甚短期天氣預報:概念,套用價值,氣象學基礎,預報方法,時間和空間考慮,線性外推法,

甚短期天氣預報（very short-range forecast, VSRF），簡稱甚短期預報，預報時效在6 - 12小時之內，針對急髮型危險天氣事件而作的較具體的天氣預報。通常，超短期預報具有顯著經濟和社會效益，是80年代預報服務發展的一個方向。

基本介紹

中文名：甚短期天氣預報
外文名：very short-range forecast
學科：天氣學
預報時效：6 - 12小時之內
價值：具有顯著經濟和社會效益
預報方法：中尺度數值預報模式和外推法

概念,套用價值,氣象學基礎,預報方法,時間和空間考慮,線性外推法,中尺度數值模式,試驗預報設施,

概念

甚短期天氣預報（very short-range forecast, VSRF），簡稱甚短期預報，預報時效在6 - 12小時之內，針對急髮型危險天氣事件而作的較具體的天氣預報。

套用價值

通常，超短期預報具有顯著經濟和社會效益，是80年代預報服務發展的一個方向。

在航空方面很早就知道VSRF的經濟價值，不但是為了安全，同時也推動了很多國家航空天氣服務的組織。儘管現在飛機本身受天氣的影響比以前小，但隨著民航的日益發展，VSRF服務的經濟效益是明顯的。

一般的工業國家更容易受到天氣危險的影響，例如道路和交通管理、建築行業和電力系統等，強天氣的預報和警戒能夠在這些領域防止建築物的危險和拯救人們的生命。

很多國家勞動時間縮短，空閒的時間增加，使人們有愈來愈多的時間進行徒步旅行、航海和滑雪等活動。在這些活動中，有時容易受到突然而來的天氣危害。

實際上，許多國家正在增加對於VSRF的需要，以保護公眾的安全，增加經濟效益〔或者使天氣引起的損失減為最小)，和改進環境條件和生活水平(例如業餘時間的活動)。

氣象學基礎

傳統的天氣局是為處理天氣尺度現象而建立的，在陸地上是以至少100km水平格距的觀測為基礎的。在這種情況下，天氣系統的生命史為1 - 2天，這使得有可能用每隔6 - 12小時的觀測頻率確定它們的發展。

對於預報時效短於12小時的情況，中尺度天氣現象的預報成為主要的，這並不意味著天氣尺度系統的發展是不重要的。但是對於時效在6小時內的時間尺度，天氣尺度系統的發展遠比中尺度現象的發展緩慢，而且在某種情況下可把天氣尺度環流看作是準靜止背景流場，在這個背景流場中，更多的短生命中尺度系統發展。在一般情況下，能夠有辦法預報的是天氣尺度流場而不是中尺度環流場。圖1 給出大氣運動系統的時間和空間尺度示意圖，圖中勾畫了中尺度系統的範圍。根據傳統的定義，中尺度的空間範圍從幾公里到2000公里，時間範圍從半小時到6 - 12小時。由於在世界上不同地區有著不同的外部強迫參數，按照需要確定的界限是不固定的。

Piolke(1981)已經提出一個動力學的中尺度定義。中尺度是大氣環流中這樣的尺度：它的水平尺度要足夠大，足以基本上建立大氣靜力平衡；另外它又要足夠小，以致使行星邊界層以上的風場明顯偏離梯度風平衡。Orlanski(1975)將中尺度進一步劃分為α、β和γ三類。熱帶氣旋、極地低壓和鋒面系統歸入最大的α中尺度；β 中尺度涉及大部分的Pielke定義的流體靜力/非地轉運動系統，例如海陸風，一些像山谷風、下沉風、流體靜力山脈波動等等的地形強迫運動；γ中尺度與對流尺度和比較小尺度的地形引起的運動和內重力波相對應。

在討論中尺度運動系統的時候，按照它們產生和維持的機制分為三類：

（1）天氣尺度引起的系統，例如：鋒面降雨帶、颮線和中尺度對流複合體；

（2）地形作用引起的系統，例如：海陸風、山脈一湖泊擾動、城市環流和山脈上空的強迫氣流；

（3）局地不穩定作用，例如：對流單體、極地低壓、颶風等。

和大部分大氣環流系統一樣，不同尺度之間有各種強度的非線性耦合作用。也就是，地形特點影響天氣尺度的強迫作用，而天氣尺度的變化對於中尺度系統的發展又是重要的。但是從中尺度的觀點來看，像地勢地形、海面溫度等等的地面特徵，在時間和空間尺度上是固定的。天氣尺度系統的發展是緩慢的，但在很多情況下,它對於中尺度現象的發生是決定性的。

通過不穩定機制系統釋放其能量需要適宜的條件，確定或預報這些條件是困難的。從其對資料的需要和我們缺乏對它的基本動力學的理解來看，在很多方面這是最難以預報的問題之一。

此外，中尺度運動系統的可預報性為它們的生命史所限制。例如，對流系統的生命史是1 - 3小時，水平尺度約10 - 20km。對流活動個體的可預報性，小於3小時。這些情況將形成任何VSRF系統所必須滿足的必要條件。這些要求都與觀測、資料處理、預報和傳遞等手段有關係。

以上所談可總結為圖2。

預報方法

預報方法主要是根據急髮型天氣發生髮展的規律套用中尺度天氣系統的演變模式，分析其流場和氣壓場的演變過程，並對反映大氣熱力、動力、水汽條件，不穩定狀態等之各種物理量進行診斷分析，同時，利用雷達及靜止衛星顯示的中尺度雲團的數位化資料，結合中尺度數值預報模式和外推法等作出預報。

氣象台預計短期內將有強雷暴等災害性天氣出現時，通過快速傳輸通訊系統，即時發布預報或警報，以便採取防範措施，減少損失。

時間和空間考慮

處於發展初期的VSRF，是以相當簡單的預報方法做基礎，為此科研部門應該研製更精細的預報方法。設計使用雷達、衛星情報來診斷和預報強風暴及其他強中尺度現象方法的研究工作，在很多國家至少已進行了10年，像英國的莫爾文，加拿大的麥吉爾的雷達小組，已經設計了簡單而有效的降水外推預報方法。

如上所述，Noweasting和提前2到12小時的VSRF有區別。前者給值班預報員的時間有限，不可能使用任何精心製作的複雜模式，例如數值模式。後者則有比較長的時間以收集更多的資料並可以處理該時間範圍內出現的非線性發展。

下面列出是用作指導預報的方法(從Noweasting到12小時預報)。

（1）線性外推——自動的、半自動的或人工的(0 - 3小時)；

（2）預報具體“事件”(輻射霧、路滑)的簡單的物理/動力模式(0 - 6小時)；

（3）邊界層模式(BLM)，1、2、3維(3 - 12小時)；

（4）“HIRLAM”(高解析度有限區模式)(4 -12小時)；

（5）BLM和HIRLAM的統計解釋(4 - 12小時)；

（6）中尺度模式(MSM)(作為BLM和HIRLAM的一種結合)(2一12小時)。

線性外推法

對於從衛星和雷達資料預報降水和雲，是廣泛使用外推方法。早已設計和試驗了幾種這樣簡單的外推方法，例如Austin和Bollon(1982)，Browning等(1980)，Mueneh和Hawkins(1979)和Muenhc(1981)。所有這些方法都使用某種交叉相關或圖型識別技術，從某一個時間的回波確定另一時間的回波。Carpenter和owens(1952)己對Browning等(1982)討論的外推預報進行了評價，並和一些其他方法作了比較。已經對降水有無，前一小時預報的平均的臨界成功指數(CSI)進行了比較。用英國方法進行鋒面降水預報的CSI為61，對流降水預報的CSI為28，似乎稍優於其他的方法。Ausitn和Bellon就此而論的評分是11。預報的技術水平隨提前時間的增加而下降，6小時的對流降水預報就沒有水平。比較表明，進一步的主觀修改預報能有一些改進，其主要是因為消除了初始場的顯著誤差。

試驗也指出，為了改進對於雷暴和對流複合體等的可預報性，需要發展理論的系統生命史模式或其他的從觀測推斷強度、範圍和運動變化的關係。Garsrang和eooper(1952)已經指出，地面風輻合是系統有新的發展的指標，能夠用於預報對流活動。這樣的情報可以從都卜勒雷達或從稠密的地面站網得到。

中尺度數值模式

在過渡時期，作為大尺度預報對時間範圍3 - 12小時(或更長)的中尺度動力解釋的一種方法，邊界層模式(BLM)將起重要的作用。Rousseau和Pham(1983)已經試驗過這樣一種方法。

中尺度模式和大尺度模式不同，它覆蓋一個較小的面積，小於1000×1000km²。這樣的模式必須有非常好的指定側邊界值，來考慮天氣尺度變化。在中尺度模式中，對於邊界層過程也必須有很好的表示，因為大部分熱力和地形的強迫運動從與地面交換過程中取得能量，這些過程常常比自由大氣動力過程更加重要。

中尺度模式和大尺度模式占用計算機時間是相當的，它們在天氣服務中會和舊有數值模式爭奪計算機中心處理裝置的時間。由於中尺度模式將會使計算機增加額外的負載，所以在它們成為業務作業之前還要有一定的時間。英國氣象局現在裝備有CYBER一205，可以預料英國將會是第一個進行中尺度模式業務運算的國家，法國在購買了CRAY計算機之後，很可能是第二個國家。中尺度數值模式的成功與否，將取決於研究部門和天氣局對於下列問題解決的程度和速度：

（1）和模式同樣解析度的初始場觀測資料；

（2）劇烈的非平衡強迫過程的初值化；

（3）中尺度對流的參數化。

試驗預報設施

中尺度預報領域內的進展，與在一些地方建立起的試驗設施相聯繫。其中最為重要的是美國的PROFS探測發展設施(EOF)，英國的FRONTIERS分析和預報系統，瑞典的PROMIS一600試驗站。在美國和英國的設施中，已經進行了大量的收集和分析雷達、衛星和輔助資料，並通過人機對話的計算機和圖片顯示系統預報降水和強風暴的工作。1983年開始的瑞典課題，將用4年時間試驗各種資料及其業務套用的方法。

如果在預報機關可以得到足夠的計算機能力，當地的預報員很可能設計出統計方法、簡單的物理模型等，來製作VSRF。

甚短期天氣預報