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大气所等在利用闪电资料改进局地降水短临预报研究中获进展

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[文章前言]:作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  当前,困扰数值预报模式在短时临近降水预报(0-6 h)中应用的一个突出问题是平衡调整(Spin-up)问题,平衡调整阶段中模式不能产生足够的上升运动,导致前几小时的预报无效,即使成熟的快速更新雷达资料同化也仍需1-4小时的平衡调整时间。

  闪电是强对流发展的产物,可有效指示雷暴云中的上升运动和冷云微物理过程。近年来,闪电探测和定位技术发展速度较快,从1970年代误差在公里到数公里的单站定位,到1980年代误差在几百米的地闪落地点定位,发展到目前误差仅有百米甚至米量级的多站闪电全闪放电通道的三维动态定位。闪电定位技术的发展,几乎使地球上任何地方发生的闪电都能被可靠探测。地基闪电定位资料质量不断提高的同时,基于静止卫星平台的闪电成像仪也已在轨运行。面对日渐丰富的闪电定位资料,如何进一步发挥闪电资料在模式中的应用价值、提高强对流和降水的预报水平,成为临近预报研究的重要科学问题。

  为了获取可靠的闪电定位资料,并促进闪电在改进降水短临预报中的应用,中国科学院大气物理研究所郄秀书团队自主发展了雷电全闪探测和三维定位系统(BLNET),并连续多年开展暖季综合观测实验,获得了关于北京及周边雷暴天气系统特征和规律的实际认识(Qie et al.,2021)。在充分研究闪电与对流系统动力、微物理过程联系的基础上(Chen et al.,2020a; Lu et al.,2021),陆续建立了闪电与冰物质含量(Qie et al.,2014)、水物质含量(Chen et al.,2019)等微物理特征的经验关系,发展了闪电资料在对流分辨模式中的牛顿松弛逼近(

  )同化方案。闪电资料同化能够在雷达资料基础上引入更多对流信息,提高局地降水短临预报的准确性。

  近期,郄秀书团队和美国国家大气研究中心高级科学家Juanzhen Sun、北京城市气象研究院博士肖现(2017年毕业于大气所)合作,基于闪电和云内强上升运动的物理联系,利用闪电和模式垂直速度经验廓线,提取对流尺度动力场观测信息,并在雷达四维变分同化系统VDRAS内实现了闪电资料的同化应用(Xiao et al. 2021a, b),有效改进了模式的动力场状态,提高了对流性降水定量预报的准确性,在精细化预报强降水中心的同时,减少了空报范围。

  目前搭载于我国FY-4静止气象卫星上的我国首个闪电成像仪LMI已实现了对东亚地区闪电活动的准实时连续监测。郄秀书团队成员、博士陈志雄在对LMI资料性能进行评估(Chen et al., 2021)的基础上,探索了基于LMI的闪电资料同化方法,开发出基于WRFDA三维变分同化系统的闪电资料同化方案(Chen et al. 2020b),进一步拓展了卫星观测资料和新同化方法的应用,有望在雷达稀少或不能观测区域(如海上和山区),利用具有独特优势的闪电观测资料提升强对流天气临近预报的准确性。

  基于WRFDA三维变分同化系统的闪电资料同化提高局地降水预报准确性,预报时间为2018年7月16日05:00(Chen et al., 2020b)。OBS为北京市气象局的雷达组合反射率产品;CTL未进行雷达和闪电同化模拟的组合反射率预报;(c)RA只同化雷达资料预报;(d)RALN同化雷达与闪电资料预报

  当前,困扰数值预报模式在短时临近降水预报(0-6 h)中应用的一个突出问题是平衡调整(Spin-up)问题,平衡调整阶段中模式不能产生足够的上升运动,导致前几小时的预报无效,即使成熟的快速更新雷达资料同化也仍需1-4小时的平衡调整时间。

  闪电是强对流发展的产物,可有效指示雷暴云中的上升运动和冷云微物理过程。近年来,闪电探测和定位技术发展速度较快,从1970年代误差在公里到数公里的单站定位,到1980年代误差在几百米的地闪落地点定位,发展到目前误差仅有百米甚至米量级的多站闪电全闪放电通道的三维动态定位。闪电定位技术的发展,几乎使地球上任何地方发生的闪电都能被可靠探测。地基闪电定位资料质量不断提高的同时,基于静止卫星平台的闪电成像仪也已在轨运行。面对日渐丰富的闪电定位资料,如何进一步发挥闪电资料在模式中的应用价值、提高强对流和降水的预报水平,成为临近预报研究的重要科学问题。

  为了获取可靠的闪电定位资料,并促进闪电在改进降水短临预报中的应用,中国科学院大气物理研究所郄秀书团队自主发展了雷电全闪探测和三维定位系统(BLNET),并连续多年开展暖季综合观测实验,获得了关于北京及周边雷暴天气系统特征和规律的实际认识(Qie et al.,2021)。在充分研究闪电与对流系统动力、微物理过程联系的基础上(Chen et al.,2020a; Lu et al.,2021),陆续建立了闪电与冰物质含量(Qie et al.,2014)、水物质含量(Chen et al.,2019)等微物理特征的经验关系,发展了闪电资料在对流分辨模式中的牛顿松弛逼近(Nudging)同化方案。闪电资料同化能够在雷达资料基础上引入更多对流信息,提高局地降水短临预报的准确性。

  近期,郄秀书团队和美国国家大气研究中心高级科学家Juanzhen Sun、北京城市气象研究院博士肖现(2017年毕业于大气所)合作,基于闪电和云内强上升运动的物理联系,利用闪电和模式垂直速度经验廓线,提取对流尺度动力场观测信息,并在雷达四维变分同化系统VDRAS内实现了闪电资料的同化应用(Xiao et al. 2021a, b),有效改进了模式的动力场状态,提高了对流性降水定量预报的准确性,在精细化预报强降水中心的同时,减少了空报范围。

  目前搭载于我国FY-4静止气象卫星上的我国首个闪电成像仪LMI已实现了对东亚地区闪电活动的准实时连续监测。郄秀书团队成员、博士陈志雄在对LMI资料性能进行评估(Chen et al., 2021)的基础上,探索了基于LMI的闪电资料同化方法,开发出基于WRFDA三维变分同化系统的闪电资料同化方案(Chen et al. 2020b),进一步拓展了卫星观测资料和新同化方法的应用,有望在雷达稀少或不能观测区域(如海上和山区),利用具有独特优势的闪电观测资料提升强对流天气临近预报的准确性。

  基于WRFDA三维变分同化系统的闪电资料同化提高局地降水预报准确性,预报时间为2018年7月16日05:00(Chen et al., 2020b)。OBS为北京市气象局的雷达组合反射率产品;CTL未进行雷达和闪电同化模拟的组合反射率预报;(c)RA只同化雷达资料预报;(d)RALN同化雷达与闪电资料预报

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