“00.7”北京特大暴雨模拟中气象资料同化作用的评估

针对2000年7月4～5日北京地区的一次特大暴雨过程(24 h降水量达240 mm),文中利用MM5/WRF三维变分系统和MM5非静力模式,对此次特大暴雨过程中的各种气象监测资料(地基GPS大气柱水汽含量、常规探空、高空测风、地面常规观测和地面自动气象站)的同化作用通过观测系统数值试验进行了评估.结果表明与传统的客观分析方案相比较,MM5/WRF三维变分同化系统可直接引入非常规地基GPS大气柱水汽含量监测资料,提供更好的大气初始分析场.在三维变分同化方案下,各种大气监测资料均对改进此次特大暴雨模拟有不同程度的贡献,其中,常规探空和高空测风监测资料对改进预报结果的影响最大,地面常规观测和地面自动气象站观测资料作用次之,地基GPS大气柱水汽含量资料在与其他大气监测资料相互优势互补后,可很好地改善模式大气的分析质量,通过三维变分同化技术在区域数值天气预报模式初始场中引入地基GPS大气水汽监测网资料,使此次强降水个例的6 h和24 h测站降水预报的TS评分值在1,5,10和20 mm预报检验阈值下分别提高了1%～8%.研究结果对利用三维变分数值系统,评估气象监测网资料在改进高影响天气事件预报中的作用有借鉴意义.     

TOVS卫星反演资料变分分析的试验研究与应用

为弥补海洋、高原等地带常规资料的不足,分析使用非常规卫星资料得到越来越多的重视,其中TOVS资料的精度及与常规资料的误差减少的研究尤为重要。本文采用变分分析技术对TOVS卫星反演资料进行同化分析研究,结果表明,变分结果分析场能充分体现常规与非常规资料的优势,使得天气系统能得到更精确的表示。     

973"中国暴雨"项目成果在2003年汛期降水预报中发挥作用--中尺度暴雨数值预报模式系统准业务试验

“我国重大天气灾害形成机理及预测理论研究”经过几年的努力，在中尺度暴雨数值预报模式及三维变分同化系统研究方面都取得重大进展。项目在原LASG-REM模式基础上，改进和发展了一个适合我国地区特点的中尺度暴雨预报模式（AREM），并研制了一个常规，非常规资料三维变分同化系统。     

卫星资料反演湿度场改变模式初值对降水预报的影响

为探讨初始场资料在数值预报中的重要性，用高分辨率卫星T_BB资料反演的云内湿度场来改进模式初值，初步研究分析了改进的模式初值对降水预报的影响。以湿绝热过程的变态方程为积分方程，由卫星T_BB资料反演出大气中各等压面层湿度场。通过对比分析反演的湿度场与客观分析 (T106) 的水汽场，发现两者有较大区别，前者更加合理地反映出降水区域高空湿度场的分布。利用中尺度模式MM5将有限区域的常规探空资料和非常规资料进行同化，并对暴雨个例进行预报对比试验。不同初值的对比试验表明，在模式的初始场中引入卫星资料反演的湿度场后，明显地改善了模式降水预报的强度和落区，比仅使用常规探空资料更接近于实况。     

变分分析技术在城市气象资料分析中的应用

随着城市气象研究和城市气象服务的深入开展,越工需要分辨率更高、精度更高的观测资料,同时,随着城市气象观测网的不断完善,已能提供较多的常规和非常规观测资料。为了得到更完善的气象要素分布场,首先应对这些常规和非常规观测资料进行客观分析。使用上海市的气象哨、常规气象观测站的观测资料和非常规观测资料进行客观分析。使用上海市的气象哨、常规气象观测站的观测资料和上海市的地表分类信息,对变分分析技术进行了实验。     

气象卫星资料在天气预报分析业务中的应用

对TOVS和云导风非常规反演资料进行了质量控制，并将控制后的反演场与常规观测资料以及T106分析场资料进行变分同化，得到合成分析场。结果表明：在合理的目标函数设计的基础上，合成分析场与仅用常规探空资料相比更接近于实况，弥补了实况资料的不足。运用MICAPS中特有的网格点绘图功能实现了机器自动绘制历史天气图工作。经检验误差较小，线条平滑。该方法为在实时天气图和历史图分析中使用非常规资料提供了一条新的途径，具有一定的实用价值。     

中尺度数值模式的资料同化系统：（一）伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础,采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法,比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法,特别是伴随模式的构造问题;用共轭码地方法导出伴随模式;初步试验表明该系统有较强的同化能力。     

中尺度数值模式的资料同化系统——(一)伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础,采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法,比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法,特别是伴随模式的构造问题;用共轭码的方法导出伴随模式;初步试验表明该系统有较强的同化能力。     

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。     

复杂地形边界层流场分析的共轭函数方法

将变分资料同化方法用于复杂地形边界层流场分析，利用兰州的一次观测资料进行了数值试验。结果表明，这样得到的分析场比简单客观分析场或数值模拟场都要合理。     

多普勒雷达资料同化的稀疏化方式对暴雨过程的影响研究

利用中尺度非静力WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其三维变分同化系统,对2007年7月淮河流域的一次强降雨过程进行多普勒雷达径向速度资料的三维变分同化试验,重点考察雷达资料的不同稀疏化方式对同化结果以及对暴雨数值模拟的影响。结果表明:同化多普勒雷达径向速度资料使得模式初始风场包含了更丰富的中尺度特征信息,有效调整了初始场的环流结构,能够改善模式对暴雨过程的模拟效果;以不同的稀疏化处理方式同化多普勒雷达径向速度资料对分析场会产生不同的影响,进而影响模式的降水预报效果,本次试验中当极坐标网格径向分辨率取10 km的时候降水过程的预报效果最好。     

对流天气系统自动站雨量资料同化对降雨预报的影响

利用GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统)三维变分同化系统,针对对流天气系统特点,用改进的郭晓岚对流参数化方案作为观测算子,同化广东省自动站记录的对流天气系统的雨量资料,并且与同化探空资料进行了比较.在雨带有明显改进的区域,分别同化这两种资料都可以调整大气低层水汽辐合增加(或辐散),对流层中下层增暖增湿(或变冷变干),从而增加(或减少)降水,表明降水的同化方案对初始场的调整在一定     

DRP-4DVar方法同化AIRS反演资料在一次江淮流域暴雨中的应用

利用经济省时的降维投影四维变分同化方法(DRP-4DVar),在2009年7月22～23日江淮流域的一次大暴雨过程中同化晴空条件下高光谱大气红外探测仪(AIRS)反演温度、湿度廓线,改进此次强降水过程的模拟。试验结果分析显示,同化AIRS反演的温度及湿度场后,基于四维变分同化系统的模式约束,能够改进湿度场、高度场、高低层散度场。从累积降水量偏差图及同化试验增量图可以看到,正降水量偏差对应于正湿度增量、负位势高度增量及低层负散度高层正散度增量,负降水量偏差则与之相反。同化试验较参照试验可更好地模拟出暴雨的天气形势、对暴雨的落区及强度有更好的反映。此外,从单次同化与连续同化的试验对比结果看出,连续同化试验结果较单次同化结果有进一步的改进,说明不断加入新的观测资料可以更好地模拟强降水过程。     

西南涡加密资料同化对西南区域模式降水预报的影响

本文基于2017年西南涡加密观测试验的四川省11个观测站的探空资料,利用西南区域9km和3km分辨率数值天气预报模式系统,开展了数值预报同化试验。同化试验每日06和18UTC各进行一次,持续40天。西南区域9km分辨率数值预报系统(SWC-WARMS)的模拟结果表明,加密探空观测资料对四川高空观测起到了补充。同化后可以改善模式初始场,有助于提升24小时降水预报的ETS评分,对小雨到大雨量级的BIAS评分也有一定的改善。西南区域3km分辨率系统得益于分辨率的提升,相比SWC-WARMS减小了大暴雨空报面积。同化加密探空观测可以提升降水预报的ETS评分,但空报面积也有所增加。      

土壤湿度对卫星辐射率资料直接同化的影响

本研究利用WRF模式及其三维变分同化系统实现了对NOAA-16 AMSU-A微波资料的直接同化,针对2010年6月19日江西地区的一次强降水过程开展模拟与同化试验,并利用中国区域土壤湿度同化系统(CLSMDAS—China Land Soil Moisture Data Assimilation System)输出的土壤湿度值替换NCEP(National Centers for Environmental Prediction)资料中的土壤湿度,研究土壤湿度初值对辐射率资料直接同化中观测场与背景场偏差调整的影响。结果表明:采用CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下模拟的亮温值与实际观测值更为接近,经过质量控制和偏差订正后更多的观测资料能够进入到同化系统中,说明改进的土壤湿度初值条件下观测算子的计算值得到正的调整,对低层地表通道的改进效果明显,尤其以50.3 GHz的窗区通道3的结果最为理想;针对此次强降水过程中24 h累积降水分布的模拟结果,CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下同化AMSU-A资料,能够较为准确的把握整个雨带的走向、大雨以上级别降水的落区范围、降水中心落区及强度等。说明准确的土壤湿度初值能够改进卫星辐射率资料的同化结果,进而提高数值模式的模拟预报能力。     

FY-3A微波资料在“莫拉克”台风预报中的同化试验

我国新一代极轨气象卫星FY-3A于2008年5月26日发射成功,携带的微波垂直探测仪与NOAA系列卫星的ATOVS性能相似。为研究微波垂直探测仪资料在台风数值预报中的作用,实现我国FY-3A卫星的微波探测资料的直接同化,达到改进台风预报的目的,利用FY-3A微波探测资料,以WRF-3DVar系统为基础,针对2009年第8号台风"莫拉克"路径和强度预报,开展数值预报直接同化技术研究。试验结果表明,直接同化FY-3A微波资料对数值模式初始场改进要优于仅仅同化常规观测资料,对缺乏观测资料的海洋上改进尤为明显,模式初始场更加合理地反映海上台风环流形势以及温湿条件,海上台风的模式初始位置也得到了校正;经过FY-3A微波资料三维变分直接同化后,区域中尺度模式对台风路径预报效果具有积极的改善作用。     

THE USE OF RADAR DATA IN THE NUMERICAL SIMULATION OF HEAVY RAINFALLS IN THE CHANGJIANG-HUAIHE RIVER BASIN

It is important for predictions of heavy rainfall to include radar data to provide better reflection of moisture. Numerical experiments were carried out with real cases of heavy rains in the Changjiang (Yangtze)-Huaihe River Basin using a PSU/NCAR mesoscale model that incorporated radar data. Processed radar data were added to the model to change the analysis of initial humidity field before 24-h numerical simulations were made and the results compared with a control experiment. It is suggested that the radar-data-incorporated numerical predictions could produce locations of precipitation areas and maximum rainfall that are closer to reality than the control, due to the fact that moisture and converging updraft are strengthened in the middle and lower levels of the troposphere in the area of heavy rains and areas nearby. The work is expected to improve numerical modeling and forecasts of heavy rains in middle and lower latitudes of China.     

探空观测资料在西南暴雨中的同化试验

利用探空观测资料、T213资料、NCEP再分析资料以及GRAPES三维变分同化系统,研究不同探空观测资料预处理过程对同化结果和西南暴雨预报的影响。得到以下主要结论:(1)资料接收方式和取资料的截断时间不同会影响可用探空观测资料的站点个数。不同探空观测资料预处理过程,使同化系统得到的可用资料数量不同。(2)同化系统同化的探空资料数量越多,对背景场调整幅度越大。(3)利用GRAPES 3D-VAR系统同化探空观测资料能够改善背景场质量,随着同化的资料条数增多,对背景场的改善作用越明显。(4)降水预报结果表明,同化系统使用的资料条数越多,降水中心强度越接近实况。(5)2005年7月降水预报在西南地区的TS评分结果表明,国家气象中心使用的探空观测资料预处理程序优于成都区域中心的预处理程序。      

一次突发性特大暴雨的中尺度分析和诊断

利用常规探测资料、TBB资料和NCEP分析资料,对2008年5月27日发生在沅陵西北部的一次突发性特大暴雨天气过程进行了中尺度分析和诊断.结果表明:这次特大暴雨是在有利的大尺度环流背景下发生的,低空西南急流为暴雨区带来了丰富的水汽和不稳定能量;产生暴雨的中βCS云团由两个对流云团合并而成,具有椭圆形结构特征,长时间维持少动,强降水出现在中BCS云团发展最旺盛的地方;在尺度分离的流场上,特大暴雨出现在850 hPa和700 hPa的两条中尺度辐合线之间的低层辐合区内;这次暴雨与暴雨区上空对流层中低层正垂直螺旋度、高层负垂直螺旋度中心的分布和增大减小变化密切相关;非地转湿Q矢量激发的次级环流的存在有利于不稳定能量的释放,促进暴雨发生发展;暴雨区特殊的地形对这次特大暴雨过程有明显的增幅作用.     

一次强降水过程中尺度系统发生发展动力机制的诊断分析

利用1°×1°经纬度NCEP/NCAR再分析资料、地面1h观测降水资料和TRMM卫星产品资料,分析了2009年6月8~9日引发贵州南部的强降水天气过程的中尺度对流系统活动,并进一步研究了大气正压非平衡强迫、湿斜压热动力耦合强迫在强降水天气发生发展与维持过程中的作用。结果表明:8~9日贵州南部的强降水主要是由中尺度系统的发生发展引起的。南海季风不仅给贵州南部强降水区带来充足的水汽,同时也带来足够的能量。正压非平衡强迫在降水的开始阶段与降水落区有较好的对应关系,是强降水的启动机制。斜压热动力耦合强迫在降水的维持阶段,特别是当大气层结转为弱湿中性时,其分布和强度与中尺度对流系统和降水的强度与落区有较好的对应关系,可能是强降水的维持机制。