2023年“7.31北京暴雨”是北京140年來最大降雨。一年來，我所喬方利研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過在預(yù)報(bào)模式中加入海浪破碎飛沫，顯著提升了模式對(duì)極端強(qiáng)降雨的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，這對(duì)應(yīng)對(duì)極端天氣和做好防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。相關(guān)研究結(jié)果近日發(fā)表在國際地球科學(xué)頂級(jí)期刊《Geophysical Research Letters》上。

大氣數(shù)值模式是降雨預(yù)報(bào)的核心工具，極端天氣過程的預(yù)報(bào)是國家綜合科技實(shí)力的重要表征。隨著對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)模式中物理過程的理解不斷加深、模式分辨率不斷提升以及觀測網(wǎng)持續(xù)完善，幾十年來數(shù)值模式對(duì)降雨預(yù)報(bào)的能力不斷提升，但國內(nèi)外多項(xiàng)研究結(jié)果表明：數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)極端強(qiáng)降雨的預(yù)報(bào)仍普遍存在低估的問題。以“7.31北京暴雨”為例，國內(nèi)外多個(gè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)能夠預(yù)報(bào)出北京會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)的降雨，但預(yù)報(bào)的平均偏差嚴(yán)重偏低。對(duì)于超過500mm的降雨，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的平均誤差偏低116mm，而美國全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)的平均誤差偏低451mm。業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，預(yù)報(bào)員會(huì)結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果給出降雨強(qiáng)度的預(yù)報(bào)，但根本的解決出路在于提升數(shù)值模式的預(yù)報(bào)能力。

海洋作為地球系統(tǒng)中重要的水汽源，已有相關(guān)研究證實(shí)了海洋提供的水汽在全球降雨中的重要貢獻(xiàn)。海浪破碎產(chǎn)生大量飛沫，飛沫通過大氣環(huán)流可以長距離輸運(yùn)，但飛沫對(duì)極端降雨的影響尚未見報(bào)道。

該研究團(tuán)隊(duì)利用我所自主研制的包含海浪過程的新型海-氣-浪耦合模式FIO-AOW，通過開展對(duì)比數(shù)值實(shí)驗(yàn)，并以中國氣象局提供的陸面降雨資料作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究飛沫對(duì)極端降雨預(yù)報(bào)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，飛沫導(dǎo)致的底層濕暖空氣由大氣環(huán)流輸運(yùn)至北京區(qū)域，受到局地地形作用抬升后會(huì)增強(qiáng)北京周邊的大氣不穩(wěn)定性，強(qiáng)化了此次強(qiáng)降雨過程。對(duì)于超過500mm的降雨，該模式的后報(bào)平均誤差僅為4mm，本質(zhì)性提升了強(qiáng)降雨的預(yù)報(bào)能力。更多個(gè)例測試正在進(jìn)行中。

在過往研究中，我所喬方利研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)海浪在上層海洋湍流混合中的核心作用，厘清了海浪調(diào)制海洋與大氣通量交換中的關(guān)鍵過程，實(shí)現(xiàn)了理論突破；針對(duì)國內(nèi)外臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)幾十年踟躕不前的科學(xué)難題，將臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的共性預(yù)報(bào)偏差減小了40%；針對(duì)國內(nèi)外持續(xù)了半個(gè)世紀(jì)的氣候模式模擬共性偏差難題，通過考慮波浪作用，將模式偏差減小了近一半。

該研究論文第一作者是博士生李松霖，通訊作者為喬方利研究員，論文合作作者包括中國氣象局麻素紅研究員等專家。該研究得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目等的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1029/2024GL109923

各預(yù)報(bào)方案5天累計(jì)降雨量預(yù)報(bào)精度分析，包括美國GFS預(yù)報(bào)、歐洲ECMWF預(yù)報(bào)、大氣模式（Ctrl Exp）實(shí)驗(yàn)、海氣耦合無飛沫實(shí)驗(yàn)（Nsp Exp）和海氣耦合包含飛沫實(shí)驗(yàn)（Sp Exp）。(a) 預(yù)報(bào)的TS評(píng)分；(b) 平均誤差；(c) 均方根誤差