不同参数化方案对风预报效果影响个例研究

中尺度气象模式对风场的预报效果与参数化方案的适应性紧密相关.以内蒙古高原丘陵地形、江苏平缓的海陆交界地形2种典型下垫面试验风电场为模拟区域,分别用WRFV3.2 （Weather Research and Forecast Model）模式自带的6种物理过程参数化组合方案预报了2010年1月和7月两个风电场区域的风速和风向,对比分析了参数化组合方案差异对风场预报的影响.结果表明：①内蒙古试验区,边界层MRF方案描述的边界层结构较MYJ方案合理;微物理方案WSM3在夏季的风速预报能力优于WSM6,而冬季相反;复杂地形区域的风场预报需考虑陆面过程参数化方案,尤其是夏季降水发生后,陆面过程对于边界层结构的影响增大,选用Noah优于无陆面过程.②江苏试验区,边界层MRF方案描述的边界层结构较MYJ方案合理;1月陆面过程RUC方案优于陆面热量扩散和Noah;7月陆面热量扩散方案优于RUC和Noah.③风向预报6个方案的预报风向统计与实际记录风向统计有较好的一致性,风向概率分布相似,盛行风向一致且稳定.     

单多普勒天气雷达反演风场高原低纬区域同化应用

为了改善低纬高原地区天气预报水平,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其变分同化系统进行雷达VAD(Velocity Azimuth Display)反演风场资料同化试验。通过设计不同的试验方案,对2009年6月30日00:00至7月1日00:00发生在云南的一次强降水过程进行数值模拟和对比分析,结果表明:同化VAD反演风场资料后对区域模式的风矢量初始场有明显影响。同化系统能把雷达反演风场信息有效地引入模式初始场,改善强降水区域的水汽输送和风场辐合强度;同化VAD反演风场资料后对区域模式累计降水预报有一定改进作用。从长时间累计降水量定量检验结果看,具体表现为25mm以上量级的降水准确率明显提高、漏报率下降,预报偏差更趋合理。不同的同化试验方案之间的模拟结果差异较大。同化频率越高、同化持续时间越长,对区域模式初始场和预报场的影响越明显。但同化持续时间不宜过长,否则可能导致系统移速过快、降水强度偏大、空报率增加等异常。     

散射计风场的三维变分对海雾数值模拟的影响

为了评估同化QuikSCAT海面风场资料对海雾模拟的影响,对发生在2006年4月3—5日的海雾过程,首先通过3个敏感性试验,研究了不同边界层参数化方案对海雾模拟的影响,发现YSU边界层参数化方案更适合海雾过程的模拟。然后对2006年4月3—5日平流雾过程和2005年6月23—24日辐射雾过程利用WRF-3DVAR系统将QuikSCAT海面风场资料同化到模式中,并以未同化和同化了QuikSCAT海面风场资料的数据为初始场,应用WRF模式进行模拟预报,同时对模拟预报得到的结果与实况 (卫星云图和地面观测) 进行对比,结果表明:QuikSCAT海面风场资料的三维变分同化能够改善低层其他要素场,对海雾预报有明显的正效应,但对高层的影响相对有限。     

不同要素谱逼近对高分辨区域数值模式梅雨模拟的改进

为改进高分辨率区域数值天气预报模式雨带模拟偏差,利用WRF模式探讨了不同要素及其组合谱逼近方法对2015年浙江典型梅雨天气预报性能的影响。结果表明:(1)不同单要素逼近对梅雨模拟效果影响差异明显,风场逼近对模拟结果改进较大,高度场逼近对结果略有改善,而温度场逼近主要表现为负效应;风场组合了其他要素的逼近效果与单要素类似,故将水平风场谱逼近确定为最优方案。(2)最优方案对梅雨期间形势场各要素改进程度的排序为纬向风、经向风、相对湿度、温度场和高度场;三个特征层850、500、200 hPa各要素平均的均方根误差(相关系数)分别降低了(增加了)24. 1%(13.6%)、22.7%(21.7%)和13.0%(12.2%);且改进幅度随预报时效的延长而增加,这主要与区域模式内部大尺度系统的误差随积分时间增长有关。(3)典型个例分析显示,最优方案在较好订正低层风场及切变线动力条件的基础上,经过数值模式各物理过程的协同积分也修正了高湿区等关键热力因子,最终改进了高分辨率区域模式的梅雨模拟。     

人造台风模型中三维风场的改进及敏感性模拟研究

对MM5的人造台风风场方案进行了分析,并引入台风移速、移向、摩擦等客观因素构造非对称切向风场,尝试选择合理的径向风方案,并考虑风场垂直结构,改进出三维非对称台风风场模型.通过对"云娜"台风模式初始场的对比发现,径向风及高空反气旋环流的引入突出了台风的基本特征,与观测事实相接近.最后进行敏感性数值模拟,通过比较台风路径及移速、海平面气压、最大风速等模拟要素,结果表明:改进后的台风模型通过订正初始场,对台风路径及强度预报效果的提高也有正效应.     

基于WRF-3DVAR同化多源融合数据对近海风模拟的改进试验

本文利用WRF模式及其3DVAR同化系统,以2008年4月20日00时—23日00时的江苏近海10 m风场为研究个例,对Quik SCAT、Wind SAT、多源测风融合数据进行同化试验,通过比较WRF-3DVAR同化系统对模拟风场初始场和预报场的改进,检验了同化不同类型资料后WRF模式对研究区域内单点及区域近地层风速的预报效果。结果表明:同化试验对初始场有改进,且对预报场的改进较FNL资料明显;不同资料对风场模拟的影响不同,同化星星、星地多源融合资料效果最佳,Quik SCAT次之,Wind SAT最差。此外,在模式分辨率一定的情况下,提高观测资料的分辨率并不一定能够改善模拟效果,资料的稀疏分辨率存在最佳选择。     

卫星导风资料对REM中尺度数值模拟的改进研究

应用GMS-5静止气象卫星云图导出的风场产品-云迹风资料对REM中尺度η坐标有限区域数值模式的初始风场进行改进处理．模拟了2001年7月27～28日及8月16、18～19日共5天的降水过程，通过初始场的改进进行控制试验(CTE)和敏感性试验(STF)。研究结果表明，利用卫星云图导出的云迹风场资料，对中尺度数值模式的初始风场进行改进可以提高模拟精度．从而改善因测站稀疏造成的中小尺度系统漏报的不足，提高降水的预报精度。     

卫星导风资料对REM中尺度数值模式改进的试验研究

本应用GMS-5静止气象卫星云图导出的风场产品——云迹风资料，对REM中尺度η坐标有限区域数值模式的初始风场进行改进处理，模拟了2001年7月27～28日以及8月16、18～19日共5d的降水过程，通过初始场的改进进行控制试验和灵敏度试验。研究结果表明，利用卫星云图导出的云迹风场资料，对中尺度数值模式的初始风场进行改进，可以改善模拟精度，从而改善因测站稀疏造成的中小尺度系统漏报的不足，提高降水的预报精度。     

第三代浅水波浪数值预报模式及其在黄渤海域的应用

本文在简单介绍了第三代浅水波浪数值预报SWAN模式的概念、特点、原理等的基础上,着重介绍Mm5模式对风场的模拟,以及利用模拟结果作为SWAN模式中的风场资料,对大连沿海及黄渤海域(36~41°N,117.5~125.5°E)的浪高进行预报。     

Impact of Application of Cloud Motion Wind Data from FY-2C Satellite on Simulation of Typhoon Cases

针对0505号台风“海棠”,采用WRF区域中尺度模式进行控制试验和两个同化试验,利用WRF-3DVAR同化系统同化FY-2C红外和水汽两个通道云迹风反演产品,同化分云迹风经质量控制和未经质量控制两组同化试验.通过三组试验分析云迹风资料对降水和风场等的预报结果的影响,并进行24小时降水量分级Ts评分检验以及风场点对点检验.结果表明:同化经质量控制云迹风资料可以提高降水落区和强度预报的准确度,不同等级的Ts评分较其它试验都有较明显改进;风场预报模拟也有所改善.增加两例台风,使用与“海棠”相似的处理方法进行模拟试验,并对模拟结果24小时降水分析与检验,得到与“海棠”类似结论.因此,经过合理性选择的云迹风资料的加入,有利于补充初始场中可能未包含的中尺度信息,从而提高试验中对于降水、风场等的模拟效果,提高WRF模式的模拟预报能力.     

基于WRF模式的青岛沿海地区近地面风的敏感性研究

沿海地区受风的影响较大,不仅受大尺度季风的影响还受到中小尺度局地风的影响,利用WRF模式从参数化组合方案、土地利用数据、水平网格精度以及耦合UCM四个方面对青岛沿海地区近地面风进行了模拟和比较。结果表明,微物理方案和边界层方案对研究区近地面风的影响较大,WSM3 + YSU + Revised MM5 Monin-Obukhov + KF的参数化组合方案对研究区的模拟效果较好,相关系数在0.50~0.75之间,均方根误差在1.44~1.61之间。LUCC2015和TM2015土地利用数据能够更好地反映研究区的土地利用类型的分布特征,两者的模拟效果优于MODIS2001和MODIS2013。随着水平分辨率的提高,对地形刻画越精准,模拟效果越好,并且WRF+UCM方案能显著降低城市地区近地面风速,优化模拟结果。沿海地区近地面风的影响因素较为复杂,考虑模式的参数化方案组合、土地利用数据、地形和城市等多种因素,以期为沿海地区近地面风的模拟提供依据。      

环渤海区域再分析资料地面风速场的适用性对比分析

利用环渤海区域的气象站资料和NCEP/NCAR、NCEP/DOE、CFSR、ERA Interim、JRA-55共5种再分析资料,讨论了再分析资料近地面10 m平均风速场在环渤海区域的适用性问题。结果表明：JRA资料与观测站的相关系数最大,ERA资料与23站均方根误差的平均最小;再分析资料与气象站观测资料的相关系数在山东半岛和辽东半岛高于其他地区、冬半年大于夏半年。环渤海区域地面10 m平均风速场JRA和ERA两套资料的适用性较好。由于ERA-Interim的水平分辨率更高,所以在强风过程分析中确定使用ERA Interim再分析资料。     

基于WRF模式的风电场短期风速集成预报方法研究

风能始源于大气的运动,具有很大的随机性和间歇性。风速预测是风电场风功率预测的基础,其准确性具有重要的意义。对于复杂地形条件下,风速的预报一直是各国研究的难点和重点。为了提高风电场短期风速预报的准确性,本研究采用多种边界层参数化方案来集成预报风速,将各单一边界层参数化方案预报的风速及相应的实测风速数据,应用随机森林算法建立集成预报模型,对风电场的短期风速进行集成预报研究。试验结果表明,采用集成预报风速方法,预报的风速误差相比于单一边界层参数化方案预报的风速误差明显减小,对研究区域的风速、风向等气象要素有着较好的模拟效果,能够有效提高风速预报的准确率。     

北京地区一次空气重污染过程的气象条件模拟参数化敏感性试验

气象预报是影响大气重污染预报精度的关键所在。针对2016年12月16～21日北京市一次重污染过程,开展了中尺度气象模式WRF的参数化方案配置敏感性试验。对微物理过程、长波辐射过程、短波辐射过程、陆面过程、边界层过程、近地面过程以及积云对流参数化过程进行组合优选,共设计51组参数化方案组合,分析不同模拟方案下北京市8个气象站点温度、相对湿度、10 m风速的模拟精度及其敏感性。试验结果表明:温度模拟对长波过程参数化方案最为敏感,集合离散度达2.4～7.4°C,再次是短波过程参数化方案;相对湿度模拟也对长波过程参数化方案最敏感,再次是陆面过程;风速模拟对不同过程参数化方案的敏感性程度差异不大。通过模拟结果与观测的统计对比,优选出模拟误差最小的方案组合为Lin微物理方案、RRTMG长波方案、RRTMG短波方案、Tiedtke积云对流方案、Noah陆面方案、MYNN 3rd边界层方案和MYNN近地面方案,并将其与集合平均、基准方案进行对比。对于集合平均来说,其温度模拟与观测相关系数为0.69,高于基准方案,其模拟偏差与均方根误差比基准方案低25%和11%;集合平均的相对湿度和风速模拟相比基准方案变化较小。与集合平均相比,优选方案能同时改进温度、相对湿度和风速模拟,使温度模拟偏差和均方根误差比基准方案下降35%和17%,使相对湿度模拟偏差和均方根误差下降43%和13%,使风速模拟偏差和均方根误差下降33%和24%。以上结果表明,参数化方案的敏感性试验和优选能显著减小重污染期间气象要素的模拟误差,重污染预报改进需重点关注参数化方案模拟上的不确定性。本研究也发现MYNN3rd边界层方案在这次重污染过程的气象要素模拟上具有良好性能,可为未来重污染预报改进提供参考。     

Dynamical downscaling forecasts of Western North Pacific tropical cyclone genesis and landfall

This study evaluates the potential use of the regional climate model version 3 (RegCM3) driven by (1) the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) Climate Forecast System Reanalysis (CFSR) data during 1982–2001 and (2) the NCEP Climate Forecast System Version 2 (CFS2) hindcast data during 2000–2010 in forecasting Western North Pacific (WNP) tropical cyclone (TC) activity. The first experiment is conducted to investigate the ability of the model in generating a good climatology of TC activity in spatial and temporal scales, so the model could be used in the second experiment to test its ability in forecasting TC genesis and landfall. Both experiments extend through the May to October WNP-TC season. Results show that the use of RegCM3 driven by the CFSR achieves a better simulation on the temporal and spatial variation of WNP-TC genesis during 1982–2001, as compared to previous studies using the same model but driven by the ERA40 reanalysis. In addition, diagnoses on the use of RegCM3 driven by the CFS2 point out that the 2000–2010 WNP-TC genesis locations and numbers from the model are very similar to those from the observations. The skill of RegCM3 in the forecasts of landfalling TCs is higher over the Southeast Asian region than over the other sub-regions of East Asia. Potential causes for such regional differences are discussed. Most importantly, statistical analyses show that the use of RegCM3 driven by the CFS2 gives a better forecast skill than the use of CFS2 alone for the prediction of WNP-TCs making landfall in East Asia. This indicates that the use of a dynamical downscaling method for the global forecast data would likely lead to a higher forecast skill of regional TC landfalls in most of the East Asian region.     

IMPROVED FORECASTING OF COLD AIR OUTBREAKS OVER SOUTHERN CHINA THROUGH OROGRAPHIC GRAVITY WAVE DRAG PARAMETERIZATION

The parameterization of gravity wave drag induced by sub-grid scale orography(GWDO), which has been used in the regional model based on the Global/Regional Assimilation and Prediction System for Tropical Mesoscale Model(GRAPES_TMM), is extended to include the effect of mountain flow blocking drag(MBD). The extended scheme is evaluated against non-GWDO parameterization, including a cold air outbreak over southern China and a monthly verification in February 2012. The experiment results show that the GWDO and MBD parameterization both improves the forecasting of the cold air outbreaks over southern China, as well as alleviations of system bias of GRAPES_TMM.(1) The extended scheme alleviates the strong southerly wind and high surface temperature simulation during the cold air outbreak, especially over northern Guangxi and Guangdong(NGG) province, where local high surface temperature simulation reduces nearly 5 degree.(2) The MBD parameterization improves southerly wind simulations over NGG, as well as surface temperature forecasts improvement over Guangxi, Guizhou province and southern Yunnan-Guizhou plateau(YUP), and low level southerly wind simulation improvement over intertidal zone over south China.(3) The formation of MBD is mainly in the mountain area(Wuyi, Daba mountain, east of YUP) and coastal area. The MBD over plateau, which is mainly formed at the west of 105°E, is stronger and thicker than that over Nanling mountain.(4) The improvement of GWDO and MBD parameterization is stable in model physics. MBD parameterization demonstrates more overall improvements in the forecasts than GWDO, and the larger of the model forecast error is, the greater improvements of MBD contribute to. Overall, the extended GWDO scheme successfully improves the simulations of meteorological elements forecasting during cold air outbreaks.     

Regional climate simulations for the European Alpine Region��sensitivity of precipitation to large-scale flow conditions of driving input data

The MM5 modelling system has been used to perform regional climate simulations over Western Europe on a 45-km grid for the years 1971 to 2000. We focus our analysis on the impact of the driving input data on simulated precipitation in the Alpine area. Using ERA40 reanalysis data, the MM5 climatology of precipitation compares reasonably well with an observational climatology for the Alpine region. Switching to an ECHAM5 climate simulation as driving data induces excessive overprediction by up to 80% in the colder seasons there, primarily over the Alpine slopes. The large-scale flow provided by the global datasets revealed moderate differences indicating an increased number of low-pressure systems travelling from the Atlantic into the Alpine region for ECHAM5 compared with ERA40. Mean seasonal 700-hPa wind speeds correspondingly showed higher values for the ECHAM5 driven simulation in the central Alps. Partitioning three-hourly 700-hPa winds according to direction and speed in the central Alps specifically revealed a distinct shift to stronger westerly and north-westerly winds. Furthermore, aggregating three-hourly rainfall amounts to the same wind direction and wind speed intervals as for the wind statistics revealed strongly intensified precipitation due to the overly intense westerly winds, implying too intense orographic precipitation enhancement.     

GRAPES中地形重力波拖曳物理过程的引进和应用试验

在中国新一代全球中期/区域中尺度同化与预报系统(GRAPES)模式中引进了ECMWF地形重力波拖曳物理过程,填补了GRAPES全球中期数值预报系统中物理过程的空白。重新计算了地形重力波过程需要的地形静态资料数据,并与原ECMWF模式的地形静态参数进行了对比分析,验证了模式地形参数的正确性。利用GRAPES模式,进行了地形重力波拖曳物理过程影响的敏感性数值试验;结果表明:引进地形重力波拖曳过程以后,在存在大地形的区域,风场会发生变化,当纬向风遇到青藏高原时,一部分气流会产生爬坡效应而越过高原,使高原上空的西风气流减弱;另一部分气流会绕过高原,在高原的南侧产生绕流;随着模式积分时间的延长,风场变化会越来越明显,地形越复杂,风场的变化也越复杂;连续的模式积分试验结果显示,引进地形重力波过程,可以延长GRAPES模式的可用预报时效,提高了全球形势预报的准确率。通过对一次降水过程的模拟,对地形重力波过程影响降水预报的原因进行了简单分析。结果显示:引进地形重力波拖曳过程后,改变了大气流场的分布,使预报的流场更接近于大气真实状态,从而提高了降水预报的准确率。     

Inter-comparison of long-term wave power potential in the Black Sea based on the SWAN wave model forced with two different wind fields

In this study, a long-term comparative assessment of the potential of wave power in the Black Sea was conducted using the calibrated and validated SWAN (Simulating WAves Nearshore) model forced by two well-known wind fields. The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) ERA-Interim and National Centers for Environmental Prediction/Climate Forecast System Reanalysis (NCEP/CFSR) wind fields were used, covering data from 1979 to 2018. In general, the wave power potential based on the results of the CFSR wind field was found to be slightly higher than that obtained with the ERA-Interim wind field. The greatest discrepancy between the results of the ERA-Interim and CFSR wind fields was observed in the northeastern Black Sea. The spatial distributions of the wave power were also evaluated on a seasonal scale using wave parameters obtained from the calibrated SWAN model. The wave climate obtained from both long-term and seasonal assessments indicates that the western Black Sea, especially the southwestern Black Sea, is characterized by higher wave power potential and lower variability, while the eastern Black Sea has lower wave power potential and higher variability. Stable and powerful long-term wave conditions in the southwestern Black Sea can indicate that this region is a suitable location for wave farms. In contrast, the effect of the long-term variability on wave power is greatest in the eastern Black Sea owing to the highly variable wave conditions in this region.