风压平衡关系对高分辨率区域模式地面资料同化的影响分析

随着模式分辨率的提高,数值模式可分辨的短波信息增加,以地转平衡为基础的风压平衡约束关系不能完全满足低纬度地区及对流尺度高分辨率模式资料同化的需求。提出了基于多重网格方法构建1 km分辨率数值模式变分同化风压平衡约束关系的方案,基于CMA-MESO (China Meteorological Administration Mesoscale Model)三维变分(Three-Dimensional Variational Data Assimilation,简称3DVAR)和1 km分辨率中尺度区域模式开展了单点同化试验和典型个例分析。单点同化试验表明,气压和风的同化结果在没有平衡约束关系条件下比线性平衡约束下更接近观测。地面自动气象站观测资料同化试验表明新风压平衡约束关系将明显增加模式低层几十千米尺度的分析增量,其次是增加100—200 km尺度的分析增量。新风压平衡约束试验的同化分析增量相对于线性平衡约束的对照试验可以给出更多的增量中心位置,更好描述低层水汽辐合,对模式初始0—3 h降水、0—6 h地面10 m风和地面气压的模拟有改进。研究表明在大尺度风压平衡约束的基础上增加局地无风压平衡约束的订正,可以提高对流尺度天气系统地面短波信息的同化能力,改进高分辨率模式短时临近预报。

区域高分辨率数值预报检验评估系统

近年来我国区域高分辨率数值预报业务发展迅速,目前传统检验方法已不能满足高分辨率模式降水检验评估需求。区域高分辨率数值预报检验评估系统在吸收降水传统检验方法优势的同时,融入基于降水发展演变过程的检验评估方法,旨在建立一套适用于高时空分辨率观测资料的精细化降水检验评估系统,为促进区域模式改进和高分辨率数值预报产品的偏差理解提供了重要参考,也为理解区域数值预报的模拟能力及其偏差提供了新的视角。

基于高分辨率网络的全钢子午线轮胎钢丝圈区域边界分割

针对全钢子午线轮胎中纹理复杂、结构多变的钢丝圈区域边界分割困难的问题,提出一种基于高分辨率网络的轮胎钢丝圈区域边界分割方法;根据垂直投影曲线信息实现轮胎X射线衍射图像各区域的划分;利用直方图均衡化提高图像的明暗对比度,增强纹理信息;根据高分辨率网络输出的热图,基于自适应阈值方法进行边界分析,通过计算热图不同区域的阈值得到对应的二值图,统计热图中边界区域面积并筛除过小的部分,根据剩余区域重构热图并利用边界上下文信息填补被筛除的位置,从而得到整体边界分布均匀、精细的热图;在自建数据集上测试所提出方法的检测性能,通过消融实验探讨所提出的方法及其优化模块对最终边界分割结果的影响,并将所提出的方法与2种常用方法进行定量和定性对比。结果表明,钢丝圈区域的包布、反包边界分割准确率分别达到98.94%、97.23%,相对于2种常用方法,所提出的方法具有较强的稳健性和适用性。

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。

有限区域高分辨率模式的改进、发展及试验

对复杂地形条件下嵌套细网格数值模式进行了改进和发展，使之成为水平格距为５０ｋｍ，垂直分层为１１层的高分辨率模式。同时对其物理过程如积云对流参数化、边界层物理等也进行了改进，并将该模式程序优化为能在计算机工作站和微机上进行业务运行的数值预报系统。试验结果表明，改进的高分辨率模式不论对雨区范围的分布还是对暴雨中心值的预报一般都优于原模式。降水评分的Ｔｓ值高于原模式。

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。

高分辨率区域模式降水预报在云南的检验

为了解高分辨率区域数值模式降水预报在云南的预报效果和误差特点,针对华南中尺度模式、华东区域数值预报业务模式和中央气象台GRAPES-Meso模式对2017年9月—2018年12月云南降水预报进行检验分析。结果表明:华东模式降水预报效果整体最好,其降水的振幅接近实况,晴雨准确率也是最高,而华南和GRAPES模式空报率和漏报率普遍偏高。三种模式对滇东北、滇中西部、滇西北北部≥0.1 mm降水预报评分普遍较低,对滇南、滇西南、滇西边缘地区的评分普遍较高。在滇东北北部、滇中西部、及滇西北北部地区三种模式对≥10 mm降水TS评分普遍较低。对于≥25 mm降水,华东模式和华南模式在滇中、滇西地区的TS评分高于GRAPES模式。对于≥50 mm降水,华东模式和华南模式在滇东南、滇西南、滇西边缘及金沙江河谷沿线TS评分高于GRAPES模式。对于云南强降水天气过程,≥0.1 mm降水华南模式预报效果较好,但10 mm和25 mm以上量级降水华东模式的预报效果较好,≥50.0 mm则是GRAPES模式更具参考价值。

高分辨率区域海-气耦合模式:短期气候预测新的春天

在短期气候预测的研究历史上,经验统计和动力模式是两大主流预报方法,两种方法至今已经取得了相当程度的发展。通过分析两种方法各自的优缺点,提出动力模式比统计分析具有更好的发展前景,并分别论证了海-气耦合模式、区域模式和高分辨率的重要性,指出高分辨率区域海-气耦合模式是未来进行短期气候预测的良好工具。在此基础上,结合高分辨率区域海-气耦合模式的研究现状,对我们所面临的机遇和挑战进行了展望。

海量数据驱动下的高分辨率海洋数值模式发展与展望

海洋数值模式是定量描述海洋物理现象及其变化的数值模型,也是海洋与气候研究、预测的核心工具。随着海洋观测的不断投入与积累、对海洋认识的不断深入,特别是在高性能计算技术的支撑下,海洋数值模式已有了长足进步,正朝着高分辨率和多物理过程的方向发展。随着分辨率的提高、物理过程的细化,海洋数值模式的发展面临着多个方面的挑战。当前,海洋数据数量和种类不断增多,同时超级计算机、高性能计算和深度学习等技术的快速发展,为海洋数值模式的突破提供了机遇与挑战。本研究回顾了海洋数值模式的发展现状,梳理和分析了其发展中遇到的大规模高效并行计算和参数优化这两个关键问题,探讨和展望了当前海量数据驱动下海洋数值模式的发展趋势。提出计算负载均衡、计算与I/O重叠的并行流水线设计以及降低全局交换的算法改进是当前突破高分辨率海洋模式大规模高效并行效率的关键。从海洋科学、高性能计算以及深度学习深度交叉融合的角度,提出了实现海洋科学与深度学习相结合的6个途径,在此基础上,探讨了基于深度学习的参数化优化可能实现的途径。

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。

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。

高分辨率业务数值预报模式的进展

随着计算机的飞速发展,当然还有人们对大气运动过程的深入了解,数值天气预报在两个方面将得到迅速发展,这就是预报时效的延长和预报准确度的提高.欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的十天业务预报早已闻名于世.它的中期预报产品已广泛应用于世界各主要气象中心并取得十分有效的经济和社会效益.

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。

基于高分辨率模拟数据RCP4.5情景下的华中区域气候变化预估

基于RegCM4.4高分辨率区域气候模式数据和华中区域1986—2005年逐日气象观测资料,在对模式模拟性能检验的基础上,对中国华中区域未来不同时期、1.5℃和2℃温升阈值下气候变化进行预估。结果表明:模拟结果能较准确反映出区域气温、降水年内变化特征及空间分布特征;与观测值相比,气温模拟值偏低、降水模拟值偏大;与1986—2005年相比,未来RCP4.5温室气体排放情景下2020—2098年中国华中区域气温增幅为2.1℃,且以0.3℃/10 a的趋势增加,降水量无明显变化趋势;远期(2080—2098年)气温将上升2.88℃,降水将增加7.58%,均高于近期(2020—2035年)和中期(2046—2065年);1.5℃温升情景下华中区域气温上升1.22℃,降水增加1.93%;2℃温升情景下,华中区域气温上升1.36℃,降水增加3.57%。

基于不同分辨率和参数化方案的新疆区域数值模式性能初步评估

基于中尺度数值模式WRF,选取新疆两次强降水过程,设计3个试验方案,其中试验1为控制试验,试验2提高分辨率,试验3提高分辨率并调整物理参数化方案,初步评估不同分辨率和参数化方案对新疆区域2m温度、10m风速、降水预报的影响。结果表明:(1)提高分辨率对2m温度、10m风速模拟精度均有提高,2m温度预报精度提高约0.5℃,降低了日间温度模拟冷偏差;10m风速预报精度提高约0.5m/s,降低了风速模拟正偏差;但提高分辨率后,模式出现虚假降水预报的情况。(2)提高分辨率并调整物理参数化方案后,2m温度模拟误差略有减小,模拟偏差减小约0.2℃;10m风速模拟误差增大约0.5m/s,模拟偏差增大超过0.5m/s;对降水落区、量级的模拟精度显著提高,减小了降水中心的模拟强度,对虚假降水预报有一定修正。

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。

ECMWF高分辨率网格对云南区域降水预报性能的定量检验

针对ECMWF高分辨率网格的降水产品在云南山地区域适用性的问题,采用云南2016年逐24 h和逐3 h的区域站观测资料,利用平均绝对误差的计算公式,对ECMWF模式降水产品的预报性能进行定量检验。首先把降水观测资料插值成格点资料,然后将云南区域内的观测降水分布与ECWMF模式的预测降水分布进行对比,绘制每个格点上预报减观测得到的平均绝对误差分布图,最后利用区域平均法对预报质量进行讨论。结果表明,ECMWF模式对于地形相对平缓的滇中到滇东南地区,模式的误差值较小,预报质量较好;而对于地形相对复杂的山脉及河谷地区,模式的误差值较大,预报质量相对较差。随着预报时效的增加,预报误差也在增加,并且逐3 h的降水预报误差大于逐24 h的预报误差。

高分辨嵌套区域气候模式对我国中、东部地区夏季气候的数值模拟

利用引进的ＮＣＡＲＲｅｇＣＭ２ 模式在较高分辨率情况下，对我国东部地区夏季（７月） 气候状况进行了数值模拟。结果表明，模式能够较真实地再现我国东部地区夏季气候的基本状况。模拟的海平面气压场、５００ ｈＰａ 高度场、地表温度场以及对流层高、低层风场等的分布形式，都与实测场比较一致。并且较好地模拟出了７ 月中旬副热带高压的北跳。模式模拟的夏季降水场分布形式也与观测结果一致，高、低值中心都对应较好，不足之处是模拟中心值偏强，尤其是黄河上游的高值中心偏高近５ 倍，江南地区的低值中心偏低１ 倍左右，这可能是由侧边界条件引起的。位于模式区域中部的华北地区降水模拟较好，区域平均７ 月份降水为１７３ ．５ ｍｍ ，与观测结果接近。

P-σ坐标区域气候模式的垂直分辨率对模拟结果的影响

在原五层P σ坐标模式的基础上 ,发展了一个九层 1°× 1°P σ坐标区域气候模式 ,并用多年平均的NCEP再分析资料月平均场与五层模式进行了模拟对比检验。对比检验表明 ,改进后的九层模式对高度场、温度场及降水场的模拟均要优于原五层模式。对于风场的模拟 ,在冬季对流层中下层 ,九层模式的模拟要好于五层模式 ,夏季九层模式的模拟不如五层模式。但总的来讲 ,垂直分辨率的提高对P σ坐标模式的模拟具有较显著的改进效果 。