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基于闪电观测的短时降水事件临近预警方法
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2018-02-09 | 【 【关闭】

  以往科学研究表明,全球变暖影响下,强降水事件发生频次增加,洪涝灾害风险加大,对人类社会和环境造成重大威胁。尤其对于人口稠密的大都市而言,强降水及其引发的城市内涝已经成为科学家们和城市管理者们所共同面临的巨大挑战。而在我国,伴随城镇化的快速发展,强降水等灾害性天气对国家经济建设、防灾减灾和国家安全造成了巨大威胁。作为世界上最大的城市之一,北京极易受到日益频繁和增强的强降水事件影响,例如,2012年7月21日的北京特大暴雨灾害,是过去几十年里遭遇到的最强降水过程,期间,18小时累积降水量达到了破纪录的460毫米。科学家们研究发现,短时降水(SDR)事件(持续时间在6小时以内的降水事件)在北京暖季总降水中处主导地位。因此,对SDR事件做出准确预测具有十分重要的意义,而相关降水预报对全世界的科学家和预报员们来说,仍是极大的挑战。

闪电能用来预报预警强降水(图片来自 699pic.com, ID: 500032078)

  科学家们很早就已经注意到并利用闪电信息来预测雷暴中的强对流天气(例如,冰雹、龙卷和大风等),但对于雷暴引发的强降水事件(尤其是SDR事件)来说,有效的预报(预警)方法却很少。通过深入分析2006和2007年暖季北京地区闪电与降水的关系,中国科学院大气物理研究所的吴凡和崔晓鹏,与美国马里兰大学的张大林教授合作,研究建立了基于闪电观测的短时降水(SDR)事件临近预警方法,并利用北京地区历史观测数据测试了该方法的预警效果。他们的研究成果发表在Atmospheric Research杂志上。该方法利用闪电定位系统探测到的闪电速率急剧增长(称为“闪电跃增”)信息,为SDR事件提供短临预警。与之前针对雷暴中其他强对流天气的预警方法不同,他们提出的新方法选取SDR事件中的降水率急剧增长(称为“降水跃增”)作为预警目标,来对SDR事件开展预警。

  基于该新方法,通过最优化“闪电跃增”算法中的参数,他们发展建立了针对不同降水强度SDR事件的分级预警系统,预警系统可根据“闪电跃增”强度发出不同预警信号,提高SDR事件预警效果:低级别预警信号可使系统尽可能多的捕捉到SDR事件,而高级别预警信号可提高警报的可信度(减少误报)。他们的工作中选取了870次中等强度和452次强SDR事件,通过量化评估不同参数配置下的系统预警效果,确定了最优参数,最终建立了分级预警系统。预警效果分析显示,该分级预警系统可以分别对67.8%的中等强度SDR事件和87.0%的强SDR事件发布成功的预警,而误报率分别为27.0%和22.2%。值得一提的是,该系统对强SDR事件的平均提前预警时间(52.0分钟)比中等强度SDR事件(36.7分钟)更长。

  最后,他们利用独立于预警方法和系统建立之外的三次典型暴雨过程数据,进一步验证了该系统预警效果。结果表明,该方法和相应系统对从区域性降水过程到中γ尺度降水过程中的SDR事件均展现了令人鼓舞的预警能力。该项研究的通讯作者崔晓鹏研究员说:“我们的方法为预警SDR事件提供了新的视角。” 

  论文:

  Fan Wu, Xiaopeng Cui, Da-Lin Zhang, 2018, A Lightning-Based Nowcast-Warning Approach for Short-Duration Rainfall Events: Development and Testing over Beijing During the Warm Seasons of 2006–2007,Atmospheric Research,DOI:10.1016/j.atmosres.2018.02.003, in press.

  链接:

  http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0169809517311936

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