基于集合预报的淮河流域洪水预报研究

基于空间分辨率90 m×90 m的湖北荆门漳河水库数字高程模型（DEM）地形数据,并从2012-2015年选取了20场洪水过程（其中16场用于模拟,4场用于检验）,将华中区域数值天气预报业务模式WRF提供的三重嵌套空间分辨率3 km×3 km、9 km×9 km和27 km×27 km预报降雨与集总式新安江模型以及半分布式水文模型Topmodel耦合进行洪水预报试验。通过对比试验得到以下结论：当流域降雨的时、空分布比较均匀时,集总式新安江模型可以较准确地预报出洪峰流量和峰现时间,而当降雨时、空分布差异较大时,预报误差也会随之增大。基于DEM数据建立的Topmodel模型可以反映不同降雨时、空分布下洪水预报结果的差异,试验结果表明,3 km×3 km和9 km×9 km洪水预报的输出结果比较接近,且在确定性系数和洪峰相对误差上要优于27 km×27 km的洪水预报结果,而在峰现时差的预报上,则是27 km×27 km的洪水预报结果与实测较吻合。通过研究还发现,虽然当流域降雨的时、空分布存在一定差异时,3种空间分辨率的WRF预报降雨均无法预报出与实测一致的降雨分布,但是在某些情况下,当降雨的时间分布误差和空间分布误差相抵消时,仍然可以得到较为准确的洪水预报结果。因此,高时、空分辨率的模式预报降雨并不一定就能对洪水预报结果产生正贡献,需要通过反复尝试寻找水文模型和数值模式耦合的最佳时、空分辨率。     

气象水文模型耦合研究及在西苕溪流域的模拟试验

为了提高洪水预报的精度,延长洪水预见期,利用WRF模式和HEC-HMS水文模型对太湖西苕溪流域2009年8月的一次典型暴雨洪水过程进行了降雨模拟和流量耦合预报,并与实测降雨和径流过程进行了对比分析。(1) WRF模式能够较好模拟出位于天目山的强降水中心,位置较实况略偏北;预报子流域面雨量时空分布与实况较一致,定量检验合格率达50%左右。(2) HEC-HMS模型对西苕溪流域日径流过程和场降雨洪水过程均有较好的模拟效果,模型参数验证和率定期间,确定性系数、洪峰流量相对误差和峰现时差等指标均小于业务预报许可误差。(3) 采用单向耦合法,将WRF模式(5 km网格)48 h预见期的滚动预报降雨场输入HEC-HMS水文模型进行流量滚动预报,耦合预报结果明显优于不考虑预见期内降雨的传统预报方法,在保证精度的前提下,有效延长了洪水预见期。      

基于WRF模式的雷电潜势预报

用WRF模式对发生在南京市区的两次雷电过程进行了模拟,提取两次模拟过程在南京范围内的格点数据,分别做雷电潜势预报模型建模和检验两组样品。利用江苏省地闪定位资料作参考,选出49个对雷电单体形成有重要影响并且在两组样品中的平均值比较接近的强对流参数进行建模。利用建模样本对预报因子与变量进行多分类Logistic逐步回归统计分析,确定4个对流参数建立Logistic雷电预报模型,最终利用检验样品对预报模型的预报效果进行了检验。结果表明:WRF模式模拟出的强回波区域的形状和面积与实况的相似度较高,但与实况相比,整体向东北方向偏移。考虑此偏差后,建立的雷电预报模型的准确率达到67.32%,技巧评分达到0.466,具有较好的预报效果。WRF模式高时空分辨率的特点,使得其对雷电发生前的气象要素资料的获取更加精确,因此增加模式模拟的精确度,可进一步地提高利用WRF模式进行雷电预警的效果。     

WRF模式中的微物理过程及其预报对比试验

WRF(Weather Research Forecast)模式系统是由许多美国研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度同化预报系统。本文主要对公开发布的WRF模式V2.0版本中使用的微物理过程方案进行简单介绍,并在国家气象中心建立的与T213中期预报模式相嵌套的预报系统的基础上,对不同微物理过程方案进行了降水预报对比试验和检验,对各方案的降水预报性能进行初步评估。试验结果表明,总体预报效果LIN方案较好,而对流参数化方案从降水落区预报和对流降水对总降水的贡献两方面看则是KF和NKF方案的预报效果较好。     

1998年宜昌水文站水文气象耦合预报试验结果

为检验是否考虑预见期降雨对水情预报的影响,选取长江上游1998年6月28日至7月2日和8月2～7日两次典型暴雨洪水事件,在作宜昌水文站洪峰流量预报时,将预见期降雨预报应用到水文模型之中,尝试进行水文气象耦会预报试验;其中降雨量由常规降雨预报和气象模型（HIRLAM）定量预报两种方法获得,对宜昌流量预报采用三峡区间降雨径流方案。经试验发现：若预见期发生强降雨天气过程,考虑预见期降雨比不考虑的水情预报效果要好。     

气象水文耦合的洪水预报研究进展

从洪水预报中定量降水预报应用进展、面向洪水预报的流域水文模型研究进展、气象水文耦合预报不确定性研究进展三个方面系统介绍气象水文耦合的洪水预报研究进展。研究指出,融合预报员预报的格点化定量降水预报技术是提高面向洪水预报的流域降水预报精度的重要方法,中尺度集合预报技术是提升流域局地性强降水预报能力的主要途径;概念性与物理性相结合的分布式水文模型是面向洪水预报的流域水文模型发展方向;水文集合预报是考虑气象水文单向耦合预报不确定性有效解决技术,贝叶斯系列模型可为分析气象水文预报不确定性提供重要的借鉴意义。     

WRF模式对弱强迫系统中雷暴预报个例研究

用WRF2．2版本,针对2006年7月13日洛阳市区,发生在副高边缘偏东南暖湿气流中的雷暴进行了模拟预报,结果表明WRF模式能描述弱强迫天气尺度系统中的中小尺度对流系统,能捕捉到常规天气图上难以分辨出来的雷暴单体。模式输出的中尺度要素场可以确定雷暴发生的地点;模式探空的对流有效位能、抬升指数、沙瓦特指数、K指数随时间演变曲线的拐点,能指示雷暴发生的时间。个例分析表明WRF模式在预报弱强迫天气系统雷暴时具有较好的性能,用WRF模式来作雷暴的分析预报早一条可行的徐径。     

WRF模式对江苏如东地区风速预报的检验分析

探讨了WRF模式在风电场的风速或者功率预报中应用的可行性, 主要研究和评估了WRF模式对地处东亚季风区及海陆交界的江苏如东地区夏季和冬季风速的短期预报效能。研究发现WRF模式可以比较好地预报如东站冬季的风速, 24 h预报的风速时间序列和观测资料的相关系数可以达到0.61, 通过置信度99%的检验, 48 h和72 h的预报与观测风速相关系数分别为0.54和0.47, 也能通过置信度99%的检验;相对而言, 模式对夏季风速的预报则要差一些, 24 h的相关系数有0.59, 48 h和72 h的相关系数只有0.47和0.30, 但仍能通过置信度99%的检验。在量值上, 模式预报的风速比观测值都略偏大一些。而江苏南通市预报结果显示, 模式的预报效能要比如东稍高一些, 和如东类似, 模式对该地冬季的预报要好于对夏季风速的预报。从更大尺度范围的分析也表明, 模式对不同地区预报的准确度是不一样的, 对海面以及海陆交界的海岸预报精度要高一些, 在平坦的内陆地区预报也比较好, 但在山区预报效能则较差。总体说来, WRF能胜任风速短期预报, 值得进一步研究和应用。     

水文气象预报研究述评

简述了水文预报及水文模型、面雨量的计算及应用和水文气象耦合预报方面的研究工作。数值天气预报模式与流域水文模型的耦合,既可提高短、中、长期水文预报预警预见期,又为数值预报模式提供较为科学的陆面过程方案,改善数值天气预报模式预报性能,这种耦合研究,成为了水文气象预报研究的重点方向。

     

水文气象预报研究述评

简述了水文预报及水文模型、面雨量的计算及应用和水文气象耦合预报方面的研究工作。数值天气预报模式与流域水文模型的耦合，既可提高短、中、长期水文预报预警预见期，又为数值预报模式提供较为科学的陆面过程方案，改善数值天气预报模式预报性能，这种耦合研究，成为了水文气象预报研究的重点方向。     

西安市日最大电力负荷率与气象因子相关关系分析预报模型的建立

基于西安市2010—2013年逐日最大电力负荷和同期的气象资料,分析了日最大电力负荷的变化规律,利用最小二乘法,除去日最大负荷的节假日效应和周末效应后,将气象负荷从日最大电力负荷中分离出来,建立西安气象负荷率与气温、相对湿度、总云量、降水量、风速的相关关系,并基于2010—2012年的11月—次年2月和6—8月的资料,分别采用逐步回归、多元线性回归和BP神经网络方法建立最大气象负荷和主要气象影响因子之间的预报模型,将2013年对应时间的日最大气象负荷率作为预报效果的独立样本检验。结果显示:2010—2013年西安的日最大电荷存在明显的增长趋势,且存在明显的周末效应和节假日效应;气温是影响气象负荷率的最显著因子,引入温湿指数(THI)的BP神经网络算法对气象负荷率的拟合和预测效果最优。     

WRF4.0模式陆气耦合对不同物理参数化方案的敏感性初探

模式的不同参数化方案会对模拟的天气和气候产生影响,但如何影响陆气耦合还不是很清楚。利用WRF 4.0模式设计了一组16种不同参数化方案组合的集合试验,对华北地区2013年夏季气候进行模拟。结果表明,不同积云对流参数化方案对模拟的降水平均态影响较大,其次是短波辐射方案,而微物理方案影响较小。进一步利用潜热通量(LH,Latent Heat flux)和土壤湿度(SM,Soil Moisture)、抬升凝结高度(LCL,Lifting Condensation Level)的相关系数R_(SM,LH)和R_(LH,LCL)表征陆气耦合过程,评估了陆气耦合对不同参数化方案的敏感性。模式模拟的R_(SM,LH)在不同区域随着平均降水、相对湿度的增加以及平均短波辐射的减少而减小,而R_(LH,LCL)的变化正好相反。它们内在的物理机制类似,与气候态的干湿变化密切相关,即随着土壤湿度趋于饱和,蒸散发过程逐渐受太阳辐射的限制,陆面对大气的影响减弱。另外,陆气耦合强度受积云对流方案、微物理方案和短波辐射方案的影响而产生差别,这与不同参数化方案模拟的气候态的不同密切相关,因此本研究对于WRF 4.0模式中参数化方案特别是积云对流方案的选择同样有着重要的指导意义。     

基于中尺度模式MM5下的海洋蒸发波导预报研究

蒸发波导是发牛在海气边界层的一种异常折射现象,由于其分布范围广、发生概率大,被认为是对海上电子设备影响最为显著的波导类型,成为各国海军竞相研究的焦点.然而由于其形成机制复杂,且在近岸沿海地区由于海陆分布不均,以及海岸地形和海陆风等因素的作用,会造成蒸发波导的近岸效应,这种效应会影响蒸发波导高度诊断的准确率.目前国内外蒸发波导诊断模式有P-J模式、MGB模式、NPS模式、Babin模式等,但其基本原理都足依赖Monin-Obukhov相似理论,只是用于确定近地层通量和特征尺度的方法不同,且仅适用于定常和水平均匀的开阔海域,并没有考虑到蒸发波导的近岸效应.针对这一问题,文中在Babin模式的基础上引入张强、胡隐樵的通量廓线关系(非线性修正冈子αν)与阵性风速ωg,从而将蒸发波导诊断模式的适用范围扩展到近岸沿海地区和甚低风速条件下.此外在中尺度模式MM5的基础上,耦合改进的Babin模式,发展建立了一个海洋蒸发波导高度预报模式,并对预报模式进行数值模拟,利用2002年5月25-26日福建平潭岛的海上大气实测数据与雷达探测结果对预报模式输出结果进行了验证.验证结果表明:在0～48小时内模式输出值与实测值拟和较好且变化规律一致,预报蒸发波导高度平均误差为0.193;且蒸发波导高度预报结果与雷达实际探测结果一致.     

A Methodological Study on Using Weather Research and Forecasting(WRF) Model Outputs to Drive a One-Dimensional Cloud Model简

A new method for driving a One-Dimensional Stratiform Cold （1DSC） cloud model with Weather Research and Fore casting （WRF） model outputs was developed by conducting numerical experiments for a typical large-scale stratiform rainfall event that took place on 4-5 July 2004 in Changchun, China. Sensitivity test results suggested that, with hydrometeor pro files extracted from the WRF outputs as the initial input, and with continuous updating of soundings and vertical velocities （including downdraft） derived from the WRF model, the new WRF-driven 1DSC modeling system （WRF-1DSC） was able to successfully reproduce both the generation and dissipation processes of the precipitation event. The simulated rainfall intensity showed a time-lag behind that observed, which could have been caused by simulation errors of soundings, vertical velocities and hydrometeor profiles in the WRF output. Taking into consideration the simulated and observed movement path of the precipitation system, a nearby grid point was found to possess more accurate environmental fields in terms of their similarity to those observed in Changchun Station. Using profiles from this nearby grid point, WRF-1DSC was able to repro duce a realistic precipitation pattern. This study demonstrates that 1D cloud-seeding models do indeed have the potential to predict realistic precipitation patterns when properly driven by accurate atmospheric profiles derived from a regional short range forecasting system, This opens a novel and important approach to developing an ensemble-based rain enhancement prediction and operation system under a probabilistic framework concept.     

Simulation of the Electrification of a Tropical Cyclone Using the WRF-ARW Model：An Idealized Case

Evolution of the electrifi cation of an idealized tropical cyclone （TC） is simulated by using the Advanced Weather Research and Forecasting （WRF-ARW） model. The model was modifi ed by addition of explicit electrifi cation and a new bulk discharge scheme. The characteristics of TC lightning is further examined by analyses of the electrifi cation and the charge structure of the TC. The fi ndings thus obtained are able to unify most of the previous inconsisitent observational and simulation studies. The results indicate that the TC eyewall generally exhibits an inverted dipole charge structure with negative charge above the positive. In the intensifi cation stage, however, the extremely tall towers of the eyewall may exhibit a normal tripole structure with a main negative region between two regions of positive charge. The outer spiral rainband cells display a simple normal dipole structure during all the stages. It is further found that the diff erences in the charge structure are associated with diff erent updrafts and particle distributions. Weak updrafts, together with a coexistence region of diff erent particles at lower levels in the eyewall, result in charging processes that occur mainly in the positive graupel charging zone （PGCZ）. In the intensifi cation stage, the occurrence of charging processes in both positive and negative graupel charging zones is associated with strong updraft in the extremely tall towers. In addition, the coexistence region of graupel and ice crystals is mainly situated at upper levels in the outer rainband, so the charging processes mainly occur in the negative graupel charging zone （NGCZ）.     

Climate simulations based on a different-grid nested and coupled model

An atmosphere-vegetation interaction model (AVIM) has been coupled with a nine-layer General Circulation Model (GCM) of Institute of Atmospheic Physics / State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (IAP/LASG), which is rhomboidally truncated at zonal wave number 15, to simulate global climatic mean states. AVIM is a model having inter-feedback between land surface processes and eco-physiological processes on land. As the first step to couple land with atmosphere completely, the physiological processes are fixed and only the physical part (generally named the SVAT (soil-vegetation-atmosphere-transfer scheme) model) of AVIM is nested into IAP/LASG L9R15 GCM. The ocean part of GCM is prescribed and its monthly sea surface temperature (SST) is the climatic mean value. With respect to the low resolution of GCM, i.e., each grid cell having longitude 7.5° and latitude 4.5°, the vegetation is given a high resolution of 1.5° by 1.5° to nest and couple the fine grid cells of land with the coarse grid cells of atmosphere. The coupling model has been integrated for 15years and its last ten-year mean of outputs was chosen for analysis.Compared with observed data and NCEP reanalysis, the coupled model simulates the main characteristics of global atmospheric circulation and the fields of temperature and moisture. In particular, the simulated precipitation and surface air temperature have sound results. The work creates a solid base on coupling climate models with the biosphere.     

季风转换对深圳地区呼吸系统疾病的影响及预测研究

深圳地处我国华南沿海季风敏感区,为探究季风等气象和污染要素对其呼吸系统疾病发病的影响和其预测相关就诊风险的可行性,本文利用当地2015-2016年呼吸系统疾病就诊人数资料及同期气象和污染物资料,并运用BP人工神经网络和LSTM网络构建呼吸系统疾病就诊人数预测模型。结果显示:每年九月份开始,冬季风的冷胁迫效应会使相关人群呼吸系统疾病发病人数波动式增加,直至次年冬季风向夏季风转换前的三月份发病人数达到峰值;而夏季风控制期间当地居民呼吸系统疾病发病人数呈波动式减少态势,比峰值期间减少35%;另外,该地不同呼吸系统疾病其主控因素也不相同;对比两种预测模型,总体上LSTM网络预报模型对深圳呼吸系统疾病风险预测准确率更高,可以满足健康气象预报服务业务需求。     

黄河流域未来气候-水文变化的模拟研究

将大尺度半分布式水文模型VIC应用到黄河上中游流域(花园口水文断面以上),并利用区域气候模式RegCM4.0单向嵌套全球气候模式BCC_CSM1.1,动力降尺度到黄河流域的模拟结果驱动VIC模型,开展在新的典型浓度路径下(RCP4.5和RCP8.5)黄河流域未来气候和水文变化的离线模拟。模拟结果显示,在RCP4.5和RCP8.5排放情景下,黄河流域21世纪平均地表气温相对于1971—2000年均呈显著上升趋势,2019—2048年上升1.2—1.5℃,2069—2098年上升2.19—3.9℃。未来年平均降水量有微弱的增大,2019—2048年增幅为6%左右,2069—2098年增幅为1.4%—5.6%。未来蒸发量增大明显,2069—2098年年平均蒸发量最大可增加9.6%。2019—2048年花园口水文站的年平均径流量增大3.4%—7.4%,2069—2098年年平均径流量转为减少,减幅为3.3%—5.3%。黄河上游地区未来气候和水文变化趋势与黄河流域基本一致,但未来年径流量变幅低于黄河流域,相对比较稳定。     

基于HBV模型的太子河流域致洪临界雨量的确定

以太子河流域为研究区域,基于流域内的气象水文数据、数字高程模型及土地利用等资料,采用HBV水文模型对流域的水文过程进行模拟,通过对模型参数的率定与验证,评估了HBV模型在该流域径流模拟的适用性,确定了适合太子河流域的最优化参数,结合水位-流量关系曲线,推算太子河流域不同等级洪水致洪临界雨量。结果表明: HBV模型对太子河流域的径流模拟效果较好,率定期与验证期Nash效率系数与确定性系数均超过0.60,模型中积雪和融雪模块(CFR)、土壤含水量计算模块(BETA)与响应模块(KUZ2、UZ1、PERC)中的这些参数最为敏感,模型基本模拟出了洪水对降水的响应过程。通过建立的HBV水文模型,结合小林子水文站的水位-流量关系曲线,以警戒水位、保证水位作为不同等级洪水的判别条件,推算得到了不同起始水位下太子河流域动态临界雨量指标,临界雨量随起始水位的升高而有所减小。