青藏高原东部地形对四川盆地东北部一次暴雨过程的影响

针对2021年8月8日发生在四川盆地东北部的一次暴雨,利用地面观测和再分析资料,结合WRF(Weather Research and Forecasting)敏感性数值试验,研究了青藏高原东部地形对本次暴雨过程的影响和机理.结果表明,暴雨发生期间四川盆地主要受500 hPa高压脊影响,青藏高原东南侧绕流形成的西南气流向暴雨区输送暖湿空气,并在盆地形成低涡.高低空系统的耦合使得气流辐合抬升,为暴雨发生提供了良好条件.当青藏高原东部地形高度降低以后,地形对气流的阻挡作用减弱,原先高原东南侧绕流产生的西南气流减弱变为偏西气流.同时,高原东北侧的西北气流加强并南下,进一步减弱四川盆地的南风分量和水汽输送,最终导致水汽在四川盆地东南侧聚集和暴雨落区的南移.

土地利用类型影响四川盆地一次高温过程的模拟研究

土地利用变化可通过影响地气间能量交换影响数值模式的预报效果。本文利用WRF模式对四川盆地2021年8月1—4日高温过程进行数值模拟,探究土地利用类型变化对模式高温天气预报能力的影响。结果表明:(1)GLC_FCS30-2020资料反映的近期土地利用类型相比WRF模式默认土地利用类型有明显差异,主要表现为农田、混交林急剧减少,城市与建筑、多树草原、稀树草原和农田/天然植被镶嵌类型明显增加。(2)土地利用类型更新后,WRF模式对高温天气,尤其是对最高气温的预报能力有明显提升,主要表现为气温冷偏差减小、暖偏差增加,即日间、最高温度、四川盆地中部地区的预报能力有明显提升,而夜间、最低温度、盆地东部和西部局部地区的预报能力有所下降。(3)土地利用类型变化使地表反照率增加使地表净辐射减少,但地表水热输送方式的变化是影响地表温度变化的主要原因。更新土地利用类型后,日间潜热通量输送减少,感热通量和地表热通量输送代偿性增加且变化幅度相当,从而导致地表气温升高。下垫面土地类型未改变的站点温度变化,可能是由于周边高温的水平运动导致的。(4)天空状况越晴朗,温度模拟与观测的偏差越大,温度预报能力越低。此外,更新土地利用类型可以间接引起云量变化。

2017—2021年西藏高原SWC-WARMS模式降水预报产品的检验与评估

选用2017—2021年西藏高原39个观测站24 h降水资料,对SWC-WARMS模式降水预报产品按照数值预报业务检验评估指标进行检验与评估。结果表明:西藏高原降水主要集中在暖季(降雨时段),以小雨为主。SWC-WARMS模式24 h累积降水预报年平均准确率、命中率和成功率分别为78%、83%和60%,预报效果较好,但整体的空报率和偏差均较大。西藏高原暖季的小雨及以上TS平均值为0.63,中雨及以上TS平均值较小,其空报率、漏报率随海拔高度落差增大而增大;冷季(降雪时段)降水日数较少,TS小于暖季、空报率高,但个别区域的SWC-WARMS模式大量级降雪预报TS超过0.30。

2021年四川省2 m温度数值模式预报检验评估

通过对比分析3个区域数值模式(CMA-MESO-3KM、SW3KM和SW9KM)2021年3—12月逐日2 m温度(包括日最高温和最低温)预报结果和气象观测站实况数据,检验评估了3个数值模式对四川省2 m温度的预报性能。结果表明:(1)模式对最低温度预报效果好于最高温度,SW3KM模式对3—10月2 m温度预报略好于SW9KM和CMA-MESO-3KM模式,SW3KM模式对最高、最低温预报效果优于SW9KM模式,其准确率最多可分别提高13.4%、31.9%,较CMA-MESO-3KM模式最多都可提高18.8%。(2)温度误差分布有明显的日变化特征,3个模式预报温度误差从凌晨至上午逐渐减小,而下午至晚上逐渐增大,SW3KM和SW9KM模式预报温度上午较实况偏高,其它预报时段较实况偏低,CMA-MESO-3KM模式预报温度较实况偏低。(3)温度预报准确率与海拔高度密切相关,预报准确率随着海拔高度增加而降低,系统性偏差增大。(4)CMA-MESO-3KM模式冷季温度预报偏高、暖季预报偏低,12时起报略好于00时;SW3KM和SW9KM模式00时起报的20℃以上温度预报偏低、20℃以下温度预报偏高,而12时起报的低于30℃附近温度预报较实况偏低,但00时起报温度误差小于12时起报。

基于TMI产品资料对数值模式水凝物模拟能力的检验分析

本文利用热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)搭载微波成像仪(TRMMMi-crowave Imager,TMI)的探测及反演结果,结合微波辐射传输模式,就2004年17号台风暹芭(Chaba)过程,对AREM(Advanced Regional Eta-coordinate Model)模式和WRF(Weather Researchand Forecasting)模式的水凝物模拟能力进行了检验。分析表明,两个模式模拟的台风路径与实际台风路径基本一致,模拟的降水与TMI反演降水也基本相同。在此基础上,以AREM和WRF模式模拟的大气结构和水凝物结构作为微波辐射传输模式的输入参数,计算了相应大气层顶的微波亮温,通过对比该模拟亮温和TMI实测亮温的异同,尝试了对AREM和WRF模式水凝物结构的间接检验;最后,利用TMI水凝物反演产品直接检验了AREM、WRF模拟的水凝物结构。研究结果表明,AREM模拟的云水含量稍偏高,降冰含量稍偏低;WRF模拟的液相粒子分布范围较小,对冰粒子的模拟能力要好于AREM模式;两个模式对水汽的模拟都比较好。

格点尺度对TRMM微波成像仪云水数据的影响

选取热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)微波成像仪(TRMM Microwave Imager,TMI)液态水路径(liquid water path,LWP)轨道像元数据为研究对象,探讨了将瞬时探测以及逐月的像元数据进行格点化(0.1°、0.25°、0.5°、1.0°和2.5°五种格点分辨率)时,格点数据的失真情况。对TMI瞬时探测的个例分析结果表明,细分辨率(0.1°、0.25°和0.5°)格点能保留原始像元数据的细节;而随着网格变粗,细节受到较大的平滑。因此对于中尺度到天气尺度的天气系统分析而言,将卫星轨道数据处理到网格尺度不大于0.5°的格点更合适。对逐月LWP像元资料格点化处理的分析表明,细分辨率格点能保留LWP空间分布细节,尽管5种分辨率下LWP的概率密度分布(probability density function,PDF)均相近。因此,对月尺度及以上的气候分析研究而言,格点尺度大小对卫星像元数据格点化的影响不显著。最后利用本实验室计算的TMI/LWP格点数据与欧洲中期数值预报中心再分析资料(European Centre for Medium-range Weather Forecasts Interim reanalysis,ERA-Interim)和NCEP再分析资料(NCEP Climate Forecast System Reanalysis,NCEP CFSR)进行了对比,发现两种再分析资料都高估了LWP;TMI/LWP格点数据与两种再分析资料LWP的多年变化趋势大致相同。

西南涡加密资料同化对西南区域模式降水预报的影响

本文基于2017年西南涡加密观测试验的四川省11个观测站的探空资料,利用西南区域9km和3km分辨率数值天气预报模式系统,开展了数值预报同化试验。同化试验每日06和18UTC各进行一次,持续40天。西南区域9km分辨率数值预报系统(SWC-WARMS)的模拟结果表明,加密探空观测资料对四川高空观测起到了补充。同化后可以改善模式初始场,有助于提升24小时降水预报的ETS评分,对小雨到大雨量级的BIAS评分也有一定的改善。西南区域3km分辨率系统得益于分辨率的提升,相比SWC-WARMS减小了大暴雨空报面积。同化加密探空观测可以提升降水预报的ETS评分,但空报面积也有所增加。

基于测雨雷达资料的青藏高原东坡夏季降水的分析

本文基于2000~2014年共计15年夏季(6~8月)的TRMM卫星PR(测雨雷达)探测结果 2A25资料,对高原东坡及临近区域降水的水平、垂直分布特征,以及日变化特征进行了分析,结果揭示了高原对降水的影响。由降水样本数占PR总观测样本数的比例可知,降水频次表现为高原低、东部盆地高的特点,平均降水强度也类似。层云降水频次高于对流降水,但平均降水率低于对流降水。降水的垂直分布表明,下垫面高度超过3km时,降水率廓线峰值出现在5~6km,而其它地区峰值出现在3~4km高度。该区域的降水以夜雨为主;高原上的对流类型降水主要发生在白天,盆地和丘陵地区降水主要发生在夜间。

汛期西南涡暴雨的数值模拟研究

利用西南区域数值预报模式系统SWCWARMS,结合全国汛期高空加密观测资料,对2013年6月29—30日的一次西南涡暴雨过程进行数值模拟和敏感性试验。结果表明,与控制试验相比,同化试验模拟的降雨与实况更为接近,并成功模拟出四川东部的强降雨中心,对于西南涡的模拟,同化试验西南涡出现时间更早,强度更强。并且,通过两组试验初值差异对比发现,同化试验初值在四川盆地对流层中低层表现出更强的低压,更强的涡度以及更强的旋转风扰动,四川盆地西部边坡也存在更强的上升气流,这都有利于西南涡的发生、发展。另外,同化汛期高空加密观测资料对强降雨中心单站的预报改进也较明显。因此,加强汛期加密气象观测,有利于揭示西南涡的发生、发展及其降雨天气影响,也有助于提升数值预报业务技术水平。

我国东部夏季一次强对流活动过程中对流层上部大气成分变化的分析

利用星载微波临边遥感探测结果,对2006年6月28～29日江淮地区的一次强对流天气过程中对流层上部一氧化碳(CO)、臭氧(O3)、水汽(H2O)和冰水含量(IWC)的分布特点进行了研究。强对流天气过程前后的对比分析表明,CO混合比增大,在200hPa处增加了0.12ppm(1ppm=10-6);O3混合比减小,在70hPa处减少了0.30ppm;H2O混合比在250hPa处增加了400ppm;IWC在强降水发生之前有大幅增长,在200hPa处最大含量可达0.03g/m3。CO和O3含量与垂直运动速度两者的相关变化表明,对流垂直输送作用可能是造成对流层上层和平流层低层大气成分变化的机制之一。而H2O和IWC含量的增加主要局限于对流层顶以下,这表明对流层上部水物质的质量和形态是由垂直输送作用和对流系统内部的微物理过程共同决定的。

热带海表风速与海表温度日变化关系分析

利用热带测雨卫星（TRMM）搭载的微波成像仪（TMI）探测结果，在像元分辨率上同步反演的10年海表温度（SST）和海表风速（SSW）资料，研究了热带地区非降水条件下SSW变化对SST日变化的影响。结果表明热带地区SST日变化显著，SST日最小值多出现在早晨03：00（当地时间，下同）至06：00，日最大值多出现在午后17：00至19：00，SST日绝对振幅为1．9～3．4℃，日相对振幅为5％～7％。SSW变化对SST日最小值和日最大值的出现时间及SST日振幅均有明显的影响，且均呈现出区域性差异。热带地区SST日绝对振幅随SSW增大而减小，当SSW增加至9m／s之后，SST日绝对振幅变化不再明显；二者符合特定的正弦函数关系。在风速小的情况下，暖池区域平均SST日绝对振幅异常减小了0．16℃；在风速大的情况下，秘鲁沿岸区域平均SST目绝对振幅异常增大了0．17℃，且SST随时间变化波动较大。上述研究结果为下一步研究海表感热和潜热日变化打下了基础。

川贵渝复杂地形下横槽诱发双涡贵州暴雨过程的数值模拟

青藏高原大地形作用下,西南复杂地形区暴雨天气预报是一个十分重要和困难的科学问题。应用西南区域数值预报业务模式,结合业务常规观测和非常规观测资料,分析了2014年7月15日至17日发生在四川、贵州和重庆复杂地形下的一次由横槽诱发双低涡的贵州暴雨过程,得到:西南区域模式对这次暴雨过程的数值模拟结果与再分析资料有较好的对应关系,尤其是重现了降雨的落区、强度以及盆地涡与贵州涡的发生、发展过程。在暴雨过程中,两低涡垂直发展深厚,上升运动均伸展至对流层顶。涡度收支方面,盆地涡的发展主要源于涡度方程的散度项,而贵州涡的发展除了受散度项的显著影响外,平流项也起着重要作用。由于川渝盆地—云贵高原交界处地形、云贵高原横断山脉延伸区局地地形的作用,区域大气气旋式旋转的加强发展诱发了盆地涡和贵州涡。热力结构上,盆地涡的发生、发展在冷、暖气流交汇辐合区域内,而贵州涡则生成在暖区中,其降雨及加强更多地受到动力过程的影响。川渝盆地—云贵高原特殊的北低南高地形使高纬度干冷气流与低纬度暖湿气流交汇,形成强的上升运动,引发了盆地涡发展及其暴雨天气。云贵高原贵州特殊的西高东低地形导致来自低层的暖湿气流只能沿横断山脉边缘绕流,进入贵州西部的偏南气流与来自盆地涡西侧的偏东北气流汇合作用形成贵州涡,引发贵州暴雨天气。因此,局地地形与环流的相互作用是贵州涡生成及其引发暴雨过程的重要原因。

星载测雨雷达探测的中国南部雨季对流性暴雨频次分析

利用星载测雨雷达1998—2007年10年观测结果,对雨季我国南部(35°N以南地区)对流性暴雨、大暴雨、特大暴雨频次及其占局地总降水比例进行了研究。结果表明,暴雨主要分布于两广至云贵高原东部,其频次大于1.2%,最大可超过1.8%;大暴雨主要出现在广东西部至云贵高原东南、福建与江西交界附近、大别山西南侧、江淮至黄淮东部,其频次大于0.06%;特大暴雨主要位于两广交界经两湖盆地东部、大别山西侧至江淮之间和黄淮东部,大体呈东北—西南向带状分布,其频次大于0.015%;主要暴雨区暴雨对局地总降水的贡献可达25%以上,主要大暴雨区其雨量对局地总降水的贡献大于5%,主要特大暴雨区其雨量对局地总降水量的贡献多达1%～3%。

SWCWARMS模式及GRAPES模式对西南区域降水预报检验对比分析

使用2014年5~12月西南四省（区）一市每日08时统计的24h雨量观测资料,对SWCWARMS和GRAPES模式降水进行站点统计检验。主要结论为：针对每日08时起报,SWCWARMS模式除24h中雨和48h大暴雨外SWCWARMS模式ETS评分在其它时次及其它量级降水上均高于GRAPES模式,但SWCWARMS模式空报和系统偏差较多;针对每日20时起报,SWCWARMS模式ETS和TS评分均高于GRAPES模式;除小雨外SWCWARMS模式空报率略高于GRAPES模式。从2014年10次西南涡过程统计检验可见,两模式对强降水过程即主要影响贵州的三次过程评分高于四川和云南的西南涡降水过程,24h降水评分在多个时次多个量级上优于GRAPES模式。SWCWARMS模式在汛期表现优于GRAPES模式,SWCWARMS模式对小雨、中雨和大雨有较强的预报能力,但对强降水预报能力有待改进,对中雨及以上量级降水空报率较高,而对小雨漏报多于GRAPES模式。

西南区域自动站资料对区域模式预报影响的同化试验分析

为了探讨区域地面站资料对数值预报的影响,本文采用西南区域业务模式系统,设计多组试验方案,开展基于西南区域地面站资料的同化试验,分析区域地面站资料对模式初值及预报的影响。研究表明:西南区域自动站资料的同化有一定的正效果,如对地面要素的改善,提高24h小雨预报TS值,对强降水落区和低涡结构的描述更准确等,但不显著;相对而言,是否同化区域站资料在较强降水过程中的作用更明显,通常同化的自动站资料越多,所起的作用越大,AWS_2015的同化效果略好于AWS_2016的同化效果。如何更好地发挥区域地面站资料在数值同化模拟中的效果,还有待做深入的研究工作。

基于MET系统对SWCWARMS及GRAPES模式在西南地区的站点检验分析

应用国家基本观测站资料、自动站逐时降水资料,基于客观统计检验方法,针对降水(12h、24h累积雨量)、近地面要素(2m温度、10m风)和高空要素(风场、温度场、高度场),分别评估SWCWARMS模式和GRAPES模式对2015年西南地区预报能力,得到如下几点结论:(1)SWCWARMS模式降水ETS评分高于GRAPES模式,除24h小雨外SWCWARMS模式偏差值均高于GRAPES模式,两个模式在不同预报时效内对中雨、大雨、暴雨都表现一定程度的空报;(2)12h降水分段评分上,SWCWARMS模式TS评分均高于GRAPES模式,但SWCWARMS模式预报降水范围过大,随着预报时效增长空报多于GRAPES模式;SWCWARMS模式中雨和大雨空报大于其它量级降水,GRAPES模式对大暴雨漏报较多其它量级降水表现为空报;(3)两模式对高度场和温度场预报优于风场,对对流层中层预报优于中低层,SWCWARMS模式对高度场和温度场预报优于GRAPES模式,夏半年SWCWARMS模式均方根误差小于GRAPES模式;(4)两模式都表现出2m温度均方根误差在秋季增加而春季减小这一特征,SWCWARMS模式近地面要素均方根误差均小于GRAPES模式。

三种数值模式对四川省汛期降水预报性能的检验

应用国家基本观测站资料,基于MET系统的客观统计检验方法,针对24h降水分别评估SWCWARMS模式、GRAPES模式和ECMWF模式对2017~2019年5~10月四川地区汛期预报能力,得到如下几点结论:(1)SWCWARMS模式小到大暴雨降水范围大于实况,GRAPES模式小到暴雨降水范围大于实况、大暴雨多漏报,ECMWF模式小雨和中雨降水范围大于实况、大到大暴雨多漏报,三个模式无降水或微量降水均少于实况。(2)ECMWF模式对四川雨季小到大雨预报能力优于SWCWARMS和GRAPES模式,SWCWARMS模式在部分时次上暴雨和大暴雨预报优于ECMWF模式,GRAPES模式TS评分略偏低。(3)GRAPES模式在2018年秋季开始中雨及以上量级降水预报上改善大于SWCWARMS和ECMWF模式,SWCWARMS模式2019年空报较2017年和2018年显著降低;3个模式在小雨和中雨预报上不相上下,GRAPES模式优势在2019年大雨和暴雨预报上,ECMWF模式优势在2017年秋季和2018年初夏大雨预报上,SWCWARMS模式大雨和暴雨预报能力介于二者之间。(4)ECMWF和SWCWARMS模式川东预报优于川西,GRAPES模式川西预报优于川东;三个模式存在不同程度空报,川东地区空报略多于川西,其中ECMWF模式空报最多。

SWCWARMS模式对西南区域预报能力的检验

应用国家基本观测站资料,基于MET系统的客观统计检验方法,针对24h降水、近地面要素(2m温度、10m风)和高空要素(风场、温度场、高度场),分别评估SWCWARMS模式和GRAPES模式对2016年西南地区预报能力,得到如下几点结论:(1)SWCWARMS模式在中雨至暴雨预报上优于GRAPES模式,24h小雨和大暴雨、48h大暴雨预报较GRAPES模式偏差,同时SWCWARMS模式存在空报较多的问题;(2)SWCWARMS模式预报2米温度以低于实况为主,10m风速在秋冬季节以大于实况为主,SWCWARMS模式2m温度、10m纬向风和10m经向风4个季度平均RMSE均小于GRAPES模式,但8月月平均(72h)2m温度RMSE大于GRAPES模式,模式对近地面温度场预报优于10m风场;(3)两模式对高空温度场预报优于高度场和风场,SWCWARMS模式预报对流层中层高度场和温度场都偏低,在500h Pa上,除2月、11~12月(24h)外,其它月份和其它预报时效温度场RMSE均小于GRAPRS模式,春夏季高度场的预报优于GRAPRS模式,秋冬季RMSE大于GRAPRS模式;在850h Pa上,SWCWARMS模式预报风场春夏季误差小于GRAPES模式多于秋冬季,冬半年风场误差大于夏半年,RMSE大于GRAPES模式频次增加。

四川盆地特殊地形下基于加密观测的一次低涡暴雨水汽结构分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料、常规观测资料以及汛期西南涡加密观测资料,分析了2012年7月7-10日由西南涡引发的四川暴雨天气过程。结果表明：结合加密观测资料能更好表现四川盆地复杂地形下低涡附近的水汽来源及其与实际降雨的关系,由于地形阻挡作用,气流在大巴山以南堆积,引发了四川、陕西交界处的暴雨。运用西南区域数值预报系统（SWCWARMS）,与控制试验（不同化观测资料）相比,同化试验（同化西南涡加密观测资料）可使预报降雨与实况更为接近。通过同化加密观测资料,初始时刻四川北部出现了偏南气流,这有利于西南涡的初生,对比试验中的西南涡范围与强度也比控制试验更大更强,并且,试验验证了盆地东北部的水汽堆积现象。因此,西南涡加密观测资料在天气诊断及数值预报业务应用中都具有重要作用。

青藏高原东坡地形短波辐射效应的模拟研究

本文选择2012年8月16-17日降水个例,利用WRFV3.5天气模式模拟研究青藏高原东坡的地形坡度、坡向及覆盖短波辐射效应（Effect of Slope,Aspect and Shading,ESAS）。结果显示,ESAS产生的短波辐射强迫（强迫）空间分布与坡度大小一致,表现为坡度大时强迫大,坡度小时强迫小;朝西坡向为负强迫,坡向朝东为正强迫,正负强迫分别超过20和32W m-2。地形覆盖使得坡度和坡向在青藏高原东坡（高原东坡）上产生的地面短波辐射通量变化（辐射通量变化）整体向东南移入盆地,位移后的辐射通量增减仍然和高原东坡的坡度、坡向分布一致。地表热通量、地表温度在白天的变化和辐射通量变化分布一致,均在四川盆地内有一条高值带,且形状类似高原东坡和盆地的衔接线;EASA对地面各热通量的影响可以延续到夜间,使得夜间地表热通量变化和高值区位置与白天相似,但变化幅度减小。水汽混合比和风场的变化均具有与潜热变化相似的空间形态,在夜间尤其明显。潜热的增加（减小）可能引起风速增减加（减小）,并最终导致降水的改变。