北京:科技创新扇动短临预报腾飞的“翅膀”

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  • ​来源:《中国气象报》

  北京市气象局紧密围绕首都城市安全运行、重大活动保障服务和京津冀协同发展战略需求,面向华北区域现代气象业务体系建设,瞄准国际先进水平,聚焦城市精细化预报业务核心科技问题,探索构建科技创新和制度创新的双轮驱动模式,全力推进以“12小时短临预报预警准确率提升工程”为核心的现代化任务,初步构建了以快速更新多尺度分析和预报系统(简称RMAPS)模式体系,建立了技术研发、业务应用、成果转化紧密结合的链条式研发机制,形成了开放、合作、共赢的首都气象大科技研发格局。

        凝心聚力、统筹发展,首都大科技格局护航气象业务发展

        北京市气象局通过推进首都现代化建设和深化气象科技体制改革,大科技格局理念落地生根,形成了“一项工程、两个平台、三类目标、四大内涵、五方合作、六个团队”的科技创新格局。科技资源从原先简单的要素“聚集”向提升科技内涵形成合力的“聚合”方式转变,并向释放科技创新活力的“聚变”过程发展。

        中试基地初显活力,实现科研与业务有效互动。北京市气象局以业务科技支撑需求为牵引,围绕京津冀天气预报和环境气象预报及服务核心问题,以联合承担科研项目为纽带,以共同开展模式系统测试、检验、评估、改进等应用开发和业务试用为关键点,以聚焦首都典型天气个例开展复盘、技术总结、凝练科技问题、开展攻关为着眼点,推进科研和业务有效互动,提高科研对业务的贡献率。

       体制机制不断健全,助力科技成果转化。通过制定发布《北京市气象局科技成果业务化准入实施办法(试行)》,北京市气象局规范了科技成果的业务化管理、流程及其后效评估等内容;将科技成果转化工作作为对本单位人员评价、科研经费支持等的重要参考依据。在科技成果转化后,对完成、转化该项科技成果做出重要贡献的人员给予奖励。制定了《北京市气象局科学技术成果认定办法》,加强对科技成果转化、业务成果应用、决策评估报告等的奖励,激励气象科技人员致力于气象现代化建设和核心技术突破。

        区域协同创新机制助推华北地区瓶颈科技问题突破。以“互联网+”思维,以“集约化、分布式、信息化”为原则,北京市气象局积极整合区域内科研业务资源,建立区域数值预报模式协同创新机制,推进核心技术进步。构建的华北区域数值预报业务研发平台,实现了北京、内蒙古、山西和河北之间高性能计算资源的共享访问,同时将天津铁塔纳入京津冀铁塔观测网络建设体系,建立了集计算资源、存储资源、数据资源共享为一体的、四地气象科技人员能够随时随地访问的科技研发平台。

        发挥首都区位优势,实现人才、智慧、资源三“聚集”。通过联合开展城市科学观测、科研项目联合攻关、数据共享等途径,吸引国家级科研和业务单位、首都高校和其他单位专家的科技资源,助力首都气象科技能力提升。与中国气象局的多家科研业务单位深入合作,推进城市综合气象探测、观测数据质量控制及同化技术、高影响天气预报、重污染天气预测等方面的联合攻关。

        长期开展以我为主的国际合作,“借脑引智”助力关键技术提升。锁定亟须发展的核心技术领域,开展长期、持续、针对性强的国际合作,通过多种方式,依托国际科技合作基地、北京市重点实验室等科技创新平台,北京市气象局陆续与7个国家、两个地区开展常态化、高效实质的国际科技合作。在区域数值模式、陆面模式、资料的实时融合分析和临近预报系统、城市气象观测及模拟等方向,分别聘请国外专家作为首席技术专家,组建创新团队,开展点对点、深入、长期的国际合作。

        需求牵引,核心工程推动数值预报技术从点的突破向系统能力提升

        面向首都无缝隙、精准化、智慧型的气象服务要求,北京市气象局构建了新一代0至12小时无缝隙、多物理过程融合的模式体系,加强了模式研发的有效性、集约性、系统性。该模式体系融合了多种观测资料,丰富了短时数值预报的内涵,由分段、分时的预报变为不间断、连续、无缝隙的预报;由固定、单一、单独调用的资料使用变为多种资料融合、空基-地基-天基综合立体资料的随时调取;由模式仅采用自带的物理过程向综合考虑具有中国大城市特点的边界层过程、陆面过程、云微物理和气溶胶参数化方案发展;由点对点的模式应用变为模式可叠加、穿插融入的模式使用,弥补了1至2小时临近预报和2至12小时短时预报产品的空白。RMAPS模式体系包括:短时数值预报子系统、临近数值预报子系统、城市数值预报子系统、客观预报集成子系统、空气质量数值预报子系统、云物理催化数值模式子系统6大模块。为京津冀区域“末端”客观预报提供1公里分辨率、10分钟更新的产品,提升了0至12小时精细化客观预报预警能力。

        “立起来、密起来、动起来”的城市气象综合科学观测,为数值模式发展提供支撑。目前,当地已形成了覆盖北京范围的边界层高度、气溶胶垂直分布连续观测能力;具备了获取边界层高时空分辨率三维风场观测数据的能力;形成城市、郊区、乡村结合的通量观测系统;形成了气溶胶、光化学污染、霾等的较为完备的环境气象观测能力;完善了京津冀地区GPS水汽观测网;建立了基本满足业务需求的高性能计算集群系统。通过“协同创新、共建共享”,该局建成了12座实时业务应用的京津冀铁塔观测系统,城市边界层观测能力显著提升。

        临近数值预报子系统实现了15分钟快速更新的0至2小时临近数值预报。临近数值预报子系统首次在京津冀地区实现了低层大气三维热、动力场的实时快速分析,可提供与强天气生消发展密切相关的低层对流尺度三维大气特征。该系统实现了15分钟快速更新循环的四维变分分析。利用高时空分辨率分析场对云模式进行初始化,该系统初步实现了15分钟快速更新的0至2小时临近数值预报。

        短时数值预报子系统助推2至12小时客观预报技术提升。短时数值预报子系统是国内首个高分辨率快速更新分析循环数值预报业务系统,解决了高时空分辨率观测资料在数值预报业务中的应用难点,提升了6小时内数值预报的可用性。该系统在国内率先实现了雷达径向风和反射率资料在数值预报业务系统中的快速更新三维变分同化应用,建成了分辨率3公里、更新频率3小时的快速更新循环业务系统,可提供逐10分钟更新、水平分辨率达1公里的地面要素分析和预报业务产品。

        客观预报集成子系统,实现了0至12小时数值预报的有效融合和集成。该系统于2016年汛期投入业务运行,可直接应用北京地区精细化气象灾害分析和预报预警业务,实现了从强降水和强对流短时临近预报扩展到高时空分辨率降水及气象要素的实时快速更新分析和临近预报,可提供京津冀地区1公里空间分辨率、10分钟快速更新循环的网格化分析和0至12小时预报产品。

        城市数值预报子系统实现了考虑城市特征影响的精细化预报。该系统于2015年6月25日开始试运行,每3小时循环更新。该系统在国际上首次实现了自然下垫面及城市下垫面陆面模式集成、城市下垫面陆面模式变分同化以及城市及自然下垫面同时同化。该系统发展了城市高分辨陆面资料同化系统,采用四维数据同化技术,同时实现了对建筑物能耗及人为热排放的动态模拟,发展适用于各种稳定度条件的湍流动能边界层方案;开展气溶胶对长短波辐射影响的观测分析和数值模拟;研究气溶胶对云微物理过程的影响。

        空气质量数值预报系统满足京津冀大气污染联防联控需求。该系统于2013年业务运行,为京津冀和周边地区气象部门提供96小时预报时效内逐小时、3公里分辨率的污染物浓度、气象要素和气流后向轨迹等综合预报产品,为华北区域环境气象数值预报业务及重大活动气象服务保障发挥了重要的支撑作用。该系统对京津冀区域主要污染物PM2.5浓度和能见度的时空演变特征预报较好,特别是对持续性雾-霾及重污染过程的发生、发展把握比较准确。(稿件及图片来源:北京市气象局)