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全国灾害性天气监测、短时预报，全球短中期和延伸期天气预报及全国天气会商和灾害性天气联防等；精细化气象要素客观指导预报；区域中心区域内短时及中短期天气预报及会商指导、灾害天气联防；区域海洋、水文预报指导；省级灾害天气监测、短时和临近预报；精细化的气象要素预报；开展与邻省的灾害性天气联防；地市级灾害天气短时和临近预警，补充订正省台中短期预报和专业气象预报；县级灾害天气短时和临近预警，补充订正省台中短期预报；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

支撑预报预测科技支撑与保障保障需求综合观测公共服务保障保障支撑需求需求支撑基础核心根本信息网络计算机技术保障教育培训决策气象服务公众气象服务专业气象服务

业务系统平台

数值预报系统天气监测灾害性天气短时临近预报精细化天气预报专业气象应用研究和成果转化环境交通水文海洋

地基探测

天基探测

空基探测综合观测基础预报预测核心公共服务根本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预报时效预报对象预报方法天气监测灾害性天气、极端天气事件实时观测、气候分析临近预报（０－３h)害性天气及相关灾害外推预报(客观＋主观)

短时预报（3－1２h)灾害性天气及相关灾害，气象要素精细数值预报，动力诊断短期预报（12-72h）QPF、灾害天气、气象要素数值预报、集合预报，预报员订正中期预报（4-10天）QPF、气象要素、重大天气过程数值预报、集合预报，预报员订正延伸期预报（10-30天）重大过程，气象要素趋势动力统计、集合预报我国气象业务进展(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个自动气象站七十年代开始设计和研制1988.9.7风云一号A星极轨试验1990.9.3风云一号B星极轨试验1997.6.10风云二号A星静止试验1999.5.10风云一号C星极轨业务2000.6.25风云二号B星静止试验2002.5.15风云一号D星极轨业务2004.9.19风云二号C星静止业务2006.10.19风云二号D星静止业务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4770km3500km3000km1000km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93～1230E

20～450N水平分辨率5公里预报时效未来2天区域范围115～1200E37～420N数值预报的业务分工国家级数值预报业务区域中心数值预报业务省级数值预报业务全球中期数值天气预报5~10公里分辨率区域数值天气预报1~3公里分辨率的区域精细数值天气预报数值天气预报产品解释和应用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专业预报预报对象海洋气象全球及近海海面风、雾、能见度、海浪等海洋环境气象要素预报水文气象流域面雨量、汇流、径流、流量及区域渍涝预报；交通气象交通干线气象要素、灾害天气及路面温度、结冰等预报，环境气象空气质量、森林草原火险、地质灾害等；航空气象机场及航线上气象要素短时和短期预报公共卫生气象与人体健康有关的气象指数及环境指数监测和预报；能源气象电力负荷、能源安全的气象条件；旅游气象风景点区域的气象要素预报体育气象体育场馆的气象要素预报；盐业气象与盐业生产活动有关的气象条件预报；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开县高桥镇有毒气体扩散传输路径（23日22时-26日20时)0-500米高度内传输路径1500米高度上传输路径3000米高度上传输路径开县高桥镇48小时内有毒气体影响到地面的区域分布（23日22时-25日20时)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Progressin20thCentury

20世纪最伟大的科技进步之一Tremendousstrideshavebeentakeninnumericallypredictingtheweather:Thisisoneofthegreatestscientificachievementsofthe20thCentury,withhugesocietalandeconomicbenefits.FromThorpexReport1982.2大B模式(L5，d=381km)Northhemisphere3daysforecast1991.6T42L9Northhemisphere5daysforecast我国第一代1995.6T63L16Global7daysforecast我国第二代1997.6T106L19Global10daysforecast我国第三代2002.9T213L31Global10daysforecast我国第四代我国业务化数值天气模式的发展天气预报技术的进步

SatelliteRainfallRadarmosaic06~22June212005,realtimemonitoringofseveretorrentialraininSouthChinaSubtropicalHighMCSULJLLJMeiyufrontHighmoistureareaMid-leveltrough24H、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中国：24H：~120公里48H：~240公里72H：~300公里美国：24H：~90公里48H：~160公里72H：~250公里美国单位：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北半球提高近0.5天南半球提高近1天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