【正文】 (2011年度)　一、項目基本情況專業(yè)評審組： 序號：獎勵類別：社會公益 編號：項目 名稱名稱上海世博會氣象精細化預報服務技術的研究與應用公布名候選人湯 緒、袁招洪、楊引明、邵玲玲、戴建華談建國、耿福海、劉黎平、余 暉、王曉峰候選單位上海市氣象局、中國氣象科學研究院推薦單位(蓋章)上海市氣象局項目名稱可否公布可項目密級非密定密日期保密期限(年)定密審查機構主 題 詞世博氣象服務；城市立體觀測；城市精細化預報；中尺度數值預報 學科分類 名 稱1天氣預報技術代碼61530102城市氣象代碼61540553代碼所屬國民經濟行業(yè)科學研究、技術服務和地質勘查業(yè)所屬科學技術領域大氣科學任 務 來 源國家科技支撐計劃具體計劃、基金的名稱和編號：（2005BA908B105DZ05815）（2006BAK13B06）（2005DIB3J104）授權發(fā)明專利（項）授權的其他知識產權（項）項目起止時間起始：2005年10月完成：2008年10月國家科學技術獎勵工作辦公室制二、項 目 簡 介項目背景：世博氣象保障是歷屆世博成功舉辦的最關鍵因素之一。2010上海世博會正值上海主汛期，是上海臺風、暴雨、強對流、高溫等突發(fā)性天氣高發(fā)期，上海三面環(huán)水的地形和顯著的城市化影響，使得氣象保障的難度超過歷屆世博會。 上海世博組委會對氣象預報服務提出了很高的標準，既包括開、閉幕式等重大活動項保障的要求，又包括應對高溫中暑、雷電大風等災害天氣的要求，預報準確率和細化程度都遠超過常規(guī)的業(yè)務技術能力。迫切需要研究開發(fā)更高水平的精細化預報服務技術。主要科技內容：本項目針對上海世博園區(qū)及周邊地區(qū)天氣預報的難點，開創(chuàng)性地建立了針對超大城市的綜合觀測信息獲取系統(tǒng)和城市三維大氣體征分析顯示系統(tǒng)；研究攻克了強對流天氣氣預警的多項關鍵技術，自主研發(fā)了強對流天氣短臨預報預警業(yè)務系統(tǒng)。 開展了登陸臺風精細結構監(jiān)測分析和臺風降水臨近預報技術研究，有效提升了臺風定量降水分析和預報業(yè)務能力；通過技術引進和集成創(chuàng)新，突破了高分辨率數值同化、分析與預報等多項關鍵技術，建立了基于多類型、多尺度數值預報的長中短臨精細化預報業(yè)務體系；創(chuàng)新性地進行了針對世博運營、城市安全運行和人體健康的天氣影響預報技術研究，并開展了相關的天氣影響預報與預測業(yè)務；創(chuàng)新重大活動現場氣象保障技術，在世博期間實現了全程化、全方位、嵌入式的跟蹤服務。技術經濟指標：1．自主研發(fā)的長三角一體化的區(qū)域型“強對流天氣短臨預報預警業(yè)務系統(tǒng)”，%，整體提高災害天氣臨近預警發(fā)布時效近17分鐘，在世界氣象組織的世博臨近預報服務示范項目中，降水臨近預報綜合評分在6個國際示范系統(tǒng)中名列第2；2．在國內首次實現了城市邊界層模式的業(yè)務化運行，極端氣溫空間分布精細化集成預報方法177。2℃％,%,%%；3．研制的靜止衛(wèi)星定量降水估算模型和基于雷達動態(tài)定量降水估算系統(tǒng)對登陸我國臺風強降水的估算精度優(yōu)于國際同類資料，所提出的登陸臺風降水的綜合診斷物理量，與未來5小時降水量的相關性較目前普遍使用單個物理量有顯著提高；4．高分辨率數值預報和同化系統(tǒng)對強對流天氣的有效預報時效達12小時，其他高影響天氣的預報時效達72小時，中尺度天氣的概率預報時效達120小時。經檢驗，區(qū)域中尺度模式預報評分總體優(yōu)于國際先進的日本高分辨率全球模式；5．建立了高影響天氣早通氣標準、部門聯(lián)動機制和“前店后廠”嵌入式氣象服務新模式，服務滿意率明顯提升。應用推廣及效益：1．項目成果為2010年上海世博會、2007年特奧會、2008年奧運會上海賽區(qū)比賽和青島奧運帆賽等正常、有序、安全進行提供了強有力和成功的氣象保障，贏得國內外贊譽。2．臨近預報技術成果已經推廣到山東、福建、安徽、江蘇等地的氣象部門，高分辨率中尺度數值模式已在寧夏、青島、山東、福建、安徽、江蘇、浙江氣象部門應用；成套技術正在向西安世界園藝博覽會、深圳世青會的氣象保障部門推廣。3．項目成果參加了2010年上海世博會世界氣象組織（WMO）的多個國際預報服務示范項目（WENS、GURME、高溫熱浪預警和LtfeaDP），提升了中國氣象部門的國際地位。三、主要科技創(chuàng)新2010年上海世博會歷時184天，正值上海主汛期，是臺風、強對流天氣、雷電、高溫等氣象災害頻發(fā)時期。世博會期間游客超過7000萬，要舉辦上萬場各種活動，很多場館是抗災能力較差的臨時建筑和異型結構。世博會相關活動輻射面廣，氣象服務涉及到長三角等上海周邊地區(qū)。世博氣象保障是中國氣象歷史上繼北京奧運會后最龐大、最復雜和最精細的氣象預報服務任務。項目啟動前，氣象部門的預報服務能力與世博氣象服務需求差距顯著，不具備為世博會提供全面氣象預報保障服務的技術能力，主要表現在：缺乏對上海超大城市以邊界層氣象體征信息獲取為重點的大氣動力、熱力學、大氣化學和生物氣象學綜合監(jiān)測；尚未完全建立針對突發(fā)性災害天氣的短時臨近預警業(yè)務，不能制作短期氣象精細化要素預報；沒有系統(tǒng)地開展各種天氣影響評估研究，不能提供有效、針對性的專項服務等。其根本原因在于，缺乏對上海及長三角地區(qū)或重大活動地區(qū)特殊天氣發(fā)生機理的認識，尤其是缺少針對突發(fā)災害性天氣短時臨近預警和精細氣象要素預報等的關鍵技術、業(yè)務系統(tǒng)和物理模型。只有認識相關機理，突破關鍵技術，實現技術的綜合集成創(chuàng)新，才能真正形成世博氣象預報服務保障的能力。經過數年的聯(lián)合攻關，本項目在認識長三角地區(qū)、上海和世博園區(qū)特殊天氣形成機理和發(fā)生規(guī)律的基礎上，通過自主研發(fā)和引進集成，解決了制約突發(fā)災害性天氣預警、精細化氣象預報及中尺度集合預報等的關鍵技術；自主研發(fā)了氣象條件對多種活動影響評估模型、世博氣象服務關鍵技術，形成了世博氣象預報服務突出技術難點的綜合解決方案。從無到有構建了長中短臨一體化、以短臨預報為核心、具有天氣影響預報能力的精細化預報服務體系。它以精密觀測和數值預報為基礎，以世博精細化服務需求為引領，實現了科技集成創(chuàng)新、科技引進創(chuàng)新、科技組織創(chuàng)新和科技服務與管理創(chuàng)新，體現了“大中小尺度預報齊全，預報時效長短統(tǒng)籌兼顧，多種局地觀測充分融合、區(qū)域與全球系統(tǒng)相配合、確定性與概率預報相結合”，不僅圓滿完成了2010年上海世博會的氣象保障任務，也是我國氣象預報服務體系發(fā)展的典范和我國跨入國際大城市氣象服務先進行列的標志。項目主要科技創(chuàng)新點如下：一、系統(tǒng)地研究了上海世博園區(qū)及周邊地區(qū)強對流天氣形成機理，攻克了強對流短時天氣預報的多項關鍵技術，自主研發(fā)了強對流天氣短臨預報預警業(yè)務系統(tǒng)，有效提高了強對流天氣預警發(fā)布時效。（屬學科分類1；見附件1驗收意見1，附件4論文410，1722） 。 （1）通過 208個強對流歷史個例統(tǒng)計分析, 揭示了影響上海地區(qū)強對流天氣地域分布特征：皖南山區(qū)、太湖以西是影響上海地區(qū)強對流云團的主要初生源地，本地觸發(fā)的強對流云團主要在黃浦江沿岸及長江邊上的寶山、崇明等水陸交界處；世博園區(qū)多受局地強降水（約占58%）、雷暴、雷雨大風的襲擊。影響上海和世博園區(qū)的強對流天氣產生的時間峰值區(qū)為12時～15時，強對流云團約有35%向東北方向移動，%向偏東或東南方向移動。 （2）通過上海地區(qū)強對流天氣合成立體環(huán)流和能量特征的分析，建立了靜止鋒切變型、高空冷渦型、低槽冷鋒型、氣旋波動型、熱帶系統(tǒng)型、副高邊緣型等6種天氣背景下強對流天氣的溫度、濕度、流場的結構模型。（3）在城市熱島與海陸環(huán)流共同作用下產生的海風鋒和地面強溫度梯度是局地強天氣發(fā)生的主要觸發(fā)機制。 ，系統(tǒng)地研發(fā)了強對流天氣動態(tài)預警技術。（1）雷電預報技術：用衛(wèi)星觀測和地基觀測閃電資料發(fā)現了華東地區(qū)閃電活動規(guī)律，結合對流參數建立了雷電和強對流天氣展望技術，首創(chuàng)了國內區(qū)域強對流天氣展望業(yè)務；研發(fā)了基于雷暴結構特征回波和相關閃電活動規(guī)律的總閃電臨近預報技術。（2）研發(fā)了與數值預報結合的交叉相關回波外推預報技術（TREC），明顯改善了雷達回波移動的外推預報效果；基于支持向量機（SVM）技術建立的世博園區(qū)暴雨預報方法、雷達回波特性結合閃電特性研制的雷暴生命史評估均為創(chuàng)新技術。 （3）有機融合多種新型探測資料，利用數據識別技術及多種雷達產品的相應算法，通過回波要素提取、降水性質自動判別、補償訂正和動態(tài)精細化定量降水估計等技術的研究，結合探測資料象素與數字地圖空間坐標的配準技術，實現了災害天氣的自動判別、預報和空間精確定位。 “強對流天氣短臨預報預警業(yè)務系統(tǒng)”，%，整體提高災害天氣臨近預警發(fā)布時效近17分鐘。以非常規(guī)探測資料應用技術為核心，輔以精細化分析和強對流天氣動態(tài)預警技術，自主開發(fā)了強對流天氣短臨預報預警業(yè)務系統(tǒng)NoCAWS（Nowcasting and Warning System），具有資料質量控制和管理、資料綜合顯示分析、強對流天氣跟蹤分析和警報、產品制作、實時庫管理等功能，基于WEBGIS的分析技術實現了資料的精細化疊加分析和動態(tài)精細化定量要素估計，為世博會強對流天氣動態(tài)預警提供技術支撐，彌補了上海地區(qū)短臨預報業(yè)務系統(tǒng)的空白。，有效提升了臺風定量降水分析和預報業(yè)務能力。（1）研制了適用于登陸我國臺風的靜止衛(wèi)星定量降水估算模型，完成了跟隨臺風移動的地基雷達拼圖系統(tǒng)，建立了相應的動態(tài)定量降水估算系統(tǒng)。經檢驗，這些模型對登陸我國臺風強降水的估算精度優(yōu)于國際同類資料。（2）研究了臺風登陸過程中降水結構的精細演變特征、地形和水體下墊面的降水增幅效應以及引起強降水的熱帶低壓內部中尺度渦合并過程，總結歸納了引起上海強降水的臺風特點。（3）研制了臺風逐6小時雨量定點和定量預測的多元判據綜合相似技術，改進了應用天氣雷達開展定量降水預報的交叉相關法；提出了登陸臺風降水的綜合診斷物理量，與未來5小時降水量的相關性較單個物理量有顯著提高。二、以高分辨率數值預報為核心，實現了技術的集成與引進創(chuàng)新，突破了長中短期精細化天氣預報關鍵技術。（屬學科分類1；見附件1驗收意見3，附件4論文1112），開發(fā)了極端氣溫空間分布精細化集成預報方法。 （1）建立了復雜下墊面城市邊界層數值預報模式，在國內首次實現了城市邊界層模式的業(yè)務化運行。利用高分辨率的衛(wèi)星遙感數據，反演了上海地區(qū)土地使用類型，改進了在城市邊界層模式中合理表達地表特征和地表通量的參數化技術，構建地表能量平衡模塊和城市湍流閉合模塊；率先開展了氣象要素（溫、濕、風、體感溫度、紫外線等）的分布預報，空間分辨率500米，時間分辨率1小時，預報時效24小時。（2）基于數值預報模式輸出結果和城市熱島形態(tài)分布和演變趨勢，開發(fā)了極端氣溫空間分布的精細化集成預報方法，可以提供全市49個站點逐日最高溫度和最低溫度較為準確的預報。經過2008年和2009年兩年的使用和統(tǒng)計，177。2℃%，％，%%。，強對流天氣的有效預報時效達12小時。通過引進ADAS資料同化模塊與WRF中尺度預報模式，研究設計了本地化熱啟動技術，建立了每小時啟動的快速同化更新系統(tǒng)。實時同化上海及周邊地區(qū)的多種非常規(guī)加密觀測資料，更準確地描述了中小尺度天氣系統(tǒng)的特征，為中尺度模式提供了更優(yōu)的初始場，提升了數值預報對中小尺度強對流系統(tǒng)的預報能力，將短時強天氣的有效預報時效延至12小時。該系統(tǒng)也是我國目前唯一可業(yè)務同化雷達觀測的快速同化更新系統(tǒng)。，實現了多源資料的有效融合，各類高影響天氣的預報時效達72小時。通過引進資料同化技術，實時同化上海及周邊地區(qū)的多種非常規(guī)加密觀測資料（如雷達反射率、風云氣象衛(wèi)星（FY2E）紅外及可見光通道數據、GPS水汽），實現了多源資料的有效融合，各類高影響天氣的預報時效達72小時。對2010年梅雨期降水預報結果分析表明，分別高于日本全球模式3%和2%，分別高于日本全球模式2%和1%，區(qū)域中尺度模式小雨和大雨預報技巧評分高于日本全球模式。，為中尺度高影響天氣預報提供了更長時效的背景分析。利用初始場的擾動、不同的物理過程選擇及有限區(qū)域模式側邊界構建集合成員，建立了由21個成員組成中尺度集合預報系統(tǒng)，將中尺度天氣系統(tǒng)的預報時效延長至120小時，為中尺度高影響天氣預報提供了更長時效的背景分析?；赥IGGE全球集合預報系統(tǒng)建立的實時業(yè)務系統(tǒng)，將中期客觀預報時效延長至2周，中尺度高影響天氣的非確定性得到了定量描述及預報。 ，強降水過程預報平均時效達25天以上。 （1）綜合熱帶（MJO）—副熱帶（季風）—中高緯環(huán)流演變信息的監(jiān)測，動態(tài)分析不同時間尺度天氣系統(tǒng)的組合配置及其大氣環(huán)流的演變，提出不同