作者：约翰-麦克亨利，男爵首席科学家
为众多对天气敏感的社会和经济部门提供决策支持，是巴戎公司为客户提供关键天气情报的重要组成部分。利用多尺度、多模式、多方法的决策支持系统来解决实时、现预报和预报尺度问题的技术和能力，对于减轻经济和人身安全威胁至关重要，这也是巴戎公司全球使命的核心组成部分。这篇文章概述了决策支持下的各种预报技术，并记录了具有代表性的使用案例，在这些案例中，"男爵 "公司的决策支持系统提供了可操作的指导。
在讨论技术之前，值得注意的是，建勤公司的 DSS 预测技术没有一项是 "现成的"。建勤公司采用以客户为导向的方法，首先确定客户的需求、要求和愿望。然后根据客户的具体情况制定解决方案：客户需要什么来利用和传播从 Baron DSS 获得的关键天气情报。虽然 Baron 在开发和部署基于模型的 DSS 预报系统方面拥有 100 多年的经验，但该公司也习惯于与客户首选的模型合作。这通常是最好的方法，因为许多客户已经拥有与本地建模系统相关的知识和经验，但可能没有能力或资源将其整合到业务 DSS 中，而这正是客户所缺乏的。因此，巴隆公司热衷于 "根据实际情况开展工作"，并在需要时提供自己的高精密建模解决方案。
图 1 提供了一个概念性 DSS 的概览，代表了 Baron 已投入使用的 DSS。 DSS 首先要对预报模式初始化/同化或后期（离线）评估、校准和模式改进所需的观测数据集进行采集、质量保证和集成。根据数据集的大小和类型，巴伦公司确保观测数据在进入常规关系数据库或类似数据库之前得到适当的质量保证。有质量保证的观测数据一旦可用，就会实时提供给数据采集系统的建模组件。
然后，预报模式系统进行整合，通常包括一个同化周期和一个预报周期。例如，在巴伦陆地数据同化系统（BLDAS）中，每半小时提供并更新一次从雷达获取的、经过测量校正的 QPE 和其他强迫变量。然后，BLDAS 与时钟保持同步，同时提供启动预报模式运行所需的初始条件。这可确保预报模型以最佳初始状态开始运行，这对水文、农业、道路或其他预报应用至关重要。数据采集系统还提供工作站和显示屏，供客户工作人员解读数据采集系统提供的预报信息和指导。
Baron 提供了多种传播威胁和警告的选择，包括其广泛使用的安全网应用。通常情况下，数据支持系统存档提供观测、模型预测和预报产品库，以全面重现、研究和评估运行案例。这样，客户就可以根据客观指标（包括分类、离散和区域分类指标）改进 DSS 的性能。Baron 还提供端到端定制校准子系统，该系统与其水文预报建模 DSS 以及端到端系统培训和手册完全对接。
DSS 环境中的预测模型类别和模型链接
大多数 DSS 预报应用，包括所谓的 "独立应用模型（SAMS）"，都需要某种形式的数值天气预报 （NWP）模型或 NWP 输入。Baron 在天气研究和预报 (WRF) 模型（图 2）、其数据同化 (DA) 系统及其前身 MM5 方面拥有丰富的经验，因此能够满足客户当前对 NWP 的许多需求。
男爵科学家非常熟悉模式中的物理、动力学和数据分析方案，因此可以进行定制和参数化改进。例如，对 Kain-Fritsch 对流方案（Kain，2004 年）的修改减少了虚假热带气旋的形成，对 LSM、PBL 和微物理方案的修改改善了陆地-大气耦合和水文气象保护。
Baron 还采用了代码优化策略，与社区发布的代码版本相比，可提高运行时间。这对于从硬件中获得最大价值至关重要，因为硬件也可能是作为 DSS 实施的一部分而必须购买的，与社区发布的模型版本相比，可为客户节省大量费用或改进工作量。巴隆公司还提供降尺度的 NCEP GFS 确定性和集合预报解决方案，并可将区域中尺度模型作为集合系统进行部署。这包括实施美国以外国家或联盟开发的 NWP 模型。
在许多 Baron DSS 应用程序中，已实施的 NWP 模型为空气质量、水文或各种基于陆地表面的 SAMS 等其他应用模型提供数据，并与这些模型耦合。例如，巴伦公司十多年来一直为众多美国客户提供空气质量业务预报指导（McHenry 等人，2004 年；图 3）。这需要运行一个三方 "松散耦合 "建模系统（NWP、排放和化学传输模型，如美国 EPA 的社区多尺度空气质量（CMAQ）模型）或一个更紧密耦合的集成建模系统，如 WRF-Chem。
此外，Baron 最近开发了将 NASA 卫星（MODIS）气溶胶光学深度信息变异同化到 CMAQ 建模平台的方法（McHenry 等人，2013 年；图 4），使该模型能够根据卫星估计值的质量，显著提高颗粒物预测技能。高精度 AQ-DSS 预报的一个主要挑战是动态排放估算，这几乎需要持续关注更新。巴伦公司的科学家为美国环境保护署开发了稀疏矩阵运算器核排放（SMOKE，Coats 和 Houyoux，1996 年）处理系统来解决这个问题，巴伦公司利用该系统的实时版本为其运行的空气质量模型提供排放数据。
如上所述，近地天气预报还与观测资料相结合，用于驱动各种陆地表面和水文建模系统。在美国，BLDAS 以 1km 的空间分辨率在整个 CONUS 正常运行，并使用相同比例的输入 QPE。这是目前最大的超高分辨率 LDAS 运行实例（McHenry 和 Olerud，2015 年）。除流场水文外，BLDAS 的同化和预测版本还被用作农业、道路状况（图 5）、火灾天气（图 6）和山洪威胁 SAMS 的基础。
在农业应用方面，BLDAS 为玉米和大豆成熟模型以及成熟后干燥模型提供输入。作物成熟模型以集合模式运行，可对成熟和最佳收获预测日期进行概率解释，使农民能够对作物成熟和可收获性的早期或晚期概率进行规划或对冲。虽然玉米和大豆是美国的主要目标作物，但 BLDAS 中应用的 Baron 数据库允许估算 90 多种不同作物品种在其生长地点的土壤水分和温度条件，包括一年生和多年生作物。
Baron 路面建模系统还利用 BLDAS 和其他观测数据及模型的输入，实时提供路面温度、含水量（冻结与否）和行驶条件估计值。该系统通过 XM NavWeather 服务提供给美国许多 OEM 车型已有数年之久。NavWeather 可直接向驾驶员提供可操作的、不需要手动操作的信息，从而更好地预测前方的恶劣驾驶条件。
提供高分辨率的实时山洪威胁指导是一项挑战，尤其是当地理覆盖范围需要完整且产品必须快速更新时。目前，巴伦公司已经部署了一套名为 "快速山洪预警系统"（REFLEX）的山洪指导系统。REFLEX 将本地直接（网格单元内）径流量与通过网格单元到网格单元流网络的径流路径相结合，适用于在每个目标网格单元累积长达六小时的上游径流。通过在 30 个历史年份中运行滞后径流模型并保存每半小时的输出结果，可获取建模域中每个网格单元的极端事件统计数据，然后将其作为实时/预报累积径流的基准。最近在美国东南部进行的案例研究表明，在北卡罗来纳州罗利-达勒姆地区附近发生的两次事件中，REFLEX 在山洪警报发布之前就估算出了山洪暴发的巨大威胁（图 7 和图 8）。
巴隆完成了罗马尼亚破坏性水域消减计划（DESWAT）的水文预测建模系统（HFMS）的安装工作，该系统现已在全国范围内运行了三年。Matreata 等人（2013 年）最近发表的一篇案例研究评估了巴隆显式河流预报模型（该论文将其命名为 NOAH-R），该模型以 100 米分辨率运行，用于评估 2011 年 7 月 24 日和 25 日在卡尔瑙河流域发生的山洪暴发事件。流域内两个水文站的峰值排水量与 20-100 年的重现期相对应。Baron Hydro FutureScan 雷达外推子系统正确显示了强降水事件的空间和时间分布，而显式溪流模型则很好地预测了观测到的水文图（图 9）。正如 Matreata 等人所指出的，巴伦系统提供的其他网格产品（土壤水分状态、陆上径流、地下径流）"作为山洪预警过程中的补充和/或辅助信息非常有用。它们尤其有助于更好地估计预期洪水事件的严重程度"。
重要天气情报
以巴伦预报模式为基础的决策支持系统在提供对天气敏感的各种决策所需的关键天气情报方面做出了重大贡献。今后的文章将详细介绍现有的各类决策支持系统，以及它们为现有和潜在客户带来的优势。
参考资料
Coats, C.J. and M.R. Houyoux, 1996: "Fast Emissions Modeling with the Sparse Matrix Operator Kernel Emissions Modeling System," Presented at "The Emissions Inventory：规划、许可、合规和报告的关键"。空气与废物管理协会，洛杉矶新奥尔良，1996 年 9 月。
Kain, J.S., 2004：The Kain-Fritsch Convective Parameterization：J. Appl.J. Appl. Meteor.
Matreata, S., Baciu, O., Apostu, D., and M. Matreata, 2013：罗马尼亚山洪预报系统评估--卡尔瑙河流域案例研究。Die Bodenkultur64(3-4), 2013, pp.
McHenry, J.N., W.F. Ryan, N.L. Seaman, C.J. Coats Jr., J. Pudykeiwicz, S. Arunachalam, and J.M. Vukovich, 2004：A Real-Time Eulerian Photochemical Model Forecast System：概述和美国东北部走廊的初始臭氧预报性能。Bull.Amer.85, 4, 525.85, 4, 525-548.
McHenry, J.N. and D.T. Olerud, 2015：使用实时高分辨率 CONUS LDAS 在实用 NWP 模型中初始化地表状态：案例研究、结果和挑战。第29届水文学会议；第95届美国气象学会年会，美国亚利桑那州凤凰城，2015 年 1 月 4-8 日。
