自动站资料在WRF 3DVAR中的同化敏感性试验

为了了解国家级地面自动观测站不同观测要素对数值预报作用,利用WRF三维变分同化系统对自动站资料的不同观测要素开展同化＆预报试验。两个月的数值预报检验结果表明：1）只同化自动站温度观测对位势高度、温度和相对湿度场预报的影响作用最大,且主要为负作用,而同化气压或风向风速观测对上述要素预报影响作用比同化温度小,但会改善位势高度预报和部分温度预报,对相对湿度预报改善作用不明显;2）对于降水预报,同化风向风速方案的评分结果最差,同化温度的方案次之,同化气压的方案可以改善24h降水预报结果。由此看出用WRF 3DVAR同化地面观测资料时,气压观测十分重要,同时也说明要想用好地面观测资料,让其为数值预报提高发挥最大作用仍需开展很多研究工作。     

复杂地形下地面观测资料同化III. 两种解决模式地形与观测站地形高度差异方法的对比分析

模式地形与观测站地形高度差异是地面资料同化方案设计中的一大难点。本文通过个例和单点试验对第I和第II部分 (徐枝芳等, 2007a, 2007b) 中涉及的两种解决模式地形与观测站地形高度差异的地面资料同化方法 (即增加温度地形代表性误差和温度订正方法) 进行对比分析, 并将这两种方法应用于WRF_3DVAR, 进行3个月的连续数值试验。研究结果表明: 随着地形高度差异的增加, 采用增加观测误差方法得到的估计值向其它资料同化分析值 (背景场值) 靠近, 在一定的高度差异下则失去了同化分析地面资料的意义; 温度订正方法对温度递减率的取值较为敏感, 在有探空资料参与同化分析时, 温度递减率取值敏感性相对减弱。当采用的订正值较为准确时, 采用温度订正方法较增加观测误差方法能更好地处理两种地形高度差异, 地面资料信息应用更充分, 得到的估计值最有可能接近真实值。当模式地形与观测站地形高度差异较小 (小于100 m) 时, 两种解决模式地形与观测站地形高度差异的方法达到的效果基本一致。单点及个例试验表明, 有探空资料等高质量观测参与同化分析时, 采用增加观测误差方法得到分析场更接近真实场。三个月连续试验也表明有探空资料参与同化分析时, 采用增加观测误差方法比温度订正法改进的郭永润同化方案 (Guo et al., 2002) 同化地面资料效果好, 且加入地面资料同化对所有量级降水预报都有所改善。当地面资料同化方案没处理好时, 加入地面资料同化的效果反而不如不加地面资料同化。     

复杂地形下地面观测资料同化Ⅲ.两种解决模式地形与观测站地形高度差异方法的对比分析

模式地形与观测站地形高度差异是地面资料同化方案设计中的一大难点.本文通过个例和单点试验对第Ⅰ和第Ⅱ部分(徐枝芳等,2007a,2007b)中涉及的两种解决模式地形与观测站地形高度差异的地面资料同化方法(即增加温度地形代表性误差和温度订正方法)进行对比分析,并将这两种方法应用于WRF_3DVAR,进行3个月的连续数值试验.研究结果表明:随着地形高度差异的增加,采用增加观测误差方法得到的估计值向其它资料同化分析值(背景场值)靠近,在一定的高度差异下则失去了同化分析地面资料的意义;温度订正方法对温度递减率的取值较为敏感,在有探空资料参与同化分析时,温度递减率取值敏感性相对减弱.当采用的订正值较为准确时,采用温度订正方法较增加观测误差方法能更好地处理两种地形高度差异,地面资料信息应用更充分,得到的估计值最有可能接近真实值.当模式地形与观测站地形高度差异较小(小于100 m)时,两种解决模式地形与观测站地形高度差异的方法达到的效果基本一致.单点及个例试验表明,有探空资料等高质量观测参与同化分析时,采用增加观测误差方法得到分析场更接近真实场.三个月连续试验也表明有探空资料参与同化分析时,采用增加观测误差方法比温度订正法改进的郭永润同化方案(Guo et al.,2002)同化地面资料效果好,且加入地面资料同化对所有量级降水预报都有所改善.当地面资料同化方案没处理好时,加入地面资料同化的效果反而不如不加地而资料同化.     

多源观测资料在LAPS中尺度分析场中的作用分析

利用LAPS系统,分别针对华中、华南两个区域,将2008—2010年5—7月采集的观测资料进行融合同化分析,设计几种敏感性试验方案,以探空资料为客观标准,对比分析各种观测资料对LAPS分析场各要素误差的作用。将LAPS分析资料和FNL再分析资料做比较,给出融合多种观测资料后LAPS分析场的误差精度。结果表明,LAPS融合同化雷达资料、探空资料、地面观测资料后所得到的分析场误差最小;雷达资料和探空资料的融合对于改善风场及温度场的分析具有正效果,并可减小低层相对湿度误差;融合地面资料后能改善低层的温度场和湿度场分析,但对中高层无影响。对比试验期间各要素总均方根误差可发现,LAPS分析的温度、风向和风速较FNL再分析资料有明显改善,各要素误差在观测误差范围内;高度误差在中低层小于10 m,高层小于20 m;温度误差在1℃左右;相对湿度误差在中低层小于20%,高层误差较大;850hPa以上风向误差较小,不超过20°,风速误差小于2m·s-1。     

WRF-DA中地面观测资料同化方案的改进与应用

为了改善地面自动气象站观测数据在WRF-DA（the Weather Research and Forecasting Model-Data Assimilation）系统中的同化应用效果,提高数值模式的预报性能,对WRF-DA地面资料同化方案中温度和风速订正方案进行改进,形成地面资料同化更新方案。通过考虑地形高度差异对同化效果的影响,调整同化方案中地面要素由实际地形高度订正到模式高度的同化订正方案,提升地面观测温度及风速订正值的合理性。并进一步分析了2017年7月5日个例试验结果及2017年7月整月的批量试验,发现相比于使用原方案同化后的预报效果,选取更新方案同化地面自动气象站观测资料的模式预报效果在前9 h温度和风速的预报误差明显降低,且在24 h预报时效内更新方案对于模式预报均起到改善作用。      

COSMIC掩星反演大气温湿资料的质量特征分析

针对COSMIC(Constellation Observation System of Meteorology Ionosphere and Climate)掩星反演的大气温度和水汽压二级资料,利用常规探空观测和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)分析资料分别进行质量检验分析,以揭示反演资料质量的海陆差异、随纬度和高度变化等三维空间特征。结果显示:我国区域反演资料的温度略低于探空观测与NCEP分析资料,温度与水汽压相对于检验资料的均方根误差较小;全球范围内,反演大气温湿资料的质量随高度和纬度的不同而存在明显差异,而且海洋和陆地上质量的水平和垂直分布特征也存在显著不同。总体上看,COSMIC反演大气温湿资料具有良好的可靠性与精确度,可作为我国数值预报资料同化的新资料,反演温湿资料的质量特征也可为COSMIC资料同化的质量控制和垂直稀疏化方案的设计提供科学依据。     

集合均方根滤波同化地面自动站资料的技术研究

模式地形与观测站地形高度差异一直是地面资料同化面临的棘手问题,合理的同化方案能够将地面自动站资料有效的同化到中尺度数值模式中。本文首先采用Guo et al.(2002)的方案实现了在WRF模式中应用集合Kalman滤波方法同化地面自动站资料;然后对方案进行调整,对10 m高度风场、2 m高度位温、2 m高度露点和地表气压进行同化。通过均方根误差分析,模拟结果和同化增量分析来确定集合平方根滤波(EnSRF)同化地面自动站资料的有效性,并进行敏感性试验分析检验模式对各要素物理量的响应状况。结果表明:在EnSRF同化系统中应用Guo et al.(2002)的方案将地面自动站资料进行同化到数值模式中,能够部分改善模拟结果;地面观测资料(温度、湿度、风场、地表气压)中各物理量分别同化到数值模式都能影响18小时降水预报,但各物理量所起作用大小不同,其中对结果影响最大的是露点;使用位温、露点分别代替温度、比湿进行同化模拟效果更好,对自动站资料的同化也更加有效。     

雷达VAD风廓线资料质量控制研究

多普勒天气雷达VAD（Velocity Azimuth Display）风廓线资料可以提供高时间分辨率的高空风场信息。本文针对中国雷达VAD风廓线资料，设计发展了面向资料同化应用的NMIC（国家气象信息中心）质量控制方案，该方案改进了NCEP（国家环境预报中心）方案中存在的问题。利用2020年2—8月的L波段秒级探空风场资料，分别对比质量控制前、经过NCEP质量控制方案、以及经过NMIC质量控制方案的VAD风廓线资料，统计分析结果表明经过NMIC质量控制方案的VAD风廓线资料最接近观测，准确度最高，并且在各个高度上其偏差和均方根误差最小，充分说明了NMIC质量控制方案的有效性。相对背景场偏差分析表明，经过NMIC质量控制方案的VAD资料偏差和均方根误差最小，与背景场的偏差更接近高斯分布，更能满足资料同化的要求。本文的研究有助于推进VAD风廓线资料在数值预报科研和业务中的应用。     

一次对流系统引起奥帆赛场风速突然减小的多普勒雷达特征

根据青岛黄岛新一代天气雷达和浮标站等观测资料,对2006年8月青岛国际帆船赛期间一次赛场风速突然减小的多普勒雷达特征进行了分析,以探讨雷达产品对地面风变化的指示意义.结果发现,对流系统周围的环境风场存在较强的风垂直切变,在对流系统移动和发展过程中,风切变层的高度发生了变化.当赛场附近近地面风切变层高度降低、切变层风速减小时,赛场附近风速也减小;切变层升高后,赛场附近的风速又重新增大,表明近地面风切变层的高度和切变层风速的大小对地面风速有影响.新一代天气雷达VAD风廓线产品可以较好地反映出雷达站附近风切变层以及风速的垂直变化,对地面风速的变化有指示意义.     

兰州CAWS600-R自动站与人工观测资料对比分析

利用2002年11月到2003年2月兰州CAWS600-R型自动站与人工观测的温度、本站气压、水汽压、相对湿度、5～320cm地温等资料，分析了对比观测资料的差值。结果表明：对气温、本站气压、水汽压、相对湿度及320cm地温等要素观测误差较小，5～160cm地温的观测误差较大。自动观测仪器的系统性偏差、测量元件的精度及对气象要素变化响应的灵敏度、观测时间的差异和人为因素的影响是造成对比观测误差的原因。     

多普勒雷达风廓线的反演及变分同化试验

为了将雷达风场资料更好地应用到数值预报模式中, 使用VAD方法反演多普勒雷达风廓线并处理成标准的探空资料进行变分同化试验。结果表明: VAD方法反演的风廓线与探空实况对应较好, 验证了用VAD技术反演风廓线的可行性。用GRAPES-Meso模式的三维变分同化系统对雷达风廓线资料进行同化后, 风场的初始场明显改善, 降水强度和落区预报也有不同程度的改善。其中, 对6 h降水预报的改善明显优于对24 h的预报改善。另外, 在短时强降水预报中, 雷达风场资料的同化频率和同化窗口的不同, 对降水预报的改善情况也有所差异。在个例研究中, 同化间隔为1 h的方案6 h降水预报要优于同化间隔为3 h和6 h的方案, 同化窗口为3 h的试验方案6 h降水预报要好于同化窗口为6 h的试验方案。     

NCEP再分析资料在强对流环境分析中的应用

为考察NCEP再分析资料在我国强对流天气产生环境分析中的适用性,选取2002—2009年多普勒天气雷达识别的60例超级单体风暴个例,对比分析常规探空资料和NCEP再分析资料提取的温、湿、风垂直廓线,结果表明:NCEP再分析资料计算的对流有效位能因对抬升气团湿度敏感而与观测间差异较大,宜用K指数、温度直减率分析大气层结稳定度;因对流层中高层风与探空差异不大,其中500~700 hPa的风与探空近乎一致,因此NCEP再分析资料计算的深层、中层风垂直切变参量可靠性较高;NCEP再分析资料水汽参数与探空资料差异大,特别是在大气边界层,需用观测资料订正;边界层物理量,特别是风向与探空差异显著,因此不宜用NCEP再分析资料讨论雷暴触发问题;平均而言,NCEP再分析资料湿度廓线低层偏干而中层偏湿,925 hPa以上风速偏小,降低了强对流发生概率。     

西藏色齐拉山地区立体气候特征初步分析

利用西藏色齐拉山地区不同海拔高度的8个自动站和3个实测气象站1年的近地面观测资料,分析了该地区气温、地温、降水量、湿度和风速等气象要素的季节变化特征,探讨了东、西坡局地气候特征差异形成的原因。结果表明:色齐拉山地区1月为最冷月、7月为最暖月;月平均最高气温、最低气温与平均气温的季节变化一致。气温日较差大年较差小。年平均气温直减率东、西坡分别为0.54℃/100m和0.73℃/100m,西坡大于东坡。地气温差冬季西坡大于东坡,夏季东坡大于西坡。年、月平均地温直减率西坡仍大于东坡;东坡除夏季7、8月份外,地温直减率小于气温直减率;西坡除冬季(12月和1月),地温直减率大于气温直减率。降水量东坡比西坡多,海拔2500m以上地区4~10月降水总量随着海拔高度的升高呈增加趋势,增加率为20.9mm/100m。空气相对湿度冬季低夏季高,年变化呈单峰型。东、西坡冬季风速较强夏季相对较弱,初春风速最大。东、西坡气候差异与海拔高度、坡向、下垫面性质有关。      

Non-linear climate feedback analysis in an atmospheric general circulation model

 A method is described for evaluating the ‘partial derivatives’ of globally averaged top-of-atmosphere (TOA) radiation changes with respect to basic climate model physical parameters. This method is used to analyse feedbacks in the Australian Bureau of Meteorology Research Centre general circulation model. The parameters considered are surface temperature, water vapour, lapse rate and cloud cover. The climate forcing which produces the changes is a globally uniform sea surface temperature (SST) perturbation. The first and second order differentials of model parameters with respect to the forcing (i.e. SST changes) are estimated from quadratic least square fitting. Except for total cloud cover, variables are found to be strong functions of global SST. Strongly non-linear variations of lapse rate and high cloud amount and height appear to relate to the non-linear response in penetrative convection. Globally averaged TOA radiation differentials with respect to model parameters are also evaluated. With the exception of total cloud contributions, a high correlation is generally found to exist, on the global mean level, between TOA radiation and the respective parameter perturbations. The largest non-linear terms contributing to radiative changes are those due to lapse rate and high cloud. The contributions of linear and non-linear terms to the overall radiative response from a 4 K SST perturbation are assessed. Significant non-linear responses are found to be associated with lapse rate, water vapour and cloud changes. Although the exact magnitude of these responses is likely to be a function of the particular model as well as the imposed SST perturbation pattern, the present experiments flag these as processes which cannot properly be understood from linear theory in the evaluation of climate change sensitivity. Received: 16 January 1997/Accepted: 9 May 1997     

ERA5再分析数据适用性初步评估

利用山东省及周边地区10个站点的地面和高空观测资料对ERA5再分析资料的适用性进行了初步评估。结果表明：再分析的海平面气压和2 m温度与实况资料的相关性明显优于2 m相对湿度和10 m风场;高空温度和相对湿度在对流层中低层的适用性要好于高层,而位势高度和风场在中高层适用性较好;海平面气压再分析与实况的相关有着最明显的季节变化,2 m温度、2 m相对湿度和10 m风速则在部分站点有较明显的季节变化,而10 m风向的相关系数更多地表现出站点之间的差异,高空要素的适用性,季节和区域差异不明显。另外,对比发现,ERA5的适用性总体上要优于ERA-Interim再分析资料,地面和对流层低层的相对湿度、风场提高更为明显。     

基于多普勒雷达VAD算法的业务应用讨论

多普勒天气雷达垂直风廓线（V WP ）产品在业务预报中已有较广泛的应用,并得到了风廓线的某些特征结构与雷暴及强对流之间的对应关系。由于对多普勒径向速度反演得到风廓线产品的VAD算法缺乏了解,目前对VWP 及速度方位显示（VAD）产品的应用还存在一些误区。文章由单多普勒雷达反演水平风场的基本原理入手,回顾了VWP 及VAD产品在暴雨与强对流临近预报中的应用,并重点对VWP及VAD产品的业务应用误区进行了讨论。     

广州白云机场一次微下击暴流引起的低空风切变过程分析

对2017年8月1日在广州白云机场产生的42.1 m/s强阵风成因进行分析,发现此次强阵风是微下击暴流的下沉气流到达地面造成的。利用广州白云机场的地面自动观测资料和C波段多普勒天气雷达资料分析微下击暴流经过机场时地面各气象要素的演变特征以及产生强风切变的对流单体的移动和强度演变情况。分析表明:微下击暴流到达地面后造成了强烈的风速和风向的低空风切变,气压骤升,温度迅速降低,利用高时空分辨率的地面自动观测数据可以发布低空风切变的告警;在微下击暴流产生强地面风前,对流风暴单体的雷达回波反射率强度突然降低、回波顶高减弱,径向速度图上出现了中气旋以及在近地层有强烈的反气旋辐散,可利用多普勒天气雷达发布低空风切变的预警。     

Three-Dimensional Wind Field Retrieved from Dual-Doppler Radar Based on a Variational Method: Refinement of Vertical Velocity Estimates

In this paper,a scheme of dual-Doppler radar wind analysis based on a three-dimensional variational method is proposed and performed in two steps.First,the horizontal wind field is simultaneously recovered through minimizing a cost function defined as a radial observation term with the standard conjugate gradient method,avoiding a weighting parameter specification step.Compared with conventional dual-Doppler wind synthesis approaches,this variational method minimizes errors caused by interpolation from radar observation to analysis grid in the iterative solution process,which is one of the main sources of errors.Then,through the accelerated Liebmann method,the vertical velocity is further reestimated as an extra step by solving the Poisson equation with impermeable conditions imposed at the ground and near the tropopause.The Poisson equation defined by the second derivative of the vertical velocity is derived from the mass continuity equation.Compared with the method proposed by O’Brien,this method is less sensitive to the uncertainty of the boundary conditions and has better stability and reliability.Furthermore,the method proposed in this paper is applied to Doppler radar observation of a squall line process.It is shown that the retrieved vertical wind profile agrees well with the vertical profile obtained with the velocity–azimuth display(VAD)method,and the retrieved radial velocity as well as the analyzed positive and negative velocity centers and horizontal wind shear of the squall line are in accord with radar observations.There is a good correspondence between the divergence field of the derived wind field and the vertical velocity.And,the horizontal and vertical circulations within and around the squall line,as well as strong updrafts,the associated downdrafts,and associated rear inflow of the bow echo,are analyzed well.It is worth mentioning that the variational method in this paper can be applied to simultaneously synthesize the three-dimensional wind field from multiple-Doppler radar observations.