快速更新同化预报的关键技术综述

快速更新同化预报技术(简称RUC或RR)是近来针对短时临近预报应用发展的数值预报技术。回顾了国内外的发展历程及现状,介绍了关键的相关技术,主要包括:(1)绝热与非绝热数字初始化;(2)冷、暖和热启动技术与循环同化;(3)云分析技术;(4)近地面资料同化等,并阐述了快速更新同化预报技术未来的发展。

青藏高原云的研究进展

本文主要针对青藏高原云系的气候学特征、物理学特征及其相关的物理化学过程等方面的已有研究进行了综合评述,并给出了有关青藏高原云系(尤其是高云)的最新统计结果,最后还提出了青藏高原云系研究中亟待解决的一些问题。

夏季流型下青藏高原对大气低频振荡的动力作用

本文发展了一个2层原始方程谱模式,讨论了夏季流型下大尺度地形对大气低频振荡的动力作用。结论是:(1)大地形可以激发低频振荡,并具有明显的地域特性;(2)低频振荡在山地北侧为相当正压结构,南侧为斜压结构;(3)其传播具有准定常Rossby波的特征。

赴奥地利参加欧洲地球物理学会2013年年会总结

1概况2013年4月7—12日，欧洲地球物理学会年会（EGU：EuropeanGeo—sciencesUnionGeneralAssembly）在奥地利维也纳召开。来自95个国家的u167位科学家参加了此次年会，其中有4684个口头报告、8207个张贴报告和452个交互式报告。

宁夏近20年来植被覆盖度及其与气温降水的关系

利用1981—2004年的植被指数(NDVI)资料,结合实地植被调查资料,将宁夏植被类型划分4个区域,确定了各地植被指数与覆盖度的关系,分析了宁夏各区域植被覆盖度的年际变化、季节变化、植被覆盖度的面积变化及其与气温和降水量的关系。结果表明:24年来宁夏贺兰山与贺兰山东麓的年植被覆盖度呈下降趋势,中部干旱带植被覆盖度呈上升趋势;近4年来,贺兰山植被状况整体变好;贺兰山东麓植被状况整体变差;中部干旱带的植被状况夏季变差,秋季变好;南部山区的植被覆盖度整体变好。宁夏春夏季降水量是影响植被覆盖度的关键性因子,气温对植被覆盖度的影响不显著。

青海湖地区植被覆盖及其与气温降水变化的关系

使用1981年到2003年月NDVI(归一化植被指数)资料,计算了青海湖地区植被覆盖度,分析了该地区植被覆盖度的历史演变,发现其值在增大,尤其是从1996到2003年,青海湖地区的植被覆盖度都为正距平,NDVI年平均增长率为1.07×10-3。四季的植被覆盖度均为增加趋势,夏季增加最多。月平均温度与月植被覆盖度、春夏季降水与夏秋季植被覆盖度显著正相关。因此,热量条件和春夏季降水是影响青海湖地区植被生长的关键性因素。

利用CMIP5多模式集合模拟气候变化对中国小麦产量的影响

【目的】利用最新的国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)中30个全球大气-海洋耦合模式(AOGCMs)在典型浓度路径(RCPs)情景下的气候预估结果,基于集合模拟的方法评估气候变化对中国未来小麦产量的影响。【方法】气候变化对农业的影响评估通常基于未来逐日的气象资料,然而AOGCMs模拟的逐日数据存在较大的不确定性。利用"虚拟气候变暖"(PGW)的方法,将CMIP5模式预估的未来气候变化的信号与当前气候的逐日站点观测资料相结合,得到未来气候预估的逐日数据集合。结合作物过程模型CERES-Wheat,利用集合模拟的方法,以概率的形式量化表述气候变化对中国小麦产量影响的不确定性。【结果】未来中国冬春小麦代表站在其小麦生育期内的平均气温均有升高。预估21世纪末期,冬小麦代表站平均增温2.7—2.9℃,春小麦代表站平均增温3.0—3.3℃。RCP8.5情景比RCP2.6情景增温显著。预估未来冬、春小麦在其生育期内的降水量普遍增加,并随着排放量的增长,降水量表现出逐渐增多的趋势。在仅改变未来气候变化的条件下,冬、春小麦的灌溉小麦单产相对于1996—2005年普遍减产,并且随着气候变化,灌溉小麦的减产概率上升。春小麦代表站在灌溉条件下小麦减产的程度比冬小麦代表站更显著。预估到21世纪末期,冬小麦代表站在RCP2.6情景下减产2%左右,在RCP4.5情景下减产6%左右,在RCP8.5情景下减产9%左右,减产概率超过85%。预估春小麦代表站在RCP2.6情景下减产5%,在RCP4.5情景下减产8%以上,在RCP8.5情景下减产15%以上,减产概率超过90%。在雨养条件下,冬小麦代表站的小麦单产相较于1996—2005年显著增产。预估到21世纪末期,冬小麦代表站在RCP2.6情景下增产21%以上,在RCP4.5情景下增产22%以上,在RCP8.5情景下增产25%以上,增产概率超过90%。【结论】利用PGW方法获得未来气候预估的逐日数据集合有效的保留了当前气候的天气信息,尤其是极端天气事件的信息。利用集合模拟的方法评估未来气候在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下对中国小麦单产的影响,表明在灌溉条件下,随着排放量的增加,气候变化导致中国小麦单产减产的概率逐渐上升。雨养小麦单产集合的不确定性较灌溉条件大。

上海城市化进程导致的局地气温变化特征

选用上海地区11个气象观测站建站至2006年逐日平均、最高、最低气温、水汽压、气压及相对湿度资料,分析了上海地区气温受城市化进程的影响、热岛效应的年代际演变及与之相关的极端天气事件。结果表明:上海地区城市热岛效应非常显著且范围不断扩大;近年来,年平均热岛中心有向南转移的趋势;受城市影响,中心城区高温热浪事件频发;上海地区空气水汽含量呈下降趋势,非热岛区中空气含水量下降趋势更加明显;在历年热浪事件中,平均气温的变化幅度不大,但露点温度明显下降,局地气候有"暖干"化趋势。

SMS-WARMS V2.0模式对中国西南地区降水预报能力的客观检验

本文采用标准降水检验方法、EDI方法和MODE方法对新一代上海区域中尺度模式SMS-WARMS V2.0模式2015年12月至2016年11月的西南地区降水预报效果进行评估。结果表明:(1)模式对西南地区四季的降水TS评分均较高,夏季和秋季相对更高,且在48 h内预报性能比较稳定。(2)预报偏差和TSS评分显示,模式对西南地区春、夏两季的各个量级降水预报均较实况偏多,而对秋季的大暴雨和冬季的大雨以上量级预报则相对偏少。总体而言,对西南地区的降水技巧呈现出预报成功率高于空报率的特征。(3)模式对西南地区的小雨、暴雨和大暴雨预报评分优于EC模式。(4)EDI检验显示模式对西南地区的极端降水有较高的预报技巧,对四川中部和东北部以及贵州西南部的极端降水预报技巧相对更高。(5)模式对2015年8月一次西南涡诱发的暴雨过程的空间落区预报较好,强度较实况偏强。(6)MODE方法统计结果表明,模式对西南地区暴雨预报的目标质心偏差较小,降水中心强度偏强。

SMS-WARMS V2.0模式预报效果检验

对新一代上海区域中尺度模式(SMS—WARMS V2.0)系统预报结果进行了统计检验,检验量包括降水、2 m温度场、10 m风速、500 hPa位势高度场和850 hPa温度场、风场和相对湿度。结果表明:新一代模式的预报性能得到明显改善,模式各量级降水的TS和ETS评分都有提高,说明模式对降水事件发生的捕捉能力进一步增强了。分析2 m温度场的均方根误差及预报准确率发现新版业务模式的2 n、温度场预报优于原业务模式。此外新业务模式的10 m风速预报的均方根误差的逐月和多月平均值都低于原业务模式。高空形势场检验结果显示,新业务模式埘500 hPa位势高度场和850 hPa温度场的预报都优于原业务模式,850 hPa风场预报相关系数高于原业务模式,850 hPa相对湿度提高不明显。个例分析表明,新版业务模式强降水预报产品相对于原业务模式产品埘大气预报更具参考价值。

2016年6月23日江苏阜宁龙卷的高分辨快速更新同化预报与分析

基于3 km水平分辨率的第二代华东快速更新循环同化预报模式系统,对2016年6月23日江苏阜宁龙卷个例预报结果进行了分析,通过螺旋度的时间演变等讨论了龙卷母体—对流单体的发展过程,并对比了有无同化的预报结果。结果表明,快速更新循环同化系统在阜宁附近模拟出了类似龙卷母体的涡旋结构,同时伴随有剧烈的上升运动,模拟的发生时间与发展过程与实况基本吻合。但模拟的涡旋发生在江苏阜宁北侧,与观测相比偏差20多公里,且最大地面风速较实况小。进一步分析表明,该对流单体从中层上升运动开始,随着上升区向上和向下发展,首先在中高空出现剧烈的上升运动,z螺旋度增大,高层辐散加强,x螺旋度增大,随后中低空的垂直运动也增强,y螺旋度增大,低层辐合增强,最后随着高层辐散和垂直运动的减弱,低层涡旋减弱并消散。北京时间14:00没有进行观测资料同化预报结果中,在阜宁附近没有预报出类似的对流单体,表明逐小时循环同化对此次龙卷天气的模拟起着关键作用。

有关东亚夏季风北边缘的定义及其特征

采用欧洲中心(ECMWF)44年再分析(ERA40)日总可降水量(TPW)资料,用标准化可降水量指数(NPWI)定义了夏季风北边缘,并进一步研究了亚洲夏季风北边缘的气候特征及其年际、年代际变化特征。结果表明,用标准化可降水量指数定义的夏季风北边缘在亚洲可以确定出印度夏季风系统和东亚夏季风系统;就夏季风北边缘的平均位置而言,其在100°E以西沿青藏高原南侧呈东—西走向,年际变化极小;在100°E以东呈东北—西南走向,从青藏高原东侧北上经西北地区东部、华北地区北部、东北地区西部延伸到东北亚地区,并存在明显的年际、年代际变化。

近58年来登陆中国热带气旋气候变化特征

利用1949—2006年《台风年鉴》和《热带气旋年鉴》资料,主要分析了1949—2006年登陆中国热带气旋的频数、登陆位置、登陆季节延续期和登陆强度等要素及其概率分布的年际和年代际变化特征。结果表明:近58年来,登陆中国热带气旋年频数有减少趋势,但登陆时达台风强度的年频数变化不明显;按登陆地点分区统计发现,登陆华南地区的热带低压及(强)热带风暴年频数以减少为主,而登陆东部地区的热带气旋年频数变化不明显。登陆点历年最北位置(最南位置)有南移(弱的北移)趋势,导致登陆点历年南北最大纬度差逐渐减小,这表明热带气旋登陆区域更为集中,在23°—35°N增多,而在35°N以北和23°N以南以减少为主。登陆中国热带气旋季节延续期缩短了近1个月。热带气旋年平均登陆强度及其概率分布偏度有增加趋势,表明登陆的强台风有增加;登陆中国华南和东部地区的台风强度都有增强趋势,前者比后者趋势更明显。另外,热带气旋年最大登陆强度差长期呈现减小的趋势。

夏季青藏高原与热带西太平洋下垫面热源异常对中国短期气候的影响

本文利用一个两层全球大气环流格点模式进行了控制试验、青藏高原地表反照率增加及热带西太平洋海温升高等三个数值试验,以研究夏季这两个地区下垫面热源异常对短期气候变化的影响。结果表明,高原地面热源减弱将造成海平面气压场上亚洲大陆低压减弱;高原及其以西地区500 hPa高度下降,黄河以北地区高度升高;同时高原地区、江淮流域以及黑龙江流域降水减少,但从北疆、内蒙到辽河流域以及我国西南局部和东南沿海地区降水增加。热带西太平洋海温异常带来的变化与此不同.文中还就下垫面热源异常在短期气候预测方面的可能应用等问题进行了讨论。

华东地区气温变化对居住建筑能源消耗的影响研究

基于1961-2007年华东478个测站和2010-2039年RegCM3模式模拟的日平均气温资料,分析了华东采暖度日和制冷度日时空变化特征及其与气温变化的关系。结果表明,1961-2007年期间,华东采暖度日呈先增加后减少的变化趋势,制冷度日则呈先减少后增加的变化趋势。在2010-2039年期间,华东采暖度日将继续减少,制冷度日将继续增加。空间上,整个华东采暖度日在过去47年间和未来30年间基本都减少,并且北部减少多于南部。制冷度日在过去47年间以长江三角洲、浙江东部和福建增加最为明显,在未来30年间则以华东中西部增加较多。华东采暖和制冷度日的变化与气温变化密切相关。在过去47年间,由于气温升高华东采暖度日减少了7%,制冷度日增加了17%。未来30年间,华东气温将继续显著升高,采暖度日将减少8%,制冷度日将增加30%。

基于快速更新同化的滞后短时集合预报试验及检验

本文基于华东区域中尺度快速更新同化数值预报模式系统(Shanghai Meteorological Bureau-WRFADAS Rapid Refresh System,SMB-WARR),应用时间滞后法进行集合预报试验,试验由7个集合预报成员组成,进行逐小时预报,预报时效为6 h。本文通过对2011年6月17日至9月30日期间降水过程进行集合预报试验,引入面雨量对降水预报进行检验。结果表明:(1)小-大雨量级,集合平均优于集合成员预报,但暴雨量级集合平均不及部分集合成员预报。(2)不同的降水量级,并非都是最接近预报时刻,技巧最高,小-大两量级的降水可以提前6 h预报。(3)降水概率预报优于集合平均预报,具有很好的指示作用。可关注最接近预报时刻,小-中雨以上的降水,预报概率较大时,其可用性较大,而大-暴雨以上的降水,预报概率较小时,可用性较大。

2008年1月我国南方冻雨过程的热力异常及其形成原因

利用中国604个地面台站的气象观测资料和NCEP 2.5°×2.5°再分析各等压面温度和环流场资料,从地面和大气垂直热力结构配置及其气候异常的角度出发,诊断分析了2008年1月我国南方雨雪冰冻过程的形成。结果表明,冻雨受灾的核心区域约为108°～113°E和25°～28°N范围,在该区域内2008年1月平均地面气温<0℃,相对于常年明显偏低4～6℃,有利于冻雨的形成。同时,冻雨的形成还与大气垂直热力结构密切相关,一方面,由于在850～400hPa之间南方暖湿气流的不断输送,使得850～600hPa之间的平均大气温度明显偏暖,平均气温>0℃,有利于形成降雨;另一方面,在1 000～850hPa之间受北风气流控制,大量的冷空气有利于地面维持持续的低温,导致雨水到达地面后形成冻雨。从年际气候异常的角度来看,2008年1月高层表现出异常强劲的南风,温度较常年明显偏高,低层的北风也强于往年,温度较常年偏低,导致了2008年出现近几十年来少有的雨雪冰冻灾害事件。

背景场云凝结核浓度对理想热带气旋强度的影响

采用中尺度模式WRF中"Aerosol-aware"Thompson云微物理方案,分别进行了干净、污染、重度污染大气情景下的3个试验,研究了背景场凝结核浓度对理想热带气旋(Tropical Cyclone,TC)强度的影响。结果表明,凝结核增加导致TC强度减弱,而最大风速半径和外围风圈半径变化不明显。不同试验眼墙降水的时空分布差异较大,但降水总量的变化较小。重度污染大气下的云滴数量远大于干净大气下,不同试验中水物质变化及其形态间转换的分布存在较大差异。正是这种差异导致了不同的潜热加热分布特征,与热力动力过程作用,对TC强度产生了不同影响。如重度污染下发展的TC外围潜热增加,减少了和TC中心的气压梯度,导致水平方向气压梯度力减弱,TC强度减弱。TC减弱和外雨带的发展也密切相关,外雨带降水过程中,形成地面冷池流入TC眼墙,可导致TC强度减弱。这表明"Aerosol-aware"Thompson方案对气溶胶影响描述较为合理。

夏季青藏高原地面热源对黄河上游流量及径流的影响

根据夏季青藏高原热源变化与黄河上游流量密切相关的统计事实,用一个大气环流模式(GCM)进行了夏季青藏高原热源强度变化对径流影响的数值试验。结果表明,高原热源减弱则径流减少,流量也随之下降。可见,夏季高原热源变化是导致高原地区乃至黄河上游流量变化的重要原因之一。

对流尺度数值预报中的云物理初始化方法改进及个例试验

通过在云初始化方案中增加由地表感热和潜热通量确定的对流尺度速度作为对流判据,同时增加层云云冰、云水计算方案,改进云分析方法,并基于第2代华东快速更新循环同化模式预报系统,针对2015年4月28日华东强对流个例,进行对比试验,分析了改进的云初始化方案对云分析结果和模式预报效果的影响。试验表明:在云分析中增加对流判据,使得平均40%左右的云分析格点判定为非对流格点,对流格点分布与正的感热通量分布相似,在陆地上有显著日变化。在对流和层云格点判定之后,增加层云云冰、云水计算方案分析层云格点,显著地减小了模式初始场的云冰、云水混合比,有效地减弱了模式积分初始阶段云冰、云水含量的剧烈调整,尤其是在陆地区域。采用改进的云初始化方案进行预报,可以减少模式前1 h和前6 h的降水强度;尤其在个例的循环试验中,强降水中心强度和面积的预报比原方案显著减弱。