科技成果动态:数值天气预报系统助力提升暴雨防灾减灾能力

日期:2023年05月25日

四川省级科技计划项目气象联合减灾专题阶段性成果展(一)

数值天气预报系统助力提升暴雨防灾减灾能力

四川地理位置特殊,地形地貌复杂,又是多天气系统相互作用影响的区域,暴雨等强对流天气多发,频发,并常诱发山洪、泥石流和城市内涝。如何快速、准确地进行暴雨预报,是四川气象工作需要解决的首要问题。而该问题的解决目前主要依赖于数值天气预报系统(以下简称预报系统)的能力。为提升业务预报系统的能力,项目组针对四川复杂地形地区从以下三个方面开展模式关键技术研发与应用研究:

资料同化关键技术

针对四川复杂地形云气候特征,优化模式复杂云分析处理性能。改进区域模式的云分类判别方案,合理构建模式初始场的云结构。

图1 云水凝物分类识别

设计不同循环同化方案并对比分析试验结果的差异,确定雷达、卫星、风廓线等观测资料的最佳同化频次以及快速更新同化启动策略。建立四川复杂地形逐小时快速更新同化、1千米水平分辨率的数值预报系统并实时业务化运行。

图2 风云卫星布局

边界层与微物理参数化方案优化

研发基于深度神经网络的复杂地形区次网格湍流参数化方案,以改进大气边界层中的湍流模拟性能。将多源三维观测资料用于预报系统中云降水物理过程、三维边界层过程的改进,结合条件非线性最优扰动理论,改进模式中物理过程描述。

图3 模式物理过程示意图

采用最新的计算机技术和模型算法,遵循大气物理和动力学规律,收集和整理了大量的气象数据,并不断优化模型算法,确保模式预报产品的准确性和可靠性。采用XGBoost(Extreme Gradient Boosting)机器学习方法进行订正后风场预报效果显著提升。

图4 风速订正效果

2022年汛期以来,模式预报检验评估结果表明,复杂地形快速更新精细化数值预报系统对全省强降水预报的准确率优于国内外其他数值预报产品,逐3小时晴雨预报准确率超过80%,远高于其他数值预报产品。

数值预报检验评估

开展四川地区不同模式、不同起报时次、不同地形、不同天气系统降水预报产品的检验评估,定量评估模式预报技巧和性能。面向四川地区主要天气过程和典型天气系统,评估模式在系统发展不同阶段的预报性能。发展复杂地形下的空间检验评估方法,揭示模式预报误差特征。初步建立四川地区数值预报检验评估系统。

图5 数值预报检验评估系统截图

图6 中国气象报报道

预报产品为地方政府提供了重要的防灾减灾气象信息,多次避免或减少了由于极端天气造成的人民生命和财产损失,有力保障了地方经济社会的稳定发展和国家重大工程的建设等,多次受到四川省和中国气象局的表彰。同时,预报产品推广应用于中国民用航空西南地区管理局、中国人民解放军西部战区、中国三峡集团有限公司等多个部门,受到普遍好评。未来,项目团队还将通过“观测—机理—模式”良性互动的研究方式,继续强化青藏高原复杂地形和特殊气候背景下数值模式核心技术攻关。持续发挥科技支撑作用,为防灾减灾工作和经济社会发展作出更大的贡献。