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行业专项成果综述-异常强降水概念模型及诊断方法研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2020/12/21 10:22:42   标签:   浏览次数:1367

项目编号GYHY201306011

研究周期2013年1月-2015年12月

国拨经费147万元(压减至136万元)

项目负责人】孙军

项目骨干成员】张小玲 袁美英 张萍萍 杨舒楠 盛杰 于超 陈博宇

项目承担单位国家气象中心

项目协作单位】黑龙江省气象台 武汉中心气象台

主要研究成果

1.异常降水空间和时间气候分布特征。空间分布包括最大值、百分位、阈值、异常降水出现日数和年频数、top1-10值、逐月、逐旬异常强降水阈值、重现期和重现水平等;时间分布包括降水次数逐月逐旬变化、总站次月分布、最大日降水出现月份分布、top-10降水各月出现次数等;301小时、3小时、6小时降水99%百分位数分布;30年小时降水极大值分布;华北和华南小时降水的月、日变化等短时强降水时空分布等。

2.异常降水时间序列和气候变化分析。历年异常降水时间序列的线性趋势;top-1top-10站数逐年变化、全国及分区域异常降水年总站次时间序列趋势;异常强降水年代际周期变化;华北异常降水减少趋势与有关大气环流要素趋势的关系分析。特别是异常降水年总站次时间序列,以前鲜有研究。

3.异常降水个例选取方法及个例集。选取方法有分位数法(华中区、东北区)、阈值法(东北区)、top值法(华北区);形成各区域异常降水个例集。特别是top值法,即把一段时间内所有日降水大于等于0.1mm的值从小到大排序,然后从最大值端依次选取1个(top-1)、3个(top-3)、5个(top-5)、10个(top-10)最大降水量出现的站次,然后根据下述公式确定异常降水个例指数EPIEPI=10*top-1+ 5*top-3+ 3*top-5+ 1*top-10,并按该指数给华北异常降水过程进行排序。

4.极端气象因子诊断、分析方法。通过气象因子标准化距平法,确定异常气象因子诊断量,包含动力因子,如位势高度、U风、V风、涡度、散度等;水汽因子,如大气可降水量PW、水汽通量、比湿等; 热力因子 ,如cape、假相当位温、k指数、等各种异常因子。异常气象因子分析,包括标准化距平叠加各气象要素、气候平均场、物理量场等进行显示;异常降水与非异常暴雨过程气象因子标准化距平比较分析;异常气象因子与气候概率密度比较分析;异常气象因子前后21天时间变化并与气候平均和标准差比较分析等。

5.构建了异常气象因子综合指数。根据影响异常降水的主要气象因子,这里选取大气可降水量(PW)、水汽通量(QF)、南北风(V)、东西风(U)、位势高度(H)等主要因子,计算各因子标准化距平。为了表示影响系统强度,同时考虑5007008509251000hPa各层值,为了表示异常降水的持续时间,同时考虑24h降水时间内中间五个时次。各因子的标准化距平取法是:某因子各时次各层中取一个最大或最小值,某因子各时次各层中的平均值,最后取各因子标准化距平的绝对值平均,形成异常降水异常因子综合指数,并根据异常降水异常因子综合指数对历史异常降水过程进行排序,并与非异常暴雨过程比较。

6.异常降水天气概念模型。根据主要影响天气系统,把华北30个异常降水个例分成3类,分别为低涡类6个、切变线类13个、低空急流扰动类11个;华中区域139个极端强降水个例,总结出6类模型:冷槽尾部气流汇合型(59),槽前高压坝型(31),台风西风带冷槽结合型(24),低涡暖切型(13),两高之间辐合带型(8),大槽东移型(4)。

7.异常降水异常气象因子概念模型。根据异常气象因子异常情况,对分类的天气学模型建立异常气象因子配置概念模型。

8.短时强降水概念模型和诊断技术。形成了短时强降水暖区降水和冷锋降水物理概念模型;形成了配料诊断预报技术,即通过对表征环境热力、水汽、抬升触发等方面要素的处理,得到给定类型强对流天气的落区预报技术。

9.异常降水预报技术。基于模式确定性预报的异常降水客观预报技术,根据异常强降水气象因子分析结果,采用多元线性回归方法和配料法集成的方法进行异常强降水客观落区预报,形成4种客观预报方法;基于集合预报的异常降水预报技术尝试,计算所有集合预报成员的异常度预报结果,进一步得到异常度超过某一标准差阈值的集合概率预报。

10.异常降水预报思路。形成了从天气形势识别、特征物理量异常诊断、集合预报和各模式释用产品运用、对流系统强度和移动判断、系统与当地地形关系、气候值运用等极端强降水的预报思路。

11.异常强降水诊断方法和诊断方法业务平台。把2013年以来的研究成果和软件组合在一起,研制完成东北地区异常强降水概念模型及诊断方法业务使用平台。

 

成果应用情况

本项目研究成果在国家级及省级单位得到应用:

1.项目总结成果已在核心期刊发表,并在荷兰阿姆斯特丹SPIE国际会议、湖北武汉第一届异常降水天气及灾害国际研讨会、2016年中亚天气气候机理与预报预测技术交流会、中国气象科学研究院学术年会、气象学会年会、全国灾害性天气研讨会、全国汛前暴雨预报技术交流会、国家气象中心预报员培训会、上海中心气象台举办的异常降水天气预报预警技术研讨会、宁夏区气象台举办的西北地区预报技术交流会、吉林省气象局举办的吉林永吉暴雨预报技术研讨会等多个预报员培训和技术交流会上进行报告交流,达到了技术辐射和推广作用。

2.作为技术顾问参加(第三)河南省气象局气象科学技术项目“河南省极端暴雨概念模型及预报技术研究”,为项目研究提供研究思路、技术路线,该项目已经解题,并在《气象》期刊发表论文一篇。项目基于对极端暴雨有明确指示意义的8个环境参数,组建极端暴雨指数ERI,经13个极端暴雨个例回代,ERI > 0.7时,极端暴雨的TS评分达35%,漏报率为27 % ,空报漏49 % 。初步尝试依据环境场建立的极端暴雨指数,对2016年“7.19”和2018年台风“温比亚”两次极端暴雨过程的E C 细网格定量降水预报产品进行订正,有较好订正能力。

3.研制完成东北地区异常强降水概念模型及诊断方法业务使用平台。先后有四个软件投入业务使用并集成于该平台,其中降水数据库及查询检索软件,主程序在信息中心运行,其它使用者用终端调用;东北地区历史上异常强降水诊断分析软件、某一段时间的异常性诊断分析软件,由于资料量巨大,在使用者本机中运行;东北地区异常强降水个例库及天气学分析数据库、未来8天预报异常性诊断分析软件及一体化平台,在共享(\\172.19.115.33)机上和技术研发机器上业务运行。通过这个平台,很容易计算和调看资料和生成的产品。该平台主要功能有:①参数设置;②资料处理;③东北地区降水查询检索功能;④历史上某一天异常性分析功能;⑤历史上某一段时间的异常性分析功能;⑥未来8天的异常性分析功能(每天实时运行调看);⑦异常强降水个例库档案查询。平台所分析计算的要素包括各层(200500700850925百帕、海平面)的高度场、温度场、UV风场、水汽通量(散度)、比湿、绝对涡度等要素场。该平台2014年以来在黑龙江省汛期暴雨和强对流天气预报中应用。该平台目前在业务运行。研究成果、概念模型是由文本形式及MICAPS图形方式提供给预报员并在预报业务中参考使用。

4.项目研发的极端暴雨天气概念模型和客观预报产品项目自20146月在武汉中心气象台业务应用,在2014817日、2015514日、2015723日、2016630-71日极端暴雨的预报服务中,为预报员提供预报参考依据,为预报决策提供了有效的技术支撑。通过5次极端暴雨过程应用,强降水多元结合配料法预报模型对华中区域异常强降水的预报效果较好,而模式对这5次降水过程的空报率基本在50%左右,漏报率在60%左右,模型预报TS评分较高,基本都在20%以上,最该可高达33.33%,具有正的订正效果。

5.项目研究的异常降水客观概率预报产品在2020年湖北梅汛期预报服务过程中发挥了积极的作用,2020627日,鄂西南至江汉北部出现异常降水,最大达到了318.5mm,项目研发的异常降水客观概率预报产品在上述地区预报异常降水概率超过90%,预报与实况非常吻合。在202075-7日鄂东地区的异常降水预报中也给出了较好的预报指示。

6.本项目异常降水诊断产品有的可在气象信息综合分析处理系统(MICAPS4)上显示,有的做成软件系统,有的集成在其他业务平台上供预报员调用显示

7.异常强降水概念模型由文本、PPTMICAPS图形方式提供给预报员使用

        8. 气候值运用是预报异常降水必要的一步,预报员要了解当地历史异常降水的气候分布特征,异常降水出现频次、出现的月份、异常降水的回归水平和回归期等,这是判断预报的异常降水在历史上极端性的依据,项目研发了大量异常降水气候时空分布产品,可以为预报员提供参考依据。


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