对流尺度集合预报中模式地形扰动对其预报技巧的影响研究

基于在重庆市气象局业务运行的对流可分辨尺度(3 km)集合预报系统,在已有初值扰动、模式物理过程扰动和侧边界扰动的基础上,对不同集合成员采用不同地形插值方案和地形平滑方案实现对模式静态地形高度的扰动,体现数值模式中地形转换过程的不确定性,开展集合预报批量平行试验。结果表明:(1)实现对模式静态地形高度的扰动后,各集合成员地形高度的离散度与实际地形的起伏程度对应关系较好,两者空间分布特征非常相似,地形较平坦的平原地区离散度较小,而地形较复杂的高原地区或山区离散度较大;(2)加入模式地形扰动方案后,集合扰动能量总体上有所增大,且低层比中、高层更明显,能量增幅在较短预报时效(12 h)内最显著,随着预报时效延长呈逐渐减小趋势,且能量增幅大值中心主要出现在地形较复杂、集合成员地形高度离散度较大地区;(3)模式地形扰动方案一定程度上能提高降水概率预报技巧及改进集合平均降水预报,在对高空要素和2 m温度、10 m风场等近地面要素的集合平均均方根误差和集合离散度无负面影响的前提下,能一定程度上优化集合分布。     

基于T639集合预报的持续性强降水中期客观预报技术研究

针对持续性强降水预报困难的问题,根据Anderson-Darling检验原理,构建基于中国气象局T639集合预报系统的持续性强降水中期客观预报方法。对比分析2010-2015年5-9月T639集合预报降水与实况降水的累积概率分布函数差异,在此基础上采用扩展时间序列和空间范围的方法构建3种模式气候累积概率方案,通过批量预报试验和检验,选取最优概率方案纳入预报模型,考察持续性强降水个例的最长预报时间。结果表明,随着预报时效的延长,集合预报模式的降水逐渐集中于小和中雨量级,无降水和暴雨以上量级的降水概率低于观测,168 h以后模式降水概率趋于稳定。通过扩展时间序列和空间范围能弥补模式气候资料年限不足所带来的偏差,根据区域气候特征细分模式气候的方法重点突出了不同区域的降水特征,明显优于简单集合所有区域数据的模式气候方案。基于集合预报的持续性强降水预报模型对持续性强降水个例的预报能力为8-9 d,随着预报时效的延长,降水强度以及雨带位置的预报能力逐渐减弱。      

基于ECMWF模式预报的台风降水地形订正方法

为了解决复杂地形条件下ECMWF模式预报的台风降水较实况显著小的问题,对Smith 1979年提出的地形降水方程进行改进,提出以饱和湿层高度作为方程积分上限,针对不同高度地形设定不同的降水效率;以无量纲湿弗劳德数大于1作为有、无地形降水的判据;利用ECWMF细网格预报场,通过迎风坡地形降水估算方程来订正模式预报的台风降水。用该地形降水订正方法对1617号台风“鲇鱼”的降水进行了订正预报。结果表明,虽然在一些小尺度地形区域会产生明显的空报,但是对于大尺度地形区域的强降水有显著的订正效果。对1513、1521和1614台风的订正结果进一步表明,该地形降水订正方法对改进台风极端降水预报效果显著。需要指出的是,采用的地形降水订正方法仅考虑了稳定条件下的地形降水,对于其他情形下的地形降水订正方法尚待进一步的研究。      

地形对台风“海葵”降水增幅影响的研究

使用NCEP GFS资料和WRF V3.4模式对2012年第11号台风"海葵"(1211)引发的安徽强降水过程进行数值模拟,通过改变模式中安徽省大别山区和皖南山区的地形高度,设计一组敏感性试验,对"海葵"降水的地形增幅效应进行研究。结果表明:(1)WRF模式对台风"海葵"降水过程有较好的模拟能力。(2)大别山区和皖南山区地形对"海葵"移动路径、强度以及降水分布、强度均有不同程度的影响;不同地形高度下模拟的台风路径及降水分布差异较大,且降水中心强度与地形高度相关性较好,地形对暴雨增幅作用明显。(3)山区地形有利于中尺度辐合线和低涡生成、发展,并有强水汽辐合中心与之相对应;有地形时对流层低层上升运动比无地形时明显加强,对安徽中南部强降水增幅作用显著。     

高分辨率地形资料应用对CMA-MESO模式地面气象要素的影响

真实地形包含各自不同尺度的地形特征,对各种时空大气运动有深刻影响。不同尺度的地形效应很难在数值模式的离散格点中准确刻画,是发展数值模式的难点问题之一。随着模式向亚千米级高分辨率发展,高分辨模式要求刻画出更高准确度的地形数据。本研究在CMA-MESO中引入ASTER-1s高精度地形数据和改进地形滤波函数,在滤去波长接近模式网格的小尺度地形的同时保留更多地形细节,以提高模式对地形的刻画准确度。通过冬、夏各1个月批量模拟试验结果与2万多个地面观测站点观测数据的对比,发现单独采用ASTER-1s地形而不改变CMA-MESO的地形滤波函数,模式对2 m气温和10 m风速的整体预报准确度提升较小,采用ASTER-1s地形并改进地形滤波函数明显提高了模式对2 m气温和10 m风速的预报准确度,对气温和风速的月平均均方根误差分别减少了6.4%和4.9%。夏季1个月批量试验显示,改进的新地形方案对降水预报提升较弱,未造成非真实的细碎降水分布或异常值。此外,动能谱分析新引入的地形和滤波函数未造成高频能量积累。研究结果表明新地形方案能够明显改进低层气温和风速的预报准确度,并且在数值上稳定可靠。     

地形效应引起的局地扰动对华南降水预报的影响研究

利用中尺度模式对一次华南强降水过程进行模拟分析发现,模式对南岭-武夷山地区的降水存在漏报或预报强度偏弱的现象。通过与提前12 h预报结果的对比看出,引起这种预报误差的主要原因在于本次预报的模式初值中未包含地形强迫造成的小尺度局地扰动信息。对地形重力波拖曳和阻塞流拖曳参数化方案的比较发现,阻塞流拖曳力强度明显强于地形重力波拖曳,它有可能导致雨带位置偏离实况。一系列的初值敏感性试验结果表明,南岭-武夷山地区上空850~500 hPa的风场扰动增量对改进本次降水预报效果的影响最关键。      

一次鄂西地区暴雨过程中地形敏感性试验研究

利用WRF模式中提供的不同平滑地形方案对2007年5月30-31日发生在湖北西部地区的暴雨过程进行数值模拟。在此基础上,利用WRF模式进行地形高度敏感性试验。结果表明：地形平滑方案与降水的时空分布有很大的相关性,地形越接近实际地形,降水的时空分布越接近实况;地形高度对降水的强度及落区影响较大,随着山脉地形高度的增加,迎风坡和背风坡的2个降水中心带有远离山脉的趋势,当山脉高度达到一定高度以后,迎风坡和背风坡的两个降水中心带又有靠近山脉的趋势。     

适用于云南地区的地面资料同化方案设计及个例分析

利用2000—2007年5～10月云南及周边地区12个探空站08:00和20:00观测资料,分6种不同地形高度类型分析了边界层内基本气象要素间关系,根据分析结果设计了云南地面资料同化方案,并选取两个暴雨个例进行模拟分析。结果表明:探空资料的贡献在引入地面资料后有所调整,在Rug-giero方案中,地面资料的引入在模拟区域初始场中东部地区有明显的升温和增湿,对强降水的模拟改善作用较小;而在云南方案中东部地区的温度和湿度明显降低,叠加的地面测站与模式地形高度差异相关且大致相同,模拟的降水强度和范围在实况降水中心附近明显增加,而在降水强度不明显的区域变化不大,从而使得模拟效果得到了较好的改善,表明云南方案对云南地区强降水的模拟是适用的。     

地形效应影响数值预报结果的试验研究

本文利用P-σ混合坐标系的有限区域嵌套细网格原始方程模式，选取Wayne台风天气形势演变过程为个例，试验讨论了地形效应对数值预报结果的影响。 试验方案分三类，一是真实地形，二是部分真实地形，三是均匀地形。文中着重比较了不同地形方案对Wayne台风天气形势演变过程的影响。结果指出，对西太平洋副热带高压进退及高空西风槽的活动，地形的影响极为显著，真实的地形有助于改善预报质量，使得形势预报结果更为接近实际。地形对温度场的影响局地性较强，模式地形过矮和过于平滑将使得地面温度的预报偏高。对降水场的预报，数值模式普遍存在的降水区域过于分散的问题，可能是由于模式地形影响的缘故。但对大范围雨带的分布来说，地形不具有决定性的因素。模式地形对降水的影响，主要表现在其增幅效应和降水区分布的结构上，即模式地形增高，降水量将适度增大，雨区结构将更为复杂。地形的影响在风场环流预报中体现得也极为明显。最后作者指出，在数值模式中引入合理的模式地形，是改善预报质量的有效途径之一。     

"93.8"鲁西南大暴雨的数值试验

针对中尺度地形对我国天气影响的重要性,对ＲＥＭ先后进行水平、垂直分辨率的提高,并运用常规报文资料获得初始场,采用包络地形等方法获得模式所需的地形资料,对１９９３年８月４￣５日的大暴雨个例进行了数值试验。结果表明,仅提高ＲＥＭ的水平分辨率,对降水预报有一定的改进和提高,但多报出了几个大暴雨中心。而模式水平及垂直分辨率均提高后（下称Ｃ模式）,其降水场、形势场的预报有明显的改进和提高,虚假降水中心消失,     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

WRF模式不同微物理过程对东北降水相态预报的影响

为了研究不同微物理过程对中尺度模式降水相态预报的影响,利用中尺度模式WRF（V3.1）和NCEP再分析资料,采用WSM 6方案、Goddard方案和New Thompson方案等3种不同微物理过程参数化方案,对2006-2008年东北地区存在降水相变的11次降水过程进行了敏感性试验。通过对降水和云微物理特征影响的分析,了解不同方案间的预报差异。结果表明：不同微物理方案对降水落区和强度预报影响不明显,而降水相态对微物理参数化方案较为敏感,主要表现在对雨区和雨夹雪区预报影响显著。从总体预报效果来看Goddard方案表现较好。选用不同微物理参数化方案模拟的底层大气云微物理特征存在较大的差别,正是这种差别直接导致了降水相态预报间的差异。     

THE IMPACT OF DIFFERENT PHYSICAL PROCESSES AND THEIR PARAMETERIZATIONS ON FORECAST OF A HEAVY RAINFALL IN SOUTH CHINA IN ANNUALLY FIRST RAINING SEASON

An ensemble prediction system based on the GRAPES model, using multi-physics, is used to discuss the influence of different physical processes in numerical models on forecast of heavy rainfall in South China in the annually first raining season(AFRS). Pattern, magnitude and area of precipitation, evolution of synoptic situation, as well as apparent heat source and apparent moisture sink between different ensemble members are comparatively analyzed. The choice of parameterization scheme for land-surface processes gives rise to the largest influence on the precipitation prediction. The influences of cumulus-convection and cloud-microphysics processes are mainly focused on heavy rainfall;the use of cumulus-convection parameterization tends to produce large-area and light rainfall. Change in parameterization schemes for land-surface and cumulus-convection processes both will cause prominent change in forecast of both dynamic and thermodynamic variables, while change in cloud-microphysics processes show primary impact on dynamic variables. Comparing simplified Arakawa-Schubert and Kain-Fritsch with Betts-Miller-Janjic schemes, SLAB with NOAH schemes, as well as both WRF single moment 6-class and NCEP 3-class with simplified explicit schemes of phase-mixed cloud and precipitation shows that the former predicts stronger low-level jets and high humidity concentration, more convective rainfall and local heavy rainfall, and have better performance in precipitation forecast. Appropriate parameterization schemes can reasonably describe the physical process related to heavy rainfall in South China in the AFRS, such as low-level convergence, latent heat release, vertical transport of heat and water vapor, thereby depicting the multi-scale interactions of low-level jet and meso-scale convective systems in heavy rainfall suitably, and improving the prediction of heavy rainfall in South China in the AFRS as a result.     

WRF模式多种边界层参数化方案对四川盆地不同量级降水影响的数值试验

利用中尺度模式WRF三种边界层参数化方案(MYJ、YSU和ACM2),对2012年四川盆地夏季连续40天逐日降水量进行数值试验,并检验评估了不同边界层参数化方案下模式对分级降水量和边界层结构的模拟能力,分析了各参数化方案对降水量模拟差异的可能原因。结果表明:三种边界层参数化方案对较小量级(小雨和中雨)降水量的模拟,24 h时效优于48 h,ACM2方案效果较好;对较大量级(大雨和暴雨)降水的模拟,48 h时效优于24 h,YSU方案模拟效果较好。对比分析温江站加密探空观测与模式模拟的大气边界层结构表明,ACM2方案对小量级降水时边界层结构的模拟较为准确,而YSU方案更适合于温江站大量级降水时边界层结构的模拟。不同边界层参数化方案对各量级降水量模拟差异的可能原因是边界层湍流混合强度的不同,MYJ方案湍流混合作用较弱,导致底层大量水汽积聚,不稳定性强,容易产生虚假降水,因此对各量级降水模拟能力均有限;YSU方案具有强烈的垂直混合强度,有利于局地水汽的向上输送,更易达到大量级降水发生发展的条件,适用于盆地较大量级降水的模拟;ACM2方案在保证足够湍流混合强度的同时,在较稳定条件下会关闭非局地输送,不致于产生过强降水,适合盆地较小量级降水的数值模拟     

基于西南区域模式预报的川西高原东坡过渡带降水地形订正试验

基于西南区域模式（SWCWARMS）网格降水预报,通过地形降水估算量构建地形降水订正方程,分别应用模式地形和实际地形的订正方案对2020年6~8月发生在川西高原东坡过渡带的11次强降水过程进行订正试验。结果表明:应用模式地形订正后各量级降水预报的平均TS（Threat Score）评分较模式预报均有所提高,大雨及以上量级TS评分提高4%以上,平均空报、漏报率均减小,订正效果优于应用实况地形订正的效果。该方法具有普适性,对于地形复杂的川西高原东坡、攀西河谷及盆地西部沿山地区,预报和实况落区相似、不相似及强、弱降水过程均适用。      

复杂地形上气象场对空气质量数值模拟 结果影响的研究

利用WRF模式三种边界层参数化方案(YSU、MYJ、ACM2)产生的气象场分别驱动多尺度空气质量模式CMAQ,对兰州市西固区冬季2005年1月27日至2月2日期间SO₂和NO₂浓度进行了数值模拟,将模拟结果与同期监测的污染物浓度进行对比分析,结果表明:WRF模式不同边界层参数化方案模拟输出的气象场驱动CMAQ模式所模拟的SO₂和NO₂浓度均可以反映出污染物的时空变化特征,CMAQ模式具有模拟复杂下垫面高分辨率污染物输送特征的能力;WRF模式的边界层参数化方案选为局地与非局地闭合方案(ACM2)时,模拟的气象场驱动CMAQ模式得到的空气污染物浓度分布特征最优,这主要是由于ACM2的湍流输送机制较为合理,模拟的边界层低层气象场更接近实际,从而可以较好地模拟污染物的输送特征;当CMAQ模式的垂直混合方案与WRF模式的湍流输送方案一致时(均采用ACM2方案),模式间的兼容性好.     

WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验

本文主要对基于WRF模式的快速同化系统 (RUC) 中使用的积云对流参数化方案进行简单介绍, 并对不同积云对流参数化方案进行了典型个例降水预报的对比试验和检验。结果表明, 总体预报效果以KF和GD方案较好, 具体表现在雨区分布及大暴雨中心强度, 对流降水对总降水贡献, 在中低层流场高低值系统分布, 以及冷空气活动引起的变温正负中心强度及位置, KF和GD方案模拟结果可以较好地反映观测实况, TS评分结果也表明KF和GD方案在小级别降水预报中占有优势。      

耦合不同陆面方案的WRF模式对2007年7月江淮强降水过程的模拟

利用WRF模式, 分别选用不同陆面参数化方案 (SLAB、 RUC、 NOAH、 UCM) 对2007年7月7～8日的江淮暴雨进行数值模拟试验, 模拟结果的对比分析表明: 虽然主要雨带的基本位置和大致走向受陆面方案的影响并不大, 但是降水强度的分布对陆面物理过程是敏感的, 耦合陆面方案比不耦合陆面方案的模拟效果更接近实况; 不同陆面方案模拟的降水量均较实况偏小, 然而由于考虑的要素和物理过程存在一定差异, 它们对降水的中心落点、 雨量值、 降水日变化、 降水类型以及降水条件的模拟各有所长; 特别值得指出, TRMM资料与4种方案的模拟结果均反映出本次降水日变化过程中夜间的峰值特征, 这是短时降水 (1～3 h) 和持续性降水 (≥6 h) 的综合反映, 而凌晨后的降水则主要由持续性降水造成; 在各种试验的综合比较中, NOAH方案较其他方案的模拟结果显得更稳定与合理, UCM方案针对城市下垫面的模拟有一定优越性。     

双参微物理方案对一次强降水过程的数值试验

利用WRF模式,分别采用WDM6和Morrison双参微物理方案对2009年7月23—24日,华东地区的一次强降水过程进行数值模拟。通过对地面累积降水量、降水强度和云中微物理量分析,对比研究了以上两种双参微物理方案对降水的预报效果。结果显示两种方案都低估了强降水区域的降水强度,而且提早预报了降水发生的时间。但相比之下,Morrison方案更接近实际的观测结果,而WDM6方案的误差在50%以上。分析了云中微物理量场和参数化方案计算过程,发现由于WDM6方案对雨滴的定义不合理,在结果中存在大量小粒径的雨滴,使平均粒径远小于典型雨滴,导致雨水的下落过程中,蒸发作用的强度被高估,而沉降过程的强度被低估,因而低估地面降水。     

峡谷地形对两次极端降水的作用

利用地面加密自动站、常规观测资料、NCEP再分析资料和两种模式产品,对发生在宜昌峡谷地区2016年7月7日局地极端短时强降水过程和2018年4月22日稳定性极端降水过程形成原因及模式预报性能进行检验分析。结果表明:(1)强的块状回波稳定少动,造成7月7日高效率的对流降水。4月22日降水既有沿山中尺度对流回波造成的对流降水,也有螺旋状涡旋回波形成的锋面层状云降水。(2)山谷风形成中尺度切变线,触发对流,中尺度切变线发展为中尺度涡旋使对流加强是极端短时降水形成的主要原因。(3)地形强迫抬升使对流降水强度明显增大,锋面层状云回波受地形阻挡影响长时间维持是稳定性极端降水形成主要原因。(4)地形相差大的地区模式预报性能差异较大,模式对复杂地形下的对流降水预报偏弱,导致系统强度出现差异,进而影响降水强度预报。