广东省后汛期强对流天气潜势预报方法研究

利用2007—2008年两年7—10月广东后汛期强对流天气出现时的雷达资料、对应的GRAPES模式资料以及地市台站上报的强对流天气发生的实况,把瞬时大风〉17.2 m·s^-1、冰雹、龙卷作为强对流发生的依据,对上述数据进行整理。根据广州热带海洋研究所中尺度模式的输出GRAPES资料,结合雷达CAPPI数据,计算单体的各层风速、温度、湿度、有效位能等环境特征量,将单体特征和模式计算的单体环境场要素以及强对流发生实况,通过多元逐步回归方法建立后汛期强对流天气潜势预报方程,据此对发生于广东省后汛期强对流天气（如雷雨大风、冰雹和龙卷风）进行0～1小时临近预报。用预报成功率（POD）、虚假警报率（FAR）和关键成功指数（CSI）衡量方法的预报性能。共有5540个有效样本参与回归计算,31个因子中有12个引入了回归方程,建立的预报方程在阈值取为0.26时,得到的预报成功率POD为0.73,虚假警报率FAR为0.61,关键成功指数CSI为0.338,各项指标均要好于前汛期预报性能;从实际的预报能力来看,在后汛期强对流潜势预报中,后汛期强对流潜势预报方法得到的空报率和漏报率都要低于前汛期,预报效果较好,可用于广东后汛期的强对流天气潜势预报中。     

基于卷积神经网络的逐时降水预报订正方法研究

应用2017—2018年5—9月福建省观测资料对华南区域中尺度模式(GTRAMS-3 km-RUC)预报进行站点检验,建立和训练基于卷积神经网络的逐时降水分级订正模型,并与频率匹配法进行2017—2018年测试集的对比试验和2019年数据集的模拟业务检验,探讨了试验过程中遇到的样本不均衡、特征变量选取以及模型过拟合问题。结果表明:模式对于15 mm·h-1以上降水的预报能力弱,各订正方法对原始预报均有不同程度的改进作用。从评估指标来看,基于卷积神经网络的订正方法比频率匹配法表现出优势,其中相关系数判别方案下的网络模型对强降水预报的订正效果显著优于其他方法;在输入特征变量选取方面,应用主成分分析方案的模型训练收敛速度比相关系数判别方案更快,最佳训练期有所提前,但也更早进入严重的过拟合状态,而相关系数判别方案能够使网络模型的训练拥有更长的提升期以达到更具“潜力”的状态;基于卷积神经网络的订正方法对减少分类降水预报的漏报率、晴雨和弱降水预报的空报率具有显著作用,其优化程度明显超过频率匹配法。     

基于扰动模式的四维变分资料同化系统框架的设计完善和数值试验

为了建立一个应用于区域数值预报的四维变分资料同化（4DVar）系统,在近期开发的扰动预报模式GRAPES_PF基础上,开发完善增量四维变分同化系统框架。该框架中暂不包含物理过程（长短波辐射、边界层过程、对流参数化和云微物理等）。对比业务使用的GRAPES 3DVar系统,增加了温度控制变量。将无量纲Exner气压与流函数的线性风压平衡方程直接在地形追随垂直坐标面上求解,且通过广义共轭余差法（GCR）求解扰动亥姆霍兹（Helmholtz）伴随方程。利用人造“探空”资料对2015年10月台风“彩虹”进行了理想数值试验。试验结果表明,所开发的扰动四维变分同化框架得到了预期的结果,即同化更多资料并反复受到模式约束的四维变分同化系统能有效改善初值质量,进而改善区域数值预报。建立的区域四维变分同化框架合理可行,为进一步发展包含完整物理过程的区域四维变分同化系统奠定了研究基础。      

华南区域高分辨率数值模式前汛期预报初步评估

基于华南地区自动站逐小时观测资料, 采用传统站点评分、邻域法等评估华南区域高分辨率数值模式(包括GRAPES_GZ_R 1 km模式和GRAPES_GZ 3 km模式)对降水、地面温度和风场等要素的预报能力。结果表明: GRAPES_GZ_R 1 km模式的降水预报技巧优于GRAPES_GZ 3 km模式, 模式预报以正偏差为主。对于不同起报时间的预报, 00时(世界时, 下同)起报的预报效果优于12时。GRAPES_GZ_R 1 km模式的TS评分是GRAPES_GZ 3 km模式的两倍以上, 对不同降水阈值的评分均较高。分数技巧评分(FSS)显示GRAPES_GZ_R 1 km模式6 h累计降水预报在0.1 mm、1 mm及5 mm以上的降水均可达到最低预报技巧尺度, 对所检验降水对象的空间位置把握能力更好。2 m气温和10 m风速检验结果表明两个模式均能较好把握广东省温度的分布特征, GRAPES_GZ_R 1 km模式对2 m气温预报结果优于GRAPES_GZ 3 km模式, 预报绝对误差更小; 两个模式对风速的预报整体偏强, 预报偏差在1~4 m/s之间, 但相比之下GRAPES_GZ 3 km模式在风场预报上表现更好。GRAPES_GZ_R 1 km模式的2 m气温和10 m风速预报偏差随降水过程存在明显波动, 强降水过后温度预报整体偏低, 风速预报偏强, 在模式产品订正、使用等需要考虑模式对主要天气系统的预报情况。总的来说, GRAPES_GZ_R 1 km模式的预报产品具有较好的参考价值。      

Verification and Assessment of Real-time Forecasts of Two Extreme Heavy Rain Events in Zhengzhou by Operational NWP Models

In the present study, the performances of the NWP models on two heavy rainfalls on 20 July and 22 August 2021 over Henan Province were investigated. The impacts of the water vapor transport to the extreme rainfall were further discussed. The results showed that the regional model system in the Guangzhou Meteorological Service generally showed high scores on the extreme rainfall over Henan. The maximum 24h accumulative rainfall by the 24h forecasts by the CMA-GD reached 556 mm over Henan Province. The 24-h and 48-h Threat Score (TS) of heavy rainfall reached 0.56 and 0.64. The comparisons of the Fraction Skill Score (FSS) verifications of the heavy rainfall by CMA-GD and CMA-TRAMS at the radium of 40km reached 0.96 and 0.87. The water vapor transport to the extreme rainfall showed that the vertically integrated water vapor transport (IVT) of the whole layer before the occurrence of the heavy rainfall exhibited a double-eyes distribution in case 7 · 20. The north eye over Henan reached the same magnitude of IVT as the typhoon eye (Cempaka) over south China. The IVT over the lower troposphere (<500 hPa) showed an overwhelming magnitude than the upper level, especially in the planetary boundary layer (<700 hPa). More practical technical needs to be developed to improve its performances on the forecasting of extreme rainfall, as well as more experiments need to be conducted to examine the effects of the specific terrain and physical schemes on the extreme rainfall.     

一次粤西沿海地区强降水成因与GRAPES预报表现

利用NCEP 4次/d的1°×1°FNL再分析资料、自动站资料、多普勒天气雷达资料、GRAPES_36 km模式预报资料,从天气学的角度分析研究了2010年6月28日强降水的成因.分析结果表明,此次强降水系由于南海季风槽建立造成,实况形势分析和物理量场诊断都符合南海季风槽的特征.强降水的辐合上升运动十分之明显,水汽辐合高值区与暴雨落区一致,强降水伴随南海季风槽建立同时发生.GRAPES_36 km模式对此次季风槽形势预报、物理结构描述得相当清晰,暴雨落区对应的高能区、强烈辐合区,模式描述相当准确,模式的提前量能够保证对此次季风槽造成的强降水作出提前预报.     

GRAPES区域扰动预报模式动力框架设计及检验

设计了适用于四维变分同化系统的扰动预报模式GRAPES_PF。根据GRAPES的地形追随坐标非静力原始方程组,采用小扰动分离方法推导微分形式的线性扰动预报方程组,并利用与GRAPES非线性模式相似的数值求解方案求解线性扰动微分方程组。在设计扰动预报模式时采用了两个时间层半隐式半拉格朗日方案对动量方程、热力学方程、水汽方程和连续方程进行时间差分,空间差分方案的变量分布水平方向采用Arakawa C跳点网格,垂直方向采用Charney/Phillips跳层。利用代数消元法进一步推导得到只包含未来时刻扰动Exner气压的亥姆霍兹方程,进而通过广义共轭余差法（GCR）求解,在此基础上得到未来时刻扰动量的预报值。基于所开发的扰动模式开展了数值试验。首先在非线性模式中施加一个中尺度初始扰动高压,得到初始扰动在非线性模式中的后续演变,然后将相同的初始扰动作为扰动模式的初值进行时间积分,将扰动模式预报的结果与非线性模式的结果做了对比。结果表明,所开发的扰动模式GRAPES_PF较好地模拟了惯性重力内波的传播过程:初始高压扰动激发了一个迅速向外传播的惯性重力内波,在气压场向风场适应的过程中,水平风场、垂直运动、位温和湿度等变量均出现了扰动增量,与非线性模式得到的结果相当接近。GRAPES_PF作为GRAPES非线性模式的合理线性模式为建立基于线性扰动预报的区域四维变分同化系统奠定了科学基础。      

南海台风模式对“海燕”移动路径的预报

超强台风"海燕"是2013年最著名的台风。分析中国南海台风模式对"海燕"整个过程的预报,发现模式基本预报出"海燕"的快速穿过菲律宾和登陆越南后北翘东折的移动路径,但也存在一些不足,例如强度预报偏弱。通过高分辨率数值模拟分析了"海燕"的变化机理,发现高层暖心、高中低层一致东风气流是其超强发展和快速西移的主要特征。进一步的模式预报试验中,探讨了模拟技术对提高台风预报水平的影响作用。分析结果表明,准确的模式物理参数化(如边界层、积云对流和地形参数化)和模式初始大气构造等,以及提高模式分辨率有助于提高台风预报水平。     

0～3小时短时定量降水预报算法研究

利用广东省3 km高度CAPPI雷达反射率因子拼图资料,对2012年6月22日一次降水个例进行0~3 h短时定量降水预报算法研究,以期通过改进算法来提高降水短时预报的准确率。在利用交叉相关算法获取回波移动矢量场后,使用五点平滑及卡尔曼滤波的方法对其进行处理,利用处理后的矢量场对雷达回波进行3 h外推,再进行0~3 h降水量预报。研究结果表明,经过滤波处理后可得到时空连续性更好的回波移动矢量场,滤波后回波外推预报效果明显改善,其临界成功指数(CSI)有所提高,空报率(FAR)显著降低,提高了降水预报准确率。     

华南登陆台风降水不对称性及持续性问题

针对登陆华南台风降水及模式预报存在的突出问题,就当前关于登陆台风降水分布的不对称性及台风登陆后期持续性暴雨发生机理的研究状况进行回顾和分析,提出了需要深入研究的相关科学问题及模式预报技术改进的应对措施,为促进登陆华南台风暴雨预报工作和效果的不断改进提供参考。分析指出环境风场垂直切变、低层气团边界(如冷池边界)、干冷空气侵入、中尺度对流系统以及地形等是造成登陆华南台风降水不对称分布的重要影响因素。台风登陆后期华南发生的持续性暴雨往往与季风活动增强相关,活跃的西南季风为强降水中尺度对流系统(MCSs)发展提供有利条件,MCSs通过潜热加热反馈于大尺度环流,可使台风涡旋环流和西南季风得以维持并致使MCSs反复发生发展、暴雨持续。开展相关科学问题的深入研究,有针对性地考察评估目前模式的预报性能并提出有效改进方案,是进一步提高模式预报效果的重要途径。