CCN浓度对安徽一次强对流天气影响的数值模拟

应用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,采用NSSL初始CCN数据(C=600 cm~(-3)、k=0.6)及南京北郊观测拟合数据(C=4 000 cm~(-3)、k=0.47)对安徽省一次强对流天气进行模拟。结果发现CCN浓度(CASE2)增大后,所模拟的最大雷达反射率较初始情况(CASE1),在强度和云体宽度上更加接近实况,且CASE2生成了更多强对流单体;CASE2的降水落区较CASE1更为接近实况,且中心雨强大于CASE1,这主要由CASE2中第一个单体更强的降水导致,而两者第二个单体贡献值相近。在过程初期,CASE2中云水、冰晶粒子数浓度比CASE1更大,使得云水粒子冻结时释放出比CASE1更多的热量,从而使得云体发展更为旺盛;两者单位质量中雪晶质量和数浓度相差不大;CASE2比CASE1霰雹粒子比含水量更高,从而在融化过程中形成了更强的冷云降水。     

MCC降水过程集合预报不同物理过程扰动方案的对比试验研究

利用WRF模式,从模式的不确定性角度来构造中尺度的集合预报,重点对比分析了不同物理参数化方案、物理过程随机扰动方案、积云对流参数化敏感参数扰动方案对中尺度对流复合体降水集合预报的影响。试验结果表明:3种物理过程扰动方法都可以反映中尺度对流复合体降水预报的不确定性特征,其预报效果比控制预报好。物理过程随机扰动方案集合平均的降水落区及强度最接近实况,并且其降水的ETS评分要高于其他2种方案。从均方根误差与离散度的角度来看,3种方案中物理过程随机扰动的均方根误差要小于其他2种方案,而其离散度要大于其他2种方案,物理过程随机扰动方案要优于其他2种方案。     

背景误差协方差变量平衡特征及其对台风同化和预报的影响

构造合理的背景场误差协方差是做好资料同化的关键。分析了背景误差协方差中变量相关关系在台风季节和非台风季节隐含的不同动力平衡特征,并讨论其对台风同化和预报的影响。分析发现,与非台风季节相比,在台风季节温度与非平衡速度势具有更强的动力相关性,拟相对湿度与其他控制变量的相关性也更显著。这些动力相关性在背景场误差中协方差的引入,将在同化分析过程中使得观测信息可以合理地对同化分析场产生影响。台风循环同化和预报的结果验证了对变量平衡特征的分析:背景误差协方差中新平衡关系的建立,对同化和预报有较大的正面影响,尤其是相对湿度和其他控制变量相关的建立,明显改善了台风路径、强度和降水的预报效果。      

雷达定量降雪估测方法的设计和订正

从降雪预警业务实际出发,设计了基于最优化法的雷达估测降雪方法,对2007年3月4日特大暴雪过程开展雷达降雪估测试验,并分析估测结果的误差。针对温度变化、雪花末速度、与雷达的距离和计算方法等方面的误差因素制定了3种改进方案。改进后的估测降雪量与实况降雪量的相关系数提高到0.66（超过99%信度检验）,平均相对误差降低至48.74%,对于0.3 mm/h的较弱降雪和5 mm/h以上的强降雪均具有估测能力。其中距离雷达50～100 km的样本估测降雪量与实况降雪量的相关系数达到0.82。在3种改进方案中,考虑降雪末速度影响的改进效果不明显,这可能与本次暴雪过程的回波较均匀有关;按雷达与样本距离分类进行雷达降雪估测的效果最明显,不仅可以增加相似程度,还减小了雷达近距离高估和远距离低估的误差;而算法的改进进一步提高估测精度。本次雷达降雪估测对于1.6～2.5 mm/h的较强降雪和2.6 mm/h以上的强降雪平均相对误差较小,分别为31%和27%,但雷达降雪估测高估了1.5 mm/h以下的降雪而低估2.6 mm/h以上的强降雪。一方面说明雷达回波对于降雪强弱变化不是很敏感,另一方面在业务实际工作中有可能利用这种一致性的误差进行订正,以提高降雪估测精度。      

风云三号卫星微波大气温度探测仪资料偏差订正方法研究

为推动中国风云三号卫星(FY-3A/B)资料在区域数值天气预报中的同化研究,重点研究FY-3A的大气温度垂直探测仪(MWTS)资料的偏差订正问题。在欧洲中期天气预报中心(ECMWF)原全球TOVS辐射偏差订正方案的基础上,结合MWTS资料特征,建立适用于FY-3A卫星MWTS辐射率资料的偏差订正系统,并评价MWTS的偏差订正效果。结果表明:（1） 同纬度带和扫描位置的扫描偏差不同,各通道表现出不同的偏差特征,通道1扫描偏差较大(0~5 K),通道2、3、4较小(0~0.6 K);（2） 扫描偏差订正和气团偏差订正后的观测残差基本符合均值为零的正态分布;（3） 偏差订正后的观测残差标准方差有所降低,这将提高卫星资料对分析场的调整。证明了FY-3A MWTS资料质量较好,具有同化应用的潜力,开发的偏差订正系统可为FY-3A MWTS资料在区域模式中的同化应用提供条件。      

辽宁两类降雪过程的对比及定量降雪预报指标

利用常规气象观测资料和NCEP1°×1°资料,普查辽宁省最近10 a来区域性暴雪、大雪、中雪天气过程,大致可分为北上水汽型和东北上水汽型两类。从环流背景、水汽和动力条件方面对比分析了2004年12月19日和2002年12月16日两次不同类型的降雪过程,发现北上水汽型降雪过程850 hPa比湿和水汽通量大,水汽条件强,动力条件相对弱;而东北上水汽型的降雪过程850 hPa比湿和水汽通量相对小,但动力抬升和辐合作用强。通过分析10 a来辽宁不同类型5场区域性暴雪、8场区域性大雪、9场区域性中雪的水汽条件和动力条件物理量阈值区间,发现北上水汽型降雪过程850 hPa比湿和水汽通量大于东北上水汽型同级别降雪过程,在降大雪量级时的850 hPa比湿和东北上水汽型暴雪过程相当;东北上水汽型降雪过程的最大螺旋度、850 hPa散度、最大垂直速度和850 hPa急流要强于北上水汽型,而且降雪级别越高差距越明显,其中暴雪量级最大垂直速度、850 hPa急流已经达到产生暴雨的动力条件。     

多普勒雷达资料同化对江苏一次飑线过程的数值模拟

应用新一代中尺度预报模式WRF模式及其3DVar同化系统, 针对江苏地区2009年6月14日飑线过程进行了多普勒雷达资料的同化试验研究, 在对雷达资料进行严格质量控制的基础上, 设计一系列尺度化因子优化调整及同化频率的敏感性试验。试验结果表明:同化后初始场得到不同程度改善, 适当的尺度化因子设定, 能够有效改进对模式初始场中700 hPa风场和850 hPa温度场以及组合反射率因子等要素的分析, 进而改善短时降水预报和风暴的垂直结构配置;并且同化频率越高, 对初始场的组合反射率因子分布与观测更为接近, 短时降水预报越准确。     

全球变暖背景下对流性降水变化特征及影响 因子分析

根据NCEP/NCAR逐日、逐月温度资料和相对湿度资料,及长江中下游60个气象站逐日降水资料,采用趋势分析、突变检验等方法,研究了近60年来全球和北半球地表温度变化趋势,分析了温度增加前后,夏季(6～8月)对流性降水的变化特征及其部分影响因子.结果表明:近60年来,北半球年平均及夏季平均地面温度为增暖趋势,1998年为增暖突变年份;变暖后,长江中下游地区夏季对流性降水事件的发生频率呈增多趋势且强度增强;全球增暖后,对流层中、高层水汽含量呈下降趋势,对流层低层水汽含量呈上升趋势;热含量除个别月份外,在700、850、1000 hPa均有明显增长;大气中不稳定性也显著增强.这些与对流性降水事件发生频率的增加和强度的增强有很好的对应关系,说明全球变暖导致的大气中水汽含量变化、湿空气热含量增加和不稳定性增强对对流性降水事件可能有重要影响.     

欧亚大陆冬季积雪异常与东亚冬季风及中国冬季气温的关系

采用相关及合成分析方法,对ＥＭＭＷＦ１９７９－１９９３年的网格积雪深度资料深度资料,冬季海平面气压场,５００ｈＰａ高度场及中国冬季气温场进行了分析,研究了欧亚大陆冬季积雪异常与东亚冬季风及中国冬季气温的关系。结果表明：欧亚大陆中高纬地区冬季积雪异常与东亚冬季风和中国冬季气温明显的关系。     

针对WRF模式中行星边界层参数化过程倾向项的扰动方法

针对WRF模式中行星边界层参数化过程中的不确定性,发展了一种针对行星边界层参数化过程的随机物理扰动方案(SPPBLPT),该方案针对行星边界层计算的温度、风场、水汽倾向项进行扰动。使用该方案、多行星边界层参数化方案、多参数扰动方案及针对WRF模式总倾向的随机物理过程扰动(SPPT)方案对2014年7月进行对比实验,发现使用较大格点方差的SPPBLPT方案能有效降低地面温度与风场的误差,也能降低降水的预报误差,而其他方案对预报改善不明显。针对地面温度和风场的BS评分显示,SPPBLPT方案通过降低可靠性评分(提高可靠性),显著改善了集合预报对温度与风场的可能性预报,同时该方案能显著提高降水的GSS评分,在所有实验中,较大格点方差的SPPBLPT方案表现最好。针对行星边界层参数化过程的随机物理扰动方案(SPPBLPT)能显著提升集合预报系统性能,但是该方案的扰动参数的设置还需要进一步研究。