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课题设置

项目针对关键科学问题,主要研究内容和要达到的科学目标,设置了六个课题:

针对科学问题一,设立了课题三和五。课题三重点分析突发性强对流天气系统的三维结构特征,研究其生成后的发展、维持和消亡机理;课题五集中研究对流云内微物理过程及其反馈机制,并设计改进的微物理参数化方案。

针对科学问题二,设立了课题四,重点研究突发性强对流天气系统的生成条件和触发机制,建立强对流触发的概念模型用于改进外推临近预报系统,并研究突发性强对流天气系统的可预报性。

针对科学问题三,设立了课题二和六。课题二重点研究发展多源非常规观测资料的同化理论和技术、特种观测资料的同化方法,为机理和预报研究提供强对流个例的高分辨率再分析数据集;课题六利用机理和同化研究的成果,建立可业务化的0‐24h 无缝隙强对流天气临近短时预报系统。

为获取第一手突发性强对流天气的观测资料,为课题二到六提供资料基础,设立了课题一,负责设计针对突发性强对流天气的野外科学试验方案,并组织实施加密强化观测试验;该课题会针对关键科学问题一研究典型突发性强对流天气的观测特征,并针对关键科学问题三研究观测资料的质量控制和误差估计方法。

以上的六个课题研究内容设置构成一个有机的整体,形成以观测分析、机理研究、资料同化和预报方法研究为主线的完整研究框架。各个课题的研究目标、主要研究内容、承担单位、课题负责人、课题主要参加人员及课题在整个项目经费中所占比例等情况如下:

课题1: 突发性强对流天气的外场科学试验

研究目标:

在现有业务观测网基础上,重点利用加密探空和地面中尺度网,结合移动遥感观测平台,观测边界层内风向、风速、温度和水汽的细致结构和梯度变化,获得突发性强对流天气触发前后的边界层和环境结构特征;联合多部移动式双偏振多普勒雷达和业务雷达组网,并结合云雷达和雨滴谱仪等,观测强对流的三维动力、热力和云物理结构;建立不同观测系统资料的质量控制方案和相应的数据库,为机理、同化和预报等课题研究提供数据基础;通过强对流观测网络优化策略研究,提出针对强对流分析预报的最优观测网络组合布局和优化的雷达扫描策略。

研究内容:

(1)设计针对突发性强对流的野外科学试验方案,实施特种观测试验

在业务观测网络基础上,联合、组织参加和协作单位,共同制定针对突发性强对流天气过程的细化科学试验方案,考虑不同下垫面特征,重点围绕γ 中尺度强对流的触发环境和系统形成后的精细结构实施加密观测。拟在大别山下游的平原地区和以上海为中心的城市群区(分别代表平原和城市两种不同下垫面),设置加密观测区;通过加密探空、边界层风廓线仪、微波辐射计、GPS‐MET 等观测手段,获取对流发生前后环境和边界层精细结构;通过多部移动式双偏振多普勒雷达的编阵组网,获取对流系统内部动力、热力和微物理过程精细结构的观测。为整个项目提供第一手观测资料。

(2)研究加密观测资料质量控制方法和技术,建立野外科学试验资料集

收集常规和加密业务观测网资料,组织整理特殊野外观测资料,建立基础数据库,产生快速查看数据和图像集;研究资料质量控制方法,结合动力方程约束和快速循环同化背景场约束,发展综合性资料质量控制新方法,并对基础数据资料进行质量控制;针对移动式双偏振多普勒雷达的组网探测资料、地面雨滴谱观测资料等,发展优化的雷达资料质量控制理论和方法;建立高质量突发性强对流天气过程野外科学试验个例共享数据集,为项目提供可靠的研究资料保障。

(3)研究针对强对流天气的观测网络最优组合和雷达优化扫描策略

利用资料同化系统和数值预报模式,进行实际资料“观测系统试验(OSE)”,定量确定评估科学试验中各种资料,尤其是非常规特殊观测资料,对突发性强对流天气系统的分析和预报改进的作用;通过开展模拟资料“观测系统模拟试验(OSSE)”,研究雷达观测优化策略,探讨不同扫描策略对强对流系统结构分析和预报的影响;研究针对强对流天气预报的多观测网最优网络设计和观测方法,为未来建立优化的中尺度业务观测网提供理论指导。

经费比例: 27.5%

承担单位: 南京大学、中国气象局北京城市气象研究所、南京信息工程大学

课题负责人: 赵坤

参加人员: 梁旭东、黄兴友、韩永、王其伟

课题2: 突发性强对流天气的多源资料融合和同化理论

研究目标:

建立综合同化业务布网雷达、双偏振多普勒雷达、云雷达、风廓线仪等非常规资料的方法和途径;建立可业务化的变分和集合卡尔曼滤波相结合的混合同化系统;提出在同化多尺度、多源资料时处理模式误差,优化集合离散度和实现背景场协方差局地化的有效方案,为强对流天气的模拟研究和预报提供先进的同化工具;利用同化系统和试验观测资料,建立高时空分辨率的强对流个例 “再分析”格点数据集以及各变量的误差估计,用于细致的机理诊断分析、精细化模拟和预报试验的初始场、以及预报性能的检验。

研究内容:

(1)研究建立优化的对流尺度变分和集合混合同化方法和系统

研究发展针对强对流天气的综合同化多普勒雷达、双偏振雷达以及其它高分辨率常规和非常规资料的有效方法和途径;在现有研究和业务同化系统的基础上,建立一套可业务化、高性能、通用的变分和集合卡尔曼滤波相结合的混合同化系统,为项目开展同化、模拟和分析等多方面的研究工作提供有效的平台和工具;针对多尺度多源资料,研究同化特殊观测资料的最优初始扰动、模式误差处理和背景场误差协方差自适应局地化的理论和方法,以提高针对突发性强对流天气和中国特定的资料集的同化性能;通过大量准业务环境下的测试,确定针对我国业务资料集和预报模式的最优同化配置,为系统的业务化提供直接技术指导。

(2)研究同化特殊观测资料的方法

在混合同化系统内,发展新型观测资料,特别是新型的短波长移动型雷达,双偏振雷达,云内卫星观测等资料的有效观测算子,探讨与模式云物理过程(如多参数微物理参数化方案)结合方法,提高观测资料(如有衰减的X 波段雷达资料),观测算子(如双偏振雷达观测变量、云内卫星观测的辐射传输计算),预报模式(如分辨率、降水粒子谱分布)的一致性;通过系统性同化试验,定量评估和确定各种新型观测资料对预报精度提高的贡献;研究利用集合同化系统为对流尺度集合预报提供有效初始扰动的方法,提高同化性能和概率预报精度。

(3)构建四维精细化结构再分析资料集

针对野外试验期间的个例,利用混合同化系统对我国业务观测网(包括新一代业务雷达网、加密高空和地面业务观测网资料、风云系列气象卫星观测资料等)和特种观测仪器(多部双偏振多普勒雷达、激光雷达、微波辐射计等)获取的资料进行综合同化分析; 通过高频率连续同化,获取对突发性强对流天气系统的风、温、压、湿和冰水相态精细描述的四维再分析资料集以及各变量的误差估计,用于机理分析、预报模式初始化和预报技能检验等。

经费比例: 13.5%

承担单位: 南京信息工程大学、兰州大学、中国气象局北京城市气象研究所

课题负责人: 魏鸣

参加人员: 邵爱梅、张述文、陈敏、陈耀登

课题3: 突发性强对流天气系统的结构和演变机理

研究目标:

利用野外科学试验加密强化观测资料,特别是多部多普勒雷达组网观测资料,通过雷达风场、热力场反演、结合预报模式的四维同化分析、和高分辨率数值模拟等手段,揭示典型突发性强对流天气系统的三维风场、热力场的精细结构特征;通过诊断分析,揭示γ 中尺度强对流发展、演变的过程和机理,以及γ 中尺度系统组织化升尺度增长而形成β 中尺度强对流系统的过程和机理;研究强对流系统内部环流和水物质结构分布及其演变,探讨其与气象灾害形成的关系。

研究内容:

(1)突发性强对流天气系统的三维结构特征

1)利用双部或多部多普勒雷达组网观测资料,通过风场和热力场反演,并结合高时空分辨率格点再分析资料,分析典型突发性强对流天气系统内部的三维动力和热力的精细结构特征,揭示雷达观测中强风、冰雹、龙卷等现象的观测特征;2)研究强对流系统内结构(如强上升下沉运动,强后向入流,强中气旋,线尾涡旋,冷池等)和灾害性天气的空间、时间关系。(2)突发性强对流天气系统的发展、维持和消亡机理。

针对野外试验的典型个例,通过理想和实际数值模试验,研究突发性强对流系统的发展、维持和消亡的条件和机理。具体包括:1)在欧拉格点空间和拉格朗日轨迹空间对物理量和作用力进行诊断分析,研究γ 中尺度和β 中尺度强对流系统发展、消亡过程中内在因果关系; 2)通过分析γ 中尺度强对流能量、质量和涡度源汇和收支、以及单体之间的相互作用,研究γ 中尺度强对流组织化升尺度增长形成β 中尺度对流系统的过程和机理。

(3)突发性强对流天气系统内地面气象灾害形成机制

结合观测分析和高分辨率数值模拟,深入研究包括地面直线型大风,龙卷大风,局地强降水和大冰雹等气象灾害的形成机理;内容包括:1)对于直线型大风:研究常引发灾害性大风的强后向入流的形成、加强和下沉的机理;对流尺度涡旋等对地面大风分布的贡献;无强后向入流的直线型地面大风的形成原因;2)对于龙卷大风,研究东亚季风高湿环境、中等垂直切变等环境条件下龙卷的形成机理,特别是对流系统产生低层强切变对低层垂直涡度的贡献;3)对于局地强降水,研究下垫面非均匀局地强迫、环境湿度,风切等要素对降水效率的影响;造成对流系统准静止状态和序列性对流(“列车效应”)的条件和机制;4)对于冰雹,与第五课题合作,研究冰雹快速增长的动力和微物理过程机理。

经费比例: 18.5%

承担单位: 南京大学、南京信息工程大学

课题负责人: 薛明

参加人员: 伍荣生、吴立广、潘益农、丁治英

课题4: 突发性强对流天气系统的触发机制和可预报性

研究目标:

认识江淮流域突发性强对流天气的典型孕育环境和天气系统配置;揭示复杂非均匀下垫面、边界层过程在不同天气系统配置背景下强对流触发的确切过程和关键动力热力因子,并建立强对流触发物理和统计概念模型,为提高对流触发的预报能力提供理论基础和技术支撑;研究典型突发性强对流天气的可预报性。

研究内容:

(1)强对流天气系统形成的典型孕育环境和背景条件

通过对江淮流域造成突发性灾害性天气的强对流触发过程的系统性研究,认识该区域强对流系统的孕育环境和触发过程;重点研究江淮流域造成突发性灾害天气的强对流系统的典型孕育环境特征。主要探讨:1)强天气系统强迫下天气尺度系统(例如锋面、副热带高压、中高层冷涡、台风、高空急流等)和中尺度系统(例如地面辐合线、海陆锋、干线、风暴出流边界、低空急流、地形等)引起对流触发的典型时空配置和主要机理;对流触发的环境水汽条件、对流有效位能(CAPE)、对流抑制(CIN)、低层水平风垂直切变等关键环境参数的分布特征;2)弱天气系统强迫下对流触发的多尺度背景特征和关键环境参数分布。

(2)强对流的触发过程和机制

结合边界层观测资料和高分辨率数值模拟,重点研究复杂下垫面、边界层过程和对流层中上层强迫在不同典型天气背景下对流触发过程中的作用。主要探讨:1)非均匀复杂下垫面包括地形、海陆、城市以及土壤水份含量、地表粗糙度等非均匀性所造成的局地环流,以及温度水汽的非均匀分布等触发对流的过程和机制; 2)边界层中尺度辐合线、边界层对流尺度滚涡、雷暴出流边界等中小尺度结构特征对强对流触发确切时间、地点的影响作用和控制机制;3)中尺度温湿平流和低空急流等过程导致对流的机理;4)建立典型强对流触发的物理概念模型,为建立在临近外推预报系统中新生对流的预报能力和提高数值模式中对流触发的预报精度提供理论基础和技术支撑。

(3)强对流天气系统可预报性

选取弱强迫和强强迫条件下孤立的和组织化强对流天气系统的典型个例,1)使用再分析资料取得控制数值模拟,分析控制模拟基础上添加的不同尺度和大小的初始场扰动的时间增长速率,及其扰动的能量谱变化,研究典型突发性强对流系统(γ 中尺度强对流及其组织化形成的β 中尺度强对流系统等)的内在可预报性;2)利用第6 课题建立的对流尺度集合预报系统,研究影响预报准确性的多个因子(初始场、测边界条件、预报模式等)对可预报性的影响,通过分析集合预报离散度的时间变化,推断各类强对流系统的实际可预报性。

经费比例: 13.5%

承担单位: 北京大学、浙江大学

课题负责人: 张庆红

参加人员: 李万彪、翟国庆、朱佩君、徐亚梅

课题5: 对流云的微物理过程及其反馈

研究目标:

建立云雷达、双偏振雷达、雨滴谱仪、卫星遥感等观测对对流云微物理参数的定量反演方法;揭示我国在东亚季风影响下高湿度、弱斜压性背景环境条件下 的典型突发性强对流天气的多相态水物质结构和滴谱分布及其变化规律;建立适 合于强对流天气的粒子分档云模式并进行高分辨率数值模拟,根据模拟结果发展 适用于我国特殊环境条件的多参数云微物理参数化方案;揭示云微物理过程对γ 中尺度强对流演变的反馈作用和机理。

研究内容:

(1)对流云遥感资料反演方法研究

1)结合雨滴谱仪观测资料,发展基于双偏振多普勒测雨雷达、毫米波云雷 达的云和降水参数(粒子相态、冰水含量及其滴谱分布)综合反演方法;2)综 合应用我国新一代风云系列气象卫星多光谱资料,结合A‐Trains 的CloudSat、 TRMM、MODIS 等国际最先进的卫星空间遥感观测数据,研究对流云内相态、分 类、有效粒子半径等卫星遥感反演关键技术。

(2)强对流天气系统的云微物理结构和特征研究

通过卫星、布网天气雷达、双偏振雷达、微波辐射计、雨滴谱仪和其它云参数观测及反演资料分析,研究对流云的微物理结构,重点揭示在我国东亚季风高湿度、弱斜压性背景环境条件下,突发性强对流天气系统内多相态水物质结构和滴谱时空分布特征。研究云微物理结构和特征和强对流系统造成突发性灾害天气(包括地面大风、局地强降水、冰雹、闪电等)的时空关系。

(3)云微物理过程和参数化方案研究

1)建立适合于强对流模拟的粒子分档(BIN)云数值模式并进行高分辨率分档模拟,细致分析模拟的云物理过程并利用观测资料进行验证; 2)以优化后的分档云模式粒子谱分布等输出为依据,结合云参数反演资料,建立适用于我国特殊环境条件的多参数云微物理参数化方案;3)与第六课题合作,将多参数云微物理参数化方案应用于GRAPES_CR 模式,并系统评估多参数微物理参数化方案对各类突发性灾害天气预报能力的改进,特别是对冰雹和强降水的预报能力。

(4)云微物理过程对强对流系统的反馈作用

1)通过分析云微物理量的空间结构和计算各种微物理过程造成的能量和水物质质量收支,揭示云微物理过程对γ 中尺度强对流的演变的反馈作用和机理; 2)研究云微物理过程对强对流系统内突发灾害性天气(冰雹,局地强降水等)形成和发展的影响机制。

经费比例: 13.5%

承担单位: 中国科学院大气物理研究所、南京大学

课题负责人: 平凡

参加人员: 胡朝霞、冉令坤、张贵付、郁凡

课题6: 无缝隙强对流天气临近短时预报关键技术和和预报系统

研究目标:

基于我国自主研发的中尺度数值模式GRAPES_Meso,集成本项目其它课题的机理、参数化方案和同化技术等研究成果, 建立对流可分辨( CR ,Convection‐Resolving;格距不大于4km)的GRAPES_CR 数值预报系统;发展精细数值预报与SWAN 临近预报系统相结合的融合技术,建立0‐24h 无缝隙强对流天气临近短时预报系统(SPS3,Seamless Prediction System for Severe Storms);结合WRF、ARPS 等中尺度模式,建立对流可分辨的多模式超级集合预报系统(CMEPS,CR Multi‐model Ensemble Prediction System);开展SPS3 和CMEPS 系统的实时准业务预报试验,评估预报产品,争取在国家和区域省市级气象部门实现推广应用。

研究内容:

(1)发展建立对流可分辨的GRAPES_CR 数值预报系统

基于GRAPES_Meso,重点研究和建立对流可分辨的GRAPES_CR 数值预报系统。主要探讨:1)在对流可分辨格距下采用更适宜陡峭地形的垂直坐标,提高GRAPES 模式动力框架对地形动力强迫和近地面热力过程的描述能力;2) 结合其他课题发展的先进同化技术,集成建立GRAPES_CR 模式初值化系统,提供快速更新的高质量模式预报初值;3)利用野外试验的加强观测信息和高分辨率模拟手段(如BIN 云模式和大涡模拟),建立适合于我国强对流天气的多参数云微物理和行星边界层(PBL)参数化方案,总体改进GRAPES_CR 对对流环境、对流触发和对流演变及其灾害天气的预报能力。

(2)改进SWAN 临近预报系统并建立强对流天气无缝隙预报系统SPS3

1)利用机理研究建立的物理统计概率模型,在SWAN 临近预报系统中建立对强对流系统生消的一定预报能力;2)研究发展SWAN 临近预报与GRAPES_CR精细数值预报的最优融合方法,集成建立SPS3 0‐24h 无缝隙强对流天气临近短时预报系统,并研究开发强对流天气分类预报产品;

(3)研究建立对流可分辨多模式超级集合预报系统CMEPS

重点研究对流可分辨集合预报系统的最优设计,利用GRAPES_CR、WRF、ARPS 等模式,建立对流可分辨多模式超级集合预报系统CMEPS。主要探讨:1)在集合同化分析场扰动的基础上进一步改进初始场扰动的新方法,例如集合变换卡尔曼滤波(ETKF)和针对不同时空尺度的奇异向量扰动组合的新方法;2)研究包括多模式、多参数化方案、方案内参数扰动、预报方程后向散射扰动相结合的最优模式扰动方案; 3)研究发展针对强对流天气的CMEPS 概率预报产品和相应的概率预报偏差订正方法。

(4)开展SPS3 和CMEPS 的实时预报检验评估

1)利用参加单位和国家超级计算中心计算资源,在江淮流域强对流频发季节开展SPS3 和CMEPS 系统的实时准业务预报试验,组织国家级(数值预报中心、强天气预报中心等)和区域省市级,特别是江淮流域的气象业务部门对预报产品进行主、客观评估;2)研究发展强对流天气确定性和概率预报特殊定量检验评估方法和技术,结合加密观测个例,系统评估SPS3 和CMEPS 对局地强降水、雷暴大风、冰雹、雷电等强对流天气的定量预报能力;3)基于实际预报能力的提高,争取实现SPS3 和CMEPS 在国家中心和区域省市预报部门业务应用。

经费比例: 13.5%

承担单位: 国家气象中心、南京大学

课题负责人: 陈德辉

参加人员: 黄丽萍、郑永光、张小玲、袁慧玲