暴雨中尺度模式的发展历程和研究进展

短期数值天气预报模式的发展,由于具备了对动力辐合、湿物理及边界层等过程和实际地形的刻画能力,在分辨率提高到几十公里尺度时,可以对暴雨进行数值预报。经过近50 a的发展,暴雨中尺度模式经历了静力平衡到非静力平衡、粗分辨率到高分辨率、简单物理过程到细致物理过程、云雨隐式预报到显式预报、简单初始化到复杂同化等的转变。本文从暴雨中尺度模式框架、物理过程和初始化方法三个方面,回顾了国内外主要暴雨中尺度模式的发展历程和重要进展,同时指出了未来模式可能的发展趋势并给予了分析讨论。     

中尺度数值模式MM5V2评介

由于中尺度数值模式ＭＭ５Ｖ２本身的进步和目前能提供给中尺度数值模式的资料越来越多,使中尺度数值模式系统在灾害天气的预报方面成为一个重要的手段。从ＭＭ５Ｖ２的两大部分,模式初始化和预报模式出发,全面分析和总结中尺度数值模式的特点,并对中尺度数值模式未来发展做一些有益的探讨。     

中尺度模式湿物理过程和物理初始化方法

文章评述了中尺度模式中湿物理过程，特别是显式云降水方案和物理初始化方法研究的最新动态，分析了显式云降水方案的优势和应用潜力。     

中尺度业务数值预报试验模式系统原理和应用（三）模式初始化和预报结果后处理

中尺度业务数值预报试验模式系统原理和应用（三）模式初始化和预报结果后处理陈伟民，王强（兰州中心气象台７３００２０）１模式初始化过程ＭＭ４输入的初值变量为ｕ，ｖ，Ｔ和ｑ的通量形式以及Ｔ＿ｇ（地表温度）等。实测的风、压、温、湿场等数据都包含有误差，若不加...     

基于海平面气压动力反演的台风涡旋初始化方法

提出了一种基于海平面气压动力反演和变分同化技术初始化数值模式台风涡旋以改进台风预报的方法.使用QuikSCAT海面风资料,针对中纬度和热带地区使用不同的边界层模式反演出与观测风场动力相适应的海平面气压;然后基于三维变分动力约束将海平面气压同化进入中尺度模式.对登陆中国的两个台风个例的初始化敏感性数值试验研究发现,初始化方法在实现台风风场与气压场的动力平衡的基础上,不仅通过调整边界层入流结构和垂直风切变明显改变了大气不稳定状态和对流触发条件,而且,也调整了台风在对流层顶附近的流出结构.尤其值得注意的是,尽管同化只是使初始台风强度略有加强,但随着模式积分时间的增长,这种模式边界层物理过程与资料同化相互耦合的方法对台风预报的影响在逐渐加强,改善了对台风登陆过程中强度维持和迅速减弱阶段的描述;并通过不同程度地调整对流层中低层和高层引导气流,改善了台风路径的数值模拟.     

一次梅雨锋暴雨过程的 β 中尺度对流系统发展机理的数值研究

20 0 2年 6月 18～ 19日在湖北省发生的一次中尺度降水过程主要是由一个中尺度对流云团的活动造成的 ,且该中尺度对流云团在不断东移的过程中分裂成两个 β中尺度对流云团。文中使用中尺度非静力模式MM5对该次暴雨过程进行了数值模拟 ,研究它的发生发展机制。模式很好地模拟了造成该次强暴雨的中尺度对流系统的整个发展过程 ,模拟的降水分布与实况比较接近。分析模拟结果发现 ,中尺度对流系统在不断东移的过程中 ,受高层的辐散性流场的抽吸作用和低层的对流不稳定而发展加强 ;受地形的作用而分裂成两个对流单体 ;最后由于中高层水汽凝结降落后造成的水汽不足 ,高层的辐散气流明显减弱变得无组织和下沉气流的影响对流系统开始衰亡。通过以上的分析给出了引起该次梅雨锋暴雨过程的中尺度对流系统的发展演变模型。     

不均匀地表产生的中尺度通量的数值试验

采用北京大学三维的复杂地形中尺度模式,结合陆面过程模式(SiB),模拟了草原和沙漠并存的下垫面的边界层大气运动.利用SiB模式计算了地表辐射、感热、潜热通量,并且预报地表温度.中尺度模式则模拟了沙漠地区受热抬升,形成的辐合运动,垂直速度的分布,不同高度上水平流场的变化以及中尺度动量和热量通量,把中尺度通量跟湍流通量进行了比较,以确定这种中尺度运动在GCM模式的参数化过程中的重要性.试验表明中尺度通量尤其是热量通量要比湍流通量大很多.     

灾害天气国家重点实验室奥运气象服务

（1）奥运开幕式、闭幕式重要天气过程的分析和多模式预报。参加奥运天气会商的预报方法包括经典统计方法、动力统计方法及中尺度数值模式预报。其中中尺度数值预报模式有：GRAPES_Meso模式、AREMS模式、WRF模式及ARPS模式。此外,中尺度分析LAPS系统也参与了对中尺度系统的诊断分析。     

多普勒雷达基数据在短时对流天气数值预报中的应用

ARPS模式中原本有处理多普勒雷达Lev-Ⅲ资料的模块,但在一个雷达测站只处理4个仰角的径向风和反射率的资料。在此基础上,进行修改扩充将我国20世纪末、21世纪初全国布网的新一代多普勒雷达基数据Lev-Ⅱ全部14个仰角的原始径向风和反射率资料应用于ARPS模式。对我国2003年7月一次特大暴雨过程的个例研究表明,初始时刻加入多普勒雷达基数据的数值模拟,能改善短时0～12h的降水范围、强度和降水中心的预报结果。即使在目前雷达初始化数值模式预报低谷区的3～4h处,仍表现出较好的预报水平。因此,本文认为使用多普勒雷达资料初始化中尺度数值模式,能够弥补“spin-up（起转）”带来的副作用,表现在开始预报的第1h,就预报出雷达估计回波的强中心和大致分布,并且预报出与实况接近的降水;改变了由“spin-up”引起的回波估计预报延迟和预报前期没有降水的现象。且试验表明提高数值模式分辨率,可以使多普勒雷达资料弥补“spin-up”副作用的能力更明显。多普勒雷达资料应用于数值模式之所以有这种能力,是由于从多普勒雷达资料可以得到云和降水场的信息,一方面为模式微物理变量提供初值,填补了初始时刻云微物理量的空白,使随后的微物理量演变进程更加合理化,从而对降水预报产生正面影响;另一方面,为中尺度模式的非绝热初始化提供对流尺度数据源,对潜热、动力场和湿度进行调整,有效地实现模式的“hot—start（热启动）”,缩短了“预热”时间。     

地面资料同化的飑线数值模拟及中尺度特征分析

为了揭示飑线的中尺度精细结构特征,针对2006年6月25日发生在河套地区的一次飑线天气过程,在分析其过程天气背景的基础上,使用WRF模式和三维变分资料同化技术,对此次飑线过程中的地面常规观测和自动气象站加密观测资料进行了同化试验.结果表明:同化地面观测资料可以有效地提高模式对飑线这样的强对流天气系统模拟效果,输出的高分辨率模式资料可以更加精细地刻画出中纬度飑线中尺度结构特征.     

一个用于中尺度研究的非静力平衡模式

本文设计了一个用于中尺度研究的非静力平暂数值模式。在垂直运动方程中考虑非静力项后,为了减小由气压梯度力和重力计算浮力时的误差,模式引进了浮力方程。文中对中尺度环流系统的生成和维持作了一系列对比试验以考察该模式模拟中尺度过程的能力,结果发现,模式能反映中尺度系统生成和维持的一些特征。同时发现,对于较复杂的中尺度运动,初始扰动的发展与扰动本身的动力学和热力学结构有关。而大气稳定度分布对中尺度环流系统的维持起重要作用。通过试验还发现,积分过程中的计算稳定性对初始条件是敏感的。     

多普勒雷达径向速度同化在淮河暴雨数值模拟中的应用

针对2007年7月淮河流域的一次强降雨过程,利用WRF中尺度数值模式及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),开展了多普勒雷达径向速度的三维变分同化对暴雨过程模拟效果的影响研究。结果表明:WRF-3DVAR能够有效地同化多普勒雷达径向速度资料,同化后使得模式初始场出现了一定的调整,包含更详尽的中尺度特征信息,进而显著改善模式对大暴雨过程前12h降水的模拟效果。在高分辨率中尺度数值模式中有效地利用多普勒天气雷达资料,能较好地提高中尺度降雨预报。     

中尺度数值天气预报的初步试验

通过用中尺度MM4模式对2004年11月14日到15日天气过程进行数值模拟预报试验,了解MM4模式和用数值预报模式进行天气预报的全过程。对MM4模式的初次应用表明,中尺度数值模拟及预报的研究在一般台站是可行的,中小尺度数值预报模式为今后发展地县精细化预报及中尺度过程诊断分析提供了良好的工具。     

黔西南一次中尺度暴雨的数值模拟诊断研究

使用WRF模式 (Weather Research and Forecasting model) 模拟了2006年6月12日贵州省西南部一次典型的突发性强对流暴雨过程, 模式较真实地模拟了这次局地发展的中尺度暴雨天气过程。对流层低层的中尺度辐合线造成了初始的上升运动, β中尺度对流系统首先在地面锋线前不稳定的暖区中生长, 辐合线南侧的偏南气流对水汽和热量的输送是对流能够持续生长的最重要因素。通过非地转ω方程的诊断证明, 在降水开始后, 凝结加热的释放对β中尺度对流系统的发展最为重要, 它强迫产生的上升运动分量超过了低层暖平流强迫造成的上升运动分量。在相应的热力、 动力结构的调整作用下, 对流层低层出现中尺度低空急流、 中尺度涡旋等动力结构。到降水过程后期, 由于偏北气流的侵入, 降水区上空对流层低层转为对流稳定的层结, β中尺度对流系统无法获得不稳定能量以维持其发展, 降水也逐渐减弱直至终止。     

梅雨锋上中尺度低压发生的数值模拟实验

本文使用细网格降水模式对梅雨锋上中尺度低压过程进行了数值模拟,发现:(1)这种中尺度系统的形成至少应划分为发生和发展两个阶段.就发生阶段来说,动力作用是不容忽视的;在维持与发展阶段中,则水汽潜热的影响较为明显.(2)对潜热反馈作用的实验表明,对中尺度低压发展影响最为显著的加热过程也应具有明显的中尺度特征.     

MJO ensemble prediction in BCC-CSM1.1 (m) using different initialization schemes

热带大气季节内振荡(MJO)预报是国际研究热点,我国尚处于起步阶段。近些年国际上MJO预报水平得到大幅提升,主要得益于包含海气耦合过程的气候模式的使用,这其中模式预报初始化和集合扰动生成方法至关重要。本文发展了适用于国家气候中心第二代气候预测业务模式BCC-CSM1.1(m)的MJO初始化方案,并在此基础上提出了基于不同初始化方案形成扰动的集合预报新方法,可以将MJO有技巧预报时效延长到约20天,为次季节-季节预报提供重要依据。     

中尺度低压系统形成和维持的数值实验

使用细网格的多层原始方程模式对中尺度低压进行了数值模拟。发现:(1)在中尺度低压形成和维持过程中风场扰动的动力学过程比气压场扰动的作用更为重要。(2)对五种不同垂直结构的风场扰动进行了实验,其中以中低层的风场扰动在中低压形成过程中的作用更显著。(3)对湿模式和干模式进行的对比实验表明,两者重力波传播的相速度有明显的差别。前者将近为零,而后者达44米/秒。     

中尺度数值天气预报的初步试验

通过用中尺度MM4模式对2004年11月14日到15日天气过程进行数值模拟预报试验，了解MM4模式和用数值预报模式进行天气预报的全过程。对MM4模式的初次应用表明，中尺度数值模拟及预报的研究在一般台站是可行的，中小尺度数值预报模式为今后发展地县精细化预报及中尺度过程诊断分析提供了良好的工具。     

基于非静力模式物理扰动的中尺度集合预报试验

以GRAPES中尺度有限区模式作为试验模式, 从模式的不确定性方面来构造中尺度的集合预报, 重点考虑物理因子与初始条件的扰动作用。针对2004年7月10日北京城区的突发性暴雨过程进行了36 h的集合预报试验。结果表明:GRAPES模式可有效地捕捉到中尺度过程的信息; 中尺度集合预报是可行的, 可改进中尺度暴雨过程落区、强度的预报; 不同集合方案的预报结果各不相同, 同一方案各个成员的预报结果也有差异, 即存在适宜的离散度; 在离散度分析中发现在北京附近存在一个明显大值区, 且在大气中低层的垂直结构表现出一致性, 表明这一区域的预报不确定性很大。从集合检验结果中得到:单纯考虑模式物理扰动来构造中尺度集合预报系统有一定难度, 当加入初始场不确定信息后, 同时考虑模式的不确定性和初始场的不确定性, 有助于捕捉更多的中尺度系统的不确定信息, 有助于构造更为有效的中尺度集合预报系统。     

暴雨模拟中多普勒雷达径向速度变分同化的应用

针对2008年6月广东地区的一次强降雨过程,利用WRF中尺度数值模式及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),进行了多普勒雷达径向速度变分同化对暴雨过程模拟效果影响研究。结果表明:WRF-3DVAR能够有效地同化多普勒雷达径向速度,同化后的主要影响在于改进了初始动力场,使得初始场包含有更详尽的中尺度特征信息,进而显著提高模式对广东局地暴雨过程的模拟效果。在高分辨率中尺度数值模式中有效地利用多普勒天气雷达资料,是提高中尺度降雨预报的关键。