全球中期模式升级关键技术研发和预报试验

随着模式分辨率的提高,对地形、海陆分布的描述更加精确,从而对天气和次天气尺度动力学的刻画也更准确,但计算需求和存贮量也将有比较明显的增加。因此,在模式分辨率提高的同时尽可能减少计算和存储量是模式发展的重要方面。文中采用规约线性格点,在高斯格点数和格点分布不变的情况下,把国家气象中心业务全球谱模式的水平分辨率由T213提高到TL319,从而使全球谱模式的计算有效率增加了2.25倍;实现了稳定外插两个时间层的半拉格朗日方案,解决了传统的半拉格朗日方案在计算轨迹中点的速度和发展方程的非线性项时,采用时间的线性外插带来的计算噪音,提高了模式积分的稳定性,从而使模式的积分时间步长从900 s增加到1200 s;在这两个关键技术实现的基础上,实现了TL319模式与业务OI同化方案的耦合,进行了连续1年的滚动试验,并对降水预报和500 hPa形势场预报进行了统计学检验,与现行全球中期业务模式的预报也进行了对比分析。分析结果表明,提高模式谱分辨率后,模式的动力过程保持合理稳定,对东亚地区500 hPa位势高度场的预报性能有所改进,对中雨和大雨量级的降水预报在大部分时效也都有改进,但是小雨预报TS评分略有下降。另外对冬、夏季的两次降水过程的天气学分析表明,TL319L31对天气过程的描绘比T213L31也有一定提高。     

城市人为热对北京热环境的影响

城市的人为热对城市热岛的产生有重要作用 ,通过对北京冬季的居民采暖排放废热、汽车排放废热和工业生产排放废热的估算 ,制定了考虑随时空变化的北京市人为热排放清单。利用北京大学城市边界层模式对北京冬季城市边界层结构特征进行模拟 ,通过考虑和忽略人为热的排放研究北京地面温度的变化 ,并通过几种方案减少人为热的排放对缓解城市热岛作用作出评价。     

T213L31全球模式的云和对流参数化方案改进试验

针对中国业务中期数值预报模式T213对中雨最级以上的降水预报空报比较明显的问题,文中对此模式预报的降水进行了诊断分析.发现T213模式预报的总降水分布主要是由可分辨尺度降水决定的,且在降水偏多最明显的地区,可分辨尺度的降水即超过或达到了观测的总降水,表明降水空报的主要原因在于可分辨尺度降水偏多.可分辨尺度降水偏多的可能原因有:土壤湿度初始化、云变量的初始化和直接产生降水的云与对流参数化方案存在一定的缺陷.鉴于前两者是目前国际上的难点,文中针对第3个方面的可能原因进行了分析和相应的改进.包括在对流方案之前增加一次云方案的调用;对流参数化办案的闭合由"动力型"改为对流有效化能调整闭合;更复杂的对流触发机制;改进冰沉降和降水通量计算.改进的主要目的是使对流参数化方案更活跃,从而减少格点尺度对流的发生.采用改进的方案,进行了敏感性试验和2005年夏季的连续滚动同化预报试验,并与中国区域400个标准站的降水观测和GPCP的全球降水观测进行了比较.结果表明,改进的方案无论是对中国区域还是全球夏季平均的降水分布预报都好于业务,但四川省和赤道东太平洋降水偏多的问题依然存在.中国区域的降水统计检验还表明,除小雨外,其他量级在大部分时效七降水的Ts评分增加,预报偏差降低.     

半干旱区陆面模式参数对水分循环的敏感性研究

植被覆盖对陆气之间物质和能量交换过程具有极其重要的影响,但植被覆盖对于交换过程的影响因子很多,关系复杂.作者研究了各种植被因子对陆气之间水分循环的作用和相对重要性.首先通过单点NO-AH模式对吉林通榆农田下垫面2004年土壤和边界层各物理量进行模拟,并与观测结果比较和评价,肯定了单点NOAH模式模拟能力.使用这一模式进行敏感试验,将与植被有关的参数分别在其取值范围取较大与较小值,比较水分循环各物理量如土壤湿度、土壤蒸发、植被蒸腾等的变化情况.试验表明在各参数中植被气孔阻抗、根系深度、土壤湿度初值和反照率对水分循环的影响较大,而叶面积指数、粗糙度和冠层阻抗则影响较小.     

大气扩散集合预报技术和确定性预报技术在日本福岛核事故全球扩散中的对比分析

将集合预报技术引入到大气扩散数值模拟中,这是提高大气扩散数值模拟能力的一种新的、有效的手段。2011年3月受日本东北部9.0级大地震影响,日本福岛第一核电站发生核泄漏事故。以此次核泄漏事故的全球扩散为研究对象,通过运用不同的大气扩散预报技术（集合预报和确定性预报）,模拟了福岛核泄漏释放出来的放射性物质在全球的扩散过程,并利用监测资料对模拟结果进行了对比分析和评估。文中采用的集合预报技术共三种,分别为气象场扰动技术MET、湍流扰动技术TUR和基于大气扩散物理过程参数化方案的集合预报技术PHY。模拟结果显示：集合预报的扩散轨迹模拟技术能更好地模拟粒子随大气环流扩散的过程;此外,与MET和TUR相比,确定性预报和集合预报PHY模拟扩散范围偏小,扩散速度偏慢,且无法模拟出4月初日本福岛核放射物质向我国东部海域扩散的过程。这是因为MET和TUR技术核心是对平均速度和湍流速度进行扰动,这种三维扰动,会促使污染物向更远方向进行扩散,水平方向扩散连续也更符合监测情况;PHY主要是对扩散物理过程参数进行扰动,以垂直速度的扰动为主,造成扩散范围偏小、水平方向扩散不连续。此外,监测站点与模拟结果的时间序列对比分析结果表明：模拟结果均能较好反应浓度趋势演变,不过模拟浓度偏低,尤其是确定性预报和PHY试验;此外,通过与监测站点的比较得出：与PHY相比,MET和TUR在平均浓度和最大浓度出现概率上具有更大优势。本文的研究结果对于丰富大气扩散数值模拟研究,提高环境应急响应水平具有参考意义。     

T639L60全球中期预报系统预报试验和性能评估

在目前国家气象中心全球业务中期谱模式T213L31中成功引入ECMWF的稳定外插半拉格朗日方案,将归约高斯格点转换为线性高斯格点,解决了模式分辨率提高的关键技术.将模式谱分辨率从213波提高到639波,垂直层次从31层提升到60层,模式层顶从10hPa升至0.1hPa.建立T639L60中期同化预报系统,进行连续一年多连续滚动试验,对预报员关心的降水预报和500hPa形势场预报进行了统计学检验,与现行全球中期业务模式进行对比分析.分析结果表明,T639L60中期系统对500hPa位势高度场预报性能比业务有明显改进,东亚地区达1天.从降水客观评分上看,中国地区降水各量级降水的Ts评分均明显提高,在预报偏差(B值)方面,小到大雨预报偏差明显降低,暴雨的预报偏差有所增加.     

一种偏差订正方法在平昌冬奥会气象预报的应用

为了提高GRAPES_3 km（Global/Regional Assimilation and Prediction System）模式在2018年平昌冬奥会气象服务中的预报能力,采用一阶自适应的卡尔曼滤波方法对GRAPES_3 km模式的2 m气温、2 m相对湿度和10 m风开展偏差订正。结果表明:偏差订正方法明显提高了地面要素的预报效果,其中2 m气温的均方根误差整体减小到2℃左右,站点订正改善率为10%~60%;10 m风速的均方根误差减小到2 m·s-1左右,站点订正改善率为10%~45%;2 m相对湿度减小到20%以下,站点订正改善率为0~20%。与韩国气象厅LDAPS（Local Data Assimilation and Prediction System）及美国宇航局NU-WRF（NASA-Unified WRF）模式相比,GRAPES_3 km模式的风速预报表现更为优异,各站点整体预报效果明显优于LDAPS和NU-WRF模式。偏差订正方法可有效改善模式在复杂地形条件下的预报能力,是提高精细化预报准确率的重要手段。     

GRAPES_MESO模式预报降水相态诊断及应用研究

当地面气温在0℃附近时,降水相态通常比较复杂,降水相态预报一直是天气预报的难点之一。本文根据降水粒子在下落过程中的热力结构,利用BTC算法、修订的BTC算法、Ramer算法、Bourgouin算法4种计算方案,通过GRAPES_MESO中尺度模式提供所需参数,对落到地面的降水相态进行诊断,诊断的降水相态包括雨、雪、冻雨和冰粒4种,然后利用集成方法获得大概率且破坏程度大的降水相态预报产品。基于2个冬季降水个例,研究发现4种计算方案都能较合理地得到雨雪分界线,以及降雨、降雪落区范围。其中,修订后的BTC算法可以修正原始BTC算法对降雪的诊断偏差,并且预测的冰粒比原始冰粒更少。Ramer算法会比其他几种算法获得更多的冻雨事件,而Bourgouin算法最接近合成算法的结果。对于不确定性较大的中间态的冻雨和冰粒预报,鉴于其高影响特性,方案倾向于过高估计冻雨和冰粒的预报落区。集成的最终降水相态产品反映其发生的概率大或影响程度大,能为防灾减灾提供有效的警示信息。     

城市边界层大气环境领域问题的研究方法和模式系统

城市边界层大气环境领域的问题逐渐成为近些年的研究热点，本文概略介绍城市大气环境问题的研究方法和给出了一些应用广泛的模式系统的要点。     

一个模拟SO2浓度分布的数值模式研究

初步发展了一个空气污染准业务数值模式，该模式将修改过的二维Mass风场模式预报的风场据实测风廓线推广到三维，用有限元法求解欧位平流扩散方程，在此基础上，预报上海地区SO2指数和浓度分布。通过半年的试验，其结果与实测值基本一致，初步可用于业务预报使用。通过模拟表明，上海市的浓度高值区一般位于市区和郊区宝山，一天中早晨的浓度最大，傍晚次之，中午最小。