數(shù)值預報在航空氣象中的應(yīng)用.ppt

,數(shù)值預報在航空氣象預報中的應(yīng)用,一、WAFS的應(yīng)用,提 要,WAFS系統(tǒng)及其模式簡介 WAFS的GRIB數(shù)據(jù)介紹 WAFS數(shù)值預報產(chǎn)品的應(yīng)用,WAFS定義,WAFS（英文全稱：World Area Forecast System）是國際民航組織和世界氣象組織專為航空氣象設(shè)計的一套航空氣象服務(wù)系統(tǒng)，1982年建立。 目的：為航空氣象用戶提供圖象和數(shù)字格式的氣象預報產(chǎn)品。,世界區(qū)域預報中心-WAFC,WAFS有兩個中心，即倫敦世界區(qū)域預報中心（英國國家氣象局）和華盛頓世界預報中心（國家環(huán)境預報中心 NCEP）。 負責模式的運行與航空氣象預報產(chǎn)品的制作,WAFS衛(wèi)星廣播系統(tǒng)組成,WAFS的產(chǎn)品通過三個衛(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)域預報中心，覆蓋了太平洋區(qū)域（ POR）和大西洋區(qū)域（AOR)，叫ISCS（International Satellite Communication system）；另一個衛(wèi)星屬于倫敦區(qū)域預報中心，覆蓋了印度洋區(qū)域（IOR），叫SADIS（Satellite distribution system）。 目前中國民航有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始業(yè)務(wù)運行。 SADIS和ISCS的所有數(shù)據(jù)已入民航氣象數(shù)據(jù)庫。,美國WAFC模式的簡介,The NWS Global Aviation Model,水平坐標： 254譜截斷，高斯格點是768384，相當于經(jīng)緯度格點的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：sigma坐標，Lorenz格點，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。 計算機的運行：T254模式24小時預報需要12分鐘。,Improvements in Data Assimilation Systems Increased use of automated aircraft reports,英國模式的介紹,Unified Model,全球大氣模式一天運行4次（以00Z、06Z、12Z、18Z為初始場），00Z的資料模式在0150Z開始運行，模式最長預報有效時間168小時（6天），48小時預報結(jié)果機器運行需18分鐘，144小時預報結(jié)果機器運行需50分鐘。 唯一的全球格點模式。,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：球形的經(jīng)緯度坐標。南北極點分別是90S和90N。升級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的變量交錯的格點； 垂直格點：垂直方向38層，Charney_Philips的變量交錯的格點。,Insert figures hi_res_model_fig1.ps hi_res_model_fig3.ps,WAFS產(chǎn)品種類,T4傳真圖 BUFR(Binary Universal Form for the Representation of meteorological data）碼重要天氣預告 業(yè)務(wù)氣象資料（OPMET資料） GRIB 數(shù)據(jù)（binary grid data） 未來的產(chǎn)品,GRIB資料的應(yīng)用,飛行文件 風溫度預告圖 OPMET情報 飛行計劃 制作航線計劃 優(yōu)化航路 飛機配載狀況 航路重要天氣預報 積冰 顛簸 制作航線計劃 任意航線剖面 航站天氣預報,WAFS是根據(jù)航空氣象的特點而設(shè)計的天氣預報系統(tǒng)，產(chǎn)品豐富。 國家氣象局和日本發(fā)布的數(shù)值預報產(chǎn)品著重點是一般的天氣形式預報，沒有航空氣象需要的一些重要天氣要素（如對流層頂高度、最大風的高度、積冰等）的預報，而這些產(chǎn)品都是制作飛行文件所必需的資料。 另外國家氣象局和日本發(fā)布的數(shù)值預報產(chǎn)品對航空氣象的應(yīng)用來說預報時效太長，最短的為24小時，而航空氣象要求的預報時效一般為9小時。WAFS的產(chǎn)品則不同，它提供6、12、18、24、30、36小時的預報，特別適合于航空氣象業(yè)務(wù)的應(yīng)用。,WAFS數(shù)值預報產(chǎn)品的優(yōu)點,數(shù)值預報可視化系統(tǒng),系統(tǒng)流程圖,氣象數(shù)據(jù)庫中定時提取GRIB資料,數(shù)據(jù)插值計算,數(shù)據(jù)分類、統(tǒng)一計算處理成為二進制、無格式數(shù)據(jù),GRADS基本圖形制作,圖形產(chǎn)品二次處理,根據(jù)不同天氣類型圖形分類打包,輸出顯示,常用資料,降水資料,大風資料,積冰指數(shù),對流指數(shù),對流層頂資料,最大風速資料,業(yè)務(wù)運行資料,美國數(shù)值預報產(chǎn)品,地面氣壓、總降水資料、對流降水資料。 最大風速層所在高度、風向、風速。 對流層頂所在氣壓、溫度。 2米高度上的溫度和濕度。 10米高度上的風向和風速。 標準氣壓層：1000hPa70hPa九個層次的風向、風速、位勢高度、溫度、相對濕度和垂直上升速度等。 資料的預報時次為：6小時、12小時、18小時、24小時、30小時、36小時6個預報時次。,最大風速層資料：包括最大風速層所在高度、風向、風速。 對流層頂資料：包括對流層頂所在氣壓、溫度。 標準氣壓層資料：其中包括850hPa70hPa八個層次的風向、風速、溫度、相對濕度等。 資料的預報時次為：6小時、12小時、18小時、24小時、30小時、36小時6個預報時次。,英國數(shù)值預報產(chǎn)品,GRIB數(shù)據(jù)診斷分析,為了使數(shù)值預報產(chǎn)品在天氣預報中發(fā)揮更好的作用，在原基本量的基礎(chǔ)上計算出診斷量。如風場引起的低層質(zhì)量輻合、高層輻散；表示濕度情況的溫度露點差、水汽通量、水汽通量散度。表示冷空氣強度的溫度平流、全風速、地面氣壓場、溫度場高度場的6小時變化；表示能量的如相當位溫以及位溫平流等。,2002年8月22日1200UTC 500hPa高度和渦度預報,2002年8月22日1200UTC 500hPa溫度平流預報,2002年8月22日1200UTC 850hPa高度和渦度預報,2002年8月22日1200UTC 1000hPa流線預報,對流指數(shù)： SWEAT指數(shù) TT指數(shù) 850hPa與500hPa的溫差 e平流 K指數(shù) 對流降水量,診斷分析產(chǎn)品對流指數(shù)介紹,對流指數(shù),強天氣威脅指數(shù)簡稱“SWEAT 指標”，記作“I” I = 12 Td850 + 20（T-49）+28 8+ 5+125 （S+0.2），其中S=sin(a500-a850)，式中各項不為負數(shù)。 強天氣威脅指數(shù)（SWEAT）目前在許多國家和地區(qū)得到應(yīng)用。它是根據(jù)328次龍卷風資料和日常預報經(jīng)驗得出的一個預報指數(shù)。,上圖是根據(jù)WAFS美國華盛頓27日1200UTC預報資料制作的SWEAT指數(shù)18小時(28日0600UTC)預報場。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，雷暴出現(xiàn)前SWEAT指數(shù)多在150以上。同時，統(tǒng)計顯示，在雷暴持續(xù)時間較長或伴隨強對流天氣的雷暴中，SWEAT指數(shù)多在300以上，可見SWEAT指數(shù)越大，出現(xiàn)雷暴可能性越大，強度也可能越大。,SWEAT指數(shù)預報圖,K指數(shù)（氣團指標） 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)雷暴活動的關(guān)系為： K20，無雷暴 20K25，孤立雷暴 25K30，零星雷暴 30K35，分散雷暴 K35，成片雷暴,對流指數(shù),TT指數(shù) TT = T850 + Td850 - 2T500 全總指數(shù)（TT）是20世紀70年代由Miller引入的。TT越大越容易發(fā)生對流天氣。,位溫及位溫平流,位溫e的定義為空氣沿干絕熱過程變化到P=1000HPA時的溫度。 e在假絕熱過程中守恒。大氣層結(jié)穩(wěn)定度可用e的垂直分布表征，即當 0時，大氣層結(jié)呈對流不穩(wěn)定，即大氣中e隨高度升高而降低時大氣為對流不穩(wěn)定。位溫平流同時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，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確地判斷大氣層結(jié)的未來趨勢。,對流指數(shù),位溫平流,e平流的表達式為：,當中低層的e平流為正，中高層的e平流為負時，說明低層有正的能量輸入，高層有負的能量輸入，易產(chǎn)生對流性天氣且進一步維持。當中低層的e平流為正，中高層的e平流也為正，但低層平流量遠大于高層平流量時，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平流來表征大氣層結(jié)的對流不穩(wěn)定變化趨勢。,圖 為2003年5月28日0600UTC 700hPae值，黑點為北京（根據(jù)WAFS美國華盛頓據(jù)27日1200UTC預報資料制作）。單位:,為了判斷上下層能量平流的差別，我們統(tǒng)計500hPa與850hPa的e平流差值。64次雷暴日中，28次為負值，即500hPa相對于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次較強雷暴中，有7次為上負下正，可見中低層e平流差對于強雷雨和持續(xù)雷雨的預報具有一定指示意義，但對于一般性雷暴，則指示意義不大。此結(jié)果也說明了強雷雨需要較持續(xù)的不穩(wěn)定能量的輸入。,2002年8月22日1200UTC 500hPa假相當位溫平流預報,2002年8月22日1200UTC 850hPa假相當位溫平流預報,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動的垂直速度，不包括對流性上升與下沉運動的速度。正值為下沉運動，負值為上升運動。,圖 為2003年5月28日0600UTC 700hPa垂直速度,陰影區(qū)域為上升運動區(qū)（根據(jù)WAFS美國華盛頓據(jù)27日1200UTC預報資料制作）,統(tǒng)計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%，說明雷暴出現(xiàn)時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，在20次強雷暴中，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。,航路積冰預報,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積冰預報,2002年9月13日0600UTC對流層頂高度,2002年9月13日0600UTC最大風速及高度預報,1、 顛簸指數(shù) LP指數(shù)法： 當L0時預報有顛簸 ，計算出概率P,診斷分析產(chǎn)品介紹,判斷： 當70%P50%，預報有輕度顛簸； 當85%P70%，預報有中度顛簸； 當P85%，預報有嚴重顛簸；,特點： 同時考慮了風場水平切變、垂直切變和溫度場水平切變對顛簸的影響,顛簸指數(shù) Ellrod 指數(shù) 垂直風切變 VWS= 散度 DIV= 總形變 DEF= 其中切變項DSH= 拉伸項 DST=,診斷分析產(chǎn)品介紹,根據(jù)EI判斷： 當8EI4時，預報有輕度顛簸； 當12EI8時，預報有中度顛簸； 當EI12以上時，預報有嚴重顛簸；,特點： 主要考慮風場垂直和水平切變以及形變對顛簸的影響,2004年11月9日雷雨天氣的分析,個例1：,天氣過程簡述,9日北京時0740-1042本場及周圍陣雨，0746-0915雷雨，下午至夜間小雨，整個過程降水量9.8mm。,各氣象要素的分析,濕度 穩(wěn)定度指數(shù)（sweat index） 700hpa的風場(低空急流） 能量值 降水量,要素選擇說明,主要以美國WAFS的2004年11月8日12UTC的數(shù)值預報資料來分析。 本報告分析的各要素從預報雷雨有指示的角度出發(fā)，沒有明顯指示的要素沒有分析。,地面的相對濕度的分布表明地面濕度大,低層1000HPA的T-Td，能看出來有明顯的水汽輸送，溫度場表現(xiàn)不明顯,700hPaT-Td與風場，700hPa存在著明顯的低空急流，形成了底層很強的暖濕平流，加強了層結(jié)不穩(wěn)定,Thetae分布：高能舌區(qū)與雷雨的對應(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),對這次雷雨過程，SWEAT指數(shù)大于300的區(qū)域與雷雨區(qū)對應(yīng)較好。,對流降水量與地面雷雨區(qū)對應(yīng)好，而且從降水量看這次過程的預報與觀測吻合好。,對流降水量與地面雷雨區(qū)對應(yīng)好，而且從降水量看這次過程的預報與觀測吻合好。,700hPa的渦度區(qū),500hPa的渦度區(qū),小結(jié),總的說來，WAFS的數(shù)值預報產(chǎn)品對此次雷雨是有很好的指示意義的。 以上只是對此次雷雨過程一些參數(shù)的描述，但不一定適合其它的雷雨過程。 對不同天氣形勢下出現(xiàn)的雷雨，其氣象參數(shù)及物理量的指示不一定相同。要針對不同的形勢總結(jié)參數(shù)的使用，有的參數(shù)在這次過程有用，但在另一次過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，總結(jié)其優(yōu)勢。,個例2:2005年5月30日冷渦雷雨,5月30日至31日雷雨,形勢介紹 5月30日08時從500hpa至850有冷渦，地面鋒面，隨著500hpa的冷空氣東移，有對流云生成東移，移動過程加強，中午之后管區(qū)開始有對流回波，回波一直維持，本場1420UTC至1908UTC雷雨； 500hpa冷渦后部的高壓脊向東伸，預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本場雷雨，市區(qū)冰雹；1052UTC至1218UTCB本場雷雨，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)值預報產(chǎn)品在航空氣象預報及服務(wù)中發(fā)揮了很大的作用； 進一步做好釋用,使WAFS數(shù)值預報產(chǎn)品在航空氣象預報中起到更大的作用； 以此為初始場制作中尺度數(shù)值預報模式，為民航氣象預報及服務(wù)提供更精細的產(chǎn)品。,二、日本數(shù)值預報,一天之中我們接收四個時次初始場的日本傳真圖，但業(yè)務(wù)工作使用的主要是00和12UTC兩個時次的傳真圖資料。,日本傳真圖的種類 ：,500hPa高度、渦度預報,地面降水和風場預報,500hPa溫度和 700hPaT-Td度預報,850hPa 風、溫和700hPa垂直速度預報,48小時地面氣壓、降水預報,48小時500hPa高度、渦度預報,日本數(shù)值預報圖上的主要內(nèi)容所用的符號、單位、等值線的間隔、形狀