复杂地形下地面观测资料同化I.模式地形与观测站地形高度差异对地面资料同化的影响研究

中国地形复杂,模式地形与实际观测地形存在一定高度差异,因此设计合理的复杂地形下地面观测资料的同化方案有利于使我国目前仅用作探测手段的地面观测资料(常规地面观测站和地面自动站)在中尺度数值模式中得到充分利用。作者在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析,并对地面资料同化方案设计中是否需要考虑模式与实际观测站地形高度差异进行探讨研究。研究结果表明通过近地层相似理论将地面观测资料同化到数值模式能起到一定的作用,并且地面观测资料(温度、湿度、风场、地面气压)中各物理量同化到数值模式都能影响24小时降水数值结果,但各物理量起的作用大小不一样,其中影响最大的是温度,其次为湿度;地面观测资料同化方案设计有必要考虑模式地形与实际观测站地形高度差异,适当考虑这种高度差异能取得较好的结果。

基于CMA-TRAMS模式地形高度偏差的地面气温误差订正方法研究

采用一元线性方法建立南海台风模式CMA-TRAMS地形高度偏差和地面气温预报误差的回归关系,分别开展不分级、高度偏差分级和地面气温误差分级的三种订正方法的研究,并进行订正效果评估。结果表明,模式地面气温预报误差与地形高度偏差总体呈负的线性相关关系,地面气温预报绝对误差随地形高度偏差绝对值增大而增大(对模式地形高度偏低站点尤为明显),但不同时刻地面气温预报误差特征表现不同,模式对地形高度偏高(即模式地形高于测站高度)和地形高度偏差小于50m的站点,06时地面气温(世界时,下同)预报总体偏低,对地形高度偏低大于50m的站点(即模式地形低于测站高度),06时地面气温预报总体偏高;而无论站点地形高度偏差如何,模式对18时地面气温预报总体偏高。三种订正方法中地面气温误差分级法能有效地减小地面气温预报误差,该方法订正后的分析场准确率可达96%~99%,12~48小时时效预报场准确率总体可提升至90%以上,该方法具有回归关系稳定、效果显著、适用性广、简单易行等特点。

GFS模式地形高度偏差对地面2m气温预报的影响

利用2016年1月1日—12月31日全球预报系统(GFS,Global Forecasting System)1~5 d的2 m气温预报资料,以及同期中国地面气象站2 m气温观测资料,研究模式地形高度偏差对地面2 m气温预报的影响。结果表明,较大模式地形高度偏差可严重影响2 m气温模式预报性能,导致较大预报误差。随着模式预报时效延长,2 m气温预报均方根误差也略有增加。比较模式地形高度偏差和预报时效对于模式预报性能的影响,发现模式地形高度偏差对于模式预报效果的影响更加显著。两种地形订正方案,即不做温度垂直订正的线性回归以及对温度进行垂直订正的线性回归都能显著减小2 m气温模式预报的误差,后者的订正效果更好。

一种新型高度地形追随坐标在GRAPES区域模式中的实现:理想试验与比较研究

将一种新的高度地形追随坐标(Klemp坐标)引入了GRAPES区域模式,并与传统追随坐标(Gal-Chen坐标)和平缓地形追随坐标(SLEVE,Smooth Level Vertical coordinate)进行了比较。对不同坐标下气压梯度力的计算误差通过理想静止大气试验进行了评估,结果表明:与Gal-Chen坐标和SLEVE坐标相比,Klemp坐标有效地减小了气压梯度力的计算误差。理想重力波模拟试验表明,Klemp坐标下对重力波的模拟相比其他两种坐标也更接近于解析解。模式进一步采用了Mahrer气压梯度计算方案减少了计算误差,并提高了模式的精度和稳定性。实际个例试验与理想试验的结论相似。

大气数值预报模式中高度地形追随坐标的设计研究:理论分析与理想试验

采用一种统一的地形追随坐标的形式,对Gal-Chen&Somerville(简称Gal.C.S坐标)、平缓坐标(smoothed levelverti calcoordinate,简称SLEVE坐标)等几种典型的高度地形追随坐标进行了气压梯度力计算误差影响和二维质量平流试验的理论分析,并与一种新提出的高度地形追随坐标——三角函数平缓坐标(简称COS坐标)进行比较。气压梯度力计算误差分析结果显示,与Gal.C.S坐标相比,单尺度平缓坐标(简称SLEVE1坐标)、双尺度平缓坐标(简称SLEVE2坐标)和COS坐标在减小气压梯度力计算误差上有不同程度的改进,SLEVE2坐标和COS坐标比其他两种坐标更具优势,衰减系数b和坐标转换的雅可比项对减小误差起决定性作用。二维质量平流试验也有类似的结果,与无地形的参考试验结果相比,COS坐标的质量输送计算误差最小,且经优化的COS坐标的质量输送计算误差几乎和参考计算误差完全重合,在4种坐标中最优。

伴随同化系统中用云导风修正模式地形的试验

以2002年7月23日的天气过程为例,利用中尺度模式MM5伴随模式同化系统,进行了修正模式地形高度的试验研究。结果发现,MM5伴随模式同化系统可以对地形进行修正,并得到与资料更为协调一致的地形高度。另外,利用非常规云导风资料能够比仅使用常规资料更有效地修正模式地形高度。将修正后的地形场作为模式地形,所得的预报结果比未经修正的地形有所改进。

复杂地形上扩散模式CTDMPLUS

本文介绍了美国EPA复杂地形上扩散模式的最新版本CTDMPLUS及其发展背景、模式结构、外场检验结果,并对CTDMPLUS作了一些讨论。

哀牢山复杂地形对一次夏季强降水影响的模拟

采用WRF模式模拟了云南省哀牢山区域2020年6月13~14日一次降水过程。通过不同高度的地形敏感性试验对比分析,讨论了哀牢山地形对强降水时空分布的影响及可能的物理机制。研究结果发现:1)不同高度的地形敏感性试验表明,地形高度对低涡切变线的位置有影响。2)地形升高后,中低层的假相当位温线更密集且梯度较大,水汽与不稳定能量迅速堆积,伴随的强上升运动可能会提前触发强对流天气;地形高度降低后,则假相当位温线平直且疏散;哀牢山局地抬升作用与不稳定能量较小,且不足以触发中小尺度强对流天气。3)在WSM6微物理方案下,地形高度的变化亦对云微物理过程有明显的影响。地形升高后强迫抬升作用加强,使中高层的冰晶与雪混合物在空中停留的时间更长而扩展范围逐步增大;从而产生次级环流的下沉气流,中低层云水和雨滴碰并增强,造成云水混合比减小而雨水混合比增加。

青藏高原潜热感热、地形高度与我国冬、夏季温度的可能影响

利用改进后的大气环流谱模式 (简称 SF- AGCM)进行长时间积分 ,分别在青藏高原冬季感热、潜热减少 ,夏季感热、潜热增加和地形减半等三种情况下 ,求出其相应的我国温度情况。结果表明 :夏季感热、潜热增加 ,相应次年我国冬季普遍温度升高 ;冬季感热潜热减少 ,相应次年夏季青藏高原地区温度升高 ,我国中东部区温度降低 ,只有东部沿海的温度有少量增加 ,降低最多地区在黄河中游。青藏高原地形高度减半 ,冬季青藏高原地区温度增加 ,0℃线沿青藏高原穿过黄河和长江的中上游 ,我国的东部地区温度均降低 ,降低最大处是在渤海和黄海附近的地区 ;夏季我国普遍温度都降低 ,青藏高原的西部温度降低最为显著。此外 。

影响福建沿海的0010号“碧利斯”台风暴雨的地形敏感性试验

采用MM5模式,以2000年10号(0010)台风“碧利斯”为个例,选取台风登陆前后时段,采用不同地形高度来模拟该时段台风暴雨过程.试验结果表明福建东部沿海的特殊地形对登陆福建中部沿海的台风暴雨有着明显的增幅作用.用3个不同区域每隔3h面雨量作比较,并通过对不同方案的垂直风速及不同时段的水平流场进行分析,可见其地形对台风暴雨的最大增幅作用发生在山脉迎风坡的地形坡度与气流正交速度乘积最大的时段.

三峡库区复杂地形下的降雨时空分布特点分析

根据三峡水库坝区周边10个气象站1992～2002年逐日降雨资料,先用比值法将短期考察资料延长,再通过对比、回归等方法,客观分析降雨量、降雨日数、暴雨量、暴雨日数等指标随时间(年内、年际)和地形(高度、坡向)的变化,其特点如下:三峡坝区冬干、夏雨、秋雨明显,近年降雨增多;与武汉市相比,有降雨日多但降雨量、暴雨日及大暴雨日少的特点;降雨量、降雨日数、暴雨量、暴雨日数等多随高度上升而递增;由于受南北边山地阻挡和峡谷的影响,长江以南降雨大于长江以北;水体抑制库周降雨,且夜间比白天明显,强降雨过程比弱降雨过程明显.三峡地区降雨周边山地多于谷底,蓄水后差异将更明显,使地质灾害容易发生,应引起高度重视.

两种地形追随坐标对一次强降水过程模拟影响对比分析

利用GRAPES_Meso区域中尺度模式,选择传统追随坐标(简称Gal.C.S坐标)和新的平缓追随坐标(简称SLEVE1坐标)两种高度地形追随坐标,对一次强降水天气过程进行数值模拟,对比分析两种不同地形追随坐标的影响。个例模拟结果表明,SLEVE1对降水场、风场、温度场、高度场的模拟预报均有改进;与Gal.C.S坐标相比,SLEVE1坐标通过平滑坐标面上的地形作用,减小虚假垂直速度进而减少虚假降水;SLEVE1坐标模拟的各要素场剖面图等值线上的小尺度噪音有不同程度衰减,预报要素均方根误差减小,相关系数增大;SLEVE1坐标临界衰减高度越小,模拟预报结果越好,该高度受到最大地形高度的约束。

复杂地形下非各向同性散射辐射问题的研究

本文提出了计算复杂地形下的散射辐射的一个非各向同性模式。计算值与观测值相比,误差较小。 模式中的两个参数不受地形的影响,仅与光线经过的大气中的散射物质含量有关,具有比较好的稳定性。利用这个模式,不但可以计算不同遮蔽下不同坡度、坡面的散射辐射,而且可根据短期考察进行资料延长,最后根据实测资料找到了两个参数与大气透明度、太阳高度和云量之间的关系,并且发现这个关系不依赖于所用资料的区域,适用面较广。因此,只要根据台站资料,就可以直接把本文的模式用于城市采光、太阳能资源和气候资源的计算中。

海洋卫星测高及其反演全球海洋重力场和海底地形模型研究进展

海洋卫星测高在全球和区域大地水准面建模、全球海洋重力场反演、海底地形探测、海平面变化监测、构造板块运动研究等大地测量领域至关重要。本文概述了海洋微波测高卫星的简要发展历程,重点梳理了卫星测高在全球海洋重力场和全球海底地形建模方面取得的丰硕成果,对比分析了主流的海洋重力场和海底地形模型;介绍了合成孔径雷达高度计、Ka频段雷达高度计、合成孔径雷达干涉仪3种先进微波测高技术,并分析了其各自的优缺点,表明它们将在未来若干年呈并驱发展趋势;较为系统地阐述了海洋卫星测高的另一新型技术,即GNSS反射信号测量技术的研究动态,给出了GNSS-R(GNSS reflectometry)类(试验)卫星的发展脉络和发展前景。卫星测高的发展趋势之一是多颗测高卫星的组网观测,本文概括了曾经提出的和拟议中的若干组网测高计划,扼要介绍了由我国提出并正在实施的双星跟飞测高模式;最后指出了卫星测高发展的几个主要关注点,包括双星跟飞测高和SWOT(surface water ocean topography)任务的2维海面高(差)测量、卫星测高反演海底地形与高级地形激光高度计观测数据及遥感卫星图像的结合、星载GNSS-R厘米级海面高的载波相位测量、人工智能技术在卫星测高中的潜在应用等。

基于不同地形资料的地形复杂区气象场模拟

为研究WRF模式最新默认地形资料对模式模拟气象场性能的影响,基于GMTED2010数据和高精度地形资料SRTM数据分别对南疆和天山山脉地区进行WRF模拟,并将模拟效果进行对比.结果表明:①2种数据在地形插值后的高程特征基本一致,除2 m气压在复杂地形区存在较明显差异外,2种数据对于2 m气温、2 m相对湿度、2 m露点温度和10 m风速的模式模拟效果相似;②2种地形资料对于高空气象场的模拟同样表现出非常接近的结果.由此可知,2种数据的精度差异对模式模拟结果的影响较小,GMTED2010数据对WRF模式模拟的可靠性较高,无需利用SRTM数据进行更新替换.气压对地形高度的敏感性较大且其模拟值与观测值存在一定程度的偏差说明复杂区域的地形插值误差是影响模拟精度的重要因素.

地面观测资料同化初步研究

通过对比分析当前两种地面观测资料同化方案(Ruggiero方案和郭永润方案),对其优缺点进行初步分析研究。结果表明:两种同化方案同化地面观测资料后都是从模式低层到高层对分析场产生影响,中低层高度影响比较大,高层影响较小,并且对24 h模拟结果产生一定的影响。Ruggiero方案考虑了模式地形与观测站地形高度差异,但资料剔除较多,且模式分辨率越高,资料剔除对分析场的影响越明显。郭永润方案不考虑模式地形与观测站地形高度差异,假定所有地面观测资料位于模式面,因此无论模式分辨率如何,资料都能得到充分利用,但模式地形与实际观测站地形高度差异大小在地面观测资料同化分析中的影响不可忽略,因此郭永润方案有待改进,适当考虑这两种地形高度差异时效果更好。

WRF模式2m温度在山东预报效果的评估

利用山东省内123个国家气象站2017年11月至2018年2月逐时观测地面温度对WRF模式08:00和20:00起报的2m温度进行检验,评估了预报时效为72h的逐时温度与日最低(高)温度的预报效果并初步分析了个别站点大值误差成因。结果表明:WRF模式08:00起报2m温度的准确率要高于20:00起报,白天预报的效果优于夜晚;鲁西北和半岛地区的2m预报温度的平均绝对误差总体低于鲁中和鲁南地区,全省大部分站点负误差比例高于正误差比例;WRF模式对于日最高温度的预报效果优于日最低温度;模式地形高度误差造成泰山站2m预报温度正误差较大,基于两种温度梯度方案对泰山站2m温度进行订正,订正后的平均绝对误差总体下降,利用单一的温度梯度在有的预报时刻出现负的订正效果,利用随预报时刻变化而变化的温度梯度在各预报时刻订正效果更为稳定;泰安站出现焚风时2m预报温度有较大负误差,这主要是受WRF模式泰山站地形高度误差影响;WRF模式在微山湖区域土地类型与真实土地类型存在差异是薛城站夜间2m温度负误差较大的重要因素之一。

江苏沿海“7.26”飑线大风过程诊断模拟分析

利用加密自动观测资料、EAR50.25°×0.25°再分析资料、常州和盐城SA天气雷达资料等和基于三维变分技术(3DVAR)的多雷达风场反演技术,并利用WRF数值模式,对2022年7月26日发生在江苏的一次大范围飑线大风过程进行了分析。结果表明:在此次飑线大风过程中,高空出流区辐散、低层低涡切变辐合,上干冷下暖湿的环境并且配合低空西南急流源源不断输送水汽,为对流的触发和组织化发展提供了较好的动力、水汽条件;飑线入海前,不稳定能量、垂直风切变、垂直上升和水汽条件均较好,而飑线入海后,众物理量配置较差,这与飑线在陆上的组织化发展、强度维持及入海后强度减弱的变化对应较好;飑线入海后,底层后侧入流减弱,使得干空气减少,不利于飑线维持,导致海上大风强度减弱。同时,纬向海陆热力差异变小使得海风的强度也逐渐减小,导致风场辐合效果变差,这可能是飑线系统入海减弱和其引发的海上大风风力变弱的原因之一,数值试验成功模拟了减小纬向热力差异会引发飑线对流系统的减弱。

非静力中尺度高分辨率模式模拟中的垂直坐标影响研究

近几年来,随着高性能计算机技术的高速发展,甚高分辨率的中尺度数值预报模式业务应用已成为可能,与之相关的一系列模式技术的新问题也随之提了出来,垂直坐标系的影响就是其中之一。文中借助于美国新一代数值预报模式WRF(WeatherReseachandForecast),比较了非静力中尺度模式高分辨率模拟应用的垂直坐标影响问题。研究表明,当选用几何高度(z)和气压(p)来构造地形追随坐标时,低层两坐标引起的误差基本一样,中高层高度地形追随坐标引起的误差小于气压地形追随坐标;而且分辨率越高差异愈大。高分辨率模拟结果也表明,这种差异趋势是存在的;此外,本文对天气过程的预报要素场进行了相关的分析。

ECMWF模式对陕西2016年春夏季气温预报性能评估

利用2016年春、夏季节陕西99个国家站的气温逐1h观测数据,对ECMWF高分辨率数值模式对陕西国家站0~72h逐3h和78~240h逐6h的气温预报性能进行评估。结果表明,陕西大部分地区,气温预报误差≤1℃和≤2℃的准确率在72h之前分别为30%~50%和55%~85%,96h之后分别为10%~30%和25%~55%,夏季的准确率高于春季,20:00起报的准确率略高于08:00起报。随着预报时效的增加,模式的气温预报能力和稳定性波浪式下降,日变化特征明显,23:00至次日11:00时段的预报能力和稳定性好于14:00—20:00时段。模式的气温预报值与观测值有很好的相关性,但是模式和实际观测站的地形高度差异会对气温预报质量产生较大影响。基于气温垂直变率和模式与实际观测站的地形高度差异进行的高度差订正,可以适当提高模式的气温预报水平,文中提出的几种气温预报的高度差订正方法,对陕西大部分地区的气温预报为正订正效果,但还存在一些问题,有待进一步研究。