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行业专项成果综述-非均匀复杂下垫面对雷暴和强对流生消发展的影响

发布者:张洁   来源:   发布时间:2017/6/29 14:45:19   标签:   浏览次数:1494

项目编号GYHY201006004

研究周期20109月—20138

国拨经费420万元

项目负责人】谈哲敏

项目骨干成员】谈哲敏、陈宝君、张熠、唐晓东、王其伟、储可宽、苗峻峰、马红云、夏文梅、曾明剑、慕熙昱、徐芬、王东勇、周昆、曹卫卫、刘建勇、董杏燕

项目承担单位】南京大学

项目协作单位】南京信息工程大学、江苏省气象科学研究所、安徽省气象台、宁波市气象台

主要研究成果

项目研究总结了长江中下游地区若干强对流启动、快速增强或减弱的下垫面敏感区;建立了代表性下垫面影响强对流天气过程个例资料库;统计归纳了代表性复杂下垫面区域强对流活动特征,重点包括大别山复杂山地下垫面、宁波陆海下垫面和江苏南部及沿海下垫面;建立了大别山复杂山地下垫面影响强对流天气的概念模型和一类宁波陆海复杂下垫面形成的海风锋影响强对流天气的概念模型。

项目研究进一步选取大量典型个例,通过高精度数值模拟和敏感性试验,揭示了不同典型非均匀复杂下垫面对强对流过程影响的机制,重点包括大别山地区、宁波海陆下垫面地区、太湖地区等,其中,大别山地形的动力和热力环流可在梅雨锋北侧低层弱东风环境下沿大别山东伸山脊形成三处强辐合中心,触发强对流系统;杭州湾低海温的抑制作用和湾陆交界地区的边界层辐合加强作用使得对流系统入湾减弱,出湾增强;太湖地区湖风锋前缘形成的初始对流加强为雷暴后,其低层出流可进一步与湖风作用触发新的对流。项目研究还通过陆面过程参数化方案敏感性试验,探讨了非均匀复杂下垫面地区陆面过程不确定性对强对流过程的可能影响。

上述这些研究成果对于提高我国长江中下游复杂非均匀下垫面地区的强对流天气监测、预报和预警技术水平具有重要的现实和潜在意义。首先,关于复杂下垫面影响下强对流演变特征及概念模型方面的成果进一步增进了人们对我国长江中下游复杂非均匀下垫面地区强对流天气过程的认识,为更好地理解高精度观测资料以及数值模式预报结果、判断对流的发生和演变趋势提供了统计和概念基础。其次,关于非均匀复杂下垫面影响强对流演变的过程和机理的研究成果有助于进一步理解我国长江中下游复杂非均匀下垫面对强对流天气过程影响的具体途径,扩充和丰富了下垫面高影响区雷暴、强对流系统动力学及其预测理论,进而为提高强对流天气临近预报准确率提供理论基础和参考依据。

在下垫面资料同化方面,我们开展了一系列同化试验,包括进行不同类型资料同化敏感性试验,以及发展或改进了一些数据同化技术(包括三维变分、ETKFEnKF资料同化方法),并初步完成了下垫面资料同化平台的搭建与调试。其中,项目研究提出了一种考虑多尺度误差相互作用的背景误差协方差矩阵的构造方法,该方法可用来估计优化背景误差协方差(称为“优化矩阵”)。个例研究表明,该优化矩阵包含的尺度误差相互作用,对分析增量进行合理调整,使分析场能较好描述实际大气中的大尺度动力抬升、热力不稳定及水汽平流,天气尺度高、低空急流,以及中小尺度对流系统等不同尺度天气系统(过程)及其相互作用,因而可以使模式预报效果得到改善。这方面的成果扩展了非均匀复杂下垫面资料同化技术及其在强对流天气模拟与预测中的应用,有益于更有效地实现下垫面资料的数据同化,也为将来实施的强对流天气过程的野外观测试设计和数据同化方案提供参考。

项目研究还建立了江苏强对流及灾害个例库查询系统;研究强对流发生发展的相似性,开发了强对流相似搜索系统;结合强对流预报指数,研发了联合概率预报系统。这些应用成果结合历史强对流系统个例的下垫面特征、强对流过程的环境特征和关键预报指数,可给出相关复杂非均匀下垫面地区强对流发生发展的指示性预测,对于促进人们对下垫面高影响区强对流天气过程的认识、提高对这类系统的监测和预报是大有裨益的。在项目组业务部门的应用表明,这些系统可以提高对下垫面高影响区强对流天气系统的预报和预警水平,预期可为其它相关业务预报部门提供应用参考。

 

成果应用情况

项目研究建立的灾害天气个例库查询系统(图1)整理并录入江苏省近10年来江苏灾害个例,灾害个例主要为强对流天气个例,如暴雨、雷暴大风、短时强降水、冰雹、龙卷等,还包括大风和大雾等类型。个例录入信息包括有经验的气象人员主观分析产品如中尺度分析,天气形式分析和雷达回波及径向速度分析,也包括了灾情等级,卫星云图等客观信息,具体有:灾害影响区县及下垫面特征、开始结束时间、灾情图片、灾情等级、影响天气系统、影响中尺度系统、天气过程分析、各高度层资料及探空、卫星云图、附近有观测的雷达站、雷达回波与径向速度特征及风廓线雷达特征等。系统设计了方便的查询途径,可以通过灾害种类,发生时间和特征关键词查询个例。该系统已在江苏省气象科学研究所准业务化运行,应用情况良好。可推广至江苏省及周边地区业务天气分析和预报单位进行业务化应用。

项目研究开发的强对流相似搜索系统(图2)基于一套包含地面观测、高空观测、灾害级别和种类等资料的数据库,可根据数据库提供的探空曲线热力参数、动力参数、混合参数、非均匀下垫面温度分布和风场分布等信息,对强对流进行分级搜索,分别是一般性雷暴、短时暴雨、过程暴雨、雷雨大风(强雷暴)四类,利用该系统可找出相似或相近下垫面对强对流的影响存在的共性,对非均匀下垫面下强对流系统的预报有一定指导作用。目前,相似搜索系统的相似算法包括:高空最小偏差法、下垫面和高空偏差法、对流指数归一化法、对流指数归一化和下垫面组合判定法。该系统已在宁波市气象台、余姚市气象局、安徽省气象台和江苏省气象科学研究所测试应用,应用情况良好。可推广至业务天气分析和预报单位进行业务化应用。

项目研究研发的基于联合概率的强对流天气潜势预报系统(图3)可通过对历史对流过程的对流参数的统计,挑选描述干、湿对流过程各自较好的对流参数组合,然后利用基于ECMWF集合预报计算几个预报因子组合构成的联合概率,实时生成干、湿对流联合概率预报,实现不同类型强对流天气的潜势预报。其中,干对流为不发生短时强降水的情况(伴随弱降水或无明显降水的雷暴大风、冰雹、强雷暴),湿对流为发生了短时强降水的情况(也可能同时伴有雷暴大风、冰雹等)。根据历史强对流天气过程的检验表明:基于联合概率的预报方法对安徽省不同地区的干、湿对流的发生均有一定指示意义,能为对流天气的监测预警、短时预报业务提供比较科学的概率指导产品。该系统在安徽省气象台测试应用能满足业务需求,应用情况良好。可推广至业务天气分析和预报单位进行业务化应用。

由于下垫面对强对流过程的影响常常局地性强、时段短、尺度小、可用下垫面观测资料有限等,项目组建成的下垫面资料同化平台及相关发展或改进的资料同化方法在实时运行上还存在困难,目前仍处于试验阶段,其同化下垫面资料的能力还有待完善,同化下垫面资料的效果还有待验证。该系统后续计划将扩充个例试验和长时段运行,在取得较好的结果之后,项目组会积极地推进并评估其在业务上的应用。

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