多普勒雷达资料同化对北京“7.21”大暴雨过程模拟的影响

利用新一代中尺度预报模式WRFV3.6及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),对2012年7月21日北京地区的一次暴雨过程进行多普勒天气雷达径向风和反射率的同化试验研究,检验和探讨高时空分辨率多普勒天气雷达资料在改进模式初始场及提高对暴雨过程预报的准确率等方面的应用效果及意义。结果发现雷达资料同化能在初始场中加入反映产生降水的低层风场辐合的动力和锋前暖区充足的水汽条件的物理信息,可以在模式积分开始后改善初始场中水汽和风的分布,较快地模拟出局地对流系统的发生、发展,改善由于中尺度观测资料不足而造成的模式初始场里中尺度信息缺乏的问题。径向速度的同化增加了中尺度信息,对初始流场的调整较为显著,侧重于改进风场。而雷达反射率资料的同化对初始温、湿度场和强回波位置的调整更明显,侧重于改进湿度场。累计降水的预报结果显示,同化径向风资料对雨带的位置、范围有较好的改进,同化雷达反射率资料对暴雨强度的预报有明显的改善。通过降水ETS评分发现,同化常规观测试验相对于控制实验,对于5、15 mm和25 mm降水评分能增加0.1左右,径向风同化试验能增加0.2左右,反射率同化试验能增加0.3左右,而径向风加反射率试验增加的评分介于0.2～0.3。雷达资料对于提高定量降水预报的精确度有着重要作用。     

多普勒雷达资料同化的稀疏化方式对暴雨过程的影响研究

利用中尺度非静力WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其三维变分同化系统,对2007年7月淮河流域的一次强降雨过程进行多普勒雷达径向速度资料的三维变分同化试验,重点考察雷达资料的不同稀疏化方式对同化结果以及对暴雨数值模拟的影响。结果表明:同化多普勒雷达径向速度资料使得模式初始风场包含了更丰富的中尺度特征信息,有效调整了初始场的环流结构,能够改善模式对暴雨过程的模拟效果;以不同的稀疏化处理方式同化多普勒雷达径向速度资料对分析场会产生不同的影响,进而影响模式的降水预报效果,本次试验中当极坐标网格径向分辨率取10 km的时候降水过程的预报效果最好。     

四维变分同化方法在暴雨预报中的应用

本文利用PSU/NCAR的MM5数值预报模式及其伴随模式,以我国1999年6月23日~6月24日的一次梅雨锋暴雨过程为个例,作了两组试验:控制试验和同化试验,并对两组试验的降水预报效果以及初始场进行对比分析,结果表明:四维变分资料同化方法可以将各种不同类型、不同时次的观测资料同化到模式中,将这些资料中有用的中尺度信息引入到模式初始场,有效改善初始场,从而提高暴雨预报水平。     

云导风资料在遗传算法同化系统中的应用

利用云导风资料和常规观测资料,采用遗传算法同化系统和中尺度MM5模式对2005年7月9～10日长江流域的暴雨过程进行了模拟和分析.结果表明:遗传算法同化系统可以同化常规资料和非常规资料.使用遗传算法同化系统可以有效改善数值预报模式的初始场,在一定程度上提高物理量场的预报,但对降水场的预报效果改善不明显.加入云导风资料后,可进一步改善风场和温度场,使得物理量场和降水场的预报更加接近实况.     

多普勒天气雷达资料在暴雨数值模拟中的同化应用

基于中尺度数值模式WRF及其三维变分同化系统WRF-3DVAR对2008年6月广西地区的一次强降雨过程,进行了多普勒天气雷达的多普勒径向速度和反射率因子的三维变分同化对于暴雨过程模拟效果影响研究。结果表明：(1）同化柳州、桂林和永州多普勒天气雷达观测资料后,模式对广西东北部地区特大暴雨的模拟效果明显改进;(2）WRF-3DVAR能够有效地同化多普勒天气雷达径向速度和雷达反射率因子,同化后使得模式初始场包含有更详尽的中尺度特征信息;(3）在高分辨率中尺度数值模式中有效地利用多普勒天气雷达资料,改善了分析场中尺度结构的描述,从而减轻了spin-up现象,能较好的提高中尺度降雨预报。     

暴雨数值模拟中的CISK机理分析

将卫星反演的水汽资料计入MM5中尺度大气数值模式初始场，增加了模式初始水汽场的中尺度信息。并对长江流域暴雨个例进行了模拟试验。通过分析模拟结果，具体讨论暴雨中的第二类条件不稳定(CISK)机制，即揭示了初始场改进使得中尺度系统的“spin-up”时间提前，暴雨预报效果改善的物理机制。     

2018年广西东南部一次暴雨过程分析

利用Micaps高空和地面资料、新一代天气雷达、卫星云图、地面中尺度自动站观测资料及NCEP 1°×1°再分析资料,对广西东南部2018年5月10日暴雨过程的环流形势、环境场、中尺度对流系统特征及其可预报性进行分析。结果表明:此次桂东南暴雨过程的高层辐散条件不明显,但中低层环流形势有利、具有高压后部"回流"降水的典型特征。配合超低空东南气流加强,导致局地暴雨增幅明显。地面中尺度辐合线的长期稳定维持及地形抬升作用使得降水系统在陆川、博白一带不断发展和维持,雷达回波上形成"列车"效应,造成暴雨天气。全球数值模式ECMWF对天气尺度背景把握较好,GRAPES、华东模式等中尺度模式能够提供类似系统形成、发展的有价值的参考信息。通过中尺度模式产品发现暴雨天气过程前兆,及时根据最新实况观测资料和模式偏差分析对全球模式预报结论进行订正,同时注意叠加局地地形地貌特征信息辅助短时临近预报订正,是提高类似较强过程预报的可行做法。     

暴雨模拟中多普勒雷达径向速度变分同化的应用

针对2008年6月广东地区的一次强降雨过程,利用WRF中尺度数值模式及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),进行了多普勒雷达径向速度变分同化对暴雨过程模拟效果影响研究。结果表明:WRF-3DVAR能够有效地同化多普勒雷达径向速度,同化后的主要影响在于改进了初始动力场,使得初始场包含有更详尽的中尺度特征信息,进而显著提高模式对广东局地暴雨过程的模拟效果。在高分辨率中尺度数值模式中有效地利用多普勒天气雷达资料,是提高中尺度降雨预报的关键。     

同化常规资料对重庆地区一次大暴雨过程的数值模拟研究

利用常规观测资料以及小时观测降水量资料,对2014年8月31日—9月2日重庆地区一次大暴雨过程进行分析,在此基础上采用中尺度数值模式WRF及其三维变分同化系统WRF 3D-Var将常规探空观测资料同化进NECP/NCAR再分析资料产生初始场,对比分析同化与未同化常规探空资料的模式模拟的降水量分布特征及同化探空观测资料对模式模拟的中尺度系统结构特征的影响。结果表明,此次暴雨的发生是在对流层高层200 hPa南亚高压与高空急流造成的高层辐散、500 hPa大槽靠近以及副热带高压西移这种有利的大尺度环流背景下,对流层低层的西南低涡、切变线、低空急流在重庆地区发生发展的结果。对比分析模式的模拟结果,两次模拟都较好地再现了此次暴雨过程的大尺度环流特征,同化探空观测资料后模拟的降水落区分布及量级得到改善,对暴雨以上量级的降水改进尤为明显。模式初始时刻分析场的增量表明,与此次暴雨过程的形成发展密切相关的大尺度系统(南亚高压、副热带高压)、中尺度系统(低涡、急流)以及水汽输送在初始场同化常规探空资料后均得到了增强,这为对流系统的发展维持提供了更加有利的条件。降水最强时刻强降水区域的垂直结构分析显示,在同化探空观测资料后,模式模拟的散度、涡度、垂直速度以及大气热力结构的强度和高度较未同化探空资料的结果都得到了不同程度的增强,这表明同化探空观测资料改进了模式初始场的分布特征,进而对模式模拟的中尺度对流系统的结构产生重要影响。     

资料同化对一次华南暴雨影响的数值试验研究

针对一次华南暴雨过程,采用WRF区域中尺度模式进行了控制试验和同化试验.利用WRF-3DVAR同化系统同化了常规探空和地面观测资料,分析了两种资料对初值场的影响,以及对降水和各物理量预报效果的影响.结果表明:同化能改进初始场,并可改进暴雨落区和强度预报;同化可提高WRF模式对风场、温度场、高度场以及水汽场的预报能力.但有一定的时效性;同时同化探空和地面资料,比仅同化探空资料对大气低层物理量的预报能力要提高较多.     

EXPERIMENTAL STUDY OF THE ROLE OF INITIAL AND BOUNDARY CONDITIONS IN MESOSCALE NUMERICAL WEATHER PREDICTION

~~EXPERIMENTAL STUDY OF THE ROLE OF INITIAL AND BOUNDARY CONDITIONS IN MESOSCALE NUMERICAL WEATHER PREDICTION@闫敬华$Guangzhou Institute of Tropical & Marine Meteorology, CMA, Guangzhou 510080 China @Detlev Majewski$Duetscher Wetterdinst, Offenbach, Germany~~National Project "973" (Research on Heavy Rain in China) and BMBF of Germany (WTZ- Project CHN01/106)…     

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。     

一次江淮暴雨过程中中尺度气旋的数值模拟及分析

本文利用PSU／NCAR中尺度数值模式MM5,并利用鄂、豫、皖、苏四省的加密地面气象要素场资料做检验,对1991年7月6日江淮地区发生的一次暴雨过程进行了分析。结果表明：江淮暴雨过程中的中尺度气旋在发生、发展、变化过程中其结构具有不对称性,因而进一步造成了局地降水强度和分布的不均匀性。而中尺度气旋的结构不对称性又与其地面及高空的流场、涡度场及散度场等的中尺度特征有直接的联系。     

基于BGM的暴雨集合预报初始扰动发展分析

基于增长模繁殖法（BGM）思想,采用AREM（新一代区域η坐标模式）,研究了暴雨过程中,初始随机扰动在繁殖循环中随时间的演变特征和发展机理。结果表明,初始扰动的演变决定于环流背景场的结构和大气中的湿物理过程。背景场不仅影响扰动的演变规律,而且决定了扰动发展的敏感区域。初始扰动随时间演变存在两个敏感区,一是背景场的大风速区,二是降水区附近。对流层高层,大风速区附近扰动得到最优发展;对流层中低层,扰动不仅沿大风速区发展,且与降水区配合较好。初始扰动发展的机理也有两种,一是大气湿物理过程引起的位势不稳定或第二类条件不稳定（CISK）;二是由风切变引起的大气动力不稳定。高层扰动的增长,以干大气的动力不稳定占优,中低层扰动的发展主要是湿物理过程的贡献,初始扰动在模式中的发展与降水的发展是同“源”的,有利于降水发展的环境也有利于初始扰动的发展,从而影响了降水的可预报性。所以利用暴雨预报模式制作集合预报时,BGM仍是可用的方法。     

A COMPREHENSIVE ANALYSIS OF INTERACTIONS BETWEEN MESOSCALE CONVECTIVE CLOUD CLUSTERS IN TYPHOONS AND MESOSCALE HEAVY RAINS

1INTRODUCTIONHeavyrainsassociatedwithtyphoonsareoneoftheimportantmeteorologicaldisastersintheFujianProvince,whichbringsaboutgreaterdamageinshort-lived,severeprecipitation.Muchdocumentationhasbeenreportedonthestudyofthemesoscaleconvectionsystemsandmesoscaleconvectivecomplex(MCC)andassociatedprecipitation[1-3].UsinglandfallcasesoftropicalcyclonesFrankie(No.9607),Gloria(No.9608),Joy(No.9610),Winnie(No.9714)andanunnamedtyphoon(No.9802)andhourlyinfraredcloudimagery,thecurrentworkstudiesth…     

华南中尺度暴雨数值预报的不确定性与集合预报试验

利用非静力MM5模式,分析了不同积云对流参数化方案对华南暖区暴雨数值预报的不确定性影响,进行了中尺度暴雨模式扰动集合预报试验。不同对流参数化方案的对流凝结加热引起不同的局地温度扰动,通过大气内部的热力动力过程,导致垂直速度的差异,进而影响网格尺度和次网格尺度降水时间、地点和强度。后续降水再通过凝结潜热释放形成新的扰动源。不同积云对流参数化方案还可引起扰动源能量传播方式不同,最终使模拟大气的动力和热力结构有差异。针对物理过程的不确定性,使用两种模式扰动方法构造集合预报扰动模式,第一种方法是随机组合不同积云对流参数化方案和边界层方案,第二种方法是扰动Grell积云对流参数化方案中主要参数振幅。集合预报结果表明,第一种方法的集合预报效果优于第二种方法,仅扰动参数振幅值似乎还不足以反映华南暴雨预报的不确定性。单一的确定性预报在暴雨落区和强度方面的可信度不稳定,集合产品能给华南暴雨过程提供更有用价值的指导预报,具有较高的应用价值。     

江淮气旋发生发展中尺度系统特征数值模拟研究

本文应用中尺度模式MM5对发生在江淮流域的气旋进行了数值模拟，并用模式输出的高时空分辨率、动力协调资料、HUBEX试验期间的加密观测资料进行江淮气旋的中尺度诊断研究。结果表明：从大尺度角度看，江淮气旋的生成可分为静止锋上的波动和倒槽锋生两种类型，但从中尺度角度分析，它们具有如下共同特点：（1）它们的生成源地均在大别山西侧，大别山地形均使得气旋发展增强，移速减慢。（2）在发展阶段，700hPa层以下的温压场的斜压结构是气旋发展的重要因素，当冷平流与暖平流呈现西北－东南的偶极子型时，气旋发展；当冷暖平流偶极子呈东西型时，气旋发展进入成熟期。（3）气旋中的中尺度雨带与Wave-CISK湿条件对称不稳定区有密切关系，辐合上升区出现在气旋暖锋前部和冷锋后部50－100km范围内。     

梅雨锋云系中尺度系统回波结构及其与暴雨的关系

梅雨锋云系中中尺度回波带主要有对流带和混合带二种类型,中尺度回波团一般为混合型回波。对流云回波带在初生、成熟和消散三个不同的演变阶段结构特征不同,下垫面对回波带的演变有一定的影响。中尺度系统能够产生高强度降水,多个中尺度系统相继通过一地或中尺度系统与对流回波群的汇集可以造成梅雨期的局地性暴雨和大暴雨。产生暴雨的中尺度系统常具有混合型回波结构,它们降水强度大,对降水的贡献也大。     

GRAPES区域集合预报尺度混合初始扰动构造的新方案

集合预报初始扰动能否准确反映预报误差的结构特征是决定区域集合预报质量的关键因素之一。本文针对GRAPES区域数值预报模式,发展设计了一种基于资料同化思想的混合尺度初始扰动构造新方案。该方案以全球大尺度信息为背景场,区域模式预报作为观测资料,借助GRAPES三维变分同化系统,将高质量的全球大尺度信息与区域模式预报中质量较高的中小尺度信息有效融合,构造混合尺度区域集合预报初始扰动,并通过个例试验和批量试验,比较分析了新方案和原区域集合预报的性能。试验结果表明,基于资料同化构造的初始扰动能够有效融合全球大尺度信息和中小尺度天气系统的信息,其降水概率预报更具参考价值。总体上看,区域集合预报混合初始扰动新方案能够较好地改进区域集合预报质量,尤其是对高度场和温度场效果更为显著,但对风场的集合预报性能影响略小。     

A COMPARISON OF THE BLENDING AND CONSTRAINING METHODS TO INTRODUCE LARGE-SCALE INFORMATION INTO GRAPES MESOSCALE ANALYSIS

To solve the problem of mesoscale analysis error accumulation after a period of continuous cycle data assimilation (CCDA), a blending method and a constraining method are compared to introduce global analysis information into the Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System mesoscale three-dimensional variational data assimilation system (GRAPES-Meso 3Dvar). Based on a spatial filter used to obtain a blended analysis, the blending method is weighted toward the T639 global analysis for scales larger than the cutoff wavelength of 1,200 km and toward the GRAPES mesoscale analysis for wavelengths below that. The constraining method considers the T639 global analysis data as an extra source of information to be added in the 3DVar cost function. The cloud-resolving GRAPES-Meso system (3 km resolution) with a 3 h analysis cycle update is chosen, and forecast experiments on an extreme precipitation event over the eastern part of China are presented. The comparison shows that the inclusion of large-scale information with both methods has a positive impact on the regional model, in which the 3 h background forecasts are slightly closer to the radiosonde observations. The results also show that both methods are effective in improving large-scale analysis while reserving the well-featured mesoscale information, leading to an enhancement in the balance and accuracy of the analysis. Subjective verification reveals that the introduction of large-scale information has a visible beneficial impact on the forecast of precipitation location and intensity. The methodologies and experiences presented in this paper could serve as a reference for ongoing efforts toward the development of multi-scale analysis in GRAPES-Meso.