第三代浅水波浪数值预报模式及其在黄渤海域的应用

本文在简单介绍了第三代浅水波浪数值预报SWAN模式的概念、特点、原理等的基础上,着重介绍Mm5模式对风场的模拟,以及利用模拟结果作为SWAN模式中的风场资料,对大连沿海及黄渤海域(36~41°N,117.5~125.5°E)的浪高进行预报。     

GRAPES中尺度模式的广东定量降水预报检验

采用客观降水检验方法,对GRAPES中尺度模式2011年4月1日～2012年3月31日广东降水预报进行了分级降水检验、时空分布演变评估以及降水预报个例分析。结果表明:随着降水量级和预报时效提高,模式降水预报质量呈现下降趋势;模式能够对降水过程时间演变做出准确的预报,对于实况较小的降水,模式存在预报比实况偏大的问题,而对于实况较大的降水,模式存在预报比实况偏小的问题;模式不能很好预报出与地形有关的广东3个降水中心;通过对一次台风降水预报个例分析表明,模式24 h预报能较好反映雨带分布和暴雨中心。     

基于观测系统模拟试验的海表气象观测站点布局方案研究

为了科学设计黄渤海海洋气象边界层观测站网并研究观测网布局对数值天气预报模式的影响,本文采用模式误差、海洋气象要素特征区域资料统计分析和观测系统模拟试验（OSSE）方法,根据边界层雾、层云降水、小风与中等风速天气条件设计布局方案,并分析站点观测要素对数值预报模式的要素预报的影响。模拟试验数据使用了每6 h NCEP再分析资料FNL（NCEP Final Operational Global Analysis data）、NCEP每天平均的高分辨率海温资料RTG_SST（Real-Time Global Sea Surface Temperature）和石油平台、浮标站等每小时实况观测资料,评估了黄渤海海洋气象站网布局各个方案的优缺点。评估结果表明,湿度和风的要素预报受实况风向风速条件影响,偏东和偏北风个例湿度要素预报较好。然而,在偏南中等风速个例中,风场预报要素更接近实况。温度场的分析综合结果显示,在海气相互作用影响较大的天气过程中,特征区域布站能明显提高温度要素的预报准确率。最后,综合分析多项模拟试验的结果,给出了改进数值预报准确率的海洋布站建议。     

贵州中尺度数值预报系统及其模拟试验

主要介绍了贵州中尺度数值预报系统、中尺度模式MM5以及业务情况。业务运行实践证明，系统具有较强的短期天气预报能力，对降水的量级和落区预报效果较好。选取4种积云对流参数化方案和两种边界层参数化方案对贵州汛期11个降水个例进行36h的降水模拟，经检验、分析和比较发现：各种方案预报效果的优劣在不同条件下有所不同，没有哪一种方案的预报效果是绝对最优的，总的来说：对50mm以下的降水，GR方案的预报效果较好，而KF方案则较差；对50mm以上的降水，BM、KF方案的预报效果一般较好；降水的模拟对参数化方案敏感。     

渤海的海冰数值预报

根据渤海气候和冰情特点,在已有海冰模式研究基础上,提出模拟海冰增长、消融和漂移的动力－热力学模式。模式冰厚分布由开阔水、平整冰和堆积冰三要素表示。该模式已与数值天气预报模式、大气边界层模式、潮流模式联结,并于１９９０年到１９９６年在国家海洋环境预报中心进行渤海和北黄海冰情预报。其数值预报产品包括冰厚、密度集、冰速、冰外缘线、冰脊参数、局地冰厚以及接近石油平台的冰漂移轨迹等,传送到国家海洋预报台和渤海石油公司等有关用户。为了客观评价模式和检验预报结果,在逐日预报后进行统计检验。本文概述渤海冰情、卫星遥感应用、冰模式及其预报结果和检验。     

GRAPES区域集合预报系统应用研究

为发展GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction System)区域集合预报系统(GRAPES Regional Ensemble Prediction System,GRAPES-REPS),采用集合变换卡尔曼滤波(ETKF)初值扰动方法以及多物理过程组合的模式扰动方法,基于业务区域模式GRAPES_MesoV3.3.2.4构建了区域集合预报系统,进行了连续40 d的批量试验,重点分析了ETKF初值扰动的结构及其演变特征,并通过概率预报检验方法对GRAPES-REPS进行了集合预报系统性能检验和降水预报检验,分析了该系统对强降水个例的预报效果。试验结果表明,GRAPES-REPS能产生较合理的集合预报初值扰动,扰动结构随流型依赖并对观测有较好的响应,且扰动成员相互正交。扰动总能量分析表明集合扰动能够随预报时效保持合理增长状态。集合预报检验表明集合预报结果优于控制预报,集合成员间在72 h预报时效内能保持合理的集合离散度。将该区域集合预报系统与业务上基于WRF模式的区域集合预报系统WRF-REPS进行了降水预报对比,表明GRAPES-REPS的降水预报能力表现要优于业务WRF-REPS。强降水个例分析表明集合预报能较好预报出强降水中心,预报效果明显优于控制预报。     

天气系统预报效果的量化检验方法及应用

对中国天气过程进行了分类,并介绍了一种针对模式对于降水及各种天气系统预报效果的天气学检验方法,将此方法应用于AREM模式对2007年降水个例预报及2005—2007年汛期天气过程的批量预报检验,得出结论如下:(1)此天气学检验方法能够对各类天气系统及降水进行有效的检验,(2)对于中国典型高空槽类降水,AREM模式总体上对高空槽预报较为稳定、强度接近实况,对降水预报稳定性相对较差、强度偏弱,槽预报的较好(差)与降水预报的较好(差)不完全对应,(3)对于梅雨锋类降水,AREM模式对副高预报总体偏西、偏北、偏强,对高空槽、降水预报均总体偏弱,副高预报的较好(差)对应降水预报的较好(差)。     

基于ECMWF细网格模式产品的湿螺旋度在四川盆地强降水预报的应用试验

利用欧洲中期数值预报中心(ECMWF)高分辨率预报场(0.25°×0.25°)资料以及四川省加密自动站降水量资料对2011年汛期7—9月和2012年5—7月共计20例强降水个例进行湿螺旋度指标的统计分析,分别归纳总结出6和24 h内强降水发生发展及落区分布的判据指标。利用这些判据指标对2012年8月30日至9月1日及9月8日发生在四川盆地的两例强降水过程及2013年汛期6—8月暴雨个例进行检验并在汛期投入了业务预报工作。检验结果表明:低层700或850 hPa湿螺旋度正值区的分布对强降水落区分布指示较好;当强降水发生时,24 h时效预报的24~48 h 3 h间隔预报场湿螺旋度数量值超过了指标值并持续了2个时次以上,达到了强降水发生的要求;零场预报的0~24 h及12 h时效预报的12~36 h间隔3 h预报场任一时刻湿螺旋度数量值达到了6 h指标判据值,对其后6 h的暴雨落区有较好的指示作用,可作为短时临近预报的业务参考;湿螺旋度订正预报暴雨发生的TS评分远高于ECMWF模式,预报效果好。     

WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验

本文主要对基于WRF模式的快速同化系统 (RUC) 中使用的积云对流参数化方案进行简单介绍, 并对不同积云对流参数化方案进行了典型个例降水预报的对比试验和检验。结果表明, 总体预报效果以KF和GD方案较好, 具体表现在雨区分布及大暴雨中心强度, 对流降水对总降水贡献, 在中低层流场高低值系统分布, 以及冷空气活动引起的变温正负中心强度及位置, KF和GD方案模拟结果可以较好地反映观测实况, TS评分结果也表明KF和GD方案在小级别降水预报中占有优势。      

WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验

本文主要对基于WRF模式的快速同化系统（RUC）中使用的积云对流参数化方案进行简单介绍,并对不同积云对流参数化方案进行了典型个例降水预报的对比试验和检验。结果表明,总体预报效果以KF和GD方案较好,具体表现在雨区分布及大暴雨中心强度,对流降水对总降水贡献,在中低层流场高低值系统分布,以及冷空气活动引起的变温正负中心强度及位置,KF和GD方案模拟结果可以较好地反映观测实况,TS评分结果也表明KF和GD方案在小级别降水预报中占有优势。     

基于自动站资料的海上风客观预报方法

根据辽宁省沿海自动站资料,采用卡尔曼滤波方法对沈阳区域气象中心MM5中尺度数值预报产品进行解释应用,制作环渤海及邻近海域海面最大风矢量预报的技术方法,对2009年8-12月预报结果进行检验。结果表明：海上最大风矢量预报结果中风速的预报要明显好于风向的预报,其中风向预报最好的海区为黄海北部,准确率为57.3 %;风速预报最好的海区为渤海中部,准确率为64.6 %;风速误差以正误差为主,说明风速的预报值与实况值相比偏大。该方法对于环渤海及邻近海域海上风的预报效果较好,能够比较真实地反映海上风演变过程,具有预报参考价值。     

环渤海区域强风过程的气候特征模拟分析

采用欧洲中期天气预报中心ERA-interim再分析资料驱动WRF模式,对环渤海区域1981—2012年123次强风过程进行了模拟,并对不同天气系统形势下环渤海区域强风过程的气候特征进行了分析,得到以下结论：1）WRF数值模式可以较好地模拟环渤海区域强风过程的发展演变特征。2）西北路冷锋过程引起的环渤海区域强风强度较其他过程偏强,强风集中在辽东半岛西部、渤海海峡和山东半岛东部。黄河气旋引起的强风过程与冷锋相比,分布特征有着明显的不同,强风主要集中在山东半岛东部及黄海海域,渤海海域的强风相对偏弱。3）强风过程存在明显的季节变化,秋冬季强风持续时间长,风速大,春季次之,夏季最弱。4）强风过程在渤海海域的最大风速呈增加趋势,而在渤海海峡以东海域和山东半岛南部呈减小趋势。     

近60年来渤海海域波候变化及其与东亚环流的联系

研究海洋的波候变化是了解海洋动力过程对气候变迁响应的关键。渤海所处特殊的地理位置,使其波候在长期风场变化影响下存在阶段性变化特征。文章采用1950~2011年NCEP再分析资料中的渤海海域10 m风场资料,利用SWAN模式模拟逐月渤海波浪的有效波高、波向、波周期,分析该海区波候的变化特征。分析结果显示:1950~2011年期间渤海海域的有效波高呈现下降的趋势;波向角度均呈现上升的趋势,波周期相对平稳,略有上升;有效波高平均下降0.3 cm/a,波向角度平均增加0.12°/a。有效波高在1968年前后显现突变点,波向角度约在1960年突变,波周期在1965年左右出现突变点。渤海波候变化与海气振荡密切相关,是大尺度的大气环流变异导致的结果,长期气候变化背景下,东亚环流天气系统的长期变化(包括东亚季风强度、夏季风北界的移动,西太平洋副热带高压面积与强度的变化、脊点位置西伸与北进,以及西风指数的强弱变化等),是影响和控制渤海海域波气长期变化的主要原因。     

0801号台风风浪场和涌浪场的数值模拟

利用美国国家海洋大气总局/美国国家环境预报中心（NOAA/NCEP）发布的最新版WAV-EWATCHⅢ（version3.14）海浪模式对0801号台风＂浣熊＂进行数值模拟,并在此基础上对台风浪的发展过程和台风影响下的海面有效波高、风浪场及涌浪场的分布特征进行分析。结果表明：海面有效波高的分布和演变受台风系统强度和移动的影响;台风过程中所产生的大浪主要为风浪;涌浪场的分布与风浪场的分布几乎相反,涌浪场基本分布在远离台风中心的外围海域;涌浪场波高比风浪场波高要小。     

ROAD模式渤海10 m风场预报误差订正

使用"递减平均法"和渤海28个石油、平台、浮标站资料分析得到的渤海10m风速逐时格点场,对ROAD模式(Regional Ocean and Atmosphere Model)渤海区域10m风速预报进行误差订正,不同权重系数试验表明:对于渤海10m风速预报场,权重系数取0.18,订正效果最佳,12～72h预报时效内,月逐时均方根误差和平均偏差均有明显改善,分别减小1.0～1.5m/s和2.3～3.0m/s;对比渤海北部、西部和中部代表格点72h预报时效内,逐12h最大风速评分结果发现:60h预报时效内,当风速预报在5～6级时,渤海北部、中部和西部订正后的预报评分大多有所提高;当风速预报在7级时,渤海北部和中部分别在36～72h和24～48h,预报评分有提高;在实况出现最多的风力分布范围内评分提高最多。     

台风“利奇马”影响期间浙江沿海海浪特征分析

利用浮标资料,对“利奇马”影响期间浙江沿海风和海浪特征及其关系进行分析,并对欧洲中心模式预报与实况进行对比,基于模式预报分析海浪的空间结构。结果发现:(1)随着台风靠近、登陆和远离,海浪波型经历了混合浪—风浪—混合浪的变化,且最大波高越大周期越长,浙江南部沿海海浪较北部沿海更具风浪特点;(2)浪高受风速影响大,北部沿海更为明显,持续风向对浪高增大有明显作用,当风向由向岸转为与海岸线平行、或由与海岸线平行转为离岸时,浪高迅速减小,反之浪高迅速增大;(3)台风靠近和影响浙江时,有效波高与风速的等值线平行,7、8、10级风分别与巨浪、狂浪、狂涛区有很好的对应,有效波高越高,风速对波高的决定作用越明显。     

寒潮过程中风浪对黄海海气热量通量和动量通量影响研究

采用2009—2013年CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)大气和海洋再分析资料对黄海海气间热量通量和动量通量的特征进行统计分析,并通过FVCOMSWAVE浪流耦合模式对典型寒潮过程中风浪的影响效果进行模拟研究与对比分析。统计结果显示,通量受海表大风、海气温差及海洋环流等因子影响,秋冬季节强烈,春夏季节相对较弱,在寒潮活跃的冷季该海域的海流处于弱流期,风浪对海面通量的作用明显增强。海温特征也显示冷季的不稳定性显著强于暖季,因此该海域冷季具有更强的海气热量通量。沿岸站点的比较显示,南部吕泗站面向更开阔的东海海域,其平均波高高出北部20%左右。这与沿海南部通量强于北部特征对应。数值模拟显示,在寒潮过程中,海气界面热量通量和动量通量输送比多年月平均状态显著增强,动量通量增大1~5倍,热量通量增大1~6倍。寒潮过程入海冷锋走向、强度、移动方向显著影响海面热量通量和动量通量大值区的分布。偏北路寒潮纬向型冷锋入海,其强度东部大于西部,造成通量大值区形成在黄海东北部,而偏西路寒潮经向型冷锋入海,其强度南部大于北部,造成通量大值区形成在黄海南部。同时偏北路径寒潮强度大于偏西路径,海气动量通量响应较偏西路径强约25%,热量通量强约50%。耦合风浪作用的模拟显示,海气间热量通量和动量通量明显增大,对不同强度风浪,浪高增加1.5倍,动量通量最大值增大约2倍,热量通量增大10~160 W/m2;浪高减弱至0.5倍,动量通量最大值则减弱约40%,热量通量减小10~55 W/m2。冷锋及其驱动的风浪强烈影响区域海气通量时空特征。     

一个集合海浪预报系统及其初步试验

使用集合天气预报系统的多个成员的风场预报来驱动海浪模式WAVEWATCH Ⅲ, 计算出含多个成员的海浪预报场,并相应开发出各海浪要素的集合预报产品,如集合平均、离散度、集合概率等,建立了一个集合海浪数值预报系统。使用该系统进行了2007年9—10月为期两个月的预报试验,利用太平洋和大西洋海域范围的浮标观测资料对系统的预报水平的初步检验分析显示,该集合海浪预报方法能够有效地将传统的确定性预报扩展到概率预报领域,且集合平均的预报水平要优于单一的确定性预报,采用集合预报方法可以提供单纯确定性预报所不能够提供的额外信息,具有较好的应用潜力。     

神经网络方法在环渤海能见度预报中的应用分析

本文基于2001—2015年中国气象局地面常规气象观测数据及NECP再分析资料,采用BP神经网络方法构建环渤海沿海城市能见度预报模型,利用2016年ECMWF集合预报数据基于预报模型进行能见度预报实验,并与ECMWF集合预报产品中现有能见度预报结果进行对比分析。分析表明:该方法对于环渤海沿海城市能见度预报的预报效果明显高于ECMWF集合预报中的能见度预报,12～72 h预报时效中,最小值对应1 km以下能见度的TS评分为0. 36～0. 43; 10 km以下能见度预报误差显著降低,与离散度的对应关系较好。因此,该方法对低能见度天气过程的能见度预报具有指示意义。