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北京城市院:攀登不止 求索不息

日期:2020-12-25 12:34:22

“聚焦城市气象机理和区域数值模式体系两个核心,保持研究定力长效发展”“承担国家级科技项目36项、省部级23项”“7项科技成果获省部级科技奖励,睿图6个模式系统完成转化应用”……

2020年国家级气象科研院所评估中,北京城市气象研究院(以下简称“城市院”)各项关键指标名列前茅,综合实力在八家国家级气象研究机构中排名第一。成绩的取得来之不易。评估期间(2016-2019年),城市院实现从所到院的华丽蜕变,科研队伍体量不断壮大,优势领域研究成果在国际频频“刷脸”,成果业务转化率辐射率持续提升。 

瞄准前沿:揭示城市气象复杂作用机理

近年来,城市应对灾害时的脆弱性日益显现,城市建设和发展中的一系列气象复杂难题亟待解决。作为国内首家专攻城市气象研究的科研机构,城市院直面难题,依托国家国际科技合作项目“城市对降水和雾霾影响科学试验”(SURF),潜心研究城市气象复杂作用机理。

在城市降水研究方面,研究团队选取北京同一年内的夏季对流性降水案例,通过分析降水前城市热岛的强度与实际降水时空演变特征,研究城市下垫面在不同热力条件下对降水的影响。

科研人员发现,在强热岛条件下,城市地区低层大气更加不稳定,水平辐合增强,导致对流系统在城区增强,降水在城区增多;弱热岛条件下,受城市下垫面的影响,经过城市中心的对流系统中垂直速度明显减小,对流减弱,而城市两侧的对流系统中垂直速度增大,对流强度增强,降水集中分布在城区周围,出现“分叉现象”。

基于此结论,团队以城市热岛强度为关键因子,将城市对降水影响分为“强热岛-城区增强”和“弱热岛-降水分叉”两种类型。通过数值模拟和敏感性试验,揭示了不同城市热岛强度条件下城市下垫面对降水的影响机制。

团队还利用夏季京津冀地区3851个地面稠密自动站小时降水数据,对京津冀地区夏季短时强降水空间分布、日变化特征进行了分析,进一步揭示了地形、海陆交错和大城市下垫面对短时强降水分布的影响,以及山麓地区、渤海湾海陆交错地区在短时强降水形成和传播过程中的重要作用。

不仅如此,SURF项目的研究范畴还包括城市边界层研究、城市对雾霾影响分析。经过多年攻关,研发团队加深了对京津冀复杂下垫面地气交换过程和边界层三维结构的认识,解决了夜间边界层高度判定、残留层识别等一系列学科难题,揭示了局地环流等气象条件对雾霾的影响,阐明了气溶胶对辐射、热岛、边界层和降水的影响机理。部分研究成果已经应用于气象数值模式,助力北京气象预报水平有效提升。

2018年7月,介绍SURF项目的科研论文作为封面文章在大气科学类权威期刊《美国气象学会公报》(BAMS)上发表。同时,SURF项目被世界气象组织(WMO)3个工作组列入联合研究示范项目。

目前,城市院已逐步形成城市边界层与大气环境、强对流短时临近预报、区域数值天气预报、城市气候与生态发展等优势研究领域,城市气象学科体系更加完善。“在其专攻领域,城市院已经站在了时代的前列。”曾获北京市“长城友谊奖”的美国圣何塞州立大学罗伯特•伯恩斯坦教授评价道。 

紧扣需求:科技成果“用得好”“扎下根”

城市院的科研成果,并不是空中楼阁。院长苗世光表示,“面向业务需求研发,是城市院科研工作的出发点,也是驱动力。”

夏天孩儿面,一天变三变。汛期强对流临近预报一直是北京气象业务的重点关注对象。

为摸准强对流的“脾气”,城市院长期坚持以提升0-24小时精细化客观预报预警准确率为目标,在短期数值天气预报和环境气象预报等关键技术方面集成创新,构建了耦合城市陆面和气溶胶等理化过程的新一代快速更新多尺度分析和预报系统(即睿图,RMAPS),实现了0-24小时无缝隙、10分钟更新、1公里分辨率网格化客观分析和预报产品。

模式研发中,团队融合了京津冀地区自动站、雷达、以及气象卫星在内的多源观测资料,对自动站、雷达数据进行地形效应校准,提高了复杂地形条件下高水平分辨率降水分析场的准确度。此外,在云微物理过程改进、基础数据实时收集、传输预处理的时效性及质量控制等方面,团队也开展了大量的技术研发工作。

在睿图的助力下,近年来北京晴雨预报准确率稳定达90%,大大小小的降水基本都被精准“捕捉”,中雨以上量级的降水预报准确率“十三五”期间提高了22.6%。在服务首都现代化城市管理和安全运行、新中国成立70周年庆祝活动等重大活动气象服务保障中,睿图“反应迅速、预报精细”。

在北京气象业务表现良好的睿图,也在我国北方地区“扎下根”。

2016年11月,北京市气象局联合华北、东北、西北等地的气象部门,以睿图模式系统为统一技术框架,组建了“大北方区域数值模式体系协同创新联盟(简称大北方联盟)”。后续青海、山东等多个省级气象部门也接连加入,联盟成员扩展至15家。

城市院作为大北方联盟的牵头单位,指导各地科研人员学习引进技术,带动提升气象科技水平。以内蒙为例,2016年以来,内蒙古自治区气象台先后选派10余人次到城市院“取经”,从资料同化、模式系统、模式运行、客观检验、应用服务等各个方面深入学习,最终掌握了睿图模式系统框架、模块、本地化调试方法,实现本地数值预报系统“从无到有”。

睿图的足迹越走越远,根越扎越深。近年来,睿图-山西、睿图-内蒙、睿图-东北,睿图-中亚等相继建立,为各地气象预报业务以及神舟十一号飞船回收、“一带一路”国家战略等重大活动保障提供气象科技支撑。 

盘活机制:科技创新活力迸发

改革是城市院不断进步的另一关键。近年来,他们向改革要动力,相继推出各项重磅措施,让北京气象科技“展翅腾飞”。

——强化队伍建设。在市局党组的领导下,城市院通过面向全市气象科研人员竞聘上岗、聘请专家等方式,人员编制从最初的50扩充至122人的规模,将分散在相关业务单位的科研力量进一步集聚,同时对观测试验研究、资料同化技术研究、云物理和大气化学过程研究、陆面过程研究、遥感应用研究、模式产品解释应用技术研发等相关研究内容进行整合串联。

——优化科研管理。城市院编制修订一系列科研管理办法,进一步激发科研人员的内生动力。紧扣业务发展需求,城市院不断优化业务应用研发中试基地,建立“转化申请à可行性评估à测试评估à综合评审à业务平行测试à业务应用”的完整成果转化流程,通过全链条科学管理,打造科研引领业务的有效模式,形成以“应用基础研究-模式体系研发-业务应用中试”为核心的城市气象科技创新体系。

——深度融合业务。去年起,城市院主动“牵手”业务单位,逐步聘请市局气候中心、气象探测中心、气象服务中心、人影办、信息中心专家担任城市院首席研究员(流动岗),围绕业务“痛点”开展针对性联合攻关,着力将科技创新理念深度融合到观测、模式、预报、服务、信息全链条发展过程中。

——深化国际合作。依托国际科技合作基地,城市院聚焦城市气象科技和冬奥科技关键技术研究,在短临数值预报技术、雷达资料应用、多源资料同化、陆面模式研发、无缝隙集成分析预报等研究领域与美国国家大气研究中心、美国俄克拉荷马大学、英国雷丁大学等国外研发机构开展长期合作,实现关键技术研发与国际接轨。聘请13位国际知名气象科学家担任城市院科学指导委员会委员,为城市院科学发展战略等建言献策。

强有力的机制体制,必将催生出科研硕果。近年来,城市院有5人次获省部级人才计划资助和奖励、科技论文发表384篇,其中10篇入选“2019年自然指数”、1篇入选“领跑者5000—中国精品科技期刊顶尖学术论文(F5000)”、1篇入选2019年欧洲地球科学联盟亮点成果。

“每个人对工作都有追求,都能沉下心做科研”苗世光认为,城市院的核心竞争力是人才,“科研工作看似不需要24小时值班,但大家可能连走路都在琢磨这个事,光靠每天8小时是不可能完成研究项目、建成一个系统的。”

只有主动求索并付诸行动,一个个科研构想才能真正落地、转化为气象业务利器。未来,城市院将继续秉承“明德、尚研、求是、创新”的院训,向着建设国际一流城市气象科技创新中心、科研业务紧密结合示范基地、城市气象人才培养基地的目标砥砺奋进。(冯子晏)