珠三角城市环境对对流降水影响的模拟研究

采用具有2 km分辨率的中尺度气象模式WRF及其耦合的单层城市冠层模式,以及Thompson云微物理方案,针对广州市附近发生的一次对流风暴过程,模拟研究了城市环境包括城市地表性质变化、城市空气污染可能引起的云粒子浓度增大现象对对流降水发展的影响问题.结果表明城市地表引起的热岛和干岛效应,可造成城市边界层高度升高,有利于城区附近辐合流场形成和不稳定能量增大.模拟结果显示,城市地表作用可在广州市南北各形成一个对流有效位能CAPE增大的辐合区,模拟对流降水回波起始发展于这些具有高不稳定能量的辐合区,并与观测雷达回波特征相一致,反映出城市地表对对流的起始发展及其发生位置有更直接作用.对流发展起来后,敏感试验反映出高云粒子浓度 (污染) 情形中有更多降水形成,降水增多可达20%以上.诊断分析发现降水增多与对流云中有更多雨水及过冷却云水形成有关系.增多的云水雨水通过相应的由于潜热释放增加引起的强上升运动被传送到较高层次,引起云中冻结过程及液态水和冰相物质之间的相互作用增强,从而导致更多冰相物质形成、降落地面降水增多.     

0907号热带风暴“天鹅”暴雨的数值模拟

利用新一代中尺度数值模式WRF,对登陆后滞留粤西地区近50 h并带来了暴雨以上强降水的0907号热带风暴"天鹅"进行数值模拟,取得了较好的效果。该模式成功模拟出"天鹅"的移动路径、强度和强降水分布,暴雨的中心强度与实况基本一致。利用模式输出的高分辨率结果分析研究"天鹅"的暴雨降水原因,通过改变地形高度的敏感性试验表明,沿海地区地形的抬升作用对降雨有显著的增幅作用,并且使降水分布更加不均匀。     

混合集合预报法在华南暴雨短期预报中的试验

-WRF多模式集合3组试验,对比分析混合集合预报法与传统方法的降水预报效果。结果表明:ARPS模式集合改善了广东省南部局地强降水预报,该方法在中雨、大雨、暴雨量级改进效果显著。WRF模式集合对广东省北部强降水预报优于ARPS模式集合,但空报、漏报率较大,该方法有一定局限性。ARPS-WRF多模式集合在降水落区和量级预报上均优于传统方法。混合集合预报法利用低分辨率 (36 km) 集合预报和高分辨率 (12 km) 控制预报实现了高分辨率 (12 km) 集合预报,改善了降水预报效果,该方法可为业务高分辨率集合预报提供参考。     

Impact of Anthropogenic Aerosols on Summer Precipitation in the Beijing–Tianjin–Hebei Urban Agglomeration in China:Regional Climate Modeling Using WRF-Chem

The WRF model with chemistry(WRF-Chem) was employed to simulate the impacts of anthropogenic aerosols on summer precipitation over the Beijing–Tianjin–Hebei urban agglomeration in China. With the aid of a high-resolution gridded inventory of anthropogenic emissions of trace gases and aerosols, we conducted relatively long-term regional simulations,considering direct, semi-direct and indirect effects of the aerosols. Comparing the results of sensitivity experiments with and without emissions, it was found that anthropogenic aerosols tended to enhance summer precipitation over the metropolitan areas. Domain-averaged rainfall was increased throughout the day, except for the time around noon. Aerosols shifted the precipitation probability distribution from light or moderate to extreme rain. Further analysis showed that the anthropogenic aerosol radiative forcing had a cooling effect at the land surface, but a warming effect in the atmosphere. However, enhanced convective strength and updrafts accompanied by water vapor increases and cyclone-like wind shear anomalies were found in the urban areas. These responses may originate from cloud microphysical effects of aerosols on convection, which were identified as the primary cause for the summer rainfall enhancement.     

SENSITIVITY OF MESOSCALE CONVECTIVE SYSTEMS AND ASSOCIATED HEAVY RAINFALL TO SOIL MOISTURE OVER SOUTH CHINA

The impacts of soil moisture(SM) on heavy rainfall and the development of Mesoscale Convection Systems(MCSs) are investigated through 24-h numerical simulations of two heavy rainfall events that occurred respectively on28 March 2009(Case 1) and 6 May 2010(Case 2) over southern China. The numerical simulations were carried out with WRF and its coupled Noah LSM(Land Surface Model). First, comparative experiments were driven by two different SM data sources from NCEP-FNL and NASA-GLDAS. Secondary, with the run driven by NASA-GLDAS data as a control one, a series of sensitivity tests with different degree of(20%, 60%) increase or decrease in the initial SM were performed to examine the impact of SM on the simulations. Comparative experiment results show that the 24-h simulated cumulative rainfall distributions are not substantially affected by the application of the two different SM data,while the precipitation intensity is changed to some extent. Forecast skill scores show that simulation with NASA-GLDAS SM data can lead to some improvement, especially in the heavy rain(芏50 mm) forecast, where there is up to 5% increase in the TS score. Sensitivity test analysis found that a predominantly positive feedback of SM on precipitation existed in these two heavy rain events but not with completely the same features. Organization of the heavy rainfall-producing MCS seems to have an impact on the feedback process between SM and precipitation. For Case 1, the MCS was poorly organized and occurred locally in late afternoon, and the increase of SM only caused a slight enhancement of precipitation. Drier soil was found to result in an apparent decrease of rainfall intensity,indicating that precipitation is more sensitive to SM reduction. For Case 2, as the heavy rain was caused by a well-organized MCS with sustained precipitation, the rainfall is more sensitive to SM increase, which brings more rainfall. Additionally, distinctive feedback effects were identified from different stages and different organization of MCS, with strong feedback between SM and precipitation mainly appearing in the early stages of the poorly organized MCS and during the late period of the well-organized MCS.     

岳阳市ECMWF数值模式降水预报检验与释用

该文应用TS评分、预报偏差（BIAS）等方法,对ECMWF模式预报的2015年12月—2018年12月岳阳市降水场资料,开展晴雨和分级降水检验。晴雨预报检验结果表明：ECMWF模式对岳阳市晴雨预报性能总体较稳定,年际变化幅度较小;晴雨预报准确率季节差异大,冬季最高,秋季次之,夏季最低;从逐月晴雨预报检验来看,12月份最高,8月最低;晴雨预报还存在明显的日变化规律,对夜间的预报能力明显优于白天;空间上总体呈北高南低的空间分布特征。分级降水预报检验结果表明：小雨量级降水预报评分明显高于其他量级降水,中雨次之,大雨及以上量级评分较低且无明显规律;小、中、大雨3个量级任一时效的空报率整体上比漏报率大,小雨量级表现得尤为明显,说明小雨量级的空报更为严重。针对小雨降水预报空报率高的现象,该文对岳阳市ECMWF模式预报降水量1.2 mm以下消空处理后进行了预报释用,结果表明：冬季订正空间较小,夏季各时效可适度订正;春季和秋季可视情况适度订正,订正后可以有效提升预报技巧,但增加了一定漏报风险。     

一次陕西初夏暴雨过程的数值模拟及诊断分析

利用常规观测资料、陕西地面加密观测资料和NCEP再分析资料对2006年6月2日00:00(协调世界时,下同)至3日12:00陕西中部初夏的一次区域突发性暴雨进行了数值模拟和综合分析.结果表明受500 hPa冷涡底部短波槽、700 hPa切变线和地面偏东风气流的共同作用造成这次突发区域性暴雨.模式结果与实况降水情况基本一致,24 h降水模拟能够很好地体现暴雨过程的中心位置,暴雨区域的主要范围和暴雨形势的走向.垂直运动场和降水区对应较好.通过对位涡的分析可得到,此次暴雨过程中有一股很强的干冷空气从对流层顶向下传播,这种强干侵入的形式有利于强降水的生成.广义位温和对流涡度矢量异常的分布和垂直变化很好地反映了陕西这次暴雨过程的落区及其演变,并且对本次暴雨的预报有较好的预报指示意义.     

台风暴雨数值预报中ATOVS资料的变分同化试验

利用ATOVS卫星辐射率资料和NCEP资料,采用中尺度数值模式WRF(V3.3)及其同化系统WRF-3DVar,设计了几组同化试验方案,对由0908号台风"莫拉克"导致的台湾南部2009年8月8—9日特大暴雨过程进行数值预报。结果表明,直接同化ATOVS辐射率资料对初始温度场、湿度场和风场均有较明显的改善,其中连续循环同化试验的改善效果最显著,同化后初始场增加了暴雨中心上空对流不稳定性,同时风场也表现出更强的低层辐合、高层辐散的中尺度特征。对比不同的辐射率资料发现,同化MHS资料对湿度场改进效果较好,同化AMSUA资料对温度场和风场改进效果较好,同时同化MHS和AMSUA资料改进效果整体上要好于前两者。在对降水预报定量检验中,同化试验的整体评分要高于控制试验,特别是降水临界值超过300 mm后评分提高最为显著。连续循环同化试验对这次台风暴雨的预报与实况最为接近。     

GPS/PWV资料在梅雨锋暴雨个例中的同化试验

基于WRF(Weather Research and Forecasting Model,天气预报模式)及其三维变分同化系统3DVAR,利用江苏省GPS/PWV(PWV:Precipitable Water Vapor,GPS反演得到可降水量)资料,并将其与探空资料比对订正,针对2011年6月18日梅雨锋暴雨进行3 h循环同化模拟。在降水参数化方案敏感性试验与单点同化试验基础上,设计多组试验对6 h降水量进行TS(Threat Score)评估。结果表明:(1)同化订正GPS/PWV资料对降水预报能力显著提高,特别是大雨、暴雨量级以上的预报能力;(2)降水量的RMSE(Root Mean Squared Error,均方根误差)相比控制试验均减小,CC(Correlation Coefficient,相关系数)均增大,最显著试验RMSE从19.1 mm下降到12.6 mm,CC从0.45上升到0.74;(3)NMC方法统计的背景误差协方差条件下中雨至暴雨量级TS评分均有一定程度提高,默认的背景误差协方差在大雨以上量级TS评分大幅提高。     

用WRF与MM5模拟1998年三次暴雨过程的对比分析

使用NCAR和NOAA的新一代中尺度模式WRF(WeatherResearchandForecast)和UCAR/PSU的MM5 (v3)模式 ,对 1998年发生在中国的三次强降水过程 ,即 5月的 1次华南暴雨过程 ,7月初的 1次淮河流域暴雨过程和 7月下旬的 1次长江流域暴雨过程进行了数值模拟。模拟结果表明 ,WRF模式能够成功模拟这几次不同性质的降水过程 ;与MM5对比 ,WRF更好地模拟了引起这几次降水过程中的主要天气系统的位置和移动过程 ,从而使WRF模拟的降水落区好于MM5。但在这几次过程中WRF模拟的降水都较MM 5为小 ,也小于实况值 ,分析可见 ,WRF模拟的垂直速度明显小于MM5的模拟结果 ,这可能是导致模拟的降水偏小的原因之一。     

一η模式中高分辨边界层方案及对降水影响的数值试验

利用16层垂直不等距中尺度η模式,引入高分辨边界层湍流闭合方案,且将垂直分层加密至21层。将改进后的模式用于边界层过程的模拟,结果表明,改进后的模式能较好地模拟出边界层的日变化过程及边界层结构;通过对暴雨个例的数值模拟,发现改进后的模式对降水预报的TS评分,特别是暴雨TS评分有明显提高;最后对边界层过程影响暴雨的机制进行了简单的探讨。试验表明,地表潜热通量结合低空急流的水平输送是夏季切变线和准静止锋这一类强降水形成的主要原因之一。     

两类双参数云微物理方案对夏季强降水事件模拟能力的对比研究

运用中尺度WRF模式,分别采用Morrison(MOR)和Milbrandt-Yau(MY)双参数化云微物理方案,对2010年7月20—21日辽宁省的一次强降水过程进行模拟,通过对比分析两个方案所对应的地表累积降水量、降水强度、云中微物理量的模拟结果,评估两个双参数方案对强降水事件的模拟能力及主要微物理过程的差异。结果表明,在对雨带和强降水中心的位置上,MOR方案的模拟能力优于MY方案,但MY方案对强降水中心强度模拟能力则优于MOR方案;两方案对强降水宏观特征的模拟差异在一定程度上体现了它们在微物理具体方案上的差异,相比MY方案而言,MOR方案模拟降水发展期的垂直水汽通量高,使得雪晶的凝华增长、碰连增长增强,从而导致MOR方案的冰晶含量低,雪晶含量高,通过雪晶的凇附作用形成的霰含量也比MY方案高,霰的凇附增长消耗了大量过冷水,使冷云中云滴(过冷水)含量减少; MOR方案模拟得到的600 hPa到地表的雨滴直径均为1 mm,与实际雨滴直径的观测值不符,需要未来进一步开展研究,对原方案进行优化。     

耦合不同陆面方案的WRF模式对2007年7月江淮强降水过程的模拟

利用WRF模式, 分别选用不同陆面参数化方案 (SLAB、 RUC、 NOAH、 UCM) 对2007年7月7～8日的江淮暴雨进行数值模拟试验, 模拟结果的对比分析表明: 虽然主要雨带的基本位置和大致走向受陆面方案的影响并不大, 但是降水强度的分布对陆面物理过程是敏感的, 耦合陆面方案比不耦合陆面方案的模拟效果更接近实况; 不同陆面方案模拟的降水量均较实况偏小, 然而由于考虑的要素和物理过程存在一定差异, 它们对降水的中心落点、 雨量值、 降水日变化、 降水类型以及降水条件的模拟各有所长; 特别值得指出, TRMM资料与4种方案的模拟结果均反映出本次降水日变化过程中夜间的峰值特征, 这是短时降水 (1～3 h) 和持续性降水 (≥6 h) 的综合反映, 而凌晨后的降水则主要由持续性降水造成; 在各种试验的综合比较中, NOAH方案较其他方案的模拟结果显得更稳定与合理, UCM方案针对城市下垫面的模拟有一定优越性。     

降水预报-观测概率匹配动态订正法在江西降水集中期的应用与检验

为提高数值预报降水预报的准确率,本文利用欧洲中期天气预报中心的高分辨率数值预报（ECMWF）降水预报资料和江西省国家级气象观测站实况降水资料进行概率匹配,选取Gamma累积概率分布函数用于拟合预报与观测的降水累积概率,通过在2017年江西省一次降水集中期的应用试验,得到以下结论：基于ECMWF的降水预报-观测概率匹配动态订正法由于把最新的预报与实况结果带入概率匹配中,并根据近期模式预报调整及误差不断自动更新各量级降水修正值,可实时动态订正模式降水预报;检验发现ECMWF模式降水产品对于24 h内12 h间隔的10 mm及以下量级的预报普遍偏大,25 mm及以上量级的预报普遍偏小,在江西区域九江沿江地区和景德镇的各量级降水预报较为接近实况、预报效果较好.本降水预报订正法能提高小雨和暴雨的TS评分、降低暴雨的漏报率且提升其命中率,但对大雨及部分中雨的订正效果不佳,在实践中应权衡利弊使用.     

城市效应对登陆热带气旋妮妲降水影响的模拟

运用中尺度数值模式WRF耦合城市冠层模式（urban canopy model,UCM）,对2016年登陆深圳的热带气旋妮妲（1604）（以下简称妮妲）进行数值模拟。高分辨率数值模拟较好地再现了妮妲登陆前后的强度、路径和累积降水。利用城市化过程当中城市冠层对热带气旋降水的敏感性试验结果表明:城市冠层会减弱对流运动和水汽的输送,导致热带气旋登陆后珠江口城市群区域累积降水量略减少。应用最新的土地利用资料进行的城市下垫面敏感性试验结果表明:由于城市下垫面粗糙度增加,造成登陆地面风的减速,强度减弱,潜热通量与2 m高度比湿相应减小;城市下垫面粗糙度增加会加强该区域垂直对流运动以及不稳定能量增加,有利于降水增强,尤其在城市化下垫面处,热带气旋登陆后6 h累积降水增加量最大可超过20 mm。总体而言,对登陆热带气旋降水而言,耦合城市冠层使城市区域热带气旋降水减少,但在数值模拟中城市冠层影响作用不显著。城市化下垫面对登陆热带气旋暴雨的增幅作用明显,在登陆热带气旋降水预报中应重视。     

GPS/PWV资料同化在强降水过程中的定量作用评估

基于WRF模式及其三维变分同化系统,分别采用江苏GPS观测网的大气可降水量资料及区域内探空和地面气象站资料,对2011年8月25日江苏苏南地区的一次区域性暴雨和2008年苏皖地区的一次局地特大暴雨过程进行了同化试验,用以比较分析GPS/PWV、探空和地面观测资料同化对强降水预报的定量作用。结果表明:探空和地面资料的同化通过对模式动力和热力场的影响,在强降水中心附近形成了强烈的辐合上升运动和热力不稳定条件,直接改进了强降水中心分布结构和强度特征,对数值模拟的成功与否起着决定性作用。而GPS/PWV在探空和地面资料同化的基础上,将使水汽条件得到增强且更有组织性,无论对降水中心强度还是位置都具有较为显著的改进作用。     

分类型最优法在江苏沿江地区降水估测中的应用与讨论

为提高现有天气雷达产品生成模块中处理系统算法精度、并为其他短时临近预报系统或数值预报模式提供合适的Z-I关系为目的,选择江苏沿江地区作为试验区域,采用分类型最优法建立相应的Z-I关系,并比较分类型最优法与单一Z-I关系对过程雨量和分段雨量的估测能力.结果表明:分类型最优法比单一Z-I关系法明显提高过程雨量估测的精度,梅汛期降水估测精度提高近2.5倍,夏季台风降水估测由低估72％降低至低估45％.对不同雨量段进行估测比较后发现,分类型最优法对强降水雨量段改善较为明显,对雨强＞ 10 mm/h的梅汛期对流云降水和台风降水所有雨量段的雨量估测改善明显.最后在气候统计的基础上,通过改进雷达估测降水产品色标数值等级,以达到优化雷达估测降水产品图像的显示能力.     

MODE方法在降水预报检验中的应用分析

采用WRF模式MET检验包中MODE方法,对BJ-RUC降水预报产品进行客观检验。使用2008—2009年汛期北京自动站逐小时降水数据,挑选出2个及以上站3小时累计降水≥50 mm的局地强降水个例及主要降水时段,根据其环流形势及影响系统进行分型,并将其归纳出三种型：西来槽型、低涡型、切变线型。分别针对这三种型中强降水个例的主要降水时段进行检验。在检验中使用BJ-RUC模式降水预报产品,实况数据使用与强降水时段相对应的雷达QPE降水估计产品。检验结果表明,BJ-RUC模式降水漏报比空报造成的误差更为明显,对移动较明显的西来槽型降水预报能力较差,相似度评分与TS评分没有本质区别,但它能给模式应用和模式开发人员提供更多有用信息。此项工作能为该模式应用及模式改进提供参考依据。     

一次梅雨锋暴雨过程的中尺度对比模拟分析

使用新一代细网格WRF中尺度数值模式和MM5（V3）模式,对2003年7月4～6日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟对比分析。结果表明：WRF和MM5都能较好的模拟这次暴雨过程雨带的分布和走向,而WRF能更好的模拟降水中心的位置和雨量;与暴雨过程相联系的低空急流和涡度场等分布特征的模拟,WRF模式亦优于MM5模式。此外,在云贵高原东麓山地,与WRF模式相比,MM5模式在低层模拟出虚假的低压环流,这可能与两模式所采用的垂直坐标差异有关。对WRF的模拟结果分析发现,700hPa湿位涡异常区与暴雨发生区对应很好。     

2013年华中区域中尺度业务数值预报的客观检验

应用国家气象中心模式检验方法,对华中区域中尺度业务数值预报模式WRF和中国气象局下发的GRAPES模式2013年1-12月的预报产品（包括降水、2 m温度场、850 hPa温度场、850 hPa风场和500 hPa位势高度场预报）进行统计检验。检验结果表明：所有要素24 h预报均优于48 h;对于晴雨预报,GRAPES模式TS评分高于WRF,但随着降水量级增大,WRF的TS评分基本都高于GRAPES,同时WRF降水预报范围明显偏大;分析2 m温度场的均方根误差及预报准确率发现,WRF的2 m温度场预报优于GRAPES,且暖季预报优于冷季;形势场要素分析表明,WRF对850 hPa温度场和风场预报具有相当大的优势,全年误差变化较稳定,而对500 hPa位势高度场的预报误差存在一定的季节性特征,即夏半年WRF高度场预报优于冬半年,GRAPES模式则相反。总体上,华中区域中尺度业务数值模式产品对天气预报具有一定的参考价值。