数值预报在航空气象中的应用

1、数值预报在航空气象数值预报在航空气象预报中的应用预报中的应用一、一、wafswafs的应用的应用提提 要要wafs系统及其模式简介wafs的grib数据介绍wafs数值预报产品的应用wafs定义wafs（英文全称：world area forecast system）是国际民航组织和世界气象组织专为航空气象设计的一套航空气象服务系统，1982年建立。目的：为航空气象用户提供图象和数字格式的气象预报产品。世界区域预报中心世界区域预报中心-wafc-wafcwafs有两个中心，即伦敦世界区域预报中心（英国国家气象局）和华盛顿世界预报中心（国家环境预报中心 ncep）。负责模式的运行与航空气象预报产

2、品的制作wafswafs卫星广播系统组成卫星广播系统组成民航的民航的wafswafs接收系统接收系统两颗卫星属于华盛顿区域预报中心，覆盖了太平洋区域（ por）和大西洋区域（aor)，叫iscs（international satellite communication system）；另一个卫星属于伦敦区域预报中心，覆盖了印度洋区域（ior），叫sadis（satellite distribution system）。目前中国民航有4套wafs接收系统,其中两套sadis，北京和广州各一套；两套iscs，北京和上海各一套。1996年此系统安装调试，1997年在北京民航气象中心开始业务运行。s

3、adis和iscs的所有数据已入民航气象数据库。 美国美国wafc模式的简介模式的简介the nws global aviation model水平坐标： 254谱截断，高斯格点是768384，相当于经纬度格点的0.50.5；垂直区域：垂直区域从地面（sigma=1）到大气顶层（sigma=0），从地面到顶层一共64层，地面和顶层附近增加其分辨率。最低层的大气压约为997.3hpa，最顶层为0.27hpa；垂直坐标：sigma坐标，lorenz格点，arakawa and mintz (1974)二次守恒差分方案。垂直分辨率：64层不等距的sigma层，地面气压1000hpa，低于800hpa

4、以下是15层，100hpa以上是24层。计算机的运行：t254模式24小时预报需要12分钟。improvements in data assimilation systemsincreased use of automated aircraft reports 英国模式的介绍英国模式的介绍unified model全球大气模式一天运行4次（以00z、06z、12z、18z为初始场），00z的资料模式在0150z开始运行，模式最长预报有效时间168小时（6天），48小时预报结果机器运行需18分钟，144小时预报结果机器运行需50分钟。唯一的全球格点模式。unified model基本方程：完全的

5、非近似的原始方程，非静力有限差分模式；水平格点：球形的经纬度坐标。南北极点分别是90s和90n。升级后的全球模式其水平分辨率是经度上0.8333度（432行），纬度上0.5555度（325列），在中纬度地区水平分辨率近似60公里。arakawa c的变量交错的格点；垂直格点：垂直方向38层，charney_philips的变量交错的格点。 insert figureshi_res_model_fig1.pshi_res_model_fig3.pswafswafs产品种类产品种类t4传真图bufr(binary universal form for the representation of m

6、eteorological data）码重要天气预告业务气象资料（opmet资料）grib grib 数据（数据（binary grid databinary grid data）未来的产品 gribgrib资料的应用资料的应用飞行文件风温度预告图opmet情报飞行计划制作航线计划优化航路飞机配载状况航路重要天气预报积冰颠簸制作航线计划任意航线剖面航站天气预报wafs是根据航空气象的特点而设计的天气预报系统，产品丰富。国家气象局和日本发布的数值预报产品着重点是一般的天气形式预报，没有航空气象需要的一些重要天气要素（如对流层顶高度、最大风的高度、积冰等）的预报，而这些产品都是制作飞行文件所必需的

7、资料。另外国家气象局和日本发布的数值预报产品对航空气象的应用来说预报时效太长，最短的为24小时，而航空气象要求的预报时效一般为9小时。wafs的产品则不同，它提供6、12、18、24、30、36小时的预报，特别适合于航空气象业务的应用。数值预报可视化系统数值预报可视化系统气象数据库气象数据库中定时提取中定时提取grib资料资料 数据插值计算数据插值计算数据分类、统一计数据分类、统一计算处理成为二进制算处理成为二进制、无格式数据、无格式数据grads基本基本图形制作图形制作图 形 产 品图 形 产 品二次处理二次处理根据不同天根据不同天气类型图形气类型图形分类打包分类打包输出显示输出显示常 用常

8、 用资料资料降水资料降水资料大风资料大风资料积冰指数积冰指数对流指数对流指数对流层顶资料对流层顶资料最大风速资料最大风速资料业务运业务运行资料行资料美国数值预报产品美国数值预报产品地面气压、总降水资料、对流降水资料。地面气压、总降水资料、对流降水资料。最大风速层所在高度、风向、风速。最大风速层所在高度、风向、风速。对流层顶所在气压、温度。对流层顶所在气压、温度。2米高度上的温度和湿度。米高度上的温度和湿度。 10米高度上的风向和风速。米高度上的风向和风速。标准气压层：标准气压层：1000hpa70hpa九个层次的风向、风速、九个层次的风向、风速、位势高度、温度、相对湿度和垂直上升速度等。位势高

9、度、温度、相对湿度和垂直上升速度等。资料的预报时次为：资料的预报时次为：6小时、小时、12小时、小时、18小时、小时、24小时、小时、30小时、小时、36小时小时6个预报时次。个预报时次。 最大风速层资料：包括最大风速层所在高度、风最大风速层资料：包括最大风速层所在高度、风向、风速。向、风速。对流层顶资料：包括对流层顶所在气压、温度。对流层顶资料：包括对流层顶所在气压、温度。标准气压层资料：其中包括标准气压层资料：其中包括850hpa70hpa八个层次的风向、风速、温度、相对湿度等。八个层次的风向、风速、温度、相对湿度等。资料的预报时次为：资料的预报时次为：6小时、小时、12小时、小时、18小

10、时、小时、24小时、小时、30小时、小时、36小时小时6个预报时次。个预报时次。英国数值预报产品英国数值预报产品gribgrib数据诊断分析数据诊断分析 为了使数值预报产品在天气预报中发挥为了使数值预报产品在天气预报中发挥更好的作用，在更好的作用，在原基本量原基本量的基础上计算出的基础上计算出诊断量诊断量。如风场引起的。如风场引起的低层质量辐合、高低层质量辐合、高层辐散层辐散；表示湿度情况的；表示湿度情况的温度露点差、水温度露点差、水汽通量、水汽通量散度汽通量、水汽通量散度。表示冷空气强度。表示冷空气强度的的温度平流、全风速、地面气压场、温度温度平流、全风速、地面气压场、温度场高度场的场高度场

11、的6小时变化小时变化；表示能量的如；表示能量的如相相当位温以及位温平流当位温以及位温平流等。等。对流指数：sweat指数tt指数850hpa与500hpa的温差e平流k指数对流降水量诊断分析产品对流指数对流指数介绍对流指数对流指数 强天气威胁指数简称“sweat 指标”，记作“i” i = 12 td850 + 20（t-49）+28 8+ 5+125 （s+0.2），其中s=sin(a500-a850)，式中各项不为负数。 强天气威胁指数（sweat）目前在许多国家和地区得到应用。它是根据328次龙卷风资料和日常预报经验得出的一个预报指数。 上图是根据wafs美国华盛顿27日1200utc预

12、报资料制作的sweat指数18小时(28日0600utc)预报场。由图可以看出：北京处于sweat指数的梯度区，且指数的值在250以上。 据统计，雷暴出现前sweat指数多在150以上。同时，统计显示，在雷暴持续时间较长或伴随强对流天气的雷暴中，sweat指数多在300以上，可见sweat指数越大，出现雷暴可能性越大，强度也可能越大。 sweat指数预报图指数预报图k指数（气团指标）（气团指标） k=（t850-t500）+td850-（t-td）700 温度直减率中层饱和程度低层水汽条件对流指数对流指数 k指数能够反映大气的层结稳定情况, k指数越大,层结越不稳定，但它不能明显表示出整个大气

13、的层结不稳定情况。k值大小与可能出现雷暴活动的关系为： k20，无雷暴 20k25，孤立雷暴 25k30，零星雷暴 30k35，分散雷暴 k35，成片雷暴，成片雷暴 对流指数对流指数 tt指数指数tt = t850 + td850 - 2t500全总指数（tt）是20世纪70年代由miller引入的。tt越大越容易发生对流天气。位温及位温平流 位温e的定义为空气沿干绝热过程变化到p=1000hpa时的温度。 e在假绝热过程中守恒。大气层结稳定度可用e的垂直分布表征，即当 0时，大气层结呈对流不稳定，即大气中e随高度升高而降低时大气为对流不稳定。位温平流同时代表了温度和湿度的平流，直接反映了相应

14、高度层的e变化趋势，使我们可以更方便的判断各层e的垂直分布变化情况从而更准确地判断大气层结的未来趋势。pe对流指数对流指数 位温平流 e平流的表达式为：dydvdxduee 当中低层的e平流为正，中高层的e平流为负时，说明低层有正的能量输入，高层有负的能量输入，易产生对流性天气且进一步维持。当中低层的e平流为正，中高层的e平流也为正，但低层平流量远大于高层平流量时，也要特别注意不稳定能量的潜在威胁。 因此选取了低层850hpa及中层500hpa的e平流来表征大气层结的对流不稳定变化趋势。图 为2003年5月28日0600utc 700hpae值，黑点为北京（根据wafs美国华盛顿据27日120

15、0utc预报资料制作）。单位: 为了判断上下层能量平流的差别，我们统计500hpa与850hpa的e平流差值。64次雷暴日中，28次为负值，即500hpa相对于850hpa为小的能量平流，占总数的43.8%。但在伴随10mm以上降水量的9次较强雷暴中，有7次为上负下正，可见中低层e平流差对于强雷雨和持续雷雨的预报具有一定指示意义，但对于一般性雷暴，则指示意义不大。此结果也说明了强雷雨需要较持续的不稳定能量的输入。垂直速度 垂直速度由积分连续方程得到： p=p0+( )(p0-p) 这里垂直速度仅指大尺度运动的垂直速度，不包括对流性上升与下沉运动的速度。正值为下沉运动，负值为上升运动。yvxu

16、图 为2003年5月28日0600utc 700hpa垂直速度,阴影区域为上升运动区（根据wafs美国华盛顿据27日1200utc预报资料制作） 统计63次雷暴日中，700hpa及850hpa均为上升气流的次数为28次，占总数的44.4%，而有一层以上为上升气流的次数为48次，占总数的76.2%，说明雷暴出现时并非中低层均为上升气流，而是在中低层存在上升气流即有可能出现雷暴。 同时，在20次强雷暴中，两层均为上升气流的次数为12次，占总数的60%；850hpa为上升气流的16次，占总数的80%；700hpa为上升气流的14次，占总数的70%。而且中低层上升速度越大越有利于雷暴的产生。航路积冰预

17、报航路积冰预报 积冰指数积冰指数(rh-50)*2)*(t*(t+14)/-49)指数为正，代表孤立的潜在积冰区，而指数为正，代表孤立的潜在积冰区，而最可能最可能出现积冰的区域，积冰指数接近出现积冰的区域，积冰指数接近100。 1、颠簸指数lp指数法： 当l0时预报有颠簸 ，计算出概率p诊断分析产品介绍7.2680.7180.3182.52utulznn0 . 5 911lpe判断：当70%p50%，预报有轻度颠簸；当85%p70%，预报有中度颠簸；当p85%，预报有严重颠簸； 特点：同时考虑了风场水平切变、垂直切变和温度场水平切变对颠簸的影响颠簸指数ellrod 指数 垂直风切变 vws=

18、散度 div=总形变 def= 其中切变项dsh=拉伸项 dst=诊断分析产品介绍eivwsdefdivvz 根据ei判断：当8ei4时，预报有轻度颠簸；当12ei8时，预报有中度颠簸；当ei12以上时，预报有严重颠簸； ()dudvdxdy22dshdst()d vd ud xd y()dudvdxdy特点：主要考虑风场垂直和水平切变以及形变对颠簸的影响 20042004年年1111月月9 9日雷雨天气的分析日雷雨天气的分析天气过程简述9日北京时0740-1042本场及周围阵雨，0746-0915雷雨，下午至夜间小雨，整个过程降水量9.8mm。各气象要素的分析湿度稳定度指数（sweat in

19、dex）700hpa的风场(低空急流）能量值降水量要素选择说明主要以美国wafs的2004年11月8日12utc的数值预报资料来分析。本报告分析的各要素从预报雷雨有指示的角度出发，没有明显指示的要素没有分析。地面的相对湿度的分布表明地面湿度大低层1000hpa的t-td，能看出来有明显的水汽输送，温度场表现不明显700hpat-td与风场，700hpa存在着明显的低空急流，形成了底层很强的暖湿平流，加强了层结不稳定thetae分布：高能舌区与雷雨的对应区雷雨出现在700hpa高能舌区雷雨出现在700hpa高能舌区对流降水量与地面雷雨区对应好，而且从降水量看这次过程的预报与观测吻合好。对流降水量

20、与地面雷雨区对应好，而且从降水量看这次过程的预报与观测吻合好。700hpa的涡度区500hpa的涡度区小结总的说来，wafs的数值预报产品对此次雷雨是有很好的指示意义的。以上只是对此次雷雨过程一些参数的描述，但不一定适合其它的雷雨过程。 对不同天气形势下出现的雷雨，其气象参数及物理量的指示不一定相同。要针对不同的形势总结参数的使用，有的参数在这次过程有用，但在另一次过程中不一定有明显的指示作用。任何资料的使用都应积累经验，总结其优势。个例2:2005年5月30日冷涡雷雨日期时段降水性质系统降水量 5月月30日日 1420-1928utc -tsra冷涡冷涡 5月月31日日 0616-0715u

21、tc1052-1218utc -tsra， 市区冰雹市区冰雹 tsra 1110-1130b本场冰本场冰雹雹冷涡冷涡90日期s指数k指数雷雨时段5月月30日日08时时-2.223.95月月30日日20时时-7.016.91420-1928utc， -tsra5月月31日日08时时-2.825.10616-0715utc，-tsra， 市区冰雹市区冰雹5月月31日日20时时-1.237.11052-1218utc ， tsra 1110-1130b本场冰雹本场冰雹5月30日至31日雷雨形势介绍 5月30日08时从500hpa至850有冷涡，地面锋面，随着500hpa的冷空气东移，有对流云生成东移

22、，移动过程加强，中午之后管区开始有对流回波，回波一直维持，本场1420utc至1908utc雷雨；500hpa冷涡后部的高压脊向东伸，预示着冷涡后部有冷空气下渗，31日受低层辐合气流和冷涡的影响，0610utc至0715utc本场雷雨，市区冰雹；1052utc至1218utcb本场雷雨，其中1110utc-1130ut冰雹。5月30日至31日雷雨wafs500hpa的系统变化5月30日至31日雷雨wafs近地层辐合带的维持5月30日至31日雷雨wafs稳定度指数5月30日至31日雷雨wafs总结wafs数值预报产品在航空气象预报及服务中发挥了很大的作用；进一步做好释用,使wafs数值预报产品在

23、航空气象预报中起到更大的作用；以此为初始场制作中尺度数值预报模式，为民航气象预报及服务提供更精细的产品。二、日本数值预报一天之中我们接收四个时次初始场的日本传真图，但业务工作使用的主要是00和12utc两个时次的传真图资料。日本传真图的种类日本传真图的种类 ：500hpa500hpa高度、涡度预报高度、涡度预报地面降水和风场预报地面降水和风场预报500hpa500hpa温度和温度和 700hpat-td700hpat-td度预报度预报850hpa 850hpa 风、温和风、温和700hpa700hpa垂直速度预报垂直速度预报4848小时地面气压、降水预报小时地面气压、降水预报4848小时小时5

24、00hpa500hpa高度、涡度预报高度、涡度预报日本数值预报图上的主要内容所用的符号、单位、等值线的间隔、形状和有关说明 符号符号内容内容单位单位等值线等值线说明说明间隔间隔形状形状height(m)位势高度位势高度gpm60粗实线粗实线高低中心分别标注高低中心分别标注h、l，300hpa以上以上层次间隔层次间隔120gpmisotrch(kt)等风速线等风速线n mile/h20虚线虚线在在300hpa以上层次用以上层次用precip(mm)2436降水量降水量mm5虚线虚线标有中心数值，方括号内表示出预报时标有中心数值，方括号内表示出预报时段段p-vel(hpa/h)p坐标垂直速度坐标垂

25、直速度hpa/h10虚线虚线标有正负中心值，标有正负中心值，0值线用细实线，上值线用细实线，上升运动区（负值区）用阴影区表示升运动区（负值区）用阴影区表示surface press(hpa)地面气压地面气压hpa4实线实线高低中心分别标注高低中心分别标注h、l，北半球图上，北半球图上等直线间隔为等直线间隔为10hpatemp(c)温度温度3粗实线粗实线冷暖中心分别标注冷暖中心分别标注c、w，300hpa以上以上层次直接标出各点温度值层次直接标出各点温度值t-td(c)温度露点差温度露点差6细实线细实线以阴影区表示以阴影区表示t-td3区区vort(10*-6/sec)涡度涡度10-6/s20虚线虚线标有正负中心数值，标有正负中心数值，0值线用细实线，值线用细实线，正涡度区用阴影区表示正涡度区用阴影区表示wind arrow风矢风矢直接用羽矢填在各计算格点上，规定同直接用羽矢填在各计算格点上，规定同常规天气图常规天气图三、三、中尺度数值模式中尺度数值模式mm5mm5非静力平衡中尺度模式mm5是由美国国