GPS可降水量资料应用于MM5模式的变分同化试验

利用建立在长江三角洲地区GPS观测网中13个站点的资料对2002年6月27～28日影响长江三角洲地区的降水过程进行了MM5背景误差调节和可降水量资料的三维变分同化试验.试验结果表明:背景误差对三维变分同化的效果起着关键作用,模式变量(u,v,T,p和q)误差的水平尺度与NMC方法的平均时间长度有直接的关系.利用NMC方法重新构建的背景误差更接近实际的背景误差.三维变分技术能有效地同化GPS可降水量资料.GPS可降水量资料的同化使用不仅能调整模式初始湿度场,而且也能相应地调整模式初始气压场、温度场和风场.GPS可降水量资料的同化有利于减小模式初始场对可降水量的分析误差,并且有利于减小模式积分初期(3～6 h)可降水量的预报误差.与没有进行GPS可降水量同化相比,通过GPS可降水量资料的三维变分同化,使MM5模式6 h和24 h累计降水能力得到提高,改善了MM5模式降水预报性能.总体上,GPS可降水量资料的变分同化有利于模式降水预报能力的提高.

应用MM5模式对地面大风过程的模拟试验

用MM5模式对2 0 0 1年4月1 7～1 9日、5月1 2～1 5日辽宁省出现的大风过程进行了模拟,并与1 3个代表点的气象观测站资料或野外风电场测风资料作了对比。结果表明:模式能较好地模拟区域风场的演变和分布特征;对逐时风速的模拟与实况有一定差异,但模拟值与实况变化比较同步,基本反映出单点风速变化的趋势;对瞬时风速大于1 0m·s-1和平均风速大于9 0m·s-1的模拟明显偏小。模拟试验初步说明,MM5模式对区域地面风场形势、单点风速随时间变化特征的模拟较好,但可能减弱大风的实际强度。

MM5和WRF对中国东部地区冬季边界层模拟效果比较

应用MM5和WRF模式对2006年和2007年12月中国东部地区边界层气象要素进行了逐日模拟,利用地面常规观测资料及南京和安庆逐日探空资料对两个模式模拟的地面及边界层内气象要素进行了客观评估与比较。结果表明:MM5和WRF模式模拟的地面温度和相对湿度均较理想,风速效果略差;两个模式模拟的温、湿、风效果均是白天优于夜间;根据观测与模拟的相关性,对温度的模拟效果东部优于西部,相对湿度的模拟效果由东南向西北变差,风速模拟效果平原优于丘陵和山区。总体上,WRF模式对地面温度和湿度的模拟效果均优于MM5模式。以南京、安庆两站为例的边界层内气象要素模拟效果评估结果表明:MM5和WRF模式模拟的150 m以上边界层内温、风、湿廓线均较可信,150 m以下的效果略差,20:00比08:00(北京时)模拟效果好;总体上,WRF模式对温度和湿度的模拟效果较好,而MM5模式对风速模拟效果稍好;两个模式均能再现近地层逆温,都有高估逆温频率的倾向。

MM5/WRF气象场模拟差异对CMAQ空气质量预报效果的影响

评估了为公共多尺度空气质量模式(CMAQ)提供气象输入场的第五代NCAR/Penn State中尺度(MM5)模式与天气研究和预报(WRF)模式模拟的多种气象要素的准确性;比较了2个模式提供的气象场对华北地区SO2和NO2源同化反演效果及其质量浓度预报的差异;分析了相对湿度和边界层高的变化对ρ(SO2),ρ(NO2)预报的影响及其物理机制.结果表明:WRF模式模拟的各气象要素准确性优于MM5模式,其中MM5模式对相对湿度和边界层高度的模拟值与实测值的偏差较明显,而WRF模式的模拟值与实测值较接近;相对湿度和边界层高度参数是影响CMAQ空气质量预报的关键气象要素,这2个参数的变化对ρ(SO2)和ρ(NO2)的预报有显著影响,因此,对2个参数的改进可显著减小预报误差;ρ(SO2)模拟误差减小的主要原因是垂直输送和质量调整过程对ρ(SO2)的贡献减小;而ρ(NO2)模拟误差减小的主要原因是化学反应过程对ρ(NO2)的贡献明显减小.

MM5、WRF-RUC及T639模式对山东沿海风力预报分级检验

为客观评价不同的数值模式对山东沿海风的预报性能,结合中国气象局降水分级预报评分办法,定义了一种风力预报分级检验办法。对MM5、WRF-RUC和T639模式在山东沿海9个精细化海区代表站的日最大风速预报进行了检验,结果发现:各模式普遍存在对于小风天气预报偏大、大风天气预报偏小的特点。T639模式风力预报偏弱,因此,对于4级以下的风预报评分较高,而对于8级以上大风几乎没有预报能力。MM5和WRF-RUC模式对于4级以上的较强风力的预报结果明显好于T639模式,其中WRF-RUC模式预报准确率稍高于MM5模式,但风力越大,各模式均漏报越多。各模式分析场以及24 h风力预报与实况的一致性检验表明:5级以下的风力,MM5和WRF模式预报风力与实况基本为一致,但对于6级以上的大风,MM5模式预报较分散,WRF模式预报更接近实况风力。综合各模式对于风力预报的平均绝对误差,WRF-RUC模式预报误差最小,具有较高的参考价值。MM5模式预报准确率稍低于WRF-RUC模式,且存在一定的不稳定性。

SRTM数字高程模型在MM5风场模拟中的应用

出于提高基于数值模拟的风资源评估精度的目的,本文对NASA发布的3秒分辨率(90m)SRTM(shuttleradar topography mission,航天飞机雷达地形测绘任务)数据,根据SRTM缺测区域的特点利用直接赋值和双线性多项式内插结合的方法进行填补,并将填补后的SRTM数据作为下垫面的地形高度资料,引入中尺度大气模式MM5中,以研究可提高模拟精度的方法。本文以广东省以及邻近省份地区和近海海域为例,模拟了2002年4月和11月各两天的4个嵌套区域(分别为27km9、km、3km和1km分辨率)的逐时风场,通过与利用USGS地形数据的对比试验,分析了SRTM对近地层风场模拟结果的影响。试验结果表明:与USGS地形数据相比,SRTM数据更接近于真实地形。MM5模式引入SRTM数据后,模拟精度有所提高。地形的变化对风向影响比较明显,但地形的变化引起单点风速的变化情况及其原因比较复杂,有待于进一步研究。

MM5模式中城市冠层参数化方案的设计及其数值试验

文中在综合国外一些较先进的中尺度模式城市作用参数化方案的基础上 ,从城市下垫面结构对城市边界层大气作用的物理机制及实际应用两方面出发 ,对城市下垫面结构和人为活动等因素对边界层结构的影响及中尺度模式中城市化作用的合理体现等问题进行了较全面的考虑 ,改进和设计出能够较全面、细致地描述城市结构对大气边界层动力、热力结构的影响 ,且适合中尺度模式结构特点的城市冠层参数化方案 (UCP) ,并实现了其与MM5模式的耦合。进行了耦合后的UCP方案及采用原城市作用方案的MM5模式对BECAPEX试验期间北京地区气象条件多重嵌套细尺度进行了模拟试验 ,并与观测结果对比 ,结果表明 :相比于MM 5模式中原有表示城市作用的参数化方案来讲 ,设计的UCP方案在很大程度上提高了MM 5模式对城市边界层热力和动力结构的模拟能力。

MM5中新边界层方案的引入和对比试验

本文介绍了一种新的边界层方案 ,即 E-ε- 1方案 ,并用五种层结下的通量廓线关系计算地面通量 ,将其引入到中尺度数值天气预报模式 MM5中 ,并用新的边界层方案对江淮流域夏季暴雨进行了短期模拟 ,与此同时 ,对新的方案和模式原有的各种边界层方案作了比较。对此得到了一些有价值的结果。

MM5与MM5-PAFOG模式区域雾预报效果评估比较

利用MM5和PAFOG模式对2010年10-11月中国东部地区的雾进行逐日预报,包括基于MM5模式结果的多要素诊断预报和PAFOG模式预报能见度的定量预报,应用TS/ETS评分方法和区域内所有测站每3h(或6h)一次的常规观测资料,根据该两方法的预报结果分别对中国东部地区和安徽进行了效果评估。结果表明:(1)两种预报方法对区域雾都有一定的预报能力,但都存在空报率较高的明显不足。基于MM5模式的多要素诊断预报,得到中国东部地区的TS/ETS评分为0.075/0.065,命中率(HR)为0.296;安徽的TS/ETS评分为0.094/0.081,HR为0.378。(2)PAFOG模式对中国东部地区的TS/ETS评分为0.038/0.027,HR为0.388;安徽的TS/ETS评分为0.053/0.038,HR为0.52。与MM5模式的诊断结果相比,TS/ETS评分较低,HR较高。(3)按日统计结果表明,MM5模式在整个中国东部地区的预报效果优于PAFOG模式,但在内陆省份(安徽),PAFOG模式的预报效果略优于MM5模式。(4)效果评估时若考虑过去1h内的天气现象记录,两种方法的预报效果都有明显改善。

中尺度数值预报模式(MM5)在海面风场预报中的应用

本文简要介绍了在工作站上运行有限区域海面风场数值预报业务化系统的情况。该系统以MM5V3作为主要框架,选定了积云对流和边界层参数化方案,准备了三种侧边界方案,以确保有限区域海面风场数值预报业务化的运行。半年多的准业务运行表明,系统运行稳定,海面风场预报效果较好,除能直接给有关业务单位参考外,还提供给有关海洋数值预报模式使用。

bbGPS/PWV资料三维变分同化改进MM5降水预报连续试验的评估

利用区域地基GPS网反演的高时空密度的大气垂直方向水汽总量,也称为可降水量(PWV),可大大弥补常规探空探测水汽资料的不足。为了全面评估区域GPS网PWV资料同化对业务数值天气预报改进程度的目的,在个例研究分析的基础上,进行了连续38天的GPS/PWV资料三维同化(3D-Var)改进数值业务预报的试验。研究方法是根据长江三角洲地区GPS气象网在2002年梅雨和盛夏季节观测的PWV资料,通过三维变分同化建立中尺度数值预报模式MM5的初始场,逐日作出长江三角洲地区24小时的降水量预报。以6小时累积雨量为对象,与未同化GPS/PWV资料的MM5的相应预报比较,通过多种评分方法,评估了GPS/PWV资料改进MM5降水预报的效果。结果表明GPS/PWV资料同化后的MM5降水预报能力在大部分时间和大部分地区都有所提高,主要是伪击率有较明显的下降,对小范围降水预报的改进更为明显。预报明显改进的区域恰好位于GPS站填补常规探空站间距较大的地区。

MM5模式显式微物理方案的对比分析

介绍了MM 5中的显式云物理方案 ,详细分析了Goddard、Reisner和Schultz方案的物理过程特点和存在的不足。这些云物理方案的多个微物理过程的描述不是很合理 ,对粒子的自动转化过程都采用阈值 ,且对雪、霰和雨的数浓度只进行诊断计算。Reisner方案的物理过程相对全面 ,预报量也较多 ,但仍存在一定的不足。通过对 1992年Andrew台风个例的模拟 ,发现尽管Reisner方案的物理过程比Goddard和Schultz方案全面 ,但模拟的台风眼最低气压和地面最大风速并没有优势。所以单一物理过程描述的改善不一定立即带来模式预报成效的提高 。

MM5中新显式云物理方案的建立和数值模拟

在MM5动力框架内,在其中Reisner2方案基础上采用双变参数方案,增加了云水、雨水、雪和霰的数浓度预报方程。云中凝结核CCN的数浓度采用超几何函数表示;云水向雨水的自动转换过程考虑了云滴谱的特征和发展变化对该过程的影响,而不是采用原方案给定阈值的方法描述该过程;对连续碰并方程不再将粒子落速差作为常量提出积分号外,而是直接作为粒子直径函数在积分号内求解,这样处理可以回避使用粒子群的平均落速带来的误差;增加了霰和雪、霰和冰晶的碰并微物理过程。粒子引入Г分布谱函数,对微物理过程采用了与之相适应的计算公式。通过增加新预报量的计算和输出程序,在MM5的显式方案中新增加了一个可选方案,并称之为新方案。模拟了一次层状云降水过程,在区域二分别采用了新方案和Reisner2方案以作对比。新旧方案降水模拟结果的对比表明新方案在降水范围和强度的预报效果有所改进。模拟结果给出了层状云的合理微观结构和它的一些特征,增强了MM5研究微观云物理的能力;通过单站微物理过程分析,揭示了降水过程的可能形成机制。说明新方案可以为层状云的宏微观结构特征、降水物理过程和人工影响天气研究提供一定依据。

MM5三维变分系统在北京地区冷暖季背景场误差的对比分析

NMC方法是目前较广泛采用的一种对模式背景场误差协方差进行统计分析的一种方法。本文根据积累的2002年8月份和2003年2月份各一个月模式预报结果,采用NMC方法,计算了中尺度模式MM5V3在北京地区的冷暖季背景场误差,详细给出其气候统计特征。通过对比分析发现,背景场误差特征对于不同的模式变量、水平分辨率、垂直层各不相同,冷暖季背景场误差也有不同的特征,其差别主要表现在风场。这些特征与模式模拟区域的平均天气状况相对应,同化应该在各模式区域分别进行。MM5三维变分系统在北京地区的实际应用中,应发展根据实际季节变换背景场误差协方差矩阵的方法。

MM5数值预报引入GRAPES三维变分同化技术在上海地区的预报和检验

该文简要介绍GRAPES三维变分同化技术在MM5数值预报中的应用 ;利用 2 0 0 3年 3月至 2 0 0 3年 5月华东地区 1 38个台站实况资料与其预报结果 ,评价了该模式系统对华东地区降水的预报结果 ,分析了三维变分同化对MM5数值预报结果的可能影响。结果表明 ,GRAPES三维变分同化方案是比较合理的 ,同化后模式对华东大部分地区的降水 2 4h预报比没有使用同化的总体情况要好 ;同样 ,同化后模式对华东大部分地区的晴雨预报准确率较高。

中尺度大气模式MM5简介

本文介绍了中尺度非静力大气模式 MM5 的动力框架、模式物理过程计算和参数化方法以及模式系统流程。

探空气球漂移位置订正在MM5模式中的应用研究

通过对模式MM5V37中客观分析系统加以改进,并采用包含有实际探空气球在各个气压层上精确的经纬度信息的新型探空资料,加以研究探空资料随高度的漂移对高分辨率中尺度数值模式MM5V37的影响。通过对一次层状云降水个例的模拟可看出:位置订正所带来的初始场差异在低层较小,高层较大,且在500 hPa以上较明显;位置订正对模拟的气象要素场的修正有明显的正面效果,对强降水天气系统的反映比较敏感;模拟结果对于雨区分布和强降水中心的位置有较大改进;位置订正后的评分总体优于不加探空和不加漂移的评分,随着模式分辨率的提高,位置订正后对小量级降水的模拟效果欠佳,但对大量级降水的模拟效果较好。

MM5模式在热带气旋模拟中的应用

本文利用3重嵌套的中尺度非静力模式MM5系统,对热带气旋Winnie(1997)在我国登陆前后路径和强度演变进行了数值模拟。模拟结果表明,通过合理地选择Bogus的初始强度和模式启动时间,能较准确地模拟热带气旋登陆前后移动路径和强度演变,所选个例路径模拟误差仅为54.5km。

基于MM5模式的精细化MOS温度预报

利用2002年9月到2003年8月MM5模式每隔1 h的站点基本要素预报场和物理量诊断场资料,以及相应时段内宁夏25个测站的温度自记观测资料,同时采用多元线性和逐步回归2种MOS统计方法,预报宁夏25个测站48 h逐时温度。通过对2004年6月至2005年5月的预报效果检验,结果表明:MOS方法对宁夏48 h逐时温度有较强的预报能力,当天气形势变化较平稳时,MOS预报结果稳定,平均绝对误差控制在2℃之内;当有明显的冷空气活动时,误差变率起伏波动较大,预报结果不稳定,但与原MM5模式直接输出结果相比,MOS预报水平有明显提高,24 h极端温度TS评分个别月接近甚至超过预报员。

与MM5气象模式耦合的VIC分布式水文模型构建

从水文气象耦合的角度入手,根据汉中流域的特点,首次在汉江流域MM5运行的9 km×9 km网格上构建了VIC日分布式水文模型。利用流域内7个水文站的径流资料对该模型进行了应用检验。结果表明,该模型能较好模拟汉中流域的日径流过程,其模拟精度与集总式VIC模型和集总式三水源新安江模型基本相当,但它充分考虑了研究流域内降水输入和下垫面条件的空间差异性,能够提供网格降水分布及流域内产汇流的分布状况,能进一步同中尺度MM5气象模式耦合,延长洪水预报的预见期。