同化GPS可降水量资料在安徽地区暴雨预报中的应用

利用2014年5月10日08时和5月24日08时的中国GPS(Global Positioning System)可降水量资料、地面气象观测资料及探空资料,基于WRF(Weather Research Forecast)模式及其三维变分同化系统对安徽地区2014年5月10日区域性暴雨过程和5月24日局地性暴雨过程进行了同化研究。结果表明:同化GPS水汽资料能较好地改善WRF模式的湿度场,对风场的调整较小;同化探空资料和地面常规气象观测资料可以同时调整湿度场与风场,但对湿度场的改善效果明显不如同化GPS水汽资料。仅同化GPS可降水资料,可以改进暴雨落区和强度的WRF模式模拟预报效果;而同化探空资料和地面常规气象观测资料对暴雨落区与强度预报的改进效果低于仅同化GPS水汽资料;同时同化地面常规气象观测资料、探空资料和GPS可降水资料对暴雨强度与落区的预报效果改进明显,与实况更接近,暴雨预报的TS评分更高,空报率更低。     

青藏高原东缘GPS水汽资料对暴雨模拟的影响分析

选取2009年6月30日发生在云南南部和湖南北部的强降水过程,利用WRF模式和建立在青藏高原东缘地区18个地基GPS站点观测的可降水量资料（GPS/PWV）进行同化试验.试验表明：选取全部18个站和云南省8个站GPS/PWV资料进行同化,发现下游地区的强降水区湖南北部降水强度发生较大变化.选取100.E附近的6个站GPS/PWV资料进行同化,发现下游地区的强降水区湖南北部降水强度变化不大.利用全部站点GPS/PWV资料,模式初始场大部分地区湿度增加,对应下游降水中心强度增加,少部分地区湿度减少,对应降水区域南移.GPS/PWV资料同化对模式初始场湿度场和高度场影响较大,而对温度和风场影响较小.     

LAPS同化GPS/PWV资料在暴雨预报中的应用研究

利用LAPS(Local Analysis and Prediction System)系统同化GPS(Global Positioning System)/PWV(Precipitable Water Vapor)资料,分析GPS/PWV资料对LAPS输出场的影响,并结合WRF模式,将LAPS输出场作为其初始场进行降水预报,进一步考察GPS/PWV资料对降水预报的作用。选取2009年6月28日湖北地区的一次强降水过程,设计三种方案进行试验。结果表明:同化GPS/PWV资料后对LAPS湿度场有显著的改善,而对高度场及风场的作用则不明显;GPS/PWV资料对区域平均可降水量的影响比雷达资料大一个量级;与此同时,利用多种评分方法对6 h累计降水做了检验,分析结果表明同化GPS/PWV资料能够有效地改进WRF模式的初始场,增加丰富的中小尺度信息,并对随后的确定性预报产生正影响。     

“00.7”北京特大暴雨模拟中气象资料同化作用的评估

针对2000年7月4～5日北京地区的一次特大暴雨过程(24 h降水量达240 mm),文中利用MM5/WRF三维变分系统和MM5非静力模式,对此次特大暴雨过程中的各种气象监测资料(地基GPS大气柱水汽含量、常规探空、高空测风、地面常规观测和地面自动气象站)的同化作用通过观测系统数值试验进行了评估.结果表明与传统的客观分析方案相比较,MM5/WRF三维变分同化系统可直接引入非常规地基GPS大气柱水汽含量监测资料,提供更好的大气初始分析场.在三维变分同化方案下,各种大气监测资料均对改进此次特大暴雨模拟有不同程度的贡献,其中,常规探空和高空测风监测资料对改进预报结果的影响最大,地面常规观测和地面自动气象站观测资料作用次之,地基GPS大气柱水汽含量资料在与其他大气监测资料相互优势互补后,可很好地改善模式大气的分析质量,通过三维变分同化技术在区域数值天气预报模式初始场中引入地基GPS大气水汽监测网资料,使此次强降水个例的6 h和24 h测站降水预报的TS评分值在1,5,10和20 mm预报检验阈值下分别提高了1%～8%.研究结果对利用三维变分数值系统,评估气象监测网资料在改进高影响天气事件预报中的作用有借鉴意义.     

资料同化对一次华南暴雨影响的数值试验研究

针对一次华南暴雨过程,采用WRF区域中尺度模式进行了控制试验和同化试验.利用WRF-3DVAR同化系统同化了常规探空和地面观测资料,分析了两种资料对初值场的影响,以及对降水和各物理量预报效果的影响.结果表明:同化能改进初始场,并可改进暴雨落区和强度预报;同化可提高WRF模式对风场、温度场、高度场以及水汽场的预报能力.但有一定的时效性;同时同化探空和地面资料,比仅同化探空资料对大气低层物理量的预报能力要提高较多.     

同化常规资料对重庆地区一次大暴雨过程的数值模拟研究

利用常规观测资料以及小时观测降水量资料,对2014年8月31日—9月2日重庆地区一次大暴雨过程进行分析,在此基础上采用中尺度数值模式WRF及其三维变分同化系统WRF 3D-Var将常规探空观测资料同化进NECP/NCAR再分析资料产生初始场,对比分析同化与未同化常规探空资料的模式模拟的降水量分布特征及同化探空观测资料对模式模拟的中尺度系统结构特征的影响。结果表明,此次暴雨的发生是在对流层高层200 hPa南亚高压与高空急流造成的高层辐散、500 hPa大槽靠近以及副热带高压西移这种有利的大尺度环流背景下,对流层低层的西南低涡、切变线、低空急流在重庆地区发生发展的结果。对比分析模式的模拟结果,两次模拟都较好地再现了此次暴雨过程的大尺度环流特征,同化探空观测资料后模拟的降水落区分布及量级得到改善,对暴雨以上量级的降水改进尤为明显。模式初始时刻分析场的增量表明,与此次暴雨过程的形成发展密切相关的大尺度系统(南亚高压、副热带高压)、中尺度系统(低涡、急流)以及水汽输送在初始场同化常规探空资料后均得到了增强,这为对流系统的发展维持提供了更加有利的条件。降水最强时刻强降水区域的垂直结构分析显示,在同化探空观测资料后,模式模拟的散度、涡度、垂直速度以及大气热力结构的强度和高度较未同化探空资料的结果都得到了不同程度的增强,这表明同化探空观测资料改进了模式初始场的分布特征,进而对模式模拟的中尺度对流系统的结构产生重要影响。     

bbGPS/PWV资料三维变分同化改进MM5降水预报连续试验的评估

利用区域地基GPS网反演的高时空密度的大气垂直方向水汽总量,也称为可降水量（PWV）,可大大弥补常规探空探测水汽资料的不足。为了全面评估区域GPS网PWV资料同化对业务数值天气预报改进程度的目的,在个例研究分析的基础上,进行了连续38天的GPS/PWV资料三维同化（3D-Var）改进数值业务预报的试验。研究方法是根据长江三角洲地区GPS气象网在2002年梅雨和盛夏季节观测的刖资料,通过三维变分同化建立中尺度数值预报模式MM5的初始场,逐日作出长江三角洲地区24小时的降水量预报。以6小时累积雨量为对象,与未同化GPS／刖资料的MM5的相应预报比较,通过多种评分方法,评估了GPS／PWV资料改进MM5降水预报的效果。结果表明GPS／PWV资料同化后的MM5降水预报能力在大部分时间和大部分地区都有所提高,主要是伪击率有较明显的下降,对小范围降水预报的改进更为明显。预报明显改进的区域恰好位于GPS站填补常规探空站间距较大的地区。     

GPS可降水量在湖北暴雨预报中的指示性

通过对2012年5—9月湖北省59个GPS/MET站可降水量资料、全省自动站雨量资料以及实况高空资料的分析发现：①同址观测的GPS PWV与探空-PWV相关性高,误差小,有降水时相关性下降。②有降水时山地比平原地区的GPS PWV普遍偏低10 mm左右。③69%暴雨出现前GPS PWV会上升,不上升的则已达到较高值。GPS PWV单站6 h和12 h变量为正,对暴雨开始的指示性较好。④不同类型暴雨的GPS PWV特征不同：西风系统型和副热带高压影响型局地暴雨中心均对应GPS PWV高值区,其GPS PWV阈值在湖北西部分别为大于等于40 mm和大于等于55 mm,在湖北中东部分别为大于等于52 mm和大于等于60 mm;台风影响型局地暴雨大多位于GPS PWV高值区附近的密集带,GPS PWV阈值为大于等于45 mm;区域性暴雨需在有利降水的天气形势下考虑PWV,暴雨中心对应GPS PWV高值区,且GPS PWV高值中心较暴雨中心提前1 h出现。⑤暴雨中心位于GPS PWV水平分布密集带的情况有3种：个别影响系统移动较快的暴雨、台风影响型局地暴雨、个别山区暴雨。⑥利用GPS PWV高值区叠加地面辐合区判断未来1 h暴雨区,对湖北中东部暴雨的指示性较好,但对湖北西部山区暴雨的指示性较弱。     

湖北地基GPS大气可降水量变化特征分析及应用

利用探空资料、地基GPS/MET水汽监测资料,对恩施、宜昌、武汉三站地基GPS反演大气可降水量(GPS Precipitable Water Vapor,GPS/PWV)与探空进行了对比,表明GPS/PWV与探空RS/PWV具有良好的一致性。湖北省17站3 a GPS/PWV资料分析表明,GPS/PWV具有明显的月变化及日变化特征,分布具有从南往北逐渐递减,从西至东逐渐增加的特点。强降水个例分析表明GPS/PWV峰值略早于降水以及雷达回波峰值出现时间,高时空分辨率的GPS/PWV配合雷达对天气形势的分析以及降水的判断有一定的指导作用。     

GPS/PWV资料在梅雨锋暴雨个例中的同化试验

基于WRF(Weather Research and Forecasting Model,天气预报模式)及其三维变分同化系统3DVAR,利用江苏省GPS/PWV(PWV:Precipitable Water Vapor,GPS反演得到可降水量)资料,并将其与探空资料比对订正,针对2011年6月18日梅雨锋暴雨进行3 h循环同化模拟。在降水参数化方案敏感性试验与单点同化试验基础上,设计多组试验对6 h降水量进行TS(Threat Score)评估。结果表明:(1)同化订正GPS/PWV资料对降水预报能力显著提高,特别是大雨、暴雨量级以上的预报能力;(2)降水量的RMSE(Root Mean Squared Error,均方根误差)相比控制试验均减小,CC(Correlation Coefficient,相关系数)均增大,最显著试验RMSE从19.1 mm下降到12.6 mm,CC从0.45上升到0.74;(3)NMC方法统计的背景误差协方差条件下中雨至暴雨量级TS评分均有一定程度提高,默认的背景误差协方差在大雨以上量级TS评分大幅提高。     

GPS/Pwv资料在强对流天气系统中的特征分析

应用GPS探测的可降水水汽资料Pwv对上海地区2002～2005年强对流的水汽变化特征进行了分析。分析表明：每30分钟一次的GPS/Pwv资料能直观地、及时地反映大气中水汽的时间变化和空间变化;GPS/Pwv资料随时间的演变特征与降水有较好的对应关系,不同的季节及不同的降水类型有着不同的分布特征;GPS/Pwv的散度资料可以反映大气中水汽的辐合、辐散分布情况。文章还给出了不同季节产生强对流天气的GPS/Pwv阈值,表明GPS/Pwv资料在强对流天气预报方面有一定的应用价值。     

Moisture analysis of a squall line case based on precipitable water vapor data from a ground-based GPS network in the Yangtze River Delta

A squall line swept eastward across the area of the Yangtze River Delta and produced gusty winds and heavy rain from the afternoon to the evening of 24 August 2002. In this papers the roles of moisture in the genesis and development of the squall line were studied. Based on the precipitable water vapor （PWV） data from a ground-based GPS network over the Yangtze River Delta in China, plus data from a Pennsylvania State University/National Atmospheric Center （PSU/NCAR） mesoscale model （MM5） simulation, initialized by three-dimensional variational （3D-VAR） assimilation of the PWV data, some interesting features are revealed. During the 12 hours prior to the squall line arriving in the Shanghai area, a significant increase in PWV indicates a favorable moist environment for a squall line to develop. The vertical profile of the moisture illustrates that it mainly increased in the middle levels of the troposphere, and not at the surface. Temporal variation in PWV is a better precursor for squall line development than other surface meteorological parameters. The characteristics of the horizontal distribution of PWV not only indicated a favorable moist environment, but also evolved a cyclonic wind field for a squall line genesis and development. The ＂＋2 mm＂ contours of the three-hourly PWV variation can be used successfully to predict the location of the squall line two hours later.     

西南涡加密资料同化对西南区域模式降水预报的影响

本文基于2017年西南涡加密观测试验的四川省11个观测站的探空资料,利用西南区域9km和3km分辨率数值天气预报模式系统,开展了数值预报同化试验。同化试验每日06和18UTC各进行一次,持续40天。西南区域9km分辨率数值预报系统(SWC-WARMS)的模拟结果表明,加密探空观测资料对四川高空观测起到了补充。同化后可以改善模式初始场,有助于提升24小时降水预报的ETS评分,对小雨到大雨量级的BIAS评分也有一定的改善。西南区域3km分辨率系统得益于分辨率的提升,相比SWC-WARMS减小了大暴雨空报面积。同化加密探空观测可以提升降水预报的ETS评分,但空报面积也有所增加。      

2010年7～8月四川三次大暴雨过程区域数值模式能力评估

本文对2010年7月14~19日、7月22~24日、8月17~19日四川出现的3次区域性大暴雨过程,比较分析了成都区域中心及国家气象中心运行的GRAPES模式降水预报情况以及中、高层环流形势,通过天气学检验得出以下结论:(1) G-SC模式预报降水范围偏小、强度偏弱,强降水中心存在较大偏差;G-BJ模式能预报出降水的主要落区,但降水强度偏弱,虚假强水中心偏多;(2) GRAPES模式对青藏高原东侧天气系统的预报能力偏弱,G-BJ对大尺度环流系统的预报能力优于G-SC模式;(3)九龙站和名山站单站探空廓线图显示G-SC模式在对流层高层温度和风速不随高度变化,对流层底层比湿较实况偏小,因此,温度场、风场以及湿度场强度及分布都有待改善;(4)成都区域中心运行的GRAPES模式在初值、高度场强度、近地面温度等方面都具有很大的改进空间,这需要在资料同化、边界层方案、地形处理等方面做工作。