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让西南涡无处遁形:4000万组数据升“值”记

来源:中国气象报   发布时间:2017年08月20日07:24
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  中国气象报记者 卢健

  11个站点,每天4次,连测41天,坚持8年。这是一种怎样的探空观测试验?

  为了捕捉一个叫西南涡的特殊天气系统,每年6月和7月,成都高原气象研究所(以下简称高原所)便自然地进入“试验季”。

  7月31日24时,今年的西南涡加密观测试验准点完成。这场试验有哪些特殊价值?让我们跟着今年试验获得的4000万组数据,来一次科学之旅。

  网:天地协同捉拿小个头“狠角色”西南涡

  一个能引来大范围狂风暴雨的天气系统,往往有着庞大的身躯。比如,台风。

  “苗柏”是今年首个登陆我国的台风,当它还在离我国陆地300多公里的海域时,其大个头就已经显露无遗:七级风圈半径最大达到260公里,最小的也有130公里。两者相加,就是将近400公里。

  但事情也有例外。

  在我国青藏高原以东的川西高原、四川盆地,有一个能引起强降水的天气系统,学名叫西南低涡,习惯上称之为西南涡。它是个不折不扣的“ 小个头”,胚胎刚刚发育成型时只有几十公里,差不多只有台风个头的十分之一,厚度更是远不及台风。但个头小,并不妨碍它成为一个“ 狠角色”。今年7 月5 日夜间生成于四川盆地的西南涡,一天之内在四川多地“吐”出400 毫米量级的暴雨。若这只吐水成雨的“怪兽”东移,不仅会影响到我国东部地区,甚至还能影响到日本、韩国等国家。

  怎样才能“抓”住这个“小个头”?这可让科学家花了不少心思。

  “抓”台风可以靠气象卫星。从风云二号卫星投入运行到2016年底,西太平洋生成的444个台风、登陆或影响我国的168个台风无一漏网。

  但是,气象卫星用在又小又薄的西南涡身上,就不那么灵了。

  既然从天上往下看很困难,科学家便选择从地面往上看。

  在我国,以300公里的平均间距,分布了120个探空站。它们的任务是“ 诊断”三维大气结构。具体来说,它们能够监测从地面到海拔两万多米垂直高度上的大气风向、风速、温度、湿度、气压数据。

  四川有7 个业务探空站,密度比全国平均值还要高一点。但是,要更好地“ 捕捉”西南涡,这张网需要再密一些。所以在“试验季”的41 天中,高原所布了一个“7+4”的“地网”—— 在现有业务观测站网基础上,新建探空站点,基本覆盖西南涡的主要生成地和活动区。除了每天上传8时、20时观测资料外,站点还将补充上传2时、14时的加密探空资料。

  测:地面到空中把万米高空的气象数据“拽”下来

  每年6月21日至7月31日,是高原所开展西南涡观测试验的“试验季”。

  科研人员舒建川长途跋涉两天一夜,赶在“试验季”之前,来到了位于海拔3000米的川西高原腹地甘孜藏族自治州九龙县。

  跟此前7年一样,他此行的目的是与当地工作人员一起,记录当地的探空数据。

  卸设备、上房顶、装天线、调系统,试验开始的前一天,他们在九龙县建起了临时探空站。

  6月21日凌晨,整个县城已经进入梦乡。舒建川踩着夜路,与九龙县气象局工程师陈政道在探空站附近的山上会合。1时15分,他们要准时施放搭载探空仪的气球。

  放球前,他们得保证氢气安全充入气球。这个过程有些危险,舒建川不敢含糊。有一次,同伴抱着探空球充完气后,放到地面的铁皮上。探空球上的砝码与铁皮轻轻撞了一下,擦出火花,一下子就把充气管中残留的氢气点燃了。因此,为了安全,铁皮全部接地,探空球的进气口也接地。

  这一次,他们一人拧开氢气瓶,一人扶住气球,配合严丝合缝,氢气安全充入。

  1时14分,一人守在电脑前,一人拉住气球。

  下一分钟,舒建川卡着点儿松开了气球。今年西南涡加密探空试验九龙站的第一个探空球开始了它的旅行。

  3000米,3001米,3002米,4000米,5000米……每升到一个高度,探空仪就向“大本营”发来一组数据。数据内容丰富,比如在11611米,探空仪记录的一组数据:风向西北风,风速16.7米/秒,温度-42.3℃,气压229.27 百帕,相对湿度53.1%。

  气球以7米/秒的平均速度上升,直到到达2.5万米的高空,它的体积膨胀到极限,球体破裂,任务也宣告结束。全程用时1小时,获取数据两万组。陈政道一路小跑,将新鲜出炉的数据通过U盘拷贝到县气象台业务电脑上,再及时上传到四川省气象探测数据中心。

  所有流程完成后,已经是凌晨2时30分。两个人在观测记录本上,郑重签下名字。

  不一会儿,舒建川的微信群里有了声响:高原所副所长王顺久在询问大家放球的情况,其他站点也陆续发来“报喜”的信息。看来,当天凌晨,四川上空,11个探空球的探测任务已经完成。

  不出意外,在当天清晨,当11个站点的观测人员还在补觉的时候,坐在电脑前的四川省气象台预报员就可以轻点鼠标,调用这些高空大气探测数据了。

  报:空中到地面放进“风温压湿”“端”出预报图

  在四川省气象台,首席预报员实行“周班”制,3天到4天的夜班,再接上差不多同样天数的白班。

  7月4日是首席预报员肖递祥的白班。他调出了欧洲中心细网格、西南区域模式、GRAPES 等数值预报产品,上面显示,48小时内,四川将会有西南涡生成。

  现在数值预报模式越来越准确,但预报员的作用仍很重要,原因之一就是他们能够对预报结论进行订正,使其更趋完美。而肖递祥这两天的任务,就是在西南涡真正生成之前,用临近的实况观测资料,进一步确定这个涡的中心位置。

  7月5日早上,大气流场正在慢慢发生改变。肖递祥看了一眼MICAPS 业务平台:四川盆地区域,850百帕等压面(约1500米高空)上南风增强,盆地西北部,风向转向偏东北风;而四川盆地700百帕等压面(约3000米高空)上有了西南风。

  “ 一致。”实况观测资料验证了此前的模式预报结论。

  6日早上,肖递祥调出了5日20时7个常规站的探空资料,并叠加了4个加密站的探空资料——西南涡加密观测试验期间,可供他参考的资料更为丰富。

  两相叠加后,涡旋的形态已经显现:700百帕等压面上,丽江站(云南)——西风,西昌站——西南风,九龙站——东南风,巴塘站——东北风。西-西南-东南-东北,高空已经形成了一个闭合的环流——西南涡。它的出生时间被确定为7月5日夜间,出生地位于川西高原九龙附近。

  四川是西南涡的发源地。作为一名经验丰富的预报员,经由肖递祥之手“诊断”出来的西南涡有数十个之多。他认为,探空资料的高时空分辨率给了他很大的帮助。

  如果只有丽江、西昌、巴塘三个探空站,一边是西风和西南风,另一边是与之相对的东北风,说它们是闭合环流也行,说它们是一个切变线也没错。

  但把切变线判断为涡,或者把涡判断为切变线,就会对预报结论造成“ 谬以千里”的影响。因为从统计结果来看,切变线产生的降水主要位于其南侧,而西南涡产生的降水主要出现在其中心及移向的右前方,降水落区有明显差异。但是好在九龙加密探空站的东南风数据让天气系统“连线成圆”。

  6日凌晨,四川多地暴雨如期而至。四川省气象台准确及时发出预报预警,全省3200余人得到紧急转移安置。

  研:从实况到理论“试验季”后数据深度挖掘开始

  在帮助天气预报员判断西南涡生成的时间、地点后,加密探空资料的价值才刚刚开始显现。

  7月6日中午,肖递祥在调取当天8时的加密探空资料后发现,与6小时之前相比,各个站点的风向发生了转变,闭合环流中心出现在了原中心的东北方。肖递祥立刻判断出:西南涡在向东移动。同时,他还从这份最新资料上“解码”出了另一个西南涡。在两个西南涡之间,是一条长长的切变线。

  这一次,通过加密探空资料,他们共成功锁定了两个西南涡、一条切变线,以及它们的移动路径。

  在帮助预报员分析天气实况、订正预报结论的同时,加密探空资料的生命也在数值预报模式中得以延续。

  一位国内数值预报领域的顶级专家曾这样定义数值天气预报:给定一个初始时刻的大气三维状态,利用已知的大气运动方程,建立数值模式,对未来进行预测。初始时刻观测的信息越丰富、越完备,初值越准确,对预报准确率提高所起的作用就越大。

  所以,从今年开始,西南涡加密观测资料正式被纳入西南区域数值预报业务模式,实时改进数值预报。

  7月31日19时15分,4个加密站点完成今年最后一次探空观测,为期41天的试验结束。而“试验季”的结束,正是对这些数据进行深度挖掘的开始。

  高原所所长李跃清研究员曾经在今年4月中旬为中国气象局气象干部培训学院四川分院的学员讲解西南涡发生发展的机制。他告诉学员,虽然西南涡的重要性在业界已经有了共识,但长期以来,西南涡及其带来的暴雨一直是高原天气学研究中的难点。竺可桢早在1916 年就注意到了中国夏半年降水与西南涡密切相关,一代代气象学家为研究西南涡做出了许多贡献,但受青藏高原及周边地区气象观测布局和观测能力的限制,对西南涡进行有效捕捉、监测与追踪有一定的难度,现有时空分辨率的数据资料难以对西南涡进行更深入的研究。

  “ 如果在几年前,你们问我,西南涡发生发展的机制是什么,我会回答:西南涡与高原涡的垂直耦合。但是现在,我可以告诉大家,深厚型的西南涡与高原涡也会发生横向耦合。”这一新结论,正是李跃清团队基于多年西南涡加密观测试验获得的高分辨率过程观测资料得出的。

  在这些资料的帮助下,他们还首次发现了西南涡三个发源地并不孤立,而是相互联系的,并且还有主次之分。之前的理论是,九龙、小金、四川盆地三个中心各自孤立。后来他们发现,川西高原上的九龙和小金,对下游四川盆地西南涡的生成有重要影响。有时,九龙天气系统中的一股“扰动”传播到四川盆地,就会激发当地生成西南涡。

  西南涡东移机理、基于观测试验的低涡暴雨预报新技术等研究成果在国际重要学术期刊发表后,被国外同行专家评价为“ 对次天气尺度天气学/动力气象学的一个坚实贡献”。

  今年的西南涡加密观测结束后,这些数据又将加入到它们“ 前辈”的数据之海中,继续新一轮的科研创新之旅。

  (来源:《中国气象报》2017年8月18日三版 责任编辑:王美丽)

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