"7·8"特大暴雨过程雷达风场资料的三维变分同化研究

基于中尺度暴雨预报模式AREM和三维变分同化系统GRAPeS-3dvar对2003年7月8日发生在长江中游的一场特大暴雨过程,进行了武汉、宜昌多普勒雷达风场资料的三维变分同化研究,结果表明:(1)增加了武汉、宜昌多普勒雷达反演风场资料后,模式对湘-鄂交界处特大暴雨区的模拟效果改善非常显著.(2)分别单独增加武汉、宜昌多普勒雷达风场资料的三维变分同化后,降水模拟都有明显改进,但要差于对两部雷达风场资料同时进行变分同化的结果,表明同化的中尺度初始风场信息越多,初始场的质量越高,降水模拟效果越好.(3)雷达风场资料的三维变分同化,改善了分析场中尺度结构的描述,从而减轻了spin-up现象,使得模式在积分初期就能模拟出与实况相近的强降水.     

暴雨模拟中多普勒雷达径向速度变分同化的应用

针对2008年6月广东地区的一次强降雨过程,利用WRF中尺度数值模式及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),进行了多普勒雷达径向速度变分同化对暴雨过程模拟效果影响研究。结果表明:WRF-3DVAR能够有效地同化多普勒雷达径向速度,同化后的主要影响在于改进了初始动力场,使得初始场包含有更详尽的中尺度特征信息,进而显著提高模式对广东局地暴雨过程的模拟效果。在高分辨率中尺度数值模式中有效地利用多普勒天气雷达资料,是提高中尺度降雨预报的关键。     

多普勒雷达径向速度同化在淮河暴雨数值模拟中的应用

针对2007年7月淮河流域的一次强降雨过程,利用WRF中尺度数值模式及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),开展了多普勒雷达径向速度的三维变分同化对暴雨过程模拟效果的影响研究。结果表明:WRF-3DVAR能够有效地同化多普勒雷达径向速度资料,同化后使得模式初始场出现了一定的调整,包含更详尽的中尺度特征信息,进而显著改善模式对大暴雨过程前12h降水的模拟效果。在高分辨率中尺度数值模式中有效地利用多普勒天气雷达资料,能较好地提高中尺度降雨预报。     

多普勒天气雷达资料在暴雨数值模拟中的同化应用

基于中尺度数值模式WRF及其三维变分同化系统WRF-3DVAR对2008年6月广西地区的一次强降雨过程,进行了多普勒天气雷达的多普勒径向速度和反射率因子的三维变分同化对于暴雨过程模拟效果影响研究。结果表明：(1）同化柳州、桂林和永州多普勒天气雷达观测资料后,模式对广西东北部地区特大暴雨的模拟效果明显改进;(2）WRF-3DVAR能够有效地同化多普勒天气雷达径向速度和雷达反射率因子,同化后使得模式初始场包含有更详尽的中尺度特征信息;(3）在高分辨率中尺度数值模式中有效地利用多普勒天气雷达资料,改善了分析场中尺度结构的描述,从而减轻了spin-up现象,能较好的提高中尺度降雨预报。     

逐时云迹风资料同化对暴雨预报的模拟试验

文中基于不同的云迹风同化方案,用GRAPES模式对2005年7月11-12日长江中下游一次暴雨强降水过程进行了云迹风资料同化试验及数值模拟,通过对比分析不同方案所得的分析场及预报场的差异,研究逐时云迹风资料三维变分同化对分析场及暴雨预报的影响.首先,根据连续性原理及双通道各层次云迹风资料的误差分析,分3个步骤对7月11日00:00-12:00 UTC共12个时次的双通道云迹风资料进行了初步的质量控制;然后,把经过质量控制的云迹风资料放入基于GRAPES 3D-VAR三维变分同化方案开发的逐小时循环同化系统中进行同化,将得出的分析场与单一时次未经质量控制的云迹风资料同化得出的分析场进行对比,探讨了逐时云迹风资料同化对数值预报分析场的影响;最后,把同化后的分析场作为初始场,用 GRAPES模式对 2005年7月11-12日长江流域暴雨过程做24 h降水预报试验,分析两个同化方案所模拟得到的预报场的差异.结果表明,经资料的筛选、同经纬度单点通道的选择及资料的稀疏化3个步骤控制后,各层次云迹风资料的误差有明显减小;加入经质量控制的逐时云迹风资料其三维变分同化可以提高分析场中风压场及水汽场的质量;而且在暴雨预报试验中可以相对更准确地预报暴雨落区及雨强.     

我国暴雨形成机理及预报方法研究进展

本文分别从华南前汛期暴雨、江淮流域梅雨锋暴雨、华北和东北暴雨以及暴雨预报方法等方面回顾了我国近年来在三大主要雨带的观测、数值模拟、动力机理及诊断分析和预报方法方面取得的进展,指出了华南前汛期暴雨、江淮梅雨锋暴雨及华北东北暴雨研究取得的新认识,认为华南前汛期暴雨的形成机理主要是发生在低空南风向北推进过程中,由海岸线及地形抬升而产生位势不稳定造成强上升运动,以及由于南风低空急流向北发展时产生急流前部的辐合而发生流线分叉使低层低涡发展,促进垂直运动加强或使正涡度集中促使垂直运动发展而造成暴雨;江淮暴雨生成机制主要与对称不稳定、涡度场变化及β中尺度对流线有关;而华北东北暴雨过程中的非均匀饱和引起的局部湿度集中特点较为明显,中高层干冷空气入侵引起的不稳定和动量下传及高空中尺度急流增强引发的高层局地辐散增强对暴雨发生有重要作用。目前,新型探测资料已经用到暴雨研究和预报中,具有自主知识产权的GRAPES-MESO和GRAPES-GFS系统已经实现业务化,并在集合数值预报方面取得显著进步,且动力因子暴雨预报方法在很多省市气象台得到推广应用。虽然暴雨机理研究和预报已经取得以上诸方面的长足进步,但是也还存在不少问题,需要加强基于观测的暴雨中尺度系统的理论研究、数值模式动力框架和物理过程描述的改进、资料同化理论技术的发展及人工智能技术如何用到大气科学的研究和业务应用等,以期在我国暴雨中尺度系统的三维精细结构、发生发展机理和预报理论和方法研究方面取得更大进步。     

三维变分同化在-η坐标中尺度模式预报中的应用

将中国气象局的GRAPES三维变分系统与-η坐标中尺度模式结合，对模式初始场进行同化前后对比试验，研究η坐标中尺度模式对云南降水的预报能力，并用于2002年5月10～15日00：00云南雨季开始降雨过程的模拟试验。试验结果表明，三维变分同化方案目标函数收敛快，采用同化方案的η模式预报的强降水中心、分布范围、预报精度比不进行同化的效果好。     

多普勒雷达资料对暴雨定量预报的同化对比试验

基于NCEP/NCAR再分析资料和连云港雷达探测资料,利用WRF模式及其三维变分同化V2.1系统,对发生在2008年4月19日连云港地区一次区域性暴雨过程进行了三维变分同化数值模拟对比研究.结果表明,同化了雷达资料后,模式预报效果比单独使用NCEP做初始场效果明显改善,暴雨落区和量值更接近实况.同化了雷达资料后,模式预报的垂直运动区、最大上升区、水汽输送通道和高空涡度分布等更接近强降水区,结构也更精细,说明初始场增加雷达资料后,对初始风场的结构、强度和初始云水分布有实质性的改进,从而提高了对暴雨定量预报的效果.     

华南暴雨试验研究进展

‘”海峡两岸及邻近地区暴雨试验研究”已于1997年8月批准立项为国家”九五”攀登计划专项,其研究目标是通过外场试验获取暴雨发生发展全过程的中尺度观测资料,应用天气动力学理论。物理量的诊断分析、资料同化。以及中尺度数值模拟。研究华南暴雨发生发展的机制和规律以及中尺度预报理论和方法‘具体设置7个研究课题：（1）暴雨综合观测试验问）雷达、卫星等遥感资料的分析与应用问）暴雨综合观测试验资料库（4）资料集成和中尺度论断分析预报（5）非静力暴雨中尺度数值模式与变分同化（6）中尺度对流系统天气动力学研究门）台风系统中尺…     

基于多尺度混合滤波的GRAPES_3Dvar及其在实际暴雨预报中的应用分析

为提高暴雨的数值模拟和预报效果,在生成初值的同化分析中保证中小尺度信息的引入十分重要。为改善GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)区域三维变分同化系统对中小尺度信息的引入,本文利用气候态背景误差样本估计变量误差的水平协相关尺度,进而利用三个不同水平特征尺度的递归滤波器对统计结果予以拟合,以替代原有单一尺度的递归滤波方案。利用新方案对2015年6月1—2日江汉平原的暴雨过程进行同化和预报,研究结果表明:新方案的功率谱衰减较慢,通过单点试验和分析场分析发现,新同化方案引入了更多的α中尺度信息;在暴雨个例的预报中发现,利用新同化方案后湿度场、散度场和涡度场在分析场和预报场中更加接近实际情况,降水预报技巧明显提高。通过能量谱分析发现,新方案与原方案相比反映出更多的α中尺度信息;新方案对江汉平原地区暴雨预报具有正效果,在α中尺度内出现了低层辐合、高层辐散及湿度增加等有利于降水的要素。在暴雨个例的基础上,本文进行16d的批量试验,结果显示新方案对降水的预报技巧明显提高,与个例结果一致。     

溃变理论在汕头暴雨天气预测中的应用

运用溃变理论的V-3θ图结构分析方法和溃变图分析了汕头的一场暴雨天气,说明怎样运用溃变理论对汕头暴雨天气进行预测分析。结果表明:V-3θ图对暴雨天气预测有着较好的指示特征,溃变图对天气形势的演变有较好的指示意义,溃变理论在暴雨天气预测中有参考价值。     

Impact of SST Anomaly Events over the Kuroshio-Oyashio Extension on the “Summer Prediction Barrier”

The "summer prediction barrier"(SPB) of SST anomalies(SSTA) over the Kuroshio–Oyashio Extension(KOE) refers to the phenomenon that prediction errors of KOE-SSTA tend to increase rapidly during boreal summer, resulting in large prediction uncertainties. The fast error growth associated with the SPB occurs in the mature-to-decaying transition phase,which is usually during the August–September–October(ASO) season, of the KOE-SSTA events to be predicted. Thus, the role of KOE-SSTA evolutionary characteristics in the transition phase in inducing the SPB is explored by performing perfect model predictability experiments in a coupled model, indicating that the SSTA events with larger mature-to-decaying transition rates(Category-1) favor a greater possibility of yielding a more significant SPB than those events with smaller transition rates(Category-2). The KOE-SSTA events in Category-1 tend to have more significant anomalous Ekman pumping in their transition phase, resulting in larger prediction errors of vertical oceanic temperature advection associated with the SSTA events. Consequently, Category-1 events possess faster error growth and larger prediction errors. In addition, the anomalous Ekman upwelling(downwelling) in the ASO season also causes SSTA cooling(warming), accelerating the transition rates of warm(cold) KOE-SSTA events. Therefore, the SSTA transition rate and error growth rate are both related with the anomalous Ekman pumping of the SSTA events to be predicted in their transition phase. This may explain why the SSTA events transferring more rapidly from the mature to decaying phase tend to have a greater possibility of yielding a more significant SPB.     

“2.23”昆明长水机场低空风切变分析及可预报时效估计

随着航空事业的发展,飞机性能得到提高,但低空风切变仍然对航空安全构成威胁,为了解其发展规律,就昆明长水机场2017年2月23日发生的四次低空风切变进行了特征分析,揭示了风切变产生的水平及垂直风场的调整过程。分析发现,昆明机场特殊的地理位置造成冷锋推进速度缓慢;冷锋过境时,跑道两端出现风向和风速的不连续,造成跑道两端风向和风速均无法满足运行标准,导致跑道关闭;冷锋过境后,在跑道上60m决断高度附近形成水平风的垂直风切变,造成飞机复飞,对飞行安全造成较大影响。跑道道面上的风切变空间尺度小、存在时间长、而且风切变发生高度较低,并随时间变化,结合自动观测系统及风廓线雷达能更好的了解冷锋型风切变的特征,可以为航空飞行安全提供更精细化的服务。      

基于增长模繁殖法的集合预报初始扰动饱和分析

基于增长模繁殖(BGM)法构造集合预报初始扰动时,繁殖循环中扰动的发展和饱和情况是其关键技术之一.已有的一些研究基本上是以扰动增长率接近某一数值作为繁殖结束的标志.作者认为,初始扰动的饱和不仅仅是扰动增长率的饱和,即繁殖模大小方面的饱和,扰动形态(即误差分布)上的饱和也应当是一个必须考虑的因子.利用T63L9全球谱模式分析了繁殖循环中增长模(扰动)的发展和饱和情况,通过分析扰动大小及形态两方面随繁殖时间的演变,得到以下主要结论:扰动增长模在繁殖3～4天后可呈现明显的饱和特征;不同变量扰动增长模的饱和时间有所差别,同一变量在不同等压面上饱和时间亦不同步;不同的初始模大小也会对扰动饱和过程产生影响.     

利用地热异常定性预测年度降水之方法

将“地气图”方法引入年度降水的定性预测中,在分析了1955－1996年共42a的气修资料及地球自转速度的变化与同期地热涡族轴线走向之间的关系后,发现地热族轴线与我国东部雨带的走向基本一致,且多（少）雨带轴线与地热（冷）涡族轴线基本相合,即轴线呈南北向时,雨带亦呈南北向,反之亦然。在地球自转的减慢年,雨带往往呈南北向。     

黄河龙头水库多水月(季)预测的地气图方法

利用黄河龙头水库流量控制站——唐乃亥水文站1956年以来逐月流量资料和东亚地震资料及黄河产流区久治气象站1975年以来逐月3.2m地温资料,研究了唐乃亥多水期(流量正距平)的成因及其预报。发现东亚6.5级以上强震形成的地热涡经过黄河源区是唐乃亥多水的原因,具体可分为(1)上游强震涡东移;(2)南北地震带中段强震涡北移;(3)西北太平洋强震涡西退;(4)北方强震的"拍频"作用引发地热涡生成。另外,久治站3.2m地温的增暖过程可作为唐乃亥流量增加的指标。     

地气图方法预报汛期降水10年总结

作者总结了用地气图方法进行1995～2004年汛期降水预报的经验教训。10年来各单位的平均得分均为60多分,表明气候预测尚未过关。地气图方法虽然取得了在8大单位中平均排名第一的成绩,但比第二名只多0.4分。表明地气图方法还有很长的路要走。不过它所走的大方向:要考虑岩石圈热力异常对短期气候变化的影响,似乎值得肯定。因为岩石圈与大气圈的耦合作用是气候系统中的一对主要矛盾,而且岩石圈释放的热量有时可达100～101W.m-2的量级,这足以影响到短期气候变化。10年中1995年和2002年本方法预报得分排名为倒数第一,因而对此进行了深入分析。最值得吸取教训的是2002年和2003年。     

From China’s Heavy Precipitation in 2020 to a “Glocal” Hydrometeorological Solution for Flood Risk Prediction

The prolonged mei-yu/baiu system with anomalous precipitation in the year 2020 has swollen many rivers and lakes,caused flash flooding,urban flooding and landslides,and consistently wreaked havoc across large swathes of China,particularly in the Yangtze River basin.Significant precipitation and flooding anomalies have already been seen in magnitude and extension so far this year,which have been exerting much higher pressure on emergency responses in flood control and mitigation than in other years,even though a rainy season with multiple ongoing serious flood events in different provinces is not that uncommon in China.Instead of delving into the causes of the uniqueness of this year’s extreme precipitation-flooding situation,which certainly warrants in-depth exploration,in this article we provide a short view toward a more general hydrometeorological solution to this annual nationwide problem.A“glocal”(global to local)hydrometeorological solution for floods(GHS-F)is considered to be critical for better preparedness,mitigation,and management of different types of significant precipitation-caused flooding,which happen extensively almost every year in many countries such as China,India and the United States.Such a GHS-F model is necessary from both scientific and operational perspectives,with the strength in providing spatially consistent flood definitions and spatially distributed flood risk classification considering the heterogeneity in vulnerability and resilience across the entire domain.Priorities in the development of such a GHS-F are suggested,emphasizing the user’s requirements and needs according to practical experiences with various flood response agencies.     

基于ARMA-BP集成的藻类叶绿素a预测研究

藻类叶绿素a浓度是反映太湖水体富营养化程度的重要参数指标。以太湖2010—2011年5—10月旬平均叶绿素a浓度和气象资料数据作为建模样本, 通过对气象资料进行主成分分析, 得到4种主要气象因子作为输入, 建立时间序列ARMA预测模型与BP神经网络预测模型, 并对2012年数据进行预测。利用两种模型在线性空间和非线性空间的预测优势, 将叶绿素a数据结构分解为线性自相关主体和非线性残差两部分。首先用ARMA模型预测序列的线性主体, 然后用BP模型对其非线性残差进行估计, 最终集成整个序列的预测结果, 建立了ARMA-BP预测模型。3种模型的预测效果为ARMA-BP＞BP＞ARMA。     

2011年汛期预测回顾

2011年夏季(6—8月),全国降水偏少,气温偏高,高温日数偏多,区域性、阶段性旱涝灾害重,旱涝转换快,登陆热带气旋(中心附近最大风力≥8级)强度弱,灾害损失偏轻。本文对2011年夏季(6—8月)天气气候异常特征进行了成因分析,并对2011年的汛期预测进行了回顾和总结。总的来说,2011年汛期预测总体趋势与实况接近,但是对于长江中下游的降水偏多估计不足。