美国气象观测系统发展研究的有关问题

根据美国天气预报和气象服务现代化发展需要，综合分析了气象观测系统现状，概述了未来观测系统发展中的主要问题。

NCAR 大气-地面湍流交换研究(ASTER)装备

由国家大气研究中心(NCAR)研制的大气-地面湍流交换研究(ASTER)装备将支持大气近地面层结构的观测研究。ASTER 将提供地面动量、感热和水汽通量的最先进的测量手段,并对示踪化学物质的地面通量测量给予支持。此装备可于1990年春季提交科学界使用。

地基GPS水汽资料在北京“7·10”暴雨过程研究中的应用

利用2004年7月9-11日北京房山地基GPS探测网逐30分钟柱积分水汽总量(PW,Precipitable Water Vapor)资料,通过分析和数值模拟研究了北京2004年7月10日暴雨天气过程。观测分析表明:地基GPS测站上空水汽总量值的时间变化趋势对暴雨的发生、发展以及过程降水量的分析和预报有一定指示意义。利用NCEP全球预报系统GSF分析场资料作为背景场,采用12/4km双向两层嵌套WRF模式及其三维变分系统,通过同化7月9日1200 UTC地基GPS水汽总量等观测资料进行了36小时数值对比试验。数值研究表明:地基GPS水汽总量数据资料的初值同化明显增强模式初始场湿度,明显提高模式对该暴雨过程降水时段、落区和强度的预报水平。

雷达反射率资料的三维变分同化研究

应用天气研究和预报模式(WRF)三维变分系统中一种新的雷达反射率资料间接同化方法来进行反射率资料的三维变分同化研究,评估雷达反射率资料对夏季短时定量降水预报的作用。该方法不直接同化雷达反射率资料,而是同化由反射率资料反演出的雨水和估计的水汽。以2009年夏季北京地区发生的4次强降水过程为例,考察了北京市气象局业务运行的快速更新循环同化预报系统对京津冀地区雷达网的雷达反射率资料的同化性能以及雷达反射率资料和径向风资料同时同化的效果。数值试验结果表明:(1)同化反演雨水或水汽都能改善降水预报,但同化反演水汽对降水预报效果的改善起了更重要的作用;(2)同化反射率资料能极大地提高短时降水预报的效果,其稳定的正面效果可以延伸到6 h的预报时效,而同化径向风资料不能得到稳定的正效果;(3)同化雷达资料时,应用快速更新循环同化预报系统是提高短时定量降水预报的一个有效途径。

城市气象研究动向的思考

基于近年来城市气象观测与模拟研究的最新进展,展望了城市气象未来的发展方向和重点研究领域,主要包括以下六个方面:城市气象数值模拟、新观测技术及同化应用、观测与数值模拟互动、城市化对天气气候影响机理、城市气候资源利用与热岛效应减缓措施,以及城市化对大气环境及人体健康的影响。指出了城市冠层模式发展、城市水文过程及城市降水、城市边界层及其他模式物理过程和模式评估等方面亟需解决的关键科学问题。

我国全球大气再分析(CRA-40)卫星遥感资料的收集和预处理

卫星资料对数值天气预报准确率的影响非常显著。可用于1979年以来全球大气再分析的卫星资料,来源于80余颗卫星的约60种星载传感器,卫星观测资料数据格式的标准化、长时间序列数据使用和均一化处理技术难点多。在推进我国全球大气再分析(CRA-40,1979—2018年)研发时,已优先开展并全面完成了83.5TB的1979年以来53种115个子类气象卫星资料的收集整合。介绍了面向我国全球大气再分析所用卫星资料的收集整合情况、对应于10年再分析试制产品CRA-Interim(2007—2016年)的数据格式标准化和卫星资料数据质量预评估等观测资料预处理情况。近年发布的重处理卫星数据产品已替换了原同期业务产品。所收集整合的这些历史和实时卫星资料,已逐步通过全国综合气象信息共享平台(CIMISS)归档和提供应用服务。

TRMM测雨雷达和微波成像仪对两个中尺度特大暴雨降水结构的观测分析研究

文中利用TRMM卫星的测雨雷达和微波成像仪探测结果,研究了1998年7月20日21时(世界时)和1999年6月9日21时发生在武汉地区附近和皖南地区的两个中尺度强降水系统的水平结构和垂直结构,以及TMI微波亮温对降水强弱和分布的响应。研究结果表明:这两个中尺度强降水系统中对流降水所占面积比层云降水面积小,但对流降水具有很强的降水率,它对总降水量的贡献超过了层云降水。降水水平结构表明,两个中尺度强降水系统由多个强雨团或雨带组成,它们均属于对流性降水;降水垂直结构分析表明,强对流降水的雨顶高度可达15km,强对流降水主体中存在垂直方向和水平方向非均匀降水率分布区,层云降水有清晰的亮度带,层云降水的上方存在多层云系结构。降水廓线分布表明:对流降水廓线与层云降水廓线有明显的区别,并且降水廓线清晰地反映了降水微物理过程的垂直分布。整个中尺度强降水系统中对流降水与层云降水的区别还反映在标准化的总降水率随高度的分布。微波信号分析表明:TMI85 GHz极化修正亮温,19.4与37.0,19.4与85.5,37.0与85.5 GHz的垂直极化亮温差均能较好地指示陆面附近的降水分布。

华北地区地基GPS天顶总延迟观测的质量控制和同化应用研究

地基GPS天顶总延迟由于其解算误差来源少于目前广泛应用的可降水量资料,其同化应用将会为数值预报初值场更好地提供大气信息。面向同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案的研发将会有效推进该资料在中国数值预报中的广泛应用。基于2013—2014年华北地区天顶总延迟观测资料,发展了一套针对数值预报同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案。该方案从测站稳定性和解算精度、离群值、系统偏差及标准差等考察点切入,从不同角度检查和标记出致使观测序列统计特性偏离高斯分布特征的样本。质量控制后序列统计特征量更接近三维变分系统对观测资料的性质假设,表明了所建立质量控制方案的合理性。基于北京市气象局数值预报业务系统BJ-RUC开展了连续11 d的快速更新循环预报试验。评估结果表明:同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果明显优于同化未质控天顶总延迟试验,表明所建立质量控制方案的有效性。同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果优于未同化GPS资料试验,表明天顶总延迟资料的同化应用可以有效提升预报系统的降水预报效果,特别是在无探空资料参加同化的预报时次;同化质控后天顶总延迟资料试验的降水预报效果也优于同化可降水量的试验,表明使用天顶总延迟资料代替可降水量资料在数值预报业务中开展同化应用是可行的。在天顶总延迟观测质量控制方案研发和同化应用得到了一些有意义的结果,有助于推进该观测资料在数值预报科研和业务中的应用,为提升预报性能提供技术支撑。

全球大气再分析常规气象观测资料的预处理与同化应用

用于全球大气再分析的常规气象观测资料由表面(地面站、船舶和浮标等)和高空(无线电探空、测风气球、下投式探空、飞机和风廓线雷达等)观测资料组成。基于已有工作进展,总结了我国全球大气再分析(CRA-40,1979—2018年)常规观测资料预处理与同化应用研究进展。在CRA-40研发阶段,完成了15个地面、高空、飞机和海洋观测数据源的资料的收集整理、分类整合和质量评估。相对NCEP CFSR同化的常规观测资料,CRA-40同化了更多中国地区的地面站、常规探空观测资料,增加了美国地区的TAMDAR和ACARS飞机报湿度数据。CRA-40采用RAOBCORE 1.4数据集提供的订正量完成了全球探空温度的偏差订正,采用NCEP辐射订正算法减小太阳辐射引起的热敏电阻季节性观测误差。对再分析同化结果带来负面效果的观测(如高海拔地面站观测、模式地形层以下高空观测以及300 h Pa以上探空湿度等)在观测资料预处理阶段被剔除。CRA-40采用的黑名单提供了不同时期观测资料存在问题的地面站、高空站、飞机、船舶和浮标等信息。这些信息来自观测资料和ERA-Interim再分析的偏差统计结果,以及NCEP CFSR、ECMWF提供的历史黑名单,后者在使用前进行了严格的诊断评估和确认。经过预处理和质量预评估的全球历史常规资料已应用于CRA-40的10年试验产品研制。

双多普勒雷达资料同化在飓风“艾克”预报中的应用研究

本文采用美国国家大气研究中心(NCAR)开发的中尺度数值模式WRFV3.7及其三维变分同化系统WRF-3DVAR对2008年飓风"艾克"进行了数值模拟研究。利用多普勒天气雷达观测资料具有高时空分辨率的优点,将美国两部多普勒天气雷达资料进行速度退模糊等必要质量控制后同化进中尺度数值模式,考察雷达资料同化对飓风"艾克"预报的改进程度。试验结果表明:将雷达资料用于对流尺度分辨率下飓风初始化需要对变分同化系统中特征尺度化因子进行优化调整,使观测资料能够以较为合理的方式调整模式初始场并进而改进预报;雷达径向风同化可以有效调整模式初始场中的飓风动力和热力结构,而经过尺度化因子调整后的雷达径向风同化则在飓风观测中心位置产生较为合理的气旋性风场增量,提供更为确切的中小尺度信息,使模式初始场更加接近观测并进而改进对飓风路径和强度的预报。

冬奥会小海坨山赛区边界层风场大涡模拟研究

北京市延庆区小海坨山将承担2022年第24届冬季奥运会部分高山滑雪、高山速降等室外赛事。由于室外赛事对近地面风场有着极其严格要求,需要提供百米内分辨率风预报产品。目前广泛使用的高分辨率(>1 km)中尺度模式尚不能满足这一预报需求。本文基于中尺度气象模式(WRF)的大涡模拟(LES)功能,针对冬奥小海坨山地区构建在线耦合中-微尺度WRF-LES模式系统,采用四重单向嵌套将水平分辨率从中尺度1 km降至微尺度37 m,对发生在该地区2017年1月13日晴天大风个例开展边界层风场的精细模拟。结合观测,通过设计模式水平、垂直、地形分辨率及边界层方案敏感性试验,检验和评估了WRF-LES作为真实大气模拟工具在复杂地形区域的适用性。结果表明,由于LES能解析大气湍流中部分湍涡能量,相比普通中尺度模式WRF,百米或更高分辨率WRF-LES能捕捉更多大气小尺度运动特征,刻画出局地流场结构,获得更精细、准确的近地面风场信息。为实现精确模拟,模式需引入与水平分辨率相匹配的高分辨率地形高程数据,结合计算资源能力设置垂直网格距。模拟结果表明WRF-LES对复杂山地近地面风场具有超高分辨率模拟应用的潜力和价值,表现出较好的预报能力,可为冬奥会精细气象服务提供技术支持。

不同控制变量的AMSR2资料同化方法对台风“山神”预报的影响研究

以2012年生成于太平洋西岸的第23号台风"山神"(Son-tinh)为个例,在WRFDA-3DVar同化系统中结合新型AMSR2同化模块,探讨两种不同的同化背景误差协方差(CV5、CV7)和不同的模式背景场启动机制(冷,热启动)对台风预报影响的研究。结果表明:(1)同化系统的分析场相对于背景场,对AMSR2辐射率资料亮温的模拟,在观测残差、标准差、均方根误差方面均有不同程度的减小。可以很好地模拟出台风的热力学结构,提高模式分析场的质量,从而进一步提高台风预报的准确度;(2)总体而言使用UV风的控制变量方案(CV7)的效果略好于使用流函数和势函数的方案(CV5)。CV7方案的正向温度增量区域大于CV5,尤其是在台风中心区域附近,正向温度增量有助于台风暖心结构的形成;(3)热启动的spin-up过程可以改善模式的热力结构和水汽特征;CV7方案可以在更小尺度上将背景场和观测联系起来且在边界附近产生的误差更小。热启动结合CV7方案对于台风路径的预报最为有效。

针对对流降水预报的BJ-RUC系统1小时更新循环方案研究

为了提高快速更新循环系统的分析和预报水平,在BJ-RUC系统中,发展了针对1小时更新循环的分步同化方案。分步同化的方案有效解决了在现有变分同化系统中如何在分析场中加入更多的对流尺度观测信息,同时保持大尺度背景场平衡的问题。该方案是将大尺度的常规观测和小尺度、高分辨率的观测资料分步同化,从不同尺度的观测中分别提取出大尺度和对流尺度的信息。以2009年北京地区夏季的4次强降水过程为个例进行同化和预报试验。结果表明,该方案在12小时的预报时效内能有效提高降水预报。对飑线个例的详细分析结果显示,分步同化方案可以使分析场中同时保留大尺度和对流尺度的信息,从而使预报的降水位置和强度等方面都更准确,降水预报评分有明显提高。

公里级CMA_MESO模式FSS评分技术研究

本文研究计算CMA_MESO模式预报降水FSS(Fractions Skill Score)评分时,当其水平分辨率与观测降水不一致时,采取两种匹配方式统一分辨率,分析这两种方式得到的FSS评分结果是否有差异。针对3 km分辨率CMA_MESO模式6 h累积降水,选取5 km分辨率的观测降水,分别采取预报降水匹配观测降水分辨率,以及观测降水匹配预报降水分辨率两种方式,选择4种邻域尺度:5、25、51和105 km;4种降水阈值:0.1、4、13和25 mm,得到两组不同预报时效的FSS评分。通过分析发现:两组FSS评分结果没有显著差异。研究结果表明,当CMA_MESO模式预报降水水平分辨率与观测降水不一致时,可以将预报降水匹配到观测降水格点场,也可以将观测降水匹配到预报降水格点场,两种匹配方式对FSS评分结果没有影响。

WRF中土壤图及参数表的更新对华北夏季预报的影响研究

土壤质地及其物理性质的参数化对陆面过程模拟具有明显的影响。研究了土壤质地和土壤水文参数表的更新对WRF(Weather Research and Forecasting)模拟性能的影响。使用北京师范大学土壤属性数据集和修正后的土壤水文参数表替换WRF默认数据,对2017年6-8月华北地区开展数值模拟试验和评估验证。结果表明,模拟结果对土壤类型数据集和水文参数表的更新较为敏感,对地面要素预报有正效果。WRF默认土壤数据集中,中国东部以粘壤土为主,而在北京师范大学土壤数据集里则以壤土为主;修正后的土壤水文参数在Noah陆面过程中增强了裸土潜热蒸发能力。数值模拟试验表明,土壤输入数据和土壤水文参数的更新能够增强陆面向大气的潜热同时减弱感热输送,致使大气底层温度降低而湿度增大。利用华北区域748个地面气象观测站的2 m温度和2 m湿度对2017年夏季的模拟结果进行验证,结果显示更新试验对地面要素的预报偏差有较好的修正作用,能够将2 m温、湿度的预报技巧分别提高3.4%和2.9%。

基于WRF的积云对流参数化方案对中国夏季降水预报的影响研究

为了研究WRF(Weather Research and Forecasting)中尺度模式中积云对流参数化方案对夏季降水预报的影响,基于水平分辨率为9 km的WRF模式,采用Kain-Fritsch(KF)、尺度适应的KF、Tiedtke、new Tiedtke和尺度适应的new Tiedtke方案等5种积云对流参数化方案对中国2019年6—8月的降水进行了模拟。结果表明,两种尺度适应方案对夏季平均降水的量级和落区的预报比原方案(KF方案和new Tiedtke方案)更优,且能正确预报北方和南方的降水峰值时间。而Tiedtke方案、new Tiedtke方案和KF方案均提前了降水峰值时间。在降水的概率分布方面,相比原始的KF和new Tiedtke方案,其尺度适应方案降低(提高)了中小(大)量级降水的频率,模拟的50 mm/d量级以下的降水频次相对更接近观测,但高估了50 mm/d量级以上的降水频次。进一步对比5种方案的次网格积云降水与网格可分辨微物理降水对总降水的贡献,KF和new Tiedtke方案试验中总降水主要由积云降水主导,而Tiedtke方案和两种方案的尺度适应版本则由微物理过程降水主导。随着降水率的增大,尺度适应的KF方案和尺度适应的new Tiedtke方案中积云降水占比迅速减小到30%以下,对50 mm/d量级以上的降水,积云降水占比低于15%。而KF方案在25 mm/d量级以下的降水中,随着降水率的增大积云降水占比反而提高。统计评分表明,尺度适应KF方案和尺度适应new Tiedtke方案有助于减少小量级降水的空报和大量级降水的漏报,对0.1 mm到25 mm的24 h降水的TS评分均高于原始的KF和new Tiedtke方案。

城市能量消耗对全球气候影响的模拟研究

2006年世界总能量消耗大约是1.58×1013W。这一能量消耗主要集中于人口稠密的地区。尽管这一能量消耗仅占自然界大气和海洋环流从低纬向高纬能量输送的0.3%,但当这一能量释放到大气中后有可能对正常的大气环流产生一定的影响,从而影响本地及下游地区的气温。本文使用全球气候模式对这一人类能量消耗潜在的气候影响进行了研究。结果表明,当把全球能量消耗超过0.4W的86个网格点加入数值模拟时,在北美和欧亚大陆的中高纬地区的冬季和秋季增温可达到1℃。这些增温地区恰恰是20世纪使用自然和人类强迫的气候模拟相较于实际观测有偏差的区域。因此,研究认为加入人类能量消耗可能会修正气候模拟相对于实际观测的误差。

美国的廓线网及其发展

本文从资料用户的角度评论美国风廓线仪的应用现状和前景,简要介绍了有关技术问题,但不是重点。总结了现有风廓线仪网和计划中的系统,包括NOAA、NASA和大学的系统。描述了资料同化研究的范围和关系。讨论了业务应用和研究项目,包括数值天气预报、航空和空气污染。最后考虑有关风廓线仪在最终取代目前常规无线电探空仪高空系统中的作用问题。

用二维模式研究非洲气候的生物地球物理学反馈作用

本文用二维气候模式研究了非洲气候的生物地球物理学反馈作用。利用气候-植被耦合模式做了两个数值试验,一个是撒哈拉沙漠消失;另一个则将撒哈拉沙漠扩展。试验结果表明地面状况的变化对气候系统产生重要的反馈作用。在考虑撒哈拉沙漠时模拟出的温度和纬向风同非洲干旱年份的气候资料相一致。

全球海-气耦合大气环流模式中厄尔尼诺-南方涛动的季节循环作用

近来计算机功能和气候模拟能力的进步,为一些模拟小组提供了进行全球海-气耦合气候模式长期积分的可能,为研究在南方涛动和厄尔尼诺现象形成过程中有重要意义的耦合过程创造了条件。本文给出了美国大气研究中心(NCAR)的耦合模式,该模式由全球大气环流谱模式(分辨率为R15)与经纬度间隔为5度的4层全球海洋大环流模式耦合而成。尽管该模式网格较粗糙,但在该耦合模式中具有南方涛动型年变率的固有特征。南方涛动周期的奥秘之一就是它如何使热带太平洋海表温度(SST)由冷变暖而又在春季(北半球)恢复正常。NCAR的耦合模式表明,东太平洋季平均环流的调整导致了该地区冷暖事件的爆发和消亡。该模式的作用机制包括海平面气压(SLP)、海表温度、海表凤应力、海水上翻及对流降水的耦合季距平,这些耦合距平是由于东太平洋海陆差别造成的,与北半球冬季南美海平面气压场(SLP)季节性低压的发展及其(在北半球春季)随太阳作用向西北方向季节循环的移动有关。随着时间的推移,这些距平区出现在热带太平洋最西部并同全球范围的距平分布相联系,它在某些方面类似于所观测到的冷暖事件——南方涛动的两个极值。实测的长期平均季循环中也存在类似的耦合过程组,而且东赤道太平洋的年际变化事件被证明是相似于耦合模式实测值的平均季节循环的调整。降低本模式的耦合程度(通过减弱大气风应力作用的强度)会减少季节的和年际距平特征。如果本模式不考虑太阳作用的季节变化,则会改变冷暖事件的性质和正常的演变规律。由于本模式未能模拟西太平洋的任何实测现象,所以它所模拟的大概只涉及厄尔尼诺-南方涛动几种可能的机制之一。