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追风逐雨引雷 破译天气密码
走进灾害天气国家重点实验室

发布时间:2022年07月26日 来源:中国纪检监察报

7月7日,灾害天气国家重点实验室雷电团队在中国气象局雷电野外科学试验基地成功引发两次闪电。这是闪电通道成像系统拍摄到的其中一次。灾害天气国家重点实验室 供图

制图:张寒

天气,人类生产生活的重要影响因素之一。

台风、暴雨、雷电……这些常见天气可能会给人民生命财产带来严重威胁、给工农业和交通运输等带来重大损失,被称为灾害天气。

我国地域辽阔,自然条件复杂,而且属于典型的季风气候区,因此灾害天气种类繁多,且不同地区又有很大差异。如何做到在灾害发生之前及早预警、准确预警,最大限度地减轻气象灾害带来的不利影响和财产损失,气象人一直在探索。

近日,记者走进位于北京市海淀区的灾害天气国家重点实验室,带您一起探究这个实验室为提高灾害天气预报的精细度准确率、筑牢防灾减灾第一道防线做了哪些工作——

探索未知,让预报更加快速精准

中央气象台7月22日10时升级发布强对流天气黄色预警,山西南部、河北南部等多地部分地区将有8-10级雷暴大风、冰雹、短时强降水天气。

上海中心气象台7月21日12时33分发布雷电黄色预警……

天气预报、气象灾害预警等信息的发布,对于我们日常生产生活、出行、防灾减灾等意义重大。近年来,我国的天气预报准确率和精细程度一直在提升,但仍难以做到绝对准确。

“天气预报永远是有误差的。”灾害天气国家重点实验室主任梁旭东告诉记者,这是由诸多因素叠加导致的。“一方面,人类对天气现象的认识始终是有限的、不全面的,因此我们不可能全面、完整地描述大气的变化,总会有误差,有的时候误差可能还很大;另一方面,受探测技术发展、预报方法和手段等方面限制,我们无法全面、完整地观测或预测大气的状态。”

加之,大气运动本身就存在混沌性,这种性质决定了大气的运动演化过程具有一定的随机性,导致“每场暴雨都是‘不同的’”,在一定程度上也影响了预报的准确性。

“灾害天气往往是比较剧烈的过程,也是发生频次相对较少的过程,其中的规律认识很难,观测和预报更难。”梁旭东说,强对流、雷暴、龙卷风等中小尺度天气系统的预报预警尤其难,它们大多具有局地发生、范围不大、生消很快等特点。

而这些未知的领域正是他们这些研究学者们努力的方向。

“精准地预报天气,首先要深入认识天气、了解天气。”梁旭东解释道,我们实验室所做的不是直接预报灾害天气,而是通过发展灾害天气监测理论和预报方法,实现尽可能全面、完整地观测,从而进一步探究灾害天气演变规律、完善灾害天气预报技术。

实验室组建十余年来,围绕灾害天气的监测、发生发展机理、预报预测方法,基于中国气象局业务观测网以及自己建立的观测试验基地,在高原效应、台风、暴雨、雷电、卫星探测、雷达探测、数值预报等方面开展了大量的研究。如今,该实验室已经成为引领我国灾害天气研究的重要力量,也为我国灾害天气监测预报能力和水平的提高、国家气象业务的发展提供了理论和技术支撑。

精密监测,捕捉云雨雷电的踪迹

7月7日下午4时许,在广东省广州市从化区城郊街道光联村山脚下,伴随着巨大的雷鸣声,一道闪电如同利剑一般从空中直入地面。

五分钟后,这一震撼场景再次上演。

虽说进入汛期,电闪雷鸣的场景隔三差五就能见到,但这两次却不是普通的雷电现象,而是灾害天气国家重点实验室雷电团队在中国气象局雷电野外科学试验基地开展的人工引雷试验。

避雷尚且不及,为何主动引雷?记者连线了正带队在基地开展试验的吕伟涛——灾害天气国家重点实验室副主任、雷电团队首席研究员。

“这是能够建立真实近距离雷电环境的重要手段。”吕伟涛告诉记者,自然闪电是雷暴云内、云间或者云与地之间自然发生的强烈放电现象,雷击及其强电磁辐射会给人们生产生活带来严重危害,防雷减灾十分重要。但要更有效地减少雷电灾害,必须做到对雷电的精密监测、精准预报和科学防护,这是防雷减灾工作的核心关键问题。而解决这些问题的前提是要认识雷电、了解雷电,“这需要大量的科学试验来获取数据作支撑。”

要获取这些数据,意味着科研人员必须要“捕捉”到它的踪迹。然而,自然闪电持续的时间很短,绝大多数不超过1秒,且发生的时间、位置都具有较大的随机性,很难开展近距离综合观测,闪电通道的电流等数据更是难以直接获取。

“人工引雷的特点是引发的闪电在时间上一定程度可预知、雷击位置可控、便于近距离观测,还可以直接获取闪电通道内的电流波形等数据。”吕伟涛表示,人工引雷为雷击过程及其机理的研究、新型雷电探测技术的研发与测试、雷电防护技术的探究与测试等提供了重要支撑。

“人工引雷也讲究天时地利人和。”吕伟涛告诉记者。

记者了解到,中国气象局雷电野外科学试验基地之所以建在广州从化,就在于其珠江三角洲闪电活动密度高值区的位置优势。每年五六月份,吕伟涛都会带领团队来到基地。

“依据气象部门的监测与预报,结合试验场实时监测地面电场的变化情况,来研判引雷时机。”吕伟涛介绍,当引雷试验场上方有雷暴云经过时,在合适的条件下,向上发射尾部拖曳金属导线的引雷火箭,快速上升的火箭会促使放电通道起始并向上发展入云,最终形成云地之间强烈的放电过程。

该雷电基地自2006年首次开展引雷试验至今,已成功触发闪电200余次。7月7日的两次引雷试验同样十分成功,雷击通道还被刚刚“落户”基地的闪电通道成像系统记录下来。

22岁的吴啸天首次参加野外试验。引雷成功后,他和小伙伴朱顺兴、梅吉、黄思莹兴奋地反复观看高速摄像机捕捉到的人工引雷影像:“很震撼,很激动,这是我们第一次近距离完整地看到人工引雷全过程。”

“要引来雷电,更要观测好、记录好相应数据。”吕伟涛告诉记者,工欲善其事,必先利其器。为此,他们自主研发了低频全闪探测阵列、闪电通道成像系统、闪电连续干涉仪等多项雷电探测新技术、新方法、新装备,可用于雷电监测与预警、雷电灾害调查与鉴定、雷电定位数据精度和效率评估、闪电通道特征分析及相关科研领域等,并在雷电发生发展物理过程及其机制方面取得了多项创新性发现。

不止是雷电领域,针对暴雨、台风等各种灾害天气,实验室不断发展观测技术和方法,在我国率先发展相控阵天气雷达、连续波云雷达、激光雷达等新型设备,为大型外场科学试验的开展提供了先进技术和探测设备,为我国雷达新技术在灾害天气监测和预报中的应用提供了技术支撑。

“也进一步加深了对灾害天气触发、演变机理的认识,提升了对灾害天气的监测预报能力。”梁旭东说。其中,自主研发的我国首部有源数字体制X波段相控阵天气雷达空间分辨率达到30米、时间分辨率达到90秒,实现了对暴雨、台风、冰雹、龙卷风等灾害天气更快速更精准的监测。

数值模式,让预警更有“数”

7月2日下午3时许,今年第3号台风“暹芭”以峰值强度登陆广东电白,成为今年首个登陆我国的台风,此后一路北上,给我国不少地方带来丰沛雨水。

事实上,在“暹芭”登陆之前,我国气象部门就已经给予它充分关注。

“‘暹芭’将以每小时10公里到15公里的速度向北偏西方向移动……7月2日至3日在海南岛东部至广东西部一带沿海登陆,登陆强度为热带风暴或强热带风暴级。”6月30日,“暹芭”升级为热带风暴,并正式获得命名。这是当日中央气象台对它的预报结论。

此后,气象部门又多次发布预报预警信息直至台风过境。之所以能够准确、及时把握登陆点以及登陆过程中的大风、降雨预报,背后有台风快速更新短临预报系统、台风区域同化和预报系统的一份功劳。

据介绍,在国家重点基础研究发展计划、国家重点研发计划等项目支撑下,灾害天气国家重点实验室联合国内其他单位,研发了这两个系统。

“台风区域同化和预报系统可提供高分辨率台风路径、强度、形势场、大风和降水等预报产品,为预报员分析和预报提供重要参考;台风快速更新短临预报系统实现了模式的逐小时快速更新循环同化,并首次将岸基雷达资料实时同化进入数值模式,提升了登陆台风精细化风雨预报能力。”据灾害天气国家重点实验室热带气旋研究团队人员介绍,这两个都是数值预报系统。

数值预报是当今气象业务中最关键最核心的技术手段,被称为气象事业的“芯片”。

预报走向精细精准,是现代气象业务发展的要求。不过,天气预报是个复杂的过程,预报员能够依靠卫星云图直观了解天气系统的“大势”,要实现更加精准的预报,还要建立在精密观测数据的基础之上。

记者了解到,目前我国已建起当今世界上规模最大、覆盖最全的综合气象观测系统和先进的气象信息系统,7万余个自动气象站、236部雷达和120余个探空站、7颗在轨运行的风云气象卫星组成“地-空-天”一体化自动化综合观测网,将各种天气现象“网罗捕获”,并测得风移云动背后分钟级乃至秒级的精密数据。

“数值天气预报的实质是求解控制大气运动的偏微分方程组。”梁旭东告诉记者,简单来讲,就是将从观测仪器获取的信息,输入到模型中处理,通过计算得出一个尽可能贴近现实的、反映大气各种变量的数值结果,为精细准确地预报预警提供支撑。

利用数值模式做天气预报时,预报误差来源于初边值误差和模式误差两个方面,减小误差将灾害天气尽可能准确清晰地表达出来,正是研究人员不断创新探索的方向。

研发出中国第一代快速辐射传输模式系统,提高卫星资料的使用水平;研发多尺度天气气候一体化数值预报系统,致力于建立一个同时满足天气预报、气候预测和气候研究需要的全球高分辨率数值模式系统……让天气预报更加快速精准、让防灾减灾工作有的放矢,灾害天气国家重点实验室一直在探索。

(作者:王珍?责任编辑:苏杰西)

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