风压平衡关系对高分辨率区域模式地面资料同化的影响分析

随着模式分辨率的提高,数值模式可分辨的短波信息增加,以地转平衡为基础的风压平衡约束关系不能完全满足低纬度地区及对流尺度高分辨率模式资料同化的需求。提出了基于多重网格方法构建1 km分辨率数值模式变分同化风压平衡约束关系的方案,基于CMA-MESO (China Meteorological Administration Mesoscale Model)三维变分(Three-Dimensional Variational Data Assimilation,简称3DVAR)和1 km分辨率中尺度区域模式开展了单点同化试验和典型个例分析。单点同化试验表明,气压和风的同化结果在没有平衡约束关系条件下比线性平衡约束下更接近观测。地面自动气象站观测资料同化试验表明新风压平衡约束关系将明显增加模式低层几十千米尺度的分析增量,其次是增加100—200 km尺度的分析增量。新风压平衡约束试验的同化分析增量相对于线性平衡约束的对照试验可以给出更多的增量中心位置,更好描述低层水汽辐合,对模式初始0—3 h降水、0—6 h地面10 m风和地面气压的模拟有改进。研究表明在大尺度风压平衡约束的基础上增加局地无风压平衡约束的订正,可以提高对流尺度天气系统地面短波信息的同化能力,改进高分辨率模式短时临近预报。

2种多普勒雷达风资料同化效果的比较

基于Grapes模式及其三维变分同化系统(Grapes-3DVar),采用同化背景切向风联合雷达径向风和“视风速”联合雷达径向风的2种不同方法,对2006年登陆台风“碧利斯”进行数值试验,研究同化效果的差异。结果表明:2种同化方法都能改善模式初始场,使模式模拟的24 h降水更合理。“视风速”联合雷达径向风同化比背景切向风联合雷达径向风同化所获得的同化风场风速增量更大,而且“视风速”联合雷达径向风同化所获得的降水强度也更大。

综合观测试验中的激光测风雷达探测性能分析

基于2019年6、7月广州超大城市综合观测试验中的地面资料,激光测风雷达、风廓线雷达资料以及广州S波段双偏振雷达资料,对WindPrint S4000型激光测风雷达和风廓线雷达进行观测对比,并尝试在不同降水强度条件下对激光测风雷达的探测性能进行综合评估分析。结果表明:激光测风雷达与风廓线雷达在非降水时段和非强降水时段观测性能一致性较好,能很好地捕捉到天气系统过境期间边界层低空风场的变化特征,但相比较而言,激光测风雷达成本更低,更加便捷高效,选址选点较为容易,更加符合大城市观测加密布网的需求;激光雷达的探测高度与降水量和降水强度均相关,但与降水强度关系更加密切,即当降水强度增加时,激光雷达的探测高度总体呈下降趋势,且当发生S波段双偏振天气雷达反射率因子达到50 dbz以上强度的降水时,激光测风雷达与风廓线雷达一样无法进行常规观测。

多普勒雷达风场信息变分同化的试验研究

文中试验研究了一个在三维变分框架中直接同化多普勒天气雷达信息,获取雷达覆盖范围内大气风场的技术方案。径向风速是多普勒天气雷达数据中可直接被三维变分同化系统用来反演大气风场的唯一信息。由于风矢量有二或三个分量,径向风速作为风矢量的一个分量,不能为反演风矢量提供足够的信息。如果三维变分同化系统仅仅同化径向风速,所存在的不确定性将可能会给所反演的风场带来错误。文中提出的方案,不仅同化雷达径向风速,还同化雷达回波的移动信息,其关键是将雷达回波强度时空变化转换成一个新的雷达观测变量———雷达“视风速”。由于“视风速”是包含风场信息的变量,这在三维变分同化系统中增加了风场探测信息。通过联合利用“视风速”和径向风速,由单一径向风速确定风矢量所带来的不确定性可以被克服。使用中国气象科学研究院数值预报研究中心开发的三维变分同化系统(GRAPES-3Dvar)和广东省新一代天气雷达的监测资料进行了实例试验,结果表明本技术方案能够对获取大气系统结构是有用和有效的,也可用于形成模式初始场,这对中尺度天气预报是有作用的。

雷达TREC风的三维变分同化应用与试验

介绍了雷达TREC风场在中国气象科学研究院开发的三维变分同化系统GRAPeS-3DVar中的应用,研究了GRAPeS-3DVar系统同化雷达TREC风场资料的一些基本特性,发现雷达TREC风场在GRAPeS-3DVar中有较好的应用价值,能有效地提高分析产品的质量,并通过一个热带气旋登陆变性过程的数值试验,说明了在GRAPeS-3DVar中加入雷达TREC风场也能改善预报效果。

南岭局地小地形背风坡增雾作用的分析

对南岭地区乐昌站和乳源站1968—1998年31年的雾日气候资料进行了统计分析,对比分析发现,在背风坡雾产生的日数明显较多,即南岭地区存在显著的小地形背风坡雾现象。同时,利用CSU-RAMS中尺度数值模式进一步研究局地小地形背风坡雾的作用,模拟结果表明,小地形动力作用对背风坡雾有重要影响。

曲率修正线性平衡方程及其在变分同化风压约束中的应用

针对强涡旋系统(热带气旋、一些中尺度系统)变分同化分析中风压平衡约束关系的特点,提出了一个新的风压平衡约束关系——曲率修正线性平衡方程,它具有形式与线性平衡方程相同,并清晰地包含了曲率的作用,同时,当曲率较小时可退化成线性平衡方程。曲率修正线性平衡方程能方便地应用于中国数值预报研究中心开发的三维变分同化分析系统Grapes3DV中,试验结果证明其具有较好的效果和较理想的特性,提高了分析质量,并改善预报水平。

一个与卫星TBB相匹配的人造台风构造方案

在台风数值预报中需要重点考虑的问题是初值条件,特别是人造台风的构造(typhoon bogusing)在当中起着重要作用。一个新的人造台风构造方案被提出,该方案在初值中引入了较真实的台风结构,尝试利用卫星探测TBB资料来改进人造台风中对流加热的分布,确定与卫星TBB协调一致的人造台风径向环流场,这能改善风-压平衡,使得模式对强加入的人造台风更协调。

TOVS中热带气旋结构及其在数值预报中的应用

利用TOVS资料分析了2000年几个热带气旋的结构,发现与经典概念模型所描述的结构有一定的差异,主要表现在:（1）在水平结构上,非对称结构呈多样性,高度场的低层低值中心（或高层高值中心）与温度场的高值中心并不一定重合;（2）在垂直结构上,高度场的低层低值距平与高层高值距平的配置也呈多样性,特别是存在上、下层距平中心倾斜,或高层只是处于高压区的边缘,不存在明显的高值距平中心与热带气旋相对应。 还参照TOVS中的热带气旋结构,进行了修订热带气旋数值预报模式系统中人造台风模型（台风BOGUS）结构的研究,发现修订后的台风BOGUS能够更好地与环境场协调,并且能对热带气旋的路径预报取得较好的效果。这一方面说明了台风BOGUS的结构对其路径预报有较大的影响,另一方面也说明利用TOVS资料中的热带气旋结构能改善热带气旋路径预报。这也为台风BOGUS的修订和发展提供了依据。

海洋气象观测系统在热带气旋资料同化中的应用

在分析南海海洋气象观测现状和发展规划的基础上,发现有必要发展合适的资料同化技术,提高资料利用效率,才能克服海洋气象资料相对缺乏来提升数值预报水平。利用多尺度/分块逐批资料同化技术,进行热带气旋资料同化试验。结果表明:多尺度/分块逐批资料同化技术能够适应具有多尺度特征的热带气旋资料同化,较好地满足热带气旋资料同化对流依赖背景误差协方差同化技术的要求,能够较合理高效地利用海洋气象观测资料。基于多尺度/分块逐批资料同化技术,加强海洋气象观测系统的应用,是形成高质量热带气旋初值环流的一种有效途径。

CSU－RAMS模式在区域气侯模拟中的应用

将ＣＳＵ－ＲＡＭＳ（中尺度）数值模式改造成“区域气候数值模式”以及进行区域气候数值模拟的试验研究。说明将有限区域中尺度数值模式与ＧＣＭ模式嵌套应用到区域气候数值模拟研究上能够取得有意义的结果。它能在一定程度上改善ＧＣＭ模式的不足。可以更为细致地描述大气环流的变化特征，是了解区域气候变化的有效方法之一。

月尺度区域气候数值预测试验

将９层全球气候谱模式（ＧＣＭ）与ＣＳＵ－ＲＡＭＳ中尺度数值模式嵌套，进行了月尺度的短期区域气候预测试验。结果表明：ＧＣＭ模式的集合预报能够反映较大尺度的平均环流；在此基础上，被嵌套的ＣＳＵ－ＲＡＭＳ中尺度模式能够得到更为细致的区域环流特征以及它的短期气候尺度的演变。ＧＣＭ模式与中尺度模式相结合的“区域气候数值模式”是了解短期区域气候变化的有效方法之一。

用ECMWF数值预报产品作热带气旋路径预报的业务系统

以欧州中心数值预报产品为基础，采用ＥＥＯＦＳ展开选取“典型场”作为数值预报产品的信息，以统计释用方法研究建立的，可以应用于南海区的热带气旋路径业务预报方法。该方法于１９９４年台汛期参加由广东省气象局主持的“关于热带气旋预报业务预试验项目”，进行了９个台风的共１４次预报试验，平均误差２４ｈ为１８７ｋｍ。

热带气旋外围环流中次天气尺度系统及其与天气尺度系统相互作用的诊断分析

本文应用带通滤波的方法,分离出热带气旋外围环流中的天气尺度和次天气尺度系统。发现热带气旋外围强降水与低层次天气尺度系统的辐合关系相当密切。文中还计算了两种尺度系统间的动能和涡度转换。得出:在650hPa以上基本上是天气尺度系统向次天气尺度系统提供动能,在650hPa以下基本上是次天气尺度系统向天气尺度系统提供动能,整层积分的结果是天气尺度系统向次天气尺度系统提供动能。在900hPa和400hPa之间的涡度转换为次天气尺度系统向天气尺度系统转换,即涡度转换的结果是使得次天气尺度系统气旋性减弱,天气尺度系统气旋性增强。900hPa以下和400hPa以上则相反。整层积分的结果是次天气尺度系统向天气尺度系统提供正涡度。

一个确定大气近地层湍流输送的计算方案

在相似理论的基础上，提出了一个确定大气近地层湍流输送特征（包括气象要素风、温度的垂直分布廓线，以及大气和下垫面之间的动量和热量通量交换）的计算方案。并与Ｂｕｓ－ｉｎｇｅｒ（１９７１）的迭代计算方案进行了比较，该方案计算结果较好，应用方便。

气象遥感资料变分校准方案改进及应用试验

针对常见气象遥感资料变分校准方案的不足,提出了一个改进方案。该方案不需要将校准参照量插值到遥测资料的格点上,既避免了对稀疏的校正参照量进行客观分析的困难,也避免了校正参照量稀缺区域不准确插值分析带来的不利影响,使遥感资料的整体偏差得到修订的同时,能够更好地保持遥测资料的空间分布形态不变。利用国家卫星气象中心通过9210下发的ATOVS反演产品进行了试验,结果表明改进方案校准效果好;并将校准后的ATOVS反演资料用于Grapes三维变分同化系统,应用试验表明校准后的ATOVS反演资料在三维变分同化系统中具有应用价值。

南海热带气旋数值预报模式与全球谱模式的嵌套试验

分析了各嵌套变量的作用和效果，发现采用部分变量嵌套就能取得一定效果，各变量的作用也不完全相同。这样，可以选取作用大、质量好、易处理的变量进行嵌套。并相应地提出了一个边界嵌套处理方案，应用于南海热带气旋数值预报有限区模式（ＴＬ１０）与全球谱模式（Ｔ６３）的嵌套过程中。通过数值预报试验，表明采用该嵌套处理方案能够取得良好的效果。

局地自适应多级模式降水预报

介绍了一个局地自适应多级模式降水预报系统，以及各级模式对1998年6月9日降水的预报结果,并相互比较。预报结果是：广州区域中心业务模式（75 km水平格距）较好地反映了这次降水过程，依托其上的局地各级模式（分别为25 km、5 km水平格距）能够逐级进一步细致地描述降水过程的空间和时间的分布。这表明自适应多级模式是局地降水预报客观、定量化的有效方法。结果也有利于实际预报人员进一步了解各级模式性能，以便更合理有效地应用数值模式所提供的信息。

南岭大瑶山高速公路浓雾的宏微观结构与能见度研究

南岭山地地处南亚热带湿润型季风气候区,每年9月至次年5月有华南准静止锋活动时均会有浓雾发生,每月浓雾日可高达15—18 d,尤其是中国目前最长的京珠高速公路通过南岭主脉大瑶山的乐昌—乳源段,路面海拔高度从200 m增至800多米,山地的抬升使雾害更加严重。在南岭大瑶山高速公路开展的两次多学科综合野外观测,内容包括目测能见度、器测能见度、雾滴谱、雾含水量、系留探空、双参数低空探空、雾层湍流扩散、气溶胶粒子谱、气溶胶成分谱、雾水样品成分、雨水样品成分。对典型个例进行了天气学分析,雾的宏观结构特征分析,雾的微物理特征分析。认识到南岭山地浓雾发生频率高,雾害十分严重,是典型的平流雾和上坡雾,实质上是出现在相对较高海拔高度上的低云,与华南锋面活动尤其是华南准静止峰的活动密切相关,局地地形的作用也非常重要。其特点是浓雾持续时间长、能见度极其恶劣、团块结构明显、雾滴尺度大、浓度不高、含水量较大、雾层内的湍流扩散能力比晴空区强,与中国过去研究较多的辐射雾差别较大。发现雾含水量与能见度呈明显的反相关关系,含水量较大时能见度较小;南岭山地雾含水量等微结构特征量的起伏变化,除与雾体本身的结构不均匀有关外,一个重要的原因是平流因素的影响,南岭山地下垫面的不均匀性,雾体随环境风的平移过程中,不规则的爬坡、翻越山坡的运动是造成雾体结构不均匀、振荡起伏变化的另一个重要原因。该地气溶胶粒子谱是呈单调下降的幂函数谱,次微米粒子浓度甚高,南岭山地气溶胶中含有高浓度的硫酸盐粒子,是优质凝结核,有利于雾的形成。雾的存在可以清除大气中的微量成分,雾滴可以包含浓度很高的污染物成分。同时,较之云滴而言,雾滴也很容易被地表物体(如植被、建筑物等)的垂直表面所截获,构成另一类清除过程。在南岭这样的大面积森林地区,这类清除过程可能是很重要的。研究本地区雾的特征变化,对建立本地区雾的预警预报系统有很大的现实意义,并为开展消雾试验提供了基本资料。

城市气候效应研究进展

城市是人类社会发展的必然产物。随着城市的快速发展,城市气候效应凸显,并对社会经济可持续发展和人体健康等造成影响。基于国内外已有的研究成果,综述了城市气候效应,包括城市热岛效应、雨岛效应、混浊岛效应、干岛效应和雷暴岛效应的研究历史、现状及其与城市化、天气气候变化的相互关系,并对未来城市气候效应的研究方向及技术方法进行了展望。