短时风暴数值预报模式研究──Ⅰ．模式的理论框架

本文致力于发展一个旨在用于中－β尺度天气系统研究和预报对流风暴的数值预报模式（中－β模式）。模式的动力学框架为三维非静力可压缩的完全弹性模型，对声波的处理采用时间分离求解及阻尼和压缩方法，模式只选择了对风暴系统短时预报有重要意义的一些物理过程，从而简化了模式的参数化方法，节省了计算量。     

GRAPES_3 km数值模式对流风暴预报能力的多方法综合评估

利用传统点对点TS评分、邻域法以及对象检验等多种方法,综合评估了GRAPES_3 km模式的对流风暴预报性能,分析了传统检验方法和新型空间检验方法对高分辨率模式评估的适用性和差异性,并同GRAPES_Meso模式的相关结果进行了对比。结果表明:对强对流典型个例的预报评估发现,综合应用多种评估方法能够更全面地评估对流风暴预报,获取模式在对流风暴初生和发展变化过程中的预报性能。使用点对点评分方法,GRAPES_3 km模式对风暴和强风暴的预报都明显优于GRAPES_Meso模式。对于模式不同起报时间的预报,起报时间越新预报效果越好。邻域TS方法考虑了时空偏差,GRAPES_3 km模式20和35 dBz采用时间邻域1 h,空间点对点时预报技巧最高;50 dBz时空偏差较大,时间邻域尺度为3 h技巧最高。分数技巧评分(FSS)显示GRAPES_3 km模式对不同阈值的对流风暴预报均能达到最低技巧尺度,而GRAPES_Meso模式对35 dBz以上的对流风暴基本无预报能力。对象检验可以评估对流风暴特征的预报效果,GRAPES_3 km模式的对流风暴个数预报与实况较为一致,但面积预报明显低估。该模式对β中尺度的对流风暴形态、位置等预报较好,对γ中尺度的对流风暴预报尺度偏大、形状偏圆、轴角偏小,对α中尺度的对流风暴预报尺度偏小、形状偏扁、轴角偏大。GRAPES_Meso模式的对流风暴面积、个数、尺度预报较实况均偏小,位置预报偏差较大,形状预报较实况偏圆、轴角偏小。传统点对点TS评分方法和新型空间检验方法对高分辨率模式对流风暴预报的检验结论一致,依然具有一定的参考价值,但新型空间检验方法能够提供更详细的评估信息。     

短时风暴数值预报模式研究 II. 模式的基础试验结果

基础性试验和实测风暴个例的半理想化模拟试验结果表明，该模式能抓住对流风暴系统的主要特征，具有一定的模拟能力，可作为未来发展临近业务数值预报模式的基础。     

用伴随模式方程组优化飓风路径预报模式

模式拟合方法或“伴随方法”在一个正压飓风路径预报模式中做了检验。在同化时段的开始对涡度场加以调整，以使耗损函数达到极小值，后者定义为模式涡度与一系列间隔为１２小时的分析涡度的差的平方。在使耗损函数极小化以后，模式涡旋在同化时段内紧沿着观测到的风暴路径而行，表明过去的风暴路径的信息正包含在模式解之中。使用这一同化方法作的路径预报与用该同化时段结束时刻单一分析对模式初始化的控制预报作了比较。对飓风Ｈｕｇｏ（１９８９）的１８次序列预报的结果表明采用１２小时同化时段，４８小时以内的平均路径预报误差均小于相应的控制预报误差。采用２４小时同化时段的预报误差要大于１２小时同化时段的误差。由Ｄｅｒｂｅｒ所述的即把一个使耗损函数极小化的强迫项加到涡度方程中的方法被用来延长同化时段。强迫函数在涡旋附近有非常局地化的极值，因为涡旋尺度和涡旋在同化时段内移动的距离相当。这种局地化强迫作用影响随后的预报时段内风暴移动。如果在同化时段开始时首先对涡度加以调整，则该局地化强迫作用的幅度变小，然后加入强迫项以使耗损函数进一步变小。当采用这种组合方法时，在７２小时以内平均路径误差小于控制模拟的误差。     

南海海洋气象数值预报系统(Grapes-MAMS)及其业务应用

介绍了中国气象局广州热带海洋气象研究所建立的南海海洋气象数值预报系统(Grapes-MAMS)框架、系统中各模式特点以及针对模式所做的改进工作;并基于广东省沿海浮标资料,分析和研究了该系统中各个专业模式预报性能。得到如下结论:(1)从给出的统计检验和技巧评分来看,区域海浪模式逐年改进,具有一定预报能力;区域海浪模式和欧洲中期天气预报中心全球海浪模式相比,前者预报技巧TS评分大于后者;(2)实测海表温度的同化明显改进了区域海洋环流模式对海表温度的预报,检验结果显示海表温度预报与浮标观测海表温度相关系数在0.7左右,通过了α=0.01显著性检验;(3)将基于广东茂名科学试验基地得到的拖曳系数计算方案引入风暴潮模式,可以有效地改进风暴潮模式对强台风"威马逊"风暴增水预报,2013—2015年6个风暴潮模式预报检验显示,模式可以提前20 h以上给出最大风暴增水预报,而且最大风暴增水预报与实际相差不大。     

基于强度尺度法的雷达和数值模式定量降水预报检验对比

为提高雷达外推和数值模式对短临预报能力的认识,采用强度尺度方法对比检验了2012年浙江省梅汛期内的雷达外推和WRF、T639、ECMWF 4类定量降水预报(QPF)产品。检验结果表明:短临预报的大部分误差来自较小的时空尺度,在强降水方面表现尤为明显。对于雷达和模式的预报能力交叉点(3 h前后)的QPF检验,雷达的误差比率随着空间尺度增大先减后增,而模式随尺度增大误差比率总体递减。在中小尺度(2 °及以下)雷达总体较准确,但0.25 °尺度是个特例,在较大尺度(4 °及以上)的弱降水上雷达不如模式。雷达在0.5 °、1 °尺度上相对误差贡献最少;在2 °、4 °尺度下,ECMWF表现最优。同时,雷达对于中-β和较小的中-α尺度系统的预报检验效果最好,对尺度达几百公里的弱系统不如数值模式,对于10~30 km的中-γ尺度系统雷达预报带来近74%的空报,今后需提高其对中-γ尺度系统生消的预报能力。      

GRAPES-GFS模式暴雨预报天气学检验特征

本文采用天气学检验方法,对2016年度国家气象中心GRAPES全球数值预报系统(GRAPES-GFS)业务预报暴雨过程及2013-2015年部分回算个例进行了检验,并结合对比欧洲中期天气预报中心确定性预报模式(EC模式)和国家气象中心全球谱模式T639L60(T639模式)降水预报,梳理总结业务GRAPES-GFS模式预报性能优势和系统性偏差特征。被检验暴雨过程共38次,其中南方暴雨过程20次,北方暴雨过程6次,热带扰动或台风降水过程12次。依靠预报员主观天气学检验分析,从降水预报效果检验出发,结合主要影响天气系统和示踪物理量检验,梳理总结模式预报系统性偏差,以期全面发掘该业务预报模式性能。结果表明对短期时效内的降水预报,GRAPES-GFS模式预报稳定性较好,整体明显优于T639模式。但还存在诸如对对流性降水预报较实况偏北或对主雨带南侧暖区降水预报不足的偏差特征;另对弱高空波动背景下的对流性降水预报偏弱;而在降水预报强度大致正确的情况下,对降水系统南侧偏南气流控制区域预报湿度偏大,对副热带地区的低涡系统预报偏强。     

基于雷达资料四维变分同化及云模式的中尺度对流系统数值临近预报试验

基于雷达资料快速刷新四维变分同化(RR4DVar)初始化的三维数值云模式,利用京津冀6部新一代多普勒天气雷达和区域自动气象站观测资料,针对2013年7月4日出现在京津冀平原地区的中尺度对流系统(MCS),开展了数值临近预报试验。研究结果表明,充分考虑雷达观测信息的对流尺度数值临近预报具有很大的优势,但也存在不足:(1)模式能够较好地把握中尺度对流系统的组织发展和移动演变特征,对风暴回波带的走向和尺度特征有较好的预报,但对强回波的强度和位置预报存在一定偏差;(2)模式预报可以反映风暴系统的中小尺度扰动特征,对风暴冷池和出流边界(阵风锋)的发展变化均有较为合理的预报;(3)模式对强降水中心和雨带位置的预报有很大优势,能较好地预报弱降水雨带的分布形势和雨量,但对强降水落区的预报偏大;(4)模式对风暴造成的对流性强降水的预报准确率较高,对0.5—10 mm阈值的降水范围预报偏差比较合理,对10 mm以上降水范围的预报偏大,但是对弱降水风暴的弱回波较强回波的预报性能要好;(5)由于三维数值云模式对京津冀复杂地形的处理不够完善,对山前风场预报偏差较大,造成对山前风暴的发展演变和山前降水的预报偏差较大。     

CMAQ—ASM模式业务化

CMAQ成功移植到了国家气象中心业务系统神威和IBM巨型机上，为实现全国及区域空气质量预报准业务化系统提供重要的技术保障。另外，针对模式中污染源不确定性因素引起预报偏差的技术难题，发展了空气质量预报模式的动力-统计模型（CMAQ-MOS）与源同化新技术，其效果明显优于国外原CMAQ模式。     

中尺度业务模式系统侧边界嵌套方法的研究

为提高预报准确率，在对多种嵌套方案试验对比的基础上，选用了一种计算效果较好，方法也不甚复杂的Ｄａｖｉｅｓ物理量松弛方案，对中尺度业务模式系统进行了预报试验。其网格边界值采用Ｔ４２Ｌ９谱模式的预报值。嵌套模式与原模式用同一个例进行了预报对比试验。结果表明，嵌套方案考虑了大尺度环流背景场在边界附近对中尺度系统的强迫作用，提高了有限区域模式的实际预报能力。