克拉玛依大风数值预报中的重力波拖曳方案应用研究

新疆克拉玛依地区位于背风坡,长期受翻山气流形成的局地大风影响。该地区日常大风预报业务主要依托克拉玛依气象局的精细化数值预报系统,为进一步完善该系统的预报效果,本文开展了重力波拖曳参数化方案应用试验,对比分析了三组试验方案:不开启重力波拖曳、只开启外层区域重力波拖曳以及两重嵌套设置下均开启重力波拖曳的结果。试验结果表明:在克拉玛依大风预报个例中,对于山区地形背风坡处的克拉玛依站,不启动重力波拖曳会导致风速偏大和起风时间较早;开启外层重力波拖曳方案可以延迟克拉玛依站起风时间,两重区域均开启可以进一步延迟该站的起风时间,使起风时间更接近实况;对于非山区地形背风坡处的站点,在内层开启重力波拖曳会导致一定的负效果;对内层区域的统计检验结果表明不开启重力波拖曳,会使地形复杂区域风场预报存在一定的正偏差,在外层开启重力波拖曳会使正偏差有一定改善,而两重嵌套均开启重力波拖曳方案会导致非地形陡峭区域的负偏差增加。综合全区域内大风预报检验结果表明,只在外层开启重力波拖曳会获得最小的误差和较好的预报效果。     

Improved Wind and Precipitation Forecasts over South China Using a Modified Orographic Drag Parameterization Scheme

To improve the wind and precipitation forecasts over South China, a modified orographic drag parameterization(OP) scheme that considers both the gravity wave drag(GWD) and the mountain blocking drag(MBD) effects was implemented in the Global/Regional Assimilation and Prediction System Tropical Mesoscale Model(GRAPES-TMM). Simulations were performed over one month starting from 1200 UTC19 June 2013. The initial and lateral boundary conditions were obtained from the NCEP global forecast system output. The simulation results were compared among a control(CTL) experiment without the OP scheme, a GWDO experiment with the OP scheme that considers only the GWD effect, and an MBD experiment with the modified OP scheme(including both GWD and MBD). The simulation with the modified OP scheme successfully captured the main features of precipitation, including its distribution and intensity,and improved the wind circulation forecast in the lower troposphere. The modified OP scheme appears to improve the wind forecast by accelerating the ascending air motion and reinforcing the convergence in the rainfall area. Overall, the modified OP scheme exerts positive impacts on the forecast of large-scale atmospheric fields in South China.     

Multivariate Objective Analysis of Wind and Height Fields in the Tropics

ＭｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅＯｂｊｅｃｔｉｖｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＷｉｎｄａｎｄＨｅｉｇｈｔＦｉｅｌｄｓｉｎｔｈｅＴｒｏｐｉｃｓＳ．Ｋ．Ｓｉｎｈａ，Ｓ．Ｇ．ＮａｒｋｈｅｄｋａｒａｎｄＳ．Ｒａｊａｍａｎｉ（ＩｎｄｉａｎｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｒｏｐｉｃａｌ...     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

实时天气背景依赖的反射率因子间接同化及多暴雨个例试验

为避免直接同化时反射率非线性观测算子线性化带来的线性近似误差问题,目前许多研究和业务中还常采用间接同化方式来同化雷达反射率因子,其通过背景场温度判定水凝物类型及比例。基于一种实时天气背景依赖的雷达反射率因子间接同化方案,进行了4次暴雨过程（2次强对流,2次锋面）的循环同化及预报试验。结果表明:对于强对流暴雨个例,相对于传统温度判定方案,天气背景依赖方案的温度预报误差更小、降水预报评分更高,而对于锋面过程区别不明显;进一步机理分析表明,对于强对流暴雨个例,由于背景依赖方案在同化反射率因子时引入了实时天气背景信息,使得分析场水凝物结构能够更好表征实际对流特征且与其它模式变量更为协调,进而改善了模式预报的热、动力及水汽条件,从而改善了降雨预报效果;而锋面暴雨由浅对流过程占主导,水凝物以低层的雨水为主导,冰相水凝物对于该过程的影响较小,由于两种方案反演的雨水结构和量级均相似,因此降雨预报差异较小。     

云微物理方案参数扰动对华北“7.20”暴雨的 集合预报试验

基于WRF v4.0模式,选择Lin方案降水粒子(雨、雪和霰)谱截断参数和霰密度,在对流尺度下对"7.20"华北特大暴雨进行参数扰动集合预报试验。按照参数序列依次设置单/双/多截断参数组合、四参数组合和霰参数组合,对比分析其对降水和大气变量的预报技巧,及扰动影响的敏感性。结果表明,四参数组合明显降低了大暴雨空报概率,有效提升了500~925 hPa经向风和近地面温度场的离散度技巧;随组合中参数的增多,扰动对预报的整体影响依次增强,多截断参数组合对中低层水汽场和近地面温度的预报技巧均有所改善;其他组合存在离散度/降水预报负技巧等问题,四参数和多截断参数组合是更好的对流尺度云微物理方案参数扰动选择。     

Sensitivity of physical parameterizations on prediction of tropical cyclone Nargis over the Bay of Bengal using WRF model

Comprehensive sensitivity analyses on physical parameterization schemes of Weather Research Forecast (WRF-ARW core) model have been carried out for the prediction of track and intensity of tropical cyclones by taking the example of cyclone Nargis, which formed over the Bay of Bengal and hit Myanmar on 02 May 2008, causing widespread damages in terms of human and economic losses. The model performances are also evaluated with different initial conditions of 12?h intervals starting from the cyclogenesis to the near landfall time. The initial and boundary conditions for all the model simulations are drawn from the global operational analysis and forecast products of National Center for Environmental Prediction (NCEP-GFS) available for the public at 1° lon/lat resolution. The results of the sensitivity analyses indicate that a combination of non-local parabolic type exchange coefficient PBL scheme of Yonsei University (YSU), deep and shallow convection scheme with mass flux approach for cumulus parameterization (Kain-Fritsch), and NCEP operational cloud microphysics scheme with diagnostic mixed phase processes (Ferrier), predicts better track and intensity as compared against the Joint Typhoon Warning Center (JTWC) estimates. Further, the final choice of the physical parameterization schemes selected from the above sensitivity experiments is used for model integration with different initial conditions. The results reveal that the cyclone track, intensity and time of landfall are well simulated by the model with an average intensity error of about 8?hPa, maximum wind error of 12?m?s^?1and track error of 77?km. The simulations also show that the landfall time error and intensity error are decreasing with delayed initial condition, suggesting that the model forecast is more dependable when the cyclone approaches the coast. The distribution and intensity of rainfall are also well simulated by the model and comparable with the TRMM estimates.     

Tropical cyclone track and intensity prediction with a structure adjustable balanced vortex

A new Tropical Cyclone (TC) initialization method with the structure adjustable bogus vortex was applied to the forecasts of track, central pressure, and wind intensity for the 417 TCs observed in the Western North Pacific during the 3-year period of 2005–2007. In the simulations the Final Analyses (FNL) with 1° × 1° resolution of National Center for Environmental Prediction (NCEP) were incorporated as initial conditions. The present method was shown to produce improved forecasts over those without the TC initialization and those made by Regional Specialized Meteorological Center Tokyo. The average track (central pressure, wind intensity) errors were as small as 78.0 km (11.4 hPa, 4.9 m s^?1) and 139.9 km (12.4 hPa, 5.5 m s^?1) for 24-h and 48-h forecasts, respectively. It was found that the forecast errors are almost independent on the size and intensity of the observed TCs because the size and intensity of the bogus vortex can be adjusted to fit the best track data. The results of this study indicate that a bogus method is useful in predicting simultaneously the track, central pressure, and intensity with accuracy using a dynamical forecast model.     

广东省冬季逐日最低气温的预报方法

为了能结合数值预报产品做好广东省逐日最低气温的预报,利用1998~2007年冬季(11月~次年2月)美国NCEP/NCAR再分析资料和常规气象观测资料,选取20°~27.5°N,107.5°~117.5°E区域内的海平面气压、850 hPa温度、850 hPa相对湿度、850 hPa纬向风(u)、850 hPa经向风分量(v)和500hPa位势高度等6个要素作为预报因子,以韶关、梅州、广州、阳江、汕头等5个站分别作为广东5个部分的代表站,采用能选取"最优"因子的逐步回归方法建立5个代表站的11月~次年2月逐日的最低气温预报方程,并对预报方程进行检验。结果表明:采用逐步回归预报方法建立的广东省5个代表站的逐日最低气温预报方程具有一定的预报能力,但也存在预报结果比实况偏低的不足。     

锋面北侧冷气团中连续降雹环境场特征及成因

对2009年2月24日—3月5日我国南方锋面北侧冷气团中连续冰雹天气过程的环流形势和环境场特征及形成机理进行分析。此次冰雹过程是发生在我国南方典型的连阴雨天气形势背景下,欧亚中高纬度地区为两槽一脊形势,副热带高压偏强、中南半岛为低槽区,青藏高原有5次短波槽东移,中层700 hPa暖湿气流势力强盛。中层强西南暖湿气流在强锋区 (冷垫) 上抬升,形成我国南方典型的高架雷暴。高架雷暴的发生与中低层强温度锋区、中层700 hPa不低于20 m·s-1的西南急流、强风垂直切变、对流层中层较大的温度直减率、较低的0℃层高度 (4 km以下) 有关。     

昆明准静止锋的准地转Q矢量分析

应用Ｑ矢量理论,对１９９５年２月一次与云南寒潮天气过程有关的昆明准静止锋进行了诊断分析。结果表明：在８５０ｈＰａ上,云南东部地区存在明显的的非地转风辐合场,从而引起昆明准静止锋锋生;当７００ｈＰａ上Ｑ矢量锋生函数值增大,说明儿后冷空气加强,昆明准静止锋容易南下;低层Ｑ矢量辐合带与昆明准静止锋雨区有较好的对应关系。     

利用加密探测资料分析冷式切变线类大暴雨的动力结构

利用风廓线雷达、多普勒天气雷达、地面加密自动站和闪电定位仪等非常规观测资料,对发生在山东东南部沿海青岛的一次大暴雨天气的动力结构进行了分析,以探索如何综合应用新资料追踪暴雨的演变过程。结果表明:(1)此次大暴雨过程的影响系统是冷式切变线,冷空气从对流层低层入侵,切变线在850 hPa以下层次明显,地面冷锋逐渐演变为静止锋。(2)暴雨过程经历了两个强降雨和一个弱降雨时段,1小时30 mm以上的短历时强降雨发生在冷空气刚入侵阶段,并伴随雷电。(3)强降雨主要发生在925 hPa切变线附近,降雨分布在925 hPa切变线的东北风与850 hPa切变线的西南风叠置区域。大暴雨的分布与切变线走向基本一致。(4)在切变线移动和发展过程中,水平风有明显不同:冷空气刚影响时,对流层低层产生了明显的中尺度低压环流,是导致对流性短历时强降雨的关键因素;静止锋形成的时段内,从低层至高层,低压环流消失,代之以较强西南风与弱西北风之间的切变线;在静止锋维持的后期,低层和高层均转为西北风,仅在中层有西南风与偏北风之间的切变线,从而产生稳定性弱降雨。(5)风廓线对降雨的起止、盛衰有较强信号,风向风速自上而下顺序变化,当中层西南风风速增大且不断向下扩展,持续4 h后西南低空急流明显加强,当近地面转为东北风时,强降雨开始,强降雨阶段的显著特点是在风廓线雷达上表现为中低层强西北风和强西南风交替出现,降雨强度与交替的高度有关;当各层均转为稳定的西北风时预示降雨结束。     

北京对流性天气的高空气候背景分析

对流性天气的气候背景分析是临近预报的基础,是做好北京2008年奥运气象服务必不可少的准备工作。对北京地区暖季(5—9月)发生雷暴、冰雹、暴雨和大风4种对流天气当日08时高空探测资料(2002—2005年)的压、温、湿、风等气象参数进行气候统计和分析,并与气候平均值进行比较,以揭示发生对流天气的环境条件及规律,为预报业务提供参考。结果表明:4种对流天气日所在各月高空要素均表现出比较典型的特征;500 hPa急流和对流产生有一定的对应关系:急流存在时,容易产生对流性天气,且雷暴、大风、暴雨甚至冰雹同时发生的概率增大;对流性天气过程与风向垂直切变有很好的对应关系,强雷暴、冰雹、暴雨和大风4种对流日500 hPa以下出现顺转平均发生率为84.2%。风向较强的逆转常常发生混合性对流天气,且逆转高度越高、对流越强。整层顺转容易发生多站暴雨,但雷暴发生较少。     

东北冷涡诱发的一次连续强风暴环境条件分析

从深对流发展必须满足的对流层低层有足够强的湿层、层结不稳定和足够强的触发机制出发,对2002年7月11～15日由东北冷涡诱发的一次连续强风暴生成的环境条件进行了诊断分析。结果表明:低层暖湿条件是冷涡强对流预报的关键,强大的冷涡由于冷性层结深厚难以诱发强的对流性天气,而其分裂的次涡度中心或弱的冷性低涡配合低层暖湿气流常常产生突发性强对流性天气;强的风垂直切变引发的斜压不稳定和垂直运动是强对流触发和维持的重要条件,风暴发生前边界层到500 hPa风向随高度顺转超过90°,随着对流性天气的发展,850 hPa以上风垂直切变逐渐减小,而850 hPa以下可能受低层冷丘产生中高压的影响,切变有增大的趋势;冷涡诱发的强对流性天气常常位于高空急流出口区左侧,但在实际预报业务中需要配合散度场来进行综合判断。     

C波段雷达反射率因子在CMA-GD模式中的应用

使用CMA-GD模式及云分析系统,引入云南C波段多普勒雷达反射率因子资料,对2019年7月9日过程进行模拟试验,分析引入反射率资料对模式初始场和降水过程预报的影响。（1）引入反射率后,云中和底部的云量有所增加。水汽在900～200 hPa有大范围增加,能有效地调整降水区域的水汽分布。对模式顶层温度的调整较大,而对风场的影响较小。（2）引入反射率后,对3 h内降水强度及落区有较大改善,4～6 h的预报有所改善,7 h以后改善不明显。（3）引入反射率资料后,1～4 h大气可降水量增量较明显,5～9 h增量较前4 h明显减小。（4）在河口上空云水和水汽在950～400 hPa增加,霰、云冰和云雪在600～400 hPa增加,雨滴在1 000～500 hPa增加。水凝物增加,有利于河口站降水的发生。     

热带气候风场的傅立叶分析方案及试验

给出了热带气候风场V-的一个傅立叶分析方案。对热带（30°S～30°N）区域1月850hPa气候风场V-的试分析结果表明：V-具有低维、低阶特征,｜m｜=0,4的9个低波数分量共拟合了V-模方的92.4%。0波分量V-0最重要,拟合了V-模方的56.4%,它主要给出了纬向平均信风带结构特征。定常波（V-＊）拟合了V-模方的43.6%,也具有低维、低阶特征,｜m｜=1,4的8个低波数分量拟合了V-＊模方的82.6%,由它们构成的定常波合成风场V-4＊与V-＊的相似系数高达0.909,它给出了V-＊的主要环流系统。因此,傅立叶分析方法是分析热带气候风场的一种有效方法。     

Rossby波列传播效应在梅汛期强降雨中期预报中的应用研究

根据1981-2010年30年梅汛期(6-7月)46个代表站的逐日实测降雨量和NCEP再分析资料,统计归纳出强降雨天气气候特征;通过对大量历史个例的总结,对影响江淮流域强降雨的500hPa主要环流特征和影响系统、850hPa风场等分布特征进行了综合分析,提出了强降雨的概念模型和中期预报着眼点。针对近30年来出现的10次长持续性强降雨天气过程,进行了Rossby波的下游效应分析,得出Rossby波列自西向东明显传播将有利于江淮流域出现持续性强降雨天气过程。Rossby波能量的下游效应可为中期预报提供新的思路。     

XJ-RUCv1.0系统不同边界层方案对地面气象要素预报的影响初探

基于沙漠绿洲戈壁区域同化预报系统（Desert Oasis Gobi Regional Assimilation Forecast System,简称DOGRAFSv1.0）不同边界层方案（YSU,ACM2）对2013年1月和7月的预报结果和实况资料,利用客观检验方法,初步探究不同边界层方案对地面气象要素预报的影响,结果表明：ACM2方案对地面气象要素预报效果总体优于YSU方案,尤其对1月份ACM2方案预报结果优势显著;对于2 m温度,ACM2方案对低温预报偏高的问题有一定改善,但对高温预报偏低的问题有所加重;对于10 m风速,ACM2方案的预报误差明显低于YSU方案;对于降水,ACM2方案在一定程度上改善了1月漏报和空报的问题,但对7月改进不明显,这主要由于ACM2方案在稳定或中性层结下采用的局地闭合算法削弱了边界层顶卷挟和边界层内混合作用,进而抑制了边界层物理过程与对流过程的耦合作用。     

渤海西岸一次极端大风的特征和成因分析

利用NCEP-FNL资料、FY-4卫星红外云图资料、雷达资料和自动站资料,对2021年4月15日渤海西岸由大尺度冷空气和中尺度对流系统共同作用形成的极端大风进行特征和成因分析。结果表明：(1)FY-4卫星红外云图云顶亮温表现出指状特征,雷达反射率因子表现为两个弱回波带在渤海西岸合并加强为一条带状回波,随着系统东移由带状回波演变为弓状回波。(2)上冷下暖的不稳定层结为锋面触发对流提供有利环境条件,在径向速度图上出现较大范围速度模糊和中层径向辐合。(3)此次大风过程具有雷暴大风和冷空气大风混合的大风特征,大风成因是由大尺度冷空气产生的动量下传、大尺度变压风、梯度风以及中尺度雷暴冷池出流共同导致的。     

华南锋面和季风降水环流特征及加热结构对比分析

选取华南2017年5月15日两段不同系统影响的典型个例降水,基于ERA Interim分析资料和地面、雷达等观测资料,从两类降水的大尺度环境及中尺度特征方面探讨了两类降水系统的差异,并利用模式潜热廓线订正方案对两类降水个例的潜热进行反演。结果表明,季风降水主要受偏南风影响,边界层内强辐合、高温高湿,中高层（600~150 hPa）较强辐散,而锋面降水受低层锋面系统影响,对流层低层强辐合,800~300 hPa较强辐散,水汽输送深厚,斜压性结构明显,且垂直运动剧烈。除两者的辐合辐散中心、正涡度的中心以及水汽通量辐合中心和垂直运动大值中心所在的层次明显不同外,其强度也差别较明显,就垂直运动而言,锋面降水的最大值达-1.2 hPa/s,远远大于季风降水（-0.2 Pa/s）。两者的中尺度特征和加热结构也存在显著差异,季风降水中尺度雨团沿海岸线自西向东移动发展,潜热加热中心为单峰值,位于5~6 km;锋面降水中尺度雨团在一条西南-东北走向的雨带上不断向东南方向合并发展,潜热加热中心有两个,分别位于1~2 km和6~7 km。