国家气象中心数值预报业务的进展

在最近的１５年中，国家气象中心的数值预报业务高速度发展，预报模式从北半球模式发展为全球谱模式，并配套建立了资料同化系统和用于降水预报的有限区预报模式，暴雨和台风预报模式正在研制中。目前数值预报时效已延至７天，Ｔ６３９３丙上时的预报水平已优于的数值预报产品的应用技术在不断改进，最高（低）气温下两天ＭＯＳ预报精度已接近预报员制作的综合预报结果。     

2023年5月巴州北部平原极端低温天气成因及可预报性分析

利用常规观测、1日4次FNL1°×1°、NCEP2.5°×2.5°再分析等资料,探讨2023年5月2—7日巴州北部平原极端低温雨雪天气成因及可预报性。结果表明：（1）极端低温雨雪天气发生在高层北半球极涡呈偏心型,500 hPa乌拉尔山阻塞高压发展、深厚中亚低涡在新疆长时间维持的环流背景中,低涡持续时间和冷中心强度对天山南坡的影响在5月实属罕见。（2）较强冷空气自西北路径翻越西天山进入南疆盆地,与南疆盆地东灌冷空气在巴州北部汇合增强,降水落区位于低层暖平流中心和850 hPa锋生区域,雨转雪加剧巴州北部平原最低气温的降幅。（3）EC模式形势预报提前96 h对中亚低涡的可预报性差,72 h内能较准确刻画低涡强度、位置和移动路径,但细节存在偏差;对最低气温预报EC模式稳定、准确,具有极强参考价值;对库尔勒城区降水和雨雪相态预报,智能网格及NCEP、EC、CMA-GFS数值模式预报能力有限。     

有地形数值模式中水平分辨率对预报质量的影响

本文对钱永甫等设计的p-σ坐标系两层数值预报模式进行了一些改进,设计了网格距为2.5°×2.5°和5°×5°的高、低水平分辨率模式。通过几种数值试验,探讨了有地形数值模式中水平分辨率与地形真实性对预报质量的影响。结果指出:高分辨率模式使预报质量得到显著的改善,主要是系统的移速和中心位置更接近实况,而且对较小尺度的天气系统也有一定的预报能力。模式中格距变小与地形真实性对预报质量的影响都很重要,高分辨率模式需要更合理的地形与之相匹配。     

北半球七层原始方程谱模式（三）及其五天中期数值预报试验

北半球七层原始方程谱模式ff考虑了较完整的物理过程:（1）地形作用（采用了σ坐标系）和地面摩擦；（2）动量、热量，水汽的水平扩散过程和垂直扩散过程（其中包括了下垫面感热和水汽作用）；（3）水汽凝结潜热作用；（4）云和辐射作用；（5）积云对流过程等。上述模式采用了非线性平衡方程初值化方法。并利用逐日客观分析资料，制作5天中期数值预报试验。本文给出了1982年冬季和夏季的20个例子的五天数值预报验证结果和一个例子的中期数值预报图和对应的实况图。预报效果比较好。在数值预报试验中，虽然纬向波数只取15个波，但所取得的短期、中期的预报效果能和一些较高分辨率模式的预报效果相比较。     

HLAFS业务预报系统改进对比试验

该文以国家气象中心的有限区域业务预报模式为基础，在模式中引入了简化的混合相云方案，其中包括云水雨水的冻结、冰雪的融化等冰相过程；并把模式的水平分辨率由0.5°×0.5°提高到0.25°×0.25°经纬度网格。在此基础上建立了较高分辨率的同化预报系统，并使用实时资料进行预报对比试验。试验结果表明，改进后的降水落区预报有了明显进步，强降水中心的降雨量预报也有所增强，与原方案相比更接近于降水实况。     

GRAPES三维云初始场形成及在短临预报中的应用

围绕GRAPES_Meso的云初始场形成,以ARPS模式云分析方案为基础,优化诊断后应用我国风云二号静止气象卫星云产品、多普勒天气雷达三维组网拼图产品等观测资料结合模式背景信息,根据云热力-动力学原理及观测试验经验关系等,对云初始场的信息进行分析并通过松弛逼近同化方法实现对云内微物理信息同化应用。GRAPES_Meso中采用优化后的云初始场方案,水平分辨率为0.03°×0.03°和0.1°×0.1°的1个月（2014年7月15日-8月14日）连续试验和个例分析结果显示:云初始场形成方案能够分析出飑线等天气系统的云系和云内微物理变量特征。从模拟云图看,包含云初始场信息的GRAPES_Meso的云系的形态特征和分布范围短时临近预报结果更为准确。云初始场信息同化应用后,在1 h的时间尺度上,即可预报出与实况更为接近的降水;0~12 h时间范围内对降水均有积极的影响,可满足短时临近预报的需求,降水量级略偏大。批量连续试验（水平分辨率为0.03°×0.03°和0.1°×0.1°）的各个量级降水ETS（equitable threat score）评分都显著提高。     

GRAPES_GFS模式全球降水预报的主要偏差特征

利用2017年1、4、7、10月“全球降水观测（global precipitation measurement,GPM）计划”每日08时（北京时）的24 h累计降水量和逐30 min降水量观测产品,从降水量和频率等角度,对同期GRAPES全球模式（GRAPES_GFS）第1（D1）、3（D3）、5天（D5）的全球降水预报性能和偏差特征进行细致评估与分析,且对低纬度暖池和北半球中纬度风暴路径区进行了重点观察,初步探讨了降水预报偏差特征在低纬度和中纬度明显不同的可能原因。结果显示:（1）GRAPES_GFS的D1—D5预报对全球日降水（量和频率）分布描述合理,能准确再现纬向平均降水（量和频率）的典型特征—降水“双峰”极大位于南北纬20°之间,次极大位于南北纬40°—50°地区的特征,以及关键区日降水时、空演变和降水日循环逐日演变的主要趋势特征。（2）低纬度的纬向平均湿日（≥0.1 mm/d）频率预报正偏差很小,但日降水量和强降水日（＞25 mm/d）频率预报的正偏差明显、偏差极大值“双峰”位置恰是相应观测极大值所在处（南北纬5°—10°）;中纬度的纬向平均日降水量预报基本无偏,但明显的湿日降水频率预报正偏差（20%—30%）和强降水日频率负偏差出现在南北纬40°—60°。降水偏差正、负分布特征随季节和预报时效基本保持不变,预报均方根误差数倍于平均误差,暗示模式降水预报偏差有系统性且性能表现波动较大。（3）日循环中,模式在暖池的降水量预报正偏差缘于降水强度预报偏强,降水频率预报的弱负偏差主要与降水落区预报偏小有关;而模式在北半球风暴路径区降水频率预报的正偏差则是降水落区预报偏大和空报弱降水事件两方面因素造成。（4）模式降水（量和频率）预报偏差特征在低纬度和中纬度的明显差异与模式次网格尺度和网格尺度降水比例失调有关,改进线索指向模式对流参数化方案中深对流的启动和深对流降水量的处理以及对流参数化方案与云微物理方案的协同问题。      

一个载水预报模式的业务预报应用试验

该文在国家气象中心现行有限区域业务预报模式（LAM）的基础上,把模式的水平分辨率由1°×1°提高到0.5°×0.5°经纬度网格,垂直层次由15层变为20层。在原有物理过程中引入显式降水方案,并使用HLAFS业务系统的实时资料对1997年8月的一次登陆台风造成的强降水过程进行了个例预报试验,取得了较为合理的预报效果。     

地形作用对月际长期数值预报效果的影响

利用改进的Ｔ４２Ｌ１０月长期数值预报谱模式，以１９９２年８月３１日国家气象中心日常客观分析资料为初始场，在模式中分别就考虑和不考虑地形两种情形对当所９月北半球环流形势进行了模拟预报，并对比分析研究了地形作用对月际长期数值预报效果的影响。改进的Ｔ４２Ｌ１０谱模式考虑了较完整的物理过程，同时具有以下特点：（１）非线性平衡方程初值化和σ面上模式初值精度的提高；（２）改进了模诊断云和模式水汽场方法；（３）     

一个有限区变网格模式的设计

在国家气象中心业务运行的有限区球面均匀网格模式的基础上设计了一个有限区变网格模式。使预报的窗口区设计为均匀细网格0.5°，而窗口区以外则以0.1°经纬度均匀向外递增。采用廖洞贤1995年提出的坐标变换方法，变网格中的模式方程可以在相应的均匀网格上进行计算。利用实际资料对绝热模式进行了变网格与全场均匀细网格0.5°的对比试验。3个个例的试验结果表明:对窗口区变网格模式预报几乎与全场均匀细网格模式预报水平相当。但由于窗口区外网格点数减少而所用计算机时（CPU）节省了一半以上。     

Cross‐equatorial error propagation: Research note

Abstract

Numerical simulation experiments published in 1974 by Daley have been repeated with a much higher resolution, spectral, shallow water model. With a forecast period extending toll d, it is shown that a global model in which only the largest scales are used at initial time in the Southern Hemisphere yields a more accurate forecast for the Northern Hemisphere than a hemispheric model does. Compared with a uniform high‐resolution, global model, the error in the Northern Hemisphere forecast is high in the ultra‐long waves but decreases rather rapidly while the resolution of the initial Southern Hemispheric data is increased.     

北京地区一次空气重污染过程的目标观测分析

针对北京市2016年12月16~21日的空气重污染过程进行了回报试验,探讨了该次事件预报的目标观测敏感区。使用新一代高分辨率中尺度气象模式（Weather Research Forecasting,WRF）和嵌套网格空气质量模式（Nested Air Quality Prediction Model System,NAQPMS）,针对初始气象场的不确定性,通过4套初始场资料识别了影响北京地区细颗粒物（PM2.5）预报水平的目标观测敏感变量及其敏感区。结果表明:当综合考虑初始气象场的风场、温度、比湿不确定性的影响时,发现改善黑龙江区域上述气象要素的初始场精度,对北京地区PM2.5预报不确定的减小最显著;当分别考察风场、温度、比湿的不确定性的影响时,发现初始风场精度的改善,尤其是黑龙江区域风场精度的改善,能够更大程度地减小北京地区PM2.5的预报误差,对北京东南地区的PM2.5预报误差的减小甚至可达到40%以上。因此,优先对黑龙江区域的气象场,尤其是该区域的风场进行目标观测,并将其同化到预报模式的初始场中,将会有效提高初始气象场的质量,进而大大减小北京地区PM2.5浓度的预报误差,提高北京地区空气质量的预报技巧。初始风场代表了北京地区该次空气重污染事件预报的目标观测变量,而黑龙江地区则是该目标观测的敏感区域。     

GRAPES气象-水文模式在一次洪水预报中的应用

尝试将GRAPES (Global-Regional Assimilation and PrEdiction System) 模式与水文模型结合,构建GRAPES气象-水文单向耦合模式,进行洪水预报。气象模式选取GRAPES_Meso模式,分别采用15 km×15 km和5 km×5 km水平分辨率,15 km×15 km的GRAPES模式由NCEP全球预报场提供初始场和侧边界条件;5 km×5 km的GRAPES模式由15 km×15 km GRAPES模式提供初始场和侧边界条件,将GRAPES_Meso模式的定量降水预报分辨率统一降尺度到5 km×5 km分辨率,用于驱动水文模式。水文模型选取新安江模型与分布式新安江模型。以淮河王家坝站以上流域和息县流域为试验流域,将GRAPES降水预报场驱动水文模型进行单向耦合,构建GRAPES气象-水文单向耦合模式,选择2009年8月28日08:00(北京时,下同)—9月9日14:00汛期一次洪水过程,进行实际预报试验。结果表明:15 km×15 km和5 km×5 km的GRAPES模式预报降水与实况降水分布相一致;与水文站观测降水驱动水文模型洪水模拟结果相比,GRAPES气象-水文模式对洪水预报的预见期延长效果明显,对洪水模拟精度也较高,与水文模型输入场分辨率要求相匹配的降水产品对洪水模拟的精度更高。     

The adjustment of the wind field to small scale topography in a numerical weather prediction model

Numerical experiments are performed to test one reasonably economical method of producing regional forecasts. Starting with initial conditions interpolated from a 20 hour coarse grid Northern Hemisphere forecast, a fine mesh model is integrated for a further period of 4 hours over a limited area. The fine mesh is located over the north‐eastern part of North America and its resolution is sufficient to re‐produce topographic features such as the St. Lawrence and Richelieu Valleys. The resulting forecast at hour 24 is then compared with the coarse mesh prediction for the same time. The comparison reveals how the horizontal and vertical components of the wind are affected by the small scale topography. In particular, the channelling effect of the main valleys is demonstrated.     

Two warm frontal passages at Ottawa,Canada

The numerical simulations of Baumhefner (1971, 1972) and Miyakoda and Umscheid (1973) have shown that a “wall” placed at or near the equator has a serious effect on Northern Hemisphere forecasts after 10–14 days.

In practice, however, numerical models have available some information from the Southern Hemisphere. The question is posed, “How much information from the Southern Hemisphere is necessary to yield a forecast for the Northern Hemisphere which is more accurate than that obtained by integrating over the Northern Hemisphere alone?”

A simple numerical experiment demonstrates that a global model in which only the largest scales of the Southern Hemisphere are known at initial time yields a more accurate forecast for the Northern Hemisphere than a hemispheric model.     

El Niño teleconnections in CMIP5 models

Teleconnections associated with warm El Niño/southern oscillation (ENSO) events in 20 climate model intercomparison project 5 (CMIP5) models have been compared with reanalysis observations. Focus has been placed on compact time and space indices, which can be assigned a specific statistical confidence. Nearly all of the models have surface temperature, precipitation and 250 hPa geopotential height departures in the Tropics that are in good agreement with the observations. Most of the models also have realistic anomalies of Northern Hemisphere near-surface temperature, precipitation and 500 hPa geopotential height. Model skill for these variables is significantly related to the ability of a model to accurately simulate Tropical 250 hPa height departures. Additionally, most models have realistic temperature and precipitation anomalies over North America, which are linked to a model’s ability to simulate Tropical 250 hPa and Northern Hemisphere 500 hPa height departures. The skills of temperature and precipitation departures over the Northern Hemisphere and North America are associated with the ability to realistically simulate realistic ENSO frequency and length. Neither horizontal nor vertical resolution differences for either the model atmosphere or ocean are significantly related at the 95 % level to variations in El Niño simulation quality. Overall, recent versions of earlier models have improved in their ability to simulate El Niño teleconnections. For instance, the average model skills of temperature and precipitation for the Tropics, Northern Hemisphere and North America for 11 CMIP5 models are all larger than those for prior versions.     

基于前期观测降水和500 hPa高度场的西北太平洋热带风暴生成频数的新预测方案

利用前期1—2月和4—5月平均的东半球格点降水与500hPa高度场资料,通过多元线性逐步回归,建立了预测西北太平洋年热带风暴生成频数的预测方案。由于分别使用了欧洲中期数值预报中心和美国国家环境预测中心的大气再分析资料,建立了两个预测模型,对1979—2002年的预测交叉检验的距平相关系数分别为0.78和0.74。预测的多年平均绝对误差是3.0和3.2,即多年平均西北太平洋年热带风暴生成频数的10%左右。进一步指出:实际预测中可以把两个模型的预测结果平均作为最后预测结果,这样的话,多年交叉检验的距平相关系数是0.88,多年平均的预测绝对误差是1.92个。这样就可能得到更加准确的预测。本文结果还只是该方案的交叉检验结果,尚需在实际预测中进一步检验其能力。     

全球谱模式不同垂直分层对数值预报影响的敏感性试验

本文用σ-坐标原始方程全球谱模式,对1979年1月23日和6月14日两个个例,采用3种不同的垂直分层方案,进行了敏感性试验.通过对高度场均方根误差的分析,发现15层模式对北半球冬季预报效果的改进最明显.当其降低模式最高层高度和减少垂直分辨率时,预报误差首先从模式上层出现,然后影响到对流层中、下层.并指出南、北半球,冬、夏季不同层次上的预报对模式垂直分层的敏感性存在有差异,对南、北半球,冬、夏季的预报可采用不同的垂直分层模式. 南、北半球,冬、夏季预报敏感性差异的产生同行星尺度波动的水平感热通量的垂直分布、行星尺度波动能量的垂直输送特征有关.     

南半球西风指数变化与中国夏季降水的关系

根据NCEP/NCAR提供的1950～2007年南半球12～2月、6～8月500 hPa位势高度的月平均再分析资料,采用合成分析方法讨论与中国夏季3类雨型相对应的南半球500 hPa距平高度场的分布特征;运用多变量方差分析方法确定12～2月和6～8月与3类雨型相对应的南半球西风指数波动关键区A;分析关键区A的西风波动与中国夏季降水之间的关系;寻找南、北半球西风相互作用影响中国夏季降水分布的可能途径。分析表明,6～8月与3类雨型相对应的南半球500 hPa距平高度场显示出不同的距平分布形式,并存在显著差异区在（35°N～50°N,35°E～80°E）。12～2月南半球的西风指数变化关键区A在22.5°W～2.5°W,6～8月关键区A在10°E～55°E。南半球关键区A的西风指数强弱变化与中国夏季降水的关系密切,且12~2月南半球的西风波动对北半球夏季关键区的西风环流的变化有预测意义,而前期南半球关键区A的平均西风指数与北半球夏季高度场的显著负相关区在贝加尔湖。南、北半球大气环流经向传播是两半球西风相互作用的可能途径,前期南半球的异常西风使夏季贝加尔湖的平均槽强度变化,进而造成北半球关键区的西风环流异常,从而影响中国夏季雨型的分布。     

气象水文模型耦合在黄河三花间洪水预报中的应用

水文预报的有效预见期越长,预报精度越高,其对防洪减灾的价值就越大,而气象水文模型的耦合是延长水文预报有效预见期的一个重要研究方向。选取黄河流域三门峡水库以下、花园口水文站以上集水面积为研究区域,基于空间分辨率为90 m×90 m的数字高程模型数据构建数字流域水系,利用中尺度非静力模式MM5进行降雨预报和气温预报,并将之作为分布式时变增益水文模型降雨和蒸发计算的输入进行关键站点的水文预报,实现了分布式时变增益水文模型与大气中尺度非静力模式MM5的单向耦合及定量降水预报与洪水预报的结合,为花园口防汛工作提供了一定的参考价值。2012年与2010年的流量滚动预报结果相比,2012年预报结果的效率系数较大,径流深相对误差较小,说明2012年预报效果较好。对预报结果分析表明,实测的水情资料完整性直接影响预报结果,而滚动预报时间段的增加,水文预报的初始场对径流预报的影响逐渐减弱,水文预报的精确度逐渐提高,预报的效果变好。