利用DQCT实现2018年8月超历史极值暴雨的高质量模拟

构建较全面的双级质量控制技术(DQCT).利用中尺度天气预报模式(WRF)对2018年8月下旬华南地区一次超历史极值的暴雨过程进行高分辨率数值模拟,并用DQCT评判暴雨的模拟效果.结果表明,在暴雨形势背景场中用WRF成功模拟大尺度季风风场、西南暖湿气流与低压交汇过程,并准确复制了造成高潭镇极端降雨的中尺度对流系统.总降雨量中的中γ尺度极值暴雨中心模拟得较为准确.该模式在24 h降雨量模拟中成功复制了暴雨中心的演变过程;在6 h降雨量模拟中较好地再现了中γ尺度雨带的演变过程.在暴雨重灾区高潭镇1 h降雨量演变过程的模拟中,总体降雨趋势与实况吻合较好.定性分析结果同步得到定量指标的验证.

基于多神经网络的动态权重集成温度预报订正研究

基于CMA-GD模式预报数据,利用多神经网络的动态权重集成方法,开展了贵州省温度预报订正研究,最终获得本地化温度预报订正产品。结果表明:(1)在对历史数据检验评估的基础上,利用多种神经网络方法可有效降低模式系统误差,通过BP、BP_GA、WAVENN、GRNN、LSTM等神经网络订正,2020年贵州省0~72 h预报时效的温度平均绝对误差较模式降低0.01~0.17℃;(2)考虑到不同神经网络订正结果的差异性,采用动态权重方案对订正结果进行优势集成可显著提升预报可靠性。经集成后的温度预报效果优于模式直接输出和各神经网络订正结果,2020年贵州省0~72 h预报时效的温度平均绝对误差较模式降低14.93%,预报准确率提升8.24%。此外,动态权重集成后的订正结果还表现出较好的稳定性。基于该方法形成的本地化客观预报订正产品可为提升贵州复杂地形下温度预报质量以及精细化预报服务水平提供参考依据。

地形对一次粤北暖区暴雨的影响研究

地形对暖区暴雨的发生发展有着重要影响。以粤北一次暖区暴雨为例,从大尺度背景、中尺度特征及预报难点等方面分析了地形的作用,并利用CMA-GD模式进行了地形敏感性试验。结果表明:此次暴雨在副高与西风槽之间的双低空急流下发生,南岭地形对低空急流的动力作用、对θse舌和水汽的阻滞拦截作用,为暴雨出现在粤北创造有利条件;地形热力作用下产生的中尺度辐合线是对流触发的机制。敏感性试验显示南岭地形对暖区暴雨的落区影响显著,降水落区随南岭地形升高(降低)而往南(北)偏移。西南急流在经过南岭时,低层风速、散度、温度以及垂直速度都会随地形改变而发生明显变化。当南岭地形高度降低时,正面阻挡和摩擦作用减弱,急流、辐合及上升运动区向北推进到西风槽附近,导致雨区往北偏移;南岭地形高度升高时,地形阻挡和摩擦作用增强,辐合及上升运动区被阻隔在南岭南侧,暖区对流提前触发,雨区发生在粤北。可见,此次暴雨过程主要来自大尺度环流背景的影响,但其落区与南岭地形密切相关。

一次东北冷涡降水过程的结构特征与影响因子分析

利用加密观测资料和NCEP再分析资料,对2006年7月20～24日一次东北冷涡降水过程的发生、发展及结构特征进行了分析,并利用MM5模式对此次冷涡过程进行了数值模拟。结果表明,冷涡发展阶段,对流层顶存在两条急流带,一条为南伸的高纬高空急流带,另一条为副热带西风急流带,两条急流带在东北地区汇合,强副热带西风动量的输送增强了低槽的气旋性涡度,使得冷涡切断后东移、发展。冷涡发展阶段,冷涡偏西地区有低空西北强风带,该强风带与冷涡前部东南风急流形成辐合区,降水主要发生在冷涡偏东北的辐合上升区。冷涡发展及成熟阶段,300hPa以下为一深厚的冷性涡旋,以上为一暖中心,强风带位于冷涡外缘,中心为弱风区或无风区。地形试验表明,在去除地形作用后,冷涡在后期(成熟及衰亡阶段)的位置明显偏西,出现了"回撤"现象。对流层顶高位涡(PV)气流的干冷空气下沉,插入高相对湿度区后部,高PV气流叠加在对流层低层的低θse之上,干冷空气侵入具有高PV特征。高空正PV异常中心与低层(θ/p)正异常同位相叠加,使得对应诱生的气旋性环流进一步发展、加强,冷涡加强、东移。

一次冷涡发展阶段大暴雨过程的中尺度对流系统研究

利用2009年东北暴雨试验资料、常规气象观测资料、自动站资料、FY-2C卫星资料和NCEP再分析资料,对2009年6月19日东北地区一次短时强降水过程的天气尺度环流特征、中尺度对流系统(MCS)环境场及其触发机制进行了分析,概括了此次冷涡发展阶段暴雨过程的三维概念模型。结果表明,此次强降水系统主要发生在东北冷涡的发展阶段,造成强对流天气的系统尺度较小、突发性强,具有明显的β-γ中尺度对流系统的特点。高温高湿及位势不稳定层结、低层的湿舌北伸及中层干冷空气的侵入,为MCS的发生、发展提供了非常有利的环境条件。位于高空西风急流出口区北侧和偏东北大风中心入口区南侧的暴雨区上层有强的高空辐散,与辐合区南侧的低空急流前部相互耦合,使得暴雨区上升气流增强;高空急流出口区南侧的偏南风低空急流加强了风暴的入流强度,为风暴提供了有利的风场环境和水汽条件。暴雨区西南侧中低层存在干空气侵入,使中低层干冷空气迅速向对流风暴发生区输送,形成逆温层。在强对流爆发前,中低层的逆温层与上层的干层分开,使风暴发展所需的不稳定能量得以累积,冷涡系统东移引导低层偏西北气流南下,增强了地面流场的辐合,是触发初始对流的关键因素。

地形重力波拖曳参数化对热带气旋强度和路径预报影响的研究

本文在GRAPES_TMM(Global/Regional Assimilation and Prediction System for Tropical Mesoscale Model)——中国南海台风模式版(面向南海和东南亚)中发展和引进了KA95(Kim and Arakawa,1995)地形重力波拖曳参数化方案(GWDO),并对2012年主要的9个登陆台风进行了试验对比研究,考察了不同标准Richardson数(c Ri)的GWDO试验对台风路径和强度预报的影响。结果表明,在引入地形重力波拖曳参数化过程后,模式对台风登陆时路径和强度的预报能力均要有提高,对台风预报时长越长,GWDO的影响也更为显著。对双台风"SAOLA"和"DAMREY"试验结果表明,GWDO对台风外围距台风中心150 km的对流层中下层风速减弱较为明显,减弱了GRAPES区域模式对台风强度预报偏强的现象,对台风强度长时间预报改善更为明显。不同标准c Ri对重力波拖曳力的计算较为敏感,当c Ri取1.0时,动能迅速的在低层被频散,能量无法有效地上传;c Ri取0.25时,大部分的能量在中高层被频散。总的来说,c Ri取0.75时对台风路径和强度预报改进更为显著,其结果可为业务预报提供指导意义。

基于CloudSat资料的冷涡对流云带垂直结构特征

利用CloudSat卫星资料、NCEP再分析资料和FY-2C卫星可见光云图分析了2006年7月20-24日我国东北一次冷涡过程不同时期对流云的垂直结构以及云内中小尺度的结构,发现在冷涡发展阶段的初期,暖锋对流结构表现为孤立的回波系统多,强对流深厚,对流系统体现为孤立、深厚的特征。在冷涡发展成熟阶段,回波强度比冷涡发展初期的对流系统有所减弱,且为浅薄的对流系统。冷涡系统影响下发展的锢囚锋回波系统顶部呈现独特的结构特征:东南部为干冷空气侵入造成的回波区,中部为锢囚锋主体埘流区,西北部为暖锋遇冷锋抬升作用形成的回波区。在锢囚锋尾部存在冰水含量与液态水含量分层脱象,干冷空气侵入层在5 km高度左右,在干冷空气侵入层上部为冰水含量分布的弱回波区,下部为液态水分布的弱回波区。在冷涡成熟阶段,对流系统分布在冷涡外沿,表现为孤立的对流系统,冰水含最多的埘流系统主要在冷涡的北面,而液态水主要分布在冷涡中心零度层以下。

地形重力波拖曳参数化方案在华南中尺度模式(GRAPES)中的应用试验

在华南中尺度模式GRAPES中发展KA95方案地形重力波拖曳参数化方案(GWDO),并对2012年的2月8—12日影响华南冷空气过程、8月23—24日发生在广东的局地性暴雨和5—8月共4个月的KA95方案预报试验进行检验。结果表明,KA95地形重力波拖曳参数化方案的引入,改善了GRAPES模式对冬、春季低层南风偏强和地面温度偏高的现象,一定程度上纠正了在模式积分过程中出现的南风偏差,改正了在业务预报中因南风偏强而导致温度偏差过大的现象;改善了模式对局地强降水强度和落区的预报,减小了大雨和暴雨的漏报率和预报偏差,提高了GRAPES模式对降水的预报效果。

基于CLDAS资料的恩施山区成雾潜势指标特征及成因简析

恩施地区地形复杂,是湖北省的多雾区,其雾的空间分布差异大,但该地区气象站点稀疏,难以揭示其时空分布特征。通过分析亚洲区域中国气象局陆面数据同化系统(China Meteorological Administration Land Data Assimilation System,CLDAS)陆面同化资料以及恩施站温度露点差(T-Td)及相对湿度(RH)数据,揭示了恩施山区主要的成雾潜势指标时空分布特征。结果表明:(1)RH在90%以上,T-Td≤2.0℃有利于恩施山区雾的形成;(2)基于CLDAS资料得到的成雾潜势指标与基于恩施站及其周边的3个气象站观测得到的指标的日变化趋势均较一致且相关性较好,利用CLDAS资料描述恩施地区成雾潜势的精细化特征是可行的;(3)恩施地区RH存在显著的时空差异,空间上表现为南高北低,随海拔高度变化复杂,时间上表现为低山区昼夜变化大、中高山区昼夜变化小、夜间增湿明显;(4)基于T-Td的成雾潜势指标的频率空间分布及昼夜差与RH变化规律基本一致,其中最高频率出现在中南部的中山区(800~1200 m),最低频率在北部地区的三峡干热河谷即巫山山脉的背风坡,一年之中冬季出现频率最高。

天气与气候模式中次网格重力波拖曳参数化的研究

从数值模式物理过程地形参数化研究的角度,回顾了次网格地形重力波拖曳参数化、地形阻塞流拖曳参数化和对流强迫拖曳参数化等方面的研究现状,总结概括了目前模式物理过程中关于地形参数化研究中若干亟待解决的科学问题。另外,在华南中尺度模式预报系统(GRAPES_Mars)中引进和发展了地形重力波拖曳参数化方案KA95,讨论了KA95方案对2012年2月8-12日华南冷空气过程的影响。结果表明,地形重力波拖曳参数化的引入较好地改善了GRAPES_Mars模式对冬、春季低层南风偏强和地面温度偏高的现象,显示出重力波拖曳参数化对改善模式风场预报的突出作用和对减小模式系统偏差的良好应用前景。

地形对降水的影响机理及预报方法研究进展

本文分别从观测试验分析研究、地形降水物理机制以及地形降水模拟与可预报性研究等方面回顾了近年来对地形降水观测、数值模拟和预报方法方面取得的进展。概括了近些年来开展的若干地形降水观测试验、数值模式的若干线性地形降水方案,以及模式中次网格地形参数化效应对地形降水预报的影响。回顾了包括地形维度与几何分布、水汽分布及水汽凝结效应、大气稳定性等对地形降水的影响机制,并基于线性地形降水方案,综合考虑了次网格地形阻塞效应和大气降水概率因子,利用GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式检验了新简化线性地形降水参数化方案的应用情况。指出对地形降水机理研究和预报技术的改进,需进一步开展多种地形观测试验和多源资料机理分析,研究不同尺度天气系统在多尺度复杂地形下的相互作用,改进数值模式动力、物理精度以及资料同化理论技术,以期提高对地形降水的认识水平和数值模拟能力。

东北暴雨的研究

系统性研究东北暴雨将提高对东北灾害性天气的认识,有利于加深对中国暴雨的全面研究。对我国气象工作者在东北暴雨研究方面的工作进行了综述,并回顾了影响东北暴雨的几类主要天气系统,分别为气旋、台风、冷涡,着重回顾了在过去几十年中东北冷涡暴雨方面研究的进展。指出目前待解决的问题是:影响东北地区台风暴雨强度、分布及转向问题;东北冷涡的内部结构特征及其发生发展的物理机制、东北冷涡下中尺度对流系统的结构特征与暴雨的关系;引发东北地区强暴雨过程的水汽源地等问题。这些问题需要通过今后深入和细致的加密观测分析研究,以及利用长时间卫星遥感观测资料和雷达资料的论证才能逐渐认识清楚。

基于Γ函数的暖季小时降水概率分布

我国暖季小时降水的气候概率分布特征分析是开展短时强降水概率预报的重要基础工作。本文使用1991—2009年5月1日至9月30日的小时降水资料,采用最大似然估计方法,对用于描述518个观测站点降水分布的Γ函数的形状参数α和尺度参数β进行了估算,对极端α和β分布情况下大于0.1 mm的暖季小时降水的概率密度分布状况及其累积概率密度分布函数进行了分析,并给出了多个站点基于Γ函数的超过给定阈值的降水累积概率的分布。结果表明:α和β之间的相关性高达0.975,其分布与我国的地势分布有很大的关系。Γ分布可以很好地描述小时降水的分布状况,模拟得到的结果具有更好的连续性,揭示了实况降水中不能观测到的极端降水发生的可能性;华南沿海和海南西北部为最容易出现短时强降水的区域,在有降水的情况下,其小时雨量超过10、20和30 mm的累积概率分别达到了8.0%、2.0%和0.7%,另一个常出现极端降水的区域为鲁苏皖交界处,这是强对流预报中值得注意的区域;95%累积概率密度对应的小时降水阈值分布显示,自西北向东南,极端小时降水的阈值不断增大;α与站点海拔高度之间具有很好的指数相关性,其相关系数达到了0.709,表明地形对我国暖季小时降水量的分布具有重要的影响。

热带高分辨率模式(TRAMS-V3.0)技术方案及其系统预报性能

在原模式版本TRAMS-V2.0的基础上,通过对三维静力参考大气、拉格朗日矢量投影、云降水物理和辐射等技术方案进行改进,并且针对高分辨率模式易产生强垂直运动和小尺度扰动等问题,引入水平扩散、垂直运动耗散等技术方案,同时优化模式动力物理过程各功能块的调用方式和一些技术参数,最终形成适合热带高分辨率的模式版本TRAMS-V3.0。批量测试表明,新版模式TRAMS-V3.0的预报性能明显优于TRAMS-V2.0,新版模式不仅对形势场和地面要素的预报误差较小,而且各量级降水预报的准确率也比较高,如48小时2 m温度预报RMS由原来的2.4℃降低为1.8℃,晴雨48小时预报准确率由原来的0.736提高到0.810等。基于TRAMS-V3.0建立的预报系统,实时业务应用中展现了系统在晴雨、暴雨、地面要素等方面预报的优势。并针对暴雨空漏报等问题进行了初步的分析,提出下一步技术改进的设想。

中国南海台风模式(TRAMS-v2.0)技术特点及其预报性能

中国南海台风模式（TRAMS）是基于GRAPES的非静力中尺度模式，采用半隐半拉格朗日时间差分方案，借助Helmholtz方程进行隐式求解，并在原模式的基础上，采用三维静力参考大气、非线性项分步计算、物理过程倾向隐式处理及与动力过程耦合等技术，形成新的模式动力过程计算方案。模式物理过程主要包括：长短波辐射、云微物理、湍流和深浅对流和海陆面等下垫面参数化方案，新版南海台风模式重点研发了海陆面参数化方案（SMS方案），改进了积云参数化方案（NSAS方案），并且引入地形重力波拖曳参数化方案（KA95方案）。预报模式的覆盖范围：81～161°E，0～51°N。水平格距为0．18°，垂直方向分65层，时间积分步长为100S。2015年批量试验结果表明，新版南海台风模式预报性能稳定，误差较小，与EC全球模式同样本比较，发现短时效（如0～24h）两模式台风路径预报误差水平基本相当，而较长时效（如48～72h），南海台风模式的预报误差小于EC全球模式，具备较好的业务应用价值。

对流参数化方案的改进对GRAPES模式台风预报的影响研究

将由NCEP改进之后的SAS(Simplified Arakawa-Shubert Scheme)对流参数化方案(NSAS方案)应用到GRAPES模式中,并对"启德"台风进行模拟,通过和原来SAS方案的预报结果进行比较,发现新方案对台风路径预报有显著改进。通过对NSAS方案中几个新增加的因素进行敏感性试验,发现其中对由于对流引发的扰动气压场如何影响动量输送这个问题的处理使得台风路径预报效果变差,采用动量的水平混合代替风场切变来对扰动气压场进行参数化以后,可有效改进该方案的预报效果。考虑动量的水平混合系数随高度变化可进一步改善预报结果。通过比较多个台风的预报结果发现,这种改进对台风路径预报的改进较稳定。

切变风螺旋度和热成风螺旋度在东北冷涡暴雨中的应用

引入切变风螺旋度和热成风螺旋度,并将其应用于东北冷涡暴雨的诊断分析。理论上,切变风螺旋度定义为风速垂直切变与绝对涡度矢量的点积,表示风速垂直方向的分布不均匀对涡管的扭转效应,由扭转项和垂直涡度的辐合辐散项两部分组成。热成风螺旋度是在切变风螺旋度的基础上利用地转关系和热成风关系得出的简化形式,其强度和符号取决于上升气流和暖湿空气的配置。相对于切变风螺旋度,热成风螺旋度的计算只需要单平面层的资料即可,避免了垂直差分计算,这大大弥补了台站观测中垂直层密度稀疏或者边界层的处理等问题的不足,使得计算大大简化,便于业务应用。在以上定义和理论分析的基础上,选取一次东北冷涡降水过程进行数值模拟,利用模式输出的中尺度资料,诊断分析这次降水过程中的切变风螺旋度和热成风螺旋度。分析表明,降水中心位于切变风螺旋度的正值和负值区的边界,与降水的强度变化一致;而作了热成风近似后的切变风螺旋度中的扭转项(即热成风螺旋度),与切变风螺旋度相似,也能较好地诊断降水和对流(尤其是强降水和强对流)的发展,而且其对暴雨的诊断优于传统的螺旋度。

基于雷达回波外推和中尺度模式预报的短时降水对比分析

针对2011年夏季北京四次不同类型的降水过程,利用雷达临近预报算法MTREC和中尺度数值预报系统BJ-RUC对不同类型降水的短时预报能力进行了对比分析,并总结了两者的预报性能及特点。结果表明:(1)从降水预报偏差看,对于不同类型的降水预报,在研究的降水时段内,MTREC和BJ-RUC均表现为降水预报偏强。MTREC对四次降水过程的预报偏差较为平稳,而BJ-RUC随过程差异变化较大。(2)从降水预报落区看,MTREC的预报准确性随降水过程差异明显,降水系统范围越大,预报准确性越高。而BJ-RUC总体上表现平稳,对局地对流性降水的预报能力仍然有限。(3)从整体预报性能看,对于0~6 h降水预报,MTREC和BJ-RUC在预报性能上存在交叉点。交叉点的出现时间因降水过程而异,降水范围越大、组织性越强,交叉点出现越晚。

东北冷涡的结构及其演变特征的个例综合分析

利用NCEP再分析资料、FY-2C、CloudSat云探测卫星和实况观测等资料对2009年6月27—30日出现的东北冷涡的热力动力结构、三维流场和云系演变特征进行了分析,并初步探讨了冷涡的发生、发展机理。结果表明:该冷涡冷心结构最初始于高层,随后逐渐向下伸展。成熟阶段的冷涡,对流层整层为冷心结构,冷中心位于对流层中高层,其上即平流层低层为暖心结构,中心东西两侧上升气流随高度向外倾斜,经向风趋于对称。发展初期温度槽落后于高度槽,且轴线向西倾斜,斜压性特征明显;至成熟阶段,温度中心与高度中心趋于重合,轴线近于竖直,显示出正压的特征;到减弱阶段,由于低层偏北风减弱明显,轴线又略向西倾斜。冷涡云带的产生与低层辐合带密切相关。CloudSat云探测卫星资料分析结果表明,冷涡环流内多中小尺度对流云团发展,且分布极不均匀。此次个例的研究结果揭示出冷涡的形成和发展跟对流层中上层切断低压的生成发展与对应的地面低压逐步耦合的动力学过程紧密相关,其中,冷暖气流呈旋转式下沉和上升,在冷涡中心形成偶极;对流层高层的干冷空气总是沿着等熵面从高层穿越等压面向下侵入到冷涡中心附近,干侵入使冷涡加强发展并维持其冷心结构。干侵入机制实际就是高位涡的侵入和下传,对预报冷涡的发展演变具有重要指示意义。

华南区域高分辨率模式中不同雷达回波反演技术方案的比较试验

结合一次比较典型的华南前汛期暴雨过程,对目前常用的几种雷达回波反演技术进行比较,试图得到一种适用于华南区域高分辨率模式的技术方案。首先比较了两种不同的水凝物反演技术对短期降水预报的影响,发现基于暖雨假设构造的经验公式反演得到的云微物理量进行Nudging以后预报降水比实况偏弱,而利用LAPS系统可以反演出高层的固态粒子,这些云粒子通过冰相过程可以产生强度与实况相当的降水。仅仅引入初始场的凝结物只对第一小时降水预报改进比较明显。通过对两种不同的水汽反演技术进行比较,发现1D+3D方法反演得到的水汽场并不适用于高分辨率模式,按该方法调整初始场水汽之后反而导致降水预报效果变差,而根据雷达回波调整水汽饱和的方法却可以有效提高前6小时的降水评分,这种改进主要来自降水漏报现象的减少。总体来说,结合利用LAPS系统反演云物理量以及水汽饱和调整方法是一套比较适合华南区域高分辨率模式的技术路线。