湿Q矢量释用技术在登陆华东台风定量降水预报(QPF)中的应用研究

利用湿Q矢量对数值预报模式输出的风场、温度场、温度露点场进行动力释用,并考虑地形强迫作用,得到一个独立于数值模式直接预报输出降水场的释用预报降水场即湿Q矢量释用(Q~MVIP)技术。结合2010—2014年汛期(6—9月)登陆我国华东14个历史台风降水实况资料以及华东区域中尺度模式(基于WRF V3.1)(简称WRF模式)预报产品,统计检验分析了Q~MVIP技术对登陆台风降水的定量预报能力。结果表明,Q~MVIP技术较WRF模式明显改善了对25.0 mm·(24 h)~(-1)以上及50.0 mm·(24 h)~(-1)以上降水的定量预报能力。进一步结合"菲特"台风(2013)登陆前后所引发的24 h累积降水场进行比较分析发现,Q~MVIP技术对台风暴雨落区、强度的反映能力均优于WRF模式。这表明,湿Q矢量释用技术可以在一定程度上弥补现有数值预报模式对登陆台风定量降水预报(QPF)能力的不足。     

FY-2E晴空风矢同化对台风分析和预报的影响研究

为了研究“二阶差分法”反演的晴空区风矢同化在台风分析和预报中的作用,以1509号台风“灿鸿”和1211号台风“海葵”为例,首先利用WRF-3DVAR系统对晴空风矢进行同化,探讨了晴空风矢的引入对模式初始场的影响。然后利用WRF模式对两个个例分别进行48 h的预报试验。通过对比控制试验和同化试验,结果表明,同化晴空风矢资料能够对初始风场和位势高度场进行合理的调整,在台风周围引导气流的作用下,台风路径与实况更靠近,从而提高了台风路径的预报效果。除此之外,同化晴空风矢对台风强度以及风场预报也有一定的改善作用,还可更准确地预报出降水的落区及雨强,提高降水预报质量。因此,晴空风矢的引入,有利于改善模式的初始场,从而提高WRF模式对台风的预报能力。      

不同初始场资料对台风“桑美”数值模拟的影响

以2006年超强台风"桑美"为个例,分别以GFS(全球预报系统)再分析资料和JMA(日本气象厅)区域客观再分析资料为初始场,利用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)对台风"桑美"进行高分辨率数值模拟,分析不同初始场资料对台风内部结构和移动路径的影响。结果表明:对于500hPa高度场和850hPa水汽、风场等预报,GFS再分析资料和JMA区域客观再分析资料均能较好地把握台风整体的流场形势。从700hPa风场、近地面风速、降水、雷达反射率、最小海平面气压和最大风速等模拟效果来看,JMA区域客观再分析资料均优于GFS再分析资料。对于台风路径的预报,前15h内JMA区域客观再分析资料较GFS再分析资料要好,而15h之后,以这两种资料作为初始场的台风预报路径与实况均有较大偏差。     

多普勒雷达资料循环同化在台风“鲇鱼”预报中的应用

高分辨率的中尺度预报模式ARPS及其3DVAR/云分析系统,针对2010年登陆福建的超强台风“鲇鱼”,研究对流可分辨尺度下,每1h循环同化沿海新一代多普勒雷达网资料分析、研究对台风初始场和预报场的改进作用.结果表明:单独同化雷达资料可显著改善初始场中的台风内核区动力和热力结构,以及台风强度和位置,进而提高18h台风强度、路径和降水预报,但预报路径和降水分布与实况仍存在差异.在雷达资料同化基础上加入常规观测资料,对初始场中台风内核区结构改进不大.但在显著调整大尺度背景场,从而进一步减少台风路径预报误差,能准确预报出福建沿海两个强降水区域的位置和强度.总体而言,雷达资料同化主要提高台风结构分析,而常规观测资料同化主要改善环境场分析,两者有效结合使得预报结果和实况最为接近.     

AMSU-A资料在台风模拟中的循环同化研究

以WRF(V3. 7)中尺度模式及其三维变分同化系统(WRF-3Dvar)为平台,GFS(0. 5°×0. 5°)提供模式背景场,对AMSU-A微波辐射资料进行循环同化试验,研究台风数值模拟中AMSU-A资料的可用性及循环同化方法的可行性。以2014年第19号台风"黄蜂"为例,开展了控制试验和多组同化试验。同化试验主要包括循环同化常规观测资料和不同卫星测得的AMSU-A微波辐射资料。在对各试验初始场进行对比的基础上,比较了不同同化试验方案的模拟效果,结果表明:1) AMSU-A资料同化能有效地调整初始场,模拟的台风路径和强度都有一定的改善; 2)不同卫星探测的AMSU-A资料同化效果存在较大的差异,其中NOAA-15资料同化模拟台风"黄蜂"的路径和强度与实况最为接近; 3)循环同化是增加数值模式中资料使用量、改善台风模拟效果的有效方法。     

扩展水凝物控制变量的雷达资料同化对台风“天鸽”数值模拟的影响

利用WRF(Weather Research and Forecast)模式及WRFDA(WRF model data assimilation system)系统,针对2017年台风“天鸽”个例通过同化雷达径向速度(Vr)和反射率因子(RF),研究水凝物控制变量的雷达资料同化对台风分析预报的影响。研究表明：雷达径向速度的直接同化有效地改进了模式初始场中台风涡旋区的中小尺度信息,分析场中产生了气旋性的风场增量,对模式背景场中的台风有显著增强作用。通过在传统控制变量中扩展针对水凝物的控制变量可有效地同化雷达反射率因子资料,对初始场的水物质进行调整,并对随后确定性预报的台风路径和强度都有一定的正效果。此外,相比没有水凝物控制变量的雷达同化试验,加入了水凝物控制变量的雷达资料同化试验降水预报效果更好。这为将我国近海的地基多普勒天气雷达用于台风初始化分析和预报提供了一定的技术支撑和保障。     

西北太平洋台风季节预报的数值模拟

利用中尺度气象模式WRF（weather research and forecasting）对2006年7月1日-9月30日的西北太平洋夏季台风进行了动力季节预报试验。结果表明：1）在对3个月以内的台风作动力季节预报试验时,WRF模式模拟的台风总个数与实况接近,模式模拟的总登陆台风数与实况相比偏小。从各月模拟情况看,台风总数与登陆数的模拟均与实况有差距。WRF模式对台风强度的模拟总体偏弱。2）WRF在模拟2006年7q月台风以及平均高度场、水平风垂直切变时,7月与实况接近,随时间增长,与实况的差别明显增大．WRF模式具有一定的台风动力季节预报能力,但其预报时限有待探讨。     

登陆台风强度变化过程预报的影响试验研究

探索了基于WRF模式的集合卡尔曼滤波同化方法（WRF-EnKF,简称EnKF）在近海有可能达到更强台风连续循环同化中国大陆高时空分辨率多普勒天气雷达径向风观测资料的效果,同时检验台风Vicente（2012）的三维结构演变及其动力学特征。通过短期集合预报得到跟随当前流场变化着的背景误差协方差的台风涡旋和动力学结构。研究发现,EnKF同化预报系统能有效地同化高时空分辨率雷达径向速度观测资料,显著改善初始场中台风Vicente的中小尺度内核结构,同时提高对台风Vicente的路径和强度及其相伴随的短期强降水预报。在台风最强时刻同化雷达径向风观测能快速（1~2 h）得到真实的暖核台风结构,同时进一步提高台风路径和强度的预报。另外,EnKF同化雷达径向风观测资料还能有效提高短期降水预报,1 h和3 h累积降水的分布、降水中心以及降水随时间演变都能得到显著改善,这与改善台风路径、结构和强度有密切关系。因此,对中国东南沿海有可能达到较强的台风进行同化雷达径向风观测资料可改善登陆台风的预报水平,这为利用我国地基多普勒天气雷达观测资料改善模式的初始场从而提高台风预报提供一定的指示作用。      

卫星和雷达资料在暴雨数值预报中的应用研究

采用美国风暴分析预报中心开发的中尺度模式（Advanced Regional Prediction System,ARPS）的资料分析系统ADAS（ARPS Data Analysis System）,把中国CINRAD/SA、SB多普勒雷达反射率、风云-2E卫星的红外和可见光资料引入模式初始场,利用高分辨率中尺度模式WRF对2012年7月21日中国华北地区暴雨过程进行数值模拟。结果表明：加入雷达和卫星资料的WRF数值模拟,由于修正了中低层水汽,对降水系统预报有一定的调整,预报的降水落区位置和降水量中心值更接近实况;同时加入卫星和雷达资料同化后,明显改善了WRF降水系统预报偏慢的情况。雷达与卫星资料同化对WRF模式降水预报影响不同,雷达资料影响的时间短,只在6 h内预报起作用,而卫星资料影响时间较长,能够改善24 h内的预报。加入卫星和雷达资料,修正了水汽场,使降水预报在开始时间、量级和范围上均有改善,更接近实况。     

模式水平分辨率对超强台风“天兔”强度和微结构特征的影响

利用不同水平分辨率下的中尺度数值模式WRF模拟1319号超强台风"天兔",以研究模式水平分辨率对台风强度和微结构(包括动力和微物理)的影响。模拟结果表明:不同水平分辨率(1 km、2 km、3 km、4km、5 km)模拟的台风路径差异不大,且均与实况基本相同;不同水平分辨率对台风强度和微结构的模拟效果影响较大,其中以对10 m最大风速、垂直运动和降水强度的影响为最大。将模式水平分辨率提高到1 km有助于改善台风强度和微结构的模拟效果。在较低分辨率下,台风非对称性较明显、眼墙倾斜程度较大和海表水汽通量较小等结构特征共同使得台风强度较小。     

散射计和下投式探空仪资料对台风模拟的影响

为了评估同化QuikSCAT海平面气压场资料和Dropsonde资料对台风"Bilis"和"Kat-rina"模拟的影响,通过WRF-3DVAR变分同化系统将QuikSCAT海平面气压场资料和Dropsonde资料同化到WRF模式中,并以未同化任何资料和同化了QuikSCAT海平面气压场以及同化了Drop-sonde资料的数据为初始场,应用WRF模式进行模拟预报,并对得到的初始分析场和模拟预报得到的结果与台风实况报文进行了对比,得到的结论是:对台风初始时刻海平面气压场分布、初始台风中心定位、台风初始暖心结构的改善、台风路径、海平面最低气压场、海面最大风速和雷达回波的模拟方面,同化QuikSCAT海平面气压场的效果比同化Dropsonde资料明显,其中二者对海平面最低气压场的改进效果比海面最大风速的要好。但是两种资料的同化对初始相对湿度和台风强度细节变化方面都没有产生明显改善作用。同化QuikSCAT海平面气压场试验虽然仅仅同化了单层海平面气压场,但是在三维变分同化系统的动力约束作用下,也可以影响到中高层的各个要素场。     

一个双台风降水的数值模拟及其分析

运用WRF模式对2012年双台风个例-1209号台风“苏拉”和1210号台风“达维”进行数值模拟,成功地模拟出了这次双台风的路径和中心强度变化,同时也模拟出这次双台风降水空间分布以及这次过程的强降水中心.WRF模式模拟的位势涡度场与NCEP再分析资料的位势涡度场极其相似.通过700hPa水汽通量与风矢量场对这次双台风降水过程的水汽条件进行分析,并结合这次双台风路径和台风中心强度对这次双台风相互作用进行初步探讨.     

加密探空资料同化对一次降水预报能力改进研究

通过设计不同的试验方案,将加密探空资料同化到WRF模式中,对一次层状云系的降水过程进行了数值模拟.采用实时四维资料同化的方法,使得背景场和观测资料相协调,在一定程度上解决了模式的spin up问题.将温度同化到模式里,改变了模式原有的热力场,使得模式动力场随之改变,模式模拟的结果更接近实际观测.经过松弛(nudging)之后,得到的雷达回波、高度场、温度和实况很像,降水也要比不加探空资料的降水更接近实况.鉴于只有两个地方的探空资料,并不能覆盖整个模式区域,以及同化过程还需要改进,模式模拟的结果和实际观测之间还有一定的差异,有待更深入的研究.     

不同云降水方案对一次登陆台风的降水模拟

利用美国最新发展的新一代中尺度数值预报模式(WRF),研究了不同云降水方案对一次登陆台风的降水模拟问题,结果表明,在网格距适当小的情况下,同时采用积云对流参数化方案和云微物理方案(Kessler方案)时,其降水预报优于只使用积云对流参数化方案时的预报;在台风降水模拟的初期,Kain-Fritsch方案比Betts-Miller方案产生降水更快,更接近实况降水;在台风登陆后随时间的延长,对流降水重要性逐步下降,网格尺度降水逐渐增强。     

利用区域气候模式对我国南方百年气温和降水的动力降尺度模拟

本文采用NCAR的WRF3.5.1模式,以NOAA的20世纪再分析资料作为区域气候模式的初始场和侧边界场,对东亚地区进行了百年以上(1900~2010年)尺度、水平分辨率为50 km的动力降尺度数值模拟试验。通过与观测气候资料的对比,分析了驱动场(20世纪再分析资料)和区域气候模式对我国南方地区近50年(1961~2010年)气温和降水的气候平均态的模拟能力。结果表明:经过动力降尺度的区域气候模式试验结果能更好地模拟我国南方地区气温气候平均态和季节循环。WRF模式模拟的气温与观测的气温的空间相关系数均在0.97以上。年平均和夏季,WRF模式模拟的气温与观测的气温的偏差大多介于-1°C到+1°C之间。对于降水,WRF模式显著提高了我国南方降水的模拟能力。和驱动场相比,WRF模式模拟的降水与观测的偏差明显减小。夏季,WRF模式模拟的降水空间相关系数在0.5以上。由此延伸至对近百年我国南方地区三个子区域(华南地区、江淮地区和西南地区)四个时段(1914~1942年、1943~1971年、1972~2000年和2001~2010年)的分析,结果表明区域气候模式动力降尺度的结果在区域平均的气温和降水的模拟数值上与观测比较接近,夏季模拟能力有明显的提高,冬季存在气温模拟偏低的误差。对气温趋势分析表明,在20世纪40年代以后的两个时间段,区域气候模式明显提高了气温变化线性趋势的模拟性能。     

雷达径向风速同化对台风麦莎模拟的影响

本文应用WRF-3DVAR系统同化多普勒雷达径向风速资料,并利用WRF模式对台风麦莎（2005年8月6日00时至7日00时）进行数值模拟,以此检验多普勒雷达径向风速资料在改进模式初始场及提高台风路径和降水预报准确度等方面的应用效果及意义,探讨不同同化时间间隔对同化效果的影响。通过对比同化试验和控制试验发现：雷达径向风速资料能通过调整初始风场结构,改进对台风结构的模拟,从而提高模式对台风麦莎的路径、强度和降水的模拟能力;雷达资料信号在进入模式后有一定的时效性,在一定程度上缩小同化时间间隔有助于提高同化效果。     

不同资料同化对登陆台风菲特(2013)短时预报的影响研究

为定量评估地面、探空、飞机报、卫星辐射亮温、雷达反射率及径向风等不同观测资料同化对台风预报性能的影响,本文以2013年严重影响我国的登陆台风菲特为例,利用WRF模式与GSI-3DVAR同化系统开展观测系统试验(OSE)研究,探讨了不同类型资料同化对"菲特"(2013)路径、强度、形势场和降水短时预报的相对贡献及可能影响机理。结果表明:(1)不同类型资料同化对模拟结果贡献程度有明显差别,其中探空、雷达反射率和飞机报对模拟结果有较大影响,分别"拒绝"这三种资料后模式模拟的高空各要素均方根误差分别上升约54.8%~62.0%、9.2%~16.5%和6.1%~6.4%。(2)对于不同的台风预报效果评估参数,各类资料的贡献率大小排序不同。对高空场和台风路径模拟影响较大的是探空和飞机报,对台风强度模拟影响较大的依次是雷达径向风、反射率、探空和飞机报,而对降水模拟影响较大的依次是雷达反射率、探空和飞机报。(3)各类资料对降水模拟的贡献率随时间变化不同。雷达反射率资料对降水的贡献随着模式积分时间明显下降,而飞机报、探空资料等对降水的贡献在模式积分3 h之后开始出现。(4)资料同化对降水模拟的改进与其对台风路径、水物质及强度模拟改进有关,因此影响高空场、台风路径和强度较大的雷达反射率、探空和飞机报资料,也是对降水模拟贡献较大的资料。     

台湾地形对海棠台风影响的数值模拟研究

应用美国国家大气研究中心(NCAR)研发的WRF(Weather Research and Forecasting)气象模式,研究海棠台风(2005)接近并登陆台湾岛的过程中的强度、结构的演变,以及地形强迫作用对台风的影响.对模拟结果的评估表明,在整个海棠台风(2005)模拟实验期间,WRF模式很好地抓住了台风海棠强风,低中心气压的高强度特征.对引起台风降水的中尺度系统的分析表明,一方面台风环流与中央山脉地形共同作用激发出垂直次级环流在降水区域产生强烈的上升运动;另一方面,水平风场源源不断给该地区输送暖湿空气,为对流发展提供充足的水汽.分析结果表明中央山脉地形与台风环流场之间的配置形势对台风降水有着重要的影响.     

高分辨率模式中积云参数化方案对模拟台风“凡亚比”的影响

在高水平分辨率模式(3～6 km)中,对于是否应该再使用积云参数化方案,仍存在着争论.为此,利用WRF模式,在5 km水平分辨率下,研究了不同云降水方案对一次台风过程模拟的影响,并对影响原因进行了初步探索.结果表明,即使在5 km高水平分辨率下,使用积云参数化方案仍能有效改善对台风路径的模拟,同时,成熟的混合冰相微物理方案对模拟台风路径也非常重要;对台风强度模拟,对积云参数化方案的选择较为敏感和复杂;在48 h预报时效内,只使用微物理方案模拟的降水较好,使用积云参数化方案容易产生较多的虚假降水,但能改善第3天24 h累积降水模拟.这些研究结果为利用高水平分辨率模式模拟台风和改进积云参数化方案提供一定借鉴.     

GPS弯曲角资料在WRF模式中的同化试验——对台风“森拉克”的影响分析

实现了在WRF模式中GPS掩星弯曲角资料的三维变分同化,正演算子采用大气一维球对称假设条件下,Abel变换方法计算弯曲角。以2008年13号台风“森拉克”为例,研究了COSMIC弯曲角资料对台风预报路径、强度及降水等的影响。与控制试验及台风实况的对比结果表明,同化COSMIC弯曲角资料后,在24小时预报以后,对台风路径预报有较明显的改进效果,路径预报误差平均降低约67.5%;但台风强度预报整体偏弱。分析认为,同化弯曲角资料后,台风附近形势场的改进是提高路径预报的原因。由于弯曲角资料本身存在水平分辨率较低的问题,以及对流层底部信号质量不如中上部和平流层是台风强度预报偏弱的重要原因。