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    超大城市氣象觀測試驗盡顯垂直精細化觀測優勢

    發布時間:2022年06月07日 來源:中國氣象報社

    本文專家:中國氣象局氣象探測中心工程師 趙世穎 高級工程師 陶法 茆佳佳

    北京冬奧會期間,布設在北京市海淀區、延慶區的氣溶膠激光雷達每日提供《冬奧氣象服務監測快報》和《冬奧氣象服務監測日報》,為有關部門了解賽區空氣質量提供了有力支撐,這也是歷時5年的超大城市垂直綜合氣象觀測技術研究及試驗(以下簡稱“超大城市氣象觀測試驗”)的成果之一。

    自籌設備開展10余個大城市垂直觀測試驗

    近年來,我國超大城市及城市群氣象環境發生顯著變化,局地短時強降水、霧和霾、高溫熱浪、龍卷風等極端天氣頻發,其影響在人口聚集的超大城市具有放大效應,例如2021年蘇州和武漢強龍卷風、鄭州特大洪水等。而超大城市邊界層垂直探測資料缺乏,成為制約短時臨近預報以及城市應急氣象保障服務的主要因素之一。

    由中國氣象局氣象探測中心牽頭,聯合北京市氣象局、南京大學、北京師范大學等10余家單位和學校,組織開展了超大城市氣象觀測試驗,利用毫米波測云雷達、風廓線雷達、微波輻射計、激光雷達等新型地基遙感設備對北上廣等10余個大城市(群)風、溫、濕、水凝物、氣溶膠等要素廓線開展連續觀測。此次試驗帶動近50家相關企業“自籌干糧”近100套設備,對大氣垂直廓線開展連續觀測。

    針對超大城市短時臨近預報、霧和霾應急保障服務等需求,在北京、上海、廣州建立了13個由Ka波段云雷達、微波輻射計、L波段風廓線雷達、氣溶膠激光雷達和X波段雙偏振雷達組成大氣垂直廓線超級站,與常規觀測設備共同構成“新增觀測站+基礎業務觀測網”的觀測試驗網。攻克了溫、濕、風協同觀測技術,重點解決了有云條件下微波輻射計溫濕廓線數據質量難點問題、降水條件下風廓線雷達風速反演精度及雷達組網風場空間一致性問題、晴空回波對毫米波云雷達低云探測影響等問題,建立了毫米波云雷達、微波輻射計、氣溶膠激光雷達等5類觀測設備標定測試方法和技術規范。

    以氣溶膠激光雷達為例,其標定技術實現了全流程標定的自主創新,消光系數和后向散射系數標準偏差小于等于20.4%,達到國際先進水平。

    試驗成果“反哺”超大城市預報和服務

    超大城市氣象觀測試驗在北京、上海、廣州開展了一系列以氣溶膠和邊界層為核心的增強綜合觀測試驗,獲得了大量高精度資料,得到超大城市湍流發展助推新粒子生成的新發現。以廣州城市群邊界層與熱島效應特征為例,試驗團隊利用數值模式敏感性試驗研究下墊面邊界環流對降水的影響。研究顯示,城市熱島效應導致次級環流的增強,城市熱島環流和海陸風環流的相互作用是影響城市降水強度和位置分布的重要因素。同時,城市下墊面粗糙度越高,湍流發展越旺盛,加速了小粒子碰并促進新粒子生成。

    超大城市氣象觀測試驗建立了溫濕廓線的快速資料同化和預報系統,解決了資料同化質量控制和參數配置問題;建立了風廓線雷達和微波輻射計同化方法,實現準業務運行。目前,超大城市氣象觀測試驗成果已應用于短時臨近預報、重大氣象服務保障和防災減災服務。數據顯示,資料同化后減小了預報誤差,對預報有正貢獻。

    在垂直廓線資料同化和融合應用方面,試驗建立了超大城市綜合觀測數據平臺,50多種分鐘級大氣垂直產品進入國家級業務平臺,在慶祝建黨100周年活動、第十四屆全運會等氣象服務中得以應用并發揮了很好的作用;建立了氣溶膠同化和融合系統,有效提高氣溶膠三維結構分析和預報水平;建立了大氣廓線三維實況分析場,實現超大城市區域三維大氣基本變量的連續描述,為刻畫天氣過程空間立體結構特征提供了技術支撐,為提高超大城市中小尺度災害預報水平奠定了基礎。

    此外,試驗建立了從建站、運行到數據傳輸、業務應用等較完整的全鏈條業務系統,為“十四五”期間中國氣象局垂直觀測網業務建設提供了重要支撐,并被世界氣象組織列為未來的工作方向。

    (作者:簡菊芳?責任編輯:張林)

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