青岛奥帆赛高分辨率数值模式系统研制与应用

该文初步建立了青岛奥帆赛高分辨率数值模式系统(包括预报模式和释用模式)。预报模式基于Weather Research &Forecast(WRF)模式V3.0,模式设计为网格数60×50×38,水平分辨率500m。在IBM小型机上用8个线程作15 h预报所需机时约为1 h 20 min,可满足实时业务预报需要。利用高分辨率边界层模式和城市小区尺度模式对该预报结果进行了动力释用(水平分辨率分别为100 m和10 m)。该模式系统于2008年夏季进行了实时运行试验,模式产品在北京奥运气象服务中心青岛分中心使用。结果表明:该模式系统有较强的稳定性和实用性,对城市热岛、海陆风、地形及建筑物影响等局地环流特征有较好的模拟效果。数值试验分析表明:城市化引起城市热岛效应,增大了海陆温差,使海风加强;城市建筑物拖曳作用使风速减小,从而使海风推进速度减缓;精细下垫面资料的引入对海风等局地环流高分辨率数值模拟至关重要。

高分辨率数值模式在强对流天气预警中的业务应用进展

结合高分辨率数值模式的业务发展及笔者在使用高分辨率数值模式中的一些经验,分析和总结高分辨率数值模式在强对流天气预报和预警中的国内外应用现状和发展趋势,并通过2014年一次强风雹过程的产品应用分析,指出高分辨率模式产品在业务应用中的两大优势:增加预报员的预期能力;有助于精细化预警和延长预警时效。论文还探讨了高分辨率数值模式在业务应用中需要注意的问题。最后,就我国天气预警业务如何快速从"基于观测分析"向"基于模式预报分析"过渡提出了一些建议,包括尽快建立灾害性天气测试平台、重视高分率数值模式的产品后处理研发和加强针对预报员的数值预报理论及相关技术培训。

边界层参数化方案中局地与非局地混合在高分辨率数值预报模式中的作用和影响

为研究不同边界层参数化方案以及局地混合作用和非局地混合作用在高分辨率数值预报中的作用与影响,基于第二代华东区域中尺度数值预报系统,对两次暴雨天气过程进行了模拟。通过对模拟结果中各边界层物理量进行对比分析,主要结论如下:(1)参数化方案中非局地作用越强,模拟出的边界层垂直湍流混合作用越强,混合层深厚,其中动、热能和水汽的垂直输送也较强,位温垂直廓线在白天也更为稳定。(2)非局地混合作用在强降水过程中使湍流混合作用更强,可产生更多降水,其对大雨及以上量级的降水效率影响最大,局地混合作用对小量级的降水效率影响较大。(3)使用了边界层参数化方案后近地层物理量的日变化较未使用边界层参数化方案时更加明显;而海洋区域各方案均无明显日变化。

ECMWF高分辨率数值模式对广安地区气温预报性能检验分析

为了解ECMWF高分辨率数值预报模式(以下简称"EC")对广安地区气温的预报性能,提高预报质量。利用EC气温预报产品,对2015～2017年广安地区最低(高)气温进行预报性能检验。结果表明:EC模式预报最低气温,正确率较高;预报最高气温,正确率波动大,随月份呈明显的"V"型变化,盛夏7、8月最低。预报误差随时效延长,略有增大;最低气温误差小于最高气温误差;最低气温误差各月无明显差异,最高气温误差在盛夏7、8月最大。最低气温预报效果区域差异不明显;最高气温预报效果受地形影响较大。根据订正指标,进行气温订正预报,可有效提升预报正确率。EC模式预报高温时的最高气温偏小,经过订正后,各站各时效正确率均明显提高,正确率提升20. 6～91. 3%,具有较高的参考价值。

ECMWF高分辨率数值模式对广安地区暴雨预报性能检验分析

为了解ECMWF高分辨率数值预报模式(以下简称"ECMWF")对广安地区暴雨的预报性能,提高预报质量。利用ECMWF模式资料、广安地区4个国家观测站和160个区域自动站的逐日降水资料,对2015—2017年广安地区出现的34次中雨及以上量级降水(其中14次暴雨)天气过程进行分析。结果表明:直接以ECMWF暴雨预报结果进行暴雨预报,易出现漏报,评分质量较低。当ECMWF预报满足:中、短期均预报降水R≥50 mm;中期预报R≥25 mm、短期预报R≥50 mm;中期预报R≥50 mm、短期预报R≥25 mm;中、短期均预报R≥35 mm 4个订正条件之一时,进行订正预报暴雨,评分高,空、漏报率低,命中率高,可有效提高暴雨预报质量。同时,ECMWF在暴雨的持续时间、强降水时段、落区和面雨量预报中均有良好的预报指导意义。

中国海高分辨率业务化风暴潮模式的业务化预报检验

国家海洋环境预报中心建立了中国海高分辨率风暴潮数值预报模式,模式在水平分辨率和网格的嵌套方面都较以往的业务化模式有改进和提高。自2003年起将模式投入业务化运行以来,连续三年共对11个台风风暴潮过程进行了跟踪预报,并将数值预报结果与实测资料相对比。本文将对预报模式三年来的预报结果进行检验。

用探空资料检验中尺度数值模式对强对流天气的诊断分析能力

提高对流天气临近预报准确率的关键问题之一是了解大气的垂直稳定度和垂直风切变。中尺度数值模式产品提供了高时空分辨率的大气稳定度和垂直风切变信息,需要首先检验其精度才能进一步考虑其在对流天气预报中的应用。利用北京加密探空资料检验北京市气象局3km分辨率的MM5模式结果,对强对流天气的背景参数包括温湿风垂直廓线、对流有效位能CAPE和垂直风切变进行模式分析和预报与探空对比检验。结果表明模式模拟的各种大气廓线中,风廓线和温度廓线都具有一定的参考价值,与实况有较好的一致性,但在廓线出现转折的地方,如逆温层和风向转折时,模式预报较差。露点(湿度)廓线的预报误差较大,不能反映出真实水汽场的分布。因此,模式预报的深层(地面至500hPa)垂直风切变与探空具有较好的一致性,而模式给出的对流有效位能CAPE由于露点预报结果不理想,其值与实际偏差较大。因此模式输出的对流有效位能CAPE必须经过适当订正才能用于诊断强对流天气发生的可能性。

GRAPES_GZ 3 km模式对2019年海南岛暖季非台风降水预报的时空检验

利用基于目标诊断的空间检验方法(MODE)和时空检验方法(MTD)评估了华南3 km高分辨率区域数值模式(GRAPES;Z3 km)对2019年海南岛暖季非台降水预报性能,结果显示:(1)模式24 h累积降水预报的空间分布范围偏大、降水强度偏强;(2)模式逐小时降水预报的平均质心总体偏西和偏北,降水出现时间总体偏早1~3 h,结束时间总体偏晚2~4 h,降水持续时间偏长;预报的降水目标数量偏多,与实况一致均存在着主峰和次峰形态的昼夜分布特征,但预报的昼间主峰出现时间比实况偏早2 h;预报的短时强降水出现频次总体偏多。相对于传统的预报和观测点对点检验评估方法,MODE和MTD方法具有捕捉模式预报偏差特征的优势。

大气科学的世纪进展与未来展望

今天的大气科学已从20世纪初经验的阐述转变为既有理论基础又有客观定量化的一门数理学科,其发展步伐在近50年来不断加快.文章回顾了近百年来大气科学在探测、数值天气预报和气候研究3方面所取得的主要成就,并对大气科学在21世纪的潜在发展作一展望.大气探测、计算能力和信息输送方面的技术进步无疑是近代和未来大气科学迅速发展的巨大动力.这些技术进步促使数值模式分辨率在不断提高,越来越多的实测和卫星等遥感资料在通过反演和同化进入模式初始条件和全球气象分析场,模式物理过程和参数化逐步趋向现实,从而使全球和区域数值预报水平持续提高.同时对大量观测资料的统计分析和许多气候子系统耦合模式的若干试验,大大提高了对造成气候变化和影响的物理、动力机制的认识;特别是对全球气温变暖,其中人类活动的影响,以及ENSO的发生、发展和消亡的机制和过程的认识.近期数值天气预报则趋向于模式发展的统一、预报时效的增加和对有足够成员且有代表性的集合预报的日益重视.气候研究将致力于减少各物理和化学过程参数化、分辨率等因素在模式中的不确定性,逐步达到跨月、季节直至年代际气候变化的合理预测.可以预言在不久的将来,地球-空间系统各变量的观测和预报将逐步数字化、自动化,人们可提前3～5 d得知灾害性天气发生时间和地点的概率,人工影响天气等学科在21世纪将会有突破.同时,可以看到世界各国共同协作建立地球-空间综合观测系统,发展能'包罗万象'的地球-空间-减灾的统一模式.然后综合利用大量观测和模式资料,及时掌握地球-空间系统中的各尺度变化规律,以确保人类社会的持续发展.

雷暴与强对流临近天气预报技术进展

临近预报指0—6h(0—2h为重点)的高时空分辨率的天气预报,预报对象是该时段内出现明显变化的天气现象,主要包括雷暴、强对流、降水、冬季暴风雪、冻雨、沙尘暴、低能见度(雾)、天空云量等,其中,以雷暴和强对流天气的临近预报最具挑战性。综述了针对雷暴和强对流天气的以主观预报为主、结合客观算法的临近预报技术,同时讨论了高分辨率数值预报模式在临近预报中的应用。主观临近预报技术包括基于多普勒天气雷达观测数据并结合其他资料(常规高空和地面观测、气象卫星云图、快速同化循环的数值预报产品等)对雷暴生成、发展和衰减,特别是对强对流天气(包括强冰雹、龙卷、雷暴大风和对流性暴雨)的临近预报,客观算法包括几种应用最广的雷达回波或云图外推算法和强对流天气识别技术。高分辨率数值预报模式的应用包括与雷达回波外推融合延长临近预报时效,与各种观测资料融合得到快速更新的三维格点资料为雷暴和强对流近风暴环境的判断提供重要参考。

尺度适应的对流参数化方案对一次华南飑线模拟的影响

尺度适应(scale-aware)的物理过程是现代数值预报发展的一种趋势,本文针对GRAPES_Meso(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)模式没有考虑物理过程尺度适应的现状,首先在KFeta(Kain-Fritsch Eta)积云对流参数化方案中引进了尺度适应过程,对该方案的对流时间尺度、格点垂直速度以及夹卷率进行了基于尺度适应参数化的改进。为研究尺度适应KFeta方案与原KFeta方案对不同分辨率模式模拟结果的影响,选取了一次华南飑线过程进行数值模拟和影响分析。结果表明:在3 km、5 km、10 km、20 km水平分辨率的GRAPES_Meso模式中,尺度适应KFeta方案相比原方案,对降水强度及落区分布的模拟有一定的正效果,随着模式水平分辨率提高,次网格降水减少、格点降水增多、对流层中低层夹卷略有增强,对原来存在的对流层高层及低层偏冷的偏差有一定的改进,对流活跃区域的上升气流强度、云中水凝物含量更符合真实的天气系统演变。综合来看,改进后的方案更适用于高分辨率数值预报模式,该研究结果可以为尺度适应对流参数化方案的应用及数值模式强降水预报性能的优化提供有益的参考。

WARMS 2.0中边界层参数化方案对一次台风外围降水模拟预报的影响

为分析高分辨率数值预报模式下不同边界层参数化方案对降水过程的模拟结果及边界层参数化方案中局地混合与非局地混合作用对模拟结果产生的不同影响,利用华东区域中尺度数值预报系统WARMS 2.0,使用不同边界层参数化方案对一次台风外围强降水过程进行模拟,得出主要结论:非局地混合YSU方案对强降水中心位置的模拟能力最好,且对台风雨带结构的模拟更准确明显,但模拟降水的强度偏大;局地混合MYJ方案容易产生小量级虚假降水;未使用边界层参数化方案时的模拟能力最弱,降水范围小、强度弱,与实况相比差异较大。在对强降水过程进行模拟时,非局地混合方案在垂直方向上的湍流作用更强,模拟的强降水范围和强度均大于局地混合方案。由降水检验来看,非局地混合YSU方案的预报技巧优于其他方案,易模拟出较大量级降水,而局地混合MYJ方案更容易预报出较小量级的降水。

ECMWF对广安地区晴雨预报性能检验及订正方法分析

为了解ECMWF高分辨率数值预报模式(以下简称"EC")对广安地区晴雨预报性能,分析订正方法,提高预报质量,对2015—2017年广安地区72 h内的EC晴雨预报进行预报性能检验。结果表明:72 h内EC晴雨预报准确率整体较高,空报率是影响预报准确率的主要因素;预报准确率夜间高于白天,空报率夜间低于白天,且随着时间的延长,准确率呈下降趋势,空报率呈上升趋势;漏报率低,且无明显的时效变化。根据订正指标进行订正预报,平均准确率为79.2%~84.0%,较未订正前上升5.3%~21.5%,具有较高的参考价值。