我国南方冬季低温雨雪冰冻事件的大气扰动信号分析

利用中国549个站点的温度和降水资料确定了1960～2008年发生在我国南方冬季的23次低温雨雪冰冻事件。对全球大气变量再分析资料做物理分解得到天气尺度扰动分量用于这些事件的早期信号分析。结果表明,在低温事件发生时,南方地区上空300 hPa对应有最大负高度扰动,850 hPa有负温度扰动。这些扰动的传播特性可以作为低温事件发生的早期信号。在低温雨雪站日数大于10的11次事件中,它们的扰动信号平均可提前11.2天追踪到。     

低频扰动增量法在华南冬季低温延伸期预报中的应用研究

通过扰动物理量分解方法和增量预报方法,提出低频扰动增量的定义,分析冬季大气低频扰动信号与华南低温事件的可能联系,构建基于低频扰动增量的华南冬季低温延伸期预报模型,为低温延伸期预报提供科学参考依据。分析表明:(1)东半球500 hPa高度场低频扰动变化显著区域主要位于中高纬度45°×80°N地区,尤其在乌拉尔山脉附近及其以西的东欧地区和贝加尔湖以北的中西伯利亚地区;(2)500 hPa中高纬高度场和风场低频扰动增量的前两个EOF模态反映了周期为20 d左右低频振荡的传播型模态,EOF1反映的是导致中高纬度两槽一脊型的环流形势得以维持的低频扰动特征,EOF2反映的是中高纬度高空槽东移后出现的低频扰动特征,研究揭示了华南最低气温低频扰动增量与该低频传播模态的关系十分密切;(3)基于低频扰动增量的延伸期预报准确率明显优于直接应用原始场的延伸期预报,重点抓住大尺度环流的低频扰动增量及由其引起的预报量的扰动增量,可以提高延伸期预报的准确率。     

中国冬半年区域持续性低温事件的前期信号

大气变量物理分解的方法应用于寻找中国区域持续性低温事件的前期信号。1960～2008年的冬半年期间, 总数115次强的区域持续性低温事件的对流层低层出现了天气尺度温度的负值扰动, 而在对流层中高层至平流层出现了天气尺度位势高度的负值扰动。其中, 112次事件分别在850 hPa和300 hPa上出现了温度扰动负值中心和位势高度扰动负值中心。追踪850 hPa层的温度扰动能够提前5～9天预示中国区域持续性低温事件的出现。     

中期模式扰动量在广州-东莞极端暴雨中的解释应用

2020年5月22日凌晨,在珠三角地区发生了罕见的先有高闪电密度和随后具有“短时雨强强、累积雨量大”特征的局地特大暴雨,单站5min雨强达到37.3 mm。考虑极端暴雨发生的扰动涡度动力条件和扰动湿度水汽条件,跟踪了欧洲中期天气预报中心模式分析的和提前预报的850hPa扰动气流辐合线和其上的扰动湿涡度分布。结果表明,该中心的模式可以提前4—5d预报出扰动辐合线位置,而扰动湿涡度中心与暴雨位置有偏离。中期模式产品解释应用的前景是,扰动气流辐合线和其上的扰动物理量特征可为临近强对流天气的监测提供信息。     

2007年夏季GRAPES_MESO15及30km模式对比检验

对2007年6-8月两种GRAPES模式产品进行天气学检验.结果表明:GRAPES模式对7月上旬淮河流域降水位置预报较为准确,但两种模式对降水量值预报均偏小.在淮河流域强降水期,两种模式对500hPa中高纬度平均槽脊的位置预报较为准确,15km模式对中低纬度印度半岛地区高度场预报更加准确,且对副热带高压588线平均北界位置的预报好于30km,但两种模式对副热带高压西伸脊点的位置预报偏东.GRAPES模式对850hPa温度趋势有较好的预报能力,都能够准确预报出850hPa温度的转折,15km模式比30km模式预报更为接近实况.此外,两种GRAPES模式对0709号台风的预报效果均不太理想,台风邻近登陆前850hPa气旋性环流仍不清楚,登陆后环流中心清楚,但预报中心位置偏向西南,路经预报存在偏差,同时登陆前的台风中心附近风速明显偏小.     

动力协调的扰动场在风暴尺度集合预报中的效果改进试验

利用WRF模式,对1977年5月20日发生在美国俄克拉荷马州的超级单体风暴进行理想化的集合预报试验。基于具有明确统计意义的蒙特卡洛扰动法和扰动变量动力协调性的考虑,构造了两个集合预报系统（EPS）,一个是由包含多时次扰动误差信息并能够使各个扰动变量与动力模式相协调的初始扰动场生成集合成员;一个是由蒙特卡洛扰动法生成集合成员。对比检验了两个EPS的性能,结果表明：与动力模式相协调的扰动场形成初始扰动的EPS预报效果要好于蒙特卡洛扰动法产生的EPS;Talagrand分布和离散度情况表明前者可以获得更适宜的离散度,模式对初始扰动的平滑作用更小,比后者更为合理。     

初始扰动对一次华南暴雨预报的影响的研究

本文选取了2006年华南前汛期的一次暴雨过程, 采用AREMv2.3中尺度数值模式进行数值模拟, 分别在模式初始场的物理量场 (温度场、 风场、 湿度场) 上加扰动, 分析不同物理量场上的扰动对降水预报的影响, 以及物理量预报误差和扰动能量的增长情况。同时, 通过本个例讨论误差增长与湿对流的关系, 扰动振幅对误差增长的影响和华南区域的中尺度降水的可预报性问题。数值试验结果表明: 初始时刻不同物理量场加实际振幅的正态分布的随机扰动时, 对降水的影响是不同的。对于24小时降水预报, 温度场对降水的影响最大。误差的增长与湿对流不稳定有着密切的关系。小尺度小振幅误差增长很快, 而且是非线性增长。这意味着短期的较小尺度降水的可预报性很小。与大振幅扰动相比, 小振幅扰动造成的误差较小。但是小振幅扰动的迅速发展, 很快就会对降水预报造成较大的影响。因此, 只能有限地提高预报质量, 而且由于扰动非线性增长很快, 在预报时间的提前上, 不会有太大的改善。     

两种模式随机扰动方案比较及扰动传播分析

基于我国T213全球集合预报系统,设计了两种模式随机扰动方案,第一种方案对物理过程和动力过程积分总倾向项进行随机扰动(简称STPS),第二种方案仅对参数化的物理过程的积分倾向项进行随机扰动(简称SPPS).将两种方案分别引入模式进行数值试验,评估集合预报效果,分析随机扰动特征及扰动传播机制.结果表明:两种随机扰动方案对T213模式预报变量都产生了明显的影响,垂直方向和水平方向上,扰动值都随着积分时间增加而增长,中高纬地区尤为显著.两种方案的差异是STPS方案预报变量扰动值偏大;SPPS方案预报变量扰动值更为合理,SPPS的扰动大值中心随预报时效增加从低纬向中高纬传播,且总能量偏差具有从小尺度向大尺度传播的特征.与STPS方案相比,SPPS方案的集合预报离散度、集合平均的均方根误差在积分后期明显更有优势,高度场和风场的预报准确性提高,降水量预报技巧也得到明显的改进.表明SPPS方案能更加合理地体现模式物理过程的不确定性,在一定程度上提高集合预报系统的预报能力.     

SMS-WARMS V2.0模式预报效果检验

对新一代上海区域中尺度模式(SMS—WARMS V2.0)系统预报结果进行了统计检验,检验量包括降水、2 m温度场、10 m风速、500 hPa位势高度场和850 hPa温度场、风场和相对湿度。结果表明:新一代模式的预报性能得到明显改善,模式各量级降水的TS和ETS评分都有提高,说明模式对降水事件发生的捕捉能力进一步增强了。分析2 m温度场的均方根误差及预报准确率发现新版业务模式的2 n、温度场预报优于原业务模式。此外新业务模式的10 m风速预报的均方根误差的逐月和多月平均值都低于原业务模式。高空形势场检验结果显示,新业务模式埘500 hPa位势高度场和850 hPa温度场的预报都优于原业务模式,850 hPa风场预报相关系数高于原业务模式,850 hPa相对湿度提高不明显。个例分析表明,新版业务模式强降水预报产品相对于原业务模式产品埘大气预报更具参考价值。     

陆面特征量初始扰动的敏感性及集合预报试验

文章利用中尺度模式Weather Research and Forecasting Model(WRF)3.2.1版本及National Centers for Environmental Prediction(NCEP)分析资料,研究了陆面变量(土壤湿度、土壤温度)和陆面参数(植被覆盖率)初始场随机扰动对长江中下游暴雨预报的影响并进行了集合预报试验。试验结果表明,短期暴雨过程对陆面变量(参数)扰动是敏感的;陆面变量(参数)初始场扰动影响降水的时间尺度小于10 h甚至可以小于6 h。从影响机理上来看,陆面变量(参数)扰动首先改变地表的潜热通量和感热通量,而地表通量的改变会通过陆气相互作用对局地大气的温、压、湿、风产生较大影响,从而对暴雨的强度和落区产生较大影响。集合预报结果表明,利用陆面变量(参数)扰动制作集合预报,预报的集合平均结果要好于控制预报的结果,且比集合成员稳定可靠,降水概率预报可以提供一些有用的信息,对预报强降水有一定的指示意义。在初值集合预报中,以这些参数或变量的扰动来引进集合成员是十分有意义的。     

一次东移西南涡对初始扰动的伴随敏感性试验

初始条件能否包含有足够的中尺度信息对西南涡的模拟至关重要,采用中尺度模式MM5对我国长江流域一次东移西南涡进行模拟试验,并结合一个伴随模式MAMS对这次西南涡进行敏感性试验,分析预报变量对初始条件的敏感性分布,根据敏感性分析结果对初始条件追加一个适当的扰动进行模拟对比,结果表明:追加扰动后的初始条件较成功地模拟出了本次西南涡的形成和移动情况,而原来的试验模拟的低涡与实况相比要落后十几小时;伴随模式MAMS较好地模拟出了本次西南涡的敏感性场分布,本次西南涡对西风扰动的大敏感性区域主要位于400hPa以下的西南地区,对南风扰动的大敏感性区域主要位于500hPa以下的西南地区,对温度扰动的大敏感性区域则主要位于500hPa与900hPa之间的西南地区;追加的风场扰动在中低层的西南地区表现为一个气旋性环流,在这个气旋性环流的西南方存在另一个反气旋性环流;在此基础上增加初始场水汽扰动则在一定程度上加强了模拟低涡的强度和移动速度。     

基于WRF模式的对流尺度边界层方案参数随机扰动方法研究

边界层参数化方案的准确性会影响模式对近地面变量和大气低层热动力结构的模拟,对雷暴等强对流天气的预报非常重要,但边界层方案内在的不确定性使得单一预报具有局限性。为了提高对流尺度数值模式中边界层方案的预报效果,基于WRF（The Weather Research and Forecasting Model）模式,应用随机参数扰动（SPP）方法对Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino（MYNN）边界层方案中重要的3个不确定参数进行扰动,探究了该方法对北京地区一次雷暴过程模拟的影响。同时考虑了对流尺度集合预报系统的特点,调整随机参数扰动方法的3个参量（去相关时间尺度、空间尺度和格点标准差）探究了对流尺度中对MYNN方案参数进行扰动的最优设置。结果显示:随机扰动MYNN边界层方案参数（SPPM）方法可以有效提高近地面变量和700 hPa以下低层变量的离散度,同时提高了短时强降水位置和强度的预报技巧。3个参量的试验说明,去相关时间尺度增大到12 h集合离散度有明显提高;格点标准差增大到0.20,预报技巧也略有提高;去相关空间尺度维持在默认值700 km较好,尺度过小（150 km）预报技巧明显降低。上述结果表明,在对流尺度中SPPM方法可以有效表达边界层参数化方案的不确定性,提高集合预报系统的预报技巧。      

扰动动能谱与长江中下游地区春季连阴雨天气过程

本文应用欧洲中期预报中心1973～1987年3～5月500hPa高度场资料,着重讨论了长江中下游地区春季连阴雨过程中扰动动能谱特征和连阴雨形成过程中扰动动能谱的时空分布规律。     

基于BDA扰动法的台风路径集合预报试验研究

提出一种新的方法（BDA扰动方法）对台风路径进行集合预报。BDA扰动方法是基于BDA同化方案。通过扰动台风的中心位置和台风强度得到一系列模型台风，将之分别同化到同一环境场中得到一系列扰动初始场，从而对台风进行集合预报的方法。本文选取四个台风个例进行数值试验，将直接用BDA方案同化初始场的模拟结果与采用BDA扰动方法模拟的结果进行比较，发现：利用BDA扰动方法对台风路径进行集合预报能进一步提高路径预报精度；同时发现：对于BDA扰动方法，若与初始定位扰动相结合，5hPa的台风强度扰动幅度可能比10hPa的更适宜。     

中国东部7类暴雨异常环流型

近年来的研究发现,瞬变扰动天气图上的扰动场天气系统对区域暴雨的落区指示能力强于传统天气图上的总场天气系统。为供预报员在业务预报中参考,本文划分1998年发生在中国东部地区的41日次区域暴雨为7类扰动场天气系统。与区域暴雨相联系的7类异常环流型分别是:华南切变线、华南涡旋、华南倒槽、长江切变线与槽、沿江涡旋、华北涡旋和东北涡旋。无论是在对流层的垂直剖面上,还是在850 hPa水平分布上,扰动天气图上位势高度低值和风扰动辐合处并配合大的水汽扰动对应有区域暴雨,而传统天气图上的低值系统和高水汽区与暴雨之间存在位置上的偏移。由此建议,用实况大气变量和中期数值模式产品绘制扰动天气图有助于预报员确定区域暴雨落区。     

CMA-GFS模式对东北半球环流形势预报能力的检验评估

基于CMA全球模式（CMA-GFS）2019年10月至2020年12月逐日20:00（北京时）起报的数据,对东北半球高空气象要素预报进行检验评估,检验的要素包括500 hPa位势高度场和风场、 850 hPa温度场和700 hPa相对湿度场。结果表明：（1）从模式预报效果的时间变化来看,预报效果有明显的季节变化,500 hPa位势高度和850 hPa温度的预报场和分析场的相似度在夏季最低,700 hPa相对湿度场的相似度在冬季最低;随着预报时效的增加,各要素的误差幅度在夏季最小。（2）从模式预报效果的空间变化来看,500 hPa位势高度场在东北半球大部分地区预报场与分析场具有较高相似度,且中高纬地区相对低纬地区更相似,预报误差的幅度则在低纬地区相对较小高纬地区相对较大,且预报偏差以大范围负偏差为主。相比而言,模式对东亚地区的位势高度及其梯度具有更高预报技巧。850 hPa温度场预报相似度和误差幅度与500 hPa位势高度场分布相似,预报偏差则主要表现为中高纬地区温度预报整体偏低,中低纬地区偏高。在预报前期（24～48 h）, 20°N以北的中高纬地区温度预报场与分析场相似度较高,均方根...     

随机参数扰动在一次山地暴雨集合预报中的对比研究

基于WRF v3.9模式使用随机参数扰动MYNN边界层方案和RUC陆面过程方案参数对我国西南山地一次特大暴雨模拟,对比评估出山地暴雨集合预报中针对MYNN边界层、RUC陆面过程方案随机参数扰动的较优设置,主要结论如下:随机扰动MYNN边界层方案(SPPM)和RUC陆面过程方案(SPPR)参数试验,扰动的主要是地面和模式低层的变量,扰动能量从模式低层逐步向高层发展,两者相比扰动边界层方案能获得更大的扰动能量;较去空间相关尺度而言,SPPM方案对去时间相关参数的变化更敏感,而SPPR方案由于其扰动能量总体偏小,去空间和时间相关参数的变化对其集合预报性能影响相对较小;SPPM方案中去时间相关选择6 h,去空间尺度选择70 km可以获得较好的集合预报技巧,SPPR方案中相对而言去时间相关选择6 h,去空间尺度选择50 km可以获得较好的集合预报技巧。     

江门地区2、3月雾的分型预报

利用1970～1981年的08:00地面和850 hPa资料作统计样本,分析总结出江门地区雾发生的6种天气类型:锋面低槽A型、锋面低槽B型、西南倒槽型、高压出海型、升温降压型和高湿型.经1982～1985年的资料试报后,于1986～1988年投入使用,入型后的预报准确率为91.7%.后又增加1989～1998年的资料对天气分型指标进行调整,对1999～2004年的资料进行第2次试报,于2005～2006年投入日常使用,入型后预报准确率达92.8%.     

基于随机物理过程扰动的BMJ积云参数化方案对降水集合预报的影响

基于ARPS模式和随机物理过程参数化扰动（stochastically perturbed parameterization）方法,通过10个2018年6—7月间的降水个例,讨论了针对BMJ积云降水参数化方案下不同参数化扰动方式对降水预报的影响。扰动方式包括扰动BMJ方案的温湿倾向和扰动BMJ方案的温湿参考廓线。试验的结果表明BMJ方案在华东区域的降水预报中存在湿偏差,即预报的降水事件多于相应的观测事件。这一偏差在系统性增加参考廓线湿度后仍然存在。BMJ方案对不同扰动方式的响应存在较大差异。扰动BMJ方案的温湿倾向对降水预报的影响较小,且集合离散度低。扰动BMJ方案的温湿参考廓线对降水预报影响显著,能够大幅增加集合离散度,其中对称的BMJ参考廓线扰动对预报技巧评分改进有限,原因是小雨的湿偏差有所增加,而非对称的BMJ参考廓线扰动（扰动均值大于1.0）能够有效提高预报技巧评分并降低湿偏差。此外,非对称扰动大幅改善了BMJ降水预报初期（0～3 h）的空间分布形态,并且改进了夜间降水预报的强度。非对称扰动评分较高的原因是减少了原BMJ方案在降水预报初期的的大范围虚假预报,避免了大气湿度的大范围下降,保障了预报后期的强降水预报能力。而BMJ方案温湿倾向量级较小则是造成倾向扰动方法效果不明显的重要原因。     

基于TIGGE数据的我国寒潮自动识别预报方法

利用1951—2006年中央气象台寒潮天气过程数据以及NCEP/NCAR 500 hPa高度场等逐日再分析资料,通过客观聚类方法与主观对比分析确定寒潮爆发的典型形势场,结合寒潮过程特征量阈值,建立了基于TIGGE集合预报产品的寒潮自动识别客观预报方法,并利用TIGGE集合预报数据对2008年1月和2009年1月两次寒潮天气过程进行预报试验。结果表明:利用500 hPa高度距平场进行聚类分析,一方面可以消除环流季节特征对划分结果的影响,另一方面也突出了寒潮这种强天气的异常扰动表现;基于集合预报产品的寒潮自动识别预报方法浓缩了集合预报产品信息,可直接为预报员提供寒潮发生的概率预报,从而在集合预报产品与我国实际灾害性天气之间建立了直接联系。