文|史说百家

编辑|史说百家

严重的降水事件和洪水是其环境、社会和经济影响的主要问题，IPCC（政府间气候变化专门委员会）第六次评估报告表明，自2000年以来，洪水事件在欧洲各地一直在增加，并且随着气候变化，这些事件将更频繁地发生。

地中海地区，特别是意大利，由于地形和温暖的海洋的存在，本身就容易发生恶劣的天气事件和洪水，这些灾难性事件往往是由旋风引起的。

在过去几十年中，人们不仅从物理和气候角度，而且从其影响的角度，努力更好地了解地中海气旋。

洪涝灾害究竟是怎样发生的？我们又能否利用闪电来预测降雨？

地中海实验（MEDEX）和地中海水文循环实验（HyMeX）倡议尤其对地中海气旋的研究和表征具有重要意义。

最近由COST（欧洲科技合作）发表的一篇文章，就回顾了有关地中海气旋的当前知识和开放性问题。

强降水事件可能与弱或强烈的对观尺度强迫有关，在第一种情况下，降水与在潜在不稳定条件下发展的深度对流有关，特别是在夏季和秋季。

而在第二种情况下，降雨更多地与地中海气旋相关的锋面和天气尺度发展有关，Flaounas等人表明，温暖的传送带旋风其特征是深度对流量较低，但在对流层中低层有相当数量的水蒸气，其降水量是深对流事件的两倍以上。

地中海的强降水事件需要大量的水蒸气，水蒸气的来源可以是地中海本身热带和温带大西洋以及热带非洲已被确定为潜在的水分来源，其运输可能组织在大气河流中。

Davolio等人表明了大气河流在确定上个世纪意大利最严重的降水事件之一方面的重要性，所以我们非常重视热带气旋丹妮尔残余物的重要性，以及随后由作用于欧洲的大气系统产生的水蒸气重组的重要性。

在这种情况下，及时提供有关恶劣天气的信息以采取行动至关重要，快速更新分析/预报周期可以成为提高深对流和恶劣天气事件数值天气预报（NWP）模型预报精度的有用工具。

在意大利广泛使用的闪电数据同化表明，使用不同的NWP模型和数据同化技术，在非常短期（通常为0-3小时）内对降水预报产生了重大影响。

从Federico等人的第一个工作开始，其他几项工作紧随其后，都显示出LDA对降水预报的积极影响。

而Torcasio等人表明LDA不仅能够改善陆地上的降水预报，还可以改善地中海的降水预报，LDA还与雷达反射率数据同化一起使用，显示了两个数据源对改进深度对流事件预报的协同作用。

在这项工作中，显示了LDA对降水预报的影响，与以前的研究相似;然而，我们第一次使用Federico 的42D-Var，就已经用于将闪电吸收到区域大气建模系统中，以及天气研究和预报（WRF）模型。

在12月到1月期间，地表压力模式主要由热带风暴丹妮尔在东大西洋起作用，最低气压约为1 hPa，风暴正在将潮湿的气团平流到地中海盆地。

这个时候热带气旋丹妮尔和阿特拉斯山脉之间的相互作用在地中海西部产生了一个低压，在接下来的几天里向东移动。

地表分析：海平面气压（填充等值线）和地表风（10米，每个面板右上角的参考矢量）

在图中，斯堪的纳维亚半岛上空显示了第二个低压中心，它将在接下来的几天中发挥重要作，同时一个细长的低压区域连接了两个低压极小值，地中海西部的低压是显而易见的，是由大气流和阿特拉斯山脉之间的相互作用形成的。

1月时，地中海西部形成的低压接近意大利，向意大利北部和中部吹来南部湿润风，在斯堪的纳维亚半岛上空，低压系统正在将气团推向南方。

对流层中层500 hPa的分析：地势高度（填充等值线）、温度（青色等值线）和风（每个面板右上角的参考矢量）

大气环流的天气尺度组织，即向意大利中部平流的温暖潮湿的海洋空气，垂直剪切以及对流层中部大量水蒸气的平流，是这一高影响事件发展的关键因素。

但是局部因素也很重要，借助MSG-SEVIRI HRV（Meteosat第二代旋转增强型可见光和红外成像仪高分辨率可见光通道）云复合可以更好地解释这一因素。

其目的是监测高分辨率对流，一条云带从西南向东北穿过意大利，意大利中部和北部出现了几场雷暴，由当地地形引发，一些雷暴演变成V形雷暴。

其中包括马尔凯地区上空的巨大V形自生风暴，这些雷暴的名字来自卫星图像上看到的模式，雷暴铁砧靠近对流层顶，V形是由这些高度的强风平流引起的，为了到达对流层顶，上升气流很强烈，V形雷暴有可能带来严重的现象。

采用的主要物理参数如下：Thompson 物理方案，用于边界层和Dudhia 的Mellor-Yamada-Janjic（Eta）TKE方案，以及快速辐射转移模型。

欧洲中期天气预报中心 （ECMWF） 综合预报系统 （IFS） 从2013年 5 月 12 日开始运行分析/预报周期的初始和边界条件用于 WRF 初始化，边界条件每2h更新一次。

2022年4月15日，这个系统模拟运行了 21 个时间段，采用非常短期的预测 （VSF） 方法，其中每隔几个小时重复一次分析和短期预测周期，以跟踪对流现象的演变，不过这些特征的空间和时间尺度较小，难以预测。

同时其预测质量随预测时间迅速下降为了改进他们的预测，分析必须考虑到当地条件，然而，对流的确定性预报会迅速降低其性能。

并且每隔几个小时就需要恢复实际对流，必须在计算时间和重新初始化对流的需求之间取得平衡，在我们的例子中，这导致分析阶段后预测 3 小时，并且循环每小时重复一次

在这种 VSF 方法中，明确预测可用性的时间非常重要，用于此工作的配置需要 5 分钟来预测一小时（使用 256 个内核）和 10 分钟进行分析（使用 25 个内核）。

考虑到闪电数据的获取延迟为26分钟，整个过程需要3分钟进行1小时的预报，因此，ANL的预报在预测的时间间隔内半小时可用，而ANL-1H的预报在预测的时间间隔前半小时可用。

其中进行了四次分析，就像在 ANL 配置中一样，但开始时间为 ANL 前 1 小时，以便预测在预测期前半小时可用，运行ANL和ANL-1H背后的想法是更好地研究事件的可预测性。

在操作环境中，ANL预报将在第一个小时开始后半小时提供以进行预测，而ANL-1H将在第一个小时开始前半小时提供以进行预测。

例如，对于从 12 UTC 开始到 18 UTC 结束的运行，其预测是指 15-18 UTC 阶段，ANL 预测将在 15：30 UTC 可用。

而 ANL-1H 将在 14：30 UTC 可用，在ANL和ANL-1H中，每小时对同化阶段进行分析，此外BCKG和ANL/ANL-1H之间的比较显示了与前一天预测相比LDA的附加值。

我们展示了LDA对事件四个最强烈阶段的降水预测的影响分析，分布在意大利各地的约4000个雨量计的四个阶段的相应观测结果显示在图中。

1月12日世界协调时15日至15日由雨量计

1月15日世界协调时18日至15日由雨量计

1月18日世界协调时21日至15日由雨量计

在第一阶段，BCKG模拟显示，亚平宁山脉西侧托斯卡纳上空发生了一些雷暴，预测的最高降雨量约为40-50毫米/3小时，显示中度强雷暴的发生，ANL预报在12：30 UTC提供，即期间内半小时，可以更好地预测降雨位置。

这在亚平宁山脉的中部和东部，翁布里亚和马尔凯地区得到正确预测，并且降水带的形状也得到了更好的展示，类似于V形足迹，降水强度也有所提高，最大值约为70 mm/3 h。

在UTC提供的ANL-30H预报结果显示，与BCKG预报相比有显著改善，但与ANL预报相比，强度较低，模式已向西移动，最后指出，ANL和ANL-1H的预报都高估了意大利南部的降水。

第二阶段（15-18 UTC，图7）最为激烈。

ANL预报对降水预报的降雨强度（180 mm/3 h）和时间位置都有显著改善，即使它高估了降水带西部的降雨量，并且观测到的最大降水量（250 mm/3 h）还是被低估了。

ANL-1H预报对控制预报有重大改进，因为降雨带的位置在亚平宁山脉以东，最大降雨量预报约为80毫米/3小时，低估了观测到的最大降雨量。

对于第三阶段，LDA对降水预报的积极影响是显而易见的，BCKG预报预测亚平宁山脉西部和中部将出现强烈雷暴（50毫米/3小时）。

而观测显示降水主要发生在亚平宁山脉东侧，靠近亚得里亚海，ANL预测优于ANL-1H，但后者仍然比BCKG预测有实质性改进。

大规模分析突出了导致这一事件的主要因素，热带气旋丹妮尔平流湿润气团进入地中海，热带气旋和阿特拉斯山脉引起的环流相互作用在地中海西部产生了新的气旋，这个低压系统向东移动。

有利于潮湿气团在低对流层水平上向意大利平流，斯堪的纳维亚半岛上空的低压和不列颠群岛上空的高压协同作用，将丹妮尔带来的潮湿气团集中在地中海中部和意大利中部上空，为严重的对流事件奠定了基础。

局部地形特征，主要是亚平宁山脉，在触发雷暴并将其锚定到当地地形特征方面发挥了重要作用，特别是强烈的自发V形风暴在马尔凯地区持续了12小时，造成强降雨并引发米萨河洪水泛滥。

局部尺度的研究是使用WRF模型进行的，该模型与自制的3D-Var软件一起使用，用于闪电数据同化，预测方法是3 h的非常短期预测，其中数据同化阶段之后是3 h预测，并且预测每3 h更新一次。

ANL和ANL-1H预报都改善了控制预报，后者在没有LDA的情况下进行，并且在事件发生前一天可用，控制预报无法捕捉到马尔凯地区上空的大部分事件，即使它能够代表意大利中部发生的一些降水，特别是位于马尔凯地区以西的托斯卡纳，LDA 改进了行程预测。

因为与对照预测相比，观察到的行程模式在 ANL 和 ANL-1H 模拟中得到了更好的表示，这在亚得里亚海上很明显，在那里观察到了相当大的闪电活动，但控制预报没有模拟。

而ANL和ANL-1H预报正确预测了这种闪电活动，然而对于较大的冲程强度，闪电方案的性能和LDA对中风预测的积极影响会下降。

最后我们也注意到了闪电和降水预报性能的不同行为，对于预测，与在预测阶段前 1 小时之前同化闪电的模拟相比，在预测阶段 （ANL） 开始前同化闪电的模拟具有更大的 POD 和更低的 FAR（ANL-1H），对于降水预报，ANL具有比ANL-1H更大的POD。

但也具有更大的容积率，降水的结果已经在以前的许多研究中确定并且是稳健的，而中风预测的结果需要进一步的研究才能得到证实，但是，如果此结果得到确认，则随着预测时间的增加，与降水预测相比，中风预测的退化幅度更大。

该结果表明，即使降水和闪电预报相关，由于两个参数不同，它们的行为也不相同，闪电是深度对流的表现，而降雨也发生在层状环境中，在这种情况下可能发生在域的某些部分。

此外闪电可以很容易地在海上验证，而这对于降水来说更复杂，但有可能闪电和降水之间分数的不同行为部分是由于前者也在海上得到验证。

提出了灵敏度测试（ANL-1H_4），其中模拟在ANL-1H之前一小时开始，并进行了一次分析，结果表明，ANL-1H_4预测在四个阶段中的两个阶段比ANL-1H具有更好的性能，因此，它更可取。

总体而言，该研究表明LDA可以改善短期（0-3 h）的降水和闪电预报。然而，未来的工作应考虑LDA抑制杂散对流的可能性，以及改善更长时间范围的降水和闪电预测的可能性。

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参考文献：

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陈文，关志：对流层下层加里曼丹岛异常收敛的变化及其在连接东亚夏季风和澳大利亚冬季风中的作用。2019

顾东军，李涛，纪志平：南海夏季季风与海洋大陆对流和ENSO的联系。 2010

胡春，张汉淑，李志强，邓强，杨淑贞：D.IOD和厄尔尼诺现象的混合多样性主导了海洋大陆秋季干旱的位置。2020

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