基于前馈神经网络的多模式集成降水预报研究

为提高山东定量降水预报准确率,采用深度前馈神经网络(Deep Forword Neural Networks,DFNN)和降水分级最优TS(Threat Score)权重集成方法对多模式集成降水预报进行研究。对2019年4—9月欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasting,ECMWF)全球数值预报系统、中国气象局上海数值预报模式系统(China Meteorological Administration Shanghai 9 km,CMA-SH9)和中国气象局中尺度天气数值预报系统(China Meteorological Administration Meso⁃scale,CMA-MESO)逐24 h累积降水量预报进行有监督训练,得到4组DFNN(ES、EM、SM、ESM)深度学习模型,并利用多模式降水分级最优TS权重集成方法建立Mul-OTS(Multi-mode Optimal Threat Score)集成模型。用2020年4—9月各模式逐24 h累积降水量进行降尺度格点预报,对5种集成方案对比检验、个例分析应用。结果表明:不同起报时间、不同预报时效,5组集成方案均降低了平均相对误差,ESM方案最好,Mul-OTS方案最差;4组DFNN方案均提高了晴雨准确率,ESM方案最好,Mul-OTS方案低于模式预报;4组DFNN方案均提高了各降水等级TS、ETS评分,对弱降水的提高幅度大于强降水,Mul-OTS方案对小量级降水等级订正是负技巧,对大量级降水等级的订正效果较好,但仍不如ESM方案;个例分析发现降水强度和落区预报ESM方案均优于其他集成方案。因此业务上采用最优的ESM方案建立了定量降水格点预报系统,为智能网格预报提供重要支撑。

多源融合降水实况产品在日照市暴雨过程中的适用性

为评估融合降水实况产品在日照市的适用性,以日照市气象和水文降水观测数据为检验源,对2019—2021年5—10月和2022年5—7月融合降水数据以及发生在该时段内的25次暴雨过程进行评估检验。结果表明:(1)融合降水和观测降水空间分布一致性较好,融合降水产品可以在无降水观测地区提供参考。(2)融合降水和观测降水时间序列一致性较好,相关系数在0.9以上,长序列评估的均方根误差各月均在1.0 mm以内。平均值误差和均方根误差长序列评估结果均随着小时雨强的增大而增大。(3)融合降水存在对暴雨过程降水量和短时强降水的低估,两者差值随着小时雨强的增大而增大,当融合降水大于或小于观测降水时,两者差值较小或较大;在对暴雨极值点评估中融合降水较观测降水偏小,极值差异多在±20 mm以内。

基于ECMWF和华东区域中尺度模式的暴雨预报特征研究

为探讨ECMWF、华东区域中尺度模式(简称为CMA-SH9模式)多个时效对夏季(2019年6—8月)暴雨预报特征,采用目标对象检验方法对不同类型影响系统下模式预报的强降水落区面积、位置、形状等进行评价,并对预报难度较大的受西风槽和西太平洋副热带高压(以下简称副高)边缘切变线影响的高空要素场及环流形势场进行了研究。结果表明:ECMWF和CMA-SH9模式对夏季暴雨预报偏小3个量级次数最多,CMA-SH9模式各时效对暴雨及以上降水预报的准确率大多高于ECMWF;ECMWF和CMA-SH9模式对热带气旋与中纬度系统相互作用的暴雨预报最好,其次是冷涡影响,预报较差的是受西风槽及副高边缘切变线影响的暴雨过程;西风槽及副高边缘切变线影响时ECMWF的位势高度场预报略好于CMA-SH9模式,温度的预报500 hPa以上CMA-SH9模式略好于ECMWF,500 hPa以下二者相差不大,相对湿度的预报CMA-SH9模式误差小于ECMWF,且CMA-SH9模式850 hPa的36 h和60 h时效预报误差最小;受西风槽及副高边缘切变线影响的一次暴雨过程中,相对湿度90%及以上落区的预报ECMWF与实况10 mm·h^(-1)降水落区几乎无交集,CMA-SH9模式的预报包含了10 mm降水落区。

雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时预报影响的数值对比试验

为对比雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时数值预报的影响,利用美国Oklahoma大学风暴分析和预测中心开发的ARPS(The Advanced Regional Prediction System)模式及其资料分析系统ADAS(ARPS Data AnalysisSystem),对一次华北暴雨过程进行了18,15,9,6,3 km 5种不同水平分辨率的数值对比试验,并对比了使用雷达资料进行云分析时5种分辨率的模拟结果,结果表明,仅使用常规观测资料的情况下,通过提高模式水平分辨率,可以改进6 h内的短时预报,模拟的锋面结构更为细致,降水尤其是强降水预报评分提高了。而使用雷达资料改进模式初始场后,能明显改进模式6 h内的预报尤其是降水强度和落区预报,使得18 km上使用雷达资料同化的预报结果好于3 km不使用雷达资料同化的结果,表明雷达资料同化比单纯提高模式水平分辨率更为有效。不同分辨率上使用雷达资料同化的对比发现,对于40 mm以下的一般性降水,从18—3 km的模拟结果差别不大,而对于强降水,仍然需要提高模式的水平分辨率。但无论初始场是否使用雷达资料同化,但当分辨率由6 km提高到3 km时,模拟结果无明显改进,因此,提高模式分辨率有一定的限度,而在适当提高模式分辨率的同时使用雷达资料同化改进模式初始场,则是提高模式短时预报的一个非常有效的途径。

多普勒天气雷达资料对中尺度模式短时预报的影响

利用中尺度模式ARPS（The Advanced Regional Prediction System）及其资料分析系统ADAS（ARPS Data Analysis System），将国内新一代多普勒雷达（CINRAD）反射率及径向风资料直接用于中尺度数值模拟，通过一次华北地区暴雨过程的模拟对比试验，分析了雷达资料对初始场的改进效果及其对模拟结果的影响，结果表明：（1）利用雷达径向风资料对初始风场进行调整后，自近地面到对流层顶的u，υ，ω都发生了变化，调整后的初始风场在对流层中层变化最大。（2）利用雷达反射率进行微物理调整和云分析能调整初始场中的云水信息，使得雷达回波附近3km以下的水汽混合比（qv）增加，4km以下的雨水混合比（qr）增加，对流层（约10km以下）的云水混合比（qc）增加，4～9km的对流层上部云冰混合比（qi）和雪混合比（qs）增加。ADAS通过非绝热初始化调整温度场，从而得到了一个动力和热力上平衡的初始场。（3）模拟的1h雨量与实况的对比表明，同时利用雷达反射率和径向风改进过的初始场能明显增强3h内的降水强度和落区预报，改善中尺度数值模式短时定量降水预报。模拟的1h流场对比分析表明，经雷达径向风调整后，能够在初始场中增加气旋性涡旋等中小尺度风信息，明显减少模式的spin-up时间。（4）通过对雷达径向风和反射率对模式初始场和模拟结果影响的对比分析发现，雷达径向风主要是改进初始风场，而雷达反射率主要是改进初始场中的湿度参数，增加初始场中云水等的含量，调整温度场。通过模拟的6h降水对比发现，利用雷达径向风调整初始场后，对降水模拟有一定的改进，但效果不甚明显，而雷达反射率资料对定量降水预报改进效果明显，同时使用雷达径向风和反射率资料改进初始场后对降水的模拟效果最明显。

一次罕见的山东暴雪天气的对称不稳定分析

采用对称不稳定判据 ,对发生在 2 0 0 1年 1月 6～ 7日的一次罕见的山东暴雪天气过程进行了分析 ,结果表明 :暴雪产生在对称不稳定大气中 ,低空急流促使对流层低层暖湿气流辐合上升 ,触发对称不稳定能量释放 ,产生暴雪天气。江淮气旋和暴雪区有向对称不稳定区移动的趋势。

地形对门头沟一次大暴雨动力作用的数值研究

2002年6月24—25日,北京门头沟附近发生了一次大暴雨过程。为探讨地形在本次过程中的动力作用,采用美国俄克拉荷马大学风暴分析预测中心开发的ARPS模式,对大暴雨过程进行了数值试验。控制试验采用27、9 km双重单向嵌套网格,网格覆盖范围约为3000 km×3000 km、900 km×900 km。两层网格均采用全物理过程,使用的都是全球30″的地形资料。在控制试验的基础上,进行了3组敏感性试验:第1组试验采用干过程模拟,即不考虑凝结潜热的作用;第2组试验将地形整体向东/西平移1°;第3组试验是将门头沟西部的局地地形抠除一部分。试验结果表明,在不考虑凝结潜热作用时,东南风气流仍然可以爬升到2 km以上,超过了大气的抬升凝结高度,证实了地形的动力作用是本次大暴雨的触发机制;将地形向东/西平移1°后,由于大气的对流稳定度发生了改变,模拟的降水强度和落区也发生了变化,表明山坡和山顶的对流不稳定大气是导致本次大暴雨的必要条件;抠除局地地形后,模拟的降水量也发生了不同程度的改变,再次证明大暴雨是在多尺度地形以及一定的天气系统配置下产生的。

一次冷锋过境后的海风三维结构数值模拟

为研究大尺度系统风对海风的影响以及海风三维结构特征,利用山东省123个地面自动站资料、青岛地区三十多个内陆及沿海、海岛观测站以及奥帆赛场3个浮标站资料,对2006年8月21日青岛一次海风个例进行了分析,并利用美国俄克拉荷马大学风暴分析预测中心开发的ARPS(the Advanced Regional Prediction System)模式,对海风过程进行了数值模拟研究。结果发现:在较强的离岸风背景下,当内陆气温高于海面气温2℃左右时,海风也可以发生。海风首先在海岸线附近的海上开始,发展的同时向内陆及远海地区推进。海风低层环流很浅,主要位于500 m以下。在较强的偏北离岸风下,海风向内陆推进的距离很短。偏北的大尺度系统风由于渤海冷下垫面的影响,不利于青岛海风的维持。海风开始时,在1500～2500 m高度处同时有反环流出现,但直到傍晚前后,海风的垂直环流圈才发展得比较清晰,其高度也更接近地面。海风消亡后,高层的垂直环流圈及反环流维持3 h左右才逐渐消亡。

几种气温客观预报方法对比及最优集成预报研究

由于模式本身的误差以及地形等影响,对模式产品进行订正释用是提高气温客观预报准确率的重要手段。基于ECMWF细网格预报产品研发了气温偏差订正和准对称混合滑动训练期MOS预报系统,在此基础上,设计了一种气温最优集成预报方法。对不同模式和不同客观方法的日最高、最低气温预报准确率进行了对比分析,结果表明:通过10~30 d的偏差滑动订正可以较好提高ECMWF细网格模式日最高、最低气温预报准确率。偏差滑动订正在短期内订正效果较显著,对考核站和鲁中山区订正效果尤其明显,对最低气温预报订正效果好于最高气温。MOS客观预报对日最高、最低气温预报也有较好的订正效果,但ECMWF细网格、偏差订正、MOS客观预报产品在不同地区、不同季节预报准确率有所不同,采用动态最优集成的方法进行最优集成预报,可以集成不同客观方法的预报优势,在多种客观预报产品的基础上再次提高预报准确率,达到最优集成的目的。

2006年8月青岛国际帆船赛期间海陆风特征及三维结构分析

利用2006年青岛国际帆船赛期间（2006年8月9～31日）的观测资料，对赛场附近的海陆风特征进行了分析，并根据激光雷达和多普勒雷达资料分析了海风的三维结构，结果发现：（1）青岛国际帆船赛期间海陆风发生的频率非常高；陆风时间一般在03：00～09：00时；在副高控制下，赛场全天风速较弱，一般在2．5m·s^-1以下，风向也不集中，陆风多为东北北方向，海风的方向则以东一东南风为主。海风形成的时间较迟，而副高边缘的海陆风较明显，海风形成时间相对较早。海风形成后，风速一般在3～4m·s^-1，为一天中风速最大的时段；风向也较集中，陆风以北一西北北风向为主，海风以东南风为主；（2）海陆风消亡时，风速往往迅速减小，海陆风越强，风速减小得越厉害。（3）海陆温差不是决定海风强弱的唯一因子。（4）海风在垂直方向一般比较浅薄，多在300m以下。发展强盛的海风垂直高度可达1．5km左右，向内陆推进100km左右。多普勒雷达风廓线产品却可以较好地反映赛场附近海风风向的转变和垂直结构。

多普勒雷达资料同化对山东“4·28”飑线过程的数值模拟

利用美国俄克拉何马大学风暴分析和预测中心开发的中尺度ARPS模式及其资料分析和同化系统ADAS，将山东省济南齐河、临沂和连云港3部多普勒雷达基数据资料同化进ARPS模式中，对山东“4·28”飑线过程进行了数值对比试验。结果发现，模式采用热启动的方式可以模拟出此次飑线过程，对飑线造成的降水的强度和落区预报也较好。雷达资料同化对飑线地面中尺度系统的模拟有明显的改进作用，尤其是在前2～3h效果非常明显，使模拟的地面雷暴高压和风场更接近实况。使用雷达资料进行同化循环，连续地将多部多普勒雷达资料同化到数值模式中，可以明显改进对飑线系统结构的模拟，较初始时刻同化雷达资料对飑线的模拟效果更好。因此，使用雷达资料进行快速分析和同化进行强对流天气预报是可行的，但模拟的降水偏强，这与雷达资料同化对于大范围暴雨预报的改进作用是不同的。

“09.4.15”渤海和山东强风过程的动力学诊断分析

2009年4月15日,渤海和山东大部出现了一次强风天气过程。本次过程具有强度大、持续时间短、强风在渤海及山东附近显著加强等特点。为探讨强风的成因,根据常规观测资料以及NCEP分析资料进行了诊断分析。结果表明,本次强风过程是在低层冷锋、高层低涡横槽影响下产生的。冷空气向南推进过程中,冷平流中心由高层向低层传播,850 hPa以下冷平流不断加强,使冷锋不断增强。冷空气到达渤海湾后,锋前的强暖平流与锋后的强冷平流造成低空锋区进一步增强。冷锋次级环流的下沉运动与地面正变压中心对应,变压梯度风与大尺度气压梯度风共同造成强风过程,而强风中的阵风可能与次级环流的强烈脉动有关。

地形及下垫面对渤海大风影响的数值研究

为研究渤海周围下垫面对大风的影响,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,对2009年4月13和15日两次渤海东北大风过程进行了地形和海洋下垫面敏感性试验。结果表明:渤海北部地形对渤海海面大风有增强作用。地形的存在会使大风区更偏东,冷空气速度略偏慢,而辽宁东部地形的阻挡作用会使黄海北部海面风速减小。辽河平原喇叭口地形的存在使喇叭口东北部风速增大,而喇叭口西南侧及渤海海面风速减小。由于海洋下垫面较光滑,会对海上大风起到增强作用,引起"向岸风"效应。海洋下垫面对大风的增强作用与大风强度有关,风速越大,海面对大风的增强作用越明显,向岸风作用也就越明显。两次东北大风的试验结果表明,海面对大风的增强作用在渤海北部约2~3 m·s^(-1),渤海南部约3~5m·s^(-1)。渤海海洋下垫面对大风的增强作用大于渤海北部地形动力作用。

2006年8月青岛一次强海风过程“人”字形结构分析

利用2006年8月青岛奥帆测试赛期间的地面中尺度自动气象站、海岛站、浮标站、多普勒雷达以及风云2C卫星资料,对发生在2006年8月23日的一次强海风过程进行了分析。结果发现,青岛沿海有多支海风。东部沿海的海风锋为东北—西南向,胶州湾附近的海风锋为圆弧形。青岛东部沿海的海风锋向西推进,与胶州湾周围的海风锋叠加,使海风加强,在多普勒雷达上表现为特有的"人"字形结构:北段为东北—西南向的边界,南段为圆弧形。发展强盛的东南海风环流在垂直方向比较浅薄,主要位于1.5km高度以下。由于受高空云系的影响,海风锋在风云2C静止卫星云图上的结构较难分辨。

十一运会WRF-RUC系统应用及典型个例评估

第十一届全国运动会期间,山东省气象局引进了北京奥运气象科技成果"北京快速循环同化系统"(BJ-RUC),建立了山东区域的WRF-RUC系统,开发了十一运会精细化数值预报产品。文章介绍了该系统的业务运行方案和流程,并以十一运会开幕式保障服务过程为主,对WRF-RUC不同水平分辨率的站点预报结果、WRF-RUC模式场馆要素精细预报、模式不同起报时间的预报结果进行了检验评估,最后与山东省气象局业务运行的MM5、ARPS模式的预报结果进行了对比分析,评估结果对于预报员更好地使用数值模式产品具有很好的指导意义。

一次北京大暴雨过程低空东南风气流形成机制的数值研究

2002年6月24～25日,北京门头沟附近发生了一次大暴雨过程.观测资料和数值模拟均发现,在暴雨发生前和发生过程中,北京地区边界层内出现了一支强盛的东南风气流.东南风气流沿太行山东坡爬升,触发了对流.为探讨这支低空东南风气流的形成原因,本文通过数值模拟和敏感性试验,对这支东南风气流的形成机制进行了研究.结果表明,这支低层东南风气流是一支冷湿的、伴有较强风速辐合的气流,主要是在天气尺度系统作用下生成的.东南风气流形成过程中,地表感热加热作用对其强度有加强作用.大暴雨开始后的潜热加热作用对这支东南风气流有正反馈作用,使气流的强度大大增强,因此,在降水开始后气流强度也增强,降水最强时低空急流的强度达最强.暴雨开始后,由于夜间地表降温造成山风效应,导致在北京西部山脚下出现偏北风.

一次对流系统引起奥帆赛场风速突然减小的多普勒雷达特征

根据青岛黄岛新一代天气雷达和浮标站等观测资料,对2006年8月青岛国际帆船赛期间一次赛场风速突然减小的多普勒雷达特征进行了分析,以探讨雷达产品对地面风变化的指示意义。结果发现,对流系统周围的环境风场存在较强的风垂直切变,在对流系统移动和发展过程中,风切变层的高度发生了变化。当赛场附近近地面风切变层高度降低、切变层风速减小时,赛场附近风速也减小;切变层升高后,赛场附近的风速又重新增大,表明近地面风切变层的高度和切变层风速的大小对地面风速有影响。新一代天气雷达VAD风廓线产品可以较好地反映出雷达站附近风切变层以及风速的垂直变化,对地面风速的变化有指示意义。

山东WRF集合预报系统对“麦德姆”台风预报检验

2014年第10号台风"麦德姆"登陆北上,对山东造成较大的影响。此文对业务上常用的各种数值模式对于"麦德姆"台风的预报情况进行了对比检验,重点检验了山东WRF集合预报系统对此次台风的预报性能。结果表明,山东WRF集合预报系统对于此次台风预报具有较高的参考价值。WRF确定性预报台风路径预报类似EC细网格预报,在23日20时以前预报较好,23日20时后预报最好的为T639。WRF集合预报对于台风路径预报具有较好的指示意义。WRF确定性预报02时、14时更新预报效果好于其前面6h起报结果,体现了HYBRID-3DVAR集合混合同化对于改进预报效果的作用。通过中尺度模式与其外层全球背景场模式预报对比发现,由于中尺度模式具有自身的物理参数化方案和同化系统,其对于台风路径的预报效果可以显著优于其全球背景场模式。WRF确定性预报对于"麦德姆"台风降水预报与实况最为接近。对于台风大风预报,WRF集合预报最大值最好。

不同天气尺度系统风下的海风发生发展过程对比分析

为了分析不同天气尺度系统风下的海风发生发展过程,以及天气尺度系统风向对海风的影响,利用ARPS中尺度数值模式,对2006年青岛国际帆船赛期间的3次较强的海风过程进行了数值模拟研究,结果发现,无论在何种天气系统背景场下,当沿海海陆温差达1～2℃时,海风就可以发生。当近地层天气尺度系统风为离岸风时,海风向内陆地区推进距离较近。否则,海风可以向内陆推进很远。当近地层天气尺度系统风场较弱时,热力作用对海风的发生发展起主要作用,但海风开始和结束过程均较慢;当近地层天气尺度系统风场为较强的离岸风时,动力和热力作用对于海风的发生发展均起作用。海风开始时,首先在近地层较浅的范围内。与海风有关的垂直环流圈一般在下午—傍晚出现,并且位于约600～900 m高度处,强度较弱。傍晚到午夜,海风垂直环流的强度反而进一步发展,形成为清晰的闭合环流圈,高度约在300～600 m处,伴有明显的暖心结构。午夜后,随着地面的进一步降温,海风环流崩溃。当近地层天气尺度系统风较弱时,海风的垂直环流圈维持时间长;当近地层天气尺度系统风为较强的离岸风时,海风的垂直环流圈维持时间短。

一次局地大暴雨的地面观测资料同化预报试验研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3DVAR(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36 km、12 km、4 km三层嵌套网格进行逐3 h资料同化和快速更新循环预报,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了资料同化敏感性试验。试验结果表明,地面观测资料同化和快速更新循环对本次降水的预报起到了关键性作用。在快速更新循环预报时不同化地面观测资料,或同化全部观测资料进行冷启动预报,模式均不能预报出山东的降水。同化地面观测资料后,显著改进了模式降水落区预报。地面观测资料同化可以影响到700 hPa高度以上温压湿风要素的变化,从而改变了大气初始场的温湿结构,导致模式预报的700 h Pa附近高空大气湿度和热力不稳定增强,700 hPa以下低层风场更强,850 h Pa鲁中以南风速较无观测资料同化的偏强2～4 m·s-1,低层风场的动力作用触发高空的不稳定大气,降水出现在山东。