山西省夏季三类典型强降水的集合预报试验

利用我国自主研发的多尺度通用的新一代同化与数值预报系统--GRAPES模式,通过对4种积云参数化方案的比较,确定集合预报成员,对山西省夏季3类典型强降水过程进行了集合预报试验.试验结果表明:(1)对所模拟的个例,Betts-Miler-Janjic对流调整方案和Kain-Fritsch对流参数化方案优于对流调整方案和郭氏参数化方案;(2)积云参数化方案对降水的影响比边界层参数化方案对降水的影响大,不同个例对2种不同积云参数化方案和3种不同边界层参数化方案的6种组合的反应敏感程度也各不相同;(3)不同集合成员对降水的预报结果各不相同,其预报偏差也各不相同;(4)对于不同的天气系统,不同的方案其预报效果是不同的;(5)通过集合平均,降水预报偏差明显减小,降水预报偏大的情况得到改善,且其24～36 h预报效果最好.     

2004年西南地区多物理集合预报系统试验及初步检验

利用美国PSU/NCAR的高分辨率中尺度非静力MM5模式,选择不同的积云对流参数化方案和边界层方案,构造西南地区多物理集合预报系统,于2004年8月16～9月30日进行了准业务试验.对四川区域短期降水集合预报结果的检验表明,利用双线性插值方法获得的站点预报值较利用临近格点的降水平均值更具有实际参考价值;对比分析表明,对于小雨到暴雨量级的降水,集合预报优于大部分集合预报成员,对大于100mm以上的极端降水预报能力有待提高;分析显示,以Anthes-Kuo和Kain-Fritsch积云对流参数化方案构造的集合预报成员对四川区域暴雨以上量级的预报效果不明显,因而对集合预报系统中参数化方案的选取,集合预报成员的构成,还有待进一步试验分析与优化.     

2004年西南地区多物理集体合预报系统试验及初步检验

利用美国PSU／NCAR的高分辨率中尺度非静力MM5模式，选择不同的积云对流参数化方案和边界层方案，构造西南地区多物理集合预报系统，于2004年8月16～9月30日进行了准业务试验。对四川区域短期降水集合预报结果的检验表明，利用双线性插值方法获得的站点预报值较利用临近格点的降水平均值更具有实际参考价值；对比分析表明，对于小雨到暴雨量级的降水，集合预报优于大部分集合预报成员，对大于100mm以上的极端降水预报能力有待提高；分析显示，以Anthes-Kuo和Kain-Fritsch积云对流参数化方案构造的集合预报成员对四川区域暴雨以上量级的预报效果不明显，因而对集合预报系统中参数化方案的选取，集合预报成员的构成，还有待进一步试验分析与优化。     

不同参数化方案对长江中游汛期降水模式预报试验

利用中尺度模式多个物理过程组合成不同预报方案,对长江中游汛期降水预报进行了对比试验.试验结果表明,使用不同物理过程参数化方案对长江中游汛期降水的预报效果存在差异,这种差异随降水预报量级的提高而愈加明显;而就试验而言,Grell积云对流参数化方案与Blackadar边界层参数化方案的组合预报效果相对较好;就单个降水个例而言,预报效果相对好的参数化方案存在不确定性,集合平均预报相对稳定且优于大多数方案,其对降水评分的改进尤其体现在暴雨以下量级的预报中.     

CWRF模式对夏季降水的集合预报试验研究

以ISWS/UIUC发展的CWRF数值模式为试验模式,NOAA全球预报系统(GFS)每天4次的实时预报资料作模式初始和边界条件,同时采用NCEP每天发布的0.5°×0.5°全球SST实时分析资料,分别选取不同的云物理参数化、积云参数化、边界层参数化和辐射方案共计8种参数化组合方案,形成了8组、4个时次共计32个成员的集合预报体系,设计了时变权重分配和动态权重分配两种方案,开展了120 h的实时集合预报试验。试验结果表明,CWRF对中国区域降水有较好的预报能力;在短期降水预报中,集合成员对积云参数化方案更加敏感;考虑了前期预报误差的动态分配权重技术的集合预报方案能够及时反映模式在不同物理参数化方案下,在不同地方、不同预报时效的预报性能,总体上优于不考虑前期预报误差的时变集合预报方案和单个成员的预报。     

一次短期集合预报试验

数值模式中物理过程描述不准确是造成数值预报误差的主要来源之一,采用数值模式中不同物理过程的集合预报方案是减小模式预报误差的有效方法。本文结合一个典型的夏季东北冷涡型降水天气过程,选用不同的积云对流参数化方案、显式降水方案、辐射方案以及模式采用不同的地表分辨率构成10集合预报成员,进行了48h的预报。结果显示集合预报在总体预报效果上比各个集合成员的预报效果好,简单的集合平均就可以提高模式形势场和降水要素场的预报准确率。在集合平均提高预报准确率的同时,采用天气系统移动路径图、面条图以及降水概率预报等方法,可以增强小概率事件的预报能力。     

基于多模式短期集合预报技术的热带气旋降水预报试验

利用中尺度AREM和WRF模式为试验模式,由对降水预报结果影响颇大的积云和边界层参数化方案构成的10个集合预报成员,开展有限区域多模式短期集合预报在热带气旋降水预报中的应用与研究.分别研究了单个模式集合预报和多模式集合预报在热带气旋"天鹅"(0907)降水预报中的应用.试验结果表明:(1) WRF模式集合预报效果整体上...     

MM5模式中不同对流参数化方案对降水预报效果影响的对比试验

本文应用MM5模式，在45km和25km模式分辨率及Blackadar和MRF边界层参数化方案下，选择AK、Grcll、KF和BM等4种对流参数化方案对非汛期22个降水个例进行48h预报试验。结果表明KF和AK方案预报的降水量误差较小，BM方案预报的降水量误差较大；各种方案预报降水效果的优劣对于量级不同的降水是不同的，对中雨、大雨和暴雨的预报，没有哪一种方案的预报效果是绝对最优的；不同方案预报降水结果的差异对量级大的降水比对量级小的降水大；在大部分情况下，相同方案在45km分辨率下的预报结果好于在25km分辨率下的预报结果。     

长江中下游地区梅雨期降水的集合预报试验

本文利用MM5模式,通过改变模式的积云参数化方案、边界层过程和云微物理方案,构造了一个15个成员的集合预报系统,对2001年长江中下游地区梅雨期降水做了集合预报试验。试验表明,集合预报与决定预报相比,可以有效地提高梅雨降水的预报准确度;在不同分辨率条件下集合预报相对于决定预报的提高程度是不同的,分辨率越低,集合预报的价值越大。尽管如此,集合预报还具有的内在缺陷是对小雨高估、大到暴雨低估。试验也揭示了,MM5模式本身对于降水有过分预报的倾向,粗网格模式配置对细网格内降水产生重大影响。     

基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋路径集合预报研究

构建了一个基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋集合预报系统，通过积云参数化方案和边界层参数化方案的9个不同组合，采用MM5模式进行了不同时间的短时预报。对预报结果使用“镜像法”得到18个初始成员，为同化提供初始背景集合。将人造台风作为观测场，同化后的结果作为集合预报的初值，通过不同参数组合的MM5模式进行集合预报。对2003～2004年16个台风个例的分析表明，初始成员产生方法能够对热带气旋的要素场、中心强度和位置进行合理扰动。同化结果使台风强度得到加强，结构更接近实际。基于同化的集合路径预报结果要优于未同化的集合预报。使用“镜像法”增加集合成员提高了预报准确度，路径预报误差在48小时和72小时分别低于200 km和250 km。     

2003年江淮汛期多模式短期集合预报方法研究

利用AREM、MM5和WRF模式为试验模式,由对短期天气预报结果影响颇大的积云参数化方案和边界层方案构成15个集合预报成员,开展有限区域多模式短期集合预报在我国汛期时段的应用与研究.分别研究了单个模式集合预报和多模式集合预报在2003年汛期(7月)预报中的应用,预报对象主要包括降水、500 hPa位势高度和700 hPa相对湿度.试验结果表明:(1) 由AREM、MM5和WRF模式构成的多模式集合对以上要素的集合预报总体效果比其任一单个模式的集合预报效果好;(2) 对于降水的集合预报,单个模式的集合平均结果对多模式集合预报效果有影响.且对于不同的降水临界值影响不同;当降水临界值较小时,单模式集合平均结果对多模式集合效果影响较小;当降水临界值较大时,影响较大,甚至可以影响多模式集合的集合平均预报成败;(3) 对于降水、500 hPa位势高度和700 hPa相对湿度,其单个模式以及多模式的48 h集合预报对确定性预报的改善度都比24 h的显著.(4) 对于形势预报和相对湿度预报,多模式集合预报效果明显比同期T213模式的预报水平高.     

中尺度降水集合预报随机参数扰动方法敏感性试验

中尺度降水模式预报具有很大的不确定性,为更好地描述与模式降水预报密切相关的物理过程关键参数的不确定性,基于中国气象局GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction System）中尺度区域集合预报模式,从对模式降水预报不确定性有较大影响的积云对流、云微物理、边界层及近地面层等4个参数化方案中选取了18个关键参数,设计了一种随机参数扰动方案（Stochastically Perturbed Parameterization,SPP）,并通过2015年6—7月总计10 d的随机扰动集合预报试验,对比分析了SPP方案对不同物理过程参数扰动敏感性、随机场时、空尺度敏感性、能量变化特征及其集合预报效果。结果显示,对所选择的任一物理过程参数化方案增加SPP扰动后,降水及等压面要素的概率预报技巧优于无SPP扰动的预报,而扰动积云对流和边界层过程中的参数较扰动云微物理过程中的参数影响更显著,且同时扰动积云对流、云微物理、边界层及近地面层参数化方案中的18个参数的集合预报效果优于扰动任何单一物理过程中的部分参数,表明SPP方案能够有效地提高中尺度降水概率预报技巧;从能量变化特征可知,不同物理过程的参数扰动对动能、内能和总能量的影响层次和特征有所不同,但总体而言,扰动前后各项能量基本相同;随机场时、空尺度敏感性试验发现,SPP扰动随机场时间、空间相关尺度对集合预报效果有明显影响,当扰动随机场选用12 h抗相关时间及截断波数20时,集合预报结果最优。上述结果表明,SPP随机参数扰动方案不仅能够有效提高集合概率预报效果,还能够提高集合降水概率预报技巧,具有良好的业务应用与发展前景。      

Effects of Resolution,Cumulus Parameterization Scheme,and Probability Forecasting on Precipitation Forecasts in a High-Resolution Limited-Area Ensemble Prediction System

This study investigates the effects of horizontal resolution, cumulus parameterization scheme (CPS), and probability forecasting on precipitation forecasts over the Korean Peninsula from 00 UTC 15 August to 12 UTC 14 September 2013, using the limited-area ensemble prediction system (LEPS) of the Korea Meteorological Administration. To investigate the effect of resolution, the control members of the LEPS with 1.5- and 3-km resolution were compared. Two 3-km experiments with and without the CPS were conducted for the control member, because a 3-km resolution lies within the gray zone. For probability forecasting, 12 ensemble members with 3-km resolution were run using the LEPS. The forecast performance was evaluated for both the whole study period and precipitation cases categorized by synoptic forcing. The performance of precipitation forecasts using the 1.5-km resolution was better than that using the 3-km resolution for both the total period and individual cases. The result of the 3-km resolution experiment with the CPS did not differ significantly from that without it. The 3-km ensemble mean and probability matching (PM) performed better than the 3-km control member, regardless of the use of the CPS. The PM complemented the defect of the ensemble mean, which better predicts precipitation regions but underestimates precipitation amount by averaging ensembles, compared to the control member. Further, both the 3-km ensemble mean and PM outperformed the 1.5-km control member, which implies that the lower performance of the 3-km control member compared to the 1.5-km control member was complemented by probability forecasting.     

南海夏季风爆发的数值模拟

利用高分辨率的区域气候模式 (RegCM_NCC) 对南海夏季风爆发进行模拟研究。研究表明:该模式对积云对流参数化方案的选择十分敏感, 其中以Kuo积云参数化方案为最好, 可以比较成功地模拟出南海夏季风的爆发时间、爆发前后高、低层风场的剧烈变化以及季风与季风雨带的向北推进。然而该方案对于雨量和副热带高压位置的模拟, 与观测相比尚存在一定的偏差, 主要表现为副热带高压位置模拟偏北、偏东; 南海地区的降水量模拟偏少、降水范围偏小。此外, 采用4种参数化方案 (Kuo, Grell, MFS, Betts-Miller) 集成的结果在某种程度上要优于单个方案的结果, 这种改善主要体现在对南海地区季风爆发后降水的模拟上。     

WRF模式不同云参数化方案的暴雨预报能力检验及集成试验

利用WRFV3. 6的8种微物理方案和6种积云参数化方案对湖北及其周边地区夏季12次暴雨过程进行回报,分析各种方案对暴雨预报的影响。结果显示,各种方案均能较好地预报出降水过程,但其降水强度和范围存在一定差异。当积云参数化方案为KF方案时,对Lin、WSM6、Thompson、Morrison 2-mom、CAM5. 1、WDM5、WDM6、NSSL 2-mom微物理方案做敏感性试验,发现CAM 5. 1方案优于其他7种微物理方案,M orrison 2-mom次之。当微物理方案为CAM 5. 1时,对KF、BM J、GD、SAS、G3D、Tiedtke积云参数化方案做敏感性试验,发现在不同量级降水预报中,6种积云参数化方案各有优劣。综合考虑,GD、SAS、Tiedtke积云参数化方案优于其他3种方案。在此基础上开展多方案集成试验,结果表明集合平均(ensemble mean,EMN)在一定程度上可以减少预报误差,降低单个成员预报的不确定性。