内蒙古东南部大到暴雪预报系统的设计与实现

　　摘要:为了更深入分析大到暴雪天气过程的热力与动力特征、中尺度系统结构及大到暴雪发生的物理机制，利用1951-2013年的地面观测、MICAPS数值预报产品、NCEP、历史天气图等资料，完成内蒙古东南部大到暴雪天气过程的天气学分型及“分型配料法”、降水相态、相似预报;建立25个站点的历史个例库，可进行显示、查询、增加、修改及删除;系统基于新一代卫星接收系统(CMACAST)，经过MDS处理后，建立数值预报产品插值库，显示站点的预报时次曲线图。

　　系统采用C/S架构和模块化设计，使用VS2008.NET进行研发并使用SQLServer2008建立数据库。所有数据实验结果表明，该系统统一出入口、界面友好、系统功能完整、可移植性强，4年来运行稳定。该系统可为预报员更好地对大到暴雪的分析、分型及大到暴雪落区、降水相态、相似预报及短临预报提供快捷方便的数据和技术支撑。

　　关键词:大到暴雪;VS2008.NET;个例库;插值计算;分型配料法;降水相态

　　0引言

　　随着全球气候变暖的加剧，极端天气气候事件有增加的趋势，其中大到暴雪天气就是典型的极端天气气候事件之一。内蒙古东南部(包括通辽市、赤峰市)的大到暴雪是冬半年主要灾害性天气之一，如赤峰市在2012年11月3日—2012年11月5日8个旗县区发生严重特大暴雪灾害，直接经济损失21488万元;同年11月通辽市在11日和12日5个旗县发生特大暴雪灾害，直接经济损失4305万元。从以上事例可以看出，大到暴雪给交通、电力、农牧业生产及人们的生活带来严重影响，造成极大的经济损失。

　　相关论文范文：空气污染天气过程与气象要素的关系研究

　　摘要：本文基于环境空气质量监测数据和气象观测数据，对2017年3月北京地区一次空气污染过程的特征、天气形势以及气象要素特征等进行了综合分析。结果表明，天气形势静稳、缺少北方冷空气南下、逆温、扩散条件差、以南风为主等是污染物累积阶段的大气环流特征，也是导致北京地区空气污染的主要原因。气象要素与污染物扩散、稀释联系紧密，风速越大，污染物浓度扩散稀释越快，空气质量指数越低;逆温强度增大，污染物浓度升高，污染加重;降水量对于空气污染物浓度具有一定稀释作用。

　　欧美的降雪过程大多与温带气旋的形成、发展有关[1]，这与内蒙古东南部的降雪较为相似，其大到暴雪过程与温带气旋及倒槽降雪密切相关;与2支独立的高空急流相联系的垂直环流维持了地面气旋和反气旋的发展，使强降雪能够持续，高空急流出口区左侧和入口区右侧的正(气旋性)涡度平流与辐散相联系[2]，在大型降水的发展机理上基本相同，如东南部大到暴雪过程多出现在高空急流入口右区侧及低空暖湿急流出口区左侧，高空强辐散、低空辐合相叠置的区域，使得从底层到高层一致的、强的上升气流加强和维持。这些年“配料法”在我国有了较好的应用，1996年“配料法”由Doswell等提出“基于构成要素的预报方法”，强调“配料法”和“流型辨识方法”之间有很强的互补性。

　　张萍萍[3]等在湖北省暴雨预报的应用研究中，认为“配料”不仅仅是诊断因子的组合，还应是预报员主观经验与客观数值产品的有机结合，由此提出了先分型后配料的思想，称之为“分型配料法”。关于“配料法”大都主要用于暴雨的预报，目前国内关于用数值预报产品制作大到暴雪预报系统的相关文献有限，国内学者大多针对某一大到暴雪天气过程中的情况进行研究。

　　宋清芝[4]等1998年研发的预报系统仅局限于使用当时的T63产品，扎西才让[5]等2005年使用T213数值预报产品以及历史NCEP/NCAR等资料，还没有进行多产品共同应用下的系统开发，因此，利用多种数值预报产品综合分析大到暴雪的成因，依托中国气象局新一代卫星广播系统建立基于.NET的C/S架构的预报业务应用系统，并将相关的科研数据集成于其中，使预报员的操作简单方便，对提高大到暴雪天气的预报能力和防灾减灾具有重大意义。

　　1区域大到暴雪统计标准

　　1.1雪的统计标准

　　在地市级行政区域内，相邻2个国家站或不相邻的3个国家站或以上，日降雪量(20:00—次日20:00或08:00—次日08:00，下同)在5.0～9.9mm称为一个区域性大雪日;在10.0～19.9mm称为一个区域性暴雪日;在20.0～29.9mm称为一个区域性大暴雪日;日降雪量≥30.0mm的降雪称为一个区域性特大暴雪日。

　　1.2雨夹雪或雨、雪转换的统计标准

　　当降雨夹雪或雨、雪相继出现时，在地市级行政区域内有相邻2个国家站或不相邻3个国家站及以上，日积雪深度(H)和雨夹雪或雨、雪转换的日降水量值(R)达到表1的标准，则记为一个区域性大雪、暴雪、大暴雪或特大暴雪日。

　　2资料选取、统计及环流分型

　　通辽市、赤峰市的国家级气象站分别为11个和14个。两地虽气候特点相近，但地形差异较为明显，通辽市南北为山区、中部为西辽河冲击平原，赤峰市均为山区和丘陵。本文使用资料为1951—2013年的地面日降水量、日积雪深度等资料，按上述标准共统计两地区域大到暴雪天气过程分别为81次和121次，合计过程150次、共同过程52次。

　　再利用1951—2013年NCEP的再分析资料、历史天气图及1980—2013年MICAPS的高度和地面场资料，将150个大到暴雪过程用700hPa环流场特征分为西来斜压槽型、低槽型、北槽南涡型、横槽型、蒙古低槽型、贝加尔湖低槽型和东北冷涡型等7种类型[6]。前4种类型是影响通辽地区的主要类型，占比为88.9%，蒙古槽涡型、北槽南涡型、贝加尔湖槽涡型和槽涡型等4种类型是影响赤峰地区的主要类型，占比为90.1%，很好地表征了通辽、赤峰两地区大到暴雪环流特征。

　　对应地面影响系统有蒙古气旋、河套气旋、华北气旋、江淮气旋、东北低压和倒槽等6种，前5种是影响通辽市大雪以上的主要地面系统，占比96.3%，影响最少的是倒槽;影响赤峰市最少的地面系统是东北低压，其他5种占比97.5%，是主要的地面影响系统。另外，物理量场资料选取2007—2013年Micaps资料中Physic(物理量场)的散度、垂直速度、水汽通量散度、比湿、相对湿度、温度平流、θse和涡度场等8种物理量，用700hPa分型来分别进行统计其数值特征，选择物理意义明确的物理量场作为各站降水量的“配料”。

　　3系统总体结构及功能

　　本系统依托中国气象局新一代卫星广播系统(CMACAST)[7]，利用MicapsDataService(MDS)数据处理软件将数据解析成Micaps数据格式，存储到Micaps数据服务器上，实现数据的实时接收和处理。依托地面网络资源，选取内蒙古东南部通辽、赤峰两地25个国家气象站点地面、高空、NCEP等历史资料及数值预报产品资料，历史资料存储到本地服务器上，将数据数值预报产品资料进行优化、提取，以数据库方式存储，供客户端调用、分析，从而为预报员对大到暴雪预报天气过程的分析、分型、计算分站降水量、降水相态预报、相似预报和短临预报提供方便快捷的数据支撑。

　　3.1系统总体结构

　　系统包括5个大模块:数据接收、数据处理、插值处理、数据存储、客户端。

　　3.2各模块功能

　　3.2.1数据接收

　　将中国气象局对省、地、县下发的各类数据产品资料通过卫星利用CMACAST设备接收到本地服务器，按照产品分类转存到数据服务器中。

　　3.2.2MDS数据处理

　　利用中国气象局下发的MDS数据处理软件，将CMACAST系统接收的数据自动处理成Micaps格式数据，并存储到服务器的Micapsdata目录下。

　　3.2.3插值处理

　　将经过MDS处理的Micaps数据中的欧洲中心粗网格(Ecmwf)和细网格(Ecmwf_Thin)、T639粗网格(T639)和细网格(T639_Thin)、日本粗网格(Japan)和细网格(Japan_Thin)、德国数值产品(Germany)、美国数值产品(Kwbc)、物理量(Physic)等9种数值预报产品的08h和20h这2个时次用四点插值法进行插值运算。

　　3.2.4数据库

　　系统后台采用SQLServer2008建立数据库[8-11]:1)建立本地区25个站点信息数据库，字段包括站名、站号、经纬度、海拔高度。2)将经过插值运算的数据按照数值产品名称建立数据库，并以“数值产品名称_气象要素场_时次”作为表名建表，如T639细网格(T639_thin)数据库名称为“T639_thin”，20时850hPa相对湿度(RH)，表名为“T639_RH_850_20”，以3、6、12h间隔不等的时间为字段名，如000H、003H、…、048H、054H、…、072H、084H、…，其他类同。3)建立本地区25个站点自有气象记录以来的所有出现大到暴雪的天气过程个例库，以地区名为数据库名称，站号为表名，以站号、日期、降水量、降水相态和积雪深度为字段存储到数据库中。

　　3.2.5客户端

　　客户端是整个系统的核心，采用C/S模式架构，结构如图2所示。客户端包括7个模块，分别是:数值预报产品显示模块、天气学分型模块、个例库管理模块、相似预报制作模块、分型配料模块、相态预报模块和短临预报模块。各模块功能:1)数值预报产品显示。将经过插值处理的9类数值预报产品显示在曲线图上。2)天气学分型。按照影响本地区的大到暴雪天气特征进行分型，共包括西来斜压槽型、低槽型、东北冷涡型、北槽南涡型、横槽转竖型、蒙古低槽型、贝加尔湖低槽型7种类型。3)个例库管理。可进行数据的显示、查询、追加、修改、删除等操作。

　　4)相似预报制作。根据影响天气系统和系统控部位定义相似编码，统计编码相似个例，以MICAPS或图形方式显示相似个例。5)分型配料[3]。选择天气学分型、T639数值预报场、日期和时次计算分站大到暴雪落区预报。6)相态预报。选择日期、时次分别按照相应的算法判定4种数值预报场的降水相态预报。7)短临预报。根据新一代多普勒天气雷达图的分析特征，显示出现大到暴雪天气的雷达图，根据阈值进行判断。

　　4系统软件实现

　　本系统在Windows操作系统上研发，采用VS2008.NET[8，12]开发环境，VS2008.NET提供了易学易用的应用程序集成开发环境，具有面向对象的可视化设计工具，支持结构化程序设计，具有强大的数据库功能、丰富的数据类型和功能强大的类库;后台采用SQLServer2008数据库。其中系统的数据接收、处理利用中国气象局CMACAST和MDS数据处理软件，分别运行在2台服务器上。

　　4.1建立数据库

　　建立本地区25个站点信息数据库，字段包括站名、站号、经纬度、海拔高度;建立本地区各站自有气象记录以来的大到暴雪天气个例库，字段包括站名、日期、降水性质、积雪深度;插值数据库因为产品要素多，相应的场次也多，数据库和表采用动态创建的方式，建立9种数值预报产品以产品名称命名的插值数据库，建立以产品名称、预报要素和08h、20h这2个时次名称命名的相应的表，以3、6、12、24h间隔不等的时间为字段名，如000H、003H、…、048H、054H、…、072H、084H、…，同时创建相应的存储过程。

　　4.2插值处理

　　数值预报产品经过MDS处理后，转换为Micaps数据格式，该系统对上述9种产品采用四点插值法进行插值，再按照不同的产品保存到相应的数据库表中。

　　4.3数值预报产品显示经过插值后的数值预报产品使用Chart控件，选择要素、日期、场次、站点，以折线图方式显示，供预报人员参考。

　　5结束语

　　本文利用中国气象局新一代卫星接收系统，将接收的数值预报产品经过MDS处理成Micaps数据格式，再对数值预报产品进行插值计算，建立数值预报产品插值库，显示内蒙古东南部通辽、赤峰两地共计25个站点的数值预报产品2个预报时次的曲线图;建立25个站点自建站以来的大到暴雪天气过程历史个例库，并可显示、查询、增加、修改、删除等编辑;显示通辽、赤峰大到暴雪天气过程的7种天气学分型分析，通过“分型配料法”计算分站大到暴雪预报，利用4种数值预报模式进行降水相态预报，根据历史相似过程做相似预报、短临预报等。