基于Endlich迭代调整的全球流函数和速度势计算及风场分解与重建

本文将有限区域求解流函数和速度势的Endlich迭代调整方法(E-T方法)推广至全球区域,并与常用Guass-Seidel迭代求解Poisson方程方法(G-P方法)进行了比较。结果表明:E-T方法适应于全球流函数和速度势的计算,其由内向外调整,不需严格考虑边界条件,可消除边界对计算结果的影响;E-T方法能准确分解和重建原始风场,而由于极地边界和差分格式影响,G-P方法求得的旋转风和辐散风之和不能准确重建原始风场,尤其是经向为固定边界时,两极地附近重建风场误差非常明显;E-T方法与G-P方法另一重要差异是前者利用流函数和速度势与风场偏微分关系直接进行迭代求解,不需计算涡度和散度,不但保证了重建风场的准确性,还防止了涡度和散度计算误差带来的二次污染。     

有限区域风速场求解流函数和速度势场的有效方案

流函数和速度势是表示风场的一种变量, 在数值天气预报模式和分析、同化方案中经常使用, 通常可以用风速分量场求解Poisson方程得到。对于有限区域系统, 往往采用差分方法, 但由于存在边界问题, 用计算所得到的流函数和速度势场重建风速场, 在边界附近经常出现明显的偏差。基于差分方法、利用有限区域风速场求解流函数和速度势场的基本方法和特点的分析, 在Arakawa A网格分布的有限区域, 设计了一种用差分方法求解流函数和速度势场的有效方案。在该有效方案中, 通过将有限区域向外扩展二圈, 风速场线性外推, 改进计算边界风速值和边界定解条件的效果; 尽可能使用协调、一致的差分格式, 提高求解精度; 最后利用一种增量订正迭代方法, 迭代2~3次就可以获得令人满意的结果。实例试验的对比、检验显示, 用该方案计算求得的流函数和速度势场重建风速场, 具有非常高的精度。     

用有限区域风速场准确求解流函数和速度势场的方法

流函数和速度势是气象业务和研究中常用于表述风速的一组变量。用有限区域风速场, 使用有限差分方法求解得到的流函数和速度势场重建初始风速场, 由于受区域边界的限制往往有明显的偏差。虽然有许多求解方法的研究, 但是, 至今仍尚未见到一种真正准确的求解计算方案。首先, 介绍用Arakawa A网格和D网格分布的有限区域风速场求解流函数和速度势场的一般有限差分计算方法, 探讨用它们的解重建风速场产生误差的原因。然后, 针对这些原因, 对给定的有限区域, 通过线性外推初始风速场, 扩展求解计算区域, 使用协调、一致的有限差分格式方案, 准确计算求解区域的边界有旋风速、散度风速和速度势的定解边界条件, 以及恰当选择流函数、速度势、涡度和散度等变量的分布网格, 设计了用上述两种网格分布的风速场准确求解流函数、速度势场的方案, 并对其正确性加以证明, 它们可以推广应用于其他Arakawa网格。用实际资料试验同样显示, 方案避免了重建风速场误差的出现, 与初始风速场相比, 全场风速最大偏差精度达到10-12m/s或以上, 在计算机精度造成的计算误差影响范围内。本文的研究很好解决了长期以来用有限区域风速场、 使用有限差分方法无法准确求解流函数和速度势场的问题。     

有限区域流函数和速度势的计算及其在台风中应用

在Endlich提出求解旋转风和辐散风基础上,本文给出了直接利用风场迭代计算流函数和速度势的方法,该方法不但能求解流函数和速度势,还可将原始风场直接分解为旋转风和辐散风。此方法在有限区域中,能大大降低边界条件对计算结果的影响,不仅能计算准确的涡度和散度,还能很好的重建原始风场。采用此方法,对"0808"号台风"凤凰"进行了诊断分析,得到了台风不同时期的流函数和速度势、旋转风和辐散风。结果发现在台风的不同时期,流函数与高度场相似,可用其低值中心来分析台风移动路径和强度的变化,速度势存在高值区,其中心与高度场低值中心不吻合;旋转风的涡旋中心也可用来反映台风中心,台风南侧辐散风较大,故可用来反映南方水汽供应对台风发展、成熟、衰退的影响。     

近70年有限区域流函数速度势算法研究的回顾和新进展

流函数和速度势能很好反映流体的涡度和散度特征，一直广泛应用于全球和区域大气和海洋环流分析、污染物扩散和资料同化等研究领域。近年发现，有限区域流函数速度势常用算法计算中小尺度系统复杂流场和复杂下垫面驱动的边界层流场时，精度显著下降。本文全面回顾上世纪五十年代以来的五类常用算法，从数学原理和物理意义两方面简述优缺点，总结其适用范围；指出常用的调和—余弦法在可解性条件方面的科学问题，并设计订正方案，以提高其在求解复杂流场问题中的适用性和计算精度；通过理想函数和实际天气过程复杂流场的多组数值试验，直观定量显示并归纳总结适于不同分辨率资料的算法。本文旨在为流函数速度势及其相关变量在极端天气气候事件机理分析和数值预报等领域的有效应用，提供科学依据。     

中小尺度强对流天气雷达径向风精细化定量特征与预警信息研究

采用天气雷达径向风场基数据,提取其所含数值特征定量信息,并构建几种强对流指标。采用对区域流场特征表达能力良好的流函数与势函数计算,并运用合适的边界条件及计算处理方案,由泊松方程迭代求出满足区域无辐散条件的特解,进一步通过逆运算重建径向风场及运用交叉相关统计方法,检验重建效果,显示由所用边界处理方案解出的区域流函数与势函数是收敛的,能够清晰表达径向风场特征。并运用径向风数值信息以及它们与局地强对流的密切关系,构建区域强对流时空预警指标方程,依托预警指标,提供径向风场分区精细化预警区位和时间演变状态。根据局地暴雨的径向风特征,运用矩阵转换技术开发了径向风辐合线客观自动识别方法,可提供径向风辐合线的具体地理位置,尺度大小,走向分布,覆盖范围以及动态追踪等定量信息。进一步地将径向风辐合线与径向风定量信息背景场叠加,获得直观的精细化局地强对流中小尺度系统时空预报预警方法。     

揭阳市一次突发局地特大暴雨的中尺度特征

利用天气雷达资料及广东省自动气象站每6min的风场资料,分析揭阳市一次局地特大暴雨的中尺度特征,结果表明:TREC反演风场能很好地反映中尺度天气系统,显示出暴雨中心与风速切变、辐合中心的密切关系;揭阳市附近小范围偏南急流为暴雨的发生提供了充足的水汽来源,风速的辐合、切变线的存在提供了动力条件,地面南北向中小尺度辐合线较长时间的维持,使降水回波停滞在原地;速度逆风区长时间存在预示特大暴雨的产生,特定的地形条件也使降水明显增幅。     

登陆热带气旋Bilis（0604）暴雨增幅与风场结构变化

利用日本气象厅区域谱模式（RSM）20 km再分析资料及改进的调和—余弦算法,对2006年4号台风Bilis登陆后暴雨增幅前后风场的结构变化特征进行了比较分析。Bilis台风登陆西行过程中,于14日18:00（协调世界 时,下同）开始,至15日12:00出现明显的暴雨增幅现象。在暴雨增幅前后时段,暴雨区的全风场及无辐散风分布变化强度小于无旋风。具体表现为:暴雨增幅前,Bilis低层西南部的无旋风速加强,辐合中心与Bilis中心逐步靠近,垂直上升运动加强;在暴雨增幅期间,Bilis西南部的低层和高层的无旋风速都一致持续加强。这种无旋风场上的变化与暴雨强度变化有很好的相关性,即:无旋风在Bilis西南部的增强及辐合增强与该区域暴雨的增强相对应,暴雨增幅的时段与高低层无旋风的风速加大和辐合增强是一致的。对暴雨增幅起主导作用的是无旋风的变化及其引起的散度变化。无旋风速及辐合增强时,暴雨增强并维持;无旋风及辐合减弱后,暴雨强度逐渐减弱。无辐散风强度变化与暴雨强度变化相反,而全风速在暴雨增幅前主要由无旋风决定,暴雨减弱阶段主要由无辐散风决定,对无旋风及无辐散风的分析能更加明显的揭示出暴雨增幅时期风场的具体变化。相对于全风场分析,无辐散风和无旋风能提供更多的风场结构变化与暴雨增幅的关系,这对于预报和分析登陆台风的风雨分布有一定的促进作用。     

应用带通滤波器分离次天气尺度系统

本文设计了一个带通滤波器,能直接使用实测风资料,在边值影响较小的情况下,从有限区域原始场中分离出次天气尺度系统。并用一次实例,计算了原始场及次天气尺度场的散度场结构,发现暴雨易产生在原始场及次天气尺度场700mb 和500mb 辐合、300mb 辐散的重叠区域内。     

中尺度重力波指数与暴雨冰雹等强对流天气的关系

该文采用中尺度风场计算低频重力波指数,对暴雨、冰雹、大风等强对流天气进行了诊断分析和预测。结果表明:低频重力波指数Cし*与对流的暴发性发展相联系,对暴雨、冰雹、大风等强对流天气都有很好的预报意义;强对流天气一般发生在Cし*-10的区域;Cし*的大小与预报时效相联系;中尺度风场比大尺度风场的重力波指数更能反映出重力波指数与强对流天气的关系。     

风廓线雷达产品在冰雹天气过程中的应用研究

本文利用威宁县2022年6月2日一次冰雹天气过程风廓线雷达资料和威宁国家基准气候站降水资料,采用数理统计等方法对本次天气过程的风廓线雷达特征进行分析结果表明：冰雹、短时强降水开始前,低空急流的建立和垂直风切变的加强,急流造成的辐合加上近地层风向的切变作用为冰雹和强降水的产生提供了很好的动力条件;冰雹和短时强降水开始发生时,2000米高度以上有很大的正速度,可以作为一个指标判断对流发展的强弱情况;冰雹发生时折射结构常数（Cn2）值在-128~-110dB之间,也能很好的反映冰雹等强对流天气的开始,增强和结束过程。     

皖北一次特大暴雨过程中边界层急流日变化特征 及其对暴雨形成的影响分析

利用多普勒雷达风廓线产品、ERA5再分析资料和WRF模式,分析了2018年6月27日皖北一次特大暴雨过程中边界层急流的日变化特征及其对特大暴雨形成的作用。结果表明:特大暴雨发生期间存在边界层急流,急流最强达到了18 m·s^-1,强降水主要发生在急流快速增强的时段;急流前部的边界层辐合线是对流的触发因子,强降水落区位于急流核前部。急流为对流系统加强提供水汽和能量,且边界层急流和雷暴高压对峙使对流系统稳定少动,在对流系统西侧激发新的对流单体,有利于特大暴雨的发生;此次过程中天气系统的影响时间主要决定了强降水的落区,而边界层急流的日变化决定了强降水发生的时间段;边界层急流在夜间具有超地转特征,午后具有次地转特征,地转偏差和水平平流作用是导致夜间边界层急流增强的主要原因。     

基于季节内振荡的延伸预报试验

2～4周的延伸预报是近年来国际上天气和气候业务预报发展的一个重要方向。本文以江淮梅雨区降水为例, 在利用集合经验模态分解 (EEMD) 及多变量EOF方法获取梅雨区降水及其影响系统低频信号的基础上, 采用最优子集回归方法、 经验波传播 (EWP) 方法及全球海气耦合模式产品, 对梅雨季节内演变的延伸期预报方法进行了预报和试验, 以期为建立延伸期预报业务提供科学依据。试验结果表明: (1) 大气季节内振荡对梅雨区降水的延伸预报具有重要的应用价值, 可能是联系天气过程和异常的重要系统。(2) 通过EEMD方法提取前期降水演变及影响因子的季节内振荡信号, 采用最优子集回归统计学方法对梅雨区逐候降水量演变进行超前30天预报是有可能的。(3) EWP经验动力方法对热带ITCZ活跃异常的未来40天东传可能具有较好的预报效果, 还可能较好地预报出延伸期的梅雨区风场距平演变, 具有一定应用价值。(4) 全球海气耦合动力模式输出产品在延伸期环流形势趋势预报及20天左右的MJO指数预报方面有一定的参考价值。     

梅雨锋上边界层中尺度扰动涡旋的个例研究

运用实况自动站、高时空分辨率的雷达和数值模拟资料,对2009年7月24日的梅雨锋暴雨过程进行了分析,结果表明:(1)锋面南侧的暖区弱降水环境内,近地面的风场会有扰动涡旋出现,随着扰动涡旋趋于稳定和向上发展,降水迅速加强,形成短时暴雨,并伴随有大风出现。(2)偏西气流从边界层开始发展并加强为急 流,在向东推进的过程中逐渐抬升,形成了一支从边界层倾斜入对流层低层的急流轴;而偏南气流与偏北风相遇之后,不仅形成风向的辐合和切变,而且在空间上被抬升,形成了一支斜升入流。(3)在近地面风场的切变和 辐合作用下,锋生与辐合同步加强,边界层内的涡度也逐渐增强,由此带动了扰动的发生发展,扰动涡旋在边界层内率先形成,随后,在急流的东传和抬升影响下,扰动涡旋也逐步向东移动、向上发展。(4)近地面风速的加强、风向的辐合切变导致了扰动涡旋的发生和形成,并逐渐发展,这是边界层中尺度扰动涡旋发生发展的动力 因子。     

太行山地形影响下的极端短时强降水分析

2015年8月2日午夜和2011年8月9日前半夜,在两种不同天气系统背景下太行山东麓都出现了小时雨量超过50 mm的极端短时强降水天气,两次过程都是雷暴先在太行山区触发加强,经过下山2 h先后在丘陵站平山和山前平原站石家庄市区产生极端短时强降水。利用常规探测资料、地面加密观测资料、石家庄SA多普勒天气雷达资料,对不同天气系统背景下太行山特殊地形影响的极端短时强降水成因进行分析。结果表明:偏东气流被南北向的太行山地形强迫抬升,且与下山雷暴出流形成中尺度辐合线触发新的雷暴,雷达回波呈现后向传播特征和列车效应造成局地极端短时强降水。太行山地形通过增强辐合上升运动、增大垂直风切变使雷暴下山加强。不同天气系统强迫下,太行山特殊地形对雷暴发展作用不同。在偏西气流引导下,暖区极端短时强降水由阵风锋触发,具有突发性、降水时间短、伴随风力大的特点,下山雷暴出流加快且与山前偏东风的辐合加强,陆续在丘陵区和山前平原触发对流与下山雷暴合并加强造成极端短时强降水;而在东北气流引导下,回流冷锋和阵风锋共同触发的极端短时强降水具有持续时间较长、降雨总量较大、伴随风力较小的特点,太行山东坡对东北冷湿回流有阻挡积聚作用,东北偏北来的雷暴出流边界西端在迎风坡上强迫抬升使雷暴触发并加强,东北气流遇山后发生气旋性偏转使雷暴出流转向东南下山,与平原的偏东风辐合加强,造成丘陵区和山前平原的总降雨时间更长、降雨总量更大。     

云可分辨模式中误差的增长和传播对定量降水可预报性的影响

Limitations in the predictability of quantitative precipitation forecasting （QPF） that arise from initial errors of small amplitude and scale are investigated by means of real-case high-resolution （cloud-resolving） numerical weather prediction （NWP） integrations. The case considered is the hail and wind disaster that occurred in Sichuan on 8 April 2005. A total of three distinct perturbation methods are used. The results suggest that a tiny initial error in the temperature field can amplify and influence the weather in a large domain, changing the 12-h forecasted rainfall by as much as one-third of the original magnitude. Furthermore, the comparison of the perturbation methods indicates that all of the methods pinpoint the same region （the heavy rainfall areas in the control experiment） as suffering from limitations in predictability. This result reveals the important role of nonlinearity in severe convective events.     

边界层风廓线雷达在降水时段中的在线分析应用研究

本研究提出了一种在边界层风廓线雷达连续运行的降水探测时段中对降水频谱进行在线分析的新的应用方式。详细介绍了边界层风廓线雷达在线分析原理和方法。同时结合典型降水频谱个例,分析了可获得的多个潜在的气象参数和信息。并指出,该在线分析方式的实施可以使风廓线雷达的应用领域从晴空探测向降水测量拓展;有效缓解当前风廓线雷达应用存在的瓶颈问题;间接证明边界层风廓线雷达组网间距不固定的观点。文章分析说明,随着在线分析方式的推广应用,边界层风廓线雷达将成为单站精细化气象探测和预报/服务的重要工具。     

Radar data assimilation of the GRAPES model and experimental results in a typhoon case

Constructing β-mesoscale weather systems in initial fields remains a challenging problem in a mesoscale numerical weather prediction (NWP) model. Without vertical velocity matching the β-mesoscale weather system, convection activities would be suppressed by downdraft and cooling caused by precipitating hydrometeors. In this study, a method, basing on the three-dimensional variational (3DVAR) assimilation technique, was developed to obtain reasonable structures of β-mesoscale weather systems by assimilating radar data in a next-generation NWP system named GRAPES (the Global and Regional Assimilation and Prediction System) of China. Single-point testing indicated that assimilating radial wind significantly improved the horizontal wind but had little effect on the vertical velocity, while assimilating the retrieved vertical velocity (taking Richardson's equation as the observational operator) can greatly improve the vertical motion. Experiments on a typhoon show that assimilation of the radial wind data can greatly improve the prediction of the typhoon track, and can ameliorate precipitation to some extent. Assimilating the retrieved vertical velocity and rainwater mixing ratio, and adjusting water vapor and cloud water mixing ratio in the initial fields simultaneously, can significantly improve the tropical cyclone rainfall forecast but has little effect on typhoon path. Joint assimilating these three kinds of radar data gets the best results. Taking into account the scale of different weather systems and representation of observational data, data quality control, error setting of background field and observation data are still requiring further in-depth study.     

自动与人工观测数据的差异

该文概述了造成自动观测与人工观测数据差异的各种原因，其中包括仪器的测量原理与观测方法不同，观测时间和空间不同，采样方式与算法不同，观测时次不同等等。通过对比分析基本气象要素，如气压、气温、地温、风向风速、降水、湿度等的两种观测数据，认为自动气象站的观测结果更接近大气中的实际情况。自动站对气压、气温和风向风速的观测有明显的优势，但在雨量累计量的测量和高温高湿下的湿度测量效果不理想。     

江苏不同强度降雨对能见度影响分析

利用江苏70个基本站多年逐时雨量、相对湿度、风向、风速以及同时段内最低能见度等观测资料,分析不同强度降雨对能见度的影响,并对比分析两种不同强度降雨造成的低能见度事件统计特征。结果表明:降雨是除雾以外,江苏低能见度的主要影响天气(14. 7%),其中稳定性弱降雨和短时强降雨影响最大。与低能见度雾事件不同,降雨造成的低能见度事件全天各时段均可能出现,发生时可伴随较强的风速(2 m/s),短强低能见度多见风速4 m/s(26. 6%)。江苏冬春两季为雨雾高发季,主要受降雨持续时间影响,对应的低能见度区间为500~1 000 m,有明显日变化。短强低能见度主要受雨强影响,多发生于6—9月,对应的低能见度区间为小于200 m,无明显日变化。两种降雨产生的低能见度事件有明显的空间分布差异,且雨雾低能见度发生时偏北风占主导,短强低能见度发生时则偏东风占主导。