雷达资料同化对2015年台风彩虹数值模拟改进

基于WRF中尺度模式,采用集合卡尔曼滤波方法同化中国岸基多普勒天气雷达径向速度资料,对2015年登陆台风彩虹（1522）进行数值试验。从台风强度、路径、结构等方面验证了同化效果,并对不同区域雷达观测资料的同化敏感性进行讨论。试验结果表明:在同化窗内同化分析场台风位置误差相比未同化平均减小15 km,最多时刻减小38 km,同化资料时次越多,确定性预报路径误差越小。同化雷达资料后较好地反映出台风彩虹（1522）近海加强过程,台风中心最低气压同化分析和预报误差相比未同化最大减小超过25 hPa,台风眼的尺度、眼墙处对流非对称结构相比未同化与观测更加接近。试验还表明:台风内核100 km范围内的雷达观测对同化效果影响最大,仅同化这部分资料（约占总量的20%）各方面效果与同化全部资料相近,而仅同化100 km以外资料效果明显不及同化所有资料。仅同化台风内核雷达观测资料可以在不影响同化效果的前提下,使集合同化计算机时减小为原来的1/3,该策略可为台风实际业务预报提供一定参考。     

谱逼近方法对台风Megi(2010)路径模拟的改进及影响分析

将谱逼近方法应用到台风Megi(2010)数值模拟试验中,通过选择不同物理量配置,分析得到影响台风Megi路径变化的关键环境场因子,并在此基础上分析关键因子不同高度范围和不同尺度信息对台风路径变化的影响。结果表明,采用谱逼近方法能够有效降低整个模拟时段,尤其是路径北折阶段台风路径模拟偏差,其中天气尺度环境风场是影响台风路径变化的关键因子。在过岛阶段,谱逼近850 hPa以上的中低层环境风场造成模拟路径偏差增大,但是改善了台风路径北折阶段的路径模拟结果;此外500~1 000 km尺度的中尺度环境风场对Megi转折以及转折后的移速移向具有重要影响,也减小了过岛阶段路径偏差的增长程度。通过分析各试验对主要天气系统、引导气流以及台风内部结构的模拟结果表明,谱逼近环境风场能够改善模式对中低纬环流系统的模拟,有利于更为准确地得到路径转折阶段的引导气流;同时谱逼近环境风场后会影响台风内部结构,对台风路径模拟的移速移向造成影响。      

Assimilation of GPM Microwave Imager Radiance for Track Prediction of Typhoon Cases with the WRF Hybrid En3DVAR System

The impact of assimilating radiance data from the advanced satellite sensor GMI(GPM microwave imager) for typhoon analyses and forecasts was investigated using both a three-dimensional variational(3DVAR) and a hybrid ensemble-3DVAR method. The interface of assimilating the radiance for the sensor GMI was established in the Weather Research and Forecasting(WRF) model. The GMI radiance data are assimilated for Typhoon Matmo(2014), Typhoon Chan-hom(2015), Typhoon Meranti(2016), and Typhoon Mangkhut(2018) in the Pacific before their landing. The results show that after assimilating the GMI radiance data under clear sky condition with the 3DVAR method, the wind,temperature, and humidity fields are effectively adjusted, leading to improved forecast skills of the typhoon track with GMI radiance assimilation. The hybrid DA method is able to further adjust the location of the typhoon systematically. The improvement of the track forecast is even more obvious for later forecast periods. In addition, water vapor and hydrometeors are enhanced to some extent, especially with the hybrid method.     

Impact of assimilating IASI radiance observations on forecasts of two tropical cyclones

The impact of assimilating Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) radiance observations on the analyses and forecasts of Hurricane Maria (2011) and Typhoon Megi (2010) is assessed using Weather Research and Forecasting Data Assimilation (WRFDA). A cloud-detection scheme (McNally and Watts 2003) was implemented in WRFDA for cloud contamination detection for radiances measured by high spectral resolution infrared sounders. For both Hurricane Maria and Typhoon Megi, IASI radiances with channels around 15-μm CO₂ band had consistent positive impact on the forecast skills for track, minimum sea level pressure, and maximum wind speed. For Typhoon Megi, the error reduction appeared to be more pronounced for track than for minimum sea level pressure and maximum wind. The sensitivity experiments with 6.7-μm H₂O band were also conducted. The 6.7-μm band also had some positive impact on the track and minimum sea level pressure. The improvement for maximum wind speed forecasts from the 6.7-μm band was evident, especially for the first 42 h. The 15-μm band consistently improved specific humidity forecast and we found improved temperature and horizontal wind forecast on most levels. Generally, assimilating the 6.7-μm band degraded forecasts, likely indicating the inefficiency of the current WRF model and/or data assimilation system for assimilating these channels. IASI radiance assimilation apparently improved depiction of dynamic and thermodynamic vortex structures.     

不同初始场资料对台风“桑美”数值模拟的影响

以2006年超强台风"桑美"为个例,分别以GFS(全球预报系统)再分析资料和JMA(日本气象厅)区域客观再分析资料为初始场,利用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)对台风"桑美"进行高分辨率数值模拟,分析不同初始场资料对台风内部结构和移动路径的影响。结果表明:对于500hPa高度场和850hPa水汽、风场等预报,GFS再分析资料和JMA区域客观再分析资料均能较好地把握台风整体的流场形势。从700hPa风场、近地面风速、降水、雷达反射率、最小海平面气压和最大风速等模拟效果来看,JMA区域客观再分析资料均优于GFS再分析资料。对于台风路径的预报,前15h内JMA区域客观再分析资料较GFS再分析资料要好,而15h之后,以这两种资料作为初始场的台风预报路径与实况均有较大偏差。     

2019年台风利奇马引发山东特大暴雨成因分析

利用地面观测资料、雷达资料、FY-2G卫星云图资料及欧洲中心细网格资料,对台风利奇马登陆北上引发山东特大暴雨的成因进行分析。发现:利奇马登陆北上过程中,冷空气先后从台风的西部、西南部与南部侵入至台风中心内部,使其暖心结构逐渐减弱,其变性时段发生在10日20:00至11日08:00。山东的特大暴雨主要出现在台风变性前12h至台风变性后6h。变性之前的暴雨主要是由于台风螺旋云带与高空槽尾部云系相叠加造成的,变性之后的暴雨则是由于冷空气侵入致使台风外围云系演变成强对流复合体造成的。变性之前,对流层内800～500hPa风速小,500～250hPa风速大,气层内有暖平流,整层的上升运动,降水以暖区对流降水为主;变性之后800～500hPa风速大,500～250hPa风速小,500hPa至地面是上升运动,以上为下沉运动,降水以斜压锋区附近的对流降水为主。当500hPa至地面气层内出现冷平流时,湿层变薄,降水趋于减弱。特大暴雨区出现在台风中心西北方向,与850hPa假相当位温锋区与水汽通量散度辐合大值区相吻合。     

SURFACE OBSERVATIONS IN THE TROPICAL CYCLONE ENVIRONMENT OVER THE SOUTH CHINA SEA

In this paper,the observational data from Marine and Meteorological Observation Platform(MMOP)at Bohe,Maoming and buoys located in Shanwei and Maoming are used to study the characteristics of air-sea temperature and specific humidity difference and the relationship between wind and wave with the tropical cyclones over the South China Sea(SCS).The heat and momentum fluxes from eddy covariance measurement(EC)are compared with these fluxes calculated by the COARE 3.0 algorithm for Typhoon Koppu.The results show that at the developing and weakening stages of Koppu,both these differences between the sea surface and the near-surface atmosphere from the MMOP are negative,and data from the buoys also indicate that the differences are negative between the sea surface and near-surface atmosphere on the right rear portion of tropical cyclones(TCs)Molave and Chanthu.However,the differences are positive on the left front portion of Molave and Chanthu.These positive differences suggest that the heat flux is transferred from the ocean to the atmosphere,thus intensifying and maintaining the two TCs.The negative differences indicate that the ocean removes heat fluxes from the atmosphere,thus weakening the TCs.The wind-wave curves of TCs Molave and Chanthu show that significant wave height increases linearly with 2-min wind speed at 10-m height when the wind speed is less than 25 m/s,but when the wind speed is greater than 25 m/s,the significant wave height increases slightly with the wind speed.By comparing the observed sensible heat,latent heat,and friction velocity from EC with these variables from COARE 3.0 algorithm,a great bias between the observed and calculated sensible heat and latent heat fluxes is revealed,and the observed friction velocity is found to be almost the same as the calculated friction velocity.     

云迹风在热带气旋路径数值预报中的应用研究

通过一系列四维变分同化试验对GMS5卫星资料反演的云迹风资料在西北太平洋热带气旋的初始化及路径数值预报中的作用进行研究,同化资料为中国国家卫星气象中心提供的GMS5水汽和红外云迹风资料,其中70%在400hPa以上,50%集中在200～300hPa。应用美国NCAR/PSU中尺度模式MM5及其四维变分同化系统,同化窗口为6h,对初始时刻和6h后的云迹风进行同化。同化前对云迹风资料进行了简单的类似ECMWF初值检验方法的质量控制。对2002年8个西北太平洋热带气旋共进行了22组试验。结果表明,采用四维变分同化技术同化云迹风对热带气旋路径预报有一定改善,12,24,36和48h预报的平均距离误差分别降低5%,12%,10%和7%,但同化云迹风的作用与初始气旋强度有关。选择初始中心海平面气压960hPa作为强、弱气旋的分类标准,则11个较强气旋平均路径误差12h减小了13%,12h以后的预报误差减小率维持在20%以上。而对于11个较弱气旋,平均路径误差反而略有增加,说明同化云迹风资料对不同初始强度的气旋作用也有所不同。其主要原因是由于强度较强的热带气旋往往具有较为深厚的垂直结构,因此受高层大气流场的影响更明显;同时,较弱热带气旋的云迹风观测相对稀少且凌乱,并且更容易受环境气流的影响,因此对于较弱的热带气旋,当模式变量与模式或变量之间在同化后不够协调的话,就会产生负效应。     

Application of FY-2C Cloud Drift Winds in a Mesoscale Numerical Model

Statistical tests and error analysis of cloud drift winds(CDWs) from the FY-2C satellite were made by using radiosonde observations.According to the error characteristics of the CDW,a bias correction using the thermal wind theory was applied in the data quality control.The CDW data were then assimilated into the GRAPES-meso model via the GRAPES-3DVar.A torrential rain event that occurred in northwestern China during 1-2 July 2005 was simulated.The results indicate that the CDW data were mainly distribute...     

El Nino事件当年和次年夏季低纬环流特征的初步分析

分析1950年以来中等强度以上的ElNiño和LaNina当年和次年夏季(7月)低纬度风场和500hPa高度距平场,发现有不同的特征。其中中-西太平洋近赤道地区850、200hPa上风场异常变化十分明显,这种异常变化与南北半球大气相互作用有密切关系。在500hPa高度距平场上,北半球中、高和低纬地区表现出不同的正、负距平分布型式。上述特点对气候短期预测有一定参考意义。     

ElNino事件当年和次年夏季低纬环流特征的初步分析

分析１９５０年以来中等强度以上的ＥｌＮｉｎｏ和ＬａＮｉｎａ当年和次年夏季低纬度风场和５００ｈＰａ高度距平场发现有不同特征。其中中－西太平洋近赤道地区８５０、２００ｈＰａ上风场异常变化十分明显,这种异常变化与南北半球大气相互作用有密切关系。     

冷空气侵入台风“珍珠”的多普勒雷达回波特征

利用汕头和厦门的多普勒雷达资料、NCEP再分析等资料,研究2006年5月17日台风“珍珠”的短时特大暴雨特征。多普勒雷达探测表明,17日18～19 h,在台风“珍珠”的核半径附近,正、负径向速度极值区分布不对称,即台风前进方向左侧的径向速度明显地大于右侧,研究表明这种特殊情况是由于冷空气(东北风)侵入所导致的,而且该冷空气侵入主要位于4 km以下的中低层,正是因为冷空气侵入造成强迫抬升,加剧不稳定能量释放,触发强降水产生,冷空气影响后期导致台风迅速减弱。与雷达速度场回波观测到的冷空气侵入相对应,17日18 h NCEP风速资料显示在中低层(约1～3 km)台风中心偏西侧,存在明显的全风速高值区,而除了受冷空气影响部位外,台风前进方向的右侧各层风速仍然大于左侧。利用蓝金模式模拟结果,可进一步证实了在台风前进方向左侧的中低层,东北向气流侵入台风涡旋的事实。通过计算物理量表明,在冷空气侵入区域存在高θse密集锋区,θse密集带从底层向高层、由偏东向偏西、由偏南向偏北方向倾斜,闽南地区的特大暴雨就发生在高θse的密集锋区附近。     

Assimilation of Ocean Surface Wind Data by the HY-2B Satellite in GRAPES: Impacts on Analyses and Forecasts

The ocean surface wind(OSW) data retrieved from microwave scatterometers have high spatial accuracy and represent the only wind data assimilated by global numerical models on the ocean surface, thus playing an important role in improving the forecast skills of global medium-range weather prediction models. To improve the forecast skills of the Global/Regional Assimilation and Prediction System Global Forecast System(GRAPES＿GFS), the HY-2B OSW data is assimilated into the GRAPES＿GFS four-dimensio...     

多普勒雷达资料同化在“7.21”北京特大暴雨个例中的应用

基于WRF(Weather Research Forecast)模式和GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)同化系统,研究了同化4部多普勒雷达探测资料对"7.21"北京特大暴雨过程中降水预报的改善作用。GSI系统直接同化径向风,而采用云分析的方式间接同化反射率。2012年7月20日21时—21日00时(世界时)雷达探测资料同化试验采用30 min循环同化径向风和反射率资料。结果表明,循环同化雷达探测资料改善了短时(0—6 h)和短期(0—24 h)降水预报,ETS评分提高了约0.2。同化反射率资料增加了初始场的水凝物,改善了温度场分布,直接影响了降水的形成,同时还使650—250 hPa位势高度的均方根误差平均降低了8 gpm。直接同化径向风资料对中尺度风场产生了一定影响。ETS评分结果表明:同化反射率资料的效果要优于同化径向风。     

下投探空资料在台风莫拉克路径预报的应用试验

2009年8月7日中国大陆举行了首次利用机载下投式探空仪观测台风的试验,飞机在台风莫拉克与天鹅之间的云带相对稀薄区释放11个下投式探空仪。基于下投探空观测资料、常规探空资料和1°×1°分辨率的NCEP再分析资料,分析下投探空资料的可用性,并以下投探空资料初步分析了两台风间南海上空的风场、湿度场等大气特性;分别进行了有无以同化下投探空为初始场的GRAPES模式的模拟试验,以了解下投探空资料对台风莫拉克预报的影响作用。初步结论表明,台风天鹅与莫拉克之间的南海上空对流层中低层为深厚的西南气流,对流层低层及高层湿度小,中间层大;同化下投探空资料后,观测地区(下投探空点及其附近)800 hPa以下西南风减弱,以上加强,湿度中低层减小;有无同化下投探空资料的初值场差异随模式积分向下游传播,影响台风的环境场,改变了台风的引导气流:同化后500 hPa台风引导气流偏东、偏北分量加强,使台风的路径更接近实况路径,48 h台风路径预报误差比原来减少18%。     

FY-2E晴空风矢同化对台风分析和预报的影响研究

为了研究“二阶差分法”反演的晴空区风矢同化在台风分析和预报中的作用,以1509号台风“灿鸿”和1211号台风“海葵”为例,首先利用WRF-3DVAR系统对晴空风矢进行同化,探讨了晴空风矢的引入对模式初始场的影响。然后利用WRF模式对两个个例分别进行48 h的预报试验。通过对比控制试验和同化试验,结果表明,同化晴空风矢资料能够对初始风场和位势高度场进行合理的调整,在台风周围引导气流的作用下,台风路径与实况更靠近,从而提高了台风路径的预报效果。除此之外,同化晴空风矢对台风强度以及风场预报也有一定的改善作用,还可更准确地预报出降水的落区及雨强,提高降水预报质量。因此,晴空风矢的引入,有利于改善模式的初始场,从而提高WRF模式对台风的预报能力。      

南亚高压在高原建立的路径类型及其分析

利用1948-2006年NCEP／NCAR逐日再分析资料分析了南亚高压的移动路径、特征及其触发机制。根据高压的移动情况及其环流等特征发现,南亚高压的移动路径分为东路型,南路型和西路型。对比不同路径的温度场、风场及热源整层积分场等特征,发现不同路径之间存在很大差异。通过SVD分析以及合成分析发现,高原附近热源强弱配置的差异是造成路径差异的可能原因;同时,高原地区热力、动力作用造成的中低纬度的大气长波波型配置对路径的影响也至关重要。     

西太平洋副热带高压耦合模态对台风生成的影响

西太平洋副热带高压(西太副高)是影响东亚夏季气候的主要环流系统。利用再分析资料和美国联合台风预警中心的热带气旋最佳路径资料,研究了西太副高耦合模态对西北太平洋7—9月的台风生成的影响。结果表明:西太副高耦合模态与西太平洋地区的台风生成有显著抑制作用,且主要发生在西北太平洋北部;当西太副高偏强(弱)时,西北太平洋地区的台风生成频数偏少(多)。进一步研究表明西太副高耦合模态可以通过调节影响台风生成的850hPa涡度、垂直速度、600hPa相对湿度、垂直风切变等关键大尺度环境参数进而影响台风活动。     

不同台风降水强度下风廓线雷达适用性

以2019年8月在浙江舟山对1909号超强台风“利奇马”的移动观测试验为基础,利用同一地点释放的9次GPS探空气球,对比了风廓线雷达和多普勒激光测风雷达与GPS探空的吻合程度,并利用车载雨滴谱仪对风廓线雷达在不同台风降水强度下的适用性进行了研究。结果表明,在100~300 m高度范围内激光测风雷达观测风速比风廓线雷达更准确。由水平风速对比结果可知,风廓线雷达在3~4 km高度范围内偏差最小(3.59 m/s),相关性最高(0.86),而在1 km高度下偏差最大(6.39 m/s),相关性最低(0.54);在中雨及大雨条件下适用性最差,最大风速偏差约为18 m/s。由水平风向对比结果可知,风廓线雷达与GPS探空总体上吻合较好,相关系数均大于0.85,均方根偏差均小于11 °。另外,降水强度对风廓线雷达的风向观测影响较小,风向偏差随降水强度的变化总体趋于平稳,基本分布在-20 °~20 °之间。      

探空和飞机观测资料联合同化对台风“苏迪罗”（2015）数值模拟的影响研究

基于中尺度数值天气预报模式WRF和WRFDA三维变分同化系统,针对2015年台风“苏迪罗”二次登陆过程,利用NCEP ADP提供的无线电探空、飞机报观测资料,同时同化两种资料,并进行36 h模拟预报,从台风移动路径、强度、降水及模式初始场改进等方面分析了同化模拟效果。结果表明,同时同化两种资料能够有效改善台风移动路径、中心附近最低气压的模拟。对浙闽降水关键区24 h降水的TS评分结果表明,该同化方案对台风降水的预报评分有一定程度的改进,尤其是中雨和特大暴雨的改进最明显。对于模式初始场的温度、相对湿度、纬向风、经向风在各高度上的均方根误差,除湿度外均有不同程度的减小。并且同化对于台风结构的模拟也有所调整。