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布更密的“网” 捕狡猾的“鱼”
——三公里分辨率Grapes区域模式业务化应用纪实

来源:中国气象报   发布时间:2019年10月29日07:43
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  中国气象报记者 王若嘉

  今年9月9日,一场大范围降雨席卷华北地区,乘着雨势,一条狡猾的“鱼”躲过追捕,悄悄溜进京城一角。就在它准备舞动身躯搅起风云发动雷雨之时,一张大网准确捉到它的踪迹。于是,暴雨、雷电气象预警信号齐发,各防御部门紧急联动起来,将一场局地致灾性暴雨的影响消弭于无形。

  如果说强对流、极端天气等强天气过程是一条体型较小、狡猾多变的“鱼”,那么气象部门就是与它斗智斗勇的“捕手”。

  捕捉任务亟待一张更密实的网

  “之前我们常用的预报模式分辨率最高是10公里,这种形势下要捕捉强对流、极端天气的身影有难度。”国家气象中心强天气预报中心高级工程师盛杰说。

  预报模式分辨率就如同一张捕鱼的“网”,分辨率不够就相当于网眼粗了,狡猾的“鱼”就容易漏过去。

  夏日里的一场冰雹通常只维持十几分钟,影响范围也不大,但它带来的灾害却无法忽视。诸如雷暴、飑线、龙卷、短时强降水等强天气“个头”不大、突如其来、生命短暂,但却能在短时间内释放出巨大力量,破坏力、致灾性强。

  想要抓获这只狡猾的“鱼”,必须有一张更加细密的“网”,在更短的时间间隔里多次扫描,快速发现其“蛛丝马迹”,而这也是打造精细化网格化气象预报模式的基础。然而,满足这一需求并不容易,EC等全球预报模式、区域预报模式,在空间分辨率和时间间隔上都或多或少有所不及。我国急需一款拥有自主知识产权的高分辨率预报模式。

  网需加密更要加固

  2013年,我国拥有自主知识产权的Grapes- Meso 3.2版中尺度数值预报模式分辨率达到15公里,而当时国际上通行的强天气预报模式分辨率在5公里以下,那么“加密”成为不二选择。

  然而,“加密”并非易事。“提高预报模式分辨率意味着更多的观测数据支撑、更大的运算量,以及要面对更不可靠的预报稳定性。”国家气象中心数值预报中心黄丽萍说,因此,在“加密”这张网的同时必须对它进行“加固”。

  数值预报中心针对全国范围多种类型天气雷达资料,拟定质控方案,实现多项雷达资料同化应用。在提高运算能力方面,引入国产曙光高性能计算机,优化并行算法。在反演算法方面,通过引入单调高阶水平扩散方案,采用自动调制时间步长方案,优化初始参考廓线等举措,提高模式差分计算的精度和稳定性;深入分析预报偏差来源,改进物理过程参数化方案,提高弱动力强迫下的预报能力。

  始于2014年的3公里分辨率GRAPES区域模式(以下简称3公里模式)研发应用,起初在江淮区域试验,2016年扩大到我国东部沿海区域,今年扩展至地形更加复杂的西部地区,覆盖范围达到全国陆地和部分海域。今年6月,3公里模式正式投入业务化运行,向全国各气象台提供预报应用产品。

  善用“网”才能精捕“鱼”

  面对9月9日那场席卷华北地区的大范围降雨,常规数值预报模式判断北京仅是这场大尺度系统性降水过程中一个普通的存在。然而,3公里模式却显示,北京局部地区被高亮的红色强降雨区覆盖,醒目异常。

  “系统性大范围降水各模式都报出来了,但是这种局地的暖区降水只有3公里模式报出来。”强天气预报中心高级工程师唐文苑说。

  这是一条险些漏网的“鱼”,醒目的红色代表强对流天气活跃,致灾力远高于普通降水,而北京市气象台的雨情监测也印证了这一预报结果——朝阳区大屯站136.6毫米、大兴区站163.5毫米。

  对极端天气的“抓捕”也是3公里模式的“强项”。在2017年“5·7”广州特大暴雨中,面对日降雨量破历史纪录的极端天气,3公里模式的逐小时降水预报同实况更加接近。彼时38公里分辨率的全球预报模式仅能预报100毫米左右的降水量,对于250毫米的特大暴雨却束手无策。

  “在发展精细化格点预报业务的当下,3公里模式成为制作客观定量预报强天气产品的主要依据。”盛杰说,“每天四次根据实况观测同化资料更新预报,大大提高了对极端天气、强对流天气的预报能力。”

  3公里模式还在其他行业“大展拳脚”。以航空预报为例,飞机起飞降落时容易受到近地面风力影响,有风险隐患。所以,航空预报需要了解机场附近区域的边界层在垂直方向的风力情况。借助3公里模式在垂直方向近地面层上小于40至100米高分辨率风场的输出,可以提供更精细准确的边界层风场影响预报。

  “现在我们实现了逐小时的精细化预报,如果做到逐十分钟,预报精准化程度会更高,气象服务也将更有针对性和个性化。” 盛杰期待满满。

  (来源:《中国气象报》2019年10月29日一版 责任编辑:张林)

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