雅安市降水“精细化”预报的动力学基础

雅安市位于四川盆地西缘、青藏高原东麓．兼有“迎风坡”和“喇叭口”的地形特点，降水特多．有“天漏”之称．因此，降水预报在当地显得尤为重要。随着社会的需求．降水预报朝“精细化”发展，是必然的趋势。本文基于“雅安天漏”研究等方面的结果，给出了考虑了系统性降水、热力降水和地形雨的降雨量计算公式。并利用该公式做了“精细化”降水预报方面的尝试。     

1415号台风"海鸥"广西极端暴雨预报偏差分析及地形订正

利用地面自动站降水资料、ERA5再分析资料、广西壮族自治区气象台降水落区和ECMWF模式预报数据对1415号台风"海鸥"在广西暴雨预报偏差进行了分析,并开展了地形降水订正研究.结果 表明,对"海鸥"强降水落区预报准确,但大暴雨以上量级降水明显偏弱,大暴雨和特大暴雨漏报严重.降水经地形订正后,大暴雨以上降水TS(BS)评分由0.19(0.27)大幅度提升到0.35(0.53)且暴雨及以下量级降水评分无明显改变,但地形降水订正方法对特大暴雨仍无明显订正技巧;偏南风、东北风及偏东风在广西复杂地形下均会产生地形降水,实际业务预报中应加以考虑,有助于提升对强降水开始时间的预报效果.     

中央气象台精细化网格降水预报技术的发展和思考

定量降水预报(QPF)是中央气象台最传统且最核心的天气预报业务,随着经济社会的快速发展对降水预报精细化程度需求越来越高,提升降水预报的精细化水平成为中央气象台面临和需要解决的首要问题之一。目前中央气象台制作和发布空间分辨率5 km,未来3天逐1 h时间间隔、未来10天逐3 h时间间隔的网格化定量降水预报产品,并发布雨、雨夹雪、冻雨和雪降水相态及新增积雪深度的精细化预报产品。本文围绕精细化降水预报技术这一关键环节,回顾了中央气象台在数值模式精细化降水预报、时空精细化降水预报技术、降水相态和新增积雪精细化预报技术以及精细化检验评估技术等方面的进展,并思考目前精细化降水预报业务技术发展存在的问题及未来的发展,以期为中央气象台和全国精细化QPF技术的发展提供重要参考。     

GRAPES＿Meso模式的降水格点检验和站点检验分析

使用Barnes和最近台站降水频率相结合的混合插值方案,对我国气象台站和水文站组成的高密度降水观测资料进行精细化的网格插值,得到分辨率与GRAPES-Meso(以下简称GRAPES)模式分辨率相同(0.15°)的网格降水资料;同时,将GRAPES模式同分辨率的0～24 h格点定量降水预报结果插值到观测站点上,然后进行了"格点对格点"、"站点对站点"的评分检验.检验的统计量包括偏差(BIA)、公平T评分(ETS)和真实技巧评分(TSS).此外,还基于插值后的精细化格点降水资料,应用近来发展的"面向目标"的客观检验方法检验了5 mm以上降水事件的预报效果.对检验结果的分析表明:(1)两种点对点榆验方法的结果都显示GRAPES模式在我国东部的预报效果好于西部,平原地区好于山区;地形的迎风坡降水的空报偏多,而青藏高原上空和新疆北部则以漏报为主,即模式对复杂地形影响的降水预报能力偏弱.(2)对于各量级的降水,总体上格点检验的结果好于站点检验,格点检验能更好地代表GRAPES模式的预报能力.(3)对于5 mm以上的降水事件,GRAPES模式预报的总次数与雨团直径的分布关系和观测基本一致,特别是模式对直径为60 km的雨团预报效果最好;从地域分布来看,GRAPES模式预报5 mm以上降水的次数在内蒙古东部、东北、华北、江淮、陕西、甘肃南部等地与观测相当,而在长江以南多于观测,尤其是在西南地区东部预报次数明显偏多.     

“雅安天漏”研究 I：天气分析

雅安位于四川盆地西缘、青藏高原东麓。由于特定的地理和地形条件所致,降水特多,夏季暴雨频繁,历来素有“天漏”之称。本文基于大量的“雅安天漏”（区域暴雨）个例资料,从气候、大尺度环流、物理量合成、地形作用和中尺度系统等方面进行了研究。结果表明:“雅安天漏”是在青藏高原东坡特定的地形作用下产生的特殊降水现象,其气候特征具有显著的中尺度特点,“夜雨”显著,环境场条件和中尺度系统的物理量结构等方面,都有异于华北、华东和华南等地的暴雨。     

边界层参数化对“雅安天漏” 降水数值模拟的影响

选取了2001年7月3个"雅安天漏"个例,采用非静力中尺度数值模式MM5V3进行模拟,着重研究了MRF边界层参数化方案对雨量中心强度和雨区分布的影响,结果发现MRF方案的总体预报效果较好,并能很好地刻画雅安暴雨时的纬向垂直环流结构;在复杂地形条件下,特别是降水有明显日变化的地区,边界层的作用非常重要.     

岛屿地形和对流凝结潜热对登陆台风"黄蜂"影响的数值研究

采用广州有限区域数值预报模式,以登陆台风"黄蜂"(0214号)为例,研究海南岛屿地形和对流凝结潜热对登陆台风"黄蜂"的影响.结果表明,台风"黄蜂"从海南岛东侧附近经过时,海南岛屿地形对登陆台风"黄蜂"的移动路径影响不明显,但是对海南岛附近的降水有明显影响,模式中有无对流凝结潜热加热对台风"黄蜂"的移动路径和降水等均有明显的影响.     

华南复杂地形下GRAPES_Meso3km对流尺度模式前汛期精细化降水预报评估

为深入认识GRAPES_Meso(Global/Regional Assimilation and Prediction System)3 km对流尺度区域模式对华南前汛期精细化降水的预报性能,为模式改进及业务应用提供参考依据,利用广东省86个站点逐小时观测降水资料和国家气象信息中心多源融合降水资料,针对广东省复杂地形特点,结合距海岸线的远近及站点地形特点,将86个站划分为沿海东部、沿海西部和内陆地区三个子区域,采用二分类降水预报检验方法,定量评估了2020年5月18日—6月18日华南前汛期降水预报效果。结果显示,GRAPES_Meso 3 km模式精细化降水预报技巧受广东复杂地形影响较大,广东沿海东部和内陆地区24 h时累积降水的小雨、中雨、大雨量级预报成功指数(Threat Score,TS)、公平成功指数(Equitable Threat Score,ETS)评分高于沿海西部地区,尽管暴雨预报评分具有此相同特征,但三个子区域的暴雨预报评分总体较低;从3 h累积降水预报评分看,沿海东部、沿海西部及内陆地区等三个子区域存在明显的日变化特征,但是沿海东部及西部与内陆地区表现有所不同,沿海东部和西部降水预报评分夜间较低(预报偏差偏高),白天相对较高(预报偏差偏低),而内陆地区则是夜间较高(预报偏差偏低),白天相对较低(预报偏差偏高)。沿海西部预报评分相对较低的原因是由于检验时段内广东地区存在一个弱的风切变,而沿海西部大部分地区正好处于切变线南侧的温度高值区控制,但模式模拟该区域的日平均温度较实况偏低,导致沿海西部模式预报降水空报较多,降低其降水预报技巧。     

精细数值预报在60周年国庆天气服务中的应用

在60周年国庆天气服务中,使用ARPS实时分析预报系统,将地面观测、探空、自动站、雷达基数据和风云2卫星TBB等多种观测资料同化,使用较多的观测数据调整模式初始场,对天安门地区未来3天的天气逐日进行精细化数值预报。对ARPS系统的降水落区和量级预报能力及单点降水预报准确率检验结果表明:对于秋季低槽东移造成的华北地区的大范围降水,ARPS系统有较好的预报能力,12-36 h预报的1 mm降水落区与实况十分吻合,降水量预报通常略大于实况;对单点的1 h的累积降水预报,预报降水的开始时间较实际降水时间提前1-3 h,1h累积降水随时间增大或减小的变化趋势预报比较准确。综合看来,使用ARPS实时分析预报系统进行精细化天气预报是可行的,数值预报的结果对于精细化天气预报决策具有较好的参考价值。     

雅安"8·26"特大暴雨的天气分析

2003年8月25日晚8时30分至26日凌晨1时许,四川省雅安市雨城区发生2281mm的特大暴雨,给当地造成了历史罕见的灾情.本文主要从天气学角度,对该降水过程的大尺度环流及天气尺度影响系统、水汽输送及源地、中尺度系统特征和地形作用等进行了分析.结果表明:雅安"8·26"特大暴雨过程是一次典型的登陆热带气旋与"雅安天漏"中尺度地形涡旋相互作用的暴雨过程.此过程产生的大尺度环流背景及天气尺度影响系统是:对流层上层南亚高压一直稳定在青藏高原中部,雅安市上空100hPa为南亚高压的辐散场;对流层中层西太平洋副热带高压主体持续加强西伸,位于南海的 "科罗旺" 台风稳定西进,雅安市处于副高边缘湿润的东南气流和高原切变线前部的辐合上升气流中;对流层低层受对流层中层高原切变线和登陆台风东北侧强东风急流的激发,地形涡旋强烈发展."科罗旺"台风东北侧和副高西南侧,850～700hPa天气尺度的低空偏东急流及其风速脉动,从热力(水汽、感热、潜热输送)和动力两个方面激发暴雨区的中β尺度系统迅速、强烈的发展.暴雨过程的水汽输送主要是靠"科罗旺"强台风的作用,水汽源地主要来自南海.暴雨中的地形作用非常显著,青衣江河谷喇叭口地形和迎风坡对暖湿空气的强迫辐合抬升,对降水有很大的增幅作用,暴雨中心地形雨的比率高达60%以上.     

"93.8"鲁西南大暴雨的数值试验

针对中尺度地形对我国天气影响的重要性,对ＲＥＭ先后进行水平、垂直分辨率的提高,并运用常规报文资料获得初始场,采用包络地形等方法获得模式所需的地形资料,对１９９３年８月４￣５日的大暴雨个例进行了数值试验。结果表明,仅提高ＲＥＭ的水平分辨率,对降水预报有一定的改进和提高,但多报出了几个大暴雨中心。而模式水平及垂直分辨率均提高后（下称Ｃ模式）,其降水场、形势场的预报有明显的改进和提高,虚假降水中心消失,     

多元加权决策法在四川短时临近降水预报中的应

以解析分析后的多普勒雷达资料、数值预报资料、地面自动站观测资料、卫星云图资料等精细化资料为基础,采用多元加权决策法构建起了四川短时临近降水预报系统,实现了短时临近天气预报中降水的定点、定时、定量预报,为综合各种精细化资料来制作短时临近降水预报寻求到了一种有效方法.     

甘孜州2004年"6·17"区域性暴雨天气过程分析

甘孜州日雨量≥50毫米的暴雨天气特少,但由于州内特殊的地形、地貌及地质结构等原因,日雨量≥25.0毫米的降水天气过程就足以造成灾害,所以将州内的暴雨标准确定为日雨量≥25.0毫米,24小时内有≥4站出现暴雨定为一次区域性暴雨天气过程.本文从地面、高空影响系统、数值预报产品特征及本地能量特征、客观预报结论等方面对今年"6.17"区域性暴雨天气过程进行分析总结.     

基于三种机器学习方法的降水相态高分辨率格点预报模型的构建及对比分析

冬季降水相态及其转变时间的精细化客观预报对提高气象预报和服务质量具有重要的现实意义。利用京津冀地区国家级自动气象站观测资料及网格化快速更新精细集成产品,统计分析了京津冀地区复杂地形下各类降水相态温度和湿球温度平均气候概率的分布差异及不同降水相态时网格化快速更新精细集成产品中可能影响降水相态判断的特征信息。然后将地面观测天气现象资料、复杂地形下降水相态气候特征及高分辨率模式输出产品作为特征向量,分别基于梯度提升（XGBoost）、支持向量机（SVM）、深度神经网络（DNN）3种机器学习方法建立了降水相态的高分辨率客观分类模型,并对同样条件下3种机器学习方法对雨、雨夹雪和雪3种京津冀主要降水相态的预报效果进行了对比检验,进一步提升了雨夹雪复杂降水相态的客观分类预报技巧。      

多元加权决策法在四川短时临近降水预报中的应

以解析分析后的多普勒雷达资料、数值预报资料、地面自动站观测资料、卫星云图资料等精细化资料为基础,采用多元加权决策法构建起了四川短时临近降水预报系统,实现了短时临近天气预报中降水的定点、定时、定量预报,为综合各种精细化资料来制作短时临近降水预报寻求到了一种有效方法.     

“雅安天漏”预报

本文基于《“雅安天漏”研究》的结果,总结出了“雅安天漏” (雅安地区≥2站日雨量≥50mm的降水过程)的预报思路及有关指标,特别重要的是,对暴雨的强度和落区也提出了客观的和业务化的预报方法。可供预报人员在研制预报方法时或暴雨预报中参考。     

北京市"7·21"特大暴雨不同预报产品可预报性对比

利用ECMWF、NCEP全球预报产品和BJ-RUC区域预报产品,对比了不同模式对北京市"7·21"特大暴雨暖区降水、锋面降水的预报效果,同时利用WRF高分辨率中尺度模式同化常规观测资料和雷达资料,对此次过程进行数值模拟试验。结果表明:NCEP和ECMWF的全球集合预报产品都能预报出北京市"7·21"特大暴雨过程,但在暖区降水阶段和锋面降水阶段存在6 h左右的时间滞后,且降水量偏小;BJ-RUC区域模式预报出了整个强降水过程,且较好地预报了暖区降水,优于NCEP和ECMWF预报,但锋面降水较之实况锋面阶段降水偏南,预报的降水量小于实况。对于此次特大暴雨过程的模拟,暖区降水和锋面降水的预报要优于业务预报,且暖区降水接近实况降水,但整个锋面降水过程存在3 h的时间滞后。     

基于ECMWF模式预报的台风降水地形订正方法

为了解决复杂地形条件下ECMWF模式预报的台风降水较实况显著小的问题,对Smith 1979年提出的地形降水方程进行改进,提出以饱和湿层高度作为方程积分上限,针对不同高度地形设定不同的降水效率;以无量纲湿弗劳德数大于1作为有、无地形降水的判据;利用ECWMF细网格预报场,通过迎风坡地形降水估算方程来订正模式预报的台风降水。用该地形降水订正方法对1617号台风“鲇鱼”的降水进行了订正预报。结果表明,虽然在一些小尺度地形区域会产生明显的空报,但是对于大尺度地形区域的强降水有显著的订正效果。对1513、1521和1614台风的订正结果进一步表明,该地形降水订正方法对改进台风极端降水预报效果显著。需要指出的是,采用的地形降水订正方法仅考虑了稳定条件下的地形降水,对于其他情形下的地形降水订正方法尚待进一步的研究。      

青藏高原东侧"2003.8.28"暴雨的集合预报试验

利用MM5模式和国家气象中心的T213模式的预报资料,通过研究非绝热物理过程参数化方案对高原东侧"2003.8.28"暴雨数值预报的影响特征,进行了多物理模式集合预报试验,为开展青藏高原东侧集合预报扰动技术研究进行了试验.试验结果表明,模式物理参数化方案对中尺度降水预报结果有明显影响,包括局地降水强度、空间分布型态、时间演变特征等.随着模式分辨率的提高,积云对流参数化方案将增加小雨量级降水区域,产生一些虚假降水,就现阶段模式水平而言,高分辨率集合预报应重点发展考虑强降水预报不确定性的集合预报模式系统.多物理模式集合预报的初步试验结果表明,高分辨率集合预报可以改进单一确定性预报结果不稳定的缺点,为强降水灾害性天气预报提供有价值的预报信息.     

"麦莎"台风过程回顾及地形对台风降水影响

通过对0509号台风“麦莎”造成临安市局部地区特大暴雨的环流形势和云系演变及地形对台风降水影响的综合分析，揭示了特殊地形对降水增幅效应显著。这对今后预报台风暴雨具有指导意义。