CMA-MESO逐时快速更新同化预报系统及其短临预报效果初步分析

基于CMA-MESO模式水平3 km分辨率3 h循环的快速更新同化预报系统，本文建立逐小时的分析预报循环系统，并且通过采用5种尺度叠加的高斯相关模型和引入各向异性的水平相关尺度方案来改进背景误差水平相关结构，同时考察引入全球大尺度信息方案对逐小时循环的分析和预报影响。通过对2020年7月19日华东强对流天气过程的数值模拟表明：（1）逐小时循环吸收了更多的高频观测资料和循环中采用更临近的1 h预报场作为背景场，分析和降水短临预报质量整体比3 h循环有所提高；（2）在区域分析中逐时引入全球预报场的大尺度信息会削弱区域观测资料的影响，对预报会有不利影响；（3）改进的五种尺度叠加高斯相关模型和各向异性的水平相关尺度主要使风场背景误差水平相关系数的描述更接近样本的统计结果，因而在逐1 h循环中风场分析更靠近观测，华东强对流过程的组合反射率和降水短临预报更接近实况。     

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。      

HLAFS资料的中尺度信息对山东暴雨的诊断作用

采用带通滤波方法,对ＨＬＡＦＳ０时场资料和２４、３６小时预报资料进行尺度分离,可得到原始场中所没有的中尺度信息,为暴雨分析及预报提供依据。     

时间依赖的多尺度背景误差协方差研究II——应用

将基于GRAPES 3D-Var资料同化系统构造的具有时间依赖特征与多尺度特征的新型背景误差协方差应用于一个实际天气个例研究,确定出新型协方差中不同尺度标准差合适的缩放系数。该新型协方差在不同尺度的分析过程中产生了量值与尺度差异很大的分析增量,既很好地保留大尺度背景场信息,也使局地观测信息被很好保留并有效提取。不同尺度分析增量的共同作用最终导致分析场调整出更符合天气系统尺度特征的增量,从而更大程度地调整不同尺度天气系统的结构,并进一步改进相应的降水预报。另外,将观测资料按空间分布密度高低分别同化,能更有效提取不同分布密度观测资料中不同尺度的信息。为期一个月的批量试验表明,该协方差对应的前12 h降水预报效果改善明显,尤其是强降水预报。      

降尺度方法在安徽省月降水量预测中的试用

基于NCEP/NCAR 500 hPa高度场、T63月动力延伸预报500 hPa高度场和安徽省降水资料,依据动力预报产品释用方法中所建立的月降水距平百分率预报方程,从月和旬两种不同时间尺度以及固定资料和选择资料来反演方程系数共4种降尺度方法来预报安徽省20个代表站月降水。1995—2005年11 a的回报检验表明了4种方法都具有较好的预报能力,从旬时间尺度较月尺度来预报月降水具有优势,在汛期和汛期降水偏多年更为明显。     

降尺度方法在中国不同区域夏季降水预测中的应用

在中国降水气候分区的基础上,利用降尺度方法进行区域夏季降水预测(RSPP),预测模型建立的基础是寻找影响区域气候的关键因子。降尺度预测模型中使用的资料有国家气候中心海-气耦合模式(CGCM/NCC)回报资料、NCEP/NCAR再分析资料和台站观测资料。为了避免年代际变化特征对季节尺度降水预测的影响,首先对CGCM/NCC模式输出资料、NCEP/NCAR再分析资料、区域平均降水资料去除年代际线性变化趋势,即去除所有预报因子场和预报对象场的长期变化趋势。然后分别计算预报对象和模式资料的预报因子场以及再分析资料的预报因子场的相关系数,把相关系数值同时达到0.05显著性检验水平的区域平均环流特征作为预测因子,保证挑选出的预测因子既能反映实际大气中预测因子与预报对象的关系,同时又是海-气耦合模式预测的高技巧信息。利用最优子集回归作为转换函数的降尺度方法建立区域夏季降水预测模型。交叉检验和独立样本检验结果表明,文中设计的区域夏季降水预测模型对中国大部分地区的夏季降水趋势预测的准确率较高且比较稳定,其预测效果远高于CGCM/NCC直接输出降水结果。进一步对具有较高预测技巧的代表性区域的可预报性来源分析发现,物理意义明确且独立性强的预测因子有助于提高预测准确率。     

动力延伸预报产品在广西月尺度降水滚动预测中的释用

对广西88个站全年各旬月尺度降水距平百分率作自然正交展开(EOF分解),选取累积方差贡献接近75%的前几个主成分为预报量.利用1982年至今的国家气候中心月动力延伸集合预报资料或回算实验资料,从月尺度平均500hPa位势高度、700hPaU、V向水平风速延伸预报场中选取初选预报因子,并运用EOF分解构建成综合预报因子,分别选取其中与各个预报分量相关程度高的主成分建立预报方程,滚动制作广西月尺度降水量预报.91个独立样本试验和实际应用证明,预报效果较好.     

在数值预报中应用卫星反演资料的质量控制研究

资料变分同化作为提高数值预报准确率的有效手段之一，受到了越来越多的关注。如何将分辨率较高的卫星资料应用到数值预报中，弥补常规观测网时空分辨率的不足，成为数值天气预报的重要课题。以1996年6月28-29日发生在江淮流域的暴雨过程为例，依据其中尺度场和能量场特征，分别以低云量、急流、湿静力能为标准设计了三套质量控制方案。将质量控制后的反演湿度场变分同化并应用到中尺度MM5模式中，结果表明：经质量控制后，可以明显地改善降水区域及降水量的预报；对降水预报，特别是强降水天气过程的预报，该质量控制方案具有普遍意义。     

多尺度合成的降水临近预报技术

基于我国新一代多普勒天气雷达观测资料,以梅雨锋等大范围降水为主要研究对象,研究了降水临近预报方法.根据暴雨回波的多尺度特征等,研究暴雨回波的尺度滤波,分割、匹配等处理技术;根据不同尺度回波生命史来约束其预报时效,得到分尺度下的降水预报场,实现暴雨回波多尺度的合成降水量临近预报;将分尺度与不分尺度降水预报结果进行了比较.结果表明,针对大范围强降水多尺度合成的降水量临近预报方法,因不同尺度的回波外推考虑了各自运动的特性及其生命史的差异,预报精度有所提高.     

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。     

预报技巧的诊断研究

利用国家气象中心（北京）Ｔ４２Ｌ９模式的初始资料和预报资料，对５００ｈＰａ高度场的预报技巧进行了统计分析，并用一个简单的正压准地转谱模式对两个典型个例的正压不稳定性进行了研究。结果发现：北半球５００ｈＰａ高度场第五天的预报与初始场的某些经验正交函数的典型场有关。预报技巧与初始场的稳定性及其误差和背景场的配置有关。     

数值预报产品对“5·5"特大沙尘暴的释用能力分析

针对“５·５”特大沙尘暴致灾天气过程，综合检验分析我国Ｔ４２、有限区（ＬＡＦＳ）和欧洲中期数值预报中心（ＥＣＭＷＦ）数值预报模式的性能及其产品的预报能力。结果表明，各家数值预报模式对该过程的５００ｈＰａ形势预报是成功的，可为中、短期预报提供预报决策信息。Ｔ４２和ＬＡＦＳ对中、高层西风的预报质量较高，亦有预报参考意义，其它的物理参数的预报质量有待进一步改进优化。     

Validation of the Atmospheric Infrared Sounder Retrieval Products over China and Their Application in Numerical Mode

The atmospheric infrared sounder (AIRS) instrument onboard Aqua Satellite is a high spectral resolution infrared sounder. In recent years, AIRS has gradually become the primary method of atmospheric vertical observations. To examine the validation of AIRS retrieval products (V3.0) over China, the AIRS surface air temperature retrievals were compared with the ground observations obtained from 540 meteorological stations in July 2004 and January 2005, respectively. The sources of errors were considerably discussed. Based on the error analysis, the AIRS retrieved surface air temperature products were systemically corrected. Moreover, the AIRS temperature and humidity profile retrievals were compared with T213 numerical forecasting products. Because T213 forecasting products are not the actual atmospheric states,to further verify the validation, the AIRS temperature and humidity profile products were assimilated into the MM5 model through the analysis nudging. In this paper, the case on February 14, 2005 in North China was simulated in detail. Then, we investigated the effects of AIRS retrievals on snowfall, humidity field,vertical velocity field, divergence field, and cloud microphysical processes. The major results are: (1) the errors of AIRS retrieved surface air temperature products are largely systematic deviations, for which the influences of terrain altitude and surface types are the major reasons; (2) the differences between the AIRS atmospheric profile retrievals and T213 numerical prediction products in temperature are generally less than 2 K, the differences in relative humidity are generally less than 25%; and (3) the AIRS temperature and humidity retrieval products can adjust the model initial field, and thus can improve the capacity of snowfall simulation to some extent.     

Validation of the Atmospheric Infrared Sounder Retrieval Products over China and Their Application in Numerical Model

The atmospheric infrared sounder (AIRS) instrument onboard Aqua Satellite is a high spectral resolution infrared sounder. In recent years, AIRS has gradually become the primary method of atmospheric vertical observations. To examine the validation of AIRS retrieval products (V3.0) over China, the AIRS surface air temperature retrievals were compared with the ground observations obtained from 540 meteorological stations in July 2004 and January 2005, respectively. The sources of errors were considerably discussed. Based on the error analysis, the AIRS retrieved surface air temperature products were systemi-cally corrected. Moreover, the AIRS temperature and humidity profile retrievals were compared with T213 numerical forecasting products. Because T213 forecasting products are not the actual atmospheric states, to further verify the validation, the AIRS temperature and humidity profile products were assimilated into the MM5 model through the analysis nudging. In this paper, the case on February 14, 2005 in North China was simulated in detail. Then, we investigated the effects of AIRS retrievals on snowfall, humidity field, vertical velocity field, divergence field, and cloud microphysical processes. The major results are: (1) the errors of AIRS retrieved surface air temperature products are largely systematic deviations, for which the influences of terrain altitude and surface types are the major reasons; (2) the differences between the AIRS atmospheric profile retrievals and T213 numerical prediction products in temperature are generally less than 2 K, the differences in relative humidity are generally less than 25%; and (3) the AIRS temperature and humidity retrieval products can adjust the model initial field, and thus can improve the capacity of snowfall simulation to some extent.     

盛夏数值预报模式对副高预报性能检验及其释用

利用１９９８年６～８月Ｔ１０６和ＥＣＭＷＦ数值预报产品,对副高预报能力和产品质量进行了全面检验;通过对数值预报产品加工处理后获取的有关参数和特征量进行综合分析,在业务预报中对重大天气预报实例进行释用。结果表明,ＥＣＭＷＦ对副高增衰进退的运动趋势预报能力较强,对中期重大天气过程和雨区预报有重要指导意义。Ｔ１０６９６小时预报基本可信,１２０小时以后预报能力锐减,是模式改进的重点     

T639和EC模式对内蒙古主要天气系统的预报性能检验

利用2012年T639和EC模式500hPa高度场预报产品及ECMWF客观再分析资料,采用天气学检验方法,对内蒙古主要天气影响系统之西风槽、贝加尔湖冷涡、蒙古冷涡和东北冷涡数值产品的预报性能进行检验。检验结果表明:T639和EC模式产品对内蒙古影响系统具有较好的预报性能,36h内的预报性能更为显著。EC模式产品预报准确率优于T639模式产品,但对内蒙古东部地区影响系统的预报稳定性相对较差。T639模式产品在36h的预报能力比较高,对影响系统的生成时间、槽线位置、移动速度及中心强度4项检验指标预报准确率均在80%以上。EC模式预报产品,48h内对影响系统4项检验指标预报准确率均在80%以上。随着预报时效延长,T639和EC模式产品预报能力均有所下降。两套模式产品与实况相关系数空间分布在各时效均具有显著的相关关系,并且对应相关系数空间分布,T639和EC模式产品标准差的大值中心与相关系数的低值中心基本一致。     

三峡地区气候Z-R关系

在三峡地区降水条件气候均匀区域划分的基础上,用Ａｔｌａｓ一阶矩概率匹配法,分别在每一个区域建立了对流型、雷雨混合型、阵雨混合型３种雨型随测距变化的气候Ｚ－Ｒ关系。这些关系能综合订正由波束平均作用、雨区对电磁波的衰减等因素所造成的雷达测量降水的误差     

辽宁省热带气旋模式预报业务系统

介绍了在MM5模式基础上建立起来的辽宁省热带气旋模式预报业务系统及2005年的预报情况。系统以T213L31产品为背景场和侧边界,初始场中同化了常规探空报、地面报及一些卫星反演资料,模式的初值中还嵌入人造热带气旋进行模式运算。系统每日自动运行2次;模式输出结果经后处理后,编写到通用绘图软件GrADs中,以图形显示,并在沈阳区域气象中心局域网的中尺度数值预报网页上显示。2005年汛期热带气旋预报表明,系统对热带气旋的路径和暴雨的预报效果较好。     

2006年9—11月T213与ECMWF及日本模式中期预报性能检验

为了验证T213模式秋季中期预报产品的性能与质量,对2006年9-11月T213模式96小时中期数值预报产品进行了天气学检验,并与ECMWF、日本模式96小时预报性能做了对比分析检验.结果表明,T213、ECMWF、日本模式对亚洲中高纬度地区大尺度环流形势演变和重大调整过程的96小时预报能力均较强,因此对重大灾害性天气的预报有较好的指示意义.三种模式相比,ECMWF模式对西风指数、850hPa温度、南支槽东移的预报较为准确;2006年11月4-6日的过程预报以日本模式最为吻合;T213模式对具体影响系统的强度、位置、影响时间的预报还存在一定误差.