两种再分析资料和Nudging方法在WRF模式降水模拟中的适用性

采用Grid Nudging(GN)和Spectral Nudging(SN)方法,用再分析资料ERA5和FNL驱动中尺度数值天气预报模式(WRF),探究不同再分析资料和Nudging方法对降水模拟效果的改进效果及机理.对2021年3月15日中国南方地区降水过程设计6组试验进行数值模拟,分析不同试验方案对降水及相关物理量的影响.结果表明,WRF模式能较好地模拟出本次降水事件,进行Nudging驱动后显著提升了降水分布、降水中心落区和降水量的模拟效果.与观测数据综合对比,GN的模拟效果优于SN,尤其是使用ERA5资料结合GN模拟效果最佳,能够准确地模拟出发生在安徽省南部的降水中心以及超过33 mm/d的降水强度.模式结果与两个观测站点记录的降水发生时间和降水强度变化较为一致.GN方法使模式有效提高了西南低空急流的强度,校正了风向,对水汽通量和水汽通量散度的刻画更符合实际情况.

基于累加气候概率的FSS检验方法对多模式短时暴雨预报的评估

为深入认识数值天气模式强降水精细化预报性能,本文以短时强降水多发的浙江省2019年5到10月降水为例,采用分数技巧评分(Fractions Skill Score,简称FSS)邻域检验方法,评估了6个业务模式短时降水预报准确性,重点探讨了各模式短时暴雨预报能力及天气背景的影响。结果表明:(1)基于站点降水的累加气候概率,确定了短时小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的预报技巧评分阈值各为0.583、0.522、0.506、0.502和0.500,改进并实现了FSS方法对长时间序列各等级降水预报技巧尺度的综合评估。(2)只有上海中尺度区域数值预报业务系统和浙江中尺度区域数值预报业务系统的暴雨预报平均评分达到预报技巧,相应技巧尺度为159、159和183 km;这3个产品共有约6成预报达到技巧评分,其技巧尺度累积频率从3 km至183 km可增幅近50%,这种尺度选择性评价可为不同尺度下产品应用提供参考。(3)不同天气背景下各模式预报性能差异明显。台风类、梅雨类和弱天气尺度强迫类短时暴雨预报的最优模式分别是欧洲中期天气预报中心全球预报模式、上海中尺度区域数值预报业务系统和浙江中尺度区域数值预报业务系统,各技巧尺度为27、99和135 km,模式产品使用中需分类区别对待。

“雅安天漏”研究II．数值预报试验

本文建立了一个用于研究“雅安天漏”的有限区域数值预报模式，并用该模式对１０个“雅安天漏”个例进行了数值预报试验，取得了较满意的结果。该模式动力框架的主要特点是：（１）模式的基本方程组便于构造出完全能量守恒的差分格式；（２）采用了静力扣除；（３）模式的垂直坐标选用了η坐标；（４）选用Ｅ网格作为变量的水平分布形式；（５）位势高度与其他预报量在垂直方向交错分布；（６）对Ｅ网格的波解分离问题采取了特殊的处理技巧；（７）首次采用“半格距”差分解决了矩形Ｅ网格及球坐标Ｅ网格沿对角线的差分计算；（８）采用显示分解的时间积分方案；（９）尽量保留初始场信息。模式的物理过程主要包括：（１）大尺度凝结降水；（２）对流调整及对流降水；（３）水平扩散和垂直通量输送；（４）地面辐射收支和边界层参数化。试报降水的主要降水中心及降水范围与观测分析比较相似。大于１０ｍｍ和２５ｍｎ降水的ＴＳ平均评分分别为０．４１和０．３２。

降水临近预报及其在水文预报中的应用研究进展

随着全球气候变化、自然变迁及陆表生境改变,极端天气频发且呈现出多尺度时空变异特征,对其进行预报和预警一直是气象水文领域关注的焦点。临近预报可较准确地预报未来短时间天气显著变化,是当前预报强降水等极端事件的主要手段。从基于天气雷达0~3 h外推临近预报、融合数值模式0~6 h临近预报的发展历程梳理了临近预报的研究进展,阐述了雷达外推算法的发展进程、雷达外推预报与数值模式预报融合技术进展,指出"取长补短"的0~6 h融合预报在提高降水预报精度、延长降水预见期等多方面有较大的发展潜力,进一步探寻及提升融合技术是未来融合预报发展的核心。将临近预报以气象水文耦合的方式引入水文预报是从源头提高水文预报精度、保障水文预报效果的主要途径,总结了现阶段主流耦合方式、空间尺度匹配技术、水文模型不确定等陆气耦合中的关键问题,阐述了外推临近预报、融合临近预报作为水文预报输入的研究进展,明确了融合临近预报在延长洪水预见期、提高洪水预报精度中存在优势,并讨论了未来的研究重点及发展方向。

利用WRF模式制作东北地区冬季降水相态预报

利用WRFV3.1.1中尺度数值模式,对东北地区冬季降水相态进行预报试验。在模式预报输出场中,通过对近地面大气层中冻结部分降水混合比在可凝结成降水水汽混合比中的比例,判断雨雪分界线及雨夹雪区或雨、雪过渡区。结果表明:该方法可较准确地预报出东北地区降水过程中雨区、雪区和雨夹雪区分布特征以及降水相态随时间的演变情况。降水相态数值预报产品的应用可以提高冬季气象预报服务水平。

天气学检验在东北区域数值模式秋冬季降水预报中的应用

根据影响天气系统不同,利用2007年9月—2008年2月东北区域中尺度数值模式12 h累积降水预报和东北地区常规站降水实况资料,采用天气学检验方法,从降水中心强度、中心位置、降水主体强度、落区、范围和移速6个方面对东北区域中尺度模式降水预报产品的预报性能进行检验。结果表明:模式对东北地区秋、冬季降水有较好的预报能力,但因天气系统和预报时效不同其预报能力也有较大差异,其中对高空槽预报效果最好;一般情况下,在预报出现偏差时中心和主体强度易偏强,雨带范围易偏大,移速易偏慢。

云南2009年雨季T639、日本、德国3个数值模式的降水预报检验

对云南2009年雨季T639、日本、德国3个数值模式的降水预报进行了检验与比较,发现3个模式的降水预报均有明显的特征。总体偏差分析表明T639模式降水预报明显偏多,德国模式明显偏少,日本模式预报稍偏多。降水分级检验表明小雨和中雨的TS评分日本模式最高,大雨和暴雨的TS评分T639模式最高。T639和日本模式在降水的落区预报上均为正相关,对降水落区预报有一定的指导意义。总体上,3个模式中日本模式预报较准确,T639次之,德国模式的各项检验指标均为最低。

CTFM数值模式的引进及对山西暴雨预报能力的检验

为提高山西暴雨预报能力，在引进颜宏等人设计的复杂地形条件下嵌套细网格模式（简称CTFM模式）的基础上，对其进行了某些调整，即：中心点位置的改动；取水汽辐合量M为Mt＝Mtl＋Mtm＝1．75Mtl；湿润因子也按Anthes积云对流参数化方案取值，并将郭晓岚和Anthes两方案结合起来使用，企图建立适用于山西暴雨预报的数值预报系统。使用该系统，对1993年山西暴雨个例进行了数值模拟，发现该系统对雨量及天气过程的模拟结果令人满意。又于1994年6月27日─—8月5日进行了连续40天的准业务试验，以检验模式对山西暴雨预报能力。试验表明，本系统对此期间5次暴雨过程均有反映，其中四次位置误差均在1个格距以内（平均误差为0．78个格距），量值绝对平均误差为11．0mm，明显优于在业务预报中值班员经常参考的日本模式预报结果，这表明本系统预报结果对暴雨预报具有一定的指导意义。

数值预报产品在三峡坝区初夏强降水预报中的释用

利用1992—2001年5—6月期间日本数值预报产品(FSFE02、FSFE03)、宜昌单站探空资料以及单站大气能量资料,对照三峡气象站降水资料,从中找出相关性较好的预报因子,应用基于费歇准则的判别分析方法,建立三峡坝区初夏(5—6月)强降水预报模型,从而对日本数值预报产品进行释用。经2002—2007年预报检验,该模型预报准确率和概括率分别为77%和89%,预报效果较好。该预报模型具有一定的实用性。

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。

基于数值预报产品的三明市汛期暴雨统计-动力预报模型

三明市是福建省暴雨的频发区,数值模型通过多年的发展证实其对于提高暴雨等灾害性天气预报准确率起到了积极的作用。对2004—2008年5—6月逐日实况物理量与日雨量进行分析,分析表明:垂直速度场、水汽通量场、相对湿度场等13个物理量与三明汛期暴雨关系较好,通过对各种因子进行逐步回归分析,利用完全预报法建立三明市各县(市)的暴雨数值预报模型。经检验该模型对汛期暴雨具有较好的预测能力,2004—2008年对暴雨的概括率为60%～83%,2009年24h暴雨预报准确率达37.5%。