大气运动的可预报性

大气运动的可预报性自１９５０年第一张成功的数值天气预报图问世以来。数值预报已经取得了巨大进展、预报水平有了很大提高，预报对象也从大尺度天气系统扩展到多种时空尺度的空气运动。不少先进国家和地区都相继建立起数值预报的业务预报，随着数值预报的业务预报能力不...     

模式大气月尺度可预报性的对比研究

首先采用方差分析方法，研究了实际大气500 hPa高度场的月尺度可预报性，并进一步分析了不同空间尺度大气运动的可预报性及其对大气整体运动可预报性的影响；对ECMWF和国家气候中心T63谱模式分别模拟和预报的500 hPa高度场，也用同样的方法进行了研究。结果表明，欧洲中心和我国T63模式大气的可预报性均比实际大气可预报性小，特别是在对整体运动可预报性影响最大的0～3波部分，差异较大，说明改进模式对0～3波部分的预报能力，必将提高模式性能。     

关于大气过程可预报性问题的一些讨论

从非线性角度重新解读了von Neumann提出的大气运动三个分类，指出大气过程预报问题中存在两类不确定性——初始条件的不确定性和外强迫条件的不确定性，它们分别成为第一类可预报性与第二类可预报性问题的研究对象。强调了大气过程可预报性的客观存在性，由于大气过程的复杂性及人类观测手段和认识水平的限制，人们只能给出这些可预报性的估计，逐日天气预报存在上限(2周左右)。分析了预报误差产生的来源是初始条件的不确定性和预报模式的不完善性，但根本原因是大气过程的混沌本质；还分析了混沌系统误差增长理论，但由于实际大气过程包含很多显著不同的时空尺度以及不同尺度间的相互作用，人们对大气过程复杂的误差增长规律的认识还不是很清楚；最后讨论了动力学数值模式中不同的空间分辨率会改变系统的性质，指出可预报性问题的研究必须考虑空间分辨率的影响。而在讨论初值不确定性对预报的影响时，不需要考虑控制参数微小变化产生的影响，当然条件是控制参数的微小变化不会引起系统性质的重大变化。     

利用海洋强迫的大气主模态提高大气动力季节预报

数值模式的季节预报技巧主要与大气外强迫的变率密切相关。当前的大气环流模式（general circulation models,GCMs）通常不能准确地模拟出与大气外强迫有关的响应模态和响应强度,从而导致了预报误差的产生。本文给出了一种后处理方法,有助于降低模式的系统性误差,并提高季节预报技巧。     

区域大气成分数值预报系统（CAPPS-3）在全国推广应用

2005年中国气象局新技术推广项目“区域大气成分数值预报系统”开发了CAPPS第3版，将原来的单箱模式升级为与中尺度数值模式一致的网格化模式，可预报区域范围内的污染浓度分布；为区域气象中心和省级气象业务部门开展区域空气质量预报提供技术方法和业务平台。2006年5月CAPPS-3在中国气象局大气成分中心开始进行全国范围的空气质量业务预报试验，并建立了产品发布平台，每天发布SO2和PMIO的浓度预报图和预报结论，     

１０～３０ｄ延伸期数值天气预报的策略思考———直面混沌

针对大气系统的混沌特性,提出了10~30 d延伸期数值天气预报的策略思考。可预报性问题,实质上是时空尺度问题,10~30 d的预报虽然超出了逐日天气的可预报时限,但仍存在着可预报的分量。以数值模式为基础,阐述了10~30 d延伸期可预报分量的提取方法。在此基础上,提出了针对可预报分量和混沌分量应采用不同的策略和方法。该设想可借鉴利用现有数值模式的变分同化系统,且无需构建新的模式,因此具有可行性。     

数值预报产品与大气云雨场耦合的暴雨预报技术研究

本文利用有限区数值预报模式的输出产品，结合现时大气云雨场强度分布特征和降水形成的物理机制，研究了暴雨的诊断和预报技术，给出了客观定量的暴雨预报方法，并在微机上实现了人机交互预报系统。通过实际业务运行，取得了较好的预报效果。     

长期天气过程的可预报性研究的进展

在数值天气预报中,大气可预报性问题是一个重要的研究课题。它们有的是从数值预报模式初值场误差探讨,即讨论计算过程中的误差增长使得预报与实况差异太大的时间。这段时间一般为两周,它称为大气可预报的时间。这是短期天气过程可预报性问题。长期天气过程的可预报性,大多是从天气变化稳定性进行探讨。短期天气过程与长期天气过程的关系以及长期天气过程的可预报性问题一直是近十余年来气象学者十分关心的研究课题,本文将着重介绍有关长期天气过程可预报性研究的进展。     

长期大气折射指数预报研究

本文对近地面大气折射指数气候变化统计预报进行了研究,建立了逐步回归多重分析时变模式。在模式中考虑了大气折射指数肘间序列的振动周期、前期预报因子(降水量),还特别考虑了时间序列的振动位相,并随着新数据的到来,适时地改变预报因子和预报方程的参数。本文用该模式对上海近地面6月上旬旬平均大气折射指数进行了长期预报试验,结果表明预报误差较小,预报效果稳定,具有较好的实用价值。这方面的工作可用来对无线电波的传播环境进行预测,从而对电子工程系统进行适时的调整控制。除此而外,该预报模式也可以应用于其它的预报领域。     

10~30 d延伸期可预报性与预报方法研究进展

10~30 d延伸期的可预报性既依赖于初始条件,也与缓变的下垫面有关,寻找延伸期时段内可预报性较高的低频特征,识别延伸期的可预报性来源及影响的物理机制是提高延伸期预报水平的关键。近年延伸期可预报性来源、热带大气季节内振荡监测预测和影响等领域的研究取得较大进展,提出和应用了动力统计相结合以及大气低频信号释用等新的延伸期预报方法。对延伸期可预报性来源及其与初值和外强迫异常的关系分析表明,海气相互作用能提高亚洲和西太平洋区域延伸期时段大气环流和要素的可预报性。热带大气季节内振荡、平流层爆发性增温以及各种次季节尺度的海气、陆气耦合作用和大气响应均为延伸期预报提供了重要的可预报性来源。由于数值模式延伸期时段的预报性能与实际业务需求还存在一定距离,基于动力统计相结合和物理统计的延伸期预报方法被广泛应用于业务预报,表现出一定的预报技巧。     

ERROR GROWTH IN NUMERICAL PREDICTION AND ATMOSPHERIC PREDICTABILITY

The article is to report some results of numerical experiments on the error growth and the atmosphericpredictability Experiments with two-level global baroclinic primitive equation spectral model have mainresults as follows.The magnitude of initial errors directly affects the error growth,but its distributionform has little effect on the growth.The loss of predictability resulting from small-scale error is much greaterthan that from large-scale error.The small-scale error rapidly grows and is transferred to the large-scaleerror by interaction between different scale waves,which stimulates the growth of error for the whole systemOrographic forcing restrains planetary-scale error(wavenumbers 0—3)but enhances the small-scale error(wavenumbers 8 or greater).Hence,orographic effects on the error growth closely depend on the characteris-tic scale of initial errors,and there may be a critical wavenumber between 4 and 7.The error growth is great-er in Northern Hemisphere than in Southern Hemisphere if initial errors are the same.In the end we givesome discussions about model,initialization scheme,etc.,to improve model prediction.     

积云团对大气层结影响的模拟研究

文中设计了一个二维完全弹性的积云团数值模式 .模式中考虑了水平均一和时间定常的大尺度抬升速度的影响 .大度抬升速度只对热力学方程和水汽守恒方程有影响 .积云团的启动方式采用冷池和随机扰动相结合的方法 .文中对一个给定温湿层结和大尺度抬升速度情况下 ,就不同扰动结构、水平环境切变、模式区域大小和冷池强度等进行了 1 1个模拟试验 .结果表明 ,在不同扰动结构、是否有水平环境风切变、模式区域不同以及不同云型谱时 ,给定温湿层结和大尺度抬升速度下的积云团活动使得温湿层结向着同一温湿层结调整 .这说明大气由于积云团活动达到准平衡状态 ,这个准平衡状态主要依赖于初始温湿层结和大尺度抬升速度 .这与 Betts积云参数化方案的假设相一致 .     

数值模式初值的敏感性程度对四维同化的影响

用著名的Ｌｏｒｅｎｚ系统作了共轭变分同化的数值试验。发现随着模式对初值敏感性程度的增加，用这种方法得到和模式相协调的初始场愈来愈困难，直到某些情况下的完全失败。这表明四维同化和可预报期限是联系在一起的。另一方面，随着方程不精确程度的增加，变分同化的效果愈来愈差，直到所做的预报无任何意义可言。如果在做变分同化的同时对模式参数也进行反演，就可使得基于Ｌｏｒｅｎｚ系统所做的预报效果大大提高。     

一个分析大气谱模式的合理性的定性方法

利用对称运动和非对称运动的理论结果,如‘对称运动的不变性’,可以推得:如初始时刻运动是对称的,对于绝热无摩擦的谱模式,在时间积分过程中,总有 1.和反对称运动有关的谱系数等于零; 2.全球预报和半球预报在同一半球内处处相同; 3.和赤道对称的任意两个区域,其各自的运动彼此对称。 数值试验也证实了这些结果。 在有外力强迫的情形,如地形(或加热),如其分布是对称的,则在初始运动是对称的情况下,‘对称运动的不变性’仍然成立。但如果地形(或加热)分布是非对称的,则运动的对称性会减小,而变成非对称运动,并出现越赤道气流。这些也经过数值试验加以证实。 利用上述理论结果作为指导,可以用所设计的模式进行试验、分析,从而,确定模式设计是否合理,有关软件是否有误等。     

论大气模式的设计

文中提出了设计大气模式的原则：包含有可能达到目的的有关制约大气过程的物理因子和物理机制;模式整体性质合理;计算稳定,精确;有合适的网格和分辨率;适当的计算域和模式各部分之间协调。并分别对它们进行了讨论。最后,特别强调了设计目的和模式的一致,还对各不同预报模式中所考虑的因子、物理过程的相对重要性进行了讨论。     

大气季节内振荡的数值模拟比较研究

用国内外两个较好的大气环流模式、在观测海表温度的强迫下进行了长时间(1978—1989年)的数值积分,然后对数值模拟结果与NCAR/NCEP再分析资料进行比较分析,其结果清楚表明,模式模拟结果的均方根误差中有30%—40%是来自于模拟的大气季节内振荡的均方根误差。尤其是,大气季节内振荡模拟的均方根误差的分布形势与总的均方根误差的分布形势几乎完全一致。对热带地区大气季节内振荡动能的模拟结果与NCAR/NCEP再分析资料的比较分析表明,其差异也十分明显,说明模式对热带大气季节内振荡的模拟能力也还比较差。因此可以认为,大气季节内振荡在天气气候模拟中极为重要,而如何在数值模式中模拟好大气季节内振荡还需要进行很好地研究。     

ON THE PDF MODELS FOR ATMOSPHERIC DIFFUSION IN BOUNDARY LAYER

In this paper, taking its turbulent exchange coefficient as a function of the Lagrangian timescale and standard variance of the turbulence in atmosphere, the atmospheric dispersion PDFmodels are obtained on the basis of atmospheric diffusion K-theory. In the model the statistics ofwind speed are directly used as its parameters instead of classic dispersion parameters. The bi-Gaussian PDF is derived in convective boundary layer (CBL), from the statistics of verticalvelocity in both of the downdraft and updraft regions that are investigated theoretically in the otherpart of this paper. Giving the driven parameters of the CBL (including the convective velocity scalew* and the mixing depth h_i) and the time-averaged wind speed at release level, the PDF model isable to simulate the distribution of concentration released at any levels in the CBL. The PDF'ssimulations are fairly consistent with the measurements in CONDORS experiment or the resultsbrought out by some numerical simulations.     

复杂下垫面地域边界层结构的三维细网格数值模拟

建立了一个可供复杂下垫面地域使用的非静力的三维细网格边界层模式，就复杂下垫面条件下的边界层结构和湍流特征作了以实例为对照的数值模拟试验，模式采用能量闭合方案，舍弃了静力近似。以实测资料为初台输入，同时还做了一些数值试验，分别获得了采用静力与非静力模式和不同闭合方案对ＰＢＬ模型的结果。     

LOCALIZED FEATURES OF CHAOTIC SYSTEM AND ATMOSPHERIC PREDICTABILITY

The localized features on chaotic attractor in phase space and predictability are investigated in thepresent study.It will be suggested that the localized features in phase space have to be considered indetermining the predictability.The notions of the local instability including the finite-time and local-time instabilities which determine the growth rate of error are introduced,and the calculation methodsare discussed in detail.The results from the calculation of the 3-component Lorenz model show thatsuch instability,correspondingly the growth rate of error,varies dramatically as the trajectoriesevolve on the chaotic attractor.The region in which the growth rate of error is small is localizedconsiderably,and is separable from the region in which the growth rate is large.The localpredictability is of important interest.It is also suggested that such localized features may be the maincause for a great deal of case-to-case variability of the predictive skill in the operational forecasts.