同化ECMWF短时预报场对区域中尺度模式预报的影响研究

全球数值天气预报模式的预报场常作为背景场驱动区域中尺度天气模式业务系统,其数据质量对区域模式的预报结果具有重要的影响。华中区域中尺度业务模式使用美国环境预报中心的全球预报场(NCEP GFS)作为背景场,其预报精度有待提高。为提高模式的短期预报能力,提出一种利用三维变分方法同化高质量欧洲中期天气预报中心(ECMWF)细网格预报场改善模式初始场的方法,将NCEP GFS预报场作为背景场,同化ECMWF三维格点预报要素,开展个例和批量同化试验。首先,利用探空观测对NCEP GFS和ECMWF的12 h预报产品进行误差特征统计,ECMWF 12 h细网格预报的温度、水平风场、相对湿度的均方根误差都小于NCEP GFS预报场,因此对其进行同化是可行的。然后,对2021年8月11—13日的强降水个例进行不同分辨率的ECMWF预报场同化敏感性试验。最后,基于不同敏感性试验的结果,选择1°×1°的ECMWF预报场对2021年8月进行批量同化试验。结果如下:(1)2021年8月11—13日的强降水个例同化预报试验表明,要素场预报误差得到了较为显著的改善,尤其是在模式低层;对12~36 h、36~60 h、60~84 h累积降水的TS评分具有一定的改善能力,尤其是暴雨量级。(2)不同分辨率的ECMWF预报场同化敏感性试验表明ECMWF预报场1°×1°的预报效果要优于0.5°×0.5°和0.25°×0.25°。(3)2021年8月的批量试验结果显示,同化ECMWF 12 h 1°×1°预报要素后,12 h、36 h和60 h预报的温度、湿度和风场在垂直方向上比控制试验均方根误差有所降低,降水TS评分提高明显,特别是50 mm暴雨降水TS评分,提升了13.33%,可有效改善华中区域数值天气预报系统对强降水的预报能力。

华南地区中尺度模式预报的初值影响分析

基于GRAPES3D-Var同化系统,介绍了根据静力平衡关系由高度场的增量来计算温度场的增量的方法,并结合常规探空资料同化,针对影响华南地区的一次冷空气过程的个例,分析了常规观测资料对初始场的影响。采用GRAPES区域中尺度模式进行了控制试验和同化试验,观测资料的检验表明,资料同化对GRAPES中尺度模式预报有正面影响,初始时刻预报敏感性较大并且变化较快,靠近地面的低层预报敏感性较为复杂,常规探空资料对高层大气预报能力的提高相对于中低层较小。

基于高分辨率中尺度气象模式的实际雷暴过程的数值模拟试验

雷暴数值预报的实际应用离我们还有多远?本文对此进行了尝试,即利用一个复杂的高分辨率中尺度气象模式驱动一个三维雷电模式,在只采用常规气象观测资料的条件下,对北京的一次实际雷暴过程进行模拟试验,分析了雷暴云的宏观动力、微物理过程及电结构的时空变化特征以及其可能的相互作用机制。结果表明:利用高分辨中尺度模式预报出的三维气象场作为雷电模式的初始场,完全可以不需添加虚假的扰动来触发雷暴云的发展,高分辨中尺度模式的预报场本身所包含的水平非均匀、垂直强非静力性及较强的对流不稳定信息足够促发雷暴云的剧烈发展;用较为真实的三维气象场作为初始场模拟产生的电场分布特征与云微物理分布特征及环境气象要素的分布结构非常协调,得到的雷暴云的电荷结构特征以及电结构随时间的演变特征更为复杂,更真实的体现了实际雷暴云本身发展的复杂性,同时,模式能够模拟出合理的云闪及正负云地闪,且模拟的闪电频数随时间发展演变趋势基本与观测实况基本吻合,从而表现了对雷电天气潜在的预报能力。本次模拟的北京雷暴云在发展过程中,水物质霰的最大质量比、最大正电场强度及闪电频数随模拟时间的演变发展趋势非常相似。

卫星云迹风资料对中尺度数值模式初始风场改进试验

应用GMS-5静止气象卫星云图导出的风场产品—云迹风资料对中尺度η坐标有限区域数值模式(REM)的初始风场进行改进处理,模拟了2001年7月27—28日、28—29日的降水过程,并且与没有云迹风改进的数值模拟的降水结果进行对比分析。研究结果表明,卫星云图导出的云迹风场资料同化到数值模式,从而改善因测站稀疏造成的中小尺度系统漏报的不足,提高降水的预报精度。

GRAPES中尺度模式中不同对流参数化方案模拟对流激发的研究

针对GRAPES中尺度数值模式的三种积云对流参数化方案,对华南2005年6月17～25日的降水过程进行模拟,研究了不同参数化方案中对流激发的时间和空间特征,讨论对流的激发状态和预报降水量的关系以及模式预报降水偏少的可能原因。21日的24小时降水量模拟结果显示,总体上雨带与实况接近,但中尺度暴雨中心位置不同。各方案的初始对流激发的状态及演变存在显著不同,并与各自24小时模拟降水量的分布和雨量紧密相关;同时预报对流激发的时间也不同。综合来看,SAS方案能较好地模拟对流的触发,但激发的降水在实况出现小雨和大雨的时段没有太大的区别。用KFETA方案探讨模拟降水偏少的可能原因之一是,对流层中层垂直速度偏小。

冻土过程参数化方案与中尺度大气模式的耦合

将发展的冻土过程参数化方案与耦合了NCARLSM陆面过程模式的中尺度大气模式MM5相耦合,对包括我国北方,蒙古国,东西伯利亚的高纬度地区进行了模拟.模拟时间选为北半球季节冻土生成的10月份.模拟结果表明,模式能够较好地模拟出该区域的冻土分布,并且对大气模式中海平面气压场、气温场的模拟改进显著.

中尺度模式对冬季兰州市低空风场和温度场的数值模拟

利用美国ＮＣＡＲ新一代中尺度模式ＭＭ５Ｖ３， 对山谷城市兰州冬季风场和温度场进行了数值模拟研究， 模拟结果与现有理论及观测事实基本一致， 表明ＭＭ５Ｖ３中尺度模式可用于研究山谷城市的大气边界层情况， 模式能够较好地模拟山谷城市冬季边界层的风场和温度场特征。模拟结果分析表明， 位于河谷盆地内的兰州， 冬季近地面风场是山谷风环流和城市热岛环流共同作用的结果， 冬季夜间地面流场辐合明显， 低空盛行东风， 夜间距地３００ ｍ左右， 风向转变为偏西风， 白天风向转变高度高于夜间， 大约在５００ ｍ以上； 冬季温度场逆温特征明显。

中尺度模式云降水物理方案介绍

介绍大气模式中湿过程的饱和凝结、对流参数化和显式云物理三种方法的适用条件和特点。中尺度大气模式的对流参数化和显式过程一般有多种方案 ,介绍了多种方案的主要处理方法、基本微物理过程、预报量和主要特点。对流云模式都采用显式过程 ,但不同模式的湿过程有一定的差别 ,有各自的微物理特点 ,对有代表性的云物理方案进行了叙述和分析。

中尺度暴雨模式MRM1简介及预报效果检验

介绍了近年来我们所研制的中尺度暴雨模式 MRM1的基本情况及特点 ,以及对 1 998年 ,1 999年和2 0 0 1年 6月、7月的降水集中时段进行的逐日降水预报试验及效果检验 ,并和美国著名中尺度模式 MM5进行了同一时段降水预报检验的比较。结果表明 ,它是目前国内较好的中尺度暴雨预报模式 ,在暴雨预报方面较 MM5也有一定优越性。

基于中尺度数值模式的分类强对流天气预报方法研究

针对雷暴大风、短时强降水、冰雹和龙卷等强对流天气短期预报,采用0.25°×0.2°每天4次日本气象厅(JMA)东亚地区再分析资料计算的百余类对流参数(物理量)及其15 d滑动平均值,根据"邻(临)近"原则对江苏2001—2009年2—9月各类强对流天气进行时间和站点的匹配后,应用相对偏差模糊矩阵评价技术,对上述对流参数进行权重分配和逐次筛选,获得了既体现强对流与气候平均态间明显差异,又体现自身相对稳定的特征对流参数序列。同时,根据历史分类强对流个例中各特征对流参数的频谱分布获得各对流参数的频率分布分段函数,然后基于中尺度数值模式预报的对流参数,综合历史频率分布和权重分配,构建了分类强对流天气预报概率,并以优势概率作为分类判据,做出强对流分类预报。最后建立了业务化系统,以全自动方式提供分类强对流客观预报产品,投入到日常业务和南京青年奥林匹克运动会气象保障服务工作。

AREM中尺度暴雨模式降水预报试验

简要介绍了该模式系统的主要技术特点,并利用该模式开展我国南方降水预报试验.试验结果表明:模式能正确反映我国南方夏季降水的时空演变特征;采用嵌套后模式的强降水预报能力得到提高并能给出更细致的降水结构;同时,该模式在地形处理、水汽计算等方面更适合东亚特点,与目前国内运行的业务模式相比对我国南方降水具有较高的预报能力,这为开展暴雨数值预报模式与水文模型结合,提高我国南方洪水预报能力,奠定了理论与实践基础.

中尺度数值模式MM5的四维变分资料同化系统

应用伴随方法求解以数值预报方程作为约束条件的四维变分资料同化方案 ,关键问题是如何构造伴随模式。以中尺度数值模式 MM5为例 ,讨论了如何用伴随码技术建立 MM5伴随模式 ,以及伴随模式系统中权重、尺度因子的选取 ;最后对 MM5伴随模式系统进行了梯度检验 ,并利用实际资料进行四维变分资料同化试验。试验表明该系统有较强的同化能力 ,能够提高 MM5降水预报的准确性。

中尺度模式中辐射作用的敏感性试验

在中尺度区域气候模式RIEMS中通过考虑和不考虑辐射对大气温度变化的影响来研究中尺度气象过程对辐射的敏感性。结果表明,在月尺度上,辐射可以引起平均约2℃的温度差,从而影响气压形势场和中尺度气象过程,进而影响降水。但在日尺度上,辐射的作用可以不计。

MM5中尺度非静力模式对云南省降水预报检验

根据MM 5/V3中尺度非静力模式数值预报结果 ,检验了该模式在云南 2 0 0 1年汛期 ( 6～ 1 0月 )的降水预报效果。结果表明 ,MM 5模式降水预报对云南大部地区的小雨有较高的TS评分 ,对于全省性大雨过程 ,MM 5模式 2 4小时降水预报的TS评分高于同期预报员的主观预报 ,但对暴雨及以上量级的降水预报 ,模式结果不太理想。

论中尺度运动对大尺度模式网格平均的次网格垂直通量的影响

较系统地阐述了中尺度运动对大尺度模式网格平均的次网格通量的影响方式和作用机制 ,提出了在大尺度模式中参数化次网格中尺度通量和地表次网格通量中尺度加强的思想方法 ,初步分析了这些参数化方法的缺陷和局限性 ,对几个在参数化中尺度通量和地表次网格通量中尺度加强时应重点考虑的关键因子提出了建议。最后 。

中尺度模式风电场风速短期预报能力研究

本文利用内蒙古乌兰察布风电场2009年观测记录和WRF数值模式预报,研究了中尺度数值天气模式对风电场风速的短期预报能力。研究表明:不同数值模式参数化方案的预报能力没有实质性的区别,对于不同时效的风场预报各种方案的预报能力不尽相同。在天气演变较为剧烈时,模式预报技巧相对较差。风电场周边主要天气系统对预报准确度有很大影响。就乌兰察布风电场而言,WRF模式2009年日平均预报相对误差仅为11.78%,且误差大于20%的日数占研究总天数不超过15%,具有较高的预报技巧。当蒙古气旋、东北气旋剧烈发展或风速迅速减小时风速的预报误差较大。

中尺度大气模式MM5简介

本文介绍了中尺度非静力大气模式 MM5 的动力框架、模式物理过程计算和参数化方法以及模式系统流程。

GPS观测资料应用于中尺度数值预报模式的初步研究

利用建立在长江三角洲地区GPS观测网中 11个站点的可降水量资料 ,对 2 0 0 2年 6月 2 3～ 2 4日影响长江三角洲地区的降水过程进行了MM5模式初始湿度场调整和Nudging同化试验。试验表明 :利用GPS测量的可降水量对模式初始湿度场进行调整能明显增强模式初始场描述水汽分布的能力 ,从而有效地控制模式积分初期对可降水量预报的误差 ,并对模式 6h累积降水量预报有较明显的改善作用。利用Nudging技术同化GPS可降水量资料对MM5预报效果改善较小 ,并且Nudging系数的增加对预报效果的影响不大。总体上 ,利用GPS可降水量资料调整模式初始湿度场对模式 6h累积降水预报效果的改善明显好于连续Nudging同化。试验还表明 :GPS资料对模式初始湿度场调整改善模式对累积降水量的预报主要是通过改善网格降水预报来实现的 ,而Nudging同化主要是通过改善次网格降水而提高模式降水预报能力的。

中尺度数值预报模式(MM5)在海面风场预报中的应用

本文简要介绍了在工作站上运行有限区域海面风场数值预报业务化系统的情况。该系统以MM5V3作为主要框架,选定了积云对流和边界层参数化方案,准备了三种侧边界方案,以确保有限区域海面风场数值预报业务化的运行。半年多的准业务运行表明,系统运行稳定,海面风场预报效果较好,除能直接给有关业务单位参考外,还提供给有关海洋数值预报模式使用。

中尺度数值模式的资料同化系统——(一)伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础，采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法，比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法，特别是伴随模式的构造问题；用共轭码的方法导出伴随模式；初步试验表明该系统有较强的同化能力。