非绝热物理过程对北京暴雨数值预报不确定性影响

选取了2001年8月发生于北京市的具有不同大尺度环流强迫特征的两次强降水过程,利用MM5模式和国家气象中心的T213预报资料,分析了模式非绝热物理过程对北京市暴雨数值预报的影响特征和不确定性,探讨了解决暴雨预报不确定性的集合预报方法,进行了多物理模式集合预报试验。试验结果表明:模式非绝热物理参数化方案对精细化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;在高分辨率模式中,采用积云对流参数化方案后,会出现更多的小量级降水预报,且不论是大尺度强迫较强的暴雨,还是大尺度强迫较弱的暴雨,对流参数化方案都是造成降水预报不确定性的重要因素。多物理集合预报的初步试验结果表明,高分辨率集合预报可提供有价值的预报信息,是解决灾害性天气预报不确定性的一种有效的技术方法,但就目前的模式水平而言,可重点发展降水集合预报,特别是强降水集合预报系统,以反映模式在降水预报中存在的不确定性。     

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.     

广州“5·7”局地突发特大暴雨过程的数值可预报性分析

2017年5月6日夜间至7日上午广州地区发生局地特大暴雨,分析表明对流触发与珠江口地区边界层南风增强等因素有密切关系。数值模式预报检验表明,ECMWF集合预报的强降水预报成员在初始条件上具有更显著的辐合上升、水汽和不稳定性条件,而GRAPES区域模式对6日20时初始场分析以及对边界层南风增强过程的预报都更为准确。集合敏感性分析表明,降水预报高敏感区分布与江南地区高压、南海高压以及华南低槽等关键天气系统的相对强度和位置有密切关系;降水对温度的预报敏感区主要位于关键区边界层内,近地面层到边界层底部温度越高、边界层顶越冷,越有利于对流不稳定性增强,有利于关键区内对流发展。通过3组探空预报试验分析了对流尺度降水预报关于初值热扰动、低层风场扰动和降水物理方案的敏感性,结果表明在特定环境条件下,与低层风场扰动试验组对比,降水预报对于初始热力扰动更为敏感;降水微物理方案预报试验表明,在小成员数的集合预报中物理方案扰动能够有效增大预报离散度。以上结果表明,分析对流尺度集合预报中各类初值扰动、物理扰动导致的预报变化和预报敏感性,能够更为全面地估计暖季中小尺度强降水事件的可预报性。     

各种非绝热物理过程在中尺度模式中的作用

随着中尺度模式水平分辨率的不断提高,考虑加入尽可能合理的各种非绝热物理过程极为重要。如积云参数化需包括湿下沉气流、中上层的云卷出和非降水性浅对流。显式云物理方案需同时加入含有水相和冰相的预报方程,以计入水负荷、凝结蒸发、冻结融化和凝华升华的影响。本文首先从实测角度介绍上述物理过程在产生中β尺度环流结构的作用,然后通过一些敏感性数值试验来阐述它们如何帮助成功模拟不同的中尺度对流系统。这些物理过程的相对作用取决于网格距大小或可分辨尺度垂直运动的强度。当网格距在20～50 km之间,本文特别强调积云参数化和显式云物理方案的同时使用。最后对各种非绝热物理过程的耦合以及中尺度模式的局限性作了适当讨论。     

区域集合预报对华南一次暴雨试验研究

利用增长模繁殖法(BGM),对2012年6月我国长江中下游及华南地区的一次强降水过程进行了不同扰动方案的集合预报试验研究。分别对集合预报中只考虑初值扰动、加入模式物理过程扰动和加入地表参量扰动的三种不同扰动方案进行了对比试验,并对最优试验方案的降水集合预报结果进行检验分析。(1) 同时考虑风场、温度场、湿度场、高度场和地表参量的初值扰动,以及考虑模式物理过程扰动的降水集合预报效果最优,可有效提高灾害性天气的预报效果。(2) 初值扰动和模式物理过程扰动对降水预报都有着重要的影响,相同的模式物理过程扰动会由于不同的初值扰动而产生较大差异,并且扰动的集合平均预报对降水有较好的指导意义 。(3) 对于位势高度场预报检验 ,集合预报平均要好于控制预报,并且随着预报时效延长,这种优势更加明显。(4) 对此次强降水过程在长江中下游、华南地区和全国区域的各量级降水预报TS评分检验可知,集合预报较单一的决定性预报(控制预报)效果有明显改善;集合平均预报一般都好于控制预报 ,同时集合预报也为预报员提供了天气不确定性的警示作用。      

基于不同参数化方案的一次梅雨锋暴雨过程的集合预报试验

针对WRF模式中各非绝热物理过程,选用不同的参数化方案,对2009年6月29—30日一次梅雨锋暴雨过程做24 h降水预报的敏感性试验,并组成18个成员做物理集合预报,分析了实况与模拟的24 h降水量及其TS评分和离散度。结果表明,WRF模式的物理集合预报可成功模拟出3个暴雨中心的位置及强度;选用Lin et al微物理方案、MRF行星边界层方案和Betts-Miller-Janjic积云对流方案对湖北省西南部地区暴雨中心的位置及强度的模拟最好;3个暴雨中心均对应于离散度的大值中心,在降水较强时段其离散度也较大;不同集合成员在某时段预报的降水量可较好体现该时段的降水概率,而由物理集合预报得到的逐时降水量则可为定时降水预报提供依据。     

物理过程参数化方案对中尺度暴雨数值模拟影响的研究

利用中尺度非静力MM 5模式和中国 2 0 0 1年 8月的 4个暴雨个例 ,研究了非绝热物理过程对中国暴雨动力和热力场预报的影响 ,深入分析了对流参数化方案在中尺度暴雨预报中的作用 ,讨论了利用模式扰动方法开展中国暴雨集合预报的可行性。结果表明 ,在短期数值预报中 ,非绝热物理过程对高度场预报影响较小 ,但边界层方案和对流参数化方案对产生暴雨的 3个基本条件即水汽通量散度、垂直速度、不稳定层结的影响很明显。不同对流参数化方案所预报的中尺度热力、动力场离差的结构特征与所预报降水的离差特征相似 ,且主要是在模式积分初期迅速增加 ,其后即趋于稳定。对中国热力场较均匀的暴雨过程 ,可以通过扰动模式的边界层和对流参数化方案 ,构造集合预报模式     

一次南方大暴雨过程的数值模拟及其误差的敏感性诊断分析

选用0．18度（约20km）分辨率中尺度大气非静力模式GARPES-Meso对2005年5月31日-6月1日发生在湖南省的大暴雨过程进行了数值模拟和敏感性试验，并用探空、地面加密实况资料和客观分析场资料等对模拟结果进行细致的误差分析和诊断研究。结果表明：此次暴雨过程发生的大尺度环流背景、尤其是500hPa环流形势及其变化过程的模拟与实况非常接近；模式对暴雨过程累积降水总分布特征、大降水的主要落区等的模拟能力亦较强。从天气过程的角度看，模式可以对降水短期预报提供有较好参考和指导价值的可用数值产品。当然，本次暴雨过程细节特征的模拟还存在着一定偏差，如：模拟降水出现过早、降水峰值模拟偏弱、低层风速模拟偏大、高空急流核风速模拟偏小等。诊断分析显示，引起这些模拟误差的原因并不相同。模拟降水出现过早，主要是由模式初值误差引起，而非模式本身原因。处于暴雨区的初始低层风场偏差，在有利的环流条件下，积分前几个小时内不断增长并向对流层低层的上部扩展，引起模式低层风场和水汽发生异常辐合，进而激发出模式降水。而模拟降水峰值显著偏弱的可能原因，一是暴雨发生前高空急流核细节特征的模拟出现偏差，影响了高空强辐散与低层强辐合的垂直耦合，导致暴雨区高空辐散和垂直运动的模拟呈现出一种明显偏弱的连锁反应；二是模式次网格尺度和网格尺度降水方案的协调性不够，对流调整和对流对格点尺度温湿场的反馈似乎还不够有效，影响了模式格点尺度产生凝结至雨的温湿条件，进而影响显式降水方案作用的发挥。上述两方面因素的不断相互作用，对模拟降水构成一种负反馈影响。最终导致模拟降水峰值显著偏弱。要提升中尺度模式定量降水预报能力，还需特别关注模式物理过程的描述和提高模式降水物理过程方案之间的协调性。     

GRAPES_YY模式发展及其对梅雨锋降水模拟的性能检验

GRAPES_YY是在球面准均匀阴阳网格动力框架基础上发展起来的全球非静力模式，目前已耦合全套物理过程参数化方案，具备了中期天气预报能力。为了解模式对环流和降水的实际预报效果，检验模式对多尺度天气系统的预报能力和误差分布特征，以ERA-interim资料和逐时地面融合降水产品为参考，对1个月（2018年6月中旬—7月中旬）批量试验结果和一次长江流域梅雨个例（7月4—7日）模拟结果进行分析。结果表明:在改进上边界条件基础上，模式有较好的稳定性，短期预报时效内对全球环流和降水刻画准确，模式24 h累计降水纬向平均成功再现了低纬度和中纬度地区的两个降水峰值，但对低纬度对流性降水和中纬度格点尺度降水预报偏强。其次，模式成功模拟出7月4—6日中国东部梅雨雨带位置、走向及南北摆动，整体上能正确反映主要天气系统的移动演变，但受分辨率限制以及湿物理过程影响，暴雨以上量级降水还存在强度预报偏弱、位置偏北的问题。GRAPES_YY模式模拟结果基本合理可信，对中低纬度梅雨锋降水的预报能力较GRAPES_GFS略有改善。      

青藏高原地表特征对短期数值预报效果的影响

本文用实际天气过程的数值预报,试验了青藏高原反照率、拖曳系数及土壤温度等因子对短期数值预报质量的影响。结果表明,对于高空环流形势,在48小时预报时效内影响不明显,但青藏高原的热力作用可改变高低空流场强度以及降水分布和降水量。     

南海夏季风爆发的数值预报试验

分析了1986年南海夏季风爆发的环流演变特征,由经向风速剖面图看出,南风首先在中南半岛迅速加强,然后向南海发展,南海夏季风爆发同孟加拉湾低压的发展密切相关。通过地形和非绝热单因子敏感性数值预报试验表明,地形作用和凝结潜热等非绝热作用对南海夏季风的爆发都是很重要的,包含有这两种作用在内的控制试验成功地预报出了南海夏季风爆发的中期演变过程,单独的地形作用或非绝热作用都不能预报出南海夏季风的爆发。     

夏季季风区气候的模拟特征

用一个由大气模式、土壤模式和水域模式三个子模式组成的模式模拟了夏季风区的气候特征。模拟得到的平均气候特征,如温度场、风场、降水和蒸发场均与实际观测场接近;模式模拟出季风区的地面气候特征,表明其与大气状态和下垫面性质关系密切;对加热场的模拟则表明,积云对流凝结潜热加热对总加热率的贡献最大.     

海洋性大陆核心区域非绝热加热年代际变化及其与东亚夏季风变异的可能联系

海洋性大陆区域是太平洋和印度洋通过“大气桥”发生相互作用的区域,也是亚洲季风和澳洲季风相互作用的重要地区。利用1979—2012年的NCEP/NCAR、CMAP月平均资料和合成分析等方法,研究了海洋性大陆核心区域非绝热加热年代际变化规律及其与东亚夏季风的可能联系。海洋性大陆地区气候变动在95~145 °E,10 °S~10 °N区域尤为显著,记此区域为海洋性大陆核心区域（即KMC区域）。不考虑大气中潜热释放时,KMC区域的非绝热加热率在1979—2012年之间存在显著的年代际变化,加热作用由弱增强,在1980年代末期达到峰值后,即转为减弱阶段。对非绝热加热异常各分量的分析发现,在KMC区域,表面潜热和净大气长波辐射起主要作用。当非绝热加热负异常时,KMC区域的陆地降水偏多,海洋上降水偏少,赤道上存在气流辐合。在115~120 °E区间平均的经圈剖面上,气流在赤道地区上升、南海下沉、30 °N处上升,构成了异常的垂直环流圈。水汽从孟加拉湾、南海地区向中国东部输送,利于产生降水正异常。东亚剖面上的经圈环流在联系KMC区域非绝热加热和东亚夏季风异常的年代际变化中起重要作用。      

INTERDECADAL CHANGE OF DIABATIC FORCING OVER KEY REGION OF THE MARITIME CONTINENT AND ITS POSSIBLE RELATIONS WITH THE EAST ASIAN SUMMER MONSOON ANOMALIES

The Maritime Continent(MC) is an important region where the Tropical Pacific and the Indian Ocean interact with each other via "the atmospheric bridge" and a key region for the interaction between the Asian and Australian monsoons. Using the NCEP/NCAR and CMAP monthly mean reanalysis over the period of 1979-2012, the interdecadal variations of diabatic forcing over the key region of the Maritime Continent and its possible relations with the East Asian summer monsoon have been investigated in the present paper. Our results show that climate variations in the Maritime Continent is particularly significant in the area of 95-145°E, 10°S-10°N, which is thus defined as the key area of the MC(i.e., KMC area). Without the input of latent heat release in the atmosphere, distinct interdecadal change of diabatic heating is found to exist from 1979 to 2012; it intensified before 1980 s and peaked in the late 1980 s and weakened after this period. By analyzing each individual component that contributes to the diabatic heating in the KMC area, surface latent heat flux and net long-wave radiation in the atmosphere are found to be the two dominant components. With negative diabatic heating anomalies over KMC, there will be more precipitation on islands and less precipitation over sea, and more rainfall around the equator, which is in correspondence with the convergence center around the equator in the KMC area. Along the meridional-vertical section averaged between 115-120 ° E, the well-defined vertical circulation anomalies are observed with the ascending branches over KMC and the area around 30°N respectively, and the descending branch over the South China Sea. Water vapor transports from the Bay of Bengal and South China Sea to eastern China to benefit the positive precipitation anomalies. The meridional-vertical circulation in East Asia plays a critical role in linking the interdecadal variability of diabatic heating over the KMC and East Asian summer monsoon anomalies.     

亚——非季风区非绝热加热与夏季环流关系的诊断研究

基于热力适应理论,本文利用 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ再分析资料对撒哈拉沙漠、青藏高原和孟加拉湾地区的非绝热加热与夏季环流进行了诊断研究。在非洲撒哈拉沙漠地区,以感热输送为主的加热仅局限于近地面层,边界层以上的大气则以辐射冷却占优势。因而除了边界层内存在着浅薄的正涡度和微弱的上升运动以外,整个对流层几乎都维持负涡度并盛行下沉运动。对于青藏高原地区,强大的表面感热通量引起的垂直扩散是近地面大气加热的主要分量,与大尺度上升运动相关的凝结潜热对低层大气的加热也有一定的贡献。长波辐射造成的对流层中、上层大气的冷却则主要由深对流潜热释放来补偿。夏季高原地区总非绝热加热是正值,且最大加热率出现在边界层内。低空大气辐合产生正涡度,而中、高层大气辐散伴有较强的负涡度。因而高原盛行上升运动,最大上升运动位于近地面层。夏季孟加拉湾地区的深对流凝结潜热释放远大于长波辐的冷却作用,因而整个对流层几乎都保持较强的非绝热加热。４００ｈＰａ层附近的最大加热率引起３００－４００ｈＰａ最强的上升运动。对流层上层是负涡度区,而中、低层为正涡度区。结果还表明,垂直和水平辐散环流与大气的热源和热汇区密切相联：在高层,辐散气流从热源区流向热汇区;在低层则相     

季节转换期间副热带高压带形态变异及其机制的研究 Ⅲ:热力学诊断

利用NCEP/NCAR再分析资料从能量收支的角度探讨了气候平均状态下副热带高压形态变异和季节转换的物理机制。在考察温度场和加热场季节变化的基础上 ,发现中国江南地区春季降水所形成的非绝热加热源非常显著 ,该热源对后期亚洲季节转换有影响。副热带高压脊面附近经向温度梯度反转取决于温度脊所在纬度位置的变化。温度脊北移是由脊轴北侧的增温率大于脊轴附近的增温率而造成的。热力学方程诊断结果表明 ,亚洲各季风区 (孟加拉湾、南海和南亚 )季节转换的热力机制不同。导致孟加拉湾温度脊显著北跳的主要因素在季风爆发初期是经向暖平流 ,爆发以后是下沉运动 ;引起南海地区经向温度梯度反转的因素有经向暖平流、纬向暖平流和江南地区的非绝热加热 ,特别是经向暖平流的贡献更大 ;造成南亚季风区经向温度梯度逆转的原因是下沉增温。     

RELATIONSHIPS BETWEEN THE POSITION VARIATION OF THE WEST PACIFIC SUBTROPICAL HIGH AND THE DIABATIC HEATING DURING PERSISTENT INTENSE RAIN EVENTS IN YANGTZE-HUAIHE RIVERS BASIN

By using NCEP/NCAR daily reanalysis data and daily precipitation data of 740 stations in China, relationships between the position variation of the West Pacific subtropical high (WPSH) and the diabatic heating during persistent and intense rains in the Yangtze-Huaihe Rivers basin are studied. The results show that the position variation of WPSH is closely associated with the diabatic heating. There are strong apparent heating sources and moisture sinks in both the basin (to the north of WPSH) and the north of Bay of Bengal (to the west of WPSH) during persistent and intense rain events. In the basin, Q 1z begins to increase 3 days ahead of intense rainfall, maximizes 2 days later and then reduces gradually, but it changes little after precipitation ends, thus preventing the WPSH from moving northward. In the north of Bay of Bengal, 2 days ahead of strong rainfall over the basin, Q 1z starts to increase and peaks 1 day after the rain occurs, leading to the westward extension of WPSH. Afterwards, Q 1z begins declining and the WPSH makes its eastward retreat accordingly. Based on the complete vertical vorticity equation, in mid-troposphere, the vertical variation of heating in the basin is favorable to the increase of cyclonic vorticity north of WPSH, which counteracts the northward movement of WPSH and favors the persistence of rainbands over the basin. The vertical variation of heating in the north of Bay of Bengal is in favor of the increase of anti-cyclonic vorticity to the west of WPSH, which induces the westward extension of WPSH.     

亚洲热带气候态夏季风涌传播特征及其对中国降水的影响

基于1979—2020年逐日的NOAA向外长波辐射资料、NCEP/NCAR再分析风场资料,以及全球CMAP再分析降水资料,探讨了气候态亚洲热带夏季风涌的传播过程及与我国夏季相应的降水联系。分析结果表明,主汛期亚洲热带气候态夏季风季节内振荡(CISO)活动是亚洲夏季风活动的主要特征,随时间北传的亚洲热带夏季风CISO称为亚洲热带夏季风涌,主要有南亚夏季风涌和南海夏季风涌。亚洲热带夏季风涌的传播可分为四个阶段。在亚洲热带夏季风涌的发展阶段,印度洋区域低频气旋与对流活跃,孟加拉湾和南海热带区域被低频东风控制,我国大部分地区无降水发生,降水中心位于两广地区。当进入亚洲热带夏季风涌活跃阶段,孟加拉湾和南海热带地区低频气旋和对流活跃,东亚低频“PJ”波列显著,我国降水中心北移到长江以南的附近区域。亚洲热带夏季风涌减弱阶段,孟加拉湾与南海低频气旋消亡,对流减弱,低频西风加强,日本南部附近为低频反气旋控制,我国长江中下游低频南风活跃,降水中心也北移到长江中下游地区,而华南地区已基本无降水,此阶段的大气低频环流场与亚洲热带夏季风涌发展阶段基本相反。进入亚洲热带夏季风涌间歇阶段时,孟加拉湾和南海热带地区低频反气旋活跃,对流不显著,日本南部附近的低频反气旋北移减弱,我国东部基本在低频南风的控制下,降水中心也逐步北移到华北-朝鲜半岛一带,此时的大气低频环流场与亚洲季风涌活跃阶段基本相反。      

地形与热源强迫在亚洲夏季风形成与维持中的物理作用

本文利用变换的欧拉平均运动方程组及一个准地转34层球坐标模式来讨论地形与热源强迫对亚洲夏季风形成与维持的物理作用。 通过地形以及地形与热源强迫所产生的准定常行星波E—P通量的散度,强迫经圈环流及扰动地转风速的计算,表明了青藏高原东南部上空夏季的非绝热加热对于亚洲夏季风形成与维持起着重要作用,它远大于地形的动力作用。 计算结果还表明:地形与热源对亚洲夏季风形成与维持的物理作用中,它通过强迫经圈环流的作用要大于强迫波E—P通量的散度的作用。