国家科技支撑计划课题申报书
（试行）
项目名称：南方冰雪灾害天气预测预警评估技术研究课题名称：冰雪天气预测预警技术研究
项目组织单位：湖北省科技厅
课题申报单位：武汉中心气象台
课题负责人：龙利民
起止年限： 2008年07月至2010年06月
中华人民共和国科学技术部
二○○八年三月
编写说明
1．本申报书由课题申报单位组织编写，经单位主管部门[国务院有关部门（单位）科技司（局），地方科技厅（委、局），国资委直属公司]审核同意后上报项目组织单位。
2．编写要求
（1）课题目标符合项目的课题申报指南的要求，定位准确，指标明确、可考核；
（2）课题任务明确，要充分考虑经济、技术等方面的可行性；
（3）课题管理与实施符合《国家科技支撑计划管理暂行办法》；
（4）课题所需国拨经费按《国家科技支撑计划专项经费管理暂行办法》管理和使用，并另编制《国家科技计划课题预算申报书》一并上报；
3．课题申报书A4打印，由项目组织单位确定上报份数。同时，通过科技部门户网站（https://www.doczj.com/doc/8418256663.html,）上的?国家科技计划经费预算申报中心?，将《国家科技计划课题预算申报书》报送科技部。
目录
一、课题概述 (1)
二、课题的目标与任务 (3)
1.项目确定的课题目标与任务需求分析 (3)
1.1课题目标与任务 (3)
1.2需求分析 (4)
2.课题目标与任务解决的主要技术难点和问题分析 (6)
三、现有工作基础与优势 (7)
1.国内外现有技术、知识产权和技术标准现状及预期分析 (7)
2.课题申请单位及主要参与单位研究基础 (11)
四、任务分解与考核指标 (11)
1.课题研究内容、技术路线和创新点 (11)
1.1研究内容 (11)
1.2技术路线 (12)
1.3创新点 (13)
2.主要技术指标 (14)
3.主要经济、社会、环境效益 (14)
4.课题实施中可能形成的示范基地、中试线、生产线及其规模15
5.人才队伍建设 (15)
6.其他应考核的指标 (15)
五、经费预算 (15)
1.课题总投资预算、各项任务经费分配及分年度经费需求 (15)
2.资金筹措方案及配套资金落实措施 (16)
六、课题的年度计划及年度目标 (17)
1.课题进度安排 (17)
2.课题各年度目标及考核指标 (18)
七、实施机制 (19)
1.课题的组织管理措施 (19)
2.课题参与单位的任务分工及国拨专项经费分配 (19)
3.产学研结合模式 (20)
4.知识产权与成果管理及权益分配 (20)
八、课题负责人及参加课题主要人员情况 (20)
1.课题负责人简介 (20)
2.课题负责人及主要参加人员 (21)
九、课题风险分析及对策 (22)
十、其他需要说明的事项 (22)
十一、有关附件 (23)
十二、申报单位签章 (24)
一、课题概述
暴雪和冻雨是我国南方冬季重大灾害性天气之一，剧烈的降温和持续低温往往与其伴随，给工农业生产、交通和人民生活带来严重危害。
冰雪灾害天气对于我国南方各省的预报而言既是小概率事件，同时又是预报的重点和难点。以湖北省降雪天气为例，它的特殊地理位臵使其处于我国南北气候的过渡带中，暴雪天气既不像北方那样频繁，也不像沿海省份那么罕见，其暴雪过程也往往先是雨夹雪，然后转成纯雪，最后达暴雪强度，雨量、雪量很难区分，使得暴雪的预报有一定的难度。此外，南方的暴雪还不同于北方，南方空气相对湿度大，沉降物含水量高于北方，带来的雨雪量和积雪深度对应关系比较复杂。另外，南方冻雨预报更是涉及到对大气温度的垂直结构特殊层结的准确预测。在日常预报中，准确预报冬季第一场雪的社会效益不亚于汛期首场暴雨预报。另外，我国对冰雪天气的预报研究相对暴雨预报而言要少得多，且多数是从诊断的角度对冰雪过程进行分析，也有针对高原暴雪的研究和数值模拟。对南方暴雪进行个例、过程性降雪天气的成因分析总结有之，但是针对南方地区的冰雪天气预报进行系统性研究，尤其是对冰雪预报方法的研制开展得很少，特别是对持续时间长、范围广、强度大的冰雪预报预警方法更是少见，因此迫切需要开展这方面的研究。
南方的冰冻和暴雪具有很大的灾害性，特别是对交通运输和电力
设施影响更大。2008年1月中下旬至2月初，我国南方遭受连续雨雪冰冻天气袭击，出现人员伤亡、房屋倒塌、交通瘫痪、停水断电等严重衍生灾害，直接经济损失达1516.5多亿元，部分专家学者指出此次灾害损失甚至超过1998年特大洪水的影响。此次冰雪过程使南方各省的电网均遭受了历史上最严重的覆冰灾害，南方电网几千条输电线路停运，仅贵州电网累计受损电力线路达5030条，500KV电路倒塔182基，220KV以下倒塔2373基，500KV变电站12座停运。连续的低温冰雪给交通也带来巨大压力，列车出现大面积晚点停运；道路结冰致使京珠高速南方段出现拥堵，公路交通几近瘫痪。
我国著名气象学家丁一汇院士在分析2008年初的南方冰雪气候极端事件中曾指出：?在全球变暖的总趋势下，气候变化的幅度变大了，小概率、高影响天气气候事件发生的机会增加，极端天气事件出现的概率在增加。?面对这一严峻趋势，结合我国南方冰冻气象灾害的研究现状、预报难度以及对交通、电力等民生行业造成的巨大危害，开展有针对性的南方冰雪灾害天气预测预警技术研究迫在眉睫。同时，如何提高冰雪灾害天气的预报水平和服务能力，最大限度减少灾害损失，也是政府科学决策调度的迫切需求、部门制定应急措施的迫切需求、社会防灾减灾的迫切需求以及广大人民群众抗灾避灾的迫切需求。
本课题将从冰雪灾害天气的月趋势预测、冰雪过程的中期要素预报和暴雪的短期预报等方面开展分专题研究，同时针对冰雪影响造成的电线覆冰、道路结冰以及地面积雪深度进行专项定量预报研究。通
过研究，使南方冰雪天气预见期可达7天，预测、预报、预警准确率将明显提高，并及时向政府、部门、公众提供预报预警信息，为防灾、抗灾、减灾、避灾提供科学的决策依据。
二、课题的目标与任务
1.项目确定的课题目标与任务需求分析
1.1课题目标与任务
1）冰雪天气月趋势预测方法研究
针对南方低温雨雪天气的灾害特点，建立南方低温雨雪灾害天气的量化指标作为冰雪天气月趋势预报对象，利用环流特征分析、数理统计、动力方法、物理与统计结合等建立南方冰雪天气月趋势预报方法，为政府提供防灾、减灾决策服务依据。
2）暴雪预报预警方法研究
对历史上南方暴雪过程进行诊断分析，应用?配料法?（Ingredients-Based Methodology）技术，进行物理过程演变动态分析、强中心落区预报等研究。基于有效的模式输出，诊断暴雪过程中?配料?的时空变化特征，追踪暴雪系统的发生、发展演变过程，最终实现未来1-3天暴雪可能发生的危险区域预报。
3）低温和雨雪定量预报方法研究
在多元线性回归技术基础上，利用MOS方法，研究降雪量、最低气温和多个预报因子之间的定量统计关系，建立相关预报方程，实现
1-7天24小时段降雪、低温定量预报。
4）电线覆冰和道路积冰定量预报方法研究
基于电线覆冰、道路结冰理论模型研究，分析电线覆冰、道路结冰与气象因子的关系,以主客观预报产品为基础，提供我国南方电线覆冰和道路结冰定量预报产品。
5）地面积雪深度定量预报方法研究
在对道路积雪模拟试验的基础上，利用试验得出的预报方程，结合雨雪定量预报结果，实现道路积雪深度的定量预报。
6）冰雪天气预测预警应用系统
集成冰雪天气过程月趋势预测、暴雪预报预警、电线覆冰和道路结冰定量预报、地面积雪深度定量预报成果，形成冰雪天气预测预警应用系统。
1.2需求分析
1）开展南方冰雪灾害天气月趋势预测是社会经济发展对气象部门提出的新需求。在2008年初的南方冰雪天气中，气象部门对连续出现的四场天气过程预报预警是有效的，但对过程强度的逐渐加大、雨雪量的叠加、低温的持续，是始料不及的，这就涉及到月以上趋势预测。在今年?两会?上，代表、委员们纷纷就气象部门如何在进一步提高预测预报准确率的基础上，提供更为准确的趋势预测建言献策，从而更好地保障国民经济的可持续发展，预防和减轻自然灾害，为政府部门采取有效的防灾减灾措施提供决策支持和减少人民生命
财产的损失。但由于受大气科学研究进展和对大气认识水平的限制，冰雪天气月趋势预测水平还十分有限。
2）我国冬季南方暴雪虽然是小概率事件，但往往是预报难点、服务重点、关注热点。我国对南方降雪的研究相对暴雨研究而言要少得多，且多着眼于物理量场诊断分析。2008年初的南方冰雪短期过程尽管把握准确，但在强度、积雪深度预报方面仍然暴露出气象部门在量级预报上的不足，具体表现在短期预报缺乏相应的客观技术方法为预报提供支撑。另外，从气象灾害对社会经济的影响而言，社会越发展，现代化程度越高，气象灾害就越来越突出，2008年初的持续暴雪所带来的灾害就是最好的证明。因此，暴雪的短期预报研究既是部门业务需要，也是经济高速发展对气象业务的必然需求。
3）回顾2008年南方低温冰雪灾害，预报关注点集中在低温和降雪过程的预报，对中期、短期气象要素的精细化预报要求甚高。低温、降雪预报准确与否直接关系到冰冻的强度、持续时间和危害程度。尽管近几年气象部门先后在降水预报、气温精细化预报等方面开展了相关研究及应用，但离社会大众对气象产品的精细化要求还有一定距离。因此，在有社会需求的前提和已有的精细化气象要素预报业务系统的研究基础上，有必要对低温、雨雪等要素进一步开展定时、定量、定点预报研究。
4）2008年初的南方冰雪天气导致大范围的电线覆冰和道路结冰，引起电力中断、高速公路关闭，诸多铁路路段及国道停运，并由此产生了一系列灾害连锁反应。以电线覆冰的预报需求而言，目前我国南
方电网统一采用10～30毫米覆冰设计，但在特殊地形及严重低温雨雪冰冻时期，实际覆冰厚度可能超出设计取值。如2008年低温雨雪冰冻灾害期间，贵州省中部地区覆冰厚度普遍达30～60毫米；海拔1268米的湖南省南岳最大雨凇厚度大于400毫米，海拔102米的衡阳雨凇厚度40毫米等。由于我国目前没有开展电线覆冰的专项预报预警工作，致使电网对低温雨雪冰冻灾害的抵御和应急防范能力明显不足。同样，道路结冰对公路、航运等交通造成的危害也急需开展其专项定量预报。
5）由强降雪带来的积雪深度大、影响面积广，其危害更加严重。大面积积雪造成大棚坍塌，给公路、航运等交通带来阻碍。如2008年1月28日，温家宝总理从北京赶赴湖南指挥抗冰救灾工作，但因南方机场部分关闭，温家宝总理只有先乘坐飞机降落湖北省天河机场后再转乘火车到达长沙。究其原因，正是由于机场降雪强度大、积雪深且结冰严重，其影响可见一斑，因此开展道路积雪深度的预报更有其特殊意义。
2.课题目标与任务解决的主要技术难点和问题分析
1）由于受大气科学进展和对大气认识水平的限制，目前月趋势预测业务水平还不高，其预报理论和技术是世界性难题。譬如，当今数值天气预报技术最先进的欧洲中期天气预报中心规划的未来10年的目标是预报时限提高1天。由此可见，提高月趋势预测水平更是相当困难和缓慢的。然而，对一些异常气象事件的实际分析发现，尽管
超过一段时间以后，大气环流的可预报性衰减得非常快，但是当某些特定的大气环流型出现，或者某些异常环流明显且持续时，往往具有较好的可预报性，而这些强的环流异常一般会引发后期的极端天气气候异常，这种情况显然对于开展月趋势预测又提供了潜在的空间。
2）提高暴雪预报预警的准确率有一定难度。我国南方暴雪不如北方频繁，因此历史样本积累少，研究基础相对暴雨研究薄弱，这些都有可能导致对暴雪的酝酿、发生、发展机理认识不清。另外,冬季降水相态的预报本身就是一个难点。
3）由于目前对于电线覆冰、道路结冰形成的气象条件、量级与气象要素间的关系进行的研究及气象模式等仍处于初期探索阶段，对于模型所假设的前提条件和影响因子选取方面，直到现在还处于发展之中，因此建立定量预报方法和模型并转化为业务应用，提高电线覆冰、道路结冰定量预报精度是本课题的技术难点之一。
4）我国南方地面积雪深度预报在国内尚不多见，积雪厚薄取决于下垫面的性质、地形、雪本身的含水量、雪量大小、地面气温等诸多因素，其核心技术又取决于项目所开展的积雪试验及分析结果，这些都是开展该项预报的技术难点。
三、现有工作基础与优势
1.国内外现有技术、知识产权和技术标准现状及预期分析
国内外气候预测主要研究对象基本上都是以月季尺度的气候趋
势研究为主，并且国内目前尚没有建立完善的针对极端天气气候事件的业务服务系统，无法有效地防御极端天气气候事件及其引发的气象灾害和衍生灾害。国家级的极端天气气候事件监测预测关键技术2007年底才刚刚起步，国内对极端天气气候事件的预报都是以天气尺度的预报为主，对极端气候事件的气候预测技术研发较少。因此本课题将以南方冰雪天气的月预测作为该领域的突破性尝试，找寻雨雪冰冻灾害发生的规律与成因，完成南方冰雪灾害气候事件的可预测性和各种方法预测能力分析。
对于强降雪的研究，国外主要针对的是强大的暴风雪，如1979年美国总统日暴雪和1987年俄克拉荷马州暴雪，它们都是由陆地上锋面气旋强烈发展引起的，在我国这种情况不多。
我国对降雪的研究相对暴雨研究而言要少得多，而且北方多于南方，研究内容多从过程的诊断和对比角度分析，还有部分针对高原暴雪的研究和数值模拟，取得了一些有意义的结果,但是针对南方地区的暴雪预报方法研究开展得很少。
杨柳等采用NCEP全球再分析资料和常规地面、高空观测资料，利用非静力中尺度数值模式MM5（V3．6）对2003年2月江淮地区暴雪过程进行了数值模拟。结果表明，低空西南急流与暴雪有着密切关系，运动场和热力场的相互配臵及耦合关系非常有利于暴雪切变线的发展及暴雪形成与维持；降水性质与700hPa、850hPa温度平流有直接关系。
张腾飞等通过对2000年以来云南出现的4次强降雪过程进行分
类对比分析和诊断分析，结果表明：强降雪出现在较强水汽通量辐合区中，且落区在辐合中心的偏东一侧、θse线陡立区附近以及暖湿不稳定区域，对流层中下层的高空冷暖平流和高空西南急流是有南支槽影响的强降雪天气的主要大尺度特征，而低层偏东急流是无南支槽影响的强降雪的主要特征，因此高低空急流的形成是强降雪的关键。
因此，在强降雪短期落区预报中，本课题将采用国外已处于业务应用阶段的?配料法?（Ingredients-Based Methodology）技术，针对我国南方强降雪各气象要素、物理量的配臵，建立一套物理概念模型，并实现客观定量预报。它是一种基于暴雨和强对流天气物理机制认识的基础上，通过分析关键物理因子互相配合和演变过程的预报方法。它最初被应用于预报暖季雷暴深厚湿对流的发生，国外部分学者先后为了预报与洪水相关的降水进行了多次改进，并将其应用于冬季降雪预报中。武汉中心气象台在?长江中游暴雨洪水定量预报系统?的建设中运用?配料法?（Ingredients-Based Methodology）技术制作暴雨落区预报，取得了初步成效。该项技术在本课题中的应用对暴雪预报准确率的提高也是有益的尝试。
电线覆冰研究始于1932年的美国，挪威、日本、加拿大等国陆续开展了覆冰形成气象条件及覆冰量与气象要素间的关系研究，建立了短期覆冰观测资料序列延长的覆冰气象模式。
国内对输电线路覆冰的研究始于20世纪50年代，西南电力设计院等单位对覆冰形成的气象条件、覆冰量与气象要素间的关系进行了研究，但覆冰气象模式的研究仍处于初期探索阶段；李林等对青海省
祁连山脉东段电线覆冰与各主要气象因子的关系进行了研究；谢运华对三峡地区的覆冰观测提出了有效覆冰时间、覆冰参数等气象要素变量及其组合参数的确定方法，并建立了冰重与气象要素之间的定量关系。通过理论模型来预测雨淞覆冰荷载的研究工作已进行50多年，刘和云等通过对使用气象数据的导线覆冰计算公式和模型（Imai模型、Lenhard模型、Goodwin模型、Clmiae模型和Makkonea模型）的比较研究，提出了一种相对简单的覆冰预测模型。目前国内外常用的模型之间的区别主要在于假设的前提条件和影响覆冰因子的选取两方面，直到现在各种模型还处于发展之中。此外，对地形地貌、海拔高度、电场硬负荷电流等对覆冰影响的研究也取得了一些成果，这些研究成果是本课题进行深入研究的基础。
20世纪70年代以来，各国气象、水文学家开展了用于水文、气候研究的积雪模型研究。Anderson等发展了考虑积雪本身变化过程的、用于水文学研究的复杂积雪模型；Loth、孙菽芬、陈海山等从气候研究角度出发在复杂积雪模型的基础上建立了中等复杂程度的复杂积雪模型，在这些用于水文气候研究的模型中，雪覆盖层以中高纬度的积雪作为研究对象；娄伟平、吴利红、赵慧娟等根据能量守恒原理，考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射、潜能、感热传输以及下垫面的热传导等能量之间的平衡，并考虑雪层中的温度分布，建立了一种应用气象站观测数据进行积雪表面温度和深度预测的模型。本课题则着眼于地面积雪过程物理机制的试验成果，从降雪量、气温、地形、风向、风速(风力)、植被等对积雪分布有一定影响的因子出发，
根据实验得出的数据和方程，通过雨雪量定量预报计算地面积雪深度。
2.课题申请单位及主要参与单位研究基础（已有的研究开发经历，科技成果、科研条件与研究开发队伍现状等）
课题组织单位武汉中心气象台拥有一批长期从事灾害性天气预报研究的技术骨干，具有较强的研究基础和专业技术基础，其中正研级高工4人，博士1人，有一支熟悉天气动力、计算机软件研发的队伍。
在多年的科研业务工作中，武汉中心气象台在科研上取得了大量科研成果，累计共取得各类科研奖励60余项，1998年以来获省（部）级以上奖励的科研成果11项。近两年武汉中心气象台还先后组织或参与合作课题10余项，其中?长江中游气象水文预报服务系统研究?、?区域暴雨定量监测与短时预警报业务系统?、?长江流域面雨量预报系统研究?、?气象卫星在强降水预报业务中应用研究?等区域级项目都取得了丰硕的成果。
四、任务分解与考核指标
1.课题研究内容、技术路线和创新点
1.1研究内容
1）冰雪天气月趋势预测方法研究
2）暴雪预报预警方法研究
3）低温和雨雪定量预报方法研究
4）电线覆冰和道路结冰定量预报方法研究
5）地面积雪深度定量预报方法研究
6）冰雪天气预测预警应用系统
1.2技术路线
1）冰雪天气月趋势预测研究
根据气象台站的气象要素，分析冰雪灾害天气的气候特征，确定冰雪灾害天气指标，并将其作为预报对象，分析冰雪灾害天气与前期大气环流、海洋热力状况的关系，有针对性地选择预报因子，利用数理统计方法、动力统计方法、动力学方法和人工智能等方法进行预测方法研究，最终实现冰雪灾害月趋势预报。
2）暴雪预报预警方法研究
基于强降雪天气发生、发展的物理机制，分析强降雪发生过程中气象要素、热力学及动力学因子等演变趋势，采用?配料法?技术，结合过去已有的预报经验指标，实现1-3天24小时段点对点暴雪落区预报。
3）低温和雨雪定量预报方法研究
在多元线性回归技术基础上，利用MOS方法，研究最低气温与预报因子之间的定量统计关系，建立相关预报方程，实现1-7天24小时段低温定量预报。
以T213、AREM、日本、德国等数值预报产品为基础，用灰色关联度分析预报因子与雨雪的相关程度，采用灰色系统理论GM（0，h）模型，建立雨雪定量预报方程。
4）电线覆冰和道路结冰定量预报方法研究
基于第一课题电线覆冰、道路结冰理论模型研究，分析电线覆冰、道路结冰与气象因子的关系,以客观预报产品为基础，提供我国南方电线覆冰和道路结冰定量预报产品。
5）地面积雪深度定量预报方法研究
基于第一课题中对道路积雪模拟试验成果，结合雨雪、气温定量预报结果，研究历史样本同气象要素的统计关系，实现道路积雪深度的定量预报。
6）冰雪天气预测预警应用系统
基于软件开发技术，结合现有MICAPS3.0业务平台，集成冰雪天气月趋势预测、暴雪预报预警、电线覆冰和道路结冰以及积雪深度定量预报成果，形成冰雪天气预测预警应用系统。
1.3创新点
1）基于?配料法?原理，结合数值预报和大气物理量诊断产品，建立中国南方暴雪预报模型；
2）基于电线覆冰、道路结冰以及地面积雪深度理论模型研究，建立电线覆冰、道路结冰以及地面积雪深度定量预报模型。
2.主要技术指标（如形成的知识产权、技术标准、新技术、新产品、新装臵、论文专著等数量、指标及其水平，与国内外同类技术或产品的竞争分析，满足项目所依托的重大工程建设或重大装备研制的需求情况等）
通过上述开发研究，我国南方雨雪冰冻灾害天气预见期可有效延长，预测、预报、预警准确率提高5%。提供电线覆冰、道路结冰、地面积雪深度定量预报，及时向政府、部门、公众提供预报预警信息，为防灾、抗灾、减灾、避灾提供科学的决策依据。公开发表论文3～5篇，其中核心刊物2篇以上，其科研成果达国内同类研究先进水平。
3.主要经济、社会、环境效益（如技术及产品应用产业化前景，在课题实施期内能够形成的市场规模与效益，对保障国家安全、促进社会可持续发展及提升我国相关产业竞争力的作用等）
课题完成后将从长期、中期、短期等方面开展我国南方冰雪天气的专项服务，可提供从冰雪天气月趋势预测到暴雪短期预报预警等多方面的精细化预报产品，及时为政府部门提供决策信息，最大限度地减轻自然灾害损失，并且随着研究的不断深入发展，预测预报水平将得到进一步改善。
另外，课题还将专门针对低温雨雪造成的电线覆冰、道路结冰、地面积雪等冰雪衍生灾害开展专项研究和服务，减少因电线覆冰、道路结冰、地面积雪等导致的电力、交通安全事故；同时也可为电力设施、公路建设提供设计参考依据。
课题完成后也可为其它区域性气象灾害预测、预报、预警项目的建设提供经验和示范，同时课题成果可向南方各省进行推广应用。4.课题实施中可能形成的示范基地、中试线、生产线及其规模
本课题研究成果在武汉中心气象台实现业务化应用，并在应用改进成熟后向南方各省市推广。
5.人才队伍建设
通过本课题研究，培养和造就一批我国南方冰雪天气趋势预测、暴雪预报、数值预报解释应用、冰雪衍生气象灾害预报等方面的专业技术人才。
6.其他应考核的指标
无。
五、经费预算
1.课题总投资预算、各项任务经费分配及分年度经费需求
●项目总投资预算240万元，其中：国拨经费240万元。
●各项任务经费分配
1）冰雪天气月趋势预测方法研究：50万元
2）暴雪预报预警方法研究：50万元
3）低温和雨雪定量预报方法研究：40万元