数值天气预报中的误差增长及大气的可预报性

本文用数值试验方法,对模式预报中误差增长的物理机制作了初步研究。结果为,初始误差的大小直接影响以后的误差增长,相比而言,初始误差的随机分布形态影响很小。小尺度误差自身增长较快,并通过各尺度之间的非线性相互作用,小尺度误差向大尺度和行星尺度误差转移,促使整个系统的误差增长。地形对误差增长的影响为,当初始误差特征尺度为小尺度(8—21波)时,地形加强误差增长,初始误差为行星尺度(0—3波)时,地形抑制误差增长,可能存在一临界波长,该波长在4—7波之间。故地形对可预报性的影响与初始误差的特征尺度有关。在初始误差相同时,北半球误差增长较南半球块。最后,为提高模式的预报能力,就模式本身及初始化方案等方面进行了讨论。     

大气随机动力学与可预报性

偶然性与必然性过程及其相互转化是世界事物变化复杂性的根源。根据布朗运动统计理论,提出了分子热运动是不稳定流体中湍流形成之源,由此形成不同宏观尺度的随机运动是大气运动固有的属性。观测事实表明,太阳辐射作为决定大气运动与变化的主要因子,它的变化具有随机性,是大气的随机强迫因子,它对气候变化具有决定性影响。地-气相互作用是一个时变的非线性相互反馈的耦合过程,形成了下边界对大气复杂的随机强迫作用,其界面交换耦合随机动力学模式尚待建立。由于大气过程固有的随机性以及随机的外强迫耦合作用,大气确定性预报的时效是有界的,它决定于预报对象的不确定性及其空间尺度与时间尺度,以及预报时效内的大气不确定性。由此,客观存在着大气过程的报不准关系。     

短期气候数值预测可预报性问题

该文利用 IAP L2 AGCM1 - 1模式进行 1 7年 ( 1 980～ 1 996年 )、每年 9个单个积分的集合后报试验 ,采用方差分析的方法对试验结果进行可预报性研究 .结果表明 :在热带地区 ,海表温度 ( SST)异常引起的可预报性较高 ,50 0 h Pa高度场高值区沿热带呈带状分布 ,在热带外仅有部分相对高值区 ;在中高纬度地区 ,春季的可预报性高于夏季 ;一般来说各场的可预报性海洋高于陆地 .在北太平洋春季 ,50 0 h Pa高度场、海平面气压场和表面气温场有一可预报高值区 .在中国区域 ,降水场、海平面气压场和表面气温场的可预报性从我国南海向西北递减 .     

大气的可预报性与大气模式的设计

本文首先提出了设计数值天气预报模式的基本原则——模式大气的可预报性和实际大气的可预报性相一致。然后依据此原则讨论了目前在设计各种数值预报模式时存在的问题。     

LOCALIZED FEATURES OF CHAOTIC SYSTEM AND ATMOSPHERIC PREDICTABILITY

The localized features on chaotic attractor in phase space and predictability are investigated in thepresent study.It will be suggested that the localized features in phase space have to be considered indetermining the predictability.The notions of the local instability including the finite-time and local-time instabilities which determine the growth rate of error are introduced,and the calculation methodsare discussed in detail.The results from the calculation of the 3-component Lorenz model show thatsuch instability,correspondingly the growth rate of error,varies dramatically as the trajectoriesevolve on the chaotic attractor.The region in which the growth rate of error is small is localizedconsiderably,and is separable from the region in which the growth rate is large.The localpredictability is of important interest.It is also suggested that such localized features may be the maincause for a great deal of case-to-case variability of the predictive skill in the operational forecasts.     

轨线不稳定与误差增长

从一般的谱展开方程出发，详细推导了误差增长方程。结果表明误差增长率主要由准确解的切线性方程所决定，扰动非线性平流作用不产生方差意义下的误差增长，而只起分配误差的作用。轨线不稳定是产生误差增长的根本原因。文中提出了计算轨线不稳定增长率的方法。这一方法也适合于时间演变状态不稳定问题的讨论，对Ｌｏｒｅｎｚ系统的轨线不稳定计算表明了理论分析的正确及其意义。     

海岸地区空气污染物输送与扩散的数值模拟

本文建立了求解三维扩散方程的数值模式,以经过处理地形影响经连续方程调整模式计算得到的三维风场和实测铅直湍流扩散系数作为输入,模拟了沿海城市秦皇岛地区海陆风演变过程中空气污染物(SO_2)浓度的时空分布(x-y和y-z两个剖面)。模式的数值求解,在水平方向采用伪谱方法,铅直方向采用上游格式和六点格式,对三维扩散方程运用分步求解的数值方法,用计算所得的地面SO_2浓度分布和实测值比较,一致性相当好。显示在早晨和傍晚出现极大值,午后出现极小值。计算所得的日平均浓度与实测结果相比,也相当吻合。分析表明,本文所建模式行之有效,且数值计算稳定性表现良好。     

大气非静力数值模式中声波的阻尼和压缩

介绍大气非静力弹性模式中声波的阻尼和压缩方法，分析和模拟试验的结果表明，声波的阻尼和压缩能够对模式的解的振幅起到一定的衰减作用，有利于保证模式的计算稳定性和减少计算量。．     

沙漠土壤和大气边界层中水热交换和传输的数值模拟研究

为了解沙漠土壤和大气边界层系统中的水分和能量的交换和传输特征，本文发展了一个一维耦合模式，其中包括一个同时考虑土壤中液态水及气态水运动的沙漠土壤模式和一个基于非局地过渡湍流闭合方案的大气边界层模式。用这一耦合模式对沙漠土壤和大气界面的水热交换及沙漠土壤和大气边界层中的水热输送过程进行了模拟，同时与ＨＥＩＦＥ（ＨｅｉｈｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎＦｉｅｌｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）沙漠站的有关资料进行了对比。模拟结果表明约６５％的净辐射能以感热（５０％）和潜热（１５％）的形式提供大气，约３５％的净辐射能以地热流量的形式进入土壤。土壤表层２ｃｍ的范围表现为水热传输的活跃层，水分和温度廓线呈现剧烈的日变化。模拟结果同时表明沙漠土壤中水分传输以气态水为主，如果忽略土壤中的气态水运动，地气界面的水汽通量计算及边界层内的湿度及水汽通量的计算会产生较大的误差     

数值天气预报初场的变分同化及其伴随方法简介

本文着重介绍了近年来发展迅速的变分同化和伴随方法，并对与伴随方法有关的一些问题进行了讨论。     

关于处理初始资料和取某些参数的问题

针对目前处理初始资料中存在的问题,提出了一个满足能量守恒和整层无辐散等约束条件的变分方案,并就风的调整进行了试验。结果表明,在严格满足约束条件的情况下,调整后的风及其分布比调整前改变并不大。调整值可以作为预报方程的初值。 文中还针对某些参数因人、因地而取值不同的问题,提出了一个可以随流场、温度场调整的方案。     

有限区域预报中的一些问题

文中首先讨论了在固定边界条件和半固定边界条件下,采用平流方程和浅水波方程计算时引起的误差;给出了误差方程和解析解答。结果证明,在固定边界条件下,采用平流方程时误差以风速从边界向中央传播。在流入处附近,误差使波变平;在流出处附近,波幅增大,波变窄。而采用浅水波方程时,误差则以速度|u c|和|u-c|从边界向内传播。可是,在半固定边界条件下,采用平流方程时误差却只以风速沿气流方向传播,没有波的叠加所引起的波幅增大现象。 根据上述结果,作者提出了,在半固定边界条件下,适于平流方程的逆风差分格式,还对格式的计算稳定性进行了讨论。最后,用这格式作了一维套网格的单向和双向方法的个例计算,并和用蛙跃格式和欧拉向后差格式的结果比较。结果发现,修正的单向逆风差分格式最好。     

ENHANCED REGIONAL NUMERICAL PREDICTION SYSTEM AND ITS PERFORMANCE

During the "8th Five-Year Plan"(1991～1995), a new operational mesoscale numerical predictionsystem is developed, which is called the "Regional Enhanced Numerical Prediction System". The system possesses higher resolution(45 km grid sise in horizontal, 10 layers in vertital), as well as fullphysical processes, and can be run operationally in the Guangzhou Regional Meteorological Centre(GRMC). A plenty of experiments indicate its better performance in predicting various weather systemsaffecting the south of China, especially the typhoon and heavy rain in the "early floods stage"(annuallyspeaking). Verification of the prediction of all typhoon cases affecting the region in 1993～1995 indicatethat rainfall prediction scores of the system are obviously higher than those of the LAFS in the NationalMeteorological Centre, and track prediction error is no larger than those of NWPs in main world centressuch as the National Hurrieane Center of NOAA and the JMA. The aim of the paper is to give a generalized introduction and analysis to the system and its performance.     

区域增强模式数值预报系统及其性能

介绍一个新的中尺度模式业务数值预报系统，即区域增强模式数值预报系统，该系统具有较高的分辨率，并能在广州区域气象中心现有条件下进行实时业务预报。大量准业务预报试验表明，该系统对影响华南的种类主要大气过程、尤其是台风和前汛期暴雨等过程有较强的预报能力。对１９９３、１９９４、１９９５年所有影响华南的台风过程的预报检验其降水邓产分明显高于国家气象中心降水预报模式等大尺度模式的预报，同时，台风路径的预报误差     

局地环流与大气边界层湍流相互作用的数值研究

本文建立了一个二维定常大气中尺度数值模式，并用该模式讨论了由下垫面粗糙分布非均匀（局地动力强迫）和温度分布非均匀（局地热力强迫）而产生的局地大气环流与大气边界层湍流的相互作用。结果指出：下垫面存在温度分布非均匀时运动方程中的湍流交换项与水平气压梯项一样可促使局地热力环境的形成，由粗糙度分布非均匀强迫产生的局地环流与由下垫面温度分布非均匀强迫产和的局地热力环流间的非线笥相互作用是通过湍流交换实现的。     

北极海冰的厚度和面积变化对大气环流影响的数值模拟

文中利用中国科学院大气物理研究所设计的两层大气环流模式 ,模拟研究了北极海冰厚度和面积变化对大气环流的影响 ,尤其是对东亚区域气候变化的影响。模式中海冰厚度处理趋于合理分布 ,导致东亚冬、夏季风偏强 ,使冬季西伯利亚高压和冰岛低压的模拟结果更趋合理 ;另一方面 ,海冰厚度变化可以激发出跨越欧亚大陆的行星波传播 ,在低纬度地区 ,该行星波由西太平洋向东太平洋地区传播 ;海冰厚度变化对低纬度地区的对流活动也有影响。冬季北极巴伦支海海冰变化对后期大气环流也有显著的影响。数值模拟结果表明 :冬季巴伦支海海冰偏多 (少 )时 ,春季 (4～ 6月 )北太平洋中部海平面气压升高 (降低 ) ,阿留申低压减弱 (加深 ) ,有利于春季白令海海冰偏少 (多 ) ;而夏季 ,亚洲大陆热低压加深 (减弱 ) ,5 0 0 h Pa西太平洋副热带高压位置偏北 (南 )、强度偏强 (弱 ) ,东亚夏季风易偏强 (弱 )。     

THE STRUCTURE OF TROPICAL CYCLONE BY TOVS AND ITS APPLICATION IN NUMERICAL WEATHER PREDICTION

The TOVS data are used to study the structure of a number of tropical cyclones for the year 2000. Differences are found to some extent between what is found and classic conceptual models in that (1) the horizontal structure is asymmetric and variable so that the low-value centers at low levels of the geopotential height field (or the high-value centers at high levels) do not necessarily coincide with the high-value centers of the temperature field; (2) the vertical structure is also variable in the allocation of the anomalies of the geopotential height field between low values at low levels and high values at high levels. It is especially noted that the centers of the anomalies are tilting at both high and low levels or the high level is only at the edge of a high-pressure zone. There is not any significant high-value anomalous center in a corresponding location with the tropical cyclone. The structure of tropical cyclone in the TOVS is also used as reference to modify the structure of typhoon BOGUS in the numerical prediction model system of tropical cyclones. It is found that the modified BOGUS performs better in coordinating with the environment and predicting the track of the tropical cyclone. The demonstration is two-fold — the structure of the typhoon BOGUS is such that it means much in the track prediction and the use of the TOVS-based tropical cyclone structure really helps in improving it. It provides the foundation for modification and evolution of typhoon BOGUS.     

大尺度浑沌现象的数值研究

近来,关于大尺度大气运动的浑沌形态及其天气意义的研究已取得了初步的结果。本文在文献[1][2]的模式中进一步引入地形作用和β效应,多组数值积分的结果指出:大尺度的浑沌现象在模式大气中仍然存在,这种浑沌的出现与流型对称性的中断有关。      

大气季节内振荡的数值模拟比较研究

用国内外两个较好的大气环流模式、在观测海表温度的强迫下进行了长时间(1978-1989年)的数值积分,然后对数值模拟结果与NCAR/NCEP再分析资料进行比较分析,其结果清楚表明,模式模拟结果的均方根误差中有30%-40% 是来自于模拟的大气季节内振荡的均方根误差.尤其是,大气季节内振荡模拟的均方根误差的分布形势与总的均方根误差的分布形势几乎完全一致.对热带地区大气季节内振荡动能的模拟结果与NCAR/NCEP再分析资料的比较分析表明,其差异也十分明显,说明模式对热带大气季节内振荡的模拟能力也还比较差.因此可以认为,大气季节内振荡在天气气候模拟中极为重要,而如何在数值模式中模拟好大气季节内振荡还需要进行很好地研究.