基于邻域法的高分辨率模式降水的预报能力分析

利用2011—2013年ECMWF、日本、T639高分辨率模式降水预报数据,CMORPH（NOAA Climate Prediction Center Morphing Method）卫星与自动站逐小时降水融合资料,基于邻域法FSS（Fractions Skill Score）、ETS（Equitable Threat Score）评分指数,分析模式的降水预报性能。（1）暖季（5—9月）三家模式对小雨量级降水预报频率偏多,随着降水量的增大,模式预报频率逐渐减小,降水阈值10.0 mm左右时,预报频率接近无偏,FSS趋于1,其中T639模式受尺度变化影响最大。（2）对ECMWF模式来说,降水阈值小于5.0 mm时,增加空间尺度,能够同时提高降水量级、范围的预报准确率,对5.0 mm以上量级降水,增加尺度不利于提高ETS评分;对T639模式来说,调整邻域空间尺度对降水FSS、ETS评分影响不大。（3）ECMWF、日本模式分别在局地性、系统性降水上有较好的预报表现,使用较大邻域来评定局地性降水并不合理,但对系统性降水来说,50~110 km的空间尺度能够取得较好FSS评分。（4）不同月份上,三家模式的降水量级、范围的预报技巧评分不尽相同,整体来说,三家模式均在7月降水量级预报最合理。

华南区域高分辨率模式中不同雷达回波反演技术方案的比较试验

结合一次比较典型的华南前汛期暴雨过程,对目前常用的几种雷达回波反演技术进行比较,试图得到一种适用于华南区域高分辨率模式的技术方案。首先比较了两种不同的水凝物反演技术对短期降水预报的影响,发现基于暖雨假设构造的经验公式反演得到的云微物理量进行Nudging以后预报降水比实况偏弱,而利用LAPS系统可以反演出高层的固态粒子,这些云粒子通过冰相过程可以产生强度与实况相当的降水。仅仅引入初始场的凝结物只对第一小时降水预报改进比较明显。通过对两种不同的水汽反演技术进行比较,发现1D+3D方法反演得到的水汽场并不适用于高分辨率模式,按该方法调整初始场水汽之后反而导致降水预报效果变差,而根据雷达回波调整水汽饱和的方法却可以有效提高前6小时的降水评分,这种改进主要来自降水漏报现象的减少。总体来说,结合利用LAPS系统反演云物理量以及水汽饱和调整方法是一套比较适合华南区域高分辨率模式的技术路线。

日本高分辨率模式对中国降水预报能力的客观检验

利用2012年4月1日-8月31日中国2419个台站逐6 h降水资料、CMORPH(NOAA Climate Prediction Center Morphing Method)卫星与中国3万余个自动站逐时降水融合资料,基于客观统计方法,分别检验了日本高分辨率模式对中国逐6 h、12 h和24 h分段站点、格点降水的预报能力。结果表明:(1)模式晴雨预报技巧随分段间隔的增加整体增加,暴雨预报技巧在12 h分段表现相对较好;(2)就站点检验来说,模式晴雨预报的降水频数高于观测,6 h和12 h分段暴雨预报低于观测频数,24 h分段则与观测基本一致,通过计算调整阈值可以明显改善技巧评分;(3)6 h分段降水标准差比值<1,出现预报为中雨,而观测为暴雨或小雨的概率增大,24 h分段则相反;(4)整体而言,模式对东南地区的预报技巧高于西北地区,但沿海地区降水的偶然性更大;(5)模式预报与高分辨率卫星、自动站融合降水产品有更好的一致性,阈值调整的空间相对有限;(6)东南地区预报与观测的相关性大于西北地区,模式对东部沿海地区降水量级的预报比西部地区更为合理。

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。

CMIP6高分辨率模式比较计划(HighResMIP)概况与评述

高分辨率模式比较计划(HighResMIP)是第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的新增计划,旨在研究水平分辨率提高后对气候模式模拟性能的改进,并借助多模式集合的方法降低模拟的不确定性。中国有5个模式团队在CMIP6GitHub上注册参加HighResMIP。文中对HighResMIP的科学背景、试验设计和参与模式等方面进行了简要介绍,为需要了解该计划的科研人员提供参考。

积云参数化方案中云底质量通量的限制及在高分辨率模式中的应用

对SAS积云参数化方案中的云底质量通量进行限制并将其应用到华南区域高分辨率模式降水预报中,分别对强对流个例和弱对流个例进行模拟和比较,分析了限制云底质量通量之后的积云参数化方案对模式降水预报的影响,并探讨了不同大小的云底质量通量限制对预报结果的敏感性。试验结果表明,对积云参数化方案进行闭合时采用不稳定能量释放假设要比原来的准平衡闭合假设更适用于中小尺度模式。对积云参数化方案的云底质量通量进行限制以后可以有效地消除对流参数化在高分辨率模式中引起的虚假降水,同时又能够合理地引入一些次网格尺度的弱对流的影响,从而改进模式的降水预报效果。敏感性试验结果表明,随着云底质量通量限制程度的变弱,对流参数化方案对模式降水预报的影响会逐渐增强;在一定大小范围内的云底质量通量限制下,强对流个例的总降水量预报结果对于不同大小的限制不如弱对流个例敏感。对两种不同的云底质量通量限制方式进行比较发现,在云底质量通量较大时完全关闭对流参数化方案可以更有效避免对流参数化引起的虚假降水。

ECMWF高分辨率模式降水预报能力评估与误差分析

利用2015—2017年6—8月ECMWF高分辨率模式(ECMWF-Hi)的加工产品,结合我国2400多个国家级气象站逐小时降水观测资料,对ECMWF-Hi产品24h降水预报的准确度、集中度和相关性进行了评估,并与ECMWF集合预报模式(ECMWF-EPS)24h降水预报产品进行比较。为更好地描述预报的集中度,避免单纯用标准差比或平均值比刻画预报集中度的缺陷,建立一个综合标准差和平均值的R指数,用之定量描述模式预报的集中度。结果表明:(1)ECMWF-Hi在均方根误差的检验方面并未表现出优势;而分辨率较低的ECMWF-EPS集合平均预报误差最小。(2)ECMWF-Hi对研究区域降水预报的集中度的整体描述较为准确,离散度与观测较为相似,预报期望也与观测降水的期望最接近,ECMWF-Hi比ECMWF-EPS的集合控制预报与集合平均对观测降水集中度的刻画较为准确。(3)研究区域内各站点R指数分布表明,ECMWF-Hi与ECMWF-EPS控制预报、平均预报相比,对平均值预报不足的站点较多,且这些站点的预报集中度普遍大于观测,ECMWF-Hi的降水预报更接近观测降水。(4)评估应用结果表明,R指数不仅能定性评估模式的集中度,也可定量描述集中度大小。

ECMWF、日本高分辨率模式降水预报能力的对比分析

利用2012年4月1日至2013年3月31日ECMWF、日本高分辨率模式降水预报资料,全国2419个台站逐6 h降水量观测、CMORPH(NOAA Climate Prediction Center Morphing Method)卫星与全国3万余个自动站逐小时降水融合资料,基于列联表预报评分、泰勒图等统计方法,客观对比分析ECMWF、日本高分辨率模式对中国逐6、12和24 h分段降水的预报能力,主要结论如下:(1)整体来说,ECMWF对降水的预报优于日本模式,日本模式预报离散度偏大,而ECMWF预报相对平稳,与观测更加一致;(2)两个模式晴雨预报中降水发生频率较实际偏高,暴雨预报频率较实际偏低,随着分段间隔的增加,这一情况有所改善;(3)ECMWF模式6 h分段降水晴雨预报评分低于日本模式,暴雨预报评分整体高于日本模式,12和24 h分段ECMWF模式晴雨、暴雨预报评分一致高于日本模式;(4)通过调整阈值改变预报偏差能够在一定程度上提高预报技巧;(5)就空间分布来看,模式在东南地区Bias、CSI技巧评分整体优于西北地区。

ECMWF高分辨率模式对陕西2017年7月高温预报的检验及订正

2017年7月陕西累计出现26 d日最高气温≥35℃的高温天气,其中14 d日最高气温突破40℃,7月7～14日和17～27日出现2次区域性持续高温天气。利用陕西99个国家站的最高气温逐时观测和ECMWF高分辨率模式的定时最高气温预报资料,检验ECMWF高分辨率模式对2017年7月陕西极端高温天气的预报能力和一元线性回归方法对气温预报的订正能力。结果表明:144 h之前模式较好地预报出了陕西2次区域性持续高温天气,但是高温日数的预报值在陕西大部分地区较观测值偏少,漏报了陕南大部分地区的高温日,与14:00～17:00时段最高气温的预报值在陕西大部分地区较观测值偏低,其中陕南地区的预报平均绝对误差明显大于其他地区有关。一元线性回归方法对168 h之前的最高气温预报为正订正效果,订正后陕西大部分地区最高气温的预报准确率上升,平均绝对误差减小,日最高气温≥35℃或≥40℃的高温预报较订正前更接近实况。

高分辨率模式雷达回波预报能力分析

利用2018年7-8月GRAPES3 km、东北短临(WRFRUC)高分辨率模式综合雷达回波预报数据和辽宁省SWAN雷达组合反射率(MCR)实况,基于邻域法FSS评分指数,分析模式在台风北上和副热带高压边缘暴雨过程中的雷达回波预报能力。结果表明:两家模式在不同降水过程中对小阈值雷达回波有较好的预报技巧,随着回波量级增大,模式预报FSS逐渐减小,雷达回波>55 dBz时,FSS甚至为0。当邻域半径是3时,35 dBz以下的回波预报中GRAPES模式在台风北上暴雨中的预报技巧低于副热带高压边缘,>35 dBz则相反。WRFRUC模式始终表现为台风北上暴雨中预报较好。当邻域半径>9时,WRFRUC模式在台风暴雨中的FSS评分高于GRAPES模式,GRAPES模式在副热带高压暴雨中的FSS评分始终高于WRFRUC模式。GRAPES和WRFRUC模式的最大FSS评分技巧均出现在邻域半径是11时,分别为0.239和0.195。GRAPES模式中FSS评分在12 h逐小时预报中前3个时次较强,WRFRUC模式则表现为中间时次强,两头弱。

ECWMF高分辨率模式2m温度预报在六盘水市的误差分析及订正指标

采用气候概率统计和多时效平均的思路,对2018—2019年的欧洲中期天气预报中心(ECWMF)高分辨率模式2 m温度产品在六盘水市的预报误差进行统计分析,并对采用指标订正后的2020年度模式预报准确率进行检验评估。结果表明:ECWMF高分辨率模式对六盘水市的温度预报误差随时效的增加而逐渐减小,且各时效平均的最高温度年均预报误差和误差标准差要明显高于最低温度;对于六盘水而言,模式的温度预报在初夏(6月)可靠性最高,而在春季(3—4月)最低;通过采用预报误差最大占比对逐月多时效平均的模式最低温度预报进行订正,以及根据天气类型采用不用订正方式与订正指标对模式24 h最高温度预报进行订正,能够大幅提升全市未来5 d(120 h)综合最低温度和24 h内的最高温度预报准确率,分别稳定在90%和70%以上;经过订正后,全市的2020年度平均最低温度预报准确率与实际相当,而24 h最高温度预报准确率要高于实际预报准确率。

罗德与施瓦茨的R&SRTE、R&SRTO及R&SRTP示波器标配16 bit高分辨率模式

在德国纽伦堡举办的嵌入式世界2019展会上,罗德与施瓦茨宣布R&SRTO和R&SRTP示波器即日起标配16bit高分辨率模式。用户将以相同的价格受益于更高的测试性能。更高分辨率的波形可以针对原本可能被噪声掩盖的信号细节进行更精确的分析。

罗德与施瓦茨的R&S~? RTE、R&S~? RTO及R&S~? RTP示波器标配16bit高分辨率模式

在德国纽伦堡举办的嵌入式世界2019展会上,罗德与施瓦茨宣布R&S^? RTO和R&S^? RTP示波器即日起标配16 bit高分辨率模式。用户将以相同的价格受益于更高的测试性能。更高分辨率的波形可以针对原本可能被噪声掩盖的信号细节进行更精确的分析。高分辨率模式将垂直分辨率提升至16 bit。该模式现已成为所有新的R&S^? RTO和R&S^? RTP示波器的标配,无需额外成本。在此之前,该模式已成为R&S^? RTE示波器的标配功能。

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。

北极高分辨率海冰冰间水道模拟评估分析

冰间水道只占北极冰区的1%~10%,但在海洋和大气之间的能量和水汽交换中起着重要作用。目前对冰间水道数值模拟结果的分析主要集中在水道出现频率的空间分布和水道面积占比的时空变化,而有关水道形态特征(长、宽和走向)模拟结果的分析较少。本文基于采用黏塑性流变学的高分辨率(2 km)冰海耦合模式模拟的海冰厚度来提取冰间水道,并利用3种MODIS冰间水道遥感产品进行形态特征的对比分析。分析结果显示,在波弗特海,模拟水道出现频率的空间分布与WH2015和H2019两种遥感产品基本一致;模拟结果中宽度大于6 km的水道数量概率密度和总长度符合遥感产品呈现的幂律分布规律,对2~4 km窄水道的分布受模式可解析能力限制本研究模式分辨率尚无法正确估计,存在低估;模拟水道总长度与遥感反演的结果在1月和3月相关性较好,但无法再现遥感产品中2月和4月的明显变化趋势;模拟水道和遥感产品总体走向一致,二者都显示,加拿大群岛以北和波弗特海东南部沿岸区域水道走向几乎与海岸线和冰速方向平行,模拟水道受陆地阻隔的影响更大,在波弗特海中部冰间水道和冰速发生转向的位置不一致。本研究揭示了当前高分辨率海冰模式对不同冰间水道形态特征的模拟能力的符合程度及不足之处,将有助于进一步的模式改进。

高分辨率MRI模式对青藏高原夏季降水及水汽输送通量的模拟

本文使用MRI模式在不同分辨率下(180 km、120 km、60 km、20 km)的AMIP试验结果,分析了该模式对青藏高原夏季降水及水汽输送通量的模拟,并考察模式分辨率的影响。结果表明:MRI模式能够较为合理地模拟出青藏高原夏季气候平均的降水空间分布,但对气候平均水汽输送通量以及降水年际变化的模拟却存在较大的误差。随着分辨率的提高,该模式对青藏高原气候平均降水的模拟有明显改进,包括降水年循环以及夏季降水的空间分布等。分辨率为180 km、120 km、60 km、20 km的MRI模式模拟的青藏高原7月平均降水绝对误差分别为2.2 mm/d、1.2 mm/d、0.7 mm/d、0.2 mm/d。另外,高分辨率模式模拟的青藏高原夏季水汽输送通量的年际变化也更接近观测。当分辨率达到20 km时,MRI模式模拟的西风水汽输送指数与观测的相关系数达到0.43,通过了0.1显著性水平的显著性检验。但MRI模式对青藏高原夏季降水的年际变化以及气候平均水汽输送通量的模拟技巧并不随分辨率的增加有明显提高。低分辨率模式中模拟降水量偏大、印度季风槽偏强的现象在高分辨率模式中仍然存在。

20km高分辨率全球模式对青藏高原夏季降水变化的预估

使用日本气象研究所(Meteorological Research Institute,MRI)大气环流模式在20 km分辨率下的国际大气模式比较计划(Atmospheric Model Intercomparison Project,AMIP)试验结果以及A1B温室气体排放情景下(简称A1B情景)的预估试验数据,预估了青藏高原夏季(6—8月)降水的变化,并讨论了降水变化的可能原因。在A1B情景下,青藏高原夏季降水量显著增加,中心位于青藏高原东南部,主要归因于来自印度洋和孟加拉湾的西南水汽,经90°E—100°E附近进入高原的水汽输送显著增加。同时,整个青藏高原夏季强降水出现概率增加,降水频率南部减少,北部增加。高原南部(北部)降水频率的减少(增加)是因为该地区降水强度的增加速率快(慢)于降水量的增加速率。高分辨率MRI模式预估的青藏高原夏季降水变化与较低分辨率的耦合模式预估结果基本一致,但提供了更详细的局地变化信息。

一个高分辨率太平洋-印度洋海盆环流模式的初步结果

利用LASG/IAP发展的一个0.25°×0.25°高分辨率太平洋-印度洋海盆环流模式初步分析了模式在太平洋区域的模拟结果,并与海洋同化资料的数据以及前人的研究结果作比较,检验此模式对该区域平均气候态、年际变化的模拟能力。分析表明,模式较好地再现了海表温度(SST)分布、赤道温跃层和纬向流结构、赤道流系分布形态、海表高度以及正压流函数空间分布特征;同时,对显著的El Nio和La Nia事件的模拟等方面与Simple Ocean Data Assimilation(SODA)2.0.2版本结果相近。此外,模式模拟北赤道流(NEC)分叉点位置的季节和年际变化以及吕宋海峡流量的年际变化与已有研究结果基本一致。进一步分析还发现,在年际尺度上,NEC分叉点位置和吕宋海峡流量与ENSO密切相关。

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。