复杂地形对京津冀地区降水的影响及参数化算法研究

The terrain structure of Beijing-Tianjin-Hebei area is complex, and the terrain has important influence on precipitation over Beijing-Tianjin-Hebei area. Local precipitation events associated with complex terrain often cause serious casualties and property losses. Previous studies mostly focused on the impact of topography on the monthly, and annual precipitation, but it is not still unclear about the effect of complex terrain on hourly precipitation over Beijing-Tianjin-Hebei area, and the relationship between hourly precipitation and terrain height often complexly changes, which is difficult to parameterized. For high resolution regional model, it’s necessary to introduce the terrain details, as it can help improve the prediction accuracy of precipitation intensity and area, leading to smaller prediction error. The aim of this project is investigate the effect of complex terrain on precipitation over Beijing-Tianjin-Hebei area using statistical analysis and a nowcasting system. Firstly, it will focus on examining the characteristics of space-time distribution about the influence of complex terrain on hourly precipitation over Beijing-Tianjin-Hebei area and the related mechanism. Then it will build a parameterization algorithm of elevation effect on precipitation suitable for the nowcasting system RMAPS-IN, and discuss its contribution to the improvement of precipitation forecasting. The study is helpful to improve our understanding on the law and mechanism regarding the effect of complex terrain on precipitation, and can also provide reasonable scientific guide for dealing with the topography in numerical model.

京津冀地区地形结构复杂，地形对京津冀地区的降水有重要的影响，与复杂地形相联系的局地降水事件常给人民的生命和财产造成重大的损失。以往的研究大都集中在地形对月、年际降水的影响，但目前尚不完全清楚京津冀地区复杂地形对小时尺度降水影响的气候统计特征，且小时降水-地形高度的关系变化复杂，难以参数化。对于高分辨率的区域模式，将地形细节引入系统当中是十分必要的，有助于对降水强度和落区做出更加准确的预报，减少预报误差。本项目拟借助统计分析和短临预报模式系统研究复杂地形对京津冀地区降水的影响，首先重点研究复杂地形对京津冀地区小时尺度降水时空分布特征的影响及相关机理，然后构建适用于RMAPS-IN短临预报系统的地形高差-降水参数化算法，探讨其对降水预报效果改进的贡献。该研究有助于提高复杂地形对降水影响规律及机理方面的认识，并可以为模式地形处理的改进提供合理的科学依据。

京津冀地区人口众多、地形结构复杂，与复杂地形相联系的局地降水事件常给人民的生命安全和社会经济造成重大的损失。以往关于地形对降水影响的研究大都集中在地形对月、年际降水的影响，但对于京津冀地区复杂地形对小时尺度降水影响的研究相对较少，小时降水与地形高度之间的复杂关系在短临预报系统中的参数化方法研究也相对较少。本项目借助统计分析方法和RMAPS-IN短临预报系统，采用京津冀地区逐小时自动站降水观测数据、雷达观测数据以及高分辨率地形数据，主要分析了京津冀地区复杂地形下小时尺度降水和地形的气候统计特征，包括地形高度的影响以及雷达定量降水估测的误差，并提出了一种适用于北京地区的地形高度依赖降水参数化算法。结果表明：京津冀区域逐小时雷达定量降水估测较好反映了总降水量“东北-西南”带状分布特征，但西北部山区、东北部山区及西南部山区受地形遮挡影响降水估计偏弱；北京地区存在较显著的地形降水增强作用，尤其对于弱-中等强度的逐小时降水，从多年特征统计上存在地形高度越高降水量越大的特征；以“播种-供给”地形降水物理机制为基础，构建了地形高度依赖参数化算法的概念模型，并通过分析北京山区分别位于山顶和山脚的6个代表性站点对，建立了山顶降水量和山脚降水量之间的参数方程，确定其地形参数的最优估计值；采用地形依赖参数化算法后得到的降水量均方根误差减小，且估算的总降水量更接近于实际观测值。将该地形高度依赖降水参数化算法应用于1km空间分辨率，10分钟循环更新的RMAPS-IN系统中，结果表明：经地形高度依赖算法校准之后，可以得到更精细准确的降水分析场，尤其是对山区降水的空间分布具有较大的改进。该项目的研究结果有助于提高复杂地形对降水影响规律方面的认识，并可以为模式系统地形处理的改进提供一定的科学依据。