快速更新循环同化系统的背景场误差协方差日变化特征研究及初步应用

目前多数快速更新循环同化系统在各分析时刻常使用固定的背景场误差协方差。为在快速更新循环同化系统中采用日变化的背景场误差协方差,基于RMAPS-ST系统分析了其夏季和冬季日变化背景场误差协方差特征,并进行了同化及预报对比试验。结果表明,该系统夏、冬两季的背景场误差协方差均呈现出明显的日变化特征,且夜间各变量(U、V、T、RH)的误差标准差与特征值均大于日间,反映模式系统夜间的预报误差大于日间;而夏季各变量误差标准差和特征值大于冬季,也说明系统在夏季的模式预报误差比冬季大;连续3 d的循环同化试验初步表明,采用日变化背景场误差协方差可以提高同化及预报效果。

CMA-BJ 2.0版逐时快速更新追赶循环同化预报系统研发及应用Ⅰ:资料同化及系统构建

介绍了CMA-BJ 2.0版区域逐时快速更新循环同化分析及短时预报业务系统在逐时更新循环和资料同化方面的关键技术特点。该系统采用分析增量更新作为初始化方案,有效抑制了初始噪声累积问题;通过充分考虑各类观测资料实际到报截断时长的差异,发展了包括循环分析和更新预报两个部分耦合的逐时追赶循环运行框架,实现了对各类观测资料充分高效的利用,也较好地兼顾了短临预报服务对逐时更新循环预报产品的时效性要求;通过在分析循环的同化背景场部分应用动态混合方案,实现了全球模式大尺度场对区域模式中小尺度热动力场发展的动态约束,有效抑制了快速更新循环预报误差累积导致的大尺度预报场变形的问题;在资料同化方面,实现了中国全国雷达反射率因子拼图资料的同化应用,并通过仅在更新预报部分开展雷达反射率资料同化以规避连续循环同化造成的水汽正向过量累积、调整雷达同化时的背景场误差的方差和长度尺度两方面的策略优化有效提升了雷达同化的应用效果;此外,在CMA-BJ 2.0版系统中实现了中国全国风廓线雷达观测资料的实时同化应用。

浙江高分辨率快速更新同化系统对夏季降水的检验评估

浙江1km高分辨率逐小时更新同化系统(ZJ1KM)基于中尺度天气数值预报系统(CMA-MESO)建立,目前已投人业务运行,系统可提供水平分辨率1km、逐小时更新、未来27时次的预报产品。相比于浙江省原有快速更新同化系统,ZJ1KM基于国产中尺度模式进一步提高了时空分辨率,并通过一系列技术方案高频同化多源观测数据,为临近预报及杭州亚运会气象保障服务提供了有效的技术支撑。针对2023年夏季、亚运会期间降水分别从不同角度对ZJ1KM展开了评估研究。结果表明,ZJ1KM能够较好地反映浙江省夏季降水的整体空间分布,预报降水整体偏强。系统对中雨、大雨的平均频率、强度预报效果要优于小雨。此外,针对系统在亚运期间的预报性能评估表明,系统对于小雨的落区、强度在提前9h的预报结果中开始趋于稳定,并且随着预报时刻临近,预报性能逐步提高。

民航华北空管两代快速更新循环同化数值预报系统的检验评估

民航华北空管气象中心自主研发了第一代快速更新循环同化数值预报系统(NMC-RAP)和更新的第二代快速循环同化数值预报系统(NMC-HRRR)。针对2020年和2021年6~8月华北区域3次大范围雷雨天气过程的雷达反射率的预报结果,从雷达回波的空间分布、航空雷暴临近预报系统(Aviation Thunderstorm Nowcasting System,ATNS)评分、主要机场对流预警的预报效果等角度,对两代快速更新循环同化数值预报系统的预报性能进行了对比分析。结果表明:1)两代系统均能较好体现雷达回波的空间分布特征,回波强度也与区域雷达拼图实况资料比较接近。对于强回波中心落区这样的关键预报,NMC-HRRR总能体现出更大的优势,与实况更吻合。2)两代系统的弱回波预报的ATNS评分均优于强回波。其中,NMC-HRRR 0~9 h内预报的强、弱回波评分整体较高,特别是0~360 min和第540分钟的强回波预报,显著优于NMC-RAP。3)NMC-HRRR在预报对飞行有影响的回波开始出现的时间方面优势明显。对5个主要机场强对流预警的整体评估,定量证明了NMC-HRRR相较NMC-RAP,在强、弱回波的定时、定点预报准确率及其时空分布的改进都是有显著效果的。

多源观测在快速更新同化系统中的敏感性试验

利用SMS-WARR快速更新同化,对三种观测资料(雷达、探空、AMDAR)进行敏感性试验。并且通过对2011年7月31日发生在上海的局地强对流过程的模拟,分析不同类型观测资料的影响。结果表明:雷达资料通过云分析优化了初始场中的水物质含量,使云的分布更合理,调整了中小尺度对流系统的结构和强度,降水落区和强度预报得到改进;探空资料在试验中仅使用了一次,但可持续影响后续时刻的模拟,500 h Pa、700 h Pa和850 h Pa高度场和风场均不同程度受到影响,相应的地面温度也发生了变化;同化AMDAR资料后,形势场得到了修正,分析场更加接近实况,改善了降水预报。

地面观测资料在快速更新同化系统中的敏感性试验

通过对2011年7月31日发生在上海的局地强对流过程,利用快速更新同化系统(SMS-WARR),设计了四个试验,对地面观测资料(常规地面观测资料、加密自动气象站资料)进行敏感性数值试验。结果表明:不同地面观测资料同化对模式初始场的调整作用不同,地面观测资料的疏密影响模式初始场预报,加密自动站气象资料同化对初始温度场、风场的影响最明显;所有试验中,同化所有观测资料的模式能较好地模拟出此次强降水过程,且模拟的地面温度场、风场以及辐合线的演变与实况基本一致;通过分析、比较各试验初始场和预报结果的影响发现,同化所有地面观测资料能改善模式的初值,且观测资料通过循环同化的方式融合进模式,提高了模式对强对流中尺度结构特征的刻画,改善了对局地强对流天气系统的预报效果。

闪电资料在快速更新同化系统中的应用研究

为了更好地应用闪电观测资料,在华中区域快速更新循环同化系统中引入适用于本地的闪电定位资料与代理回波特征的转换关系,并开展了相应的同化应用研究。针对2015年6月1日发生在湖北监利的一次强降水过程,开展了利用新、旧闪电-代理回波的对比同化试验,重点分析了引入新的闪电-代理回波转换关系对模式计算的雷达反射率、云微物理变量和降水预报的影响,并与直接同化雷达反射率进行对比。数值试验结果表明:新的闪电-代理回波关系较好地捕捉到强降水信号,通过调整初始时刻云水、雨水、云冰、云雪、霰等微物理量,尤其是提高了初始时刻雨水、云水的含量,达到调整降水预报的目的;对比降水结果可以得到在使用新的闪电-雷达回波关系后,能够有效降低漏报率,并且模式在短时间尺度可以响应出与实况更为接近的降水预报,提高短时临近预报准确率,取得了与直接同化雷达反射率相似的结果。

浙江省快速更新同化系统的建立与检验评估

浙江省快速更新同化系统(Zhe-Jiang WRF-ADAS Rapid Refresh System,ZJWARRS)基于WRF模式和ADAS同化系统(中尺度预报模式ARPS的数据同化系统)建立,每3h同化吸收最新观测资料进行短临预报。选取2014年夏季和台风"菲特"期间该系统的表现为例,评估该系统在日常降水和台风暴雨预报中的应用效果。结果表明,ZJWARRS对夏季降水的时间演变和空间分布把握较好,但预报总体偏强。对3h累计降水预报结果呈逐步修正趋势,体现了快速更新同化系统预报时效越临近效果越好的优势,预报水平较原浙江省中尺度数值预报业务系统有所提高。3h滚动更新对"菲特"路径预报修正效果明显。ZJWARRS能较好预报出台风降水强度逐渐加强后又逐步减弱的演变过程,但降水强度和范围存在低估,形态检验表明降水的结构预报和实况的相似度较高。

集合变分混合同化方案在快速循环同化系统中的应用研究

基于北京市气象局快速循环同化系统RMAPS-ST以及对流尺度集合预报系统RMAPS-EN,构建了En-3DVAR集合变分混合同化系统,将该系统应用到业务快速循环同化系统中并进行试验,分别在冷启动与循环启动环境下对比了混合同化系统(Hybrid)与三维变分(3DVAR)的同化预报效果。获得的结论如下:单点试验结果表明,混合同化系统分析增量的分布与集合预报离散度分布具有较好的对应关系;在冷启动和循环启动中,三维变分的分析增量都表现出各向同性的特点,混合同化分析增量均表现出一定的流依赖特征;降水个例分析表明,在冷启动环境中,Hybrid与3DVAR效果相当,而在循环启动中,Hybrid的降水预报相对于3DVAR有较明显的改进效果;批量试验检验结果表明,冷启动中,Hybrid与3DVAR的评分大致相当,而在循环启动中,Hybrid相对于3DVAR的评分有明显改进;集合离散度和背景场误差的相关性分析表明二者在循环启动环境下具有更好的相关性。

华东区域快速更新同化试验

基于GRAPES模式,使用快速更新循环同化技术,对华东地区五种观测资料(常规的探空资料TEMP、地面报SYNOP、飞机报AIREP、船舶报SHIPS和非常规的雷达VAD风资料)进行同化分析,通过2008年6月、7月和8月三个月的连续试验以及个例分析,初步检验GRAPES_RUC系统在上海的本地化情况。试验结果表明,GRAPES_RUC系统对小雨和中雨的预报较好,对暴雨(大于50 mm)几乎没有预报能力,这与参与评定的样本数有较大关系;GRAPES_RUC系统对形势场有较好的把握能力,总体上与NCEP分析场较为一致。总体而言,基于GRAPES模式建立的快速循环同化系统预报基本稳定可靠,且具有一定的预报能力和指导意义。模式基本能对强对流系统做出预报,但强度偏弱;而对于突发性较强的强对流系统,临近预报能得到较好的预报效果。

针对对流降水预报的BJ-RUC系统1小时更新循环方案研究

为了提高快速更新循环系统的分析和预报水平,在BJ-RUC系统中,发展了针对1小时更新循环的分步同化方案。分步同化的方案有效解决了在现有变分同化系统中如何在分析场中加入更多的对流尺度观测信息,同时保持大尺度背景场平衡的问题。该方案是将大尺度的常规观测和小尺度、高分辨率的观测资料分步同化,从不同尺度的观测中分别提取出大尺度和对流尺度的信息。以2009年北京地区夏季的4次强降水过程为个例进行同化和预报试验。结果表明,该方案在12小时的预报时效内能有效提高降水预报。对飑线个例的详细分析结果显示,分步同化方案可以使分析场中同时保留大尺度和对流尺度的信息,从而使预报的降水位置和强度等方面都更准确,降水预报评分有明显提高。

不同雷达反射率3维拼图观测资料同化对ZJ1KM预报降水的评估研究

以业务应用为目的,开展雷达反射率拼图数据在浙江省气象科学研究所数值预报业务系统充一浙江1km高分辨率逐小时更新同化系统(ZJ1KM)中的同化应用研究。基于当下业务中使用的仅涵盖浙江地区的雷达反射率数据(RF-ZJ)的预报结果,以及覆盖全国范围的中国气象局气象探测中心的天气雷达拼图系统V3.0产品(RFV3.0)同化结果,通过亚运气象保障期间一次降水个例,比较分析两套雷达反射率3维拼图数据在ZJ1KM系统中同化应用得到的降水预报情况,并定量评估雷达反射率资料同化对其预报提升的贡献程度。初次试验的结果表明:(1)增加雷达反射率资料同化对降水预报有正的反馈效果,RF-V3.0试验的降水预报结果雨强偏弱,远小于实况降水,但在一定程度上缩小了降水偏差的量值,而RF-ZJ试验能更好地再现雨带的位置和降水强度,尤其是台州南部的降水大值区和分布范围。(2)两组同化试验中降水粒子的云水和雨水的积分柱含量与雷达反射率资料的观测覆盖区域范围较为一致,其中,同化雷达反射率数据RF-ZJ试验的结果比未同化试验(RF-NONE)的结果有明显改善,而同化RF-V3.O数据的试验与RF-NONE相比增益效果不明显,在台州地区的雪水和霰粒子还有减弱的表现。(3)水凝物粒子的垂直分布表明,RF-ZJ试验的云水粒子、云冰粒子、雪水粒子和霰粒子含量在中高层有明显的增加,雨水粒子含量在500hPa以下高度都有明显的增加,而RF-V3.0试验中的各类水凝物粒子含量在垂直方向的分布较未同化的试验结果而言,存在不同程度的减少。

高分辨率WRF三维变分同化在北京地区降水预报中的应用

为迎接2008年北京奥运会,改进北京地区的天气预报,建立了一个基于三重嵌套区域(27/9/3 km)的WRF三维变分同化(WRFVar)和WRF模式的高分辨率快速更新循环同化预报(Rapid-Up-date Cycle)系统,并针对2006年8月1日发生在北京地区的强对流天气进行了一系列数值试验,结果表明:高分辨率的快速更新循环系统很好地预报出了此次强降水过程;在WRF三维变分同化里调节背景场误差和观测误差,提高了降水预报的效果;插值得出的3 km背景场误差可以作为一个合理的近似在3 km分辨率的WRFVar中使用,用户可以不必积累高分辨率的预报场去计算背景场误差,从而节省大量计算资源。3 h频次的RUC已经能满足预报要求,更高频次(1 h)的RUC并没有导致预报的进一步提高。

雷达反射率资料的三维变分同化研究

应用天气研究和预报模式(WRF)三维变分系统中一种新的雷达反射率资料间接同化方法来进行反射率资料的三维变分同化研究,评估雷达反射率资料对夏季短时定量降水预报的作用。该方法不直接同化雷达反射率资料,而是同化由反射率资料反演出的雨水和估计的水汽。以2009年夏季北京地区发生的4次强降水过程为例,考察了北京市气象局业务运行的快速更新循环同化预报系统对京津冀地区雷达网的雷达反射率资料的同化性能以及雷达反射率资料和径向风资料同时同化的效果。数值试验结果表明:(1)同化反演雨水或水汽都能改善降水预报,但同化反演水汽对降水预报效果的改善起了更重要的作用;(2)同化反射率资料能极大地提高短时降水预报的效果,其稳定的正面效果可以延伸到6 h的预报时效,而同化径向风资料不能得到稳定的正效果;(3)同化雷达资料时,应用快速更新循环同化预报系统是提高短时定量降水预报的一个有效途径。

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。

GNSS/PWV在一次梅雨期暴雨中的模式预报应用

地基全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)监测大气可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV)是一种连续获取大气水汽信息的有效手段,对于区域天气尤其是灾害性天气观测与预报有重要作用。基于长三角GNSS应用示范网,开展GNSS/PWV资料在数值天气预报模式中的三维变分同化应用试验,通过设计5个试验方案对2010年7月的一次梅雨期暴雨进行中尺度分析,考查区域地基GNSS/PWV资料在梅雨期降水过程中对初始场和预报结果的改进能力。通过预报分析表明:本次梅雨期暴雨数值模式预报加入GNSS/PWV的同化方案相比于常规资料同化方案24小时降水预报效果改善超过20%,48小时后也可提高约12%。可见GNSS/PWV资料可以很好改进观测区域内的水汽分布,提供与暴雨天气紧密联系的水汽信息,有效改善了数值天气模式中的中尺度系统移动速度的48小时预报结果,进而提高降水落区预报。

RUC产品在一次强降水预报中的应用分析

应用北京区域气象中心的快速更新循环同化预报系统(RUC)的模式产品,分析了2008年8月14日发生在北京地区的一次局地暴雨过程。结果表明,位于北京南面的对流云团在移入本市过程中进一步合并、发展,导致了本次局地强降水过程。RUC产品对局地性降水发生的时间和影响区域均有一定指示意义,比冷启动模式更有参考价值,局地非常规探测资料中包含的有利于降水的信息在8月14日03时起报的模式中起到了重要作用。

三种探空资料在各类强对流天气中的应用对比分析

使用2007和2008年5-9月常规探空资料、微波辐射计和风廓线数据构建的特种探空资料以及BJ-RUC模式探空资料计算的常用热动力物理参量,比较了在冰雹、雷暴大风和短时暴雨等强天气中特种探空和常规探空的各参量之间的差异,探讨了特种探空在强对流天气判别中定量应用的可靠性,最后选取不同强对流天气个例,详细对比分析了三种探空的物理参量在不同强对流天气发生前后的演变趋势。结果表明:(1)特种探空与常规探空的热动力物理参量在三种不同强天气中的表现基本一致。与常规探空相比,特种探空数据的时间分辨率高,各物理参量的变化特征表现更明显,能更详细地描述强天气发生前后大气状态的变化。(2)由特种探空计算的多种物理参量在不同强天气的酝酿、发展过程中差别明显,在强天气发生前3～6小时的变化趋势尤其明显,对于3类强天气的判别具有明确的短时临近预报意义。(3)与特种探空相比,模式探空的多数物理参量在强天气发生前后的变化趋势一致,低空垂直风切变最接近,而少数表征大气热力性质的物理参数的数值和转折时间仍有一定差别,尤其是模式对潜热释放过程的描述能力明显不足,几乎不能描述强对流云团发展过程中对流层中上层强烈的增温过程。因此,在使用模式探空参量制作强对流天气的潜势预报时,须辅以特种探空的实时探测数据计算的物理参量,对模式预报结果进行订正。

CMA-MESO关键技术集成及应用

基于GRAPES-MESO 10 km系统,提高模式动力框架计算精度和稳定性,选择调试适合高分辨率模式的物理过程参数化方案组合,建立面向数值天气预报的全国雷达质量控制拼图系统,通过云分析系统融合全国三维组网反射率因子拼图,建立面向中小尺度系统的对流可分辨同化系统和陆面资料同化系统,实现雷达径向风、风廓线雷达、FY-4A成像仪辐射率、卫星云导风、卫星GNSSRO、地面降水观测以及近地面资料等非常规局地稠密资料的同化应用,发展快速循环技术,建立全国3 km间隔3 h的快速循环同化预报系统——CMA-MESO(GRAPES-MESO3 km)并实现业务化运行。2020年6—9月汛期业务检验结果表明:CMA-MESO预报的近地面要素(降水、2 m温度、10 m风场)检验评分全面超越GRAPES-MESO 10 km结果;CMA-MESO的24 h累积降水TS评分略低于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的结果,但逐3 h累积降水预报TS评分尤其是对于较大降水阈值评分明显优于ECMWF结果;同时,对于能够表征模式对降水时空精细化特征预报能力的降水频次和降水强度等检验,CMA-MESO对我国汛期的预报准确率超过了ECMWF细网格模式结果。

近10年中国现代天气预报的发展与应用

近10年来,随着数值预报技术的进步,探测手段的日臻完善和丰富,以及高性能计算机快速发展和应用,现代天气预报技术取得了显著的进步,其中快速更新同化分析和预报、集合预报、概率预报以及数字化预报等新技术的应用,促进了中国天气预报业务水平的提高,在中国防灾减灾、保障社会经济发展和人民安康福祉的气象服务中发挥了重要作用。回顾和介绍了近10年中国现代天气预报新技术,主要包括基于中尺度模式的多源资料快速更新同化预报技术,提供灾害性、极端性天气预报的不确定性信息的集合预报和概率预报技术及高时空分辨率气象要素的数字化预报技术,展望未来发展趋势,以期能够对未来天气预报技术发展提供借鉴和参考。