物理参数化和资料初始化对中国东南部暴雨模拟的影响

利用美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)中尺度模式(WRF ARW)以及美国国家海洋和大气管理局(NOAA)三维变分同化系统GSI(Gridpoint Statistical Interpolation),对2005年6月20—21日发生在广东省中部的一场致洪暴雨进行了模拟。与雨量计观测的和卫星反演的降水混合资料相比,模式能够成功地模拟出降水的位置和强度。但数值模拟的效果很大程度上取决于3个条件:模式分辨率;物理过程方案;初始条件。在此次暴雨的模拟中,采用Eta Ferrier微物理方案、内层区域4 km细分辨率与外层区域12 km粗分辨率组成双层嵌套网格和卫星辐射资料同化的初始化方案是非常合适的。     

8.19华北暴雨模拟中微物理方案的对比试验

在中尺度模式多种物理过程中,微物理过程是一个非常关键的环节,其不仅直接影响降水预报,而且也影响模式的动力过程.微物理方案有明确的物理基础,但是在实际暴雨模拟中,究竟采取哪一种方案的结果更理想,需要深入比较,因为不同的微物理方案对降水模拟结果有着很大的差异.本文利用中尺度非静力模式WRF (V3.2.1版本),采用36 km、12 km和4 km的格点分辨率,选用七种微物理方案,对2010年8月18~19 日华北地区的暴雨过程进行了敏感性试验.从降水落区和强度方面对总降水的预报性能进行了对比,模拟结果表明:选用不同的微物理方案,可以不同程度地模拟这场暴雨的范围和强度,且选择合理的微物理方案对细网格（4 km）嵌套的模拟也可以相应的提高,从而提高了暴雨模拟的分辨率,为暴雨中小尺度成因分析提供了参考.其中,水平分辨率为36 km时,Lin方案模拟的雨带范围和降水强度与实况拟合的最好;水平分辨率为12 km时,Thompson方案模拟的强降水位置、强度与实况最为接近;而水平分辨率为4 km时,WSM6方案模拟的强降水位置、强度与实况拟合得较好.再结合垂直速度、涡度、散度和雨水混合比等基本物理量的诊断分析,可以更好地理解各微物理方案对降雨预报的影响,所得的结论对我国华北暴雨强降水预报和中尺度模式微物理过程在业务和研究方面有相当的参考价值.     

WRF模式不同云微物理参数化方案及水平分辨率对降水预报效果的影响

利用WRF模式和GFS资料对一次大尺度天气系统作用下的暴雨过程进行了回报,分析了WRF模式不同降水方案和3种不同的水平分辨率（45km,15km和5km）对降水预报效果的影响。结果表明：①对于大尺度强迫作用较强的暴雨,尤其是层状云降水为主的暴雨,云微物理过程方案对降水的影响远大于积云参数化方案对降水的影响。②WRF模式不同的微物理过程方案对各等级降水量的预报效果差别较大。其中Kessler方案的TS评分明显随降水量级的增加而减小,其他6个方案的TS评分都呈现＂两头大,中间小＂的特点,即小雨和暴雨的TS评分较高,而中雨和大雨的TS评分较低。③对于小雨量级的降水,Lin方案的预报效果最好;对于中雨和大雨量级的降水,WSM 3方案的预报效果最好;对于暴雨量级的降水,WSM 5方案的预报效果最好;整体预报效果最好的是WSM 3方案,其次是WSM 5方案,Kessler方案最差。④WRF模式的降水预报效果并不总是随水平分辨率的提高而提高。模式水平分辨率的提高存在明显的阈值（15km左右）,当模式的水平分辨率提高到超过这一阈值以后,预报效果开始转差。     

多普勒天气雷达反射率资料的三维变分同化试验

基于美国新一代数值预报模式WRF (The Weather Research and Forecasting)及其3DVAR (Three-Dimensional Variational)同化系统,采用3DVAR直接同化雷达反射率资料,对2010年10月8日发生在云南省的暴雨过程进行三维变分同化和数值模拟试验。考察了采用不同水平分辨率和垂直层次的雷达反射率进入同化系统对暴雨预报带来的影响。结果表明:同化雷达资料相对无同化任何资料,雨带位置南移,更接近实况降水。同化不同水平分辨率的雷达反射率资料,其中水平分辨率为0.1度的反射率资料同化后,模拟的降水相对其他方案更接近实况。垂直方向上选取3500m和6000m高度的资料,对整个降水带位置和降水强度影响较大。在此个例中选取垂直层次在1000m,2000m,3000m,3500m,4000m,5000m,7000m,8000m的雷达反射率资料,模式模拟的降水更接近实况。      

雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时预报影响的数值对比试验

为对比雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时数值预报的影响,利用美国Oklahoma大学风暴分析和预测中心开发的ARPS(The Advanced Regional Prediction System)模式及其资料分析系统ADAS(ARPS Data AnalysisSystem),对一次华北暴雨过程进行了18,15,9,6,3 km 5种不同水平分辨率的数值对比试验,并对比了使用雷达资料进行云分析时5种分辨率的模拟结果,结果表明,仅使用常规观测资料的情况下,通过提高模式水平分辨率,可以改进6 h内的短时预报,模拟的锋面结构更为细致,降水尤其是强降水预报评分提高了。而使用雷达资料改进模式初始场后,能明显改进模式6 h内的预报尤其是降水强度和落区预报,使得18 km上使用雷达资料同化的预报结果好于3 km不使用雷达资料同化的结果,表明雷达资料同化比单纯提高模式水平分辨率更为有效。不同分辨率上使用雷达资料同化的对比发现,对于40 mm以下的一般性降水,从18—3 km的模拟结果差别不大,而对于强降水,仍然需要提高模式的水平分辨率。但无论初始场是否使用雷达资料同化,但当分辨率由6 km提高到3 km时,模拟结果无明显改进,因此,提高模式分辨率有一定的限度,而在适当提高模式分辨率的同时使用雷达资料同化改进模式初始场,则是提高模式短时预报的一个非常有效的途径。     

区域气候模式在东亚地区的应用研究——垂直分辨率与侧边界对夏季季风降水影响研究

将美国国家大气研究中心（NCAR）的区域气候模式（RegCM2-1996）设置在东亚-西太平洋区域（简称东亚区域气候模式RegCM2/EA）。利用该模式研究东亚区域气候模式的几个重要问题，即：垂直分辨率的影响，侧边界条件（如嵌套技术、缓冲区宽度、不同资料）的重要性等。数值试验结果表明：细垂直分辨率模拟的降水分布优于粗分辨率模式，但容易引起“数值点暴雨”；RegCM2/EA与不同来源的大尺度侧边界嵌套，模拟的降水会有明显的不同；当用RegCM2/EA模拟较大区域时，应该取较宽的缓冲区；在各种嵌套方案中，指数松弛嵌套方法最好。这些结果为进一步探讨东亚区域气候模式的特点以及发展与改造区域气候模式提供一定的依据。研究结果还需要用更多的数值试验来验证。     

可降水量资料反演及在暴雨数值模拟中的初步应用

通过同化可降水资料改善模式初始湿度场从而提高暴雨模拟与预报效果。首先应用适时回归方法反演大气可降水量资料，然后以1998年6月18—19日暴雨模拟为例，采用变分同化方法研究了可降水量资料在暴雨数值模拟中的作用。数值模拟结果表明：1)MM5模式中同化可降水量资料后，对于雨带位置的模拟效果起到很大的改善；亦可改进暴雨降水强度的模拟效果，改进程度与降水参数化方案有关。2)同化可降水量资料后，明显改善初始湿度场，在一定程度上缓解旋转加强(spin up)问题，从而有效地提高降水模拟效果。3)降水模拟对参数化方案的选取同样敏感，改进初始湿度场的同时应该选择相应的降水参数化方案。     

ATOVS资料同化方案对暴雨模拟效果的影响

本文利用WRF 模式及其3DVar 同化系统,以2009 年6 月29 日00 时到30 日00 时的湖北鹤峰暴雨为研究个例,对ATOVS 探测器的AMSU-A、AMSU-B 和HIRS 三类资料进行了不同的同化方案试验。结果表明:同化ATOVS 三类资料对暴雨模拟的影响不同,HIRS 资料对暴雨模拟效果改进最大,AMSU-B 次之,AMSU-A 最小。同时同化ATOVS 三类资料时,AMSU-A 资料起主要作用,其同化效果与同时同化ATOVS 三类资料相近,优化组合同化AMSU-B 和HIRS 资料的效果最好。同化ATOVS 不同资料对初始要素场的影响不同,AMSU-A 资料主要影响大气温度场,AMSU-B 资料对中高空要素场的影响较大,HIRS 资料对低空湿度场及风场的协同改变最有利于降水模拟的改善。同时ATOVS 资料的稀疏分辨率也是影响同化效果的一个因子,在模式分辨率不变时,同化资料稀疏分辨率可能存在最佳选择。     

卫星辐射率资料EnSRF同化及暴雨模拟应用

基于自主构建的WRF—EnSRF（Weather Researchand Forecasting—Ensemble Square—Root Filter）同化系统,同化了ATOVS（Advanced TIROS Operational Vertical Sounder）辐射率资料,以检验该系统同化卫星资料的能力及其在暴雨过程模拟中的效能。对2008年6月6—7日广东地区一次大暴雨过程进行了同化及数值模拟试验,结果表明,同化ATOVS辐射率资料得到的分析场,丰富了对流层高层的大气温度和对流层中低层的大气湿度信息,对风场也有一定的改进。控制试验和同化试验都较好地模拟出了降水的主要落区和发生时段,但控制试验对暴雨、大暴雨的雨区和雨强的模拟效果欠佳;相比而言,同化试验对强降水中心的位置、范围的模拟均有更好的反映,模拟的暴雨强度也与实际降水量级基本一致,同化改进效果明显。     

区域气候模式在东亚地区的应用研究：垂直分辨率与边界对夏季季风降水影响

将美国国家大气研究中心（ＮＣＡＲ）的区域气候模式（ＲｅｇＣＭ２－１９９６）设置在东亚－西太平洋区域。利用该模式研究东亚区域气候模式的几个重要问题,即：垂直分辨率的影响,侧边界条件的重要性等。数值试验结果表明：细垂直分辨率模拟的降水分布优于粗分辨率模式,但容易引起“数值点暴雨”;ＥｅｇＣＭ２／ＥＡ与不崃源的大尺度侧边界嵌套,模拟的降水会有明显的不同,当用ＲｅｇＣＭ２／ＥＡ与不同来源的大尺度侧边界嵌套     

Comparative Experiments on the Effect of Radar Data Assimilation and Increasing Horizontal Resolution on Short-term Numerical Weather Prediction

To examine the effect of radar data assimilation and increasing horizontal resolution on the short-term numerical weather prediction, comparative numerical experiments are conducted for a Huabei (North China) torrential rainfall event by using the Advanced Regional Prediction System (ARPS) and ARPS Data Analysis System (ADAS). The experiments use five different horizontal grid spacings, i.e., 18, 15, 9, 6, and 3 km,respectively, under the two different types of analyses: one with radar data, the other without. Results show that, when radar data are not used in the analysis (i.e., only using the conventional observation data), increasing horizontal resolution can improve the short-term prediction of 6 h with better representation of the frontal structure and higher scores of the rainfall prediction, particularly for heavy rain situations. When radar data are assimilated, it significantly improves the rainfall prediction for the first 6 h, especially the locality and intensity of precipitation. Moreover, using radar data in the analysis is more effective in improving the short-term prediction than increasing horizontal resolution of the model alone, which is demonstrated by the fact that by using radar data in the analysis and a coarser resolution of the 18-km grid spacing, the predicted results are as good as that by using a higher resolution of the 3-km grid spacing without radar data. Further study of the results under the radar data assimilation with grid spacing of 18-3 km reveals that the rainfall prediction is more sensitive to the grid spacing in heavy rain situations (more than 40 mm) than in ordinary rain situations (less than 40 mm). When the horizontal grid spacing reduces from 6 to 3 km, there is no obvious improvement to the prediction results. This suggests that there is a limit to how far increasing horizontal resolution can do for the improvement of the prediction. Therefore, an effective approach to improve the short-term numerical prediction is to combine the radar data assimilation with an optimal horizontal resolution.     

西南涡加密资料同化对西南区域模式降水预报的影响

本文基于2017年西南涡加密观测试验的四川省11个观测站的探空资料,利用西南区域9km和3km分辨率数值天气预报模式系统,开展了数值预报同化试验。同化试验每日06和18UTC各进行一次,持续40天。西南区域9km分辨率数值预报系统(SWC-WARMS)的模拟结果表明,加密探空观测资料对四川高空观测起到了补充。同化后可以改善模式初始场,有助于提升24小时降水预报的ETS评分,对小雨到大雨量级的BIAS评分也有一定的改善。西南区域3km分辨率系统得益于分辨率的提升,相比SWC-WARMS减小了大暴雨空报面积。同化加密探空观测可以提升降水预报的ETS评分,但空报面积也有所增加。      

一次局地大暴雨的地面观测资料同化预报试验研究

基于WRF（Weather Research and Forecasting）模式及其3DVAR（3-Dimentional Variational）资料同化系统,采用36 km、12 km 、4 km三层嵌套网格进行逐3 h资料同化和快速更新循环预报,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了资料同化敏感性试验。试验结果表明,地面观测资料同化和快速更新循环对本次降水的预报起到了关键性作用。在快速更新循环预报时不同化地面观测资料,或同化全部观测资料进行冷启动预报,模式均不能预报出山东的降水。同化地面观测资料后,显著改进了模式降水落区预报。地面观测资料同化可以影响到700 hPa高度以上温压湿风要素的变化,从而改变了大气初始场的温湿结构,导致模式预报的700 hPa附近高空大气湿度和热力不稳定增强,700 hPa以下低层风场更强,850 hPa鲁中以南风速较无观测资料同化的偏强2～4 m·s-1,低层风场的动力作用触发高空的不稳定大气,降水出现在山东。     

Evaluation of the assimilation of conventional and satellite-based observations in simulating heavy rainfall event using WRFDA over the North-West Himalayan region

Present work elucidates the impact of 3DVAR data assimilation technique for the simulation of one of the heavy rainfall events reported over Kotdwara region in the North-West Himalayan (NWH) region on 4th August 2017. We have examined the impact of conventional and satellite-based radiance datasets on the simulated results with and without assimilating the observations into the Weather Research and Forecasting (WRF) model. Three experiments have been designed with 3 nested domains of variable resolutions, one without assimilation (referred as control experiment) and other two experiments after assimilating conventional and satellite radiances observations (refer as DA-OBS and DA-SAT respectively). In the present study, assimilation of surface, upper air and the satellite-based radiance observations has been carried out for the outermost domain with horizontal resolution of 9 km. Statistical analysis suggests that the correlation coefficient is high (0.55) and root mean square error (RMSE) is low (17.12) for DA-SAT experiment as compared to other two experiments. Substantial improvement in the location, pattern and intensity of extreme rainfall event is noted after assimilation of both conventional and satellite observations with respect to the observed rainfall data. However, it is noted that the assimilation of satellite radiances has greater impact in simulating better intensity of the heavy rainfall event as compared to the assimilation of conventional observations. Plausible reason behind this could be the non-availability of the conventional observations close to the extreme rainfall event affected region.     

淮河流域东北部一次异常特大暴雨的数值模拟研究 Ⅰ: 结果检验和 β 中尺度对流系统的特征分析

在2000年12号台风(Prapiroon)影响期间,其外围对淮河流域东北部造成了一次罕见的特大暴雨,暴雨中心响水24 h降水量达到800 mm.文中所用的模式是俄克拉荷马大学风暴分析和预测中心研制的一个三维非静力可压缩数值区域预报模式ARPS(V5.2).采用了3层单向嵌套网格,Domain1中心取为(27.5°N,117.5°E),格距45 km,格点数为75×75;Domain2中心取为(31.5°N,119.5°E),格距15 km,格点数为140×140;Domain3中心取为(33.5°N,119.5°E),格距5 km,格点数为180×180;垂直方向分为35层,垂直格距为625 m.所利用的资料为:2000年8月29-31日每日4个时次(00、06、12、18时) 1°×1°的NCEP/ NCAR再分析资料及713雷达资料、GMS-5红外云图、探空报、地面加密资料.物理过程选用简单冰相方案,Kain和Fritsch 积云参数化方案.对逐时的卫星云图、713雷达图像进行数值反演,结合探空资料反演出暴雨中深对流系统的水汽三维分布情况,通过三维同化系统ADAS处理,同化初始场和侧边界条件,再用ARPS模式进行数值积分,从8月29日08时开始到31日08 时结束,积分48 h.并结合雷达资料、红外云图、探空报、地面加密资料等对数值模拟结果进行了对比分析.结果表明:ARPS较好地模拟了在台风移动的左前方、在高空槽与副高之间出现的中尺度强暴雨区,模拟降水区及暴雨中心位置与实况较为一致.利用模拟大气中的水物质模拟了雷达回波,与实际雷达回波进行了对比分析,揭示了该过程中β中尺度对流系统的演变特征,4条对流带的交汇点在响水附近.并将模式模拟的T-lgp图与实际T-lgp图进行了对比分析,揭示了该次暴雨过程的不稳定性.持续的高空风垂直切变为对流系统的发展提供动能,造成对流系统斜压发展,有利于降水集中在某一固定的地点.由于模拟结果与实况较为接近,因此可以利用模拟结果作为对该暴雨过程作进一步研究的基础.     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

浙江北部一次热带低压引发的大暴雨过程分析

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料、FY-2E卫星云图及相关定量产品,分析了2013年8月18—19日浙江北部一次大暴雨天气过程。结果表明:(1)热带低压是此次暴雨产生的直接影响系统,低压与副热带高压之间偏东风急流为暴雨产生提供了水汽和能量条件。(2)热带低压具有明显的不对称结构,其中心随高度西倾;强对流云团主要分布在500 hPa低压环流北侧,也是此过程强降水的直接制造者,其移动演变与强降水区移动演变一致。(3)卫星云图及相关产品分析表明,相当黑体亮温(TBB)、射出长波辐射(OLR)低值带对强降水区具有较好的指示意义,其值大小对降水强度有较好反映;在实际业务中,可结合实况和卫星云图及相关定量产品对预报及时作出订正。(4)此过程水汽主要来源于东海,边界层为水汽通量辐合区;强降水区与850 hPa假相当位温密集带垂直;地面中小尺度系统为暴雨产生提供了有利的抬升条件;杭州湾喇叭口地形对降水有明显增幅效应。     

多普勒雷达资料同化的稀疏化方式对暴雨过程的影响研究

利用中尺度非静力WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其三维变分同化系统,对2007年7月淮河流域的一次强降雨过程进行多普勒雷达径向速度资料的三维变分同化试验,重点考察雷达资料的不同稀疏化方式对同化结果以及对暴雨数值模拟的影响。结果表明:同化多普勒雷达径向速度资料使得模式初始风场包含了更丰富的中尺度特征信息,有效调整了初始场的环流结构,能够改善模式对暴雨过程的模拟效果;以不同的稀疏化处理方式同化多普勒雷达径向速度资料对分析场会产生不同的影响,进而影响模式的降水预报效果,本次试验中当极坐标网格径向分辨率取10 km的时候降水过程的预报效果最好。