伴随系统及非线性优化方法在REM模式可预报性研究中的实际个例应用

利用REM模式的伴随系统和非线性优化方法，通过三个实际天气个例，对REM模式的可预报性问题进行了研究。结果表明，REM模式在给定的实际应用中可接受的预报误差范围内，对三个天气个例都具有预报能力。对于个例一，利用现有的常规报文初始观测场，进行简单的插值处理（最优插值等），REM数值模式就可以得到比较满意的预报结果； 对于个例二和个例三，对现有的报文初始观测场进行处理（如四维变分资料同化）后，REM模式在给定的误差允许范围内，对这两个天气个例仍得到满意的预报。研究结果不仅对改进数值模式具有一定的指导意义，而且对如何改进数值模式的初值问题，特别是在中尺度天气预报中如何改进具有一定的参考价值。     

GRAPES模式标准初始化方案设计与实现

文章介绍了GRAPES模式标准初始化系统的方案设计及程序结构，对3种不同方案产生的初始场进行了分析。结果表明:水平风场、温度场、位温场对插值方法的精度并不是很敏感，而高度场以及气压Exner函数则对垂直插值方法的精度要求很高；在3种模式变量产生方案中，方案一的效果较差，但它计算速度快，在地形梯度不大的地方可以选择使用；方案二与方案三的效果则比较好，用户可根据自己的需求任意选择。GRAPES模式标准初始化系统在完成其主要功能的同时，通过灵活的程序设计，对标准初始化系统的区域、分辨率、垂直层次、水平插值方法、垂直插值方法等的任意选取，使得标准初始化系统可以很容易满足模式初值的各种需求，为模式开发研究实验提供了各种便利。     

诊断分析在数值预报产品释用中的探讨

针对地方性天气预报特点，根据现有数值预报产品及实时探空资料的接收情况，作者利用中尺度数值预报模式ＭＭ４引入中尺度信息，提出一个实际可行的夏季降水预报方案，以求提高区域范围内具有明显突发性对流降水的预报能力。作法是用ＭＭ４模式计算逐日物理量诊断场，加入同期的欧洲中心数值预报产品，共计４１个场作为预报因子场；应用典型相关分析法，并结合逐步判别和逐步回归法，计算得出９个分区和８个单站中雨以上降水预报方程。降水预报方程的因子变量多数为中尺度诊断分析场构成的典型团子，可以认为，ＭＭ４模式计算得出的中尺度信息对预报中雨以上降水是有贡献的。     

澳大利亚气象研究中心的轨迹计算及其应用

从天气分析和预报提供的后向轨迹信息可以加强预报指导。澳大利亚气象研究中心（ＢＭＲＣ）开发了一个计算三维后向和前向轨迹的软件，使用的资料是澳大利亚气象局有限区域３６小时３个风速分量的业务预报。它们有三种可用的输出形式；后向轨迹、前向轨迹及３６小时气块垂直位移等值线场。这个软件已用于分析诊断研究。     

北京地区一次空气重污染过程的目标观测分析

针对北京市2016年12月16~21日的空气重污染过程进行了回报试验,探讨了该次事件预报的目标观测敏感区。使用新一代高分辨率中尺度气象模式（Weather Research Forecasting,WRF）和嵌套网格空气质量模式（Nested Air Quality Prediction Model System,NAQPMS）,针对初始气象场的不确定性,通过4套初始场资料识别了影响北京地区细颗粒物（PM2.5）预报水平的目标观测敏感变量及其敏感区。结果表明:当综合考虑初始气象场的风场、温度、比湿不确定性的影响时,发现改善黑龙江区域上述气象要素的初始场精度,对北京地区PM2.5预报不确定的减小最显著;当分别考察风场、温度、比湿的不确定性的影响时,发现初始风场精度的改善,尤其是黑龙江区域风场精度的改善,能够更大程度地减小北京地区PM2.5的预报误差,对北京东南地区的PM2.5预报误差的减小甚至可达到40%以上。因此,优先对黑龙江区域的气象场,尤其是该区域的风场进行目标观测,并将其同化到预报模式的初始场中,将会有效提高初始气象场的质量,进而大大减小北京地区PM2.5浓度的预报误差,提高北京地区空气质量的预报技巧。初始风场代表了北京地区该次空气重污染事件预报的目标观测变量,而黑龙江地区则是该目标观测的敏感区域。     

一次粤西南暴雨过程的预报误差来源分析

本文基于WRF模式研究了2015年5月16～17日广东西南地区的一次暴雨过程的预报误差来源。首先比较了以NCEP_FNL为初始资料的WRF模式的模拟预报（记为WRF_FNL）和ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）关于该次暴雨过程的确定性预报。结果表明,ECMWF具有较高的预报技巧,因此,认为ECMWF的模式和初始场都较为准确。进一步,以ECMWF的初值作为初始场,选用相同的物理参数化方案,再次用WRF模式进行预报（预报结果记为WRF_EC）。结果表明相对WRF_FNL,WRF_EC的预报结果有明显改善。这表明,初始场的改进对预报有较大的影响,初始误差是预报误差的重要来源。进一步,分析了初始误差的主要来源区域和来源变量。结果表明,南海北部湾至广西西南区域为本次暴雨预报初始误差的主要来源区域,而初始温度场和初始湿度场则为此次暴雨预报初始误差的主要来源变量。同时改进初始温度场和湿度场可以较大程度提高本次暴雨过程的预报技巧。     

GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR).该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致.由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案.通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难.重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化.理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善.     

中尺度数值预报中不同初值方案的检验对比

采用WMO推荐的标准化检验方法对两套初值方案进行检验，一套为使用T106L19全球中期模式预报场作为初猜场的cressman逐步订正客观分析方案（T106）；一套为直接插值客观分析方案（OBS）。通过对比分析发现：（1）反映大尺度环流场的要素，例如，300hPa风场、500hPa高度，T106初值方案略好于OBS。（2）空间尺度较小的要素，例如，850hPa温度、湿度等，OBS略优于T106；在比湿预报场中，低层预报优于高层，但850hPa比湿预报出现正的系统误差，随着预报时效的延长，正系统误差加大。（3）在风场的预报中，低层预报总体不如高层好，U风分量的预报有负的系统性误差，V风分量有正的系统性误差。同时对责任中初值预防的降水进行TS评分，评分结果表明，T106的总体评分高于OBS，但T106初值方案的空报率高于OBS，而OBS初值方案的漏报率高于T106。     

一粗细网格模式“三维嵌套”方案的设计及试验结果分析

该文简要地分析了水平侧边界嵌套技术中存在的问题，提出了“三维嵌套”的设想，并就不同范围对水平侧边界嵌套及三维嵌套方案进行了对比试验。试验结果表明：（１）三维嵌套方案对区域模式的降水及中、下层形势场的预报均有所改进；（２）嵌套区域越小，三维嵌套方案对预报的改进效果越明显；（３）三维嵌套方案对预报的改进随积分时间的增长而愈加显著     

低纬高原地区MM5v3不同参数化方案降水模拟试验

为了进一步了解MM5模式在低纬高原降水预报性能，利用MM5模式中的3个物理过程组合了7个不同的参数化试验方案，对低纬高原地区2005年主汛期进行了降水数值试验。结果表明：第三重嵌套网格中的Grell积云参数化、Goddard显式水汽和Cloud（或RRTM）辐射过程组合的试验方案对降水预报效果较好，特别是对大雨和暴雨预报有明显的改善；在将试验结果插值到测站点时，不同扫描半径对插值结果有一定影响，相对而言，20～30km扫描半径插值结果较为理想。     

冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与大气环流和海温异常的联系

利用1979—2015年ECMWF逐日再分析资料,通过EOF分解和回归分析研究了冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与海表面温度异常(SSTA)和大气环流异常之间的联系。研究结果表明:冬季中纬度北太平洋地区850 h Pa低频尺度环流存在3个明显的变化模态:第一模态为海盆尺度的单极型异常气旋(反气旋)式环流,同期太平洋SSTA呈现El Ni1o(La Ni1a)以及PDO暖位相(冷位相)空间分布,阿留申低压强度增强(减弱),对流层中高层是正位相(负位相)的PNA型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴中东部南压(北抬);第二模态为在白令海峡和副热带地区呈气旋式与反气旋式环流南北向偶极型变化,同时中纬度北太平洋SSTA呈现NPGO(North Pacific Gyre Oscillation)正位相(负位相)的空间分布,黑潮区域SSTA偏暖(偏冷),北太平洋SSTA经向梯度加大(减小),对流层中高层为负位相(正位相)的WP型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴整体偏北(偏南),强度增强(减弱);第三模态为北太平洋中西部和北美西岸呈气旋式与反气旋式环流东西向偶极型异常,黑潮区域SSTA偏冷(偏暖)而北太平洋东部SSTA偏暖(偏冷),SSTA纬向梯度加大(减弱),同时赤道东太平洋出现类似La Ni1a(El Ni1o)的SSTA分布,北太平洋天气尺度风暴轴中东部明显减弱(加强)而西部略有加强(减弱)。     

LOCALIZED HADLEY CIRCULATION AND ITS LINKAGE TO PACIFIC SSTA

The 1979-2001 ERA-40 monthly mean meridional winds are used to calculate the mass streamfunctions in the monsoon region (60-140° E) and Nio zone (160° E-120° W),with which the climate characteristics and intensity variation of the localized Hadley circulation (LHC) are analyzed over the two regions and the linkage of this LHC to Pacific SST is explored.Evidence suggests as follows.1) The climatological LHC is stronger in the monsoon than in the Nio zone,with its position in the former northward of the lat...     

ENSO事件与云南冬季气温异常

分析了1961年以来11次El Ni?o和8次La Ni?a事件对云南冬季气温变化的影响, 发现: El Ni?o (La Ni?a) 年云南冬季气温偏高 (低), 有暖 (冷) 冬特征, 其中以东部、中部和南部最为显著.冬季赤道东太平洋SSTA与同期云南气温距平有显著的正相关, 上一年SSTA与次年云南1月气温也有好的正相关. SSTA异常正 (负) 值是云南暖 (冷) 冬的一个强信号.在ENSO影响下, 东亚冬季风偏弱 (强) 是形成云南暖 (冷) 冬的主要原因.     

浙江秋季连阴雨气候统计特征及其异常环流背景

利用1971—2016年浙江常规气象站观测资料和多种再分析资料,分析了浙江省秋季连阴雨的气候特征及其异常环流背景。结果表明:(1)浙江每年每站平均出现1.8次秋季连阴雨天气,过程平均可持续5.5 d,平均雨量77 mm;秋季3个月中9月出现连阴雨的频次最高;大多年份会发生1～2次持续5～7 d的连阴雨,78%过程累计降水量在100 mm以下;发生时多为全省一致变化型,多发区集中在杭州—绍兴一带。(2)连阴雨过程次数、累计持续天数及累计降水量有一致变化性,均反映出浙江秋季连阴雨有明显的年际变化特征,有4个强年和7个弱年。(3)浙江秋季连阴雨强(弱)年对应南亚高压和西太平洋副热带高压"相向(背)而行"。强(弱)年时,西太平洋副热带高压异常偏西(东),南亚高压异常偏东(西),华东地区上空垂直上升运动强(盛行下沉气流),低层异常偏南(北)风提供了充足的水汽(阻碍了暖湿空气北上),有(不)利于浙江连阴雨的发生。(4)连阴雨强弱年大气环流异常与热带海表温度强迫有关。强(弱)年时,赤道太平洋海温呈拉尼娜状态(距平不明显),使东印度洋—南海—海洋性大陆上空对流活跃(偏弱),潜热加热(不足以)激发低层Matsuno-Gill型响应,(不能)在亚洲大陆激发气旋性环流异常,而赤道中东太平洋强(弱)下沉气流则(不能)在西北太平洋激发反气旋性环流异常,此低层气旋—反气旋异常环流配置(弱环流异常)使华东地区有低层偏南(北)风异常,水汽增多(减少),有(不)利于浙江连阴雨的发生。     

东亚冬季风经向异常与后期嘉兴梅雨关系

利用1948—2005年NCEP/NCAR再分析资料, 定义了一个可以反映中高纬度间冬季风强弱差异的冬季风经向变化指数 (WMMCI), 该指数与东亚冬季风指数有较好的对应关系。强 (弱) 冬季风年后期嘉兴梅雨偏多 (少) 为主, 年际、年代际关系对应为正相关, 并对后期降水有持续影响, WMMCI指数持续增强 (减弱) 2年并处于强 (弱) 冬季风年时, 后期嘉兴梅雨持续偏多 (少), 嘉兴梅雨降水升高或降低的变化趋势滞后于该指数变化。对500 hPa高度场距平合成分析表明:强 (弱) 冬季风年北正 (负) 南负 (正) 的距平分布使中高纬度经向 (纬向) 环流发展, 有利 (不利) 于冷空气南下影响, 并对后期大气环流产生持续影响, 从而有利 (不利) 于降水。冬季风经向异常对嘉兴后期降水持续影响的一个可能解释是, 持续增强 (减弱) 的强 (弱) 冬季风使赤道太平洋地区盛行风向发生改变, 使赤道太平洋海温变化出现异常, 触发El Ni?o (La Ni?a) 事件, 从而对后期大气环流造成持续影响。     

2000—2021 年影响山东的北上台风分类及降水落区分析

将2000—2021年影响山东的15个台风，按大尺度环流形势进行分类，以台风登陆之后500 hPa中纬度是否存在槽进行分类，可以分为3类：（1）中纬度有槽且形成闭合中心，台风与槽结合，在山东产生暴雨以上量级的降水；（2）中纬度只有高空槽，降水范围最大；（3）中纬度无明显槽脊，降水量和降水范围最小。以西太平洋副热带高压（简称“副高”）的位置分类，可分为3类：（1）副高西伸脊点过120°E且北部边缘过40°N，台风沿副高外围移动，降水最少；（2）副高西伸脊点不过120°E且北部边缘过40°N，高空槽与副高在中国沿海交汇，降水范围广，山东降水与台风位置有关。位置偏西，降水范围大；位置偏东，降水主要集中在山东半岛地区；（3）副高西伸脊点不过120°E且北部边缘不过40°N，台风环流中心较强，降水最强。以700 hPa环流形势分类，分为3类：（1）700 hPa有高压坝，降水范围最小；（2）700 hPa无高压坝，东北地区有冷涡，山东降水量和降水范围最大；（3）700 hPa无高压坝，中纬度存在大槽，降水量均可达大暴雨量级。     

夏季南亚高压与邻近上对流层下平流层区水汽变化的联系

利用1979-2015年ERA-interim月平均再分析资料,分析了夏季南亚高压（SAH）与邻近上对流层下平流层（UTLS）区水汽空间分布特征,讨论了二者的相关关系和因果联系。结果表明:（1）在对流层上层,水汽大值区位于南亚高压的东南侧,并随高度升高向西北倾斜到100 hPa,水汽大值中心基本位于南亚高压中心附近。（2）南亚高压偏强（弱）时,南亚高压东部UTLS区水汽显著偏多（少）,而南亚高压西北部水汽异常不显著。（3）南亚高压偏强（弱）时南亚高压中部UTLS区水汽偏多（少）可能与南亚高压对水汽的抽吸和对水汽输送屏障有关。（4）而南亚高压东南侧UTLS区水汽偏多（少）时南亚高压偏强（弱）可能与深对流输送的水汽潜热释放有关。      

浙江省大气扩散能力的时空分布特征

利用以美国环保部推荐的经典高斯扩散模型为基础建立的大气扩散能力定量评估方法,研究浙江省大气扩散能力分布及年际变化特征。研究结果表明,浙江省大气扩散能力呈北部较南部强、沿海较内陆强的分布特点,不同设区市大气扩散指数从大到小的顺序为舟山(3.25)>台州(2.69)>嘉兴(2.22)>宁波(2.19)>衢州(1.75)>金华(1.70)>绍兴(1.67)>湖州(1.46)>杭州(1.34)>温州(1.27)>丽水(0.59)。不同时间尺度大气扩散能力特征为:7月大气扩散指数最大,达到4.19,2月最小,为1.51;夏季大气扩散指数最大,为3.37,秋季次之,为2.73,春季第三,为2.44,冬季最小,为1.94;1980—2014年年均大气扩散指数呈明显的下降趋势,下降了1.40,下降幅度达到58.33 %,而且2000年之后的下降速率较之前大。不同设区市大气扩散指数年际变化特征存在较大差异,表现最明显的有:温州地区大气扩散指数下降幅度最大,舟山地区大气扩散指数虽然一直较其它地区大,但近几年下降幅度比较大;丽水地区大气扩散指数一直最小,但其降幅也最小。      

Response of the Kuroshio Current to Eddies in the Luzon Strait

The impact of eddies on the Kuroshio Current in the Luzon Strait (LS) area is investigated by using the sea surface height anomaly (SSHA) satellite observation data and the sea surface height (SSH) assimilation data. The influence of the eddies on the mean current depends upon the type of eddies and their relative position. The mean current is enhanced (weakened) as the cyclonic (anticyclonic) eddy becomes slightly far from it, whereas it is weakened (enhanced) as the cyclonic (anticyclonic) eddy moves near or within the position of the mean current; this is explained as the eddy-induced meridional velocity and geostrophic flow relationship. The anticyclonic (cyclonic) eddy can increase (decrease) the mean meridional flow due to superimposition of the eddy-induced meridional flow when the eddy is within the region of the mean current. However, when the eddy is slightly far from the mean current region, the anticyclonic (cyclonic) eddy tends to decrease (increase) the zonal gradient of the SSH, which thus results in weakening (strengthening) of the mean current in the LS region.     

中国格点化日降水极值统计模型及阈值的选取

采用年最大值法（AM）及超阈值峰量法（POT）分别构建基于0.5°×0.5°网格的全国地面日降水极值序列,建立基于广义极值分布（GEV）和广义帕累托分布（GPD）的降水极值统计模型,通过K-S检验评估模型拟合效果,研究全国日降水极值的统计规律及其空间分布特征,提出适用于不同地区极端日降水的极值分布模型与阈值选取标准,结果表明：(1)POT序列比AM序列更符合降水极值序列的要求;(2)为便于比较并提高模型拟合效果,POT序列的阈值由百分位数法确定效果较好;(3)阈值方案优选结果在空间分布上与中国干湿区域的划分有很好的相关性,在湿润地区宜将第90～94百分位数作为阈值,在半湿润和半干旱地区宜将第94～97百分位数作为阈值,在干旱地区则使用第97～99百分位数较为合适。