模式动力过程与物理过程耦合及其对台风预报的影响研究

中国南海台风模式是基于GRAPES的热带中尺度模式,采用半隐半拉格朗日时间差分方案,借助Helmholtz方程进行隐式求解,然后计算物理过程,并把各物理量反馈到动力预报场,实现动力过程与物理过程耦合。为了探讨耦合方案对预报精度的影响,在原方案的基础上,设计了新的技术方案,主要包括两项技术改进。其一是考虑温度、水汽的物理反馈对气压场影响,将间接导出的气压反馈值返回动力场;其二是在第一项技术改进的基础上,将物理反馈值作为模式Helmholtz方程的右端项参与隐式求解,物理反馈在动力约束条件下实现与动力过程耦合。针对新方案对台风路径预报的影响开展个例和批量试验研究。个例试验研究表明,新方案明显地提高了台风预报水平,特别是提高了移动速度的预报准确率;2013年批量试验结果分析,如文中给出的台风路径预报、等压要素预报准确率对比分析,说明新技术方案整体提高模式预报精度。     

华南黑碳气溶胶浓度与南海夏季风关系的年代际突变

利用重建的华南区域黑碳气溶胶(Black Carbon, BC)浓度资料,分析其与南海夏季风在年际尺度上的关系。结果表明,华南区域BC浓度与南海夏季风的关系在2000年前后有明显的突变,由显著负相关变为显著正相关,即由高BC浓度弱季风变为高BC浓度强季风。通过合成对比分析,发现1988—1999年(第一时间段)的华南BC主要气候效应是间接辐射强迫作用:华南BC使云粒子半径减小,抑制华南区域春季降水,增加了云的生命期,从而使到达地面的短波辐射减少,表面和低层大气降温。负温度异常激发了异常反气旋,在南海区域即有东风异常。到夏季,东风异常减弱了季风强度,同时抑制了南海地区的降水。2000—2010年(第二时间段)的华南BC主要气候效应是直接辐射强迫作用:春季高BC浓度通过直接气候效应,增暖大气,加强降水,但是雨日减少,从而使到达地面的短波辐射增多,表面和低层大气增温。正温度异常激发了异常气旋,在南海区域即有西风异常一直维持到夏季,增大了季风强度,同时增强了南海地区的降水。     

局地水汽异常引起的非绝热加热对2016/2017年中国南方暖冬的影响

基于NCEP/NCAR再分析资料, 利用气温异常的倾向方程分析2016/2017年中国华北地区(100~115 °E, 35~45 °N)、西南地区(85~102 °E, 22~33 °N)和南方地区(108~118 °E, 22~33 °N)的暖冬事件。结果表明西南和华北地区的平流作用占主导地位, 而2016/2017年冬季中国南方暖冬主要是非绝热加热引起的。进一步通过水汽收支平衡的分析表明, 局地水汽异常对2016/2017年中国南方暖冬有重要贡献, 而其中土壤的水汽贡献约占50%。可能的机制如下:大气中正的水汽异常引起辐射加热增多, 导致气温升高, 土壤的感热增大, 土壤温度升高, 潜热通量变大, 从而向大气的水汽输送增多, 更多的水汽将导致更高的温度。      

南海热带气旋路径集合预报试验

利用3种不同模式的初始资料，通过它们生成得到16个不同的初始场，分别对2004年南海及其周边地区9个热带气旋个例进行集合预报试验，最后筛选得到了7个南海热带气旋初值集合成员，由此初步探讨了南海热带气旋初值集合成员的生成方法。结果表明，采用不同模式的初始资料生成得到初值集合成员的方法用于集合预报，对南海热带气旋路径预报有一些明显的改进。     

IMPACT OF THE INITIALIZATION ON MESOSCALE MODEL PREDICTION IN SOUTH CHINA

1 INTRODUCTIONThe initial state of the atmosphere is one of the keyfactors that affect the result of NWP. With thedevelopment of increasingly finer NWP, the quality ofinitial atmospheric state has been drawing more andmore attention[1-7]. GRAPES 3D- Var(G…     

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。     

有云环境下MODIS亮温资料的变分同化Ⅱ——对暴雨预报的影响

卫星资料提供了大量关于云和雨的观测信息,在暴雨预报中可发挥巨大的作用,然而在数值模式资料同化中的应用水平仍然不高,特别是红外辐射资料的应用。由于有云环境下辐射传输过程的模拟难度很大,因此通常只同化晴空环境下的红外辐射资料。基于GRAPES-3DVAR(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统),根据RTTOV辐射传输模式(fast radiative transfer model for TOVS,快速辐射传输模式)的特点,增加云水含量、云冰水含量和云量作为同化系统控制变量,在改进辐射传输模式对红外资料模拟的同时,利用红外资料调整初始云参数和大气参数。针对2007年5月26日南海季风爆发后广东地区的一次暴雨过程,选取MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨成像光谱仪)传感器水汽(第27)和云顶观测(第36)通道进行了同化试验,利用WRF(Weather Research and Forecasting Model,天气研究和预报模式)进行了数值模拟,结果表明同化MODIS资料,可以改进初始场水汽和温度分布,间接调整高空风场,调整趋势符合卫星观测,对短时降水预报有正面影响。     

GRAPES区域模式水汽平流方案的比较与改进

与欧拉显式时间差分方法相比,GRAPES区域模式采用半隐半拉格朗日时间差分方案可增加时间步长且不影响稳定性,而且模式积分可有较高的计算效率和准确性。半拉格朗日法需要用到内插算法来预测下一时刻的值,对于水汽场的内插值来说,常常会造成预报值的过饱和或者是负值,需要进行特殊处理。比较GRAPES模式的准单调半拉格朗日方案(QMSL)和高精度正定保形方案(PRM),分析模式的降水预报、形势预报,同时初步总结了两方案的优缺点。在参考LCSL(Linear Constraint Semi-Lagarangain)方案的基础上,改进QMSL方案,通过连续试验运行,表明新方案基本稳定可靠,对于降水预报、形势预报有一定的改进,在台风预报试验中也有良好的表现。     

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。     

A Method of Initial Vortex Relocation and Numerical Simulation Experiments on Tropical Cyclone Track

Using the technique of smooth filtering and cylindrical filtering, the initial vortex circulation and large-scale environmental field were separated from the background field. Then the separated initial vortex circulation was translated and reinserted in the location where it was observed. This led to the determination of a method of initial vortex relocation. For seven tropical cyclones at 23 points of measurement time in the years of 2006 and 2007, two schemes, either directly adding a tropical cyclone bogus model in the background or adding it after the relocation of the initial vortex in the background field, were employed. Simulation experiments were compared. The results showed that the mean errors of the simulated tropical cyclone tracks at 24 and 48 hours were both smaller with the scheme of adding tropical cyclone bogus model after the relocation of the initial vortex in the background field. The relocation method of the initial vortex decreases the error caused by the deviation of the initial tropical cyclone location in tropical cyclone models. The relocation method is conducive to improving the track forecast of tropical cyclone models and has a good perspective for operational application.