集合预报中初始扰动生成方法的探讨

阐述了 4种生成集合预报初始扰动的方法 ,用其中的 3种方法在微机版本的 T63L9全球谱模式上进行了中期数值预报的集合预报试验 ,通过集合预报效果来检验初始扰动的优劣。结果表明 :初始扰动的好坏对集合预报效果有至关重要的影响 ,总体而言 ,增长模繁殖法优于控制预报、蒙特卡洛法和时间滞后法 ,且集合预报的确能起到提高数值预报效果的作用。

集合预报研究现状与展望

本文系统地论述了集合预报的概念、分类以及国外内的研究现状,在国外的研究现状中重点介绍了目前国际上最先进、最具代表性的两种方法,奇异向量法和增长模繁殖法。国内则介绍了在该方面的最新进展,包括我实验室所做的工作。最后阐述了集合预报的可能发展方向和应用前景。

用T106L19全球谱模式制作中期集合预报的试验

为解决传统的数值预报初值存在的不确定性,利用增长模繁殖法在T106L19全球谱模式上进行了中期集合预报试验。繁殖循环的初始扰动由模式24h预报均方根误差和随机数的乘积构成,该随机数服从[-1,+1]区间上的均匀分布,繁殖循环的周期为6h,繁殖的总时间为3d,集合成员为15个。结果表明：在1-10a的预报中,无论是距平相关系数还是预报均方根误差,除第1天外,集合预报都优于控制预报,集合预报相对于控制预报的优势更主要地体现在对第3天以后的中期预报时段。从计算的离散度来看,集合平均预报的可信度要比控制预报的高。

高层建筑行人高度风环境风洞试验研究

通过分析风洞试验数据,利用Lawson评估标准,对上海浦东一拟建大楼周围的行人高度风环境进行了评估。结果发现底层行人区、中庭附近敞开区域的行人风环境的舒适性水平满足普通步行者要求、危险性水平均满足一般公共场所的要求。但有部分外围区域(尤其是接近周边大街的一些区域)的舒适性水平和危险性水平不符合要求,需要采取一定的改善措施。

增长模繁殖法在华南暴雨中期集合预报中的应用

采用增长模繁殖法和全球谱模式T106L19对2005年6月发生在华南的暴雨过程进行了中期集合预报试验。结果表明:相对于单一的确定性预报,集合预报能给出更多的预报信息;各成员的降水预报、降水概率预报等丰富的预报产品能够给暴雨预报提供更有价值的信息,减少漏报率,对低压槽线和副高脊线等关键环流系统的预报,集合预报结果更为接近实况。

基于增长模繁殖法的集合预报试验

利用微机版本的T63L9全球谱模式，首先进行了用增长模繁殖法（BGM）制作集合预报的方案设计，然后用确定的方案进行了中期数值预报的集合预报试验。繁殖循环的初始扰动为T63L9谱模式各层24h预报的均方根误差乘随机数，该随机数服从[-1，＋1]区间上的均匀分布，繁殖循环每12h 1次，繁殖循环的周期为3d，集合成员为9个。结果表明：在1～8d的预报中，集合预报可以比控制预报的时效延长1d，集合预报无论是距平相关系数还是预报均方根误差都明显优于控制预报，集合预报对形势场的预报较控制预报更为接近实况分析场。

基于增长模繁殖法的初始分析误差计算及集合预报试验

首先用成对繁殖的方法对NCEP再分析资料与T106分析场中的快速增长分析误差进行了计算和比较,然后把它们叠加到各自的初始场中进行了多初值集合预报试验。结果表明,用不同分析资料计算的达到饱和的快速增长误差,两者在全球分布上既有许多相似的地方,也存在一些不同,多初值集合是综合考虑它们的有效方法;考虑了两种分析误差的集合预报比只考虑一种分析误差的集合预报优越;在集合总成员数不变的前提下,发现引入另一种分析资料的集合成员数并不是越多越好,就预报技巧的最大改善而言,其存在一个阀值。

建筑群风环境干扰效应研究

在TJ3风洞中,对浦东一拟建大楼与其周边建筑群之间的风环境群体干扰效应做了试验研究。分别对仅单体建筑、仅周边建筑群、单体建筑和周边建筑群三种情况进行了风洞试验。分析试验数据,得出各测点处平均风速系数rM和阵风风速系数rG随风向角的变化,进而得到周边建筑群对试验建筑风速系数的干扰因子IF1和试验建筑对周边建筑群风速系数的干扰因子IF2随风向角的变化。试验结果表明:处于高层建筑的尾流区或者当建筑并排布置形成街道峡谷时,干扰效应十分显著;矩形截面建筑的尖角效应比较明显;试验建筑建成后对原周边风环境的影响不可忽略。

不同基流中繁殖模饱和特征对比分析

为了研究不同基流背景下繁殖模的饱和特征,采用增长率和图形相关系数2个指标对不同基流计算的繁殖模进行了对比分析。结果表明:经过大约3 d的繁殖,不同基流计算的繁殖模都达到了饱和,但用NCEP再分析资料计算的繁殖模比用T 106资料计算的繁殖模的饱和级别高些;相对湿度繁殖模比其它变量的繁殖模具有较低的饱和级别,且低层比高中层更容易饱和;对于饱和后同时刻的2种繁殖模,其在结构上非常相似的同时,也存在一些不同。

集合预报产品在台风麦莎预报中的应用

为了提高集合预报效果,利用T106L19全球谱模式和增长模繁殖法对台风麦莎制作了13个成员的集合预报,并对其结果进行集合预报产品解释应用研究。首先在离散距离分簇法中,引入方差分析的方法确定分簇基础,然后对集合预报的形势场进行了分簇,相对于以往采用96小时样本为分簇基础进行分簇的方法,分簇效果提高明显,分簇结果能给出台风移动的几种可能路径及其概率;其次对要素随时间的演变利用系统聚类法进行了分类,根据分簇平均图可以确定几个可能的台风登陆地点,制作了这些特殊点要素分类烟羽图,通过分析要素随时间的演变特征,提高对台风登陆地点和时间的预报精度;最后制作了盒须图,通过盒须图中数据组主体以外的数据点,确认出值得注意的一些特殊集合成员的预报结果,减少了小概率事件的漏报率。研究结果表明,将方差分析引入离散距离分簇法,要素烟羽聚类法以及盒须图的应用有利于提高和改善集合预报效果,集合预报产品解释应用效果得到改进。

基于集合预报产品的降尺度降水预报试验

利用降水距平百分率的降尺度预报方法和1951—2008 NCEP资料及我国降水资料,建立了降水距平百分率的预报模型,基于T106L19模式的月动力延伸集合预报结果,进行了2007—2009年3 a的预报试验和效果检验。结果表明,基于集合预报产品的统计降尺度方法对降水距平百分率的预报技巧高于模式降水的预报技巧;500 hPa月平均高度场的预报技巧直接影响到降水距平百分率的预报技巧,平均环流的预报技巧越高,降水距平百分率的预报技巧越高;无论集合成员数为多少,集合预报的结果都明显优于控制预报,随着集合成员数的增多,预报技巧呈增大的趋势;我国降水具有显著的季节性和区域性,以江淮地区的降水距平百分率预报技巧最高,华南地区的预报技巧其次。

局部地形对北京“7.21”特大暴雨影响的数值研究

利用NCEP1°×1°再分析资料和WRF模式对2012年7月21日北京特大暴雨过程进行数值模拟,结果表明,WRF模式能够成功模拟出本次暴雨过程,特别是对100 mm以上的大暴雨也有较强的模拟能力。基于控制试验,针对北京地区复杂的地形,设计了4组地形敏感性试验。试验结果表明:北京地区局部地形的改变对暴雨落区的模拟影响不大,但对暴雨中心的分布和强度有影响,特别是西南部的局部地形对于本次暴雨过程中降水中心的落区具有很大影响,而北部和东北部的局部地形则作用不明显。进一步研究表明,北京地区西南部的局部地形主要是通过影响低层偏南风急流的流场结构,改变强辐合区和垂直运动的分布和强度,进而引起降水中心位置和强度的改变。

月尺度环流对SST强迫的响应特征及机理分析

利用全球中期数值预报谱模式,通过在海表温度气候态上叠加不同扰动的方法,研究了不同季节月尺度大气环流对海表温度变化的响应特征及机理。结果表明,大气响应首先出现海表温度的高值区和海温扰动变化的大值区,其发展和演变还与大气环流的背景场有关,大气响应发展达到稳定的状态是沿南、北半球西风急流附近的纬向波状分布;在不同季节,对不同分布的海表温度变化,大气环流响应的速度不同,但在月尺度内大气响应都能达到最大值;相对于夏季,冬季大气响应最大值达到的高度更高,大气响应对扰动的形态更敏感。

不同海温强迫的月动力延伸集合预报试验

利用全球谱模式T106L19和增长模繁殖法(BGM)建立了月动力延伸集合预报系统,基于气候海表面温度(SST)和预测海表面温度,设计了三组集合预报试验,一组为气候SST作为模式下边界条件的集合预报试验(CSST试验),另一组为预测SST作为模式的下边界条件的集合预报试验(FSST试验),第三组为前两组试验的集合预报结果之和(AVE30试验),对两种海温强迫分别进行了48个月的试验,并对预报结果进行了检验和分析。结果表明:相对于单一的控制预报,不管是CSST试验还是FSST试验,利用BGM方法制作的初值集合预报能显著提高月平均环流的预报技巧,集合预报对PNA区域的预报技巧改进显著,特别是预测SST强迫有正的贡献;同时考虑初值和边值不确定性影响的集合预报试验(AVE30试验),其全球预报技巧不仅高于控制预报,也分别高于FSST试验和CSST试验,这说明要提高月延伸预报技巧,必须同时考虑初值和边值的影响;大气对SST强迫的响应在模式积分10天开始显著,SST对第二旬和第三旬的作用直接影响月平均环流的预报效果,而SST对第二旬和第三旬预报的影响不仅与SST本身变化有关,还与初值有关,不同的初值其作用不同;集合预报对我国夏季月平均温度分布具有较强预报能力,采用预报海温强迫的预报结果,总体上优于气候海温强迫的结果。

初值和海温强迫对延伸期可预报性时空分布的影响

利用全球谱模式T106L19和增长模繁殖法,分别在气候海温和预测海温强迫下,进行了动力延伸集合预报试验.基于方差分析思想,利用集合预报结果,定义和计算了初值影响指数、海温强迫影响指数、潜在可预报性指数以及波动活动指数.通过分析四个指数,揭示了初值和海温强迫对延伸期可预报性时空分布以及潜在可预报性的影响,并探讨了其影响机理.结果表明:初值影响指数分布具有地域和季节的差异,初值的影响在中高纬度地区大于热带地区;相同季节,海温强迫影响指数分布与初值影响指数分布相似;潜在可预报性指数呈带状分布,大值集中在热带地区,且在低纬度地区,高层的潜在可预报性大于低层;初值和海温强迫对延伸期可预报性时空分布的影响,依赖于大气环流形势,初值和海温强迫影响的显著区正是大气长波的活跃区和西风急流区,急流区的强风切变为长波活动提供了斜压不稳定能量,而长波的发展调控着初值和海温强迫的影响,这说明延伸期的可预报性具有明显的流依赖性,大气外强迫的作用也与大气内部的动力过程密切相关.

类比法在大气探测学课程教学中的应用案例

为了促进大气探测学精品课程的建设,探讨类比法在课程教学中的应用。针对记忆效应与热滞效应、气球测风与飞机测风、蝙蝠与气象雷达遥感、称重与气象卫星遥感四对特色内容,分析个别性、特殊性和普遍性等典型类比法教学应用示范案例。教学实践表明,类比法可以培养兴趣、激发联想、举一反三,是一种事半功倍的教学方法。

基于探空和SSMI/S资料的AMSR-2海上大气可降水产品检验与评估

利用海岛探空资料和SSMI/S(special sensor microwave imager/sounder)–F16海上大气可降水量产品对AMER-2(advanced microwave scanning radiometer-2)2012年7月—2016年6月的海洋上空大气可降水量产品进行比对检验。结果表明:AMSR-2反演的海上大气可降水量与利用海岛探空资料计算所得值比对的一致性较好,两者之间平均偏差为0.35 mm;2012—2016年AMSR-2与SSMI/S-F16可降水月平均值的分布情况在热带辐合带、南太平洋辐合带和南大西洋辐合带可观测到相似的结构和特征,两者平均偏差为–0.04 mm,标准偏差为1.21 mm。检验的结果证明了AMSR-2反演的大气可降水产品精度满足产品设计指标,而误差分析的相应结论对于未来优化水汽反演算法具有重要意义。

近64a来南京夏季降水峰期变化及其异常环流分析

利用1951—2014年南京站逐日降水资料、NCEP/NCAR逐日再分析资料和NOAA逐月海表温度资料,分析了南京夏季降水的逐候演变特征及其异常环流。结果表明:1)南京夏季降水集中在6月第5候至7月第3候,在气候态上降水强度存在峰期位于6月第5候和7月第1候的双峰结构。降水峰期还存在准10 a的年代际变化。2)不同年份降水的候演变特征呈现为峰期在6月第5候、7月第2候的单峰结构以及双峰结构这三种状态之间转换。3)当降水单峰出现在7月第2候(6月第5候)时,同年6月第5候,西太副高偏弱(强)偏东(西)、东亚大槽和贝加尔湖浅槽偏弱(强)、南京附近对流层低层水汽异常辐散(辐合)、中层盛行下沉(上升)运动;同年7月第2候,西太副高偏强(弱)偏西(东)、东亚大槽和贝加尔湖浅槽偏强(弱)、南京附近对流层低层水汽异常辐合(辐散)、中层盛行上升(下沉)运动。4)南京夏季降水的峰期变化与前期冬季(175°E^50°W,10~20°N)区域的SST(Sea Surface Temperature)异常有着较好的相关性。

基于不同参数化方案的一次梅雨锋暴雨过程的集合预报试验

针对WRF模式中各非绝热物理过程,选用不同的参数化方案,对2009年6月29—30日一次梅雨锋暴雨过程做24 h降水预报的敏感性试验,并组成18个成员做物理集合预报,分析了实况与模拟的24 h降水量及其TS评分和离散度。结果表明,WRF模式的物理集合预报可成功模拟出3个暴雨中心的位置及强度;选用Lin et al微物理方案、MRF行星边界层方案和Betts-Miller-Janjic积云对流方案对湖北省西南部地区暴雨中心的位置及强度的模拟最好;3个暴雨中心均对应于离散度的大值中心,在降水较强时段其离散度也较大;不同集合成员在某时段预报的降水量可较好体现该时段的降水概率,而由物理集合预报得到的逐时降水量则可为定时降水预报提供依据。

某博物馆大跨拱形入口结构设计

某博物馆大跨入口形态呈拱形,矢跨比较小,为扁平拱,扁平拱兼具拱形结构与梁式结构的受力特征,构件承受轴力的同时也会承受弯矩,并会在拱脚处产生更大的水平推力。根据选型分析可知,混凝土结构自重产生的水平推力为钢结构的4~10倍,且跨中承受较大的弯矩,易使混凝土受拉开裂,不能充分发挥混凝土结构的受压性能。另外,混凝土构件的施工精度不高,容易造成初始缺陷偏大,不利于拱的稳定。综合比较,采用钢桁架拱结构较为合理,通过对该大跨钢桁架拱结构详尽的静力分析、强度验算、稳定性分析,可知钢桁架拱自重轻、刚度大、冗余度高、稳定性好,结构经济合理,且能很好地实现建筑形态和功能需求。