將GIS空間分析能力與氣象信息處理技術相結合，提供了氣象信息的快速瀏覽、分析、實時監測、預報產品生成和制作等多項功能，實現了對暴雨中尺度系統實時、快速和靈活方便的分析和顯示。

客戶端能基于區域自動氣象站資料監測中尺度雨團的變化，基于單多普勒雷達資料、SWAN雷達拼圖資料和衛星TBB資料監測暴雨中尺度系統的發生發展。能基于EC數據計算并顯示濕Q矢量、濕Q矢量散度、濕Q矢鋒生函數、濕位渦（MPV1和MPV2）等物理量，為暴雨中尺度系統的分析和研究提供依據。

圖1 系統組成

2 區域自動氣象站資料處理

目前湖南省已建立了3 430個中小尺度區域自動氣象站，這些自動氣象站每天能提供豐富的氣象資料，這些資料以數據庫的方式保存在服務器中，為了方便資料的調取，需要將資料處理成Micaps格式的數據，根據區域自動氣象站數據的特點，可轉換成3種Micaps格式的數據，第一種是Micaps第3類數據格式（離散點通用填圖格式），第二種是Micaps第4類數據格式（格點數據格式），第三種是Micaps第11類數據格式（格點矢量數據格式，用于風場）。

氣象資料的誤差會影響客觀分析的質量，因此在客觀分析前必須對自動氣象站數據進行質量控制。區域自動站數據的誤差可分為2類，第一類是由于臺站海撥高度差異而造成的誤差。湖南省是多山省份，地形、地貌的總體特點是東、南、西三面環繞高聳的山地，中間為低緩起伏的丘崗，北部為低平的平原湖泊，形似一個向北開口的馬蹄形盆地。由于這個特點，自動站點的海拔高度差別非常大，對氣象要素的影響很明顯，特別是衡山站、雪峰山無人站等海拔較高的站點，其氣壓、溫度都要比周邊的站點偏低較多。在這種情況下，氣象要素本身的值是正確的，但在進行客觀分析時會出現一個明顯的低值中心或高值中心，不能正確反映要素的真實水平分布情況。第二類誤差是由于儀器的故障或通訊設備的故障而造成的數據錯誤。這種情況會使所測的要素值明顯偏高或偏低，出現要素的不連續分布，會造成客觀分析的嚴重失真，也不能正確地反映氣象要素的真實水平分布情況。因此為了確保資料的合理性，必須對區域自動氣象站資料進行質量控制。在研究中，對區域自動站資料進行了3項質量控制，即極值檢查、要素一致性檢查和水平一致性檢查。

客觀分析采用的是Cressman逐步訂正方法［7］，這種方法原理簡單，計算量小而計算速度快，適應性好，并能較好地逼近實際觀測場，是目前國內外應用較多的一種方法，如美國NCAR的MM5模式預報系統和美國NOAAFSL的LAPS預報系統的中尺度客觀分析方案也都采用了這類方法［8，9］，初值場采用資料的平均值。

3 平臺功能

暴雨中尺度監測與分析平臺提供了用戶操作和應用的主界面，其功能設計直接關系到系統的可用性。在充分考慮了專業人員的使用習慣和盡量減化操作、方便使用的原則下，采用Microsoft Visual C++6.0語言（簡稱VC.60）開發，基于MFC多文檔應用程序框架設計了系統的綜合分析顯示功能，其操作界面如圖2所示。

3.1 地理信息系統（GIS）技術

GIS很適合做氣象數據的分析，基于GIS能從面上快速和直觀地展示氣象要素的分布情況，許多氣象軟件均基于開源或商業GIS系統進行二次開發來做氣象數據分析軟件［10，11］。分析平臺并沒有采用開源或商業GIS系統，而是從底層實現了一個小型地圖引擎，其具有小型地圖引擎應有的一般GIS基本功能，即地圖縮放、圖層管理、投影變換，實現了在精細地理信息底圖的基礎上疊加顯示暴雨中尺度系統的分析與預報結果。

為了加快系統地理信息處理與顯示效率，分析平臺定義了一個二進制地理數據文件格式來保存基本地理數據，這個地理數據文件包含了常用的大陸輪廓、國界、省界、縣界、主要湖泊、長江黃河、主要河流、湖南省界、湖南市界、湖南縣界、主要公路、主要鐵路12類地理信息，系統啟動時讀入這個地理數據［12］。系統按圖層管理的方式，通過屬性窗可以設置這些地理信息的顯示與隱藏，也可以設置線條寬度、顏色等屬性。鼠標在底圖上移動，狀態欄可顯示鼠標經過點的經、緯度。

地圖投影方面，系統提供7種常用的地圖投影，分別是蘭勃托投影、麥卡托投影、北半球極射投影、南半球極射投影、等經緯度投影、阿爾伯斯投影和雷達極坐標投影，并可在這7種投影間任意切換。

3.2 圖層管理

分析平臺開發的一個主要目的是將目前業務運行的多個平臺融合到一個系統下，要求支持各個平臺的多種數據格式，為此，采用圖層管理的方式，分析平臺將調入的每種數據格式當作一個圖層，可任意疊加顯示。分析平臺目前支持Micaps第4類格點數據、第11類格點矢量（風場）數據、SWAN雷達拼圖數據、多普勒雷達PUP產品數據和湖南省區域自動氣象站逐時資料。格點數據支持等值線、色斑圖，可以限定等值線分析起始值；格點矢量數據可以以流線、風矢和風羽的形式顯示，可以分析計算風場的渦度、散度和全風速。多種資料和顯示形式為開展中尺度系統結構的細致分析提供了技術手段。

為了方便各種資料的快速檢索和顯示，分析平臺提供了自定義菜單，通過在自定義菜單中設置各類資料的檢索路徑信息，達到快速調用和顯示數據。

3.3 中尺度分析功能

在研究中尺度強對流性天氣時，首先遇到的問題是，如何從觀測的、包含各種時空尺度波動的氣象場中將中尺度系統分離出來（中尺度濾波）。中尺度濾波的方法有很多，如多重濾波法、消除趨勢法、Barnes濾波法、25點平滑算子的尺度分離法等。本系統采用的中尺度濾波方法是25點平滑算子的尺度分離法，首先濾掉2～5倍格距波得到低通濾波場（大尺度場），然后由原場減去低通濾波場得到高通濾波場（中尺度場）。計算公式為［13］：

式中，f0是濾波后的中尺度場，fi（i的范圍是0～24）是濾波前的原始格點場；s1、s2是濾波系數，s1=1/2，s2=1/2。

分析平臺目前對風矢量場進行高通（帶通）濾波，得到中尺度風場，而對除風場以外的其他格點場低通濾波和高通濾波均可以進行，高通濾波用來顯示物理量的大尺度場，帶通濾波則可以分析中小尺度系統。

圖3a為2019年6月21日20時EC預報的22日08時850 hPa高度場及其低通濾波、高通濾波以及22日08時850 hPa流場。從圖3a可以發現，6月22日08時850 hPa在湘西北到貴州有一個西南渦存在，此西南渦既包含有大尺度信息，又包含有中尺度信息。其低通濾波場是一個橢圓形的西南渦，而高通濾波則是一個位于湘西北的中尺度低壓中心，同時刻的流場上，在湘西與貴州交界處有一個中尺度輻合中心，6月22日08時后的12 h降水量主要分布在這個中尺度輻合中心的東南部（圖3b），局部降水量超過100 mm。

圖3 850 hPa高度場及其低通、高通濾波場和實況

3.4 中尺度天氣系統識別

分析平臺可進行切變線和干線的自動識別。切變線的識別通過風分解來確定，具體為將風矢量分解為東西分量和南北分量，相鄰4個格點可視為1個矩形，連接矩形4個邊，切變點位于邊上，在矩形的緯向邊上，若西東2個相鄰格點分別為偏南風和偏北風，或分別為偏西風（北風）和東南風（西南風），則可判斷有切變點位于邊上。同理，在矩形的經向邊上，若南北2個格點上分別為偏南風和偏北風，或分別為東南風（西南風）和偏西風（北風），也可判斷有切變點位于邊上。考察同經向或緯向相鄰切變點連接距離最近的點，如果距離相同，東北—西南走向優先；2個切變點，直接連接；存在3個切變點，取距離最近連接切變點成線段，并經樣條平滑和抹角平滑，得到切變線。

干線的識別是通過三角網來實現的。通過對離散站點的Delaunay三角剖分建立Delaunay三角網，由于Delaunay三角網的惟一性，使得Delaunay三角網的每個三角形、每條邊也惟一存在。具體方法是根據一定范圍（100-125°E，20-36°N）內有資料的站點（離散點）建立Delaunay三角網（圖4），計算每條邊上的露點溫度梯度，結合干線的定義，規定850 hPa露點溫度梯度大于2.5℃/100 km（或其他閥值，有待業務化后自行設定）的邊有干線通過，去除奇異點后，就得到了干線。其他層次干線標準定義與此類似，該方法與手工分析干線的過程接近。干線識別中遇到的奇異點主要是孤立點。

兩點（A，B）間露點溫度梯度的計算方法如下。

式中，DAB是A、B兩點間的球面距離。

干線通過邊（設為AB）位置的計算方法定義為：在AB邊上找到一個點，使得該點與最大露點溫度處的溫度露點梯度達到指定的閾值。

圖4 Delaunay三角網及干線追蹤

此外，分析平臺還能交互分析槽線、冷鋒、暖鋒、靜止鋒、切變線、輻合線、干線和急流等系統。

3.5 定量降水預報

分析平臺可以基于各模式及自動站降水資料進行6 h定量降水訂正預報，方法是用模式預報的過去6 h累積降水量與實況的偏差去訂正未來6 h的預報量。假設模擬預報的過去6 h累積降水量為R1，模式預報的未來6 h累積降水量為R2，過去6 h的實況降水量為R0，則它們的關系如下。

式中，（R0-R1）是模式預報的過去6 h降雨與實況的偏差量，假設模式預報的未來6 h降雨也會有這個偏差，將這個偏差量加到模式預報的未來6 h累積降水量R2上，即得到訂正后的未來6 h降雨量預報值R3。

4 應用實例

4.1 一次強對流天氣過程的雷達拼圖和地面溫壓場

2013年3月19日晚，湖南省中南部出現入春以來最強一次對流性天氣過程，部分地區伴有雷暴大風、冰雹、短時暴雨等強對流天氣，具有突發性強、影響大、災害損失嚴重等特點。全省共計12個縣（市）出現冰雹，冰雹最大直徑達50 mm（湘西南靖州），16個縣（市）出現雷暴大風（湘東南道縣瞬時最大風速達30.7 m/s）。短時強降水主要出現在3月19日19時至20日06時（北京時，下同），共計102個鄉鎮降暴雨，其中綏寧縣寨市站日降水量最大達90.6 mm。

分析3月20日03時雷達拼圖發現（圖5），湘東南有一條東北—西南向強回波帶（颮線），強度在50 dBz以上，在其前方有范圍較小的弱回波帶，后方有寬廣的層云回波，其中有一片強度超過45 dBz的次強回波區，在次強回波區和對流強回波區之間為弱回波過渡帶。應用自動氣象站資料分析地面溫壓場發現，在颮線強回波南側有一條西北氣流和東南氣流之間的輻合線（出流邊界），輻合線附近偏北風13 m/s，偏南風2 m/s。颮線后側有一個雷暴高壓，中心氣壓達1 012 hPa，雷暴高壓與一個16℃的冷中心對應，冷高壓的形成與積云下沉氣流有關。颮線前部的颮前低壓中心氣壓僅為1 006 hPa，并與24℃的暖中心對應。颮前低壓與雷暴高壓之間有較大氣壓梯度，0.5個緯距內氣壓梯度達6 hPa。在雷暴高壓后還有一個尾流低壓，位于颮線后方寬廣的層云回波區。

圖5 2013年3月20日03時地面實況和雷達拼圖疊加

4.2 一次局地特大暴雨的中尺度濾波分析

2014年6月19日，受高空低槽和低層切變線影響，湖南省西部出現一次局地特大暴雨天氣過程，分析歐洲中心細網格資料6月19日08時925 hPa的風場發現，此時貴州東部到湘中一線為一條偏南氣流與東南氣流之間的暖式切變線（圖6a），經過中尺度濾波以后，在湘西有一個中尺度低渦，沿低渦往西南方向有一條切變線，低渦切變線附近風場輻合明顯（圖6b）。19日08時后的3 h累積降水量位于中尺度低渦東側，最大3 h降水量82.8 mm（圖6c）。

圖6 2014年6月19日08時歐洲中心細網格資料

4.3 2011年湘東北特大暴雨6 h定量降水預報

2011年6月9日20時至10日20時，湘東北岳陽市出現局地特大暴雨，這次過程強降雨時段集中，局地降水強度大，致災性強，過程期間的最強1 h降雨量達105.4 mm，6 h降雨量最強達270.2 mm，短歷時強降雨引發山洪和泥石流等地質災害，造成了岳陽市重大人員傷亡事故。下面應用EC細網格資料對這次過程進行6 h定量降水預報訂正。

6月9日20時至10日02時實況6 h降雨主要位于湘西北和湘東北（圖7a），其中湘西北的暴雨（6 h降雨≥25 mm）區范圍較大，但有大暴雨（6 h降雨≥60 mm）出現，而湘東北更是出現特大暴雨（6 h降雨≥120 mm）。EC細網格的預報明顯偏小，湘西北以大雨為主，局部預報了暴雨，但漏報了湘東北的特大暴雨（圖7b）。經過訂正后，湘西北的預報有所改善，預報了暴雨和大暴雨區，但范圍偏小，對湘東北的特大暴雨仍然漏報（圖7c）。

6月10日02時至08時6 h降雨主要位于2個區域，一個是湘東北的特大暴雨，另一個是湘中偏北的大暴雨區（圖7d）。EC的預報比實況偏北，湘東北預報了大雨，而湘中的大暴雨預報也偏小，且位置偏西（圖7e）。經過訂正后，預報結果明顯改善，準確預報了湘東北的特大暴雨，而對湘中的暴雨預報也明顯改進，位置略偏北（圖7f）。

圖7 9日20時至10日02時6 h降雨以及10日02時至08時6 h降雨

5 結論

暴雨中尺度系統監測與分析平臺是專為中尺度天氣系統的監測、分析與預報開發的應用平臺。分析平臺融合了多個業務平臺的數據，可以方便進行自動站雨量、衛星云圖TBB、多普勒雷達資料和SWAN拼圖數據的疊加分析，監測暴雨中尺度雨團的變化和中尺度系統的發生發展；診斷分析和技術總結提供了中尺度系統濾波分析、暴雨中尺度系統的自動識別和交互識別；同時可以基于多種模式降水資料及區域自動站降水資料進行6 h定量降水預報訂正。該平臺具有很強的中尺度監測、分析和綜合顯示能力，彌補了傳統氣象觀測網和分析系統難以捕獲和分析中尺度系統結構的不足，為科研分析、短時臨近預報和暴雨預警服務提供科學依據及分析手段，為防災減災、生產生活提供了強有力的技術支撐。