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行业专项成果综述-华南雷暴大风线状对流系统的数值天气预报关键技术研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2018/1/5 12:04:03   标签:   浏览次数:8322

项目编号GYHY201406009

研究周期20141月至201612

国拨经费240万元

项目负责人胡胜

项目骨干成员万齐林、陈子通、丁伟钰、张旭斌、钟水新、徐道生、高郁东、戴光丰、伍志方、黄燕燕、叶爱芬

项目承担单位中国气象局广州热带海洋气象研究所

项目协作单位广东省气象台、海南省气象台、广西壮族自治区气象台

主要研究成果

本项目围绕“华南雷暴大风线状对流系统的数值天气预报关键技术”开展研究工作,经过三年的实施,取得以下主要研究成果:

(1)利用华南地区地面自动站、多普勒雷达等资料,建立了地面对流性大风数据集和典型线状对流过程数据集,为线状对流的研究提供了数据条件。统计分析了华南地区线状对流时空分布特征,如4月和5月最多(分别为22和20个),广东中西部地区(清远、肇庆、云浮、佛山)影响频次较多。

(2)统计分析了广东线状对流的物理量分布和配置特征,线状对流过程所对应的绝大部分物理量相对于气候平均态有明显的正偏差。体现线状对流过程与气候平均态差别最显著的物理量为反应大气垂直不稳定度和低层水汽丰富程度的物理量,如K指数、低层假相当位温、整层可降水量等。由此可见在华南地区春季,低层增温、增湿对于线状对流发展过程的重要性。

(3)分析了广东线状对流系统的雷达回波特征。大多数情况下产生较大范围的雷雨大风(雷雨大风)。雷雨大风的回波强度主要集中在55-65dBz之间,最大可达70dBz以上;垂直累积含水量(ViL)主要40-55kg/m2,最大可达70 kg/m2,此时往往伴随冰雹;回波顶高多数在15-17公里,最大可达18-19km。

(4)开展了针对华南前汛期强天气预报的对流尺度集合预报技术研究。在GRAPES高分辨率数值模式基础上,初步搭建了一个针对华南地区的对流尺度集合预报系统(CPEPS)。CPEPS水平分辨率为0.03°,由1个控制预报与16个扰动预报构成,初值扰动由降尺度(DSC),资料同化集合(EDA)与时间滞后(TLA)的扰动混合而成。

(5)在CPEPS基础上,开发了集合卡尔曼滤波(EnKF)资料同化系统。同化的资料包括常规探空站、地面站、地基GPS水汽资料和华南多普勒雷达资料。主要技术包括:对协方差矩阵的估计、顺序同化、协方差局地化、滤波发散。

(6)为解决华南高分辨短临模式由于SPIN-UP问题导致的对云和降水响应滞后问题,进一步增强雷达和卫星资料在华南短临模式中的应用,对华南短临模式增加了ADAS综合云分析系统,并对华南地区飑线天气过程实例进行了试验

(7)将三维静力参考大气应用于高分辨非静力模式,能明显减小预报扰动的量值,减少预报要素垂直梯度和水平梯度的计算误差,从而提高模式计算稳定度和精度。

(8)改进了模式动力过程与物理过程耦合技术方案,可降低模式隐式权重,提高SISL时间积分精度,耦合技术还明显减少了由物理过程反馈引起的预报场不连续现象,能明显提高天气系统移动速度的预报精度。云降水物理研究,包括水物质平流与反馈的处理技术,提高了强降水的落区预报和降水的强度预报。

(9)垂直坐标研究及其Gal-Chen坐标的改进,减少地形坐标引起的误差。试验表明新的垂直坐标可在复杂地形的地方提高预报准确率。高分辨模式垂直分层技术研究,总体分层上在边界层和对流层内比较密集,而在对流层以上可以比较稀疏,同时模式的垂直分层在底边界和顶边界附近能够比较平缓过渡,新分层技术方案可以一定程度上提高模式计算精度。边界层方案在高分辨模式中的应用,既提高了近地层的预报效果,另外也有助于提高强天气触发预报的准确率。

(10)改进了基于外推的0-2 h定量降水预报技术。研发了光流法,替代COTREC技术,以增强对对流性回波的外推预报能力;开发了动态Z-I关系,替代静态分级Z-I关系,以实时描述当前降水系统的性质。在上述基础上,对0-2 h定量降水预报技术进行改进;批量检验表明,均方根误差减少了约23%。

(11)发展了融合雷达外推和数值预报的0-6 h定量降水预报技术。基于外推的定量降水预报技术是不考虑雷达回波强度变化的,因此其预报时效非常有限,一般不超过2 h。将雷达外推技术和高分辨数值预报产品相融合,能有效提升定量降水预报的时效。为此,在临近(0-2 h)定量降水预报算法改进的基础上,融合高分辨率数值天气降水预报产品,发展0-6 h 定量降水预报技术。首先,利用傅里叶变换、韦伯分布等对高分辨数值预报降水落区和强度进行订正;其次,采用动态权重分配法,融合雷达外推预报和订正后数值降水预报,实现0-6 h定量降水预报技术。

成果应用情况

项目组在上述技术成果基础上,开发了华南区域高分辨数值预报系统、集合型资料同化系统和基于融合的定量降水预报系统,并通过了业务准入评审,在广东及华南地区进行应用和推广,为华南地区雷暴大风等强对流天气的监测预报预警业务提供了强有力的技术和产品支撑。

(1)华南区域高分辨数值预报系统,空间分辨率为3 km,提供未来12 h的地面和高空要素预报产品,并逐时滚动更新。该系统于2016年汛期前投入业务运行,产品不仅在广东气象部门得到业务应用,还被实时传送到广西和海南等省(区)进行直接应用,对华南地区的强对流天气系统有较好的预报能力。利用2016年5月的降水预报进行TS评估,结果显示:在第1到第4小时预报中大于1mm的降水预报TS均高于0.2,大于5mm的降水预报TS均高于0.1。对大于1mm的降水预报,该系统的空报偏多;而对大于5mm的预报,系统的预报偏差接近于1,尤其在前7小时的预报说明提高TS的同时,系统没有出现空报偏多或漏报偏多的现象。

(2)集合型资料同化系统空间分辨率为3 km,同化的资料包括常规探空站、地面站、地基GPS水汽资料和华南多普勒雷达资料。因基于集合预报产品构造了流依赖的背景误差协方差,能更好描述华南地区强对流天气的特性。该系统在广东进行了试用,对2014年6月29-30日实例分析表明,同化后的分析场辐合加强,飑线后的高压降温可以很清晰地表现出来,这些特征与飑线发生时气象要素的变化一致。同化雷达资料后,在飑线发生的位置,比湿出现了明显地增加,并且比湿的增量呈线性分布,有利于降水产生,表明有能力模拟出飑线的特征。

    (3)基于融化的定量降水预报系统,于2016年开始在广东省气象台进行业务运行,提供空间分辨率为1 km、未来6小时的定量降水逐时预报。在高分辨数值预报有较好效果的前提下,该系统能对降水的强度和落区作进一步有效订正,并与外推预报相结合,为当前定量降水预报业务预报时效由临近(0-2 h)向短时(0-6 h)拓展提供支撑。

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