您的位置:首页

详情

矢志科研创新 助力防灾减灾——记第十届“中国青年女科学家奖”获奖者、北京大学物理学院大气与海洋科学系孟智勇研究员

2014-01-24

孟智勇,女,19699月生,博士,北京大学物理学院大气与海洋科学系研究员。1991年毕业于北京大学地球物理系,1994年获中国气象科学研究院硕士学位,1995年至2003年在中国气象科学研究院工作,2001年晋升为副研究员,2003年至2007年在美国Texas A&M 大学大气科学系攻读博士学位,2008年进入北京大学物理学院大气与海洋科学系工作至今。期间曾在日本气象厅数值预报室、美国国家大气研究中心、美国宾夕法尼亚州立大学气象系做访问学者。

2007年以来,先后任美国气象学会学术期刊Monthly Weather Review副编辑、美国气象学会中尺度气象委员会委员、世界气象组织热带气象研究工作组(WGTMR)季风强天气专家组(ETSMW)委员、国际气象和大气协会(IAMAS/IUGG)天气与气候资料同化和集合预报分会会议召集人、亚洲海洋地球科学学会(AOGS)中尺度气象和台风分会会议召集人、中国气象学会数值预报委员会委员、中国气象学会台风委员会委员、世界气象组织THORPEX中国委员会工作组成员等。曾获1996年中国气象局科技进步一等奖、2005年湖北省政府科技进步一等奖、2014年度美国气象学会编辑奖。

在气象科学领域孜孜以求

孟智勇研究员的研究领域为中尺度灾害性天气的机理、可预报性和资料同化。早期因在台风机理和暴雨模式研发方面工作出色,曾获得省部级科技奖近年来主要从事数值天气预报资料同化中日益受到重视的中尺度集合Kalman滤波(EnKF)资料同化、强对流天气机理和可预报性研究,取得的成果主要为以下两方面:1首次展示了多参数化方案集合方法用于中尺度EnKF 模式误差估计的有效性,在合作发展的首个基于中尺度模式MM5EnKF模拟资料同化系统基础上,建立了WRF-EnKF实际资料同化系统,并展示了其优于三维变分(3DVar)方法的性能2揭示了我国东部飑线的时空分布、形成、消散和组织方式、发生背景和移动等基本特征,给出了台风前部飑线的概念模型,揭示了华南前汛期飑线弓形结构形成机理和可预报性。

孟智勇研究员在强对流天气和台风的观测和数值模拟研究方面共发表论文24篇,其中SCI论文13篇,第一作者或通讯作者SCI论文10篇,所有文章在英文SCI总被引用307次,目前主持或参加多项中尺度气象方面的国家自然科学基金和国家973计划项目,多次组织或联合组织国内外学术会议,在国内外学术会议或科研业务单位曾作28邀请报告,其中在IAMAS/IUGG天气与气候资料同化和集合预报分会已连续三届作邀请报告。

中尺度EnKF资料同化系统的研发和模式误差估计

资料同化是提高数值天气预报准确率的重要手段。它利用模式的预报场(即背景场)和观测场以及它们各自的误差信息尽可能准确地估计大气的状态(即分析场)及其误差。由于数值模式方方面面的误差,集合预报逐渐体现出相对于单一预报的优势,而EnKF是资料同化和集合预报的完美结合,它通过集合预报的样本方差来估计背景误差协方差,这种随气流变化的背景误差协方差是EnKF的关键优势。EnKF资料同化在大气中的应用开始于大尺度和小尺度云模式,孟智勇研究员及其合作者在中尺度EnKF一系列研究涉及从模式的建立到推广、从理想资料到实际观测、从个例分析到连续一个月的试验、从模式误差估计到与变分同化方法的对比等多个方面,自2006年至今在该研究方向有6篇论文发表在国际一流刊物Monthly Weather Review, 受到了国际同行的广泛关注

孟智勇研究员及其合作者首次通过集合中不同的样本采用不同物理参数化方案的组合有效估计了中尺度EnKF资料同化系统的模式误差,从而明显改善了同化和预报效果。该多参数化方案集合模式误差估计方法对温度和水汽等与物理过程紧密相关的变量改进效果尤其明显。他们还发现多方案集合优于单一方案集合的原因是其对集合发散度的增加、背景误差协方差结构的改善和系统偏差的减小。通过对比试验发现EnKF因其随气流变化的背景误差协方差以及基于集合平均的状态估计明显好于3DVar对不同观测资料同化效果的对比发现探空资料的同化效果最好,风廓线资料次之,地面资料的同化效果不如探空和风廓线,三种资料同时同化的效果比仅同化任何一种的效果都好。

孟智勇研究员及其合作者在多参数化方案集合模式误差估计、中尺度EnKF实际资料同化系统研发等方面的工作已成为该领域的代表性文献,建立的WRF-EnKF实际资料同化系统经过进一步的发展完善已用于世界上15个业务预报和科研单位,该系统的最新版本通过对机载雷达资料的同化可以把台风强度预报误差减小20~40%鉴于该系统对台风预报尤其是强度预报准确度的显著提高,美国国家海洋和大气管理局的业务台风模式已开始业务使用集合同化手段实时同化机载雷达资料。

我国飑线强对流天气的观测和数值模拟

近年来强对流系统造成灾害的频数和严重程度都在逐年上升。飑线是许多雷暴单体侧向排列而形成的强对流云带,往往造成强风、暴雨、冰雹甚至龙卷等剧烈的灾害性天气,其破坏性常常超过雷暴单体。飑线是我国较常见的强对流系统。由于以前我国雷达监测能力和计算机资源不足,飑线研究多是针对个例的雷达特征分析或基于探空的形成背景研究。

孟智勇研究员的研究团队在我国飑线的发生发展一般规律及其可预报性方面做了一系列观测和对流分辨数值模拟研究。利用20082009年我国110度以东地区的数字雷达回波拼图,对飑线的地理分布、季节和日变化、最大长度、最大强度、生命期、移动特征、走向、形成方式、对流和层状降水的组织形式、形成背景等特征作了全面调查,得到了我国独特的地形和季风气候背景下飑线的统计特征,尤其是研究了国际上以前未见讨论的飑线消散方式,考察了前人很少涉及的统计结果对不同飑线定义标准的敏感性。与美国飑线的对比研究表明,我国的飑线形成环境较湿、低空风垂直切变较弱、不稳定度相当。这项工作首次基于雷达资料对亚洲地区的飑线做了统计分析,使目前人们主要基于美国飑线统计工作所形成的对飑线的认识更加全面。它不仅为我国飑线的业务监测预警提供了重要参考,还有助于国际上更好地了解飑线在不同的气候背景尤其是在高湿和低切变环境下可能的特征变化。

对不同背景下的飑线特征做了进一步的细致分析:1)系统地研究了国际上无人触及的台风前部飑线特征及其形成机制。发现约有40%的登陆台风会有台前飑线生成,台前飑线一般生成于台风和相邻副热带高压过渡地带,台风通过增强水汽、不稳定性和低层辐合有助于对流的触发和线状组织。与中纬度飑线相比,台前飑线长度较短、生命期较短、要素变化较弱、可降水量较强。2对锋面附近的飑线也做了一系列的研究。对华南准静止锋南侧一条飑线的弓形结构形成机理的研究表明,飑线后部多对涡旋的发展、加强、扩展、合并形成相对于飑线自后向前吹的强风速带,推动飑线局部移动较快而形成弓形结构。基于大量确定性、敏感性和集合预报试验对该飑线形成的可预报性研究表明,提前6小时(距离实况飑线形成时间)的集合预报仅有15%的成员能够准确模拟出飑线。飑线的模拟对模式物理过程和初始场的变化十分敏感,其误差增长特征与美国飑线有着明显的不同,初始水汽场误差的减小对飑线模拟效果的提高十分显著。3)对飑线上超级单体的发展以及龙卷的发生也做了探讨。2012721日下午北京通州区张家湾镇发生了严重的风灾,孟智勇研究员带领研究生通过详细的灾害调查和雷达资料分析,证实了这场风灾是冷涡槽前暖区内一条飑线上发展起来的超级对流单体中形成的一个EF2级龙卷造成的。这是北京历史上被证实的首例龙卷。

多年来,孟智勇研究员致力于中尺度EnKF资料同化强对流天气的发展机理研究,取得了多项重要研究成果。在此基础上,她正致力于通过EnKF雷达、风廓线等资料的同化和集合预报试验,进一步深入研究我国飑线等强对流天气的触发机制及其可预报性、目标观测和致灾机理,为防灾减灾决策提供科学理论基础。