CMA-GFS云预报的偏差分布特征

利用2021年3月—2022年2月ERA5再分析数据云量、云水凝物对中国气象局研发的全球数值预报系统CMA-GFS同期云量产品和由云量、云水凝物产品计算的云发生、云水凝物积分的偏差特征进行诊断评估, 初步探讨了CMA-GFS云预报偏差存在的可能原因。结果显示:CMA-GFS云量、云水凝物的分布较为合理, CMA-GFS能够描绘全球云量、云水凝物的分布特征, 并能够反映季节特征;CMA-GFS预报高云和中云的云量偏差大于低云的云量偏差, 而高云和中云的云量均方根误差较低云偏小, 说明模式高云和中云的预报稳定性优于低云;与ERA5再分析数据相比, CMA-GFS液相水凝物积分以负偏差为主, 冰相水凝物积分以正偏差为主;云量、云水凝物的偏差在不同地区成因不同, 在热带地区的偏差与对流参数化和微物理方案不协调有关, 在南北半球中高纬度地区的偏差与相对湿度偏差相关。     

GRAPES_GFS全球中期预报系统的研发和业务化

该文回顾了中国气象局全球中期数值天气预报系统GRAPES_GFS的研发历程,重点介绍了近年来在GRAPES_GFS研发过程中的重要进展,概要阐述了这些进展对GRAPES_GFS业务:化的贡献。动力框架方面的改进主要包括位温垂直平流的算法、极区滤波方案、标量平流方案、垂直速度衰减（damping）算法、提高模式分辨率等,改善了模式框架的稳定性、计算精度以及质量守恒性。物理过程方面的改进主要包括RRTMG辐射方案、CoLM陆面过程方案、积云对流、边界层过程、双参数云物理方案,以及物理过程的调用计算等,全面提升了模式物理过程的预报能力。全球三维变分同化方面,研发了模式空间三维变分（3DVar）系统、资料质量控制和偏差订正技术、卫星资料同化方面的相关技术等。同时,对目前GRAPES_GFS2.0的预报能力进行了评估,总体来说,该系统各项预报指标全面超越GRAPES_GFS1.0,与T639相比等压面要素预报在对流层也有明显优势,降水、2 m温度等预报也优势明显。     

适用于GRAPES模式C-P边界层方案的设计和实现

基于K廓线闭合方案,通过考虑不稳定边界层和稳定边界层中热量交换系数在半层上求取及下边界条件的设置,将温湿倾向在整层上直接计算,设计了Charney-Phillips跳点（简称C-P跳点）的边界层方案,使之与GRAPES全球模式的C-P跳点相协调,解决了Lorenz跳点物理过程与C-P跳点动力框架耦合时插值造成的不协调问题,同时避免了耦合时反复插值造成的误差,提高了边界层物理过程参数化方案及其反馈的准确性和合理性。试验表明:C-P跳点边界层方案因为避免了温度和湿度在垂直方向上的插值,消除了温湿变量在垂直方向上的锯齿状抖动,使温湿廓线分布更合理,减小了模式预报误差,形势场的预报效果也得到一定改善。C-P边界层方案的应用提升了GRAPES全球模式的总体预报性能。     

区域大气环境应急响应数值预报系统

介绍了针对国内有毒气体泄漏等突发性大气中污染物扩散问题建立的区域精细大气环境应急响应数值预报业务系统。该系统基于污染扩散模式HYSPLIT_4,利用中尺度模式WRF为其提供气象场,对污染扩散的路径和浓度以及地面沉降进行计算,系统后端开发了基于GIS的产品制作平台对模式产品进行叠加地理信息的处理。为实现快速应急响应的功能,模式业务系统始终处于热准备状态,并可在接到指令后迅速完成产品制作。文中给出一个大气环境应急响应演习应用实例,显示该模式系统对影响范围较大的有毒气体泄漏事件应急响应工作具备一定的指导意义和应用前景。     

2018年2月琼州海峡持续性海雾过程的数值模拟分析

2018年2月春节期间琼州海峡发生持续性大雾天气,造成大量船舶停航。本文结合葵花8号卫星反演海雾产品、琼州海峡沿岸站点能见度观测数据及美国国家环境预报中心NCEP（National Centers for Environmental Prediction） 提供的FNL（Final Analysis）客观分析资料,对2018年2月18～20日的大雾过程进行了天气学成因分析,并进一步利用CMA-MESO（Global and Regional Assimilation and Prediction System）高分辨率数值模式从边界层方案、模式垂直分层以及海雾能见度算法三个方面进行敏感性试验,以找出模拟效果更好的模式设置方案。研究结果表明:大雾期间华南近海海温较常年平均偏低,受地面冷高压南下补充的弱冷空气影响,偏东暖湿气流流经冷海面并快速凝结。而数值模拟对比试验显示,采用YSU（Yonsei University）边界层方案、边界层垂直层次加密及美国国家海洋大气局预报系统实验室（FSL/NOAA）的海雾诊断方案（简称FSL）对改进能见度预报效果显著:YSU边界层方案比MRF（Medium Range Forecast Model）边界层方案对该次大雾过程的分布范围和最低能见度出现的时间模拟效果更优;模式低层分层加密可更好体现出低能见度的演变过程;通过能见度算法与实况对比,基于模式预报性能较好的湿度和温度预报而来的FSL算法,其能见度预报与站点实况最为接近。     

广西春季降水的云物理特征数值预报个例研究

利用国家气象中心研制的中尺度云系模式,模拟研究了广西地区的一次春季云降水天气过程。结果表明,该模式系统对这次云降水系统有较好的预报能力,预报的云降水系统的宏微观结构特征合理。研究显示,冰晶主要处于上层,雪晶主要处于中层,霰主要处于中下层,云水主要处于中下层,雨水主要处于下层;云中强对流区对应地面强降水区;广西春季典型云降水系统中有过冷水,以过冷云水滴为主,有少量的过冷雨水滴,过冷水区冰晶含量稀少,具备人工增雨潜力。云系模式预报的云顶温度与FY-2C卫星反演的云顶温度除了最小值位置略有差别外,最小值基本一致,该云系模式的云产品对人工增雨作业具有一定的指导作用。     

广西人工影响天气模式预报系统

在国家气象中心自主研发的双参数云降水方案与GRAPES中尺度数值模式耦合建立的人工影响天气条件判别的模式预报系统基础上,进行本地化改进建立广西人工影响天气模式预报系统.该系统能够提供广西及其附近区域多种云物理量24小时的预报产品,为人影作业预警指挥提供重要的参考依据.     

A STUDY OF THE INFLUENCE OF MICROPHYSICAL PROCESSES ON TYPHOON NIDA (2016) USING A NEW DOUBLE-MOMENT MICROPHYSICS SCHEME IN THE WEATHER RESEARCH AND FORECASTING MODEL

The basic structure and cloud features of Typhoon Nida (2016) are simulated using a new microphysics scheme (Liuma) within the Weather Research and Forecasting (WRF) model. Typhoon characteristics simulated with the Liuma microphysics scheme are compared with observations and those simulated with a commonly- used microphysics scheme (WSM6). Results show that using different microphysics schemes does not significantly alter the track of the typhoon but does significantly affect the intensity and the cloud structure of the typhoon. Results also show that the vertical distribution of cloud hydrometeors and the horizontal distribution of peripheral rainband are affected by the microphysics scheme. The mixing ratios of rain water and graupel correlate highly with the vertical velocity component and equivalent potential temperature at the typhoon eye-wall region. According to the simulation with WSM 6 scheme, it is likely that the very low typhoon central pressure results from the positive feedback between hydrometeors and typhoon intensity. As the ice-phase hydrometeors are mostly graupel in the Liuma microphysics scheme, further improvement in this aspect is required.     

GRAPES双参数云微物理方案的改进和云降水个例模拟研究：GRAPES_SCM对热带对流云个例的模拟研究

应用全球-区域同化预报系统单柱模式(GRAPES_SCM),对热带暖池国际云试验(TWP-ICE)个例进行数值模拟。通过和实际观测资料进行对比,诊断并改进了Liuma云微物理方案对热带对流云微物理特征的模拟能力。结果显示在GRAPES_SCM框架下,Liuma原方案和WSM6(WRF single moment)方案均能呈现出TWP-ICE期间热带云系的发展特征,并能够明显区分试验期间的季风活跃期和季风抑制期。活跃期Liuma原始方案和WSM6方案模拟的冰云组成结构差异显著,在Liuma原始方案所模拟的冰相水凝物分布中,存在冰雪含量过少、霰过多的现象。改进后的Liuma方案对程序中各微物理过程计算顺序进行了优化,改进后霰质量混合比明显减少,冰雪质量混合比明显增加,冰相水凝物分布较合理。     

GRAPES_GFS不同湿物理过程对云降水预报性能的诊断与评估

积云对流和云微物理是数值天气预报模式中最为重要的两类湿物理过程,它们共同影响云和降水的预报性能。通过采用CMAP降水资料和MODIS、MLS及Cloud Sat卫星云观测资料对全球中期数值预报模式GRAPES_GFS中这两类湿物理过程参数化方案的不同组合所预报的降水场和云宏微观场进行诊断和评估,以揭示其对云和降水的预报性能。结果表明:(1)云微物理方案是中高纬度地区总降水预报差异的主因,三种云微物理方案预报的降水强度为SINCEP3NCEP5。赤道及低纬地区降水差异主要是由积云对流方案引起的,KF_SI组合与CMAP降水最为一致。(2)SI方案和NCEP3方案在中纬度地区格点降水要显著多于混合相云NCEP5方案;与SAS方案和KF方案相比,BM方案使与其组合的云方案产生的格点降水明显偏少。(3)BM方案产生的对流降水要明显多于SAS方案和KF方案,中高纬地区SAS方案和KF方案预报的对流降水基本一致,在低纬地区SAS方案对流降水最少。(4)NCEP5方案预报的云顶温度与MODIS观测吻合较好,NCEP3方案和SI方案预报的云顶温度要较实况偏暖。三种对流方案预报的云顶温度冷暖关系为SASBMKF,BM和KF预报的云顶温度与实况较为接近。(5)NCEP5方案预报的积分云水与卫星观测最为接近,两种简冰方案显著偏少,尤以SI方案偏少最多。SAS和KF方案能较好的预报积分云水的空间分布,但其量值较观测偏大,BM方案预报的积分云水在低纬度地区偏少明显。(6)所有方案组合预报的卷云较MLS卫星观测显著偏少,混合相云方案对卷云预报较简冰方案具有一定优势,BM方案偏少最显著。(7)全球平均而言,KF对流方案和NCEP5云微物理方案对GRAPES_GFS的云和降水预报性能较其他降水物理方案具有一定优势。