气象业务自动化—第一讲

气象业务自动化,授课教师舒守娟sjshu南京大学大气科学学院中尺度灾害性天气教育部重点实验室,气象业务的涵义,概念：指在气象和与之相关的领域中，从信息的采集、数据的传输存储和加工处理到应用服务的全过程包括的具体内容：气象综合观测业务（地基、空基和天基）气象信息网络业务（通信网络、数据存储管理和共享等）气象信息加工业务（天气/气候/农业/专业气象预报、预测和评价）公益气象信息服务（决策、公众及专业专项服务等）,第一讲绪论,我国气象业务预报进展我国现代气象业务体系存在的差距和未来建设目标我国气象业务预报平台,我国气象业务体系改革进程,50-60年代初创阶段学习苏联气象部门经验，建立了全国四级气象业务体制的基本框架80年代开始现代化阶段制定现代化发展纲要(1986-2000，15年)建立区域中心，形成全国五级业务体制90年代加快现代化阶段制定气象事业发展纲要(1991-2020，30年)建立气象综合观测、气象信息网络、基本气象信息加工分析预测、气象服务系统等四大功能技术体系9210工程、新一代天气雷达工程、气象卫星工程、数值天气预报系统、气象预报人机交互处理系统(MICAPS)、短期气候预测系统以及中尺度预报系统21世纪-建设现代气象业务体系,我国天气业务体制（五级）,国家级（气象中心、卫星中心、气候中心、气象信息中心、大气探测中心，）区域气象中心省（区、市）气象台地（市、州、盟）气象台县（市、区、旗）气象站,北京区域气象中心沈阳区域气象中心上海区域气象中心武汉区域气象中心广州区域气象中心成都区域气象中心：重庆、四川、贵州、云南、西藏兰州区域气象中心乌鲁木齐区域气象中心,国家级,区域中心,省级,地级,县级,政府、公众、专业用户,指导产品,指导产品,产品上传,产品上传,产品上传,服务,天气预报的业务指导关系,21世纪-我国现代气象业务体系,基础,核心,根本,1855年，世界上第一张天气图因克里米亚战争而诞生天气图是现代天气预报的开端，在气象学上意义重大，它把一个地点、一个地点的气象要素有机地联系到了一起，使眼界由点(“坐井观天”)扩展到面(“放眼世界”)预报人员可以在短时间内通过天气图了解大范围乃至全球的气象情况，通过连续几张天气图，推测天气的未来变化。直到数值天气预报问世，天气图一直是气象人员预报天气的主要工具在数值预报蓬勃发展的今天，天气图仍不失为预报工具之一,我国气象业务进展(1),全国绝大多数气象台多用手绘天气图方法制作天气预报,30年代,从1930年起，由竺可桢领导的气象研究所在南京正式发布天气预报和台风警报,50年代,电子信息技术的发展加快了我国气象业务的发展进程,70年代,80年代,数值预报(基础)+天气图等多种预报方法的综合应用,多种业务天气预报方法的综合应用,我国气象业务进展(2),气象观测系统得到了较快较好的发展,常规观测,卫星探测,非常规观测,雷达探测,综合气象观测系统-天基、空基和地基,气象部门各类气象站2751个基准气候站：143个基本气象站：530个一般天气站：1736个大气辐射站：98个酸雨观测站：86个沙尘暴监测站（一期）：46个土壤湿度观测站：433个农业气象观测站：624个大气本底站：4个闪电定位(地闪)98个闪电定位(云间闪)：3个多普勒雷达站101共(3902)注：不包括单要素/2-3要素站和中尺度小网等站,120个探空站,158部新一代天气雷达,600个自动气象站,我国新一代天气雷达分布,资料源自中国气象局,我国气象业务进展(3)-现状,（1）建立了比较完整的数值天气预报业务体系全球中期天气预报，中尺度数值天气预报，全球资料变分同化系统、全球集合预报系统，热带气旋路径数值预报，沙尘、紫外线、海浪、核放射性污染物扩散传输等专业数值预报模式及相应的业务运行与监控系统（2）建立了以数值天气预报为基础、人机交互信息加工处理系统为平台、综合应用多种预报技术方法的天气预报业务技术体系建立了以气象信息综合分析处理系统MICAPS为核心的天气预报业务技术平台，天气预报水平稳定提高，其中台风路径预报已接近国际先进水平,数值预报业务系统,2.区域模式,3.精细模式,1.全球模式,水平分辨率60公里预报时效未来十天区域范围全球,水平分辨率20公里预报时效未来2天区域范围931230E20450N,水平分辨率5公里预报时效未来2天区域范围1151200E37420N,数值预报的业务分工,高空探测信息,天气雷达网,网络信息,雷电监测信息,气象卫星资料,数值预报(基础),现代天气预报,预报员参考信息的四个来源,数值预报产品(ECMWF、日本、T213及本地模式),本地预报产品和方法(统计、动力和天气),大量的原始检测和观测信息,上级指导预报,预报员,资料分析交叉重叠+信息种类繁杂天气预报人机交互处理应运而生！,将图形图像处理技术、人机交互技术、图形显示和编辑功能有机结合，为预报员提供了一个非常方便的工作平台更充分的使用信息节省预报员的手工劳动时间提高工作效率提供强有力的预报产品便于修改、移植和扩充,最早的预报员工作平台：美国AFOS预报工作站(80年代)美国SWISS系统，主要用于卫星云图显示美国AWIPS(日本的COSMETS)天气预报人机交互处理系统(90年代)功能齐全人机交互处理能力强综合处理各种信息能够编辑各类天气预报,我国“9210”工程(气象卫星综合应用业务系统),国家计委在1992年10月正式批准中国气象局建设气象卫星综合应用业务系统简称9210工程。覆盖全国地(市)级以上气象台，建设基于通信卫星的VSAT(VerySmalApertureTerminal)通讯网和计算机网络系统。以卫星通信为主，地面通信为辅，将分布在各地的计算机局域网相连，形成一个完整的局域网。计算机网络系统是在地(市)以上各级气象部门分别建立由小型机、工作站、微机组成的局域网，以加强数据的收集、处理和分发能力，并通过卫星通信网把全国连成一个集中控制、分级管理的计算机广域网，建成国家级网络管理系统，实现全网的监视、控制、调度和管理。同时，建设统一的数据库系统和天气预报人机交互处理系统。1999年，9210工程全面业务化运行，卫星数据广播系统建设全面展开，全国建成1800个PC-VSAT接收站，国家气象中心承担了卫星主站的运行和应用软件维护任务，气象卫星综合应用业务系统在我国气象通信和业务发展中发挥了重要作用。,MICAPS系统简介,MICAPS(MeteorologicalInformationComprehensiveAnalysisAndProcessSystem)是9210工程的天气预报人机交互处理系统，是气象信息综合分析处理系统的英文缩写。MICAPS是充分利用9210工程通讯系统得到的各种数据进行我国天气分析和预报的工作平台。它是与9210工程通信、数据库系统配套的人机交互系统，分为工作站版（省级台用）和微机版（地市级台用），操作系统分别为UNIX和WINDOWS。目前该系统已装备在我国各级气象业务部门。通过检索各种气象数据，显示气象数据的图形图像，对各种图形进行编辑加工，为气象预报人员提供一个中期、短期、短时天气预报的工作平台。,（3）建立了水文气象、海洋气象、交通气象、航空气象、城市环境气象等专业气象业务具有中国特色的以天气业务信息与技术为基础的公共气象服务体系,全球海浪数值预报模式2005全球扩散传输模式系统2003沙尘暴数值预报系统2002空气质量预报系统2001年紫外线指数预报系统1998年森林火险气象条件预报系统1999年,全球海浪模式试验,麦莎,重庆井喷事故应急响应决策服务产品,污染物扩散紧急响应,2005年4月17日20时起报地面沙尘浓度蓝色数字为地面实况,15小时预报,19小时预报,39小时预报,紫外线指数数值预报,中期模式模式层要素场,IBM-SP,臭氧资料生成,太阳天顶角,逐日4时次的紫外线辐射强度的3天预报,转换为指数和等级,产品制作,数据存档,天气会商室,intranet,专业气象台,中期模式模式层输出前处理,ProvidedbyGuanChenggongofNWPD/NMC,探空资料,地形特征,地表特征,数值预报物理量场,初始时刻污染物浓度,PPI指数污染潜势指数,API指数空气污染指数,客观分析物理量场,模式初始物理量场,模式侧边界条件,T213预报场,mm5模式,箱格模式,空气质量CAPPS模式的系统框架,现代天气预报业务的标志!,更多的观（探）测信息的实时应用数值预报的基础作用更加突出基于大气动力学基础的多种预报技术方法综合应用信息技术提供了有利的支撑,Progressin20thCentury20世纪最伟大的科技进步之一,Tremendousstrideshavebeentakeninnumericallypredictingtheweather:Thisisoneofthegreatestscientificachievementsofthe20thCentury,withhugesocietalandeconomicbenefits.FromThorpexReport,我国业务化数值天气模式的发展,天气预报技术的进步,Satellite,Rainfall,Radarmosaic,0622June212005,realtimemonitoringofseveretorrentialraininSouthChina,24H、48H降水预报评分,汛期大雨、暴雨预报评分,中央气象台预报质量,重大灾害性天气预报台风,我国台风路径预报误差逐年减小24小时:120KM(05),121.4KM(06)48小时:184KM72小时:282KM,中国-D3,中国-D5,中国-D7,、分别T213L312003年7月份3、5、7天预报500hPa距平相关系数,欧洲中心业务模式500hPa的距平相关系数,全球中期数值预报（60公里水平空间分辨率）可用预报时效（以北半球500hPa的高度距平相关超过60%为准）已达到6天（夏季5天）,多模式的比较降水TS评分,2007年台风路径预报主客观预报误差,热带气旋预报路径误差,美国,单位：海里/小时,台风强度预报,现状：台风强度预报业务仍以经验方法为主，主观性较强，为数甚少的统计或统计释用方法还不够成熟,预报精度也较低，预报技巧评分一直不高,日本,美国,气象业务中存在的问题,模式的预报时效与精细程度与世界先进模式相比还有很大差距重大灾害性、关键性、转折性天气气象探测、资料同化系统与国外先进水平相差甚远卫星、飞机、雷达、风廓线仪、闪电定位仪等信息使用效率不高，业务尚未建立数值分析预报产品的解释应用水平不高专业数值预报(海洋、水文、能源等)模式以国外引进为主，发展缓慢业务体制、布局、结构方面的不合理资源不能充分共享；研究型业务有待完善,我国气象灾害种类多、范围广、强度大、灾情重1990-2006年每年因气象灾害造成的直接经济损失为1859亿元，约占国内生产总值的1%3%，年均2.8%；1990-2006年因气象灾害造成的平均年死亡人数为4427人，每年近4亿人次受灾，农作物受灾面积达5000万公顷,气象观测的发展趋势,从人工观测到自动化遥感观测；从定性观测到定量观测；从以地基观测为主到以天基观测为主；从单一的大气圈观测到地球各大圈层及其相互作用的综合观测综合利用多种手段、多种技术，实现高准确度、高时空分辨率、连续、自动、一体化的定量观测实现对我国大部分地区灾害性天气的连续监测，高影响中尺度灾害性天气监测率达90%以上提高数据处理技术，融合各种观测数据加强部门和国际间的合作，共享观测资料,天气/气候业务的发展趋势,数值天气预报业务水平达到国际同期先进水平；全球数值天气预报模式的水平分辨率到10km（中国区域达1km），中期数值天气形势预报可用达10天以上资料同化和融合应更好地满足数值预报业务的需求专业气象服务精细化、个性化和针对性显著提高气候系统模式显著发展，并向地球系统模式发展气候业务向定量化、多领域、多应用方向发展,中美气象中心业务数值预报系统单次使用的气象资料,资料数量,JULY,200000UTC美国：511645中国：41759,同化技术和卫星资料的应用是重点之一,三维变分及ATOVS资料同化的预报可用时效,区域数值预报模式的发展,与临近预报技术结合，改进局地强烈灾害性天气的短时预警；提高QPF的质量；专业气象预报、城市环境气象；难点问题：物理过程优化、中尺度资料同化未来的业务系统：Grapes-meso；WRF,天气预报业务需要研究性业务的发展高素质的预报员队伍是关键,专业气象服务发展趋势,服务产品的精细化、专业化和服务手段的现代化实现对社会各行业无缝隙应用和服务航空气象农业气象水文气象交通气象海洋气象电力与能源气象空间天气空气质量与突发环境污染事件,气象信息系统发展趋势,高性能计算机能力明显增强建成全国广域网系统形成资料和档案管理体系，建立分布式数据库水文、航空、海洋等部门的气象信息系统取得较大发展全球范围的通信网络和信息技术快速发展数据管理技术和数据处理技术迅速发展,气象信息综合分析处理系统(MICAPS),MeteoroligicalInformationComprehensiveAnalysisandProcessingSystem:MICAPS“9210”工程(气象卫星综合应用工程)：卫星通信和地面通信相结合的气象信息网络系统气象信息的网络化传输和共享MICAPS与“9210”工程通讯、数据库系统配套，是“9210”工程下的一个子系统天气预报人机交互处理系统,气象信息综合分析处理系统(MICAPS),主要功能：通过检索，显示气象数据图像，对图形进行编辑和输出(还有收集预报业务管理数据等外围功能)，为预报人员提供一个中期、短期、短时天气预报业务的工作平台MICAPS的发展V1.0：1995，支持19类数据格式V2.0：2004.1，支持25类数据格式(扩展了站点填图数据(3)、等值线(4)、图像数据(13)和气象图元数据(14)；增加了表格、折线图、直方图、邮票图、饼图和玫瑰图的数据V3.0：2007.8试用