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如何“偵察”大氣河流?

來源:中國氣象報   發布時間:2020年04月16日14:23
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  2020年美國大氣河流偵察行動于1月至3月進行。今年是該行動開展的第五年。 

  通過駕駛飛機穿越大氣河流風暴并投放探空儀,美國科學家獲得了關于大氣河流風暴的重要信息,以此不斷改進大氣河流預報方法,提高模式預報準確率,來更好地支持加州水資源和水庫管理,降低洪水風險、抵御長期干旱。  

  

  最多的時候,大氣河流風暴帶來的降水能占到美國加利福尼亞州總降雨量的一半,要為該州90%的洪水泛濫“負責”。整個西部地區每年因大氣河流造成的洪災損失平均為11億美元。

  準確預測大氣河流對加州經濟的影響至關重要。加州易干旱,但同時也是世界上農業生產力最高的地區之一。更好地預報大氣河流將可能支持水資源和水庫管理,降低洪水風險,同時有利于更好地抵御長期干旱。

  不過,對于如此重要的預報,科學家并不滿意。2013年,有專家評估認為,在美國未來三天的預報中,大氣河流登陸點與實況的誤差達到400公里左右。而大氣河流的平均寬度正是400公里至800公里。

  誤差背后,是海洋上觀測資料的稀缺和衛星難以穿透云層等痛點。隨后,在給美國西部州水事委員會的一份報告中,為了更好地預測大氣河流的登陸點及雨量,氣象學家馬丁·拉爾夫等人建議開展大氣河流偵察(AR Recon)行動。

  所謂大氣河流偵察行動就是研究人員在大氣河流風暴來襲時,駕駛飛機穿越大氣河流,并從飛機內部將探空儀空投到預定位置。探空儀從飛機到海面下降的過程中,可以以很高的分辨率捕捉大氣垂直剖面的水蒸氣含量、溫度、風速、風向等信息。這些數據經實時傳輸和同化進入天氣預報模式,從而提高大氣河流及其強降水預報水平,測試和改進新方法。

  從2014年開始,大氣河流偵察行動已經不連續地開展了5年,分別是在2016年、2018年、2019年和2020年。其間,參與的飛機越來越多,穿越的大氣河流風暴數量也在增加,捕獲的數據越來越豐富。

  2016年,該行動作為NOAA厄爾尼諾快速響應野外活動的一部分,美國空軍第53氣象偵察中隊兩架WC-130J飛機共穿越了三場風暴,NOAA G-IV和NASA全球鷹號配合開展了部分飛行。探空儀采集到的數據僅在美國國家環境預測中心(NCEP)模式上進行同化。到了2018年,兩架WC-130J和NOAA一架G-IV共穿越了六場風暴。2018年和2019年探空儀測得的數據在NCEP、ECMWF、海軍模式得到同化應用。

  2020年的行動則更是具備了里程碑式的意義——它被正式納入美國國家冬季行動計劃(NWSOP),此前開發的大氣河流偵察方法得以應用和拓展。1月至3月,兩架WC-130J和一架G-IV飛機分別在夏威夷、加州和波特蘭待命,穿越最多12場大氣河流風暴,比2018年和2019年增加了一倍。

  從飛機上收集的數據實時上載到預報模式。今年研究團隊使用的三個主要模式是海軍全球環境模式(NAVGEM),ECMWF模式和NOAA的全球預報系統(GFS)。

  參與行動的人員也來自不同方面,曾最先提出這一行動暢想的斯克里普斯海洋研究所西部天氣和極端水事件中心(CW3E)主任馬丁·拉爾夫擔任此次行動的首席研究員,有“颶風獵人”之稱的美國空軍第53氣象偵察中隊執行飛行任務。此外,NOAA、NCEP、海軍研究實驗室(NRL)、美國國家大氣研究中心(NCAR)、ECMWF和美國幾所大學專家都以不同的角色參與其中。

  他們各司其職。研究團隊負責投放探空儀,對觀測數據進行質量控制;而飛行人員則負責順利完成飛行任務。還有一個團隊專門負責制定任務、協調機組人員。

  “從風暴環境中收集數據本身就是很危險的事,但無論是在5級颶風中,還是在5級大氣河流風暴(大氣河流根據強度和影響不同被分為5級,級數越大,強度越強)中,我們都以同樣的方式執行任務。我們收集數據的目的是希望改善天氣預報,從而挽救更多生命?!钡?3氣象偵察中隊空中天氣偵察軍官瑞恩·里克特表示。

  馬丁·拉爾夫稱,通過大氣河流偵察行動,正在努力改進對于大氣河流登陸點的預報,并更好地理解其帶來的降水,以及對供水、減災等的影響。飛行中捕獲的數據會對預報模式改進產生立竿見影的效果。

  2018年和2019年,大氣河流偵察行動通過不同模式定量確定了預報中最敏感的位置——通常在大氣河流的中心。而在各要素中,濕度敏感性大于溫度、風或任何其他敏感性。

  (來源:CW3E官網等 編譯:張格苗 責任編輯:崔國輝)

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