利用循环3DVAR改进黄海海雾数值模拟初始场Ⅱ:RAMS数值试验

第一部分的结果显示,利用WRF模式及其循环3DVAR同化方案(WRF循环3DVAR)能有效地提高黄海海雾WRF数值模拟的初始场质量。在此基础上,进一步提出利用WRF循环3DVAR形成的初始场驱动RAMS模式的思路,并以2006年3月6～8日的1次大范围黄海海雾事件为研究对象,设计并实施了一系列RAMS数值模拟对比试验。对试验结果的仔细分析表明,WRF循环3DVAR提供的初始场明显优于RAMS模式自身等熵面客观分析方法生成的初始场,它在动力与物理上非常协调且对模拟结果的改善相当显著。这说明WRF循环3DVAR可以为RAMS模式改进其初始场提供一条切实可行的途径。     

直接同化卫星辐射数据的黄海海雾数值试验研究

基于中尺度大气模式WRF及其3DVAR.模块,采用循环3DVAR数据同化方案,针对6次明显的黄海海雾过程,实施了一系列直接同化ATOVS卫星辐射数据数值试验.在试验中设计了不同化任何观测数据、仅同化GTS常规数据、仅直接同化辐射数据,同时同化二者,以及同化不同疏密程度辐射数据的对比研究方案.利用地面水平能见度与卫星云图对模拟的海雾雾区进行了评估,并比较了各种同化方案所形成初始场的差异.对试验结果的统计分析表明:同化试验较好地再现了影响海雾的天气系统,模拟雾区与实际观测较为吻合,并且初始温度场和湿度场对比不同化任何观测数据的试验有明显的改善;仅同化辐射数据的结果略优于仅同化常规数据的结果,疏化或者只同化海上辐射数据几乎不影响模拟的雾区,但却可以大幅节约计算资源;同时同化常规数据与辐射数据的结果为单独同化它们所得结果的综合体现,总体效果最好.     

黄海海雾数值模拟中多普勒雷达径向风数据同化试验

基于WRF(Weather Researchand Forecasting)模式及其3DVar(3-DimensionalVariational)模块,发展了一套多普勒雷达径向风数据的同化方案。针对2次黄海海雾个例展开了一系列同化效果对比数值试验,详细分析了同化雷达径向风数据对雾区产生改进的原因。研究结果表明:(1)仅同化常规观测数据不足以纠正初始场中海上大气边界层湿度偏干的状态,导致海雾模拟失败或雾区严重偏小,因此在同化多普勒雷达径向风数据之前,必须先同化从海雾卫星观测中提取的湿度信息;(2)同化多普勒雷达数据不仅显著地直接改进了近海面大气流场,而且会间接改善温度场,从而进一步提高海雾的模拟效果——2次海雾个例模拟雾区的ETS(Equitable Threat Score)评分改进率分别达到66.7%与62.1%;(3)黄海海雾数值模拟中首先要改进海上大气边界层的湿度与温度层结,在此基础上进一步改进近海面大气流场十分必要。     

EnKF集合同化下黄海海雾数值确定性预报初始场构造方法的探究

在黄海海雾的数值模拟中,EnKF（ensemble Kalman filter）是一种优于3DVAR（three-dimensional variational）的数据同化方法。研究发现,对EnKF初始场集合体采取常用的集合平均所产生的确定性预报初始场,会出现初始场中海雾在预报开始后就迅速消失以及接下来海雾难以生成的异常现象。通过详细的海雾个例研究,清晰地揭示并解释了此现象,指出这是集合平均造成初始场中云水与温度湿度之间存在不协调关系所导致的后果,并提出了一种择优加权平均方法来取代常用的集合平均。研究结果表明,海雾确定性预报采用择优加权平均所构建的初始场,可以消除上述异常现象,显著改进海雾模拟效果。     

一次典型高压型海雾过程中海上大气波导的数值模拟

2009年4月9—12日黄海海域发生了一次受高压系统影响的海雾过程。利用卫星观测与探空数据、WRF模式(Weather Research and Forecasting Model)对此次海雾过程及相伴的大气波导进行了观测分析与数值模拟。海雾与波导发展可分为3个阶段:(1)大气波导先于海雾存在于黄海海面;受高压下沉影响,黄海上空存在逆温层和较强的湿度梯度,表现为较强的贴海表面波导和非贴海表面波导。(2)海雾始于高压西部,并随高压系统逐渐东移减弱,向黄海北部扩展;辐射冷却虽然使雾顶附近逆温增强,但海雾的机械湍流使其顶部湿度梯度减小,雾顶附近对应弱悬空波导或波导消失。(3)高压系统影响使干空气下沉到雾区导致黄海海雾消散;雾顶附近逆温仍存在,同时湿度梯度增大,黄海上空逐渐变为非贴海表面波导。本研究结果表明:高压系统不仅极易为波导的发生提供有利条件,而且有利于海雾的生成,在海雾演变过程中主要是雾顶水汽梯度的变化导致了波导类型及强度的变化。     

一次黄海海雾的数据同化试验与形成机制研究

选取2012年4月14日的一次存在东西2片雾区的黄海春季海雾为研究对象,借助WRF(Weather Research and Forecasting)模式,采用循环3DVAR(3-Dimensional Variational)数据同化方案,考虑了湿度控制变量的背景误差协方差CV6,进行了AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)卫星温度与湿度廓线数据的同化试验,并基于同化试验结果探讨了此次海雾的形成机制。同化试验结果表明:同化AIRS卫星温度与湿度廓线数据后,模式能成功再现海雾的形成过程,特别是东西2片雾区之间的晴空区的存在,这归功于AIRS数据的同化能够显著改善海上大气边界层的温湿结构、影响海雾的低层高压的范围与强度;机制分析揭示:东西2片雾均为典型的平流冷却雾,但二者厚薄和气团来源不同;海上高压控制黄海西岸陆地的暖空气入海,受低海温的冷却作用降温先形成逆温层,然后逆温层底部生成了较薄的西侧雾区;来自黄海中部的空气向东北移动至朝鲜半岛西部海域,高压下沉增温形成一个顶部较高的稳定层,从而生成较厚的东侧雾区;高压中心下沉区内,近海面风速小使得机械湍流弱,空气增温与海温暖舌共同作用下使得近海面气海温差小,海雾无法生成导致了晴空区的存在。     

一次黄海海雾的集合预报试验

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其杂合三维变分(Hybird-3DVAR)同化模块,对2006年3月发生的一次大范围黄海海雾进行了集合预报尝试。详细分析了其预报效果,并与决定性预报结果作了比较。研究揭示:集合预报50%概率雾区预报的公正预兆得分(Equitable threat score,ETS)优于决定性预报大约29%;集合预报中加入海温扰动非常必要,对浓雾预报改善作用明显,ETS提高至少10%;在集合预报中混用YSU与MYNN边界层方案的做法,可以降低只使用其中之一可能导致的预报误差。研究表明,借助Hybrid-3DVAR开展黄海海雾的集合预报技术上可行,集合预报将成为黄海海雾数值预报的一种有希望的途径。     

一次海雾过程大气波导形成机理的数值研究

依据船舶导航雷达与沿岸气象探空观测数据得知,2005年6月1～3日黄海海域发生了1次大范围波导现象;进一步结合卫星云图与沿岸测站水平能见度观测,发现此次波导伴随1次明显的平流海雾过程。利用WRF模式对此次海雾与波导过程进行了数值模拟,发现:(1)海雾始于黄海中部,绝大部分海雾的雾顶由于弱逆温、湿度梯度较小而不存在波导;(2)雾区随其北部低压的逐渐东移而向东扩展,呈现西部薄、东部厚的结构,雾体顶部由于存在逆温与湿度锐减而形成了波导,混合均匀的雾体则成为波导基础层,薄雾顶部为非贴海表面波导,而厚雾顶部则为悬空波导;(3)雾区受低压西部冷空气的影响向南消退,波导基础层逐渐变薄乃至消失,雾体之上的逆温与湿度锐减层随之下降,非贴海表面波导被强度较弱的贴海波导所替代。分析结果表明:黄海平流海雾与波导有密切的联系,海雾形成及其发展改变了海洋大气边界层的温度与湿度垂直结构,从而导致了波导的发生与演变,大气波导可认为是海雾的"副产品"。     

WRF模式垂直分辨率对海雾模拟影响的个例研究

为精细化研究海雾垂直结构,提高WRF模式模拟海雾水平,利用FNL再分析数据和日平均SST数据驱动WRF模式对2014年2月1日-2日发生在黄渤海海域的一次海雾过程进行了数值研究,在对比实验选定模拟效果较好的参数化方案的基础上,对模式的垂直分层进行敏感性实验,降低前20层高度,分析了垂直分层数,边界层垂直精度对雾区模拟、海雾垂直结构模拟的影响。结果发现提高模式垂直精度后,模式对海雾的模拟能力有了较大提高。研究表明:44层以上的垂直分层下WRF模式能较好模拟黄渤海雾区的分布,增加模式边界层垂直精度可提高海雾能见度模拟效果,并一定程度上消除低云对雾区模拟的干扰。     

TRMM海表降水率同化在热带气旋Danas(2001) 数值模拟中的应用研究

研究了TRMM/TMI海表降水率资料的四维变分同化在热带气旋(TC)数值模拟中的作用.使用中尺度气象模式MM5设计了若干数值试验模拟了TC Danas(2001)由热带低压初生到台风生成的发展过程.在满足MM5模式动力约束的前提下,将TRMM海表降水率资料直接同化进入较高分辨率(18 km)的模式初始场.结果表明,使用MM5模式的4D-VAR同化系统直接同化TRMM/TMI海表降水率资料是可行的.这种做法提高了TRMM资料的利用率,不仅在模式初始场中加入了更多实测信息,而且避免了两次同化(1DVAR+4DVAR)可能引起的误差.直接同化TRMM资料通过调整气压、温度、湿度等要素初始场,改善了模式对热带气旋结构(如暖心、涡度、散度)的描述和降水的模拟.在此基础上,同化不仅改进了对Danas强度的模拟,而且成功地模拟了热带气旋环境场的演变过程,因而改进了路径的模拟.     

WRF-POM耦合模式对一次海雾过程的模拟试验

采用中尺度大气模式WRF和区域海洋模式POM构造了一个中尺度海气耦合模式。以2008年7月7—11日一次大范围黄海海雾过程为研究对象,将该耦合模式和单独的WRF模式进行对比试验。模拟结果显示:与单独使用WRF模式相比,耦合模式能有效改进海雾的模拟结果,特别是对于海雾发展与演变的模拟更接近于实况,这种改进效应主要源自于耦合模式中对于SST的描述更为精细。     

双多普勒雷达资料同化在飓风“艾克”预报中的应用研究

本文采用美国国家大气研究中心（NCAR）开发的中尺度数值模式WRFV3.7及其三维变分同化系统WRF-3DVAR对2008年飓风“艾克”进行了数值模拟研究。利用多普勒天气雷达观测资料具有高时空分辨率的优点,将美国两部多普勒天气雷达资料进行速度退模糊等必要质量控制后同化进中尺度数值模式,考察雷达资料同化对飓风“艾克”预报的改进程度。试验结果表明:将雷达资料用于对流尺度分辨率下飓风初始化需要对变分同化系统中特征尺度化因子进行优化调整,使观测资料能够以较为合理的方式调整模式初始场并进而改进预报;雷达径向风同化可以有效调整模式初始场中的飓风动力和热力结构,而经过尺度化因子调整后的雷达径向风同化则在飓风观测中心位置产生较为合理的气旋性风场增量,提供更为确切的中小尺度信息,使模式初始场更加接近观测并进而改进对飓风路径和强度的预报。     

2010年2月一次冬季黄海海雾的成因分析

利用青岛浮标观测、自动气象站观测、Micaps站点观测、L波段雷达等观测数据,New Generation SST,OI-SST和NCEP提供的FNL和CFSR再分析数据。并利用中尺度模式WRF对这次冬季海雾进行诊断分析。得到以下结论:(1)观测表明,这次海雾首先在黄海北部生成,是由于冷暖空气在黄海海域交汇,增大相对湿度,形成混合雾。在22日12:00时(UTC)之后,暖平流北上,冷平流消失。海雾逐渐转成平流冷却雾。青岛出现的海雾是从黄海发展过来的,并且为平流冷却雾。(2)在黄海,冷暖空气混合增大相对湿度,生成混合雾。与后期的平流冷却雾相比,混合雾的高度明显偏低。(3)海温异常偏低。在2010年2月渤海大面积结冰,海温偏低可能与融冰有关系。(4)模式结果表明,混合雾与冷水域的关系密切。平流冷却雾与冷水域的位置基本一致。混合雾和平流冷却雾都受海温影响较大。混合雾雾区变化很大,因为冷空气在移动过程中变性,不利于混合雾生成。冷海面对平流冷却雾起着很关键的作用。这次冬季海雾与春夏季黄海海雾的不同点在:这次海雾的发生机制不同于典型的春夏季黄海海雾。春夏季典型的黄海海雾主要是平流冷却雾,而这次冬季海雾在生成上首先是混合雾,后来转为平流冷却雾。     

WRF模式同化系统在“碧利斯”台风暴雨数值模拟中的应用

利用美国高分辨率中尺度模式WRF(weacherResearch and Forccast)式和、WRF三维同化系统(WRF 3DVAR),以2006年"碧利斯"台风低压引发的暴雨天气过程为例,通过控制试验和同化试验的对比分析,探讨了高空和地面实况资料同化对台风低压"碧利斯"暴雨过程分析和预报的影响.初步的结果显示,同化高空和地面实况资料后对模式的初始场有明显的改进、对暴雨过程的降水落区和强度有不同程度的正反馈,更接近实况的降水.     

春季黄海海雾中的激光衰减特性研究

海雾严重影响舰艇航行,而且在雾中舰载激光武器和激光雷达的工作效能受到制约。因此,研究激光在雾中的衰减特性对军事行动具有重要的科学意义。基于WRF中尺度气象研究模式,对2015年3月28日-4月1日的海雾过程进行模拟分析,发现使得海雾维持的是黄海南部输送来的暖湿气流,随后一个很强的冷高压使得风向转北,干冷平流切断了水汽输送,破坏了逆温层结构,海雾消散。考虑到春季黄海海雾产生和消散的天气形势,在海雾刚产生时,下风区的激光衰减系数小;海雾维持过程中,海雾雾区的外围衰减系数小;海雾快要消散时上风区衰减系数小。研究发现,海雾可以使得10.6μm红外激光的探测距离大大减小,在浓雾情况下,探测距离仅为正常情况下的2%。     

海雾对沿海地区的影响程度初探——2008年春季两次黄海海雾过程分析

利用多种观测资料、再分析资料和WRF模式,对2008年4月29-30日和5月2-3日两次黄海春季海雾进行对比分析,研究黄海海雾影响沿海地区的因素。分析表明：（1）两次海雾过程均属于平流冷却雾过程。在低层水平方向上,合理的高、低压配置,使气流持续地从暖湿海面输送到冷海面上,有利于形成深厚的海雾,进而在海风的作用下影响沿海地区。在垂直方向上,边界层内上干下湿的结构有利于海雾的发展与维持。（2）边界层内稳定持续的逆温层结构,使水汽在逆温层内累积,有利于海雾的发展与维持。雾顶的长波辐射冷却作用以及雾层内适度的湍流有利于海雾的发展与维持;而低层风速增大会引起机械湍流的迅速增长,进而导致海雾消散。（3）海雾影响明显时,对应黄海海域上空的暖平流较强,水汽通量较大,暖湿平流来源于较暖的海面。反之,对应黄海海域上空的暖平流较弱,水汽通量较小,暖湿平流来源于较冷的海面。     

黄海海雾短时临近预报中云水路径的EnKF同化研究

在海雾的短时临近预报中,初始场的水汽凝结状态扮演着重要角色。为了改进初始场的云水含量,本文提出直接同化雾体云水信息的思路。针对2011年5月一次大范围的黄海海雾,借助EnKF (Ensemble Kalman Filter)方法,尝试进行了极轨卫星反演云水路径数据的同化试验。结果表明:(1)通过利用EnKF将云水混合比增加到背景场和分析场的控制变量中,构建云水观测数据与背景场之间的关系,实现云水路径数据的直接同化是可行的;(2)同化云水路径可显著改善海面气温与湿度状态,大幅提高海雾预报效果;(3)EnKF能够基于集合体动态统计流依赖的背景误差协方差是其取得良好同化效果的主要原因。值得指出的是,受集合样本误差的影响,需要特别关注云水含量与风之间的相关关系。     

CALIPSO卫星资料的春夏季黄海海雾高度特征分析

利用2007—2018年CALIPSO卫星数据对春夏季黄海海雾的高度特征进行了统计,并借助MTSAT可见光卫星云图、"葵花8号"可见光卫星云图和KMA地面天气图对控制海雾产生的天气形势进行了分析,进一步讨论了各天气型下黄海海雾的高度特征。研究结果表明:(1)黄海海雾的平均雾顶高度是211 m,海雾高度最大值为370 m,大多数黄海海雾雾顶高度介于100～400 m;(2)7月的海雾雾顶高度高于其他月份,为260 m;(3)控制黄海海雾生成发展的主要天气型有入海变性高压型和大陆低压低槽东移型,入海变性高压控制下的弱偏南风区域的雾顶高度相对较高,大陆低压低槽控制下的槽前风速稍大区域的雾顶高度偏高。     

多普勒雷达资料同化在台风“桑美”预报中的应用研究

本文以2006年超强台风"桑美"为个例,考察了同化雷达径向风观测资料对台风初始场和预报场的改进作用。首先对沿海新一代多普勒天气雷达的径向风观测资料进行了去噪音、退模糊等一系列的质量控制,进一步利用美国国家大气研究中心开发的中尺度数值模式WRFV3.5及其三维变分同化系统WRF-3DVAR,每30min循环同化雷达径向风观测资料。结果表明:同化多普勒雷达径向风观测资料后,对台风在模式中的初始位置进行了很好的修正,同时对台风区的动力和热力结构均有较好的调整。两组同化试验对于台风的路径、强度、降水等预报要优于控制试验,并且对背景误差协方差尺度化因子优化调整可以更有效地吸收雷达观测资料并提供更多的中小尺度信息。     

黄海西部2005—2007年海雾演变的气候特征研究

海雾对沿海地区的交通运输、工农业生产等影响很大,需要开展深入研究,以探索其生消演变规律。本文选择黄海西部的成山头、青岛、海阳、日照等4个测站为代表性测站,分析了2005—2007年海雾发生期间的位势高度、海温、海表面风场、相对湿度、稳定度及散度等要素场特征,着重探讨了海雾演变的气候特征。研究结果表明:500 hPa高空槽前位于黄海上空时有利于成雾;海温异常低的年份雾日较多;风向、散度和低层的层结稳定度是影响黄海海雾的主要因素;地理位置也是影响黄海海雾变化的重要因子;黄海海雾的水平分布具有南北空间不一致的特点。