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南海台风数值预报模式关键技术研发及应用

成果评价编号： 中气科成评[2022]047
评价结果： 优秀
成果名称： 南海台风数值预报模式关键技术研发及应用
完成单位： 中国气象局广州热带海洋气象研究所
成果形式： 应用研究和技术开发类-系统
研究领域： 天气预报
评价年份： 2021
完成人： 冯业荣、陈子通、徐道生、戴光丰、张艳霞、张旭斌、黄燕燕、钟水新、李昊睿、张诚忠、蒙伟光、李梦婕、吴凯昕、文秋实、叶爱芬
成果简介： 在世界气象组织AOPs项目、国家自然科学基金项目、广东省财政专项等项目的支撑下，对南海台风模式关键技术进行改进，在台风数值预报方面取得显著进步。解决的关键科技问题主要包括:(1)通过雷达和飞机下投式探空资料同化，有效改进登陆台风的风雨预报效果；（2）揭示了西南季风背景下热带对流和层状云的相互影响机制，并相应地改进了模式对流参数化方案设计；（3）总结了不同强度下的南海台风结构特征，提出一套适用于南海区域的台风初始化方案；（4）首次提出“三维参考大气“的概念，并在此基础上创立了高精度高稳定性的模式动力框架；（5）发展了先进的集合扰动与后处理技术，建立台风集合预报系统。
和国内外同类数值预报模式相比，南海台风模式的技术进步及其创新性主要体现在以下几方面：
（1）登陆华南的台风风雨预报更加精确。依托广东沿海先进的雷达组网观测资料，研制了一种贝叶斯水汽反演方案，在此基础上通过变分方法对反演资料进行同化，为模式预报提供精细的热力初始场。同时也对香港天文台提供的飞机下投式探空资料进行同化，进一步改善了登陆台风的风雨预报。
（2）在南海台风生成预报方面表现特别突出。揭示了西南季风背景下对流和层状云的相互作用机制，并在此基础上改进积云参数化方案。经过改进后的南海台风模式能在台风编号前提前3-7天预报南海台风的生成，该项预报水平在国内外各家业务模式中遥遥领先。
（3）更加符合南海台风结构特征的初始化方案。通过强度分级构建了一种更加符合南海台风结构特征的合成涡旋模型，并将它应用于模式台风初始化方案。该技术对于近海弱台风的强度和路径预报有明显改进，尤其是对南海土台风的应用效果更为显著。
（4）高计算精度和稳定性的模式动力框架。首创性的提出三维参考大气方案，有效避免了模式分辨率提高以后一维参考大气方案中大尺度地形引起的扰动量偏大现象，使得模式计算精度和稳定性得到大幅度提高。该技术已被中国气象局地球系统数值预报中心推广移植并投入业务应用。
（5）国际先进的台风集合预报系统。基于对集合预报中不同来源扰动的多尺度特征及其相互作用关系研究，发展了一套“多源多类型扰动组合”技术，并建立了相应的业务台风集合预报系统，填补了国内区域台风集合预报业务的空白。相关成果已被发表在QJRMS、Mon Wea Rev等国际一流期刊，受到了国内外同行广泛关注。
第九届全国台风及海洋气象专家工作组提供的2021年国内外各家业务模式评估结果表明：南海台风模式的路径预报效果仅次于欧洲全球模式，强度预报误差也仅次于美国HWRF模式。该成果标志着我国台风数值预报水平进入国际先进行列。
本成果的影响主要体现在以下四个方面：
（1）在华南地区防灾减灾中发挥了不可替代的作用，经济效益显著。南海台风模式在近年来严重影响华南的台风预报服务中发挥了重要作用。以2018年登陆广东的超强台风“山竹”为例，升级后的南海台风模式提前多天对登陆时间和位置做出准确预报，使得政府部门可及时做出应急响应，最终“山竹”造成的损失只有53亿元，与路径相似、强度相近的2015年“彩虹”相比，直接经济损失减少了247.1亿元。
（2）在重大社会活动气象保障中发挥重大作用。本成果在我国气象部门以及民航、海洋、军事等多个重要部门推广应用，为重大社会和经济活动提供气象保障服务，有效提高了气象预报对国家安全、国民经济和社会发展的护航保障能力。
（3）提升了我国台风防灾减灾的国际影响力。通过世界气象组织年度执行项目、台风数值预报模式产品的国际共享，将成果向东南亚地区推广应用，显著提升了我国台风数值预报业务的国际影响力和认可度。
（4）培养了一批台风防灾减灾人才。通过模式研发过程，为我国台风数值预报科研与业务预报造就了一支高素质人才队伍。2021年，数值预报团队获得“全国工人先锋号”荣誉。
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