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幸运农场秘籍:探究风云变幻的奥秘——记灾害天气国家重点实验室

来源:科技日报   发布时间:2018年06月01日13:09
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  近年来,各种极端天气灾害层出不穷,“百年一遇”“五十年一遇”等对灾害的描述性词语在媒体上屡见不鲜。我国幅员辽阔,灾害天气频发,每年因天气引发的灾害都给经济社会发展和人民生命财产带来巨大损失。

  2012年7月21日,北京及其周边地区遭遇61年来最强暴雨及洪涝灾害,造成房屋倒塌10660间,160.2万人受灾,经济损失达116.4亿元。

  2017年8月23日,台风“天鸽”在广东登陆,登陆时中心附近最大风力14级,与1991年第11号台风“Fred”并列成为1949年以来8月登陆广东的最强台风,导致广东、广西等省区近30人死亡,直接经济损失超过200亿元。

  ……

  全球气候变化背景及东亚地区复杂大气环流和地形,使得东亚地区灾害天气监测和预报面临更大的挑战,提高科学防灾减灾能力已经成为各级政府和广大群众的重要任务和迫切需求。在这样的背景下,2005年3月,在原中国气象科学研究院强风暴实验室和数值预报中心的基础上组建的灾害天气国家重点实验室进入建设阶段,2007年8月通过建设期验收,2008年3月正式进入国家重点实验室的行列,成为我国从事灾害天气领域研究的国家重点实验室。

  经过十余年的发展,实验室现有83名固定人员,其中两院院士4名,研究员36名。已承担原国家“973”项目2项,国家科技支撑项目1项,国家基金委重大项目1项,国家重大行业专项项目1项,基金重点项目5项,获得国家科技进步奖二等奖3项,有多人在20多个国际国内学术组织任职。他们通过以遥感遥测为主的观测理论与技术研发,大型观测试验为牵引的机理研究,数值预报为核心的预报理论与技术研究,引领了我国灾害天气学科发展,在国家气象防灾减灾能力建设中发挥了重要的科技支撑作用。

  “世界屋脊” 协同观测

  了解物理学的人都知道,如果潮湿空气在经过充足的冷却后,在大气凝结核上凝结,就会形成云。当水汽凝结物再经过一系列的物理过程,从云中降落到地面时,就成了降水。 云和降水过程在全球水循环、生态环境、灾害天气及气候变化等方面均具有重要作用和影响。云物理及降水过程研究是当前国际大气科学领域的前沿科学问题,也是提高我国灾害性天气精细化、定量化预报能力所亟待解决的重大科学问题之一。

  东亚云物理及降水过程有其独特性,尤其在青藏高原地区和华南季风区。青藏高原的云和降水物理过程不仅影响高原腹地,而且还通过调节亚洲季风区的能量和水分循环,影响着高原周边及下游地区的灾害性天气和水循环。而华南地区受季风、海陆热力差异、复杂下垫面等因素综合影响,降水频繁、强度大,云微物理过程复杂,对其进行观测有利于深化暴雨物理机制认识,提高定量降水预报。

  为加强青藏高原和华南地区云和降水物理过程演变规律的认识,提高数值预报模式中云物理过程的定量化描述能力,实验室牵头组织了“第三次青藏高原大气科学试验”和“华南季风降水试验”,重点开展云微物理及降水过程的观测和机理研究。

  第三次青藏高原大气科学试验是目前为止对高原云和降水过程最为系统的观测试验。团队以青藏高原那曲为综合观测核心基地,构建了青藏高原东南缘、中部与南坡关键区的云物理、边界层和卫星反演综合观测系统,首次对高原云微物理过程进行了飞机、多波段雷达等协同观测,首次在高原组织实施了云和降水空基和地基协同观测试验,获得了独有的高原云和降水观测数据集,揭示了高原独特的云微物理和降水过程。

  具体来看,团队揭示了高原对流云和降水过程的显著日变化特征,指出高原日平均降水转化率较大,水分循环次数较同区域的干旱地区高,水分再循环(内循环)比较活跃。飞机观测研究首次发现,青藏高原过冷液态水含量丰富,云滴浓度甚至比海洋清洁环境下的还小,但尺度大,表明高原云系统更容易产生降水。研究表明,高原雨滴谱分布相对于同纬度同季节的平原地区较宽,并确定了高原地区雨滴谱Γ分布的3个关键参数。这些成果对于揭示高原云和降水形成机理,改进数值模式云物理过程参数化方案,提高模式预报水平具有非常重要的价值和意义。

  采用高原大气科学试验资料,他们评估了中国气象科学研究院自主研发的CAMS双参数云微物理方案,指出高原地区地面降水对云滴凝结过程十分敏感,初始云滴尺寸的影响甚至超过其他微物理过程。进一步模拟研究揭示,高原对流云的暖云层较浅薄,但是在降水中心,暖雨过程的作用甚至超过冷雨过程。这一发现已应用于CAMS云微物理方案的优化,对于提高青藏高原数值预报水平具有重要价值。

  华南暴雨 探索试验

  在第三次青藏高原大气科学试验开展得如火如荼之时,实验室对华南地区的研究也没有落下。实验室持续开展暴雨多尺度机制和数值模拟研究,利用快速发展的雷达技术观测我国东部尤其是华南地区的极端强降水,再经由高精度的数值模拟实现对暴雨的预报,多管齐下加深对暴雨机制的了解,在对流触发、对流系统长生命期等方面取得了系统性研究进展。

  2012年7月,中国气象局申请的“华南季风降水试验”(SCMREX计划)被世界气象组织世界天气研究计划(WMO/WWRP)批准为WMO/WWRP的研究发展项目。2013年,试验正式开展,美国、韩国、日本和澳大利亚等国家均参与了该项目的工作。依靠雷达探测和数值模拟技术,经过4年的不懈探索,研究人员揭示了华南前汛期特大暴雨过程对流触发发展的多尺度物理机制,阐明了季风发展不同阶段华南降水系统的微物理结构特征,提高了数值模式对华南前汛期暴雨的预报能力。

  团队在暴雨和对流多发区的广东龙门建立了集双偏振雷达、多波段垂直观测雷达、激光雷达、微波辐射计和雨滴谱仪等综合观测系统的云降水垂直观测超级站;研发了X波段相控阵天气雷达系统,并在龙卷风多发地广东佛山建成了X波段相控阵天气雷达观测基地。通过开展更大规模的华南暴雨外场观测试验,他们首次建立了包含水成物粒子相态,粒子落速,液、冰水含量,高时空分辨率降水结构等在内的华南季风区暴雨过程云和降水综合数据集。在此基础上,建立了多波段垂直观测雷达的质量控制方法,云降水微物理和动力参数反演方法,分析了华南云降水微物理特征及其与青藏高原、汇合流域的差异;利用X波段相控阵天气雷达结合双线偏振雷达,验证了X波段相控阵天气雷达探测快速变化的强对流过程精细结构的能力,并进一步认识了强对流系统中气旋、冰雹和地面大风的结构、演变和相关关系。

  利用外场试验获取的最新综合观测资料,结合高精度数值模拟,研究人员发现海岸线及其附近较小尺度山脉分布、先前对流活动遗留的冷堆、近地面风等中小尺度因素的协同作用是华南前汛期沿海特大暴雨对流系统触发的关键,明确西南季风夜间加速、海陆风以及复杂下垫面等在3种降水日变化传播模态中的作用。研究发现,弱地面冷出流导致的中尺度对流系统的稳定维持以及活跃的暖雨过程,是形成华南地区瞬时强降水并导致极端累积降水的直接原因;华南暖区强降水过程中,对流系统的自激发和自组织是华南暖区弱动力强迫下对流系统形成的关键过程。据此,团队建立了华南暖区暴雨多尺度天气概念模型,并应用于降水预报业务,提高了暴雨预报的准确性。

  不忘初心 砥砺前行

  台风是影响我国的重要灾害天气,平均每年有7—8个台风正面登陆我国,登陆台风数居世界首位,年均因台风造成的灾害损失达440亿元、死亡达470人。近30多年来,台风移动路径预报水平得到了持续改进,然而对台风强度预报的改进却非?;郝?。之所以如此,是因为研究人员对影响台风强度变化的机理没有足够的认识,同时没有一套成熟的理论体系。为此,实验室依托主持的国家重点基础研究计划(原“973”)等科研项目,开展了“登陆台风科学试验”,在台风结构及强度变化机理、数值模式关键技术等方面开展了深入细致的研究,并取得了一系列创新性研究成果。

  团队致力于台风数值模式关键技术的改进,开展了在现代城市化背景下,台风登陆前后气溶胶对模式云微物理过程的影响、城市下垫面对台风边界层的物理过程及台风降水影响的研究,取得了一系列研究成果。他们实现了雷达径向风资料同化技术在登陆台风预报试验中的应用;改进复杂地形情况下的台风涡旋初始化技术,有效减小了台风路径和强度预报误差;研发和改进云微物理、长波辐射及边界层过程参数化方案,推动适用于台风精细结构数值预报的关键技术发展。其建立的高分辨率区域同化预报示范平台(T-RAPS)开展了2015—2017年的西北太平洋台风实时预报试验。强度误差逐年减小,在汛期为中央气象台台风预警提供了有力的技术支撑。

  同时,实验室拥有中国气象局雷电野外科学试验基地,研发了闪电低频电场探测阵列、连续干涉仪和全视野闪电通道成像仪等多种雷电光、电、磁探测设备,连续开展了十余年的雷电外场观测试验,获取了大量宝贵的科学试验数据,为雷电物理过程及其成灾机理的研究、雷电防护技术的综合测试以及雷电监测系统的客观检验评估等提供了关键的支撑。他们率先研发了专业化雷电临近预警系统,实现了对雷电活动发生概率、移动趋势、重点区域雷电危险度等级的临近预警,并在中央气象台和北京、上海、湖南等各?。ㄊ校┢笠滴癫棵?,以及林业、航空航天等多个雷电敏感行业得到应用,为奥运会、世博会、大运会和航天发射等重大活动提供了有效的雷电预警服务。

  除此之外,实验室在第一个评估期发展了我国数值天气预报系统(GRAPES),并实现业务化运行;基于ECHAM5大气模式和MOM4海洋模式建立了一个包含大气、海洋、陆面和海冰的气候系统模式(CAMS-CSM),为天气—气候一体化模式关键技术研究提供耦合模拟平台,研发了新一代天气雷达飑线和对流系统识别软件系统,并得到业务应用。

  灾害天气国家重点实验室肩负开展灾害天气学科前沿研究,监测、预报和预警重大技术研发任务,面向现代天气业务发展需求,兢兢业业,踽踽独行,在暴雨、台风、雷电等灾害性天气和数值预报、雷达探测等方面硕果频出、丰收不断。新形势下,且看他们如何不忘初心,砥砺前行,为我国灾害预测和防灾减灾做出新的、更大的贡献!

   (来源:科技日报 责任编辑:赖敏)

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