GRAPES-TYM模式对我国东部近海海雾预报性能评估

基于2020年上半年我国东部近海站点观测资料和葵花-8卫星反演海雾产品对我国自主研发的GRAPES-TYM模式进行了海雾预报性能评估。点、面检验结果表明：模式48 h和72 h TS分别为0.40和0.36,黄海海雾预报性能最优,34°～37°N海域内大部分站点TS高于0.50。黄海海雾落区预报检验显示均压场形势下预报最准确,平均临界成功指数为0.35;气旋后部海雾多空报。2 m相对湿度预报偏差具有局地性特征,相对湿度低估的站海雾预报击中率、TS相对低,反之亦然。另外,模式对成雾相关气象要素预报误差相对小且对成雾有利时海雾预报基本正确;模式预报风向较实际风向偏东南,易出现冷偏差和湿偏差,虚假的有利温湿条件导致海雾空报。     

A Comparative Analysis of Chemical Properties and Factors Impacting Spring Sea Fog over the Northwestern South China Sea

In the present study, we analyzed the chemical properties and factors impacting the sea fog water during two sea fog events over the northwestern South China Sea in March 2017, and compared our results with those of other regions. The sea fog water during these two events were highly acidic and their average pH was below 3, which was related to the high initial acidifying potential and large amounts of NO₃^- and SO₄^2- not involved in the neutralization ...     

黄渤海海雾数值预报系统及检验方法研究

基于PSU／NcAR的WRF模式2．2版本,优选模式微物理过程和边界层方案,开发了海雾诊断程序,并将该诊断程序耦合到WRF模式中,建立了黄渤海海雾数值预报系统,对2007年6月30至8月1日多个海雾过程进行了连续业务预报试验。结合常规沿海站点和卫星监测资料的特点研究设计了能见度数值预报多种检验方法。结果表明：海雾数值预报系统可较准确地诊断（预报）海上能见度,特别是对大雾预报有较好的指导作用,具有一定的应用价值。检验方法的设计是目前海洋气象观测资料匮乏的有益尝试,能有效地控制数值预报产品的质量。     

Characteristics of the Boundary Layer Structure of Sea Fog on the Coast of Southern China

Using boundary layer data with regard to sea fog observed at the Science Experiment Base for Marine Meteorology at Bohe,Guangdong Province,the structure of the atmospheric boundary layer and the characteristics of the tops of the fog and the clouds were analyzed.In addition,the effects of advection,radiation,and turbulence during sea fog were also investigated.According to the stability definition of saturated,wet air,the gradient of the potential pseudo-equivalent temperature equal to zero was defined as the thermal turbulence interface.There is evidence to suggest that two layers of turbulence exist in sea fog.Thermal turbulence produced by long-wave radiation is prevalent above the thermal turbulence interface,whereas mechanical turbulence aroused by wind shear is predominant below the interface.The height of the thermal turbulence interface was observed between 180 m and 380 m.Three important factors are closely related to the development of the top of the sea fog:(1) the horizontal advection of the water vapor,(2) the long-wave radiation of the fog top,and(3) the movement of the vertical turbulence.Formation,development,and dissipation are the three possible phases of the evolution of the boundary-layer structure during the sea fog season.In addition,the thermal turbulence interface is the most significant turbulence interface during the formation and development periods;it is maintained after sea fog rises into the stratus layer.     

极轨卫星高层通道在GRAPES同化系统中的应用

针对GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式三维变分系统高层背景场温湿廓线外推方案的局限性,提出以气候垂直廓线重新构造高层温湿垂直结构,以减小外推方案的偏差。首先采用一维变分同化系统,展开模拟实验:分析目前模式中使用的外推方案误差及其对反演结果的影响,利用高层大气气候廓线构造垂直结构并分析同化偏差。最后,运用GRAPES全球分析预报系统进行同化实验并分析改进程度。结果显示:模拟研究表明采用高层背景场温湿廓线外推方案与实际观测相比最大偏差在1 h Pa附近可达数十度以上,不仅影响平流层,而且对对流层也有影响;用气候温度数据修正GRAPES高层温度数据,可以减少50%以上的偏差,证明了用气候值高层数据优化现行GRAPES模式中同化系统高层插值方案的可行性。全球GRAPES三维变分同化试验结果显示,改进方案不仅显著的改善平流层分析质量,对对流层中高层也有改进。     

粤西沿海海雾天气气候特征及微物理结构研究

利用粤西12个测站2000-2010年常规气象资料及2010年3月湛江东海岛一次海雾过程观测数据,分析了粤西沿海海雾发生的天气气候特征以及湛江东海岛海雾的微物理特征。结果表明：粤西沿海年均雾日数呈西部（17．8d·a^-1）〉东部（7．7d·a^-2）〉中部（3．5d·a^-1）的特点;年际变化差异明显,除2008年外呈逐步升高趋势;年雾日数冬、春季多,夏、秋季少;一天中海雾大部分出现在02：00—08：00,这一时段雾生成的平均概率为50．8％;最多持续时间在1-3d内。海雾生成的综合气象条件主要为：气温15．025．0℃、3小时变压-3．5-2．5hPa、温度露点差0．0-2．0℃、多发风向为NNE-ESE或静风,风速≤7m·s^-1。成雾的天气形势可以分为高压型、低槽型、冷锋型、静止锋型和鞍型或均压场型5类。雾过程中各阶段能见度变化及雾滴谱分布差异较大,平均雾滴谱分布符合指数递减规律,谱型大体上呈“单峰”结构,整个滴谱明显偏向小滴一端,雾滴谱径主要出现在2～10μm。     

微波湿度计资料在GRAPES模式中偏差订正方法研究

根据微波湿度计MHS(Microwave Humidity Sounder)辐射率资料及GRAPES(Global/Regional Assimilation and Pr Ediction System)模式的特点,建立适用于MHS资料的偏差订正系统,该系统包括扫描和气团偏差订正,其中气团偏差订正考虑水汽资料的特性,采用三种不同预报因子组合的方案。偏差订正结果表明:MHS各个通道的扫描偏差表现出不同特征;偏差订正后观测残差基本服从均值为零的高斯分布,且观测残差的均值有所降低并随时间变化平稳;三种气团偏差订正方案都有明显的订正效果,其中方案三的订正效果最佳。     

华南沿海暖海雾过程中的湍流热量交换特征

湍流交换是海雾中的关键物理过程, 在海雾的热量和水汽平衡过程中起重要作用。本文根据2007年3月24～25日一次海雾的外场观测数据, 分析了海雾过程中近海面湍流热量交换特征; 并在区分风切变机械湍流与雾顶长波辐射冷却热力湍流的基础上, 着重分析了两种不同性质的湍流对海雾发展和维持的作用。结果表明: (1) 本次海雾是在西南低压和变性冷高压的控制下, 来自南海东部暖水区的空气平流在近岸冷海面上形成的暖海雾; 暖海雾中的湍流热量交换过程比冷海雾更为复杂; (2) 在暖海雾的形成和消散阶段, 风切变机械湍流的热量输送起主要作用; 而在发展和维持阶段, 既有风切变机械湍流的热量输送作用, 也有雾顶长波辐射冷却热力湍流的热量输送作用; (3) 风切变机械湍流向冷海面输送热量, 对近海面空气起到降温和增湿作用; 热力湍流同样向冷海面输送热量, 但对雾层起到增温和降湿作用; (4) 暖海雾中的湍流热量交换机制与雾层的非充分混合结构有密切关系。     

黄渤海一次持续性大雾过程的边界层特征及生消机理分析

利用常规气象观测资料、NCEP的FNL客观再分析资料和L波段雷达探测资料以及采用国家卫星气象中心多通道气象卫星监测数据和定性分析海雾的方法来处理卫星监测的海雾信息,探讨了2010年2月22—25日黄渤海大雾过程的边界层海气要素的特征、大雾成因及生消机理,结果表明:(1)这次大雾是产生在欧亚中高纬平直环流、大气层结稳定的气象条件下。南支槽前的西南气流与副热带高压西北侧及沿海高压脊后部的偏南气流汇合,形成一支跨越中低纬的偏南气流为海雾形成提供有利的水汽条件。(2)大雾的生消与海表温度、气海温差、空气稳定度和风场等气象、水文要素有密切关系;大雾期间,黄渤海气海温差在0~2℃;大气边界层至对流层下部均有逆温层和等温层,逆温层内的温差为6~8℃,垂直温度的变化是上层温度随时间增大高于低层,使逆温层加强并不断抬升,抑制空气垂直对流发展。近地层空气湿度较大,在200 m附近出现一个液态水含量达0.6 g·kg~(-1)大值区;850 hPa以下层均由2~4 m·s~(-1)的东北风随高度顺转成6~8 m·s~(-1)的西南风,为大雾形成和持续发展提供了有利条件。(3)大雾的湍流最大发展高度达到240 m,湍流混合作用可将中上层湿区水汽和雾滴带到近海面层,同时也有利于空气的降温,易达到饱和凝结而形成大雾。中低层持续弱暖平流把暖湿气流输送至冷海面上有利于近海面逆温层的建立和维持,海面辐射冷却作用激发平流形成大雾。     

Evaluation of a Regional Ensemble Data Assimilation System for Typhoon Prediction

An ensemble Kalman filter(EnKF) combined with the Advanced Research Weather Research and Forecasting model(WRF) is cycled and evaluated for western North Pacific(WNP) typhoons of year 2016. Conventional in situ data, radiance observations, and tropical cyclone(TC) minimum sea level pressure(SLP) are assimilated every 6 h using an 80-member ensemble. For all TC categories, the 6-h ensemble priors from the WRF/EnKF system have an appropriate amount of variance for TC tracks but have insufficient v...     

GRAPES全球/区域集合预报系统10年发展回顾及展望

较系统地概述了中国气象局全球/区域集合预报系统及描述模式初值和模式自身不确定性的集合预报扰动技术发展历程,回顾了GRAPES(Global/Regional Assimilation Pr Ediction System)全球集合预报的奇异向量初值扰动方法、GRAPES区域集合预报的集合变换卡尔曼滤波初值扰动方法和多尺度混合初值扰动方法、GRAPES全球/区域集合预报模式不确定性的随机物理过程倾向项扰动方法和动能后向散射随机补偿方法等研究成果,介绍了GRAPES全球/区域集合预报业务系统构建参数设置和预报性能,最后分析了GRAPES全球/区域集合预报中存在的问题,展望了未来发展方向。     

合肥市大雾预报方法建立与应用

利用主成分分析方法对2012～2014年合肥市高速公路沿线交通气象站日最低能见度资料统计出的大雾观测样本进行研究,应用因子荷载点聚图将合肥市县大雾划分为2个区：中南区、北区。基于PP法统计ECMWF模式输出产品与大雾之间的相关性,全市和分片分别确定与大雾密切相关的高影响因子,利用等级分类和逐步回归建立大雾预报模型。在回归结果的判定阈值和消空指标选定的情况下,通过研发的大雾天气精细化预报系统每日定时输出合肥市大雾预报格点产品。经过前期业务化运行和预报效果检验表明：数值模式产品释用方法在有无大雾预报技巧方面较WRF模式明显占优,技巧评分大幅提升,而两类典型大雾天气过程预报效果检验则可以更直观地看出数值模式产品释用的预报方法效果要更好。     

Possible Sources of Forecast Errors Generated by the Global/Regional Assimilation and Prediction System for Landfalling Tropical Cyclones. Part Ⅱ: Model Uncertainty

This paper investigates the possible sources of errors associated with tropical cyclone (TC) tracks forecasted using the Global/Regional Assimilation and Prediction System (GRAPES). In Part I, it is shown that the model error of GRAPES may be the main cause of poor forecasts of landfalling TCs. Thus, a further examination of the model error is the focus of Part II. Considering model error as a type of forcing, the model error can be represented by the combination of good forecasts and bad forecasts. Results show that there are systematic model errors. The model error of the geopotential height component has periodic features, with a period of 24 h and a global pattern of wavenumber 2 from west to east located between 60°S and 60°N. This periodic model error presents similar features as the atmospheric semidiurnal tide, which reflect signals from tropical diabatic heating, indicating that the parameter errors related to the tropical diabatic heating may be the source of the periodic model error. The above model errors are subtracted from the forecast equation and a series of new forecasts are made. The average forecasting capability using the rectified model is improved compared to simply improving the initial conditions of the original GRAPES model. This confirms the strong impact of the periodic model error on landfalling TC track forecasts. Besides, if the model error used to rectify the model is obtained from an examination of additional TCs, the forecasting capabilities of the corresponding rectified model will be improved.     

一次南海海雾微物理结构个例分析

本文利用2010年3月22～23日广东省湛江市一次海雾过程的雾滴谱和能见度资料,分析了海雾的微物理特征及微物理参量(数浓度、液态含水量和平均直径)之间的相关性,并讨论了影响海雾的主要物理过程。结果表明:湛江地区海雾的平均雾滴谱符合Junge分布;在海雾发展和成熟阶段,雾滴谱拓宽过程以及数浓度与平均直径的正相关关系表明本次海雾过程主要以雾滴活化和凝结增长过程为主;湍流过程的参与使得雾滴混合均匀,雾滴平均直径向3.5 μm附近集中,趋向平均化。同时湍流使雾体内部和外部空气交流,外部空气的凝结核核化,数浓度升高,凝结增长造成小雾滴变大。     

黄渤海一次持续性海雾过程形变特征及其成因分析

2016年3月3—5日,渤海和黄海大部出现了一次大范围持续性的海上大雾天气过程。本文从卫星遥感监测上分析海雾在生成、发展和消亡三个阶段的形态演变特征。从海洋气象条件上分析了山东半岛东南近海没有海雾和海雾形态演变的原因。结果表明:(1)在海雾形成初期,在山东半岛东南海域有弱气旋性弯曲,大气层结不稳定,地面形势受低压影响,虽受偏南风控制,但湿度小,无水汽辐合,因此在山东半岛东南近海没有雾。(2)海雾的形成与低层的偏南暖湿气流有关,而这个偏南暖湿气流来源于西北太平洋,雾区对应着水汽辐合区,海气温差为0～1℃的区域与雾区吻合,在海雾发展成熟期,雾顶长波辐射导致雾体降温,出现气温低于海温的现象。(3)925～1000 hPa垂直风切变有利于海雾在逆温层内维持和垂直高度上的发展,形成有一定厚度的海雾。     

Prediction of the South China Sea Dipole Using SSA-MEM

ABSTRACT

A dipole structure appears in the sea surface height off the central coast of Vietnam during boreal summer in the South China Sea. This dipole, which possesses a chlorophyll signature associated with higher phytoplankton concentrations arising from nutrient upwelling, is important for the productivity of local fisheries. Multi-satellite sea level anomalies are used to investigate the life cycle of the dipole structure. By applying empirical orthogonal function (EOF) analysis, the third EOF mode (EOF 3) is found to represent the major variations of the dipole structure. By removing the temporal noise of EOF 3, a South China Sea dipole index is defined. This index captures the life cycle of the dipole including its generation, mature strength, and final termination. Both one-dimensional and two-dimensional forecasts are generated using a statistical forecasting method that combines singular-spectrum analysis and the maximum entropy method. The appearance of the dipole structure can be predicted with an accuracy of 78% at one-month lead times and an accuracy of 61% at one-year lead times.     

华南复杂地形下GRAPES_Meso3km对流尺度模式前汛期精细化降水预报评估

为深入认识GRAPES_Meso(Global/Regional Assimilation and Prediction System)3 km对流尺度区域模式对华南前汛期精细化降水的预报性能,为模式改进及业务应用提供参考依据,利用广东省86个站点逐小时观测降水资料和国家气象信息中心多源融合降水资料,针对广东省复杂地形特点,结合距海岸线的远近及站点地形特点,将86个站划分为沿海东部、沿海西部和内陆地区三个子区域,采用二分类降水预报检验方法,定量评估了2020年5月18日—6月18日华南前汛期降水预报效果。结果显示,GRAPES_Meso 3 km模式精细化降水预报技巧受广东复杂地形影响较大,广东沿海东部和内陆地区24 h时累积降水的小雨、中雨、大雨量级预报成功指数(Threat Score,TS)、公平成功指数(Equitable Threat Score,ETS)评分高于沿海西部地区,尽管暴雨预报评分具有此相同特征,但三个子区域的暴雨预报评分总体较低;从3 h累积降水预报评分看,沿海东部、沿海西部及内陆地区等三个子区域存在明显的日变化特征,但是沿海东部及西部与内陆地区表现有所不同,沿海东部和西部降水预报评分夜间较低(预报偏差偏高),白天相对较高(预报偏差偏低),而内陆地区则是夜间较高(预报偏差偏低),白天相对较低(预报偏差偏高)。沿海西部预报评分相对较低的原因是由于检验时段内广东地区存在一个弱的风切变,而沿海西部大部分地区正好处于切变线南侧的温度高值区控制,但模式模拟该区域的日平均温度较实况偏低,导致沿海西部模式预报降水空报较多,降低其降水预报技巧。     

广东沿岸海雾决策树预报模型

利用汕头、珠海和湛江地面观测站2000-2008年1-5月的海雾历史观测资料和NCEP/NCAR FNL再分析资料,采用分类与回归树(CART)方法对海雾及其生成前24 h的海洋气象条件进行分类分析,建立了海雾决策树预报模型;并根据现有的海雾理论认识,对海雾预报规则包含的物理意义进行讨论.10次交叉检验的结果表明:采用...     

华南海雾研究进展

从海雾的气候特征、生消机制、微物理化学特征、遥感监测和模式预报等方面,回顾近年来开展的华南地区海雾研究。结果表明：华南海雾研究已经取得了许多重要的研究成果,但对于华南海雾的年际、年代际特征,华南不同地区的海雾微物理化学特征以及海面海雾与陆面海雾观测对比研究还不够,遥感监测及模式预报方面还有一定欠缺。为了对华南海雾有更加深入的认识,这些方面的研究需要进一步加强。     

GRAPES区域集合预报模式的初值扰动增长特征

基于GRAPES-REPS（Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System-Regional Ensemble Prediction System）区域集合预报模式和集合变换卡尔曼滤波（Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF）初值扰动方法,对2015年6月1~15日10 km与15 km水平分辨率分别进行集合预报试验,通过分析ETKF初值扰动分量、初值扰动方差准确率、动能谱、扰动能量演变、日变化及集合离散度、均方根误差等特征,揭示GRAPES-REPS区域集合预报ETKF初值扰动结构及增长特征。结果表明:（1）ETKF初值扰动方案产生的扰动能够保持所有正交、不相关方向的误差方差,且ETKF分量α参数值及放大因子具有较好的稳定性。（2）ETKF初值扰动方法生成的扰动场以大尺度扰动为主,扰动结构及能量具有随流型依赖特征,低层以内能扰动为主,高层以动能扰动为主,且集合扰动可以有效捕捉预报误差的结构。（3）GRAPES区域集合预报初值扰动总能量和集合离散度随预报时效的延长均呈发展趋势,但离散度增长率小于均方根误差增长率,即集合预报总体存在集合离散度不足的问题。（4）水平分辨率提高可以增加中高层大尺度扰动波谱能量,明显改进等压面及近地面风场及温度场的集合预报效果。值得指出的是,GRAPES-REPS区域集合预报低层内能扰动能量存在明显的日变化特征,特别是青藏高原地区更加显著,需要进一步研究青藏高原初值扰动结构的合理性。