“雅安天漏”研究II．数值预报试验

本文建立了一个用于研究“雅安天漏”的有限区域数值预报模式，并用该模式对１０个“雅安天漏”个例进行了数值预报试验，取得了较满意的结果。该模式动力框架的主要特点是：（１）模式的基本方程组便于构造出完全能量守恒的差分格式；（２）采用了静力扣除；（３）模式的垂直坐标选用了η坐标；（４）选用Ｅ网格作为变量的水平分布形式；（５）位势高度与其他预报量在垂直方向交错分布；（６）对Ｅ网格的波解分离问题采取了特殊的处理技巧；（７）首次采用“半格距”差分解决了矩形Ｅ网格及球坐标Ｅ网格沿对角线的差分计算；（８）采用显示分解的时间积分方案；（９）尽量保留初始场信息。模式的物理过程主要包括：（１）大尺度凝结降水；（２）对流调整及对流降水；（３）水平扩散和垂直通量输送；（４）地面辐射收支和边界层参数化。试报降水的主要降水中心及降水范围与观测分析比较相似。大于１０ｍｍ和２５ｍｎ降水的ＴＳ平均评分分别为０．４１和０．３２。     

一个η坐标有限区域数值预报模式对1993年中国汛期降水的实时预报试验

本文通过展示一个有限区域数值预报模式对1993年中国汛期降水的实时预报试验结果，介绍一个能考虑我国复杂地形的，适合于我国计算机条件的，对我国夏季降水有相当预报能力的η坐标的有限区域数值预报模式。从6月中旬到8月下旬，连续50多天实时降水预报试验的TS(Threat Score)技术评分(模式范围)平均为:雨区范围(24小时降水大于1mm)预报的TS值为50.2%；24小时降水大于10mm和25mm的TS值分别为28.1%和17.3%。优于国内有些已用于业务预报的有限区域数值预报模式的预报结果。模式对1993年梅雨、川西暴雨和华北暴雨都有很好的预报。     

“雅安天漏”研究 III：特征、物理量结构及其形成机制

本文的这一部分首先进一步分析了第二部分的预报结果,结果发现,在本文第二部分所建立的模式,不仅较好地预报出了24小时总降水量,而且也较好地预报出了“雅安天漏”的降水特征和降水中的物理结构。模式基本上抓住了形成雅安降水的主要影响因子。然后通过一系列精心设计的数值模拟试验得到了形成雅安降水的可能机制。     

“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。     

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。     

基于雷达外推临近预报和中尺度数值预报融合技术的短时定量降水预报试验

为克服目前中尺度数值模式在对流尺度定量降水短时预报方面的不足,弥补基于“外推”的临近预报技术在2h以上定量降水预报能力方面的缺陷,研究设计了一种基于“外推”临近预报技术和中尺度数值模式的定量降水预报(QPF)融合技术方案,并进行了试验应用.该方案首先基于雷达探测和自动气象站观测的定量降水估计(QPE)结果,对中尺度数值模式输出的定量降水预报在谱空间进行相位校正,分析计算出数值预报和观测的偏差,导出一个附加的数值预报校正场;其次,根据数值预报校正场满足一定时间变化分布的特征,调整相应时段的数值预报降水区域和强度;最后,利用双曲正切线权重函数,对校正后的数值模式定量降水预报和基于临近预报技术的定量降水预报进行融合,融合权重根据典型环流特征动态变化.融合后的定量降水预报在前1-2h表现出主要依赖“外推”临近预报结果,之后随着融合权重的变化,数值预报对融合结果的贡献逐渐加大,直至融合后5-6h占主导地位.通过对京津冀地区2011年夏季5个及2012年夏季2个典型强降水个例的80次预报试验及其检验,表明融合后的0-6h定量降水预报结果改进较为明显,总体优于单独的临近预报技术或者中尺度数值预报模式的结果.     

一个有限区域中尺度模式的设计及预报试验

以一个６层原始方程模式的基本动力学框架为基础，设计了一个对物理过程考虑得较全面的中尺度原始方程模式。该模式采用（ｘ，ｙ，σ）坐标系；大气上界取为１０ｈＰａ，提供多种水平边界条件；水平和垂直分辨率均可调；降水方案包括大尺度降水和深厚积云对流降水；地面温度的计算采用地面热量收支方程；考虑了地气和海气交换作用；垂直交换系数的计算采用Ｌｉｏｕｉｓ格式；水平扩散采用二阶形式和四阶形式相结合的方案，扩散系数是网格点位置和风场的函数；积分方案采用经济的中央差格式。在水平格距取８０ｋｍ，垂直方向不等距地分为１６层的分辨率条件下，利用该模式进行逐个个例预报试验。结果表明，模式计算稳定，能较好地报出主要的天气形势，预报的降水也较接近实际。文中给出了一些检验指标的统计结果。还在预报能力及模式特性方面与原６层模式进行了对比。     

日本国家天气监视网中预报技术研究的进展情况

现将近一年来国家天气监视网的预报技术研究工作(详见本刊1980年第1期——编者)主要的进展介绍如下。 1.数值天气预报技术的研究 (1)边界层模式(甚细网格模式) 制成了13层动力预报模式(以日本为中心,格距:63.5公里、网格数35×35),适用于冬季风强的情况,作12小时预报。关于梅雨期进行了减少垂直层数的试验。改进了因对流产生的降水预报的结果,使     

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。     

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。     

一次短期集合预报试验

数值模式中物理过程描述不准确是造成数值预报误差的主要来源之一,采用数值模式中不同物理过程的集合预报方案是减小模式预报误差的有效方法。本文结合一个典型的夏季东北冷涡型降水天气过程,选用不同的积云对流参数化方案、显式降水方案、辐射方案以及模式采用不同的地表分辨率构成10集合预报成员,进行了48h的预报。结果显示集合预报在总体预报效果上比各个集合成员的预报效果好,简单的集合平均就可以提高模式形势场和降水要素场的预报准确率。在集合平均提高预报准确率的同时,采用天气系统移动路径图、面条图以及降水概率预报等方法,可以增强小概率事件的预报能力。     

基于KF-ETA积云对流参数化方案集合预报试验

采用中尺度数值模式WRF和Kain-Fritsch-ETA积云对流参数化方案(简称KF-ETA方案)对2003年江淮流域一次暴雨过程进行了敏感性分析和集合试验。结果表明,KF-ETA方案中的敏感因子(最小净环境卷入率和积云半径)对预报均有明显的影响,主要体现在各物理变量垂直廓线和次网格对流降水场的分布。基于KF-ETA方案的多成员集合预报,不仅改善了降水的位置和范围、纠正了单一确定性预报中"过干"和"过湿"的随机性偏差,而且也显示预报的不确定性主要集中在地形复杂及强降水的区域。     

基于雷达资料四维变分同化及云模式的中尺度对流系统数值临近预报试验

基于雷达资料快速刷新四维变分同化(RR4DVar)初始化的三维数值云模式,利用京津冀6部新一代多普勒天气雷达和区域自动气象站观测资料,针对2013年7月4日出现在京津冀平原地区的中尺度对流系统(MCS),开展了数值临近预报试验。研究结果表明,充分考虑雷达观测信息的对流尺度数值临近预报具有很大的优势,但也存在不足:(1)模式能够较好地把握中尺度对流系统的组织发展和移动演变特征,对风暴回波带的走向和尺度特征有较好的预报,但对强回波的强度和位置预报存在一定偏差;(2)模式预报可以反映风暴系统的中小尺度扰动特征,对风暴冷池和出流边界(阵风锋)的发展变化均有较为合理的预报;(3)模式对强降水中心和雨带位置的预报有很大优势,能较好地预报弱降水雨带的分布形势和雨量,但对强降水落区的预报偏大;(4)模式对风暴造成的对流性强降水的预报准确率较高,对0.5—10 mm阈值的降水范围预报偏差比较合理,对10 mm以上降水范围的预报偏大,但是对弱降水风暴的弱回波较强回波的预报性能要好;(5)由于三维数值云模式对京津冀复杂地形的处理不够完善,对山前风场预报偏差较大,造成对山前风暴的发展演变和山前降水的预报偏差较大。     

贵州中尺度数值预报系统及其模拟试验

主要介绍了贵州中尺度数值预报系统、中尺度模式MM5以及业务情况。业务运行实践证明，系统具有较强的短期天气预报能力，对降水的量级和落区预报效果较好。选取4种积云对流参数化方案和两种边界层参数化方案对贵州汛期11个降水个例进行36h的降水模拟，经检验、分析和比较发现：各种方案预报效果的优劣在不同条件下有所不同，没有哪一种方案的预报效果是绝对最优的，总的来说：对50mm以下的降水，GR方案的预报效果较好，而KF方案则较差；对50mm以上的降水，BM、KF方案的预报效果一般较好；降水的模拟对参数化方案敏感。     

AREM模式对2002年汛期降水的实时预报试验

2002年主汛期,“973”(中国暴雨)项目研制开发的η坐标有限区域数值预报模式(AREM)在武汉暴雨研究所进行了每天两个时次(08时、20时)的实时数值预报试验。实时预报表明,该模式适合于我国计算机条件,对我国夏季降水有相当预报能力。对试验结果进行了分区Ts评分检验,模式对我国东部地区的降水预报评分最高,08时起报的0～24h时效的降水预报,对24小时降水量大于0．1、10、25和50mm的R评分分别为0．578、0．282、0．144和0．062。对2002年主汛期的几次强降水过程的预报结果表明：模式对2002年梅雨、长江流域暴雨、华南暴雨和华北暴雨都有很好的预报,模式对雨带的位置、移动、降水强度、降水的持续与减弱的预报都具备一定的能力。     

GRAPES_GFS不同湿物理过程对云降水预报性能的诊断与评估

积云对流和云微物理是数值天气预报模式中最为重要的两类湿物理过程,它们共同影响云和降水的预报性能。通过采用CMAP降水资料和MODIS、MLS及Cloud Sat卫星云观测资料对全球中期数值预报模式GRAPES_GFS中这两类湿物理过程参数化方案的不同组合所预报的降水场和云宏微观场进行诊断和评估,以揭示其对云和降水的预报性能。结果表明:(1)云微物理方案是中高纬度地区总降水预报差异的主因,三种云微物理方案预报的降水强度为SINCEP3NCEP5。赤道及低纬地区降水差异主要是由积云对流方案引起的,KF_SI组合与CMAP降水最为一致。(2)SI方案和NCEP3方案在中纬度地区格点降水要显著多于混合相云NCEP5方案;与SAS方案和KF方案相比,BM方案使与其组合的云方案产生的格点降水明显偏少。(3)BM方案产生的对流降水要明显多于SAS方案和KF方案,中高纬地区SAS方案和KF方案预报的对流降水基本一致,在低纬地区SAS方案对流降水最少。(4)NCEP5方案预报的云顶温度与MODIS观测吻合较好,NCEP3方案和SI方案预报的云顶温度要较实况偏暖。三种对流方案预报的云顶温度冷暖关系为SASBMKF,BM和KF预报的云顶温度与实况较为接近。(5)NCEP5方案预报的积分云水与卫星观测最为接近,两种简冰方案显著偏少,尤以SI方案偏少最多。SAS和KF方案能较好的预报积分云水的空间分布,但其量值较观测偏大,BM方案预报的积分云水在低纬度地区偏少明显。(6)所有方案组合预报的卷云较MLS卫星观测显著偏少,混合相云方案对卷云预报较简冰方案具有一定优势,BM方案偏少最显著。(7)全球平均而言,KF对流方案和NCEP5云微物理方案对GRAPES_GFS的云和降水预报性能较其他降水物理方案具有一定优势。     

台风“巴威”不同类型降水多模式预报与空间检验对比评估

以传统的检验方法和基于对象诊断评估方法(MODE), 对首次以台风级别影响辽宁的“巴威”台风(2008)的台风暴雨过程不同性质降水的多模式(ECMWF、CMA_MESO 10KM、CMA_MESO 3km和睿图东北模式)预报结果进行了检验评估。结果表明: 受“巴威”远距离和本体影响, 辽宁省先后出现对流型降水和稳定型降水, 传统检验和MODE检验结果均表明, 多模式的对流型降水预报效果要优于稳定型降水, 这很可能是多模式对于台风北上减弱产生稳定型降水的影响系统的预报强度偏差大导致, 在今后预报中务必注意台风强度预报偏差对本体稳定型为主的降水的影响。传统检验结果中, CMA_MESO 3km和ECMWF模式的评分较高, 并且对于对流型降水雨带的形状、范围和质心距离、交集面积预报效果最好, ECMWF模式对稳定型降水也有着较高的目标相似度评分。尽管睿图东北模式由于对10.0 mm以上量级降水较高的空报和漏报率, 而导致TS评分偏低; 但在MODE检验结果中, 东北模式预报的强降水雨带的中心位置、降水强度和范围均接近实况, 目标相似度更高, 尤其在对流型降水阶段目标相似度达到了1.00, 模式对于对流型降水预报有着较好的可参考性。     

雷达反射率因子在中尺度云分辨模式初始化中的应用Ⅱ：数值模拟试验

将反演的云微物理量和垂直速度采用"牛顿连续松弛逼近"(Nudging)技术应用到GRAPES模式中,对一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。通过设计不同的试验方案,分别对水汽、液态水和垂直速度对Nudging效果以及预报结果的影响进行了考察。研究发现,采用Nudging初始化方法,可使背景场与观测反演资料相协调,实现了模式中对流的热启动,模式预报的开始时刻就产生降水,缩短Spin-up时间。水汽对降水至关重要,对降水的强度和持续时间都有重要影响;云水、雨水和垂直速度决定了初始时刻对流的强弱分布并产生降水;水平风场决定了系统的移动方向,对预报降水的落区有重要影响。模式比较成功地模拟了6 h的降水过程,中尺度天气系统的时空特征比较明显,对流中心上升速度最大值约2.0 m/s,云水含量400 hPa以上较大,最大值约1.5 g/kg,雨水含量500 hPa以下较大,最大约3.0 g/kg,底层辐合高层辐散。反演资料对降水的影响随预报时间的增加而减弱,预报1 h之内反演资料有明显影响,3 h之后的预报则主要依赖模式自身。鉴于仅使用一部雷达资料的反射率因子资料,雷达资料没有覆盖整个模式区域,天气系统被截断,反演和同化过程还采用了一些经验参数方法等原因,数值模拟结果与雷达观测之间还存在一定的差异,有待于更深入的研究。     

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.     

一次特大暴雨过程高分辨率集合预报试验的检验和评估

针对2018年4月22日发生在湖北西部山地的一次特大暴雨过程,采用降尺度方案和显式对流参数化方案模式,开展了高分辨率对流许可尺度(3 km)的集合预报试验,并对全球集合预报(GEFS)和对流尺度集合预报(SSEF)的降水预报进行了对比评估,结果表明:(1)SSEF集合平均的雨量和落区预报均优于GEFS。(2)SSEF各成员的降水离散度分布更合理,因而具有更优的降水区间预报,其“离散度-误差关系”更优,能更好地给出预报误差的分布及其可能的大小。(3)SSEF的概率预报在所有空间尺度上均优于GEFS,且在短历时强降水上的优势更加明显。由此可见,针对此类山地暴雨过程,对流尺度集合预报相对于全球集合预报具有巨大的改进潜力。