如何提高天气预报和气候预测的技巧？

从理论上探讨如何提高天气预报和气候预测的技巧.气候包括以小时为基本单位的昼夜循环、以日为基本单位的年(季节)循环、年代际循环和世纪循环等时间尺度的变化.这些气候变化存在确定的外强迫,是可以被认识和预报的.相对气候昼夜循环和年(季节)循环的偏差是天气尺度扰动.天气尺度的瞬变大气扰动可引发极端天气事件.有技巧的天气预报正是要通过天气尺度大气扰动信号,提前几天甚至十几天,预报出极端天气事件的发生.相对气候年代际和世纪循环的偏差是气候异常,有技巧的气候预测正是要预报出这种异常.距平天气图会大大提高短期和中期—延伸期天气预报的技巧,距平数值预报模式的研制也会加快提高中期—延伸期天气预报和气候预测的技巧.     

一个创新研究——大气数值模式变量的物理分解及其在极端事件预报中的应用

大气温度、湿度、位势高度和风等数值模式变量可以物理分解为纬圈-时间平均的对称部分和时间平均的非对称部分,以及行星尺度瞬变扰动和天气尺度瞬变扰动等四个部分.区域持续性干旱、暴雨、热浪、低温和雨雪冰冻等极端天气事件与前期及同期数值模式中的行星尺度和天气尺度大气扰动系统之间呈现出密切的关系.瞬变扰动天气图可成为预报极端天气事件的新工具.本文在归纳本期9篇原创性文章的基础上,探讨大气变量物理分解后需要进一步研究的理论问题和应用前景.     

百米级气象数值模拟研究进展与展望

21世纪开始,随着天气气候模式和超算机计算能力的发展,加之气象精细化预报服务需求日益增长,气象数值模拟迈入“百米级”发展阶段.本文系统回顾并归纳了近20年来百米级气象数值模式研发和模拟应用两方面的研究进展.重点关注百米级大气模式资料同化和浅积云对流、云微物理、边界层和城市陆面等物理参数化方案的研发进展,以及模式对天气系统、边界层特征、降水、雾和城市化效应的模拟研究.基于百米级模式的研发和应用现状,指出该研究领域的五个重点发展方向,包括有限域高分辨率资料同化方法、云和边界层作用反馈、百米级城市陆面模式、人工智能方法对参数化方案的改进、模式分辨率与计算资源的平衡配置,以期为系统开展百米级气象数值模拟研究与应用提供参考.     

中国空间天气研究进展

空间天气指太阳、行星际空间和地球空间(地球磁层、电离层、热层和中高层大气)的状态及其变化,它能够影响到天基和地基技术系统的运行和可靠性,危及人类的生存.空间天气计划包括观测和资料分析,研究和数值建模,预报和服务.本文评述了近十年来我国空间天气研究中的一些重要成果.     

延伸期可预报分量的预报方案和策略

延伸期时间尺度虽然超过逐日天气预报时效理论上限,但仍然存在可预报的气象场特征.本文针对延伸期尺度的可预报分量,提出了有针对性的预报方案和策略.基于大气系统的混沌特性,从误差增长的角度在数值模式中分离了可预报分量和不可预报的随机分量,将可预报分量定义为在预报时段内误差增长较慢的分量,它对初值小的误差不极其敏感.通过在预报过程中滤除随机分量,保留可预报性较高的分量,建立起针对可预报分量的数值模式,避免小尺度分量预报误差的快速增长对预报效果的影响.同时,结合历史资料,利用相似-动力方法对可预报分量的预报误差进行订正,达到减小模式误差和从统计角度考虑随机分量对可预报分量影响的目的.结果表明,该方法能有效提高数值模式对可预报分量的预报技巧,从空间分布上体现为对可预报性较高的地区改进更为明显;从空间尺度上看,改进最为明显的是0波,其次是超长波和天气尺度波,与各尺度的可预报性有很好的一致性.该方法能有效减小可预报分量的模式误差,提高预报技巧,显示出良好的业务应用前景.     

天气尺度瞬变扰动的物理分解原理

大气变量可以在时空域内物理分解成四个部分.前两个是纬圈-时间平均的对称部分和时间平均的非对称部分,分别由太阳辐射和海陆分布热力调节的季节变化引起,并形成规则的逐日气候.第三部分是由年际和季节内的热带海洋或极地热力强迫引起的纬圈平均瞬变对称扰动,可形成大气变量的行星尺度指数循环.第四部分是一些复杂的天气尺度瞬变非对称扰动.大气变量中的逐日天气尺度瞬变扰动,可以用于指示区域持续性的干旱、暴雨、低温和热浪等极端天气事件.天气尺度瞬变扰动天气图能在极端天气事件的预报中发挥应有的作用.     

辽宁开原龙卷强对流过程的扰动天气环境

2019年7月3日下午辽宁部分地区出现短时强降水和冰雹等强对流天气,其中开原市金钩子镇遭遇了龙卷风,造成当地严重的生命财产损失.本文重点分析有利于这次龙卷和冰雹等强对流过程发生的大气变量扰动环境,包括数值模式预报产品中的扰动天气环境以及雷达回波和卫星云图演变对应的大气扰动风场变化特征.结果发现:开原单个龙卷与苏北多次单个龙卷发生的大气温压场扰动环境相似,发生地位于对流层上部下伸到地面的位势高度扰动槽线和近地面水平方向上冷暖温度扰动气团交界线附近,其冷暖扰动气团之间的强度对比较美国多龙卷爆发时的弱小.利用来自欧洲中期天气预报中心(ECMWF)模式产品和美国国家环境预报中心全球预报系统(NCEP/GFS)的实时分析资料进行扰动环流形势分析并与当地实况卫星云图和雷达回波相结合,可以从潜在趋势上定性地推断有利于强对流天气发展的位置.     

目标观测的方法、现状与发展展望

对所关注的自然界现象进行观测的策略方法,在地球科学中（主要与天气与气候预报、预测有关）被称为目标观测．本文首先回顾它的发展历史,然后介绍目前国际上目标观测所采用的主要方法;在对它们的优点与局限性进行评述的基础上,探讨了目标观测的理论基础．在介绍了国内外大气与海洋科学研究与应用中目标观测的现状后,着重讨论了其方法与效果的评价和检验问题．最后,给出了作者关于该领域进一步发展的展望,以及如何将目标观测方法拓展到处理数值模式误差方面的若干思考．     

CMAQ-MOS区域空气质量统计修正模型预报途径研究

通过分析2004年9月~2005年3月北京城市及远郊地区八个测点的大气污染观测资料, 揭示出城区尺度不同测点大气污染同步性与同位相时空变化特征, 并描述出采暖期与非采暖期大气污染物浓度存在源影响相关季节性显著差异, 城区与远郊测站大气污染物浓度亦表现出排放源影响相关显著的区域性特征, 即大气污染物浓度时空分布与排放源强度及其空间分布密切相关; 本文试验研究表明, 美国EPA新一代空气质量模式CMAQ对多类污染物不同尺度“面空间”分布及其变化倾向虽具有较强的预报能力, 但由于污染源时空特征十分复杂, 这是由于模式采用的平均源排放清单难以精细、客观描述预报区域不同尺度污染源强度的时空变化, CMAQ模式尚存在类似其他模式污染浓度预报量与实况相比明显偏低的“系统性”误差, 为了修正上述模式产品源排放清单产生的系统性预报偏差, 本文利用不同季节CMAQ模式产品与观测实况资料, 建立CMAQ-MOS区域空气质量统计修正预报模型, 并采用检验方法评估CMAQ-MOS方案预报能力, 提出采用CMAQ-MOS统计修正模型统计-动力相结合的空气质量预报新途径, 试验研究结果表明CMAQ-MOS方案可显著降低由于污染源影响不确定性产生的模式系统性预报误差, 明显提高了CMAQ模式空气质量预报水平, 本文亦提出了采用点-面结合预报思路, 即在大气污染具有同位相变化特征的“影响域”范围内, 用一个中心测点的CMAQ-MOS产品预报周边区域面上其他预报点的模式产品“再分析”场以及区域平均空气质量“面预报”方案.     

大气-海洋运动的可预报性:思考与展望

针对大气-海洋运动的可预报性,本文回顾了对可预报性概念的认识,讨论了更具一般意义的可预报性的定义.对不同时空尺度天气-气候事件的预报(预测),梳理出了可预报性研究中内禀可预报性上限(Intrinsic predictability limit,IPL)问题的一些未解难题.本文也讨论了初始误差的空间结构与模式参数误差,以及涉及的目标观测问题,给出了未来需要进一步探讨的重要问题.最后,针对业务预报中广泛应用的集合(概率)预报方法,讨论了集合预报-概率预报的可预报性问题及其研究的挑战性,并强调了在随机动力系统中考虑IPL问题的重要性.     

中国区域夏季再分析资料高空变量可信度的检验

利用全球探空资料(IGRA)对1989—2008年美国国家环境预报中心(NCEP)和大气研究中心(NCAR)再分析资料、NCEP和美国能源部(DOE)再分析资料、NCEP气候预测系统再分析资料(CFSR)、日本气象厅25年再分析资料(JRA-25)、欧洲数值预报中心再分析资料(ERA-Interim)和美国国家航空航天局(NASA)现代回顾性再分析资料(MERRA)的高空变量在中国地区对流层中高层的可信度进行了初步的检验.分析结果表明:再分析资料对中高层位势高度和温度的夏季平均气候态具有较好的再现能力,其EOF的时空变化特征与观测吻合也较好;再分析资料的绝对湿度值较观测结果要偏大,其中MERRA与观测最为接近.再分析资料不能很好地反映经向风的夏季平均气候态及年际变化特征,EOF的时空模态和观测偏离也较大.总体而言,NCEP/NCAR、NCEP/DOE及NCEP/CFSR对这些变量的再现能力较JRA-25、ERA-Interim和MERRA弱.     

天气尺度扰动流场对区域暴雨的指示能力

观测的大气流场可以物理分解为气候流场、行星尺度纬圈平均扰动流场和天气尺度扰动流场.低层大气的天气尺度扰动流场中的切变线、南方气旋、北方气旋、冷锋槽线、西南涡暖切变线、热带气旋、倒槽切变线、东风波切变线等对区域暴雨具有指示意义.扰动流场中的环流系统更适合天气分析的原理.中国的暴雨带多为扰动辐合线两侧气流对峙的结果.观测流场中,暴雨带出现在低空急流的左侧,是因为气候流场掩盖或削弱了天气尺度扰动流场的作用.对切变线暴雨,天气尺度扰动流场有99%的诊断能力,而原始流场只有66%的指示能力.     

西南区域持续性干旱事件的行星尺度和天气尺度扰动信号

以2009-2010年发生在中国西南地区的持续性干旱事件为例,通过干旱和大气变量的物理分解得到了一些干旱事件发生的新认识.气象干旱多为年循环的气候干季与干旱扰动的叠加所致.一次干旱扰动大约为30-50天,而一次持续性干旱事件是由几次干旱扰动组成的.大气高度场和风场中存在三种时间尺度的扰动.一种是年际行星尺度的大气扰动,与ENSO冷暖事件有关,起源于赤道并传播到中高纬度地区需要2-4年.另一种是季节内行星尺度的大气扰动,与来自赤道地区的30-50天振荡有关.此外,大气中还存在天气尺度的扰动.利用行星尺度大气扰动向赤道外传播与天气尺度扰动的叠加,区域持续性干旱事件能够找到前期预报信号.     

北京地区雷电灾害天气系统的动力-微物理-电过程观测研究

在国家"973"项目"雷电重大灾害天气系统的动力-微物理-电过程和成灾机理"(简称:雷暴973)资助下,2014~2018年连续五年在北京组织开展了雷电(也称闪电)灾害天气系统的暖季综合协同观测实验,旨在获得对北京及周边城市群区域的雷电天气系统特征和规律的实际认识,探索雷电资料在数值预报模式中的同化方法,以期改进雷电重大灾害天气系统的预报效果.主要观测设备包括:由16个子站构成的雷电(全闪)三维定位系统、2台X波段双线偏振多普勒雷达和4台激光雨滴谱仪等,协同观测还充分利用了中国气象局在京津冀地区的中尺度气象观测网.观测结果表明,受地形和环境条件影响,飑线和多单体雷暴是影响北京地区的两类主要的雷电灾害天气系统,它们除产生频繁的雷电活动外,还常伴随突发性局地短时强降水和冰雹,造成城区突发洪涝灾害.雷电密度的高值区位于北京昌平区东部、顺义区的中部和东部以及中心城区.超强雷暴(占总雷暴数的5%)、强雷暴(占比35%)和弱雷暴(占比60%)对总雷电分布的贡献分别为37%、56%和7%.北京城区的热岛效应对过境雷暴增强产生了重要作用,超强雷暴在中心城区的雷电频数可以高达每分钟数百次.雷电活动与雷暴云的热动力、微物理特征之间存在紧密联系,因此雷电频数可以作为冰雹、短时强降水等灾害性天气的指示因子.在对流可分辨数值预报模式中,建立并引入雷电资料同化方案,通过调整或修正模式的热动力和微物理参量,可明显提高模式对强对流和降水的预报效果.     

大气边界层研究进展

大气边界层对云和对流的发展、演变有重要作用.本文回顾了在大气边界层高度计算方法,边界层的时空分布特征、结构和发展机理,以及边界层参数化方案等方面的主要研究进展.大气边界层高度计算方法主要分为基于大气廓线观测数据计算和基于模式参数化方案计算两大类;大气边界层高度频率分布形态具有明显的日变化特征,并且稳定、中性和对流边界层...     

FGOALS－g快速耦合模式模拟的北太平洋年代际变率

本文分析了由中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG/IAP）最新发展的FGOALS_－g快速耦合模式300 a积分模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了北太平洋年代际变率的时空结构、主要年代际模态的演变特征以及与ENSO的联系等研究内容. 结果表明：该模式能成功模拟出北太平洋年代际变率的主要空间分布特征;模拟的年代际模态具有多时间尺度性,其中最显著的是周期约为10～20 a左右的准20年振荡模态,该模态上层海洋热容量异常的演变过程主要表现为大致沿副热带海洋涡旋做海盆尺度顺时针旋转的特征,相应的大气异常不仅与阿留申低压的变异有关,而且与太平洋-北美PNA）遥相关型以及上游的欧亚大气环流异常有密切关系;模拟的北太平洋年代际变率对年际ENSO循环的发生频率和强度有明显的调制作用. 但模拟的KOE区和阿拉斯加湾SST异常振幅比观测偏强,这与模式海冰偏多、高纬度SST偏冷的误差有关.     

一次暴雨过程中重力波参数演变特征的模拟结果

本文利用中尺度数值模式WRF对2003年7月4-5日淮河流域特大暴雨过程进行了数值模拟,并利用高时空分辨率模拟结果资料,提取了暴雨中心区大气重力波频率、周期、水平波长、垂直波长、水平相速和群速等特征参数,分析了暴雨过程中重力波参数随时间的演变特征.结果表明,对此次暴雨强降水过程影响较大的重力波主要是发展的中 α 尺度波和中 β 尺度波,暴雨后期随着重力波的频散,周期和水平波长有减小趋势,频率有增大趋势.非降水区的重力波参数特征和降水中心区有明显不同,大气中小振幅的中 α 尺度和中 β 尺度重力波是否发展和暴雨强降水的发生关系密切.     

基于非线性误差信息熵理论的大气多变量系统可预报性分析

基于非线性误差信息熵理论,通过分析非线性误差信息熵和气候态信息熵随时间演变规律,引进了定量估计大气多变量系统可预报性的联合可预报期限和单变量可预报期限,该期限既适合度量气候态信息熵为常值的可预报性,也适合气候态信息熵随时间变化的情形.利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,计算了非线性误差信息熵和气候态信息熵随时间演变以及相应的可预报期限,并对冬季大气500 hPa温度场、纬向风场和经向风场的各单变量可预报性和三变量联合可预报性进行了分析.结果表明:对于单变量可预报性来说,温度场和纬向风场的可预报性相对较大,经向风场最小,它们的可预报期限具有纬向带状分布特征,尤其是经向风场,其可预报期限在纬向上明显存在3条低值带和4条高值带;对于多变量联合可预报性来说,由于各变量之间相互联系,多变量联合可预报期限不是单变量可预报期限的简单平均或线性组合,其可小于所有单变量的可预报性期限,也可介于各单变量可预报期限之间,且这个特征具有非常明显的区域差异,不同区域具有不同的结果.     

FGOALS－g快速耦合模式模拟的北太平洋年代际变率

本文分析了由中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG/IAP）最新发展的FGOALS_－g快速耦合模式300 a积分模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了北太平洋年代际变率的时空结构、主要年代际模态的演变特征以及与ENSO的联系等研究内容. 结果表明：该模式能成功模拟出北太平洋年代际变率的主要空间分布特征;模拟的年代际模态具有多时间尺度性,其中最显著的是周期约为10～20 a左右的准20年振荡模态,该模态上层海洋热容量异常的演变过程主要表现为大致沿副热带海洋涡旋做海盆尺度顺时针旋转的特征,相应的大气异常不仅与阿留申低压的变异有关,而且与太平洋-北美PNA）遥相关型以及上游的欧亚大气环流异常有密切关系;模拟的北太平洋年代际变率对年际ENSO循环的发生频率和强度有明显的调制作用. 但模拟的KOE区和阿拉斯加湾SST异常振幅比观测偏强,这与模式海冰偏多、高纬度SST偏冷的误差有关.     

中国热浪事件的大气扰动结构及其稳定性分析

利用对流层至平流层大气变量的物理分解,本文发现400 hPa上的天气尺度温度扰动正值和250 hPa上的天气尺度高度扰动正值能够指示地面上的高温和热浪事件.理论和观测分析发现,当扰动静止波中心出现在40°N-45°N时,准静止波波长较长,影响范围大,持续时间久,容易在中国形成区域持续性热浪事件.在江南-华南、长江沿江及河套-华北的区域,干热浪事件静止波的稳定时间在6.5天以上.对流层大气天气尺度扰动波动在垂直方向具有倾斜特征,250 hPa高度上,静止波稳定位置比地面热浪区域中心普遍偏北6~12个纬距.在低纬度(副热带高压带南侧),大气中向西北方向移动的天气尺度扰动,只有到达副高脊线以北的西风带后,才能形成静止波.