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)團隊通過在預(yù)報模式中加入海浪破碎飛沫，顯著提升了模式對極端強降雨的預(yù)報準(zhǔn)確性，這對應(yīng)對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)頂級期刊《Geophysical Research Letters》上。

大氣數(shù)值模式是降雨預(yù)報的核心工具，極端天氣過程的預(yù)報是國家綜合科技實力的重要表征。隨著對數(shù)值預(yù)報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)值模式對降雨預(yù)報的能力不斷提升，但國內(nèi)外多項研究結(jié)果表明：數(shù)值預(yù)報模式對極端強降雨的預(yù)報仍普遍存在低估的問題。以“7.31北京暴雨”為例，國內(nèi)外多個預(yù)報系統(tǒng)能夠預(yù)報出北京會出現(xiàn)強的降雨，但預(yù)報的平均偏差嚴(yán)重偏低。對于超過500mm的降雨，歐洲中期天氣預(yù)報中心的平均誤差偏低116mm，而美國全球預(yù)報系統(tǒng)的平均誤差偏低451mm。業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，預(yù)報員會結(jié)合自己的經(jīng)驗與數(shù)值預(yù)報結(jié)果給出降雨強度的預(yù)報，但根本的解決出路在于提升數(shù)值模式的預(yù)報能力。

海洋作為地球系統(tǒng)中重要的水汽源，已有相關(guān)研究證實了海洋提供的水汽在全球降雨中的重要貢獻。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，但飛沫對極端降雨的影響尚未見報道。

該研究團隊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，通過開展對比數(shù)值實驗，并以中國氣象局提供的陸面降雨資料作為檢驗數(shù)據(jù)，探究飛沫對極端降雨預(yù)報的影響。實驗結(jié)果表明，飛沫導(dǎo)致的底層濕暖空氣由大氣環(huán)流輸運至北京區(qū)域，受到局地地形作用抬升后會增強北京周邊的大氣不穩(wěn)定性，強化了此次強降雨過程。對于超過500mm的降雨，該模式的后報平均誤差僅為4mm，本質(zhì)性提升了強降雨的預(yù)報能力。更多個例測試正在進行中。

在過往研究中，我所喬方利研究員帶領(lǐng)團隊發(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，實現(xiàn)了理論突破；針對國內(nèi)外臺風(fēng)強度預(yù)報幾十年踟躕不前的科學(xué)難題，將臺風(fēng)強度的共性預(yù)報偏差減小了40%；針對國內(nèi)外持續(xù)了半個世紀(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)新研究群體項目等的支持。

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

各預(yù)報方案5天累計降雨量預(yù)報精度分析，包括美國GFS預(yù)報、歐洲ECMWF預(yù)報、大氣模式（Ctrl Exp）實驗、海氣耦合無飛沫實驗（Nsp Exp）和海氣耦合包含飛沫實驗（Sp Exp）。(a) 預(yù)報的TS評分；(b) 平均誤差；(c) 均方根誤差