數(shù)值預(yù)報(bào)在航空氣象中的應(yīng)用.ppt

,數(shù)值預(yù)報(bào)在航空氣象預(yù)報(bào)中的應(yīng)用,一、WAFS的應(yīng)用,提 要,WAFS系統(tǒng)及其模式簡(jiǎn)介 WAFS的GRIB數(shù)據(jù)介紹 WAFS數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的應(yīng)用,WAFS定義,WAFS（英文全稱(chēng)：World Area Forecast System）是國(guó)際民航組織和世界氣象組織專(zhuān)為航空氣象設(shè)計(jì)的一套航空氣象服務(wù)系統(tǒng)，1982年建立。 目的：為航空氣象用戶(hù)提供圖象和數(shù)字格式的氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品。,世界區(qū)域預(yù)報(bào)中心-WAFC,WAFS有兩個(gè)中心，即倫敦世界區(qū)域預(yù)報(bào)中心（英國(guó)國(guó)家氣象局）和華盛頓世界預(yù)報(bào)中心（國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心 NCEP）。 負(fù)責(zé)模式的運(yùn)行與航空氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品的制作,WAFS衛(wèi)星廣播系統(tǒng)組成,WAFS的產(chǎn)品通過(guò)三個(gè)衛(wèi)星組成的衛(wèi)星廣播系統(tǒng)向外廣播,民航的WAFS接收系統(tǒng),兩顆衛(wèi)星屬于華盛頓區(qū)域預(yù)報(bào)中心，覆蓋了太平洋區(qū)域（ POR）和大西洋區(qū)域（AOR)，叫ISCS（International Satellite Communication system）；另一個(gè)衛(wèi)星屬于倫敦區(qū)域預(yù)報(bào)中心，覆蓋了印度洋區(qū)域（IOR），叫SADIS（Satellite distribution system）。 目前中國(guó)民航有4套WAFS接收系統(tǒng),其中兩套SADIS，北京和廣州各一套；兩套ISCS，北京和上海各一套。 1996年此系統(tǒng)安裝調(diào)試，1997年在北京民航氣象中心開(kāi)始業(yè)務(wù)運(yùn)行。 SADIS和ISCS的所有數(shù)據(jù)已入民航氣象數(shù)據(jù)庫(kù)。,美國(guó)WAFC模式的簡(jiǎn)介,The NWS Global Aviation Model,水平坐標(biāo)： 254譜截?cái)?，高斯格點(diǎn)是768384，相當(dāng)于經(jīng)緯度格點(diǎn)的0.50.5； 垂直區(qū)域：垂直區(qū)域從地面（sigma=1）到大氣頂層（sigma=0），從地面到頂層一共64層，地面和頂層附近增加其分辨率。最低層的大氣壓約為997.3hpa，最頂層為0.27hpa； 垂直坐標(biāo)：sigma坐標(biāo)，Lorenz格點(diǎn)，Arakawa and Mintz (1974)二次守恒差分方案。 垂直分辨率：64層不等距的sigma層，地面氣壓1000hpa，低于800hpa以下是15層，100hpa以上是24層。 計(jì)算機(jī)的運(yùn)行：T254模式24小時(shí)預(yù)報(bào)需要12分鐘。,Improvements in Data Assimilation Systems Increased use of automated aircraft reports,英國(guó)模式的介紹,Unified Model,全球大氣模式一天運(yùn)行4次（以00Z、06Z、12Z、18Z為初始場(chǎng)），00Z的資料模式在0150Z開(kāi)始運(yùn)行，模式最長(zhǎng)預(yù)報(bào)有效時(shí)間168小時(shí)（6天），48小時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果機(jī)器運(yùn)行需18分鐘，144小時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果機(jī)器運(yùn)行需50分鐘。 唯一的全球格點(diǎn)模式。,Unified Model,基本方程：完全的非近似的原始方程，非靜力有限差分模式； 水平格點(diǎn)：球形的經(jīng)緯度坐標(biāo)。南北極點(diǎn)分別是90S和90N。升級(jí)后的全球模式其水平分辨率是經(jīng)度上0.8333度（432行），緯度上0.5555度（325列），在中緯度地區(qū)水平分辨率近似60公里。Arakawa C的變量交錯(cuò)的格點(diǎn)； 垂直格點(diǎn)：垂直方向38層，Charney_Philips的變量交錯(cuò)的格點(diǎn)。,Insert figures hi_res_model_fig1.ps hi_res_model_fig3.ps,WAFS產(chǎn)品種類(lèi),T4傳真圖 BUFR(Binary Universal Form for the Representation of meteorological data）碼重要天氣預(yù)告 業(yè)務(wù)氣象資料（OPMET資料） GRIB 數(shù)據(jù)（binary grid data） 未來(lái)的產(chǎn)品,GRIB資料的應(yīng)用,飛行文件 風(fēng)溫度預(yù)告圖 OPMET情報(bào) 飛行計(jì)劃 制作航線(xiàn)計(jì)劃 優(yōu)化航路 飛機(jī)配載狀況 航路重要天氣預(yù)報(bào) 積冰 顛簸 制作航線(xiàn)計(jì)劃 任意航線(xiàn)剖面 航站天氣預(yù)報(bào),WAFS是根據(jù)航空氣象的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，產(chǎn)品豐富。 國(guó)家氣象局和日本發(fā)布的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品著重點(diǎn)是一般的天氣形式預(yù)報(bào)，沒(méi)有航空氣象需要的一些重要天氣要素（如對(duì)流層頂高度、最大風(fēng)的高度、積冰等）的預(yù)報(bào)，而這些產(chǎn)品都是制作飛行文件所必需的資料。 另外國(guó)家氣象局和日本發(fā)布的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)航空氣象的應(yīng)用來(lái)說(shuō)預(yù)報(bào)時(shí)效太長(zhǎng)，最短的為24小時(shí)，而航空氣象要求的預(yù)報(bào)時(shí)效一般為9小時(shí)。WAFS的產(chǎn)品則不同，它提供6、12、18、24、30、36小時(shí)的預(yù)報(bào)，特別適合于航空氣象業(yè)務(wù)的應(yīng)用。,WAFS數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn),數(shù)值預(yù)報(bào)可視化系統(tǒng),系統(tǒng)流程圖,氣象數(shù)據(jù)庫(kù)中定時(shí)提取GRIB資料,數(shù)據(jù)插值計(jì)算,數(shù)據(jù)分類(lèi)、統(tǒng)一計(jì)算處理成為二進(jìn)制、無(wú)格式數(shù)據(jù),GRADS基本圖形制作,圖形產(chǎn)品二次處理,根據(jù)不同天氣類(lèi)型圖形分類(lèi)打包,輸出顯示,常用資料,降水資料,大風(fēng)資料,積冰指數(shù),對(duì)流指數(shù),對(duì)流層頂資料,最大風(fēng)速資料,業(yè)務(wù)運(yùn)行資料,美國(guó)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品,地面氣壓、總降水資料、對(duì)流降水資料。 最大風(fēng)速層所在高度、風(fēng)向、風(fēng)速。 對(duì)流層頂所在氣壓、溫度。 2米高度上的溫度和濕度。 10米高度上的風(fēng)向和風(fēng)速。 標(biāo)準(zhǔn)氣壓層：1000hPa70hPa九個(gè)層次的風(fēng)向、風(fēng)速、位勢(shì)高度、溫度、相對(duì)濕度和垂直上升速度等。 資料的預(yù)報(bào)時(shí)次為：6小時(shí)、12小時(shí)、18小時(shí)、24小時(shí)、30小時(shí)、36小時(shí)6個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)次。,最大風(fēng)速層資料：包括最大風(fēng)速層所在高度、風(fēng)向、風(fēng)速。 對(duì)流層頂資料：包括對(duì)流層頂所在氣壓、溫度。 標(biāo)準(zhǔn)氣壓層資料：其中包括850hPa70hPa八個(gè)層次的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度等。 資料的預(yù)報(bào)時(shí)次為：6小時(shí)、12小時(shí)、18小時(shí)、24小時(shí)、30小時(shí)、36小時(shí)6個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)次。,英國(guó)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品,GRIB數(shù)據(jù)診斷分析,為了使數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在天氣預(yù)報(bào)中發(fā)揮更好的作用，在原基本量的基礎(chǔ)上計(jì)算出診斷量。如風(fēng)場(chǎng)引起的低層質(zhì)量輻合、高層輻散；表示濕度情況的溫度露點(diǎn)差、水汽通量、水汽通量散度。表示冷空氣強(qiáng)度的溫度平流、全風(fēng)速、地面氣壓場(chǎng)、溫度場(chǎng)高度場(chǎng)的6小時(shí)變化；表示能量的如相當(dāng)位溫以及位溫平流等。,2002年8月22日1200UTC 500hPa高度和渦度預(yù)報(bào),2002年8月22日1200UTC 500hPa溫度平流預(yù)報(bào),2002年8月22日1200UTC 850hPa高度和渦度預(yù)報(bào),2002年8月22日1200UTC 1000hPa流線(xiàn)預(yù)報(bào),對(duì)流指數(shù)： SWEAT指數(shù) TT指數(shù) 850hPa與500hPa的溫差 e平流 K指數(shù) 對(duì)流降水量,診斷分析產(chǎn)品對(duì)流指數(shù)介紹,對(duì)流指數(shù),強(qiáng)天氣威脅指數(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)“SWEAT 指標(biāo)”，記作“I” I = 12 Td850 + 20（T-49）+28 8+ 5+125 （S+0.2），其中S=sin(a500-a850)，式中各項(xiàng)不為負(fù)數(shù)。 強(qiáng)天氣威脅指數(shù)（SWEAT）目前在許多國(guó)家和地區(qū)得到應(yīng)用。它是根據(jù)328次龍卷風(fēng)資料和日常預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)得出的一個(gè)預(yù)報(bào)指數(shù)。,上圖是根據(jù)WAFS美國(guó)華盛頓27日1200UTC預(yù)報(bào)資料制作的SWEAT指數(shù)18小時(shí)(28日0600UTC)預(yù)報(bào)場(chǎng)。由圖可以看出：北京處于SWEAT指數(shù)的梯度區(qū)，且指數(shù)的值在250以上。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，雷暴出現(xiàn)前SWEAT指數(shù)多在150以上。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)顯示，在雷暴持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)或伴隨強(qiáng)對(duì)流天氣的雷暴中，SWEAT指數(shù)多在300以上，可見(jiàn)SWEAT指數(shù)越大，出現(xiàn)雷暴可能性越大，強(qiáng)度也可能越大。,SWEAT指數(shù)預(yù)報(bào)圖,K指數(shù)（氣團(tuán)指標(biāo)） K=（T850-T500）+TD850-（T-TD）700,溫度直減率,中層飽和程度,低層水汽條件,對(duì)流指數(shù),K指數(shù)能夠反映大氣的層結(jié)穩(wěn)定情況, K指數(shù)越大,層結(jié)越不穩(wěn)定，但它不能明顯表示出整個(gè)大氣的層結(jié)不穩(wěn)定情況。K值大小與可能出現(xiàn)雷暴活動(dòng)的關(guān)系為： K20，無(wú)雷暴 20K25，孤立雷暴 25K30，零星雷暴 30K35，分散雷暴 K35，成片雷暴,對(duì)流指數(shù),TT指數(shù) TT = T850 + Td850 - 2T500 全總指數(shù)（TT）是20世紀(jì)70年代由Miller引入的。TT越大越容易發(fā)生對(duì)流天氣。,位溫及位溫平流,位溫e的定義為空氣沿干絕熱過(guò)程變化到P=1000HPA時(shí)的溫度。 e在假絕熱過(guò)程中守恒。大氣層結(jié)穩(wěn)定度可用e的垂直分布表征，即當(dāng) 0時(shí)，大氣層結(jié)呈對(duì)流不穩(wěn)定，即大氣中e隨高度升高而降低時(shí)大氣為對(duì)流不穩(wěn)定。位溫平流同時(shí)代表了溫度和濕度的平流，直接反映了相應(yīng)高度層的e變化趨勢(shì)，使我們可以更方便的判斷各層e的垂直分布變化情況從而更準(zhǔn)確地判斷大氣層結(jié)的未來(lái)趨勢(shì)。,對(duì)流指數(shù),位溫平流,e平流的表達(dá)式為：,當(dāng)中低層的e平流為正，中高層的e平流為負(fù)時(shí)，說(shuō)明低層有正的能量輸入，高層有負(fù)的能量輸入，易產(chǎn)生對(duì)流性天氣且進(jìn)一步維持。當(dāng)中低層的e平流為正，中高層的e平流也為正，但低層平流量遠(yuǎn)大于高層平流量時(shí)，也要特別注意不穩(wěn)定能量的潛在威脅。 因此選取了低層850hPa及中層500hPa的e平流來(lái)表征大氣層結(jié)的對(duì)流不穩(wěn)定變化趨勢(shì)。,圖 為2003年5月28日0600UTC 700hPae值，黑點(diǎn)為北京（根據(jù)WAFS美國(guó)華盛頓據(jù)27日1200UTC預(yù)報(bào)資料制作）。單位:,為了判斷上下層能量平流的差別，我們統(tǒng)計(jì)500hPa與850hPa的e平流差值。64次雷暴日中，28次為負(fù)值，即500hPa相對(duì)于850hPa為小的能量平流，占總數(shù)的43.8%。但在伴隨10mm以上降水量的9次較強(qiáng)雷暴中，有7次為上負(fù)下正，可見(jiàn)中低層e平流差對(duì)于強(qiáng)雷雨和持續(xù)雷雨的預(yù)報(bào)具有一定指示意義，但對(duì)于一般性雷暴，則指示意義不大。此結(jié)果也說(shuō)明了強(qiáng)雷雨需要較持續(xù)的不穩(wěn)定能量的輸入。,2002年8月22日1200UTC 500hPa假相當(dāng)位溫平流預(yù)報(bào),2002年8月22日1200UTC 850hPa假相當(dāng)位溫平流預(yù)報(bào),垂直速度,垂直速度由積分連續(xù)方程得到： p=p0+( )(p0-p) 這里垂直速度僅指大尺度運(yùn)動(dòng)的垂直速度，不包括對(duì)流性上升與下沉運(yùn)動(dòng)的速度。正值為下沉運(yùn)動(dòng)，負(fù)值為上升運(yùn)動(dòng)。,圖 為2003年5月28日0600UTC 700hPa垂直速度,陰影區(qū)域?yàn)樯仙\(yùn)動(dòng)區(qū)（根據(jù)WAFS美國(guó)華盛頓據(jù)27日1200UTC預(yù)報(bào)資料制作）,統(tǒng)計(jì)63次雷暴日中，700hPa及850hPa均為上升氣流的次數(shù)為28次，占總數(shù)的44.4%，而有一層以上為上升氣流的次數(shù)為48次，占總數(shù)的76.2%，說(shuō)明雷暴出現(xiàn)時(shí)并非中低層均為上升氣流，而是在中低層存在上升氣流即有可能出現(xiàn)雷暴。 同時(shí)，在20次強(qiáng)雷暴中，兩層均為上升氣流的次數(shù)為12次，占總數(shù)的60%；850hPa為上升氣流的16次，占總數(shù)的80%；700hPa為上升氣流的14次，占總數(shù)的70%。而且中低層上升速度越大越有利于雷暴的產(chǎn)生。,航路積冰預(yù)報(bào),積冰指數(shù)(RH-50)*2)*(T*(T+14)/-49) 指數(shù)為正，代表孤立的潛在積冰區(qū)，而最可能出現(xiàn)積冰的區(qū)域，積冰指數(shù)接近100。,2002年9月13日0600UTC 500hPa積冰預(yù)報(bào),2002年9月13日0600UTC對(duì)流層頂高度,2002年9月13日0600UTC最大風(fēng)速及高度預(yù)報(bào),1、 顛簸指數(shù) LP指數(shù)法： 當(dāng)L0時(shí)預(yù)報(bào)有顛簸 ，計(jì)算出概率P,診斷分析產(chǎn)品介紹,判斷： 當(dāng)70%P50%，預(yù)報(bào)有輕度顛簸； 當(dāng)85%P70%，預(yù)報(bào)有中度顛簸； 當(dāng)P85%，預(yù)報(bào)有嚴(yán)重顛簸；,特點(diǎn)： 同時(shí)考慮了風(fēng)場(chǎng)水平切變、垂直切變和溫度場(chǎng)水平切變對(duì)顛簸的影響,顛簸指數(shù) Ellrod 指數(shù) 垂直風(fēng)切變 VWS= 散度 DIV= 總形變 DEF= 其中切變項(xiàng)DSH= 拉伸項(xiàng) DST=,診斷分析產(chǎn)品介紹,根據(jù)EI判斷： 當(dāng)8EI4時(shí)，預(yù)報(bào)有輕度顛簸； 當(dāng)12EI8時(shí)，預(yù)報(bào)有中度顛簸； 當(dāng)EI12以上時(shí)，預(yù)報(bào)有嚴(yán)重顛簸；,特點(diǎn)： 主要考慮風(fēng)場(chǎng)垂直和水平切變以及形變對(duì)顛簸的影響,2004年11月9日雷雨天氣的分析,個(gè)例1：,天氣過(guò)程簡(jiǎn)述,9日北京時(shí)0740-1042本場(chǎng)及周?chē)囉辏?746-0915雷雨，下午至夜間小雨，整個(gè)過(guò)程降水量9.8mm。,各氣象要素的分析,濕度 穩(wěn)定度指數(shù)（sweat index） 700hpa的風(fēng)場(chǎng)(低空急流） 能量值 降水量,要素選擇說(shuō)明,主要以美國(guó)WAFS的2004年11月8日12UTC的數(shù)值預(yù)報(bào)資料來(lái)分析。 本報(bào)告分析的各要素從預(yù)報(bào)雷雨有指示的角度出發(fā)，沒(méi)有明顯指示的要素沒(méi)有分析。,地面的相對(duì)濕度的分布表明地面濕度大,低層1000HPA的T-Td，能看出來(lái)有明顯的水汽輸送，溫度場(chǎng)表現(xiàn)不明顯,700hPaT-Td與風(fēng)場(chǎng)，700hPa存在著明顯的低空急流，形成了底層很強(qiáng)的暖濕平流，加強(qiáng)了層結(jié)不穩(wěn)定,Thetae分布：高能舌區(qū)與雷雨的對(duì)應(yīng)區(qū),雷雨出現(xiàn)在700hPa高能舌區(qū),雷雨出現(xiàn)在700hPa高能舌區(qū),對(duì)這次雷雨過(guò)程，SWEAT指數(shù)大于300的區(qū)域與雷雨區(qū)對(duì)應(yīng)較好。,對(duì)流降水量與地面雷雨區(qū)對(duì)應(yīng)好，而且從降水量看這次過(guò)程的預(yù)報(bào)與觀(guān)測(cè)吻合好。,對(duì)流降水量與地面雷雨區(qū)對(duì)應(yīng)好，而且從降水量看這次過(guò)程的預(yù)報(bào)與觀(guān)測(cè)吻合好。,700hPa的渦度區(qū),500hPa的渦度區(qū),小結(jié),總的說(shuō)來(lái)，WAFS的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)此次雷雨是有很好的指示意義的。 以上只是對(duì)此次雷雨過(guò)程一些參數(shù)的描述，但不一定適合其它的雷雨過(guò)程。 對(duì)不同天氣形勢(shì)下出現(xiàn)的雷雨，其氣象參數(shù)及物理量的指示不一定相同。要針對(duì)不同的形勢(shì)總結(jié)參數(shù)的使用，有的參數(shù)在這次過(guò)程有用，但在另一次過(guò)程中不一定有明顯的指示作用。 任何資料的使用都應(yīng)積累經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)其優(yōu)勢(shì)。,個(gè)例2:2005年5月30日冷渦雷雨,5月30日至31日雷雨,形勢(shì)介紹 5月30日08時(shí)從500hpa至850有冷渦，地面鋒面，隨著500hpa的冷空氣東移，有對(duì)流云生成東移，移動(dòng)過(guò)程加強(qiáng)，中午之后管區(qū)開(kāi)始有對(duì)流回波，回波一直維持，本場(chǎng)1420UTC至1908UTC雷雨； 500hpa冷渦后部的高壓脊向東伸，預(yù)示著冷渦后部有冷空氣下滲，31日受低層輻合氣流和冷渦的影響，0610UTC至0715UTC本場(chǎng)雷雨，市區(qū)冰雹；1052UTC至1218UTCB本場(chǎng)雷雨，其中1110UTC-1130UT冰雹。,5月30日至31日雷雨WAFS,500HPA的系統(tǒng)變化,5月30日至31日雷雨WAFS,近地層輻合帶的維持,5月30日至31日雷雨WAFS,穩(wěn)定度指數(shù),5月30日至31日雷雨WAFS,總結(jié),WAFS數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在航空氣象預(yù)報(bào)及服務(wù)中發(fā)揮了很大的作用； 進(jìn)一步做好釋用,使WAFS數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在航空氣象預(yù)報(bào)中起到更大的作用； 以此為初始場(chǎng)制作中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式，為民航氣象預(yù)報(bào)及服務(wù)提供更精細(xì)的產(chǎn)品。,二、日本數(shù)值預(yù)報(bào),一天之中我們接收四個(gè)時(shí)次初始場(chǎng)的日本傳真圖，但業(yè)務(wù)工作使用的主要是00和12UTC兩個(gè)時(shí)次的傳真圖資料。,日本傳真圖的種類(lèi) ：,500hPa高度、渦度預(yù)報(bào),地面降水和風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào),500hPa溫度和 700hPaT-Td度預(yù)報(bào),850hPa 風(fēng)、溫和700hPa垂直速度預(yù)報(bào),48小時(shí)地面氣壓、降水預(yù)報(bào),48小時(shí)500hPa高度、渦度預(yù)報(bào),日本數(shù)值預(yù)報(bào)圖上的主要內(nèi)容所用的符號(hào)、單位、等值線(xiàn)的間隔、形狀