时间加密探空观测对分析和预报质量的敏感性研究

探空观测是气象资料同化中最基本的常规观测资料,对同化分析和预报的有效改善具有重要作用。由于现有探空观测站的空间分辨率较低,分布不均匀,且每日仅有两次观测,数量偏少,限制了其分析场对中小尺度大气状态的准确再现能力。自我国L波段雷达-数字探空仪更新换代以来,探空观测具备了获取每日4次、垂直分辨为秒级和分钟级的大气廓线资料。本文利用WRF中尺度数值模式,通过06时（世界时,下同）加密探空资料和12时常规探空资料的有效同化,研究分析了时间加密探空观测资料对同化分析和预报质量的敏感性影响。结果表明：同化06时的时间加密探空资料的午后暴雨预报质量优于12时常规探空观测。具体而言,同化06时的时间加密探空资料预报的大雨和暴雨的预报技巧高于12时常规探空资料;位势高度、温度和风场等预报场的均方根误差在高层的改进效果更加明显;06时的时间加密探空资料的同化对高层的高空急流和低层的水汽通量散度的预报质量贡献更大。批量试验进一步证实了有效同化时间加密探空资料对分析和数值预报效果改进的积极意义。     

NCEP再分析资料在强对流环境分析中的应用

为考察NCEP再分析资料在我国强对流天气产生环境分析中的适用性,选取2002—2009年多普勒天气雷达识别的60例超级单体风暴个例,对比分析常规探空资料和NCEP再分析资料提取的温、湿、风垂直廓线,结果表明:NCEP再分析资料计算的对流有效位能因对抬升气团湿度敏感而与观测间差异较大,宜用K指数、温度直减率分析大气层结稳定度;因对流层中高层风与探空差异不大,其中500~700 hPa的风与探空近乎一致,因此NCEP再分析资料计算的深层、中层风垂直切变参量可靠性较高;NCEP再分析资料水汽参数与探空资料差异大,特别是在大气边界层,需用观测资料订正;边界层物理量,特别是风向与探空差异显著,因此不宜用NCEP再分析资料讨论雷暴触发问题;平均而言,NCEP再分析资料湿度廓线低层偏干而中层偏湿,925 hPa以上风速偏小,降低了强对流发生概率。     

HUBEX试验期间地基微波辐射计反演资料的应用研究

在1998年和1999年淮河流域能量和水循环试验(HUBEX)加密观测期间(IOPs),获得了双通道微波辐射计观测资料反演得到的大气水汽含量和云中液态水含量的时间连续资料序列.本文结合天气分析和其他加密观测资料,进行了HUBEX试验期间天气变化同大气水分变化关系的分析.结果表明,天气条件的变化是大气水分变化的主要原因.     

HUBEX区域资料同化系统

介绍HUBEX区域资料同化系统。这个系统采用6 h周期的间歇资料同化方法, 利用全球粗网格分析场资料, 形成冷启动的初估场和同化模式的边界条件。系统还包括资料质量控制、σ面最优插值客观分析、张弛逼近 (Nudging) 初值化、中尺度同化模式预报和后处理等部分, 对来自全球通讯系统、HUBEX加密观测的资料和国家卫星气象中心的导风资料进行同化。最后, 用1998年6月24~28日长江流域的暴雨过程对这个资料同化系统进行测试。     

地面报中高山站资料的应用分析

无线电探空仪观测和地面观测资料作为天气分析和数值预报最常用、最重要的两种资料数据源,两者时空分辨率有着明显的差异。如何利用地面观测资料的高时空分辨率特点来补充探空观测资料在一些地区的欠缺和不足,特别是地面高山站资料的使用对对流层底层环流场的影响及对精细化数值天气预报风场分析指示意义等都需要进一步的探究。文章通过对地面高山站资料在资料同化中不同的使用方式的分析,探索其作为探空资料的补充在资料同化中的贡献。个例试验选取2013年6月29日00时地面资料和探空观测资料进行资料同化,试验方法:分别将地面高山站资料作为探空资料和地面资料应用于同化分析中,结果表明:地面高山站资料当探空资料使用时对850和925 hPa风场同化分析有正效果。在地面高山站资料当探空资料使用和当地面资料使用的对比中,其24 h 850和700 hPa高度和风场预报试验差异不显著;但24 h降水预报结果显示:地面高山站资料当探空资料使用对降水强度和位置的预报都有弱的正贡献。连续试验的降水预报检验证明:在地面高山站较多的西南区,高山站资料当探空资料使用在小雨、中雨、暴雨等量级的预报评分要优于高山站资料当地面报使用,且其预报偏差也较小;在中国区降水预报检验高山站资料当探空资料和地面报使用差异不大。     

黄土高原地区两种再分析资料的模拟效果分析

为了研究两种再分析资料(NCEP和ERA Interim)对中尺度模式WRF模拟结果的影响,利用地面观测资料和探空资料,通过NCEP/WRF和ERA/WRF两组模拟试验,探讨了这两种再分析资料在黄土高原地区对WRF模式模拟结果的影响。结果表明,两组试验都能准确地模拟出2 m气温、相对湿度和地表温度的日变化,且ERA/WRF的模拟效果较好;由于黄土高原地形复杂,两组试验对10 m风速的模拟都不好;两组试验对地表辐射和地表通量的模拟结果相当,都能大致模拟出辐射各分量和地表通量的日变化,模拟偏差主要出现在正午时段;两组试验对大气边界层结构的模拟结果相似,对位温和比湿的模拟效果较好,与观测值的相关系数都在0.8以上,对风速的模拟效果稍差,与观测值的相关系数分别为0.64和0.60,NCEP/WRF对大气边界层结构的模拟结果比ERA/WRF好。     

加密探空资料在华南暴雨数值预报的应用试验

应用逐时同化预报系统CHAF进行加密探空资料同化试验,比较了同化加密探空资料与仅同化常规探空资料所得同化分析场和模式预报结果的差异.同化加密探空资料所得分析场水汽的均方根误差减小,水汽条件和大气环流形势与实况更接近.以加密同化探空资料所得分析场为模式初始场进行预报,雨区的分布和降水量级都较控制试验有改善.分析模式预报改...     

探空加密观测资料对西南地区数值预报的影响分析

应用2013年6月逐日全国探空气象加密观测资料和常规观测资料,WRF模式模拟资料,西南地区地面自动站资料等,采用数值模拟、统计方法和天气学方法,分析了探空气象加密观测资料对数值模拟效果的影响。研究得到:(1)探空资料同化,总体上提高了降水的TS评分值,一定程度降低了降水预报空报率,提高了中雨和大雨的6h累积降水预报准确率。(2)探空资料同化主要使降水区上空位势高度增加,气旋环流减弱,从而影响降水落区和降水强度。(3)探空资料同化减小气象要素分析场和预报场的均方根误差,对高空要素预报的改进在前24h较明显,尤其是前6h,对地面气象要素预报在整个积分时段内总体呈现正效果作用。     

地面观测资料在快速更新同化系统中的敏感性试验

通过对2011年7月31日发生在上海的局地强对流过程,利用快速更新同化系统(SMS-WARR),设计了四个试验,对地面观测资料(常规地面观测资料、加密自动气象站资料)进行敏感性数值试验。结果表明:不同地面观测资料同化对模式初始场的调整作用不同,地面观测资料的疏密影响模式初始场预报,加密自动站气象资料同化对初始温度场、风场的影响最明显;所有试验中,同化所有观测资料的模式能较好地模拟出此次强降水过程,且模拟的地面温度场、风场以及辐合线的演变与实况基本一致;通过分析、比较各试验初始场和预报结果的影响发现,同化所有地面观测资料能改善模式的初值,且观测资料通过循环同化的方式融合进模式,提高了模式对强对流中尺度结构特征的刻画,改善了对局地强对流天气系统的预报效果。     

青藏高原地区NCEP新再分析地面通量资料的检验

利用1979—1998年地面气象站温度观测资料和1982年8月-1983年7月高原热源观测资料,检验了NCEP／DOE新再分析地面气温和地面辐射收支在青藏高原地区的偏差。比较表明,气温和地面辐射量新再分析值能反映实际年变化特征,但其温度值系统性偏低,偏低幅度随地区和季节而变化。由于其气温和地表温度偏低造成地表长波辐射和大气逆辐射系统性偏低;冬季积雪地区的地表吸收太阳辐射和净辐射新再分析值偏小;地面净长波、净短波和总的净辐射与实测的偏差比较小。分析发现,同化模式地形高度与地面气象站海拔高度的差异是造成气温新再分析与实测偏差的主要原因,冬季积雪区地表反照率新再分析值偏大是造成冬季地面净辐射偏小的因素,并加剧了冬季气温新再分析的偏差。其研究对改进气候模拟结果分析有一定的启发。     

NCEP/NCAR再分析资料在青藏铁路沿线气候变化研究中的适用性

通过对青藏铁路沿线8个常规气象站的温度和降水观测资料与NCEP／NCAR再分析资料的对比,详细地考查了再分析资料用于青藏铁路沿线气候变化研究的可行性。统计对比分析表明：再分析资料可较好地反映地面气温及降水的年变化特征,可基本反映其年际变率和年际间的差异。然而,再分析的气温值系统性低于实际观测值,降水量则系统性偏大;再分析资料得出的近40年气温长期变化趋势误差较大,降水的长期趋势特别是年降水有一定的参考价值。总体而言,再分析的气温好于降水,青藏铁路沿线主体好于两端,再分析资料可用于青藏铁路沿线主体段年到年际尺度的短期气候变化研究。     

南极洲低层两种位势高度再分析资料的比较

比较NCEP/NCAR和ECMWF两种再分析资料南半球低层等压面(700 hPa及以下)的平均位势高度场,结果表明:两者在南极洲差异显著,除12月、1月(南半球夏季)外,NCEP/NCAR资料存在一个虚假的很强的极地高压,而ECMWF资料正常。分析表明该两种再分析资料的上述差异来源于南极洲地面以下虚拟气压场的产生过程;NCEP/NCAR资料较ECMWF少了一个对南极洲过低地面温度的修正。由此得到的NCEP/NCAR资料若用于南半球低层大气环流整体结构的分析,会导致严重的错误。     

中国地表太阳辐射再分析数据与观测的比较

利用我国地表太阳辐射台站资料和海上观测资料与同期的NCEP/NCAR, NCEP/CFSR再分析资料进行比较,检验再分析资料是否能够反映中国地区的太阳辐射特征。结果表明:1979年之前NCEP/NCAR太阳辐射资料的可信度较低,存在虚假的明显上升趋势,1979年之后两套再分析资料的可信度均较高,在我国东部和低纬度地区的可信度好于西部和高纬度地区;由逐6 h再分析数据直接计算得到的逐日太阳辐射比实际观测偏低,剔除太阳辐射为零的情况计算逐日资料更合理。在大陆地区,NCEP/NCAR,NCEP/CFSR再分析资料与台站太阳辐射资料的1979—2009年共31年平均误差分别为10.37 W·m-2和-42.68 W·m-2,误差的标准差分别为12.31 W·m-2和4.19 W·m-2;在海洋区域,NCEP/NCAR,NCEP/CFSR再分析资料与海上观测太阳辐射资料的平均误差分别为-161.19 W·m-2和-179.66 W·m-2,误差的标准差分别为37.07 W·m-2和35.36 W·m-2。与大陆台站资料相比,海上观测与再分析资料的误差偏大,这可能与海上观测资料较少,限制了NCEP模式的评估和改进有关。     

强降水过程中热力切变平流参数的诊断分析

在以往研究的基础上, 本文把对流涡度矢量的垂直分量、水平散度和广义位温的垂直梯度有机地结合起来, 引入热力切变平流参数的概念。本文针对两次强降水过程, 利用NCEP/NCAR全球最终分析资料对热力切变平流参数进行诊断分析, 结果表明, 热力切变平流参数能够比较准确地综合表征雨区上空水平风场切变和湿等熵面漏斗状向下伸展等动力学和热力学典型的垂直结构特征, 因而该参数与降水系统的发展演变密切相关, 与观测的6小时累积地面降水区存在一定的对应关系; 在空间水平分布和时间演变趋势上, 热力切变平流参数的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区; 该参数在降水区内表现为强信号, 而在非降水区表现为弱信号。影响热力切变平流参数发展演变的因素分析表明, 该参数倾向方程中通量散度项的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区, 表明雨区内通量散度项导致的热力切变平流参数变化比较明显, 其中纬向风速与经向风速相互作用的贡献是不容忽略的。     

成都地区一次持续性污染过程天气特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料、地面气象观测资料,重点分析了2013年1月成都地区一次重污染天气过程的天气背景以及地面气象要素演变。结果表明:(1)此次持续的污染天气出现在高空为弱脊控制且位势高度场异常偏高,地面处于变性高压脊或均压场且近地面层风速较弱的静稳天气背景下。(2)产生此次高污染(高AQI)的地面气象条件为:地面冷高压逐渐变性,近地面温度升高,海平面气压降低,近地面相对湿度升高至80%左右,无降水或弱降水,能见度将降低至于10km以下,地面风速减弱。(3)中低层弱风速,弱的水平风垂直切变,700h Pa层附近和近地面层的逆温层,不利于污染物在垂直方向上的扩散,使得污染进一步加剧。      

长江流域水分收支以及再分析资料可用性分析

首先利用实测资料定量计算了长江流域水分收支的各分量,包括降水、径流、蒸发、水汽辐合等,分析其季节循环、年际变化以及线性趋势变化。结果表明,多年平均该流域是水汽汇区,主要来自平均流输送造成的水汽辐合,而与天气过程密切相关的瞬变波则主要造成流域的水汽辐散。蒸发所占比例接近于径流,对流域水分循环十分重要。大部分要素的季节变化和年际变化都很大,只有蒸发和大气含水量的年际变化较小。降水和平均流输送造成的水汽辐合一般在6月达到年内最大,12月达到年内最小,而径流和大气含水量则一般滞后1个月于7月达到年内最大,1月降为年内最小。1958—1983年,夏半年降水略微增加,冬半年略微减少,各月实测径流为弱的增长趋势,但均不显著,年平均蒸发亦无显著的趋势变化。然后将实测资料同ECMWF及NCEP/NCAR再分析资料作进一步对比分析,以检验两套再分析资料对长江流域水分循环的描述能力。在量值上,NCEP/NCAR再分析资料中的降水、蒸发、径流均比实测偏大很多,大气含水量及由平均流输送所造成的水汽辐合则偏小很多;ECMWF再分析资料中的降水量、径流量基本上与实测接近,蒸发量偏大,大气含水量及由平均流输送所造成的水汽辐合偏小,但比NCEP/NCAR再分析资料要接近实测。另外,该两套再分析资料均可以较好地描述长江流域水分收支的季节循环和年际变化,而且同样是ECMWF再分析资料与实测资料的一致性更好。但是两套再分析资料在1958—1983年均存在十分夸张的线性趋势变化,尤其是ECMWF再分析资料。     

天津地区080625强对流天气过程的分析

强对流降水是天津地区重要的灾害性天气,为了研究该类天气发生发展的动力学、热力学机制,利用NCEP/NCAR再分析资料和FY-2C卫星逐时TBB资料对2008年6月25日天津的强对流降水过程进行研究,然后利用WRF（weather research and forecasting）中尺度数值模式对该次强对流降水过程进行数值模拟和诊断分析。结果表明：中尺度露点锋是该次强对流降水的重要机制,其对应的低层气流辐合所形成的强烈上升运动及相对应的强烈发展的对流云团,是此次天津强对流降水的直接影响系统;对流有效位能等参数的变化非常好地反映出此次强降水天气的发生和发展特征;较大的相对螺旋度与此次强对流天气的发生对应也较好。由此认为,中尺度露点锋锋生的动力学、热力学过程是此次强对流降水天气发生发展的重要机制。     

青藏高原前期冬春季地面热源与我国夏季降水关系的初步分析

首先对青藏高原地表热通量再分析资料与自动气象站(AWS)实测资料进行对比, 结果表明: 相对于美国国家环境预报中心和国家大气中心20世纪90年代研制的NCEP/NCAR(Kalnay 等1996)和NCEP/DOE (Kanamitsu 等2002) 再分析资料, ECMWF(Uppala 等2004)资料在高原地区的地表热通量具有较好的代表性。进一步利用奇异值分解(SVD)方法分析了ECMWF资料反映的高原地面热源与我国夏季降水的关系, 发现前期青藏高原主体的冬季地面热源与长江中下游地区夏季降水量呈负相关, 与华北和东南沿海地区的夏季降水量呈正相关。而长江中下游地区夏季降水量还与春季高原南部的地面热源存在负相关、与高原北部的地面热源存在正相关。高原冬、春季地面热源场的变化是影响我国夏季降水的重要因子。     

欧亚中高纬春季地表感热异常与长江中下游夏季降水的可能联系

利用国家气候中心提供的中国区域753站降水观测资料、ECMWF逐月地表感热通量再分析资料和NECP/NCAR再分析资料,讨论了欧亚大陆中高纬春季地表感热异常与长江中下游夏季降水之间的联系及其相关的物理机制。分析发现欧亚大陆中高纬春季地表感热异常与长江中下游地区夏季降水存在显著的正相关:感热偏强期,长江中下游夏季降水偏多;感热偏弱期,长江中下游夏季降水偏少。春季感热异常偏强时,夏季东亚副热带西风急流主体位置偏东、强度偏强、范围偏大,长江中下游地区主要受辐合上升气流控制,水汽输送条件好,降水异常偏多。而春季感热偏弱时,情况大致相反,则夏季降水异常偏少。研究表明欧亚大陆中高纬春季地表感热通量异常变化对我国长江中下游夏季降水预测具有一定的指示意义。     

Characteristics of Atmospheric Heat Sources over Asia in Summer: Comparison of Results Calculated Using Multiple Reanalysis Datasets

Using 1979-2000 daily NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research) reanalysis data (version 1, hereafter referred to as NCEP1; version 2, hereafter referred to as NCEP2), ECMWF (European Center for Medium-range Weather Forecasts) reanalysis data(ERA),and the Global Asian Monsoon Experiment (GAME) reanalysis data in summer 1998, the vertically integrated heat source hQ1i in summer is calculated, and results obtained using different datasets are compared. The distributions of hQ1i calculated by using NCEP1 are in good agreement with rainfall observations over the Arabian Sea/Indian Peninsula, the Bay of Bengal (BOB), and East China. The distributions of hQ1i revealed by using NCEP2 are unrealistic in the southern Indian Peninsula, the BOB, and the South China Sea. Using ERA, the heat sources over the tropical Asia are in accordance with the summer precipitation,however, the distributions of hQ1i in East China are unreasonable. In the tropical region, the distributions of the summer heat source given by NCEP1 and ERA seem to be more accurate than those revealed by NCEP2. The NCEP1 and NCEP2 data are better for calculating heat sources over the subtropical and eastern regions of mainland China.