多源观测资料在LAPS中尺度分析场中的作用分析

利用LAPS系统,分别针对华中、华南两个区域,将2008—2010年5—7月采集的观测资料进行融合同化分析,设计几种敏感性试验方案,以探空资料为客观标准,对比分析各种观测资料对LAPS分析场各要素误差的作用。将LAPS分析资料和FNL再分析资料做比较,给出融合多种观测资料后LAPS分析场的误差精度。结果表明,LAPS融合同化雷达资料、探空资料、地面观测资料后所得到的分析场误差最小;雷达资料和探空资料的融合对于改善风场及温度场的分析具有正效果,并可减小低层相对湿度误差;融合地面资料后能改善低层的温度场和湿度场分析,但对中高层无影响。对比试验期间各要素总均方根误差可发现,LAPS分析的温度、风向和风速较FNL再分析资料有明显改善,各要素误差在观测误差范围内;高度误差在中低层小于10 m,高层小于20 m;温度误差在1℃左右;相对湿度误差在中低层小于20%,高层误差较大;850hPa以上风向误差较小,不超过20°,风速误差小于2m·s-1。     

不同天气条件下微波辐射计和风廓线雷达探测数据误差特征分析

为探讨微波辐射计和风廓线雷达探测数据的准确性和可用性,利用天津全运会期间获取的GPS探空资料,分析不同天气条件下微波辐射计探测温湿度、风廓线雷达测风的误差特征。结果表明：晴天、云天和雨天条件下,微波辐射计反演低空温度廓线效果均较好,反演高空温度廓线误差较大,云天条件下,反演的整层温度廓线与探空实测值相关性最优;3种天气条件下,微波辐射计反演相对湿度廓线的误差均较大,与探空实测值的相关性也较差;晴天和云天条件下,风廓线雷达探测风向、风速的误差均较小,雨天风廓线雷达测风效果较差;晴天和云天条件下1750 m以上,雨天3000 m以上,风廓线雷达探测风速数据与探空实测值相关性较好,低空探测风速与探空相关性较差;3500 m以下,3种天气条件下风廓线雷达探测风向与探空实测值相关性较差,3500 m以上相关性较好,数值在0.6—1.0之间波动变化。     

上海组网风廓线雷达数据质量评估

利用2014年6月美国国家环境预报中心(NCEP)的全球模式分析资料,对上海及周边地区组网的七部边界层风廓线雷达的水平测风数据进行了初步分析和比较。由于NCEP全球模式分析资料并未使用上海13:15加密观测探空秒间隔数据,首先用该数据对NCEP分析资料的准确性和代表性进行了检验。结果表明,两者平均偏差与均方根误差均较小,故认为NCEP分析资料可用于客观检验上海及周边地区组网的七部边界层风廓线雷达的水平测风数据。对比分析风廓线雷达与NCEP分析资料表明总体上,风廓线雷达与NCEP分析资料的平均风场风速偏差为-0.14 m·s~(-1),均方根误差为2.72 m·s~(-1),风向偏差为-4.28°。上海组网风廓线雷达测风资料质量与探空观测水平接近,有较高的可用性。     

应用多种探测资料对比分析两次突发性局地强降水

为了做好突发性局地暴雨的临近预报和预警,利用常规天气图、BJ-ANC系统的北京区域雷达拼图和VDRAS风场、地面自动站、风廓线雷达的水平风垂直廓线、卫星云图等多种探测资料,对2009年7月13日和2008年8月14日北京城区的两次突发性强对流局地暴雨天气的影响系统和中尺度系统进行了对比分析,提炼了城区突发对流性暴雨预报预警的预报着眼点。分析表明：两个个例在水汽输送条件、中低层的动力条件、冷空气侵入等方面有有利的天气尺度条件;暴雨之前卫星云图上介于南北两个系统之间的晴空区、对流系统的发生发展与1 km以下的中尺度辐合中心的联系等方面有相似之处;而在雷达回波的移向移速、各层VDRAS风场配置及风廓线雷达资料中水平风垂直廓线结构等方面有差异。通过分析研究,进一步提高了运用高时空分辨率资料作短时突发性对流性暴雨的预报能力,这对于主汛期的预报和服务工作有十分重要的作用。     

基于地基遥感设备构建遥感探空廓线

利用天津地基遥感(风廓线雷达和微波辐射计)数据及地面自动气象站数据构建地基遥感探空廓线系统(简称遥感探空廓线), 旨在弥补常规探空层结信息时空密度不足, 对2020—2021年5—9月遥感探空廓线反演结果进行模式检验, 并从中选取10次强对流过程进行个例效果评估。结果表明:反演数据与欧洲中期天气预报中心再分析数据(ERA5)比湿的平均绝对偏差为1.06 g·kg-1, 对流有效位能相关系数为0.84(达到0.01显著性水平)。10次强对流过程中强对流发生前临近时次常规探空对流有效位能平均值为322 J·kg-1, 遥感探空廓线具有分钟级时间分辨率, 能高时效性地跟踪大气状态的演变趋势, 对流发生前8 h内对流有效位能平均峰值为1451.88 J·kg-1, 与常规探空相比具备明显对流指征。研究表明:遥感探空廓线能动态描述热动力参数的配置及对流潜势的发展与释放过程, 有利于提高短时临近预报的精细化水平。     

云雷达和微波辐射计联合反演大气湿度廓线的初步研究

利用中国气象局大气探测试验基地的微波辐射计亮温值、对应的云雷达测得的反射率因子和L波段探空数据,采用BP(back propagation)神经网络作为反演工具,反演得到大气垂直湿度廓线。将天气情况分为晴天、低云、中云和高云四种情况,对比不加入反射率因子的反演湿度廓线,分析两种反演方法在各高度层的均方根误差。对比结果表明,加入反射率因子的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.862,均方根误差为14. 9%,而不添加反射率因子的相关系数平均值为0.763,均方根误差为19.2%。     

多普勒雷达VAD风廓线资料的质量评估

将2004—2007年浙江省温州多普勒雷达VAD风廓线和相邻洪家探空站同期经修正的探空风廓线资料进行对比统计,分析了两者之间的差异和相关性;对不同高度层以及三种不同降水系统中(大面积连续性降水、阵性降水、热带气旋降水)VAD反演方法的精度进行了研究,并分析误差来源。结果表明,VAD方法反演的风廓线与探空廓线之间具有较高的相关性。VAD方法对大面积连续性降水的风向和风速的反演质量最好,其次是热带气旋降水。风向、风速偏差最大的均为阵性降水。      

风廓线雷达资料对华南区域模式预报的影响

设计基于GRAPES_Meso的不同试验模拟2014年3月28日-4月8日的广东前汛期降水过程,评估风廓线资料对同化和预报的影响。对资料同化后分析增量的分析表明:相比同化时仅使用自动气象站资料,风廓线雷达资料对1000 hPa到850 hPa纬向风增量均有贡献,在850 hPa,700 hPa高度以上贡献迅速减小。应用3个试验的预报结果计算探空站、风廓线雷达站预报值与观测值的11 d均方根误差发现,同化加入风廓线雷达资料对各预报要素的改善在850 hPa高度最明显,其中风速预报误差显著降低,为0.7 m·s-1。此外,风廓线雷达资料对700 hPa风速预报有一定改善,而在925 hPa高度模拟效果反而降低。通过对2014年3月30日12:00（世界时）的个例分析发现,同化加入风廓线雷达资料的风速预报均方根误差在大雨级别以上的降水落区更大,其原因还有待于进一步研究。     

基于雷达四维变分分析系统的强对流高分辨率模拟个例分析和批量检验

利用以雷达资料快速更新四维变分同化(RR4DVar)技术和三维数值云模式为核心的模拟分析系统,通过同化京津冀区域6部新一代天气雷达逐6 min的径向速度和反射率因子资料,并融合区域自动站逐5 min观测和中尺度数值模式结果,对发生在京津冀地区的18个对流风暴"事件"进行了高分辨率数值模拟,开展了个例分析和全部模拟结果的检验评估。个例分析结果表明,模拟的低层三维动力、热动力和水汽特征可以明确解释复杂地形条件下对流风暴的局地新生、组织化和线状中尺度对流系统(MCS)的形成。高分辨率模拟结果也明确指示了线状中尺度对流系统中对流风暴单体不断新生(再生)和"后向传播"的机制,以及地形强迫在风暴形成和演变中的重要作用。基于一部风廓线雷达、两部地基微波辐射计、一个秒级探空和一个边界层观测塔等局地高频非常规观测数据对18个对流风暴"事件"模拟结果的检验表明,0-3 km的风速、风向和温度的模拟误差(包括偏差和均方根误差)总体较小。其中,最低模式层(187.5 m)风速偏差和均方根误差分别在-0.5和0.9 m/s以内,最高检验层(2.8125 km)风速偏差和均方根误差分别在-0.9和1.6 m/s以内,风速误差随高度逐渐增大;风向偏差在14°-22°,风向均方根误差小于38°;温度偏差和均方根误差分别在-1和1.8℃以内。系统模拟的低层风速、风向和温度的偏差和均方根误差在对流风暴内部稍大于外部。上述研究表明,该系统模拟结果对对流风暴生消、发展及生命史特征的临近预报和预警具有重要指示意义。     

风廓线雷达资料对GRAPES_MESO数值预报系统影响的初步研究

针对一个南方切变线系统降水个例,通过观测系统模拟试验(OSSEs)对我国拟建风廓线雷达观测网内的不同类型风廓线雷达观测资料在GRAPES_MESO系统中的影响、对风廓线雷达观测和探空观测及两者混合使用时在GRAPES_MESO系统中的影响差异进行了初步分析和讨论。试验结果表明,在GRAPES_MESO系统中,风廓线雷达资料对500 hPa高度以下水平风速分析场的修正作用明显优于探空资料;风廓线雷达资料对水平风速分析场的影响高度极限大约在300 hPa附近,经过6h的传播,其影响可以向上继续传播至250 hPa以上高度;在300 hPa高度以下,同化对流层Ⅱ型风廓线雷达资料对水平风速分析场的影响比边界层型风廓线雷达资料略大;单独同化风廓线雷达资料对降水预报的贡献较弱,与探空观测混合使用时有助改进降水预报。     

LAPS在冰雹云模拟中的应用

LAPS是中国气象局武汉暴雨研究所引进的中尺度分析系统,能融合区域内多种非常规观测资料,提供高分辨率中尺度分析场。该文对探空资料和LAPS分析场两种初始场的大气层结和环境风场信息进行了比较,并应用探空资料和不同时次的降雹点的LAPS分析场作为三维对流云模式的初始场对2008年7月27日、28日湖北西部山区冰雹天气过程进行数值模拟,并将模拟结果与观测实况进行了对比分析,最后对27日降雹过程应用临近降雹时次的LAPS分析场作为云模式初始场模拟的回波、风场和垂直速度等特征进行了分析,以探讨LAPS用于云数值模式的适用性、优越性以及冰雹云发生发展特点。结果表明: LAPS输出场用于云模式初始场进行冰雹云数值模拟具有时空上的优势,能更好地模拟出午后局地降雹,可以弥补探空资料作为云模式初始场的不足,应用临近时次的LAPS分析场作为云模式初始场的数值模拟能体现出冰雹云发展过程中多次增强等细节,有利于人工防雹作业预警和催化方案的确定。     

边界层风廓线雷达对登陆台风观测适用性评估

利用2014—2019年6个台风合计34组数据,通过与机动式边界层风廓线雷达以及同点探空数据进行对比,分析风廓线雷达对登陆台风边界层结构诊断的适用性。初步分析表明:有30组数据完整度高于80%,且平均标准差为3.64 m·s-1,平均误差为4.67 m·s-1。30组数据中有19组数据的对比结果较好,均呈现风廓线雷达与探空廓线在250 m高度以上重合度较高、250 m高度以下重合度较低的特征,其原因可能与探空低层加速以及风廓线雷达低层受干扰有关。将250 m高度以下的数据剔除后和剔除前对比发现,数据质量得到提高。从空间分布看,低质量数据大多分布在台风中心距离观测点200 km及以外的区域,但较高质量数据相对于台风中心并无明显的倾向性分布。从降水分布看,未发现数据质量与降水关系明显。尽管使用的数据比较有限,但风廓线雷达在台风边界层结构观测中展现较好应用潜力。     

TK 2GPS人影探空火箭与L波段探空数据差异性分析

开展TK-2GPS人影探空火箭探测数据的分析检验,对于了解试验仪器的适用性和数据可靠性及其在人影中的应用前景非常重要。利用TK-2GPS人影探空火箭和L波段探空资料,采用平均偏差、均方根误差和相关系数等分析方法,对两种探空的温度、相对湿度、风向及风速等要素的差异性和变化特征进行了对比分析,并对可能造成差异的原因进行了探讨。结果表明:探空火箭与L波段探空同要素间均呈显著的正相关,通过了0.05及以上显著性检验。温度、风速平均偏差和离散度较小,相关性最好;相对湿度的平均偏差虽大,但相关性较好;风向在各高度层的离散度较大。两种探空的温度、风速垂直廓线变化趋势一致性高;相对湿度垂直廓线变化趋势存在一定差异,前者相对湿度较后者明显偏小。随水平探测距离的增加,探空火箭探测数据相对L波段探空的偏差值有所增大。通过相关分析建立的相对湿度订正方程,能很好地对探空火箭的相对湿度进行订正。     

基于卫星红外窗亮温探测上冲云顶

上冲云顶是卷云砧上的穹顶状突起,表示存在强对流切变和强烈上升气流,是强雷暴的重要指示者.伴随上冲云顶的雷暴经常产生灾害性天气,如航空湍流、强降雨、冰雹、破坏性的风和龙卷等.本文以2010年9月6日发生在安徽北部地区的一次特大暴雨过程为例,用卫星红外窗区通道观测亮温探测上冲云顶,并将高时空分辨率的局地分析预报系统(LAPS)的中尺度分析场资料与用红外窗方法探测到的上冲云顶进行定性比较,结果表明造成此次强降雨过程的对流系统即为一个伴随上冲云顶的强雷暴系统,LAPS中尺度分析场资料客观地验证了上冲云顶的存在.     

2011年4月17日广东强对流天气过程分析

利用地面和高空观测、卫星、雷达和闪电及自动站资料对2011年4月1 7日出现在广东省的强对流天气的背景和演变进行了分析和总结,本次强对流过程出现了短时强降水、雷雨大风和冰雹等强对流天气,具有风力强、中尺度强风暴系统明显、局地性强和灾情严重等特点。分析表明,地面锋面抬升是本次强对流天气发生的主要触发机制,珠三角地区的地形平坦、广东中层的干急流以及较大的垂直风切变可能是强风暴系统发展和维持的主要因素。最后,本文也分析了当时的主观预报思路并提出了一些思考和总结。     

LAPS同化GPS/PWV资料在暴雨预报中的应用研究

利用LAPS(Local Analysis and Prediction System)系统同化GPS(Global Positioning System)/PWV(Precipitable Water Vapor)资料,分析GPS/PWV资料对LAPS输出场的影响,并结合WRF模式,将LAPS输出场作为其初始场进行降水预报,进一步考察GPS/PWV资料对降水预报的作用。选取2009年6月28日湖北地区的一次强降水过程,设计三种方案进行试验。结果表明:同化GPS/PWV资料后对LAPS湿度场有显著的改善,而对高度场及风场的作用则不明显;GPS/PWV资料对区域平均可降水量的影响比雷达资料大一个量级;与此同时,利用多种评分方法对6 h累计降水做了检验,分析结果表明同化GPS/PWV资料能够有效地改进WRF模式的初始场,增加丰富的中小尺度信息,并对随后的确定性预报产生正影响。     

High-Resolution Mesoscale Analysis Data from the South China Heavy Rainfall Experiment (SCHeREX): Data Generation and Quality Evaluation

In this study,the observational data acquired in the South China Heavy Rainfall Experiment (SCHeREX)from May to July 2008 and 2009 were integrated and assimilated with the US National Oceanic and Atmospheric Administration's (NOAA) Local Analysis and Prediction System (LAPS; information available online at http://laps.fsl.noaa.gov).A high-resolution mesoscale analysis dataset was then generated at a spatial resolution of 5 km and a temporal resolution of 3 h in four observational areas:South China,Central China,Jianghuai area,and Yangtze River Delta area.The quality of this dataset was evaluated as follows.First,the dataset was qualitatively compared with radar reflectivity and TBB image for specific heavy rainfall events so as to examine its capability in reproduction of mesoscale systems.The results show that the SCHeREX analysis dataset has a strong capability in capturing severe mesoscale convective systems.Second,the mean deviation and root mean square error of the SCHeREX mesoscale analysis fields were analyzed and compared with radiosonde data.The results reveal that the errors of geopotential height,temperature,relative humidity,and wind of the SCHeREX analysis were within the acceptable range of observation errors.In particular,the average error was 45 m for geopotential height between 700 and 925 hPa,1.0-1.1℃ for temperature,less than 20％ for relative humidity,1.5-2.0 m s-1 for wind speed,and 20°-25° for wind direction.The above results clearly indicate that the SCHeREX mesoscale analysis dataset is of high quality and sufficient reliability,and it is applicable to refined mesoscale weather studies.