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破解数值预报科学难题(20110518)

发布者:   来源:   发布时间:2011/12/31 10:11:03   标签:   浏览次数:14344

                                      ——中尺度数值预报及关键物理过程研究显成效

    ■AREM模式是我国第一个具有自主知识产权的中尺度暴雨模式系统,目前在国内外气象、水文、环境和军事等部门实现运用,取得了较好的防灾减灾和军事效益。
    ■项目实现了LAPS系统在我国的本地化移植,建立了具有自主开发模块的,我国第一个能融合包括降水、雷达、卫星、GPS、自动气象站等多途径探测资料的中尺度气象分析系统。
    ■项目实现了业务化运行,提高了局地中小尺度气象资料的应用效率,特别在第十一届全运会、上海世博会、青海玉树抗震救灾的气象保障服务中发挥了良好的社会经济效益。
    近日,气象部门2007年公益性行业 (气象)科研专项“AREM中尺度数值预报模式资料同化及关键物理过程技术研究”通过了中国气象局科技与气候变化司组织的专家组验收,验收专家组一致认为该项目全面完成了任务书规定的各项研究任务,科研成果已经在业务中发挥作用,同意通过验收。
    项目负责人之一、中国气象局武汉暴雨研究所数值预报研究室主任李俊告诉记者,AREM模式是我国第一个具有自主知识产权的中尺度暴雨模式系统,经过十多年的不断改进,目前在国内外气象、水文、环境和军事等部门得到了较广泛地运用,取得了较好的防灾减灾和军事效益。该项目经过对资料同化、物理过程、区域集合预报等关键技术的攻关研究,在基本理论和多项技术方法上有创新,形成了四套可投入业务应用的系统成果。
LAPS解决多源资料快速融合难题
项目研究的第一个重要成果,就是实现了LAPS系统在我国的本地化移植,并将中国气象局武汉暴雨研究所自主研发的降水资料的一维变分同化系统与LAPS系统进行耦合,建立了具有自主开发模块的,我国第一个能融合包括降水、雷达、卫星、 GPS、自动气象站等多途径探测资料的中尺度气象分析系统,解决了多途径探测资料在同一数值平台上直接应用的科学难题,为预报员捕捉局地中小尺度系统、了解天气系统发展演变提供了强大科技支撑。
    这一成果从2008年起被推广到中国气象科学研究院、国家卫星气象中心、总参大气所、空军气象中心、上海台风研究所、广州热带气象研究所和湖北、湖南等十多个省气象台,实现了业务化运行,提高了局地中小尺度气象资料的应用效率,特别在第十一届全运会、上海世博会、青海玉树抗震救灾的气象保障服务中发挥了良好的社会经济效益。
    记者了解到, LAPS系统在四川与青海推广时,解决了SC波段和C波段雷达资料在系统中的融合技术,使我国雷达网内各类资料在LAPS系统中融合已无技术障碍。目前在武汉暴雨研究所业务运行的LAPS系统,融合了30多部雷达资料及卫星、 GPS、自动气象站等资料,实现大范围雷达资料的综合应用。 LAPS系统在湖北、湖南、河南等地业务化运行后,有效提高了中尺度灾害性天气预报、预警能力和精细化预报水平,已成为武汉中心气象台中尺度业务示范平台的重要组成部分。
    建立AREM-RUC快速循环预报系统
    将多源探测资料应用于数值模式,是目前数值预报研究领域的热点问题。本项目以LAPS系统和AREM模式为平台,成功运行了云分析模块,实现了模式的热启动,建立了3小时更新快速分析循环预报系统。它不仅实现了多普勒雷达、加密自动气象站等局地中尺度资料在模式中的应用,而且缩短了模式协调(SPINUP)时间,提高了模式的短时临近预报能力。
    该系统于2009年5月下旬投入业务试运行,很快发挥出了良好效益。 AREM-RUC系统增强了区域强降水的预报能力,对我国西南地区东部及长江中下游至淮河流域的降水预报,尤其是对暴雨、大暴雨、特大暴雨的预报能力有较大提高,局地强降水过程预报的改进效果更加突出。
    模式框架与物理方案是数值模式的核心技术,项目组一直致力于针对我国地理气候特点引进和发展模式物理过程,明显提高了模式对云和降水的预报效果,显著提高了暴雨预报能力。此外,本项目的一个研究亮点是改进了该方案中的边界层地表湿度计算,改善了模式对我国西南地区的降水预报。
    实现区域数值预报向集合预报跨越
    在该项目的实施中,始终坚持通过科技创新促进科研成果向业务转化,提升科研对业务的支撑能力。自主设计了AREM模式的侧边界扰动方案,部分解决了区域集合预报侧边界扰动处理的难题,缓解了侧边界对集合预报的影响与制约,实现了区域数值预报向集合预报的新跨越。
    李俊介绍道,AREM-EPS系统可提供未来天气演变的多种可能性,使预报员得到比单一确定性 预 报 更 多 的 预 报 信 息 。AREM-EPS系统的业务能力提升主要表现在0到24小时预报时段的各降水量级集合平均优于控制预报,暴雨以下量级预报随预报时效延长优势更明显。合理利用多种集合预报产品对天气过程进行综合分析,对于提高天气预报特别是灾害性天气预报准确率,提升政府科学决策能力有着极其重要的意义。
    2009年6月 28日至 7月 2日,长江中下游暴发连续性暴雨。 6月28日入梅首日,湖北发生区域性强降水,AREM-EPS系统准确预报了大范围强降水天气。次日,AREM-EPS系统又准确预报出雨带东移走向,集合概率预报给出的暴雨概率与实况基本一致。
    随着我国探测系统建设的不断加强,如何充分利用高时空、高密度的观测数据提高数值预报准确率,资料同化技术起着至关重要的核心作用。
    李俊坦言,国际上较为先进的四维变分 (4DVAR)技术,其计算量巨大、建立伴随模式繁复,只有欧美少数国家级预报中心在业务中应用。项目研究中新发展的HSP-4DVAR系统,因为不需要伴随技术,因而具有易用性和通用性的特点,其同化性能与经典四维变分相当,但计算时间只需经典四维变分的二十分之一。专家认为,HSP-4DVAR创新了资料同化的基本理论和技术方法,有利于四维变分在业务预报中推广应用,尤其可以应用到我国常规业务数值天气预报中,为提升我国数值预报水平打下了坚实基础。
                            气象报记者 陆铭 通讯员 林春泽 李俊
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