第一节 天气预报方法研究 一、短期天气预报 （一）暴雨预报方法研究
暴雨预报是天气预报的重点和难点。黑龙江省、市级气象部门一直把暴雨预报方法的研究作为科研工作的重点。
1986～1990年，黑龙江省气象科学研究所、黑龙江省气象台及牡丹江、佳木斯市气象台开展了大到暴雨预报方法研究。采用诊断分析、能量分析、谱分析、数值模拟等技术，对暴雨发生发展的物理机制进行了分析，既强调南方热带辐合带的活跃和季风的强盛对暴雨的影响，又强调北方阻塞系统和冷空气活动在暴雨形成中的作用。充分运用雷达、卫星资料和数值预报产品在暴雨分析和预报中的作用。1991～1993年，黑龙江省气象台利用哈尔滨市单站每日6小时降水资料，采用2点、8点、14点、20点4个时次的任意滑动24小时作为日界，找出暴雨个例日期，选出符合标准的暴雨个例，对暴雨的影响系统和天气形势进行分型归类，提炼预报指标，制作完成了哈尔滨单站暴雨预报专家系统，利用计算机进行推理判断，得出预报结论。
1991年，松花江大水，特别是1998年松花江、嫩江特大洪水之后，黑龙江省气象科研人员先后承担了中国气象局和黑龙江省科委下达的暴雨预报技术课题，对暴雨大尺度环流条件、影响系统等进行了系统研究，其中，黑龙江暴雨、东北冷涡、松花江嫩江特大暴雨洪涝灾害预测的研究等科研课题成果先后获中国气象局、黑龙江省人民政府科技进步奖。
2002年后，黑龙江省气象台开展了松嫩流域面雨量分析和预报技术研究。在研究中根据嫩江、松花江干流和第二松花江按照江河流域范围及分水岭、台站分布和降雨规律及影响天气系统、重点城市和工业布局、水利设施调控能力等，划分为15个区（面），采用逐步回归作数学模型，利用T213数值预报产品制作面雨量预报。在因子选择上，考虑变温、变高场与降水有很大关系，在处理时增加了变温、变高场。以700百帕及以下各层作主要层次，普查各要素的相关关系，选出相关性较大的作为初选因子。再计算3种不同的预报方程，选出最佳方程。通过对1998年夏季逐日各区域面雨量的试报，预报准确率较高。采用相似预报方法，基于天气形势相似，降水状况可能相似的思路，利用T213资料提供的24小时、48小时700百帕高度预报场进行相似运算，找出历史相似预测作为一级相似样本库，再从中找出θsc场的二级相似，确定与预报当天最相似的3个个例，对3天的降水实况加权平均，作为降水预报值。
研究认为，影响松嫩流域季降水的大尺度环流系统，一是西风带低值系统，经常伴有阻塞形势；二是夏季季风，包括东亚西南、东南两支季风。单独的西风带系统影响时间主要在7月中旬前，多为局地暴雨；7月中旬到8月中旬季风盛行时，区域性暴雨明显增加，流域的南部和东部影响最大；当西风带低值系统和季风配合，暴雨出现的机会、范围、强度都明显变大。主要影响系统有西风带长波系统（乌拉尔山阻塞高压、雅库茨克鄂霍茨克阻塞高压、贝加尔湖阻塞高压），西太平洋副热带高压，热带低值系统（西太平洋热带辐合带、印度洋热带辐合带）。
松嫩流域产生区域暴雨的天气形势主要有低涡（低涡前部暴雨、低涡西北部暴雨）、辐合气流（指西北冷平流与西南暖平流交汇、锋区明显加强）、西风带冷槽与副热带高压西北侧暖湿气流交绥（表4－1）。
产生区域暴雨的地面天气系统主要有南来气旋（河套低压、华北气旋、渤海低压、江淮气旋、倒槽等）、蒙古气旋、贝加尔湖低压和东北低压。
研究认为，1998年松嫩流域发生特大暴雨的天气形势特点是：亚洲中高纬度地区阻塞形势、东北冷涡长时间控制、西太平洋高压北进、东南向夏季风强劲等。在暴雨中尺度系统分析中指出，产生强降水的云团有三类，即云团合并、云团稳定和云团处于减弱时产生强降水。中尺度雨团的特征是，生成地点都在嫩江流域附近，分稳定性和移动性雨团两种，雨团平均持续时间3小时，雨团有气旋式分布和路径，一般在中尺度云团内或下风方一侧产生雨团。在嫩江流域西侧存在一条准静止的200公里切变线，在其附近不断产生雨团。从暴雨的雷达回波特征分析中可以看出，多个对流单体重复在一地降水形成暴雨；在对流回波带走向与移动方向一致时持续经过一地形成暴雨；在混合型回波中特别强的对流回波区是暴雨、大暴雨区。此项研究还包括暴雨过程的物理诊断和动力条件、水汽条件分析。
利用松嫩流域39个站点、1951～1998年降水资料及相应年份NCAR－NCEP资料对松嫩流域暴雨天气形势进行研究表明，暴雨发生的大尺度环流形势分为：西风带长波系统，包括东亚大槽、低涡、乌拉尔山长波脊或阻塞高压，雅库茨克－鄂霍茨克阻塞高压、贝加尔湖高压脊。副热带高压与西藏高原暖脊或大陆暖高压东移合并加强，北伸我国大陆东岸，对低值系统的移动起引导作用，其西侧的偏南气流向北输送大量的暖湿空气；热带低值系统，孟加拉湾和副热带高压共同作用，形成较强的西南气流，使中纬度气旋向东北方向移动，西南低空急流又为水汽输送提供通道；台风，主要路径有抛物线形路径偏西类和偏南类、沿华北低槽北上类、反“S”形路径类、直接北上类以及台风输送水汽和能量的影响。暴雨发生的高空环流形势分为：低涡暴雨，包括低涡前部暴雨、西北部暴雨；辐合气流型暴雨，即西北冷平流与西南暖平流交汇在松嫩流域，气流辐合处产生暴雨；西风带冷槽与副热带高压共同作用的暴雨，包括经向型、纬向型两类。统计表明，在1951～1998年期间出现暴雨的环流形势中，属低涡的有101次，占57.7％；辐合气流型暴雨38次，占21.7％；而西风带冷槽与副高共同作用的有16次，占9.1％。研究指出，区域暴雨产生的地面天气系统主要有南来系统（河套、华北、渤海、江淮低压或倒槽）、西来和北来系统（蒙古气旋和贝加尔湖低压）、东北低压。其中，南来系统形成区域性暴雨次数最多，占43.4％；西和西北来系统暴雨占33.7％；东北低压暴雨占11.4％。
（二）MOS预报与专家预报系统
从1986年开始，黑龙江省气象台加大了数值预报产品的开发应用科研力度，分别建立了单站晴雨、区域性降水、大风、气温等MOS预报方程，并在业务应用中不断改进预报方程。20世纪90年代，在微机上实现了从资料采集、筛选因子、计算机处理直至输出预报结果全程自动化。到1993年，相继完成了台风预报专家系统、暴雨预报专家系统、哈尔滨市大到暴雨预报专家系统以及大雪、寒潮预报专家系统的研发工作。这些系统大量吸纳了预报专家提供的定性和定量的预报经验，收集来自各种渠道的气象信息，将人的分析、推理、联想能力与计算机的快速运算、大量存贮和记忆能力相结合，经检验证实，这套综合预报系统有很好的应用效果。
1994～1995年，黑龙江省气象台研制了黑龙江省T42MOS预报业务系统。利用中国气象局发布的T42MOS数值预报产品，建立了黑龙江省31个重点站的降水、极温、大风等MOS预报方程，并对T42MOS初始资料进行破译，实现了MOS预报业务运行自动化。在MOS方程建立上主要考虑自动化需要，省时、省力、减少人的干预，T42资料实现自动破译、以图形方式输出MOS预报产品。
佳木斯、绥化、齐齐哈尔、伊春等市气象局均对MOS预报和专家预报系统进行了研究。佳木斯春季大风MOS预报方法、黑河地区夏季晴雨、高温B模式配套方程的建立和应用、地区台分片指导预报方法、佳木斯分县要素指导预报方法等均获黑龙江省气象局科技进步奖。
（三）中尺度预报业务系统
1993～1995年，黑龙江省气象科研人员以中国气象科学研究院PSU／NCAR中尺度模式MOMS－1为主要蓝本，根据黑龙江省夏季降水需要进行改进，建立了有限区域数值预报降水模式业务系统，主要分为初始场建立、数值模式、输出和检验三部分。在微机上建立了格距为100公里的数值预报模式，预报未来24小时降水。
2002年，黑龙江省气象局以引进美国中尺度数值预报模式MM5为核心，研究建立了中尺度数值预报业务系统，先后在P－Ⅳ微机和1 000多亿次群组计算机上运行。该系统建立的MM5模式在垂直方向上分23层，采用两层嵌套，使用兰勃托正投影。其外网络点数共154个，格距为45公里，中心点在北纬45°、东经123°，覆盖面积3690公里×3150公里。内网格点数共170个，格距15公里，覆盖面积1305公里×1215公里，不仅覆盖黑龙江省，还包括吉林省大部和内蒙古自治区东部。模式的基础参数主要包括地形高度和下垫面（13种陆地指数）。模式的初始场资料使用国家气象中心T213资料，每6小时更新一次。同时还利用8点、20点地面、探空气象报告。每天分12小时运行2次制作预报，产生图形产品和各站指导预报产品。
2003年，哈尔滨市气象局研究设计了中尺度灾害性天气监测预警系统。包括4个部分：多普勒雷达资料远端接收处理系统。通过光纤宽带网同步接收黑龙江省气象台多普勒天气雷达的全部实时产品，对暴雨、飑线、龙卷、冰雹等灾害性天气实现实时监测，对降水量分布和区域降水量进行估测。中尺度天气监测网。包括NOAA极轨卫星云图接收处理产品（积雪、火情、水情、植被、干旱、雾、沙尘暴、城市热岛、云图等产品），在市区范围内建立由12个自动站组成的自动气象监测网；在89个乡镇建立雨量温度自动站与其他104个人工雨量点构成全市雨量监测网，形成县级气象灾害监测收集系统。灾害性天气预报警报服务系统。制作提供0～12小时，特别是3～6小时暴雨、雷暴、冰雹、大风等短时灾害性天气预报及分县指导预报等。通信网络系统。哈尔滨市本级气象信息计算机网络采用千兆以太网，即以千兆交换机作为信息网络中心交换机。哈尔滨市气象台、哈尔滨市人工影响天气中心和哈尔滨市专业气象台分别设百兆交换机，通过树状结构图线垂直子系统与千兆交换机相连。为了减少雷电对系统的破坏，建设中增设了防雷和雷电波入侵等工程，确保系统运行安全。
（四）市（地）级预报业务系统
1992～1994年，绥化、伊春等5个市（地）气象台合作开展市（地）级预报业务系统的研究，该系统是依托网络，根据气象业务实际情况开发的软件。完成了市（地）业务所需要的6个子系统，即通信传输子系统、11个层次物理量客观诊断分析子系统、图形处理显示子系统、中短期客观定量预报子系统、气象专业服务子系统和预报业务管理子系统。该系统利用C语言编译，各子系统在主控程序下为积木式结构，运行稳定，界面良好；以9600bps速率接收省级资料，建立了地区NOVELL局域网中的实时资料库，并通过局域网终端以4800bps速率进行地～县数据传输；可进行1000百帕～100百帕十一层次，格距为100公里，范围为2000公里的客观分析，并完成50个物理量诊断分析，运行器10分钟可以完成此项工作（386／40微机）；可处理显示剖面图、物理量诊断分析图和数值产品图、T－inp图、地区指导预报图，并具备图形的屏幕存贮、显示、打印等功能；建立了短期区域性暴雨预报专家系统、短期MOS预报自动化系统、数值预报产品的综合应用、市（地）气象台分片指导预报、预报编辑、中期旬天气预报业务系统等子系统；建立了气象专业服务子系统，具有查询、检索、修改和补充功能；建立了3个专业预报方法；根据预报提供的内容可进行服务决策输出；建立了微机控制的预报质量管理和预报员档案管理。此项成果获黑龙江省气象局和中国气象局科技进步奖。
（五）卫星云图和雷达回波应用技术
1987年，黑龙江省气象台利用气象卫星云图对哈尔滨市7～8月份冷锋降水卫星云图特征进行研究，得出冷锋生消以及冷锋降水的卫星云图云系演变过程特征，提高了气象卫星云图资料在日常预报中的使用效果。1988年，利用1983～1987年内5～9月逐日卫星云图资料，结合天气形势和降水实况做了大量统计，得出不同天气系统对应云系特征以及各月份对流天气易发展区域等统计结论，为预报这类天气提供了依据。1989年，对台风造成黑龙江省大到暴雨的气象卫星云图特征进行分析研究，从气象卫星云图角度并结合常规天气信息资料进行较深入探讨，揭示了台风中尺度降水特征，将造成大到暴雨的台风云系归纳出三种类型，总结出各类型的云型特征，提炼出各类型台风大到暴雨预报着眼点。为了更好地使用天气雷达和气象卫星，更准确地做好短时预报，1987～1989年，黑龙江省气象台对龙卷、冰雹、局地暴雨过程的卫星云图和雷达回波结合天气形势进行综合分析，对整个系统从初生到消亡过程得出清楚的认识，为监测和预报这类天气提供有效着眼点。
2000年，哈尔滨市气象局总结了多年来应用气象卫星资料的经验，深入研究了卫星资料在天气预报中的应用，编写了《气象卫星资料应用手册》，在天气预报业务中发挥了重要作用。
2001年12月，哈尔滨多普勒天气雷达投入业务运行。黑龙江省人工影响天气中心在监测中，深入研究了降水云团、雷暴、降雪、沙尘暴等天气的雷达回波。2005年，黑龙江省人工影响天气中心根据3年多的雷达资料，筛选出300多幅典型图片，经过分析处理，编辑成《新一代天气雷达回波图集》，由气象出版社出版。该图集共编集了典型流场模拟与实例的径向速度场回波、层状云降水回波、对流云降水回波、混合云降水回波、强对流回波特征（分雷暴、多单体风暴、超级单体风暴、冰雹、外流边界、飑线）、暴雨回波（分局地暴雨、区域性暴雨）、降雪回波（分小雪、中雪、大雪、特大暴雪、雨夹雪）、典型天气系统下雷达回波分析（分急流、冷暖锋、槽线、东北冷涡）、非降水回波、虚假回波共10类，结合实例对回波强度、速度等特征及分类进行分析，以雷达回波彩色图片、文字描述的图文并茂形式反映新一代雷达回波分析技术，供天气预报使用。
（六）森林城镇火险预报技术研究
1987年，大兴安岭特大森林火灾后，黑龙江省及林区气象部门加强了森林、城镇火灾发生的气候规律、短期和中期火险等级预报及森林火险气候区划等研究工作。
1990年，黑龙江省气象台研制了黑龙江省中期林火等级预报自动化系统。建立了林区火险日数、火险等级、5级以上大风日数历史资料库，用相似法采用欧洲数值预报资料，预报各旬值、距平值和平均值，预报结果以表格形式自动输出。同年，黑龙江省气象科学研究所和黑龙江省气象台研制了黑龙江省森林火险等级中期预报业务系统。使用的“多因子综合指标”，包括预报日当天和前期温度、降水量、相对湿度和风速等16个气象参数，选取林区30个气象台站春季防火期高、中、低火险等级代表年森林火险等级作为预报量，选取同期亚洲区（北纬30°～北纬75°，东经60°～东经170°）500百帕高度场逐日客观分析资料和地转风涡度资料作为预报因子场，使用逐步回归数学模型分别建立黑龙江省春季防火期（4～6月）30个气象台站90个森林火险等级预报方程；采用完全预报方法（PPM），使用欧洲中期数值预报48、72、96、120和144小时5个时次的500百帕高度场资料作为预报因子，在AST486系列微机上建立了黑龙江省春季防火期森林火险等级中期客观预报业务系统。
1991年，黑龙江省气候中心研制了黑龙江省春（秋）防火期森林火险天气等级指标系统及火险等级数据库，在国内首次将历史火险等级以数据库的形式建立。研究了单因子火险贡献度的数学模型，提出了一套合理的可应用于林火预报服务的短期林火天气预报模式，能较客观地反映黑龙江省大范围林火火险状况。首次提出适合黑龙江省林区防火的实际返青期和枯萎期指标，实践证明准确率达80％以上。
1992年，黑龙江省气候中心开展了黑龙江省森林火险气候区划研究。采用多因子综合指标法，计算火险天气等级，按照等级标准规划各林区的春（秋）防火期、戒严期及高火险时段，用系统聚类法按确定的区划原则及指标进行火险气候分区。
1990～1993年，黑龙江省气象局组织研制了大兴安岭地区森林火险潜力等级系统，该系统以国家森林防火专家郑焕能的森林燃烧环及环网理论、大系统理论和系统仿真理论为依据，在大兴安岭地区4年规范化观测所获数据的基础上，采用牛顿第二定律和CADCSA－QR（或SD）建立数据模型；选取自然和社会众多火险因子，可输出8种火险等级预报产品，该项研究成果被鉴定为国内领先、国际先进水平，1994年，获黑龙江省人民政府科技进步奖。
1994年，大兴安岭地区气象局组织开展了大兴安岭山地和毗邻地区森林火险气候规律及其区划研究。该研究系统地分析了三大自然地理单元范围内的山野火灾和森林火险的基本规律，引入林相和可燃物类型及地理信息系统方面的研究成果，用模糊数学原理建立了操作简便而又能反映客观规律的林火天气指标系统、森林火险气候指标和区划指标系统，并根据指标系统的区域规律和林火管理指挥决策的需要，按照区划理论方法，编绘了各种林火气候区划图和森林火险气候区划图，获1996年黑龙江省人民政府科技进步奖。
2003年，黑龙江省气象中心研究建立了黑龙江省森林火险气象等级天气气候监测预警服务系统，进一步完善了黑龙江省森林火险气象监测、预警、服务业务。
黑龙江省城镇火险预报技术研究始于1986年。黑龙江省气象台研究了哈尔滨市春季火险等级预报方法，到1988年投入业务使用。1990年，黑龙江省气象科学研究所研制的城市火险预报专家系统，在分析历史火灾发生的气象条件的基础上，反查气象资料，选取了城市火灾发生和蔓延的主要影响因子，并用统计方法确定出火险指数计算公式和火险等级（5级标准）。引进专家系统方法，利用天气学预报原理和数值预报产品，建立知识库进行气象要素预报，并根据历史气象资料和火灾发生状况的相似样本给出预报结果。火险等级预报误差不超过一级的准确率达到87.3％，高火险等级不漏报。1995年，黑龙江省气象台与黑龙江省消防局合作，研究黑龙江省城镇火险及火灾防御对策，此项研究提出了通用的火险等级标准和新的预报方法，研究建立了城镇火险资料库和资料管理系统，建立了中、短期火险等级预报、长期火险趋势预报系统，在386微机上运行，自动完成运算、输出预报结果。1997年，该研究成果获中国气象局科技进步奖。
二、中期天气预报 1987年后，欧洲数值预报提供未来24～144小时500百帕格点高度预报资料，黑龙江省气象台利用这一资料重点研究了黑龙江省4～5月强降温预报方法，分析了极涡、极地高压、西风带长波和超长波等大型环流系统演变与4～5月强降温的关系，找出了造成强降温的必备条件，建立了天气学与统计学相结合的预报方法；之后又分析了夏季多雨、少雨环流特征和伏旱的500百帕环流系统演变特点，建成了中期预报方法。
1986～1988年，黑龙江省气象科学研究所参与了谐波分析中期预报推广应用研究合作项目，应用现代动力学、统计学及计算机技术的新成就，结合天气预报经验，建立一种从大气波动角度进行谐波分析，制作中期预报的方法。在推广应用中，结合数值预报产品的释用和天气预报经验，进一步完善了中期预报业务系统，提高了中期预报准确率。此项成果获国家气象局科技进步奖。
1990～1991年，佳木斯市气象局对暴雨中期预报方法进行研究，通过对产生暴雨的环流形势分析，确定了暴雨中期定性预报指标；结合高空环流形势，分析地面影响系统的气象要素，确定暴雨短期定性预报指标；应用统计相关分析，建立暴雨预报方程。中期暴雨环流特征分为：东阻型，副高与大陆高压叠加形成东阻，或贝湖附近高压脊东移形成东阻，高压脊内均有闭合高压中心或高压环流，脊线在东经125°～东经135°内，3～5天有暴雨；贝阻型，贝加尔湖或以西有高压脊，高压脊内有闭合高压中心，脊线在东经90°～东经110°内，3～4天有暴雨；乌阻型，在乌拉尔山或欧洲东部有南北向高压脊，高压脊内有闭合高压或高压环流，脊线转为西南到东北向，副高在北纬25°～北纬30°间，纬向断裂，脊线北抬，4～6天有暴雨；槽脊型，在北纬40°～北纬50°有槽脊移动并在贝加尔湖至雅库茨克之间有闭合高压中心，3～6天有暴雨；台风型，台风预报警戒区，前3天，台风在东经120°～东经145°，越过北纬22°；前2天，台风在东经120°～东经140°，越过北纬25°；前1天，台风在东经123°～东经135°，越过北纬29°。副高北抬形成南北向高压坝，脊线在东经135°～东经145°，2～3天有暴雨。
1991～1992年，黑龙江省气象台研究了旬平均气温自动化预报方法。采用相似方法，利用欧洲中心数值预报500百帕高度的格点资料制作旬平均气温预报，从读取资料到打印结果全部自动化，在386微机上输出客观、定量的旬平均气温预报、距平和平均图。相似方法采用聚类分析中求绝对距平公式，在黑龙江省选出25个代表站分别预报各站的平均值、距平值和预报分布图。
1991～1993年，绥化地区气象局研究了春季强寒潮和暴风雪天气中期预报方法。通过对绥化地区春季历史上最强的2次强寒潮和2次暴风雪天气前10天内极涡、极地高压、西风带系统、副热带高压等大尺度天气系统环流形势的演变和中高纬波谱特征进行初步分析，结合欧洲中心北半球500百帕形势场的96小时预报进行寒潮预报。
1993年，黑龙江省气象台对旬降水过程自动化预报方法进行研究。应用相似原理，求绝对距平的方法，使用欧洲数值预报高度场资料求出前期和近期形势相似年，制作出后期天气预报。前期形势相似采用预报旬的前五旬平均气温与历史同期选相似，并排出相似程序。近期形势相似以预报日的前五天实况和欧洲数值预报24～120小时预报、前10天平均高度场资料，与历史同期选相似，排出顺序。采用“序号和”的方法排出以近期形势相似为主，又考虑前期背景相似的顺序，求出逐日前10个相似年的降水频率与降水气候概率的差值D。各季节D值有不同的临界值，当某日D大于、等于临界值时，预报该日有降水。本方法自动化程度高，从读取实时资料到输出预报结果，全部由计算机完成，比原手工方法预报准确率提高6％。
1993～1994年，黑龙江省气象台研究了1～10天逐日天气预报自动化系统。采用每天欧洲中心发布的24～144小时的500百帕预报场，比照历史资料进行相似过滤，制作黑龙江省滚动式10天中期延伸预报。首先，根据各主要天气指标建立适当的相关区；然后，将数据库中1971～1990年欧洲历史资料及黑龙江省内26个代表站的逐日降水资料、日平均气温、日最高气温和日最低气温，按所需格式进行整理并进行标准化处理。最后，作相似计算，用相关相似进行逐次过滤和筛选。上述过程全部在微机上实现自动化。
1996年，黑龙江省气象台研制了黑龙江省3～5天大到暴雨过程的自动化预报系统。根据1971～1990年间6～8月北半球500百帕高空图形势场的特征选择了亚欧部分地区为相关区，即北纬40°～北纬60°，东经100°～东经130°范围为预报相关区，按产生大雨、暴雨的北半球500百帕20点高空图环流形势进行分析处理。首先，对欧洲气象中心发布的24～144小时资料和历史逐日格点资料进行标准化处理；然后将欧洲72小时、96小时、120小时的预报与历史资料进行比较，用最小距离法找出每个时次的3个最佳相似日；用最佳相似日到历史资料库中进行查找，最后输出预报结果。
