雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值模式预报系统中的同化应用研究

以业务应用为目标,开展雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值预报系统中的同化应用研究。采用雷达反射率间接同化方法同化北方雷达反射率拼图观测资料,重点关注其对降水、湿度、温度及风的预报能力影响。首先,基于2017年8月雷达拼图观测资料批量同化和对比试验,对雷达拼图资料同化应用效果进行定量评估,结果表明雷达拼图资料同化虽然加大了地面风场预报误差,但在降水预报和湿度、温度预报等方面有明显的改善作用。其次,选择在业务中预报难度较大的强降水个例开展分析研究,分析表明:（1）同化雷达拼图观测资料有效提高了模式降水预报性能,临近降水发生的循环起报时次预报效果更好;（2）对于短时间多次强降水过程发生的预报,循环同化雷达拼图资料可及时弥补模式中由于前次降水导致的水汽、能量等消耗及热/动力条件削弱,持续支持降水系统发展。最后,通过考察雷达反射率的不同同化方案,发现同化反演水凝物或者估计水汽均能改善模式降水预报性能,但是同化估计水汽对降水预报性能的改善更为明显,联合使用两方案能同时对水凝物分布、热力场等进行调整,可提高模式降水预报性能。      

雷达热动力反演资料的高分辨率同化模拟试验

目前,北京地区的天气预报系统对局地对流性定量降水预报能力较弱,远不能满足人们生产、生活和防灾、减灾工作的需要。针对北京地区对提高0-12 h短时临近天气,尤其是夏季局地对流性降水预报能力的需求,基于中国气象局北京城市气象研究所变分多普勒雷达分析系统（VDRAS）的雷达热动力反演资料,建立了WRF模式初始化模块,采用四维资料同化（FDDA）方法,将VDRAS系统高时空分辨率三维热动力结构分析场资料同化到WRF模式中,实现了北京地区VDRAS分析场资料在WRF中尺度模式系统中的应用。通过降水个例的高分辨率同化模拟试验分析了雷达热动力反演资料同化对模式预报结果的影响。研究结果表明:雷达热动力反演资料的同化能够提高模式系统对近地面温、湿、风大气要素和降水过程的模拟能力,改善2 m比湿、降水落区、降水量级、降水时间的预报效果,减少降水漏报的现象。温度和比湿的同化比风的同化对模拟降水结果的改善更重要。虽然研究表明雷达热动力反演资料在WRF模式中的同化能够明显改善模式对选取降水个例的模拟效果,但其对模式尤其是数值业务模式系统预报效果的影响需要进一步更全面、更系统的检验,为业务化应用奠定更坚实的基础。      

同化青藏高原地区GPSPW数据对长江中下游地区降水预报的影响评估

长江中下游地区位于东亚季风区,其夏季降水的水汽部分来源于孟加拉湾的水汽输送。本文利用青藏高原地区全球定位系统（GPS）站点观测到的大气可降水量（PW）资料,采用WRF模式（Weather Research and Forcasting Model）的同化模块（WRFDA）,将这支水汽输送带的信息同化进数值模式,并用WRF模式对长江中下游地区的7月份降水预报进行批量试验和个例分析。批量试验和个例分析采用3种方案：无资料同化的控制试验（NoDA）,冷启动同化试验（Cold）和循环同化试验（Cycling）。此外,还针对Cycling方案进行延长预报时长的补充试验以探究同化带来正效果最明显的时段。同时为了探究同化正效果的来源,针对Cycling方案进行只同化被主要水汽输送带覆盖的GPS站点的补充试验（Cycling_less_a）以及只同化不被主要水汽输送带覆盖的GPS站点的补充试验（Cycling_less_b）。试验结果表明：同化青藏高原地区的GPS数据能在一定程度上改善长江中下游地区的降水预报,对于48～72小时的降水预报改善效果尤为明显,且Cycling方案在整体上优于Cold方案。对于Cycling方案,在120小时预报时长内,同化正效果最明显时段为48～72小时。当水汽输送带较多地经过同化区域时,降水的TS评分能得到明显改善,而当水汽输送带较少地经过同化区域时,降水的TS评分改善效果不明显。如果只同化被水汽输送带覆盖到的GPS站点的GPSPW数据,仍然可以保留住大部分的同化正效果,因此,针对性地同化GPSPW数据是可行的。     

北京地区夏季降水概率预报业务应用研究

作者分析了降水概率预报的基本特征，在北京中尺度数值预报模式（ＢＭＮＦＭ）的基础上应用事件概率回归估计（ＲＥＥＰ）方法，建立北京地区夏季两个量级（≥０．１ｍｍ和≥１０．０ｍｍ）的降水概率预报方程，并结合最新天气观测资料和预报员知识订正客观预报结果。应用Ｂ评分，Ｂｓ评分和Ｂｉａｓ方法对主观降水概率预报和客观降水概率预报进行评估。     

初值形成方法对降水数值预报的影响

北欧有限区域模式ＨＩＲＬＡＭ被应用于中国的暴雨个例以探讨初值形成方法对有限区域模式定量降水数值预报的影响,对两种初值形成方案进行了对比,一种是由ＨＩＲＬＡＭ自己的数值同化系统提供初值,另一种是直接内插ＥＣＭＷＦ全球模式的相应分析场,与这两种方案对应的数值试验分别是控制试验（ＣＯＮＬ）和对比试验（ＣＯＭＰ）,将ＣＯＮＬ和ＣＯＭＰ的降水预报与观测值比较,结果表明：（１）当为ＣＯＭＰ提供初值的ＥＣＭＷＦ     

华南暖区降水数值预报的初值同化试验

为了了解初值场对华南短时临近降水预报的影响,文中利用GRAPES区域中尺度模式,针对华南一次暖区暴雨过程分别进行控制试验、同化地面探空资料、nudging雨水资料和同化雷达径向风等四个模拟试验。分析结果表明：(1) 同化地面探空资料有助于改善24小时的降水落区及其量级;(2) nudging雨水资料对临近降水预报有积极影响;(3) 同化雷达径向风能使24小时的降水落区、量级得到明显的提升。这些结论为下一步的华南地区短时临近降水预报研究提供了重要的技术参考。     

用LASGREM降水预报制作黄河三花间面雨量预报

利用ＬＡＳＧＲＥＭ模式输出的降水预报格点数据和ＧｒＡＤＳ系统的气象专用函数,采用客观运行法,研制了黄河三花间面雨量短期预报方法。用该方法计算的“９６”特大暴雨过程三花间区域面雨量与实况接近。     

降水资料同化在梅雨锋特大暴雨个例模拟中的应用研究

利用暴雨数值预报模式AREM,以2009年6月29日发生在长江中下游地区的一次梅雨锋特大暴雨过程为例,以NCEP预报场为背景场,首先开展了不同化任何资料(无同化试验)以及分别利用GRAPES-3DVAR同化系统和局地分析预报系统(LAPS)同化地面、探空资料的3组数值试验,然后进一步开展了降水资料一维变分同化方法在GRAPES-3DVAR同化系统及LAPS系统中二次同化的效果研究,结果表明:(1)采用GRAPES-3DVAR系统同化地面、探空资料的数值试验,其降水预报效果不如无同化试验结果;而采用LAPS资料同化系统同化地面、探空资料的数值试验,其降水预报效果优于无同化试验结果,即就本个例而言,GRAPES-3DVAR同化系统对背景场的修正为负效果,LAPS同化系统对背景场的修正为正效果。(2)降水资料1DVAR方法在GRAPES-3DVAR同化系统中的应用,对物理量场有重要影响,使雨带上空变得更暖更湿,天气系统的配置更利于降水发生,中尺度系统的演变更有利于模拟出与实况更加接近的雨带位置、强度、中尺度结构特征,因而极大地改善了降水模拟效果,其模拟的1、6、24h累积降水量位置、强度、中尺度结构特征都有较明显改善。(3)降水资料1DVAR方法在LAPS系统中的应用同样改善了降水预报效果,使雨带落区位置更加接近实况。     

ＩＰＣＣＡＲ４中海气耦合模式对中国东部夏季降水及ＰＤＯ、ＮＡＯ年代际变化的模拟能力分析

利用１８８０—１９９９年中国东部３５站的观测降水资料、英国Ｈａｄｌｅｙ中心的海温和海平面气压资料以及ＩＰＣＣ第４次评估报告（ＡＲ４）中２０世纪气候模拟试验（２０Ｃ３Ｍ）的模式输出结果,对ＩＰＣＣＡＲ４中２２个耦合模式所模拟的我国东部夏季降水的年代际变化情况以及太平洋年代际涛动（ＰＤＯ）和北大西洋涛动（ＮＡＯ）的年代际变化情况进行了分析。结果显示,这些模式对２０世纪我国东部夏季降水年代际变化的模拟结果并不理想,但对降水在２０世纪７０年代中期前后的突变具有一定的模拟能力。其中ＩＡＰ＿ＦＧＯＡＬＳＬ＿０＿Ｇ可以大致模拟出２０世纪７０年代中期前后降水型的突变特征,而ＢＣＣＲ＿ＢＣＭ２＿０和ＵＫＭＯ＿ＨａｄＧＥＭ１则可以模拟出华北地区降水在２０世纪７０年代中期之后减少的现象。对于引起我国东部夏季降水年代际变化的重要因子ＰＤＯ和ＮＡＯ,模式对它们年代际变化的模拟效果略好于降水。多数模式都可以模拟出ＰＤＯ和ＮＡＯ的空间模态,其中ＣＮＲＭ＿ＣＭ３和ＵＫＭＯ＿ＨａｄＧＥＭ１对ＰＤＯ年代际变化（８ａ以上）的模拟与实际情况比较相似,并可以模拟出２０世纪７０年代中期之后ＰＤＯ由负位相转变为正位相的情况,而模式ＵＫＭＯ＿ＨａｄＧＥＭ１也对ＮＡＯ的年代际变化以及１９８０年以来不断加强的趋势模拟较好。     

不同观测误差确定方法对地基GNSS-ZTD资料同化预报效果影响的对比分析

利用2016年6—8月华北—东北地区的地基全球卫星导航系统的天顶总延迟（GNSS-ZTD）观测资料、东北区域中尺度数值预报系统,以2016年6—8月的13 d强降水为例,开展基于Desroziers等（2005）理论的Des方法和传统方法进行观测误差确定的天顶总延迟资料同化对比试验研究,探讨Des方法相对于传统观测误差确定方法对天顶总延迟资料同化预报效果的影响,并以未做天顶总延迟资料同化的试验为对照试验,考察天顶总延迟资料在数值模式中的同化应用效果。结果表明:（1）Des方法得到的天顶总延迟观测误差诊断值较为合理,诊断值站点间差别较大,说明逐站进行观测误差诊断的必要性;（2）天顶总延迟资料同化使强降水的强度、落区预报性能得到提高,使温、湿、风等要素的预报与观测接近,Des方案同化分析、预报效果优于传统方案;（3）对2016年7月25日华北—东北强降水过程进行了同化预报分析,整体而言,天顶总延迟资料同化有效增强了对流层中低层初始湿度场,修正了积分初期水凝物含量与位置,进而改善了降水预报效果,修正了对照试验对辽宁东部地区强降水的明显漏报,且通过降水的反馈作用改进了温度与风场预报效果。基于Des方法逐站诊断观测误差相比传统方法得到的观测误差更为合理,因此能够提高天顶总延迟资料的同化预报效果,同化天顶总延迟资料能够提高降水及温、湿、风等气象要素的预报水平。      

资料同化对2017年登陆广东沿海台风的短期降水与路径预报影响

利用华南精细数值天气预报模式,设计了无同化资料(CTRL)、同化雷达反演水汽(EXP1)以及同化雷达反演水汽、地面和探空资料(EXP2)三个试验,对2017年登陆广东沿海的四个台风降水预报与路径预报进行模拟,以评估资料同化对登陆台风短期降水预报、路径预报的影响。分析结果如下:雷达反演水汽同化后对未来24小时降水预报技巧均有正的改善,对台风路径预报影响不大;在此基础上同化地面、探空资料后对台风路径预报有改进,对降水预报改进不明显(与EXP1比)。通过诊断分析台风“玛娃”,发现模式初值场水汽的增量配合对流上升区有利于短时间内成云致雨,从而提高短时降水预报;地面及探空资料同化有利于登陆台风的短时路径预报。      

物理滤波初始化四维变分在临近预报中的应用

运用WRF模式（Weather Research and Forecasting Model,天气研究和预报模式）和WRFDA同化（WRF Data Assimilation,WRF资料同化）系统,探究采用物理滤波初始化四维变分同化方法提高数值预报在临近预报时效的预报能力的可能性。通过采用12 min同化窗,在不显著增加计算量的情况下,得到更协调的模式初始场,从而提高模式预报能力。选取2018年8月华北地区17个降水个例进行研究,结果表明:采用物理滤波初始化四维变分同化技术能够明显改进模式短时临近降水预报能力,明显提高对大量级降水预报的ETS评分,6 h累积降水大于25.0 mm量级的ETS评分由0.125提高到0.190,且6 h累积降水大于60.0 mm量级的ETS评分由0.016提高到0.081。研究还表明:同化雷达风场通过改进初始动力场使次网格尺度降水过程（积云参数化）快速响应,可提高短时临近时段的降水预报能力。     

闪电资料同化对河南郑州“7.20”特大暴雨预报的影响

研究了闪电资料同化对2021年7月20日河南郑州特大暴雨短临预报的影响。利用天气研究与预报（WRF）模式的三维变分（3DVAR）数据同化系统（WRFDA）,开展了两组循环同化试验：（1）同化地面和探空常规观测资料（包括风速、风向、温度和气压）的试验（CONV）;（2）同化常规观测资料和由闪电资料反演的伪相对湿度的试验（LGDA）,并与无资料同化的试验（NoDA）进行对比。结果表明,CONV的分析场和NoDA都未能模拟出强对流系统的回波结构,但由于LGDA增加了对整层大气的湿度场的调整,其分析场在闪电发生位置处的水凝物增量较大,相对湿度和反射率的分布情况与中国全球大气再分析资料（CRA）及雷达反射率观测值最接近。降水预报方面,LGDA显著提高了大暴雨雨带（6 h累积降水量≥50 mm）和强降水中心（6 h累积降水量≥200 mm）位置和强度的预报效果,对本次强降水过程的预报起到了积极作用,尤其是对前3 h的降水预报。     

青藏高原坡面观测信息对我国夏季降水预报的作用

利用不同同化方式分别同化青藏高原地区新一代综合气象观测网的自动站和GPS大气可降水量信息,探讨这些观测资料对我国夏季不同区域降水预报的作用。通过两组数值试验对2008年夏季连续两个月的天气进行分析场和降水预报结果检验,得出以下主要结论：（1）由于同化测站的平均台站高度在2550m以上,因此同化青藏高原地区新一代综合气象观测网资料后,对背景场调整的正作用主要集中在500 hPa以上;循环同化方式对背景场的调整作用比静态同化方式更明显,尤其在500 hPa以上;（2）无论用静态同化,还是循环同化,该观测网资料对华北地区降水预报的改善作用都不太明显,只是对个别降水量级有改善作用;（3）采用静态同化,会对西南地区东部24小时降水预报有改善作用;在多数情况下同化沿99°E附近的7个测站资料得到的降水预报结果比同化24个站的好;（4）对于长江中下游地区,采用循环同化方式更有利于该地区降水预报准确率的提高,尤其是对25～48小时降水的预报;同时,在多数情况下同化24个自动站和GPS大气可降水量信息对降水预报改善比只同化7个站的更好。     

对北京地区一次局地灾害性暴雨的数值模拟分析

利用美国国家大气研究中心（ＮＣＡＲ）和美国宾州大学（ＰＳＵ）联合研制的中尺度非静力模式ＭＭ５（Ｖ．２），有用三重网格双向嵌套技术，对北京延庆地区的一次暴雨过程进行了数值模拟，并探讨利用中尺度非静力模式ＭＭ５对重点城市进行短期天气预报的方法。结果表明：ＭＭ５模式能够预报出实际发生的β中尺度降水，在有利的大尺度环境下，暴雨的局地分布特征受中尺度条件制征。在适当的地形，水汽和能量条件下，由地形扰动而形成     

WRF-EnKF系统对中国南方一次暴雨过程确定性预报的试验

文章利用美国宾州州立大学的WRF EnKF(Ensemble Kalman Filter)实时预报系统(Real time Penn State WRF EnKF System),针对2013年5月15—16日发生在中国南方的暴雨过程进行了数值预报试验,以初步检验该系统对我国南方降水确定性预报的效果。数值试验采用2013年5月14日08时（北京时）起报的6 h间隔的1°×1° NCEP GFS (globle forecast system) 60 h预报数据（预报到5月16日20时）作为初始条件和边界条件。其中,控制试验不同化任何观测资料,同化试验通过集合卡尔曼滤波方法同化常规探空资料,分别进行确定性预报。结果表明：利用WRF EnKF系统同化常规探空资料,显著改善了数值预报的初始场,减小了各物理量的预报偏差和预报均方根误差,进而提高了此次暴雨过程的降水落区和强度的预报准确率。     

基于频率匹配法的江西省ECMWF降水预报订正研究

利用2016—2019年ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）降水预报资料和江西省93个国家气象站降水资料,基于频率匹配法进行降水偏差订正,采用4种方法统计降水频率对降水预报进行订正试验（不分区试验）,根据江西省汛期暴雨气候特征对汛期降水进行分区订正试验,并对典型强降水个例进行分析。结果表明: 频率匹配法降低了模式预报小雨的空报率和大雨、暴雨的漏报率,预报技巧改进明显。在4种降水频率统计方法中,准对称滑动平均法效果最好。分区试验对强降水的订正效果优于不分区试验,该试验对模式预报正技巧暴雨过程的订正能力大于无技巧过程。对于模式预报效果差（TS=0）、一般（0 < TS < 0.2）、好（TS≥0.2）的暴雨过程,分区试验改善的概率分别为40.8%、89.1%和65.3%。频率匹配分区订正后强降水面积更加接近实况,但强降水落区不能得到明显的改善。订正方法对模式预报强降水形态、位置与实况较接近的过程,效果较好。     

雷达降水资料一维变分同化研究——湿度廓线调整

采用η坐标中尺度有限区域模式进行了数字化天气雷达探测降水资料的一维变分(1DVAR)同化试验,结果表明充分利用高时空分辨率的雷达降水资料所包含的丰富的中尺度信息,调整湿度廓线,从而改善模式初始湿度场,能有效提高模式暴雨预报能力。“98·7”鄂东沿江特大暴雨的数值试验结果表明,应用1DVAR方法同化1h雷达降水资料调整模式湿度廓线后,极大地缩小了分析降水与观测降水间的差距,而且24h预报能模拟出与实际降水发生区域相对应的位于鄂东的大暴雨区,而变分前模式预报效果不佳。进一步的分析表明,应用雷达降水资料对短时预报(0～12h)的改进更为显著,而对12h之后降水预报的改善则不明显。     

LASG-REM对1994年中国汛期降水的实时预报实验

ＬＡＳＧ－ＲＥＭ对１９９４年我国汛期降水连续实时的预报试验结果再次表明了该模式对２４小时短期降水有很强的预报能力。本文给出了该模式从６月上旬到７月下旬连续５０天的降水实时数值预报试验的ＴＳ（ＴｈｒｅａｔＳｃｏｒｅ）技术评分以及发生在６、７、８月份主要降水过程的预报和根据大部分气象站观测降水量分析的２４小时降水量等值线的比较。从６月上旬到７月下旬，ＬＡＳＧ－ＲＥＭ连续５０天的实时降水数值预报试验的ＴＳ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５６％；２４小时降水大于１０ｍｍ、２５ｍｍ和５０ｍｍ的ＴＳ值分别为３６％、２３％和１５％，较１９９３年的ＴＳ评分有明显的提高。模式对１９９４年造成华南、华北严重洪涝灾害的暴雨都有很好的预报。由于模式中采用了保形水汽平流方案，在整个试验期间的水汽平流计算都未出现负水汽现象。初步的比较试验结果表明，模式中对地形的有效处理和给出较合适的水汽凝结参数对模式成功预报是重要的。     

一次局地大暴雨的地面观测资料同化预报试验研究

基于WRF（Weather Research and Forecasting）模式及其3DVAR（3-Dimentional Variational）资料同化系统,采用36 km、12 km 、4 km三层嵌套网格进行逐3 h资料同化和快速更新循环预报,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了资料同化敏感性试验。试验结果表明,地面观测资料同化和快速更新循环对本次降水的预报起到了关键性作用。在快速更新循环预报时不同化地面观测资料,或同化全部观测资料进行冷启动预报,模式均不能预报出山东的降水。同化地面观测资料后,显著改进了模式降水落区预报。地面观测资料同化可以影响到700 hPa高度以上温压湿风要素的变化,从而改变了大气初始场的温湿结构,导致模式预报的700 hPa附近高空大气湿度和热力不稳定增强,700 hPa以下低层风场更强,850 hPa鲁中以南风速较无观测资料同化的偏强2～4 m·s-1,低层风场的动力作用触发高空的不稳定大气,降水出现在山东。