植被覆盖度增加对辽宁地区气温变化的影响研究

植被覆盖度(Fractional Vegetation Coverage,简称FVC)是陆面参数中重要的参数之一,植被覆盖度变化直接影响地表能量的再分配进而影响区域乃至全球气候变化,研究植被覆盖度增加对区域气候的影响对未来区域气候变化的预估具有重要意义,这对适应和缓解全球气候变暖至关重要。本文利用2001~2018年中分辨率成像光谱仪(MODIS)产品的植被归一化指数(Normalized Difference Vegetation Index,简称NDVI)数据制作植被覆盖度,在辽宁地区分别进行了WRF模式默认植被覆盖度和实际植被覆盖度的长时间(2001~2018年)模式模拟试验,结论如下:(1)辽宁地区因植被覆盖度增加全省年平均气温降低了0.48℃,其中夏季降温幅度最大,降温0.71℃,春、秋两季平均降温0.35℃和0.66℃,冬季降温幅度最小0.2℃。植被覆盖度增加对日最高、最低气温也有明显的降温作用,其中日最低气温对植被覆盖度增加的响应大于最高气温,且植被覆盖度增加与气温降温的空间分布具有较好一致性。(2)2001~2018年年均和四季植被覆盖度的显著增加对年均和四季平均气温、日最高气温、日最低气温均有降温趋势,尤其是对日最低气温降温作用更明显。(3)植被覆盖度增加导致气温降低的主要原因是由于蒸散发的增加导致潜热通量增加,感热通量减少;而对于日最低气温降低,主要是由于植被覆盖度增加导致地表温度降低进而引起夜间向上长波辐射减少。总体而言,植被覆盖度增加越多降温效果越明显,进而减缓辽宁省气候变暖。

2005年AREM模式汛期试验结果评估分析

AREM2.3模式2005年在中国气象局武汉暴雨研究所汛期试验过程中计算稳定,计算了该模式降水预报的分区域(长江中下游、华南、华北、东北、西南、湖北省)汛期(6、7、8三个月)TS评分,全国范围汛期漏报率、空报率、预报偏差,及各区域年内重要降水过程预报和实况的对比及TS评分,计算该模式形势场预报的平均误差、均方根误差、倾向相关系数、误差标准差,并与持续性预报(将前一天的分析场当作前一天对当天的预报场,以此类推)对比,以此对模式预报效果进行分析、评估,并做出总结,为模式的进一步开发和应用提供参考。分析结果表明:AREM2.3模式在2005年汛期试验期间48小时内预报稳定;对于长江中下游、华北、华南、东北、西南、湖北省以至全国范围均有较好的预报水平,但总体上对于强降水中心位置的预报情况不是很好;模式对于高空形势场也具有较好的预报能力,对500hPa位势高度的预报好于对500hPa温度的预报。

2009年我国汛期降水形势总结与三个常用模式预报效果检验

利用实况24小时降水、形势场资料及T213、T639、Japan模式降水、形势场的预报资料,对2009年汛期(5—9月,下同)中国降水时空分布进行分析,并对T213、T639、Japan三个常用模式对2009年汛期的天气形势、降水及其影响系统的预报做主客观检验,以期得出2009年汛期降水分布特点及三个模式的降水预报效果对比。结果表明:(1)2009年汛期华南地区降水量为全国之最,长江中下游和西南东部地区其次,东北和华北地区再次。(2)从TS评分看,Japan模式的小雨～大雨量级评分较高,T639模式暴雨～大暴雨量级评分较高;T213模式对华北地区暴雨、大暴雨量级降水预报评分高于Japan和T639模式。(3)从降水预报偏差看,T213模式对华北预报明显偏强,T639模式对华北预报强度较为适中,两模式对其他区域中等以下强度降水预报偏强,对强降水预报偏弱;T639对中等以下强度降水预报偏强程度明显小于T213,而对强降水除华南和东北区域外,预报偏弱程度明显大于T213;Japan模式预报偏差随降水量级增大而减小,对大雨以上各量级预报均明显偏弱,且偏弱程度明显大于T213、T639。(4)由代表性形势场预报检验结果可知,除T213对500 hPa高度场、850 hPa温度场预报效果好于其他两模式外,各模式预报效果相差不大。(5)三个模式对500 hPa副高总体预报偏东、偏北、偏强,但Japan预报效果明显好于T213、T639。(6)T639模式对台风和低涡的预报相对较好,T213较差。

三个模式对2008年夏半年西南区降水预报效果的检验

利用AREM（-YWand SY）、T213L31、JAPAN三个模式对2008年夏半年（5~11月）西南地区（25°~34.5°N,97°~110.5°E）降水预报进行了统计检验,并对其中两次强降水过程的预报效果进行对比分析,以期了解各模式在西南地区的预报效果及特点,结果表明：（1）小雨-大雨量级JAPAN模式预报情况较好,暴雨量级T213L31、JAPAN、AREM均预报较好,大暴雨量级AREM-SY模式预报较好。（2）对西南地区的降水预报,T213L31预报偏强情况较多,AREM预报偏弱情况多,JAPAN预报相对适中。（3）在西南地区,当降水陡增（即实况降水量较前一天大一个量级以上,且雨量比前一天多5 mm以上）和其后强降水持续阶段,是各模式预报偏弱情况最可能发生的时期,同时也是各模式预报效果较差的时段。（4）三个模式在青藏高原东南缘地区均有降水空报现象,AREM模式的降水空报与其在此处存在低涡空报有关。（5）对于西南低涡这一尺度小、结构复杂的特殊天气系统,当前模式对其强度、位置和诱发的强降水预报效果仍有待提高。

一次强梅雨暴雨过程的数值模拟和伴随的中尺度系统分析

利用PSU/NCAR的中尺度非静力数值预报模式MM5,采用高分辨率套网格方案和适当的物理过程,对2002年7月22日08时到23日08时的一次强梅雨暴雨过程和伴随的中-β尺度系统进行了数值模拟,模拟结果很好地描述了本次暴雨降水的时空分布及相伴随的中-β尺度系统的发生发展过程。试验结果表明,梅雨切变线上出现的一串中-β尺度系统是此次暴雨的直接影响系统;高空中尺度辐散系统的存在和变化方式对中-β系统的发展有重要的影响;中低层中尺度涡旋的形成会导致尺度更小的强冷暖平流的出现,从而进一步激励中尺度系统自身的斜压发展;降水潜热对暴雨的发展和维持也有重要的反馈作用。

梅雨锋上中尺度涡旋与高低层流型演变的关系

利用PSU/NCAR中尺度非静力数值预报模式MM5,对2002年7月22日08时到23日08时的一次强梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟研究,模拟结果很好地描述了暴雨的时空分布及相伴随的中-β尺度系统的发生发展过程。进一步分析得出中-β尺度系统的发生发展条件及各生命史阶段高低层流型特征及其配置情况。

2012年东北地区重大天气过程WRF模式预报效果检验

利用东北区域实况24 h累积降水资料,应用与国家气象中心建设并使用的全国业务区域模式统一检验平台一致的检验方法,采用WRF V3.3.1模式对东北地区2012年4次大暴雨过程、两次暴雪过程的预报效果进行了客观检验及统计分析,并与JAPAN模式和T639模式进行对比分析,结合主观检验,对WRF模式在东北地区的预报性能进行评估。结果表明:2012年东北地区6次强降水过程WRF模式预报效果与JAPAN模式、T639模式基本相当,即有较稳定且较高水平的预报能力,加之其中尺度模式较高的时空分辨率,因此在天气预报领域有重要的使用和研究价值。2012年东北地区6次重大降水过程,WRF模式对降水的位置及时间演变趋势预报均较好,对主降水带的位置及强度预报效果总体一般,在对主降水带位置与强度预报效果较好的前提下,其对于暴雨中心的位置预报效果也较好。与T639模式和JAPAN模式相比,WRF中尺度模式的主降水带形态刻画更细致,对强降水中心的位置和范围预报较明确,且在主降水带位置与强度预报效果较好的前提下较可靠,WRF中尺度模式的这一优点,对目前精细化预报有重要意义;客观检验并不能完全说明模式的预报效果,WRF模式预报效果的检验和模式预报水平的说明,必须结合主观检验,且需从多角度进行全面考察;WRF模式对1215号台风路径及台风暴雨过程预报均与实况基本吻合(尤其是36 h和24 h预报),说明WRF中尺度模式对台风系统及其诱发的暴雨过程有较好的预报能力。

辽宁夏季降水时空分布特征及其成因分析

利用国家气象信息中心提供的2008—2013年6—8月中国自动站逐小时降水资料与CMORPH(CPC MORPHing technique)卫星反演降水资料融合生成的逐小时融合降水产品(0.1°网格数据集)和2001—2012年6—8月的NCEP 1°×1°再分析资料,对辽宁省夏季降水时空分布特征及其成因进行了较为深入统计、分析,结果表明:(1)辽宁省平均日降水频率的大值区位于辽东地区,这与该地区位于千山—龙岗山山区和夏季低层盛行偏南风密切相关。(2)辽宁地区平均小时降水率大值区也分布在辽东,辽东南为大值区的中心,主要原因为其一,该地区位于中低层比湿场的湿舌处,其二,该地区夏季中低层盛行的西南风遇千山—龙岗山被迫抬升形成中低层上升速度中心。(3)辽宁省降水日变化特征明显:辽西山区、辽宁西北部、辽东—东南部山区为午后到前半夜降水峰值频发区,而中部平原地区、南部沿海地区为凌晨降水峰值频发区。(4)地理环境决定的局地热力、动力过程和天气系统同时影响日降水峰值发生时间,当天气系统较为稳定的处于发展初期和后期时,其影响区域内降水日变化符合前述规律,但当天气系统明显发展或移动,其影响区域内日降水峰值多数发生在该时刻附近。(5)降水日变化规律与天气类型关系不是很大,即在各类天气系统诱发的降水过程中,由地理环境决定的降水日变化规律均存在。(6)辽宁地区西部山地高原、中部平原、东部山地丘陵、南临海洋的独特地理环境决定的局地热力、动力环流及夜间到凌晨加强的由海到陆的西南风暖湿气流是其降水日变化特征的产生的主要原因。

辽宁暴雨的日变化特征及其成因分析

利用长时序(1961—2012年)的辽宁省夏季逐小时降水观测资料、2008—2013年CMORPH(中国自动站与NOAA气候预报中心morphing技术融合的逐时降水量0.1°网格数据)夏季逐小时降水资料、2000—2012年NCEP再分析资料以及高分辨率中小尺度数值模式WRFV3.3.1,对辽宁暴雨日变化规律进行了统计,并对其形成机理进行了分析和数值试验,结果表明:(1)辽宁省内陆地区基本为午后降水(暴雨)峰值,沿海地区基本为午前降水(暴雨)峰值,内陆平原站点凌晨到午前有次峰现象发生。(2)辽宁降水日变化特征与地理环境关系密切,内陆地区午后降水峰值、沿海地区午前降水峰值的主要原因是大兴安岭—内蒙古高原山区、东北平原、海洋三大地形热力性质的不同而诱发的局地环流日变化。内陆地区午后—夜间降水峰值由山地—平原局地环流上升支诱发,沿海地区凌晨—午前降水峰值现象由海—陆局地环流上升支诱发。(3)对内陆站点做去除大地形试验的数值模拟试验表明,去除大地形对于日累积降水量无明显影响,但对内陆站点的降水日变化有影响,去掉地形后,内陆站点降水峰值发生时间基本均明显提前至正午前后且峰值雨量均明显减小;沿海站点做海洋改陆地数值模拟试验结果表明,海洋改陆地试验对于日累积降水量也无明显影响,但对沿海站点降水日变化有影响,海洋改为陆地后,沿海站点降水峰值由午前变为午后至夜间。数值试验结果进一步说明山地、海洋大地形是诱发辽宁降水日变化规律形成的主要原因。

AREM模式对0604、0605号台风的预报分析

对2006年7月中下旬由西太平洋地区生成,登陆我国,并对我国造成严重影响的强热带风暴"碧利斯"(0604号)和台风"格美"(0605号)的基本情况做了详细的总结,并基于武汉暴雨所AREM(Advanced Regional Eta Model)模式预报的700hPa流场、900hPa风场及降水量场,就模式对台风登陆时间、登陆地点、移动路径及其引发的附近最大风力和降水过程的预报情况做了分析。结果表明:"碧利斯"达强热带风暴强度,于7月14日12:50在福建霞浦登陆,后西行,造成位于21°N以北、28°N以南东西向的带状雨区,"格美"为台风强度,于7月25日15:50在福建晋江围头镇登陆,后西行,造成华东南地区近西南-东北走向的雨带,两台风给沿途及附近省份造成严重的气象灾害和人、财损失;AREM模式总体上对两台风附近最大风速,风雨带的基本位置、形态、走势、强度预报较好,对一些强降水中心的预报较为理想,但多数强中心的预报与实况存在位置和强度上的偏差;模式对于台风登陆时间和地点的预报较好,偏差较小,对于两台风西行走势的预报也基本符合实况,但也存在一定的预报位置偏差。

2001—2010年辽宁区域性暴雨阶段性特征

利用辽宁自动气象站逐小时降水资料和1°×1°NCEP资料,对2001—2010年汛期共25次辽宁暴雨过程进行分析,以期得到暴雨过程时间分布特征和典型影响系统。结果表明:25次辽宁暴雨过程中有7次为阶段性暴雨即两段持续性暴雨过程中间有明显的降水减弱与天气系统转换,占总数的28%;辽宁暴雨过程高层(以200 hPa为代表)主要影响系统为高空急流,中层(以500 hPa为代表)主要影响系统92%为高空槽(其中57%为高空槽与副热带高压共同影响),低层(以850 hPa为代表)诱发系统88%为气旋(或倒槽)顶部(或东部)切变线、12%为鞍形场切变。阶段性暴雨过程两阶段的高中层影响系统基本一致,高层影响系统均为高空急流,中层多为副热带高压和高空槽的共同影响、少数仅受高空槽影响,在低层,阶段性暴雨过程均伴随着低层要素场(特别是风场)的调整,导致低层天气系统的转换或强度的变化,低层要素场的调整阶段即为阶段性强降水的间歇期;阶段性暴雨过程在天气系统的配置及时段长度方面无明显特征,即在暴雨过程发生初期,从这两方面均无法判断该暴雨过程是否将发展为阶段性暴雨。25次辽宁暴雨过程中,丹东本溪地区17次降水有陡增现象,这与丹东、本溪地区处于长白山东南部和丹东地区东南侧临海有密切关系。

天气系统预报效果的量化检验方法及应用

对中国天气过程进行了分类,并介绍了一种针对模式对于降水及各种天气系统预报效果的天气学检验方法,将此方法应用于AREM模式对2007年降水个例预报及2005—2007年汛期天气过程的批量预报检验,得出结论如下:(1)此天气学检验方法能够对各类天气系统及降水进行有效的检验,(2)对于中国典型高空槽类降水,AREM模式总体上对高空槽预报较为稳定、强度接近实况,对降水预报稳定性相对较差、强度偏弱,槽预报的较好(差)与降水预报的较好(差)不完全对应,(3)对于梅雨锋类降水,AREM模式对副高预报总体偏西、偏北、偏强,对高空槽、降水预报均总体偏弱,副高预报的较好(差)对应降水预报的较好(差)。

AREM模式预报体系对2010年5月我国南方连续暴雨过程预报效果评估

对AREM模式预报体系各成员2010年5月我国南方连续性暴雨过程的预报效果和预报特点进行了详细分析。结果表明:AREM模式预报体系各成员对此次过程的预报效果较好,且各具优势:业务模式对主雨带位置、范围有较好的预报效果;快速更新循环预报系统具有提供短时临近预报的优势;集合预报系统的降水集合平均和概率预报的有机结合能够为主雨带及其降水中心的预报提供较有价值的参考依据。

不同背景场条件下AREM模式预报效果评估分析

分析了2005年6月1日至11月31日以T213分析场为背景场和以AVN(Aviation)分析场为背景场条件下AREM(Advanced Regional Eta Model)模式降水预报效果,并对两分析场计算日平均偏差和均方根标准差,分析偏差分布、总结两者之间的差别。结果表明:AREM模式在其他条件完全相同,分别使用两种分析场做背景场条件下,出现了降水预报效果的较明显差异,总体上以AVN分析场为背景场条件下AREM模式的预报效果好于以T213分析场为背景场;对两分析场进行统计学对比,发现两分析场在高度、温度和相对湿度3个要素上存在较大的差异,两分析场在新疆北侧的西伯利亚、内蒙古东北部及俄罗斯东南部区域、孟加拉湾、青藏高原等地区存在较大偏差,而这些地区的天气系统对我国天气有重要的影响。

不同观测误差确定方法对地基GNSS-ZTD资料同化预报效果影响的对比分析

利用2016年6—8月华北—东北地区的地基全球卫星导航系统的天顶总延迟(GNSS-ZTD)观测资料、东北区域中尺度数值预报系统,以2016年6—8月的13 d强降水为例,开展基于Desroziers等(2005)理论的Des方法和传统方法进行观测误差确定的天顶总延迟资料同化对比试验研究,探讨Des方法相对于传统观测误差确定方法对天顶总延迟资料同化预报效果的影响,并以未做天顶总延迟资料同化的试验为对照试验,考察天顶总延迟资料在数值模式中的同化应用效果。结果表明:(1)Des方法得到的天顶总延迟观测误差诊断值较为合理,诊断值站点间差别较大,说明逐站进行观测误差诊断的必要性;(2)天顶总延迟资料同化使强降水的强度、落区预报性能得到提高,使温、湿、风等要素的预报与观测接近,Des方案同化分析、预报效果优于传统方案;(3)对2016年7月25日华北—东北强降水过程进行了同化预报分析,整体而言,天顶总延迟资料同化有效增强了对流层中低层初始湿度场,修正了积分初期水凝物含量与位置,进而改善了降水预报效果,修正了对照试验对辽宁东部地区强降水的明显漏报,且通过降水的反馈作用改进了温度与风场预报效果。基于Des方法逐站诊断观测误差相比传统方法得到的观测误差更为合理,因此能够提高天顶总延迟资料的同化预报效果,同化天顶总延迟资料能够提高降水及温、湿、风等气象要素的预报水平。

SAL定量降水预报检验方法的解释与应用

引入德国定量降水预报检验SAL方法,以2009年6月29日降水(长江中下游2009年入梅首场降水)为例,对AREM、T639、T213、JAPAN模式0～24h降水预报的SAL检验进行剖析,与SAL方法原理介绍相结合,全面而详细地对SAL检验方法进行阐释,通过对2009年三次大范围强降水的检验,分析和总结SAL方法在降水预报检验中的应用。结果表明:1)SAL检验方法是对某一天降水的预报效果进行检验的方法,它可对雨带的预报从强度(A)、位置(L)、结构(S)三方面进行评估。2)SAL检验结果中,对降水预报效果指示意义最大的为L值,L值越小,预报效果好的可能性越大,A值其次,S值再次。3)SAL值只在针对同一个降水实况的条件下具有可比性,不同降水日,因作为检验参考系的实况不同,其S、A、L值不具可比性。

2007年汛期AREM模式降水预报效果检验分析

过对2007年6～8月AREM模式降水预报做不同时效、不同区域的TS评分对比,比较AREM与T213、JAPAN三个模式降水预报TS评分,并对AREM模式2007年汛期主要降水过程预报效果进行检验分析,从而获得AREM模式2007年汛期降水预报效果和特点,结果表明:(1)从AREM模式不同时效降水预报TS评分对比可知,对长江中下游区域,AREM模式12～36 h预报效果好于0～24 h预报,24～48 h效果相对较差,对华南、华北、东北、西南东部区域的降水,AREM模式预报效果均随时效延长而减弱。(2)由AREM模式对不同区域降水预报TS评分的对比可知,AREM模式(各预报时效)对长江中下游地区各量级降水预报的TS评分均高于全国范围的TS评分,西南东部(各预报时效)小雨(以上)量级TS评分均为各区域最高,但中雨以上各量级TS评分均低于全国范围,其他区域无稳定的预报特性。(3)从AREM、T213、JAPAN对长江中下游地区12～36 h降水预报TS评分对比可知,三个模式小雨(以上)量级降水的TS评分基本相当,对该区域暴雨、大暴雨强降水中心的预报,AREM好于T213,JAPAN相对较差,随量级增加AREM预报优势表现更为明显。(4)对2007年汛期6次个例分析可知,AREM模式对长江中下游尤其是江淮流域的大范围强降水过程预报效果较好,对暴雨、大暴雨中心的预报较T213和JAPAN有明显的优势,但对小范围、局地强降水过程的预报效果不够理想。

新降雪密度估算方法研究进展

降雪深度预报是北方地区冬季气象服务的重点和难点,新降雪密度估算是降雪深度预报的关键技术。本文回顾了新降雪密度估算中需要着重考虑的气象要素,并对国内外广泛使用的几类新降雪密度估算方法进行了详细的介绍和对比,在此基础上,评述几种估算方法的特点、局限性以及它们之间的承接联系,并对未来新降雪密度估算的发展方向进行了展望。主要结论为:(1)温度、风速、湿度的垂直分布及太阳辐射、降水量是影响新降雪密度的重要气象要素。(2)目前被广泛应用的新降雪密度估算方法有设为常数法、建立公式法、后处理诊断法和基于微物理过程法等四类,四种方法各具特点和局限性,且存在着上下承接关系。(3)较为科学的后处理诊断法和基于微物理过程法有着各自的相对优势也有着难以克服的不足,未来新降雪密度的估算需要在这两种方法的相互促进、共同提高中逐步发展。

区域业务模式6h降水预报检验方案比较

对我国华东、华南、华北区域气象中心和中国气象局数值预报中心业务运行的区域模式2011年5-9月的6 h降水预报,采用不同检验结果平均方案进行对比检验。对比结果表明:不同的检验结果平均方案基本不影响与中国气象局数值预报中心模式(NMC-GRA)在相同区域关于TS评分比较的相对检验结论,即当两个模式评分差距较大时,评分高的模式在两个方案中是一样的,但评分比较接近时,若有一个模式对该区大尺度降水预报较好时,则可能在新方案中有较高的TS评分,而此模式原方案评分则可能略低于局地小尺度降水预报较好的模式。但对于较少发生的强降水预报的预报偏差的评价有很大不同,当新方案的结果显示多数模式对强降水的预报偏少,原方案则可能显示偏多,说明模式对大尺度的强降水预报较实况偏少,但对小尺度局地降水的预报则可能偏多。

AREM模式两种初值扰动方案的集合降水预报试验及检验

基于我国科学家自主开发的AREM区域中尺度模式,考虑模式初值的不确定性,初步建立起11个成员37 km分辨率覆盖全国大部地区的短期集合预报系统。采用两套初值扰动试验方案(降尺度方案和BGM方案)分别进行了批量试验,试验结果表明:(1)通过对集合预报离散度和概率预报的检验,表明采用区域模式自身孵化循环产生的初始扰动明显优于直接使用全球集合预报提供的初始扰动。(2)无论采用哪种初值扰动方案,基于集合预报方法的集合平均预报、概率预报等均优于单一的确定性预报和业务预报。(3)离散度与集合平均预报误差的面平均有较好的对应关系;离散度与预报误差的空间相关系数平均为40%～45%。(4)目前集合预报系统离散度与预报误差相比偏小,其部分原因在于没有考虑模式物理过程的不确定性,这将在下一步的工作中逐步改进。