闪电资料在快速更新同化系统中的应用研究

为了更好地应用闪电观测资料,在华中区域快速更新循环同化系统中引入适用于本地的闪电定位资料与代理回波特征的转换关系,并开展了相应的同化应用研究.针对2015年6月1日发生在湖北监利的一次强降水过程,开展了利用新、旧闪电-代理回波的对比同化试验,重点分析了引入新的闪电-代理回波转换关系对模式计算的雷达反射率、云微物理变量和...     

地面观测资料同化在GRAPES模式中的应用研究

本文运用GRAPES_Meso业务模式(3.1版)通过四个同化地面不同观测要素方案及没有同化任何地面要素的控制试验对2012年7月初发生在四川的一次降水过程做了数值模拟,结果表明:五个模拟方案对不同区域不同量级的降水皆存在不同程度的空报和漏报现象,空报和漏报相对较严重的是控制试验和同化水平风场的同化方案,随着预报时效的增加各方案模拟可信度减小;四个同化方案的同化作用随着预报时效的增加表现出不稳定,相对较稳定的是同化所有地面观测要素的方案;在模式初期和后期,同化作用表现相对明显的是同化所有地面观测要素的方案,只同化水平风场的方案同化作用较小,同化中期各同化方案同化作用皆不稳定;随着预报时效的增加,几个模拟方案之间的差异程度越来越小,但同实况间的差异越来越大。     

地面观测资料在快速更新同化系统中的敏感性试验

通过对2011年7月31日发生在上海的局地强对流过程,利用快速更新同化系统(SMS-WARR),设计了四个试验,对地面观测资料(常规地面观测资料、加密自动气象站资料)进行敏感性数值试验。结果表明:不同地面观测资料同化对模式初始场的调整作用不同,地面观测资料的疏密影响模式初始场预报,加密自动站气象资料同化对初始温度场、风场的影响最明显;所有试验中,同化所有观测资料的模式能较好地模拟出此次强降水过程,且模拟的地面温度场、风场以及辐合线的演变与实况基本一致;通过分析、比较各试验初始场和预报结果的影响发现,同化所有地面观测资料能改善模式的初值,且观测资料通过循环同化的方式融合进模式,提高了模式对强对流中尺度结构特征的刻画,改善了对局地强对流天气系统的预报效果。     

雷达反演潜热在华南区域数值模式汛期短时临近降水预报的应用试验

为了评估潜热对短临降水预报的影响,基于雷达反演潜热的基础上,以2014年3月30日的强降水个例和2013年5月的31天为样本,进行了初值有无引入潜热释放引起位温增量的批量试验。(1)强降水个例模拟试验发现,初值引进潜热后预报的12 h累积降水中心与实况一致,预报的前4 h雷达反射率从范围、强度上更接近观测的反射率,逐小时TS比无潜热试验要高。(2)诊断分析表明模式初值引进潜热后,调整降水区域上空大气的温度结构,订正或加强次级环流,触发对流不稳定能量释放,利于成云致雨。(3)批量对比试验反映初值潜热对前12 h逐时降水预报一直保持正影响。      

神经网络方法在静止卫星多通道资料估算降水中的应用

使用人工神经网络 (ANN)模型探讨了利用静止卫星多通道资料估算地面降水的一种新方法 ,对淮河和长江典型区域 (2 4～ 3 6°N ,1 0 8°E以东 )一次暴雨过程的卫星遥感数据和地面水文站逐时降水资料的应用分析表明 ,该方法提供的客观定量的降水量估算的平均相关系数为 0 57,较现行业务使用的方法效果更佳     

卫星气象资料在地面观测中的应用

测报是预报的基础，测报的质量直接关系到天气预报是否准确。目前PC-VSAT小站均配备到了县级观测站，因此，各地观测站都能通过小站接受到气象卫星下发的丰富的气象信息，如高空、地面常规资料，FY-2C卫星云图，欧洲中心、日本数值中心的数值预报产品，T213数值预报产品等。如果观测员能有效利用这些资料，在每次观测前对影响本地区的天气系统进行跟踪了解，将会大大提高测报技术质量。     

地面观测资料同化初步研究

通过对比分析当前两种地面观测资料同化方案(Ruggiero方案和郭永润方案),对其优缺点进行初步分析研究。结果表明:两种同化方案同化地面观测资料后都是从模式低层到高层对分析场产生影响,中低层高度影响比较大,高层影响较小,并且对24 h模拟结果产生一定的影响。Ruggiero方案考虑了模式地形与观测站地形高度差异,但资料剔除较多,且模式分辨率越高,资料剔除对分析场的影响越明显。郭永润方案不考虑模式地形与观测站地形高度差异,假定所有地面观测资料位于模式面,因此无论模式分辨率如何,资料都能得到充分利用,但模式地形与实际观测站地形高度差异大小在地面观测资料同化分析中的影响不可忽略,因此郭永润方案有待改进,适当考虑这两种地形高度差异时效果更好。     

多重网格方法在资料同化中的应用

多重网格方法通过在疏密不同的网格层上进行迭代，以平滑不同频率的误差分量。具有收敛速度快、精度高等优点，是现有计算工作量最少的算法之一。文章介绍了多重网格方法的原理和具体实现方案，将其用于卫星云图资料的变分同化中，并与超松弛迭代法作了比较。结果表明采用多重网格法，有助于提高同化效率。     

相似方法在夏季降水预报中的应用

以短期降水为研究对象,利用Ｔ１０６资料提供的７００ｈＰａ高度场和８５０ｈＰａθｓｅ场格点资料,计算欧氏距离找相似的方法,实现了２４、４８ｈ２１个市（县）夏季降水预报的自动化。经检验达到一定的精度,可成为日常预报的参考工具。     

地面观测资料在西南地区数值预报中的敏感性试验

利用3.0版的GRAPES同化系统,针对西南地区2005年7月的夏季降水,开展地面观测资料的同化敏感性试验,对整月天气进行了每日一次的48小时预报,并对该月发生在川渝地区"7.8"大暴雨过程进行对比分析.试验结果表明,在地形复杂的西南地区,利用等压面的GRAPES 3DVAR同化系统同化地面观测资料对降水预报的影响随进入同化系统的地面观测资料疏密程度和同化内容的不同而不同;当模式采用较高分辨率时,同化的地面观测资料越多,对降水预报的改善作用越明显;同化地面观测资料的风速信息可以降低降水预报的空报率,但对漏报率和TS评分改善作用不明显;在几种同化方案中,利用GRAPES 3DVAR同化系统同化地面观测资料的相对湿度和位势高度信息,对降水预报的改善效果最明显.     

太平洋潜热通量及其与黄淮夏季降水的关系

研究了1979—2010年太平洋潜热通量的变化特征及其与中国黄淮夏季降水的关系。结果表明,潜热通量的气候场和方差场均存在着明显的季节变化,且各季节气候场的极值中心也是变化幅度较大的区域。黄淮地区降水与前期春季的潜热场相关性最好。定义了黄淮夏季降水指数来研究影响降水的潜热场关键区,发现春季潜热关键区为10°~20°N之间的中东太平洋和热带东太平洋沿岸海区。春季当上述两个海区净潜热通量增多时,后期夏季500hPa和850hPa位势高度异常场中,在太平洋西海岸-阿拉斯加南部一线上均表现为"正—负—正"的分布型,黄淮降水偏多。     

综合指标方法在降水分级预报中的应用

利用１９９５年１月～１９９７年１２月国家气象中心的Ｔ１０６分析场资料,采用因子组合、相关分析等手段,确定与降水关系密切,且有、无雨分类较明确的物理量因子,将样本内每个因子由小到大排列后分段,计算各段上的降水频率,根据各物理量对降水贡献的大小,确定各因子的权重系数,将每个样本中的所有因子所在地庆的降水频率加权累加,得到一个综合降水频率值,通过历史拟合,确定降水ＴＳ评分最大的降水频率值为综合预报指标分     

用一种新的同化方法同化降水量资料

Observations of accumulated precipitation are extremely valuable for effectively improving rainfall analysis and forecast. It is, however, difficult to use such observations directly through sequential assimilation methods, such as three-dimensional variational data assimilation or an Ensemble Kalman Filter. In this study, the authors illustrate a new approach that makes effective use of precipitation data to improve rainfall forecast. The new method directly obtains an optimal solution in a reduced space by fitting observations with historical time series generated by the model; it also avoids the implementation of tangent linear model and its adjoint. A lot of historical samples are produced as the ensemble of precipitation observations with the fully nonlinear forecast model. The results show that the new approach is capable of extracting information from precipitation observations to improve the analysis and forecast. This method provides comparable performance with the standard four- dimensional variational data assimilation at a much lower computational cost.     

同化风廓线雷达资料对浙江降水预报改进评估

采用中尺度模式WRF和美国俄克拉荷马大学风暴分析预测中心的资料同化系统开展中国东部地区35部风廓线雷达资料同化试验研究,在同化1 h平均采样产品前,对其进行气候极值检查、一致性检查、垂直稀疏化等质量控制,选取2014年5月16-17日暴雨过程评估同化风廓线雷达资料对降水预报的影响,探讨其对初始场改进作用,之后,通过批量试验再次确认同化风廓线雷达资料可有效提高降水预报能力。个例同化试验对比分析表明:同化风廓线雷达资料后,暴雨区及其上游地区850 hPa的风速增强20%~30%,水汽通量增加30%~50%,大气层结不稳定性增强,小雨和大雨TS评分分别提高0.06和0.07,暴雨漏报率和空报率分别降低0.04和0.05,降水预报得到改进。     

南疆夏季降水异常的环流和青藏高原地表潜热通量特征分析

利用1980—2004年NCEP/DOE新再分析月平均资料及我国225个测站1980—2004年月降水量资料,通过诊断分析,研究了南疆夏季降水异常的环流和高原地表潜热通量特征。结果表明:南疆夏季降水偏少年,南亚高压西部偏强,西风急流位置偏北,500 hPa中高纬环流经向度减弱,伊朗高压偏北、偏东,西太平洋副热带高压偏西、偏南;降水偏多年则相反。南疆夏季降水偏少年,高原北部和南疆地区为下沉的垂直环流距平,Ferrell环流增强;降水偏多年则相反。南疆夏季降水偏少年和偏多年的前期冬春季开始孟加拉湾、青藏高原和南疆地区地表潜热通量具有相反的变化,南疆夏季降水与高原北部地表潜热通量呈显著正相关,与南部地表潜热通量呈反相关关系。     

光流法在强降水过程预报检验中的应用

光流法是运动图像分析的重要方法,主要用于确定目标的运动信息。数值模式产生的格点化的要素预报场,也是一种图像,应用于图像分析的光流法可以用到数值模式检验领域。本文在数值模式强降水过程预报检验领域引入了光流检验方法,首先利用理论模拟对光流检验方法的原理进行了阐述,然后通过对3种不同类型强降水过程中ECMWF和T639模式的24h降水预报进行检验,分析了光流检验方法在强降水过程预报检验中的实际应用。结果表明:1利用光流检验方法可以将数值模式的预报误差分解为强度、位移和角度3种误差场,从而实现对数值模式强降水预报误差的精确量化分析。2通过对梅雨锋、西南涡、台风等3种不同类型强降水过程进行光流检验方法的应用,可以发现,不同数值模式对同一次降水过程的预报在强度、位移、角度误差方面一般表现不同,光流检验结果在反映不同模式对降水预报的强弱、雨带偏移的角度和距离差异方面具有较高的参考价值。     

梅雨锋暴雨过程潜热及反馈机理个例分析

在对2003年6月24~25日的一次江南北部梅雨锋暴雨过程进行合理模拟的基础上,应用模式输出资料,系统分析了暴雨过程中大尺度稳定凝结加热(Hs)及对流凝结加热(Hc)的时空分布特点以及其潜热在暴雨过程中的反馈作用。研究表明在这次暴雨过程中,主要以Hc为主,平均的Hs、Hc均主要分布在900~250 hPa,最大值位于400 hPa附近;在暴雨发展过程中,Hs、Hc随暴雨的增大而增大,且加热层次不断加深;去除潜热的“干”敏感性试验表明,潜热释放加热了深厚的大气层,使得高层加压辐散,暴雨北侧高空西北急流加强,低层减压辐合,暴雨南侧的低空西南急流加强,同时使得低层的切变线得以维持加强。     

EMD在广西季节降水预报中的应用

气候系统是一种耗散的、具有多个不稳定源的非线性、非平稳系统。该文利用支持向量机(SVM)算法在处理非线性问题中的优越性和经验模态分解(EMD)算法在处理非平稳信号中的优势,采用将EMD与SVM相结合的短期气候预测方法,并应用到广西季节降水预报中。选取广西88个气象观测站1957—2005年6—8月逐年降水量的距平百分率序列作为试验数据,通过EMD算法将标准化处理后的距平百分率序列分解成多个本征模态函数(IMF)分量和一个趋势分量,在分解中针对EMD算法存在的端点极值问题选择两种方法分别进行处理,对比得出极值延拓法效果更好。对每个分量构建不同的SVM模型进行预测,并通过重构形成最后的预测结果。试验中采用不经EMD处理的反向传播(BP)神经网络和SVM算法进行对比验证,结果表明:相对于直接预测方法,该文提出的方案均方误差最小,能够较为准确地反映出降水序列未来几年的变化趋势,具有更高的预测精度和较好的推广前景。     

Simulation of the Microphysical Processes and Effect of Latent Heat on a Heavy Rainfall Event in Beijing

An extraordinary rainstorm that occurred in Beijing on 21 July 2012 was simulated using the Weather Research and Forecasting model. The results showed that：（1） The two precipitation phases were based on a combination of cold cloud processes and warm cloud processes. The accumulated conversion amount and conversion rate of microphysical processes in the warm-area phase were all much larger than those in the cold front phase.（2） 72.6% of rainwater was from the warm-area phase. Rainwater mainly came from the melting of graupel and the melting of snow, while the accretion of cloud water by rain ranked second.（3） The net heating rate with height appeared as an overall warming with two strong heating centers in the lower and middle layers of the troposphere and a minimum heating center around the melting layer. The net heating effect in the warm-area phase was stronger than that in the cold front phase.（4） Warm cloud processes contributed most to latent heat release, and the thermal effect of cold cloud processes on the storm in the cold front phase was enhanced compared to that in the warm-area phase.（5） The melting of graupel and snow contributed most to latent heat absorption, and the effect of the evaporation of rainwater was significantly reduced in the cold front phase.     

Utility of Assimilating Surface Radiometric Temperature Observations for Evaporative Fraction and Heat Transfer Coefficient Retrieval

Recent advances in land data assimilation have yielded variational smoother techniques designed to solve the surface energy balance based on remote observations of surface radiometric temperature. These approaches have a number of potential advantages over existing diagnostic models, including the ability to make energy flux predictions between observation times and reduced requirements for ancillary parameter estimation. Here, the performance of a recently developed variational smoother approach is examined in detail over a range of vegetative and hydrological conditions in the southern U.S.A. during the middle part of the growing season. Smoother results are compared with flux tower observations and energy balance predictions obtained from the two-source energy balance model (TSM). The variational approach demonstrates promise for flux retrievals at dry and lightly vegetated sites. However, results suggest that the simultaneous retrieval of both evaporative fraction and turbulent transfer coefficients by the variational approach will be difficult for wet and/or heavily vegetated land surfaces. Additional land surface information (e.g. leaf area index (L_AI) or the rough specification of evaporative fraction bounds) will be required to ensure robust predictions under such conditions. The single-source nature of the variational approach also hampers the physical interpretation of turbulent transfer coefficient retrievals. Intercomparisons between energy flux predictions from the variational approach and the purely diagnostic TSM demonstrate that the relative accuracy of each approach is contingent on surface conditions and the accuracy with which L_AI values required by the TSM can be estimated.