卫星反演湿度场及其在暴雨预报中的初步应用分析

文中分别用两套相对湿度初始场方案 ,对 5个暴雨个例进行了预报对比试验 ,探讨了利用GMS- 5卫星图象反演的高分辨率湿度场资料改进初始场 ,以提高暴雨中尺度数值预报水平的可能性。结果表明 :( 1 )引入卫星反演湿度场能较好地反映出实际湿度场的水平中尺度结构 ,尤其是有效地增强了对降水有重要影响的高湿区的分析 ,且与实际探空资料更为接近 ;( 2 )引入卫星反演湿度场资料改进初始场一般会使 2 4 h的降水预报评分有所提高 ,特别是具有使预报前期 ( 0～ 6h)的降水场向观测场逼近的作用 ,但对预报后期 ( 6～ 2 4 h)降水场的影响具有不确定性。     

资料同化对一次华南暴雨影响的数值试验研究

针对一次华南暴雨过程,采用WRF区域中尺度模式进行了控制试验和同化试验.利用WRF-3DVAR同化系统同化了常规探空和地面观测资料,分析了两种资料对初值场的影响,以及对降水和各物理量预报效果的影响.结果表明:同化能改进初始场,并可改进暴雨落区和强度预报;同化可提高WRF模式对风场、温度场、高度场以及水汽场的预报能力.但有一定的时效性;同时同化探空和地面资料,比仅同化探空资料对大气低层物理量的预报能力要提高较多.     

卫星云图反演资料质量控制方案在暴雨模拟中的对比研究

本文以2003年7月9～10日发生在江淮流域的暴雨过程为例，应用FY-2B卫星红外云图灰度资料，利用统计回归的反演方法求出高分辨率的温度和湿度的反演场用于改进预报的初始场。设计和对比了几种质量控制方案，再将控制后的反演场与常规资料进行同化，最后用MM5模式进行了模拟对比试验。结果表明：在模式的初始场中引入卫星云图反演场能反映出更为细致的中尺度结构，有效地增强了对降水有重要影响的高湿区；锋生函数质量控制方案改善模式的初始场，从而改善了MM5模式降水预报的落区和强度，提高了降水预报准确性及Ts评分。     

卫星云图资料反演的质量控制及变分同化数值试验

该文针对数值化的 GMS红外卫星云图资料的特点 ,利用改进的统计反演方法分别求出温度和湿度估计场 ,设计了几种订正方案对反演出的温度和湿度进行质量控制 ;控制后的反演场再与常规观测资料进行变分同化 ,最后用 MM4模式进行了模拟对比试验 .结果显示 ,在合理的泛函设计的基础上 ,质量控制的好坏直接影响预报结果 .用分析场格点值进行订正效果优于用测站值直接订正 ,加上对云图反演的值进行系统误差订正后 ,有效提高了降水预报准确率 .值得指出的是 ,加进云图资料后 ,明显改善了模式降水预报的强度和区域 ,与仅用常规探空资料相比更接近于实况 .     

强降水过程模式中尺度水汽初值的敏感性试验

用η坐标中尺度模式模拟了１９９８年７月２０日２０时～２１日２０时（北京时,下同）发生在湖北省东部的一次强降水过程。根据２０日２０时降水的实际发生区域,调整了武汉以南的一块与实际降水对应区域的８５０～４００ｈＰａ的湿度初始场。试验结果表明,模式降水预报效果强烈地依赖于中低层中尺度水汽初值。当探空网资料的客观分析场不能正确地反映出尺度高湿区的存在时,预报结果与实际偏差很大。根据实际降水区域对湿度场作人     

降水预报的初始场最优化方法

利用一简单的湿度发展方程，尝试用非线性最优化方法讨论降水预报中的最优初值场的获得。试验结果表明，通过非线性最优化分析方法，可以找到一最优初始场，使得模式预报结果与实际观测场一致，这为将来在实际应用中如何改善更复杂模式的初始场，提高预报准确率提供了一个很有意义的思路。     

GRAPES模式对西南季风爆发的数值模拟及初值影响试验

使用GRAPES模式对南海季风爆发进行模拟研究。针对模拟预报中初始场信息偏弱的情况,引入NOAA17卫星AMSU-B资料改进初值。直接利用GRAPES三维变分同化系统,设计了两个同化试验方案:试验1(T1)同时同化探空资料和AMSU-B资料、试验2(T2)仅仅同化常规探空资料,然后应用GRAPES有限区域模式进行模拟预报。通过对比试验发现,该模式对初始场的改变十分敏感,可以比较成功地模拟出南海夏季风的爆发时间和爆发候的高、低层风场配置以及季风与季风雨带的向北推进。然而该方案对于雨量和副热带高压位置的模拟,与观测相比尚存在一定的偏差,主要表现为副热带高压位置模拟偏西、偏北;南海地区的降水量模拟偏大、降水范围偏大。     

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。      

四川盆地暴雨对初值敏感性的模拟研究

本文基于区域暴雨数值预报模式AREM,针对2007年7月发生在四川地区的多次强降水过程进行数值试验,检验了NCEP和站点资料(STN)初始分析场资料预报结果,发现由于台站资料稀少,NCEP资料在四川地区的评分较高。讨论了四川盆地降水对初值的高度敏感性,揭示了四川盆地降水对初值中各个物理量场的不同敏感性,其中,降水对初值中湿度场的响应最为显著。初值不仅决定着降水的范围和强度,还对降水的发生时间产生明显影响。      

bbGPS/PWV资料三维变分同化改进MM5降水预报连续试验的评估

利用区域地基GPS网反演的高时空密度的大气垂直方向水汽总量，也称为可降水量（PWV），可大大弥补常规探空探测水汽资料的不足。为了全面评估区域GPS网PWV资料同化对业务数值天气预报改进程度的目的，在个例研究分析的基础上，进行了连续38天的GPS/PWV资料三维同化（3D-Var）改进数值业务预报的试验。研究方法是根据长江三角洲地区GPS气象网在2002年梅雨和盛夏季节观测的刖资料，通过三维变分同化建立中尺度数值预报模式MM5的初始场，逐日作出长江三角洲地区24小时的降水量预报。以6小时累积雨量为对象，与未同化GPS／刖资料的MM5的相应预报比较，通过多种评分方法，评估了GPS／PWV资料改进MM5降水预报的效果。结果表明GPS／PWV资料同化后的MM5降水预报能力在大部分时间和大部分地区都有所提高，主要是伪击率有较明显的下降，对小范围降水预报的改进更为明显。预报明显改进的区域恰好位于GPS站填补常规探空站间距较大的地区。     

可降水量同化对初始湿度场调整的应用研究

设计了一个三维变分同化方案,利用非静力中尺度模式MM5和由实况观测反演得到的可降水量资料,运用该变分同化方法改善初始湿度场,并对2003年7月9～10日的暴雨过程进行数值模拟对比试验.结果表明,①可降水量资料的变分同化对初始湿度场具有较强的调整能力;②同化可降水量后,可以明显地改善模式初始湿度场,能够有效地提高降水模拟的准确率.     

不同初始场及其扰动对WRF 模拟暴雨的影响

使用ERA-interim和FNL再分析资料分别驱动WRF,对2013年7月12—13日的一次暴雨过程进行数值模拟,详细比较了WRF模拟结果之间的差异。结果表明:(1)两种资料在次天气尺度上存在着较大差异,并由此造成了模拟结果之间的差异,ERA-interim作为初始场对降水的模拟优于FNL资料,反映了WRF对初、边界条件的敏感性;(2)从区域总降水量来看,湿度场扰动对降水量的影响最大,其次是风场扰动和温度场扰动,最小的是侧边界扰动;(3)从降水误差来看,湿度场扰动引起的降水误差最大,在积分20 h内风场扰动的降水误差大于温度场,积分21~24 h则相反,侧边界扰动引起的降水误差在前期比较小且增长缓慢,积分一段时间之后与单个气象要素扰动引起的降水误差相当。     

AREM初值敏感性试验及误差分析

本文基于区域暴雨数值预报模式AREM,对2008年7月四川地区的整月天气过程进行数值模拟试验,分别采用台站常规报文资料、T213预报场资料和以T213资料为背景场,融合常规报文资料3种初值,发现得到的模拟结果差异很大,其中以台站常规资料为初值模拟的降水最接近实况。和台站资料相比,T213预报场资料在四川盆地中西部中低层大气的湿度偏大,温度偏高,风场偏强,而位势高度偏低,直接导致了模拟的降水偏强。这些初值的差异随着积分时间逐渐变小,通过对比逐时降水发生发展过程,发现降水的差异与湿度的调整最为吻合,初值中各个量场对模拟结果都有一定的影响,其中水汽场的影响最为显著,位势高度场的影响最弱。通过比较不同时次初值的模拟结果还发现,0000UTC时刻大气系统相对稳定,故以此为初值模拟的降水比从1200UTC时刻开始模拟的降水更合理。模式模拟的前24h降水比后24h降水的效果更好,一方面说明临近预报的准确度更可靠,另一方面也反映积分前期模式对初值的响应相当敏感。      

LAPS同化GPS/PWV资料在暴雨预报中的应用研究

利用LAPS(Local Analysis and Prediction System)系统同化GPS(Global Positioning System)/PWV(Precipitable Water Vapor)资料,分析GPS/PWV资料对LAPS输出场的影响,并结合WRF模式,将LAPS输出场作为其初始场进行降水预报,进一步考察GPS/PWV资料对降水预报的作用。选取2009年6月28日湖北地区的一次强降水过程,设计三种方案进行试验。结果表明:同化GPS/PWV资料后对LAPS湿度场有显著的改善,而对高度场及风场的作用则不明显;GPS/PWV资料对区域平均可降水量的影响比雷达资料大一个量级;与此同时,利用多种评分方法对6 h累计降水做了检验,分析结果表明同化GPS/PWV资料能够有效地改进WRF模式的初始场,增加丰富的中小尺度信息,并对随后的确定性预报产生正影响。     

台风暴雨数值预报中ATOVS资料的变分同化试验

利用ATOVS卫星辐射率资料和NCEP资料,采用中尺度数值模式WRF(V3.3)及其同化系统WRF-3DVar,设计了几组同化试验方案,对由0908号台风"莫拉克"导致的台湾南部2009年8月8—9日特大暴雨过程进行数值预报。结果表明,直接同化ATOVS辐射率资料对初始温度场、湿度场和风场均有较明显的改善,其中连续循环同化试验的改善效果最显著,同化后初始场增加了暴雨中心上空对流不稳定性,同时风场也表现出更强的低层辐合、高层辐散的中尺度特征。对比不同的辐射率资料发现,同化MHS资料对湿度场改进效果较好,同化AMSUA资料对温度场和风场改进效果较好,同时同化MHS和AMSUA资料改进效果整体上要好于前两者。在对降水预报定量检验中,同化试验的整体评分要高于控制试验,特别是降水临界值超过300 mm后评分提高最为显著。连续循环同化试验对这次台风暴雨的预报与实况最为接近。     

夏季青藏高原地区降水和低涡的数值预报试验

本文首先分析了１９７９年６—７月的ＦＧＧＥIIIｂ级资料风场和相对湿度场在青藏高原地区的偏差，指出在高原西部应予以订正。然后利用一有限区域模式，通过综合订正初始风场和相对湿度场，改进模式部分物理过程，并提高其水平分辨率，共设计了６组预报试验，对该年的两例高原低涡切变线降水过程进行了２４小时预报。结果表明，利用改进了的初始场和部分物理过程，可明显改善高原地区的降水预报，并在一定程度上改善了流场的预报，即上述改进方案是可行的；但在高原地区嵌套预报方案尚待修改，还应继续努力提高模式对高原低涡流场的预报能力。     

GPS观测资料应用于中尺度数值预报模式的初步研究

利用建立在长江三角洲地区GPS观测网中 11个站点的可降水量资料 ,对 2 0 0 2年 6月 2 3～ 2 4日影响长江三角洲地区的降水过程进行了MM5模式初始湿度场调整和Nudging同化试验。试验表明 :利用GPS测量的可降水量对模式初始湿度场进行调整能明显增强模式初始场描述水汽分布的能力 ,从而有效地控制模式积分初期对可降水量预报的误差 ,并对模式 6h累积降水量预报有较明显的改善作用。利用Nudging技术同化GPS可降水量资料对MM5预报效果改善较小 ,并且Nudging系数的增加对预报效果的影响不大。总体上 ,利用GPS可降水量资料调整模式初始湿度场对模式 6h累积降水预报效果的改善明显好于连续Nudging同化。试验还表明 :GPS资料对模式初始湿度场调整改善模式对累积降水量的预报主要是通过改善网格降水预报来实现的 ,而Nudging同化主要是通过改善次网格降水而提高模式降水预报能力的。     

一次降水过程的GPS可降水量资料同化试验

选取2005年7月23—24日北京、天津、河北地区的一次强降水过程,利用MM5模式进行数值模拟试验和GPS可降水量资料的伴随同化试验。为了检验GPS可降水量资料对模式湿度场的改善程度和伴随同化效果,采用24h降水TS评分、模拟湿度场与真实场的均方差和实况降水等检验方法,通过温度场、高度场和风场的均方差试验,结果证明加入GPS可降水量资料在改善初始湿度场的同时对初始温度场、高度场和风场也有不同程度的改善。     

不同初始场对一次西北地区暴雨影响的数值模拟研究

利用WRF3.8.1模式研究了GRAPESGFS、FNL和ERA-interim三种资料形成的不同初始场对2017年8月6-7日西北地区一次暴雨过程模拟结果的影响。此次暴雨是由于南亚高压和高空急流的加强,副热带高压西伸北抬,偏东风低空急流和低空切变线的发生发展造成;三种资料中只有GRAPESGFS资料中可以分析出偏东风低空急流,这可能是导致模拟的降水分布出现差异的主要影响系统。以三种资料作为初始场模拟的环流演变特征在中低层具有一定的差异,500 hPa层GRAPESGFS资料的模拟结果在甘肃中南部地区为一深槽,FNL资料的为一尺度较小的闭合低压,而ERA-interim资料模拟的低值系统不明显;三种资料均可以模拟出700 hPa偏东风低空急流和气旋式环流,强度略有差异。三种资料形成的初始场模拟的降水分布特征方面差异明显,从强降水中心位置和区域平均降水率变化特征来看,FNL资料形成的初始场模拟效果最好;从TS评分等评估指标来看,GRAPESGFS资料形成的初始场模拟效果最好,但是20 mm量级以下空报率相对较大;ERA-interim资料的模拟效果最差。