雷达反演资料的Nudging同化对华南暴雨过程短临预报的影响

基于1 km分辨率的华南区域短临预报模式,利用松弛逼近法Nudging同化由雷达观测反演的风场和水物质,选取两次华南前汛期降水过程进行试验,目的在于研究调整初始风场和调整初始水物质场对于短临模式降水预报的不同影响。首先对反演结果进行了初步验证,结果表明试验中反演结果是基本合理的。进而将雷达反演结果 Nudging同化到模式预报中,和控制试验(test-ctl)进行比较可以看出:(1)仅Nudging同化水物质试验(test-qcqr)可以比较有效地改进0～7 h降水预报,特别是对于0～2 h降水偏少的现象改进最为显著。(2)仅Nudging同化风场试验(test-uv)对3～7 h预报有一定的改进,但总体来说改进的幅度很小。(3)同时Nudging同化水物质及风场试验(test-qcqr-uv)的结果最优,它对于0～10 h降水预报都有比较明显的改进。从微物理量的垂直分布来看,前期模式降水主要来源于Nudging同化到初始场中的水物质信息,所以test-qcqr和test-qcqr-uv对前期降水预报的改进都比较明显。Nudging同化雷达反演风场资料可以迅速的调整初始场中低层辐合线存在的偏差,但是它对降水的影响必须配合水物质的调整才能比较明显地体现出来。总的来说,Nudging同化水物质对于短临降水预报影响最为显著,而在此基础上Nudging同化雷达风场对于3 h之后的降水预报会有更好的改进。     

GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR).该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致.由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案.通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难.重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化.理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善.     

C波段雷达在新疆区域数值预报系统中的应用初探

基于新疆区域数值预报系统（Desert Oasis Gobi Rapid Analysis Forecast System,下称DOGRAFS）,开展了同化C波段雷达资料对2010年10月6日发生在新疆的一次强降水过程预报结果影响的试验分析。其中设计包括不同化任何资料、同化常规资料、同化雷达反射率因子、同化雷达径向风、同时同化反射率因子和径向风五组试验,重点分析了雷达资料同化对此次天气过程降水、温度以及风速模拟效果的影响。结果表明：（1）同化雷达径向风和同时同化径向风和反射率因子相对于其他三组试验,对降水预报的TS和ETs评分更高;（2）相对于其他三组试验,同化雷达径向风和同时同化径向风和反射率因子对模式垂直方向上的温度、风速预报偏差具有一定的改善效果;（3）对于地面2 m温度和10 m风速而言,同化常规观测资料比其他四组试验预报的平均偏差和均方根误差更小;其它四组试验误差相当,差别不明显,表明同化雷达对近地面层温度和风的影响不明显。本研究旨在探索C波段雷达观测资料在新疆区域数值预报系统中的适用性,为今后雷达观测资料在业务系统中的应用提供参考。     

基于数值预报与雷达外推预报融合方法的降水回波短临预报试验研究

采用傅里叶-梅林变换、多尺度光流法及威布尔分布,对湖北省2020年6—7月4次降水过程雷达回波进行多尺度预报试验及其相位和强度校正。在此基础上,利用双曲正切函数对校正后的模式降水回波预报和雷达回波外推临近预报进行融合。最后,基于预报技巧评分和平均绝对误差及命中率等指标对不同时效、尺度及回波阈值的预报结果进行定量分析。结果表明：（1）融合后的0～3 h降水回波预报在范围和位置上均较模式预报和雷达外推预报改进明显,尤其对强回波预报有明显优势,对对流预报有积极作用;0.01°×0.01°尺度的0～1 h预报效果明显好于其他尺度及预报时效。（2）武汉RUC模式预报效果最差,平均绝对误差（mean absolute error,MAE）最大为6.1～8.2 dBZ,而融合预报效果最好,MAE最小为4.7～6.5 dBZ。0.01°×0.01°尺度下融合预报的命中率（probability of detection,POD）随回波阈值和预报时效增加而降低,而其他尺度下20 dBZ回波阈值的平均POD最大、MAE最小,平均POD(MAE)均高于（低于）其他2种预报。总体来看,融合预报明显优于单一预报...     

AMDAR资料质量分析及对GRAPES系统同化和预报影响

为了研究AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)资料对GRAPES(Global Regional Assimilation and Prediction System)系统的影响,针对从国家气象信息中心实时库检索的业务AMDAR资料,分析了该资料的偏差和标准差等质量特性;利用GRAPES数值预报系统,做了两个月的同化预报循环试验。选取资料和试验的时间是2013年5月、6月,同化窗口6 h,预报时效7 d。结果表明,与背景场该资料的温度要素的平均偏差在0.2°C,标准差在2°C,风的平均偏差在0.2 m/s,标准差在3 m/s,偏差基本符合正态分布;AMDAR资料对同化和预报效果均有改善。     

GRAPES中尺度模式的广东定量降水预报检验

采用客观降水检验方法,对GRAPES中尺度模式2011年4月1日～2012年3月31日广东降水预报进行了分级降水检验、时空分布演变评估以及降水预报个例分析。结果表明:随着降水量级和预报时效提高,模式降水预报质量呈现下降趋势;模式能够对降水过程时间演变做出准确的预报,对于实况较小的降水,模式存在预报比实况偏大的问题,而对于实况较大的降水,模式存在预报比实况偏小的问题;模式不能很好预报出与地形有关的广东3个降水中心;通过对一次台风降水预报个例分析表明,模式24 h预报能较好反映雨带分布和暴雨中心。     

多普勒天气雷达资料对中尺度模式短时预报的影响

利用中尺度模式ARPS(The Advanced Regional Prediction System)及其资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System),将国内新一代多普勒雷达(CINRAD)反射率及径向风资料直接用于中尺度数值模拟,通过一次华北地区暴雨过程的模拟对比试验,分析了雷达资料对初始场的改进效果及其对模拟结果的影响,结果表明:(1)利用雷达径向风资料对初始风场进行调整后,自近地面到对流层顶的u,v,w都发生了变化,调整后的初始风场在对流层中层变化最大.(2)利用雷达反射率进行微物理调整和云分析能调整初始场中的云水信息,使得雷达回波附近3 km以下的水汽混合比(qv)增加,4 km以下的雨水混合比(qr)增加,对流层(约10 km以下)的云水混合比(qc)增加,4～9 km的对流层上部云冰混合比(qi)和雪混合比(qs)增加.ADAS通过非绝热初始化调整温度场,从而得到了一个动力和热力上平衡的初始场.(3)模拟的1 h雨量与实况的对比表明,同时利用雷达反射率和径向风改进过的初始场能明显增强3 h内的降水强度和落区预报,改善中尺度数值模式短时定量降水预报.模拟的1 h流场对比分析表明,经雷达径向风调整后,能够在初始场中增加气旋性涡旋等中小尺度风信息,明显减少模式的spin-up时间.(4)通过对雷达径向风和反射率对模式初始场和模拟结果影响的对比分析发现,雷达径向风主要是改进初始风场,而雷达反射率主要是改进初始场中的湿度参数,增加初始场中云水等的含量,调整温度场.通过模拟的6 h降水对比发现,利用雷达径向风调整初始场后,对降水模拟有一定的改进,但效果不甚明显,而雷达反射率资料对定量降水预报改进效果明显,同时使用雷达径向风和反射率资料改进初始场后对降水的模拟效果最明显.     

雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时预报影响的数值对比试验

为对比雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时数值预报的影响,利用美国Oklahoma大学风暴分析和预测中心开发的ARPS(The Advanced Regional Prediction System)模式及其资料分析系统ADAS(ARPS Data AnalysisSystem),对一次华北暴雨过程进行了18,15,9,6,3 km 5种不同水平分辨率的数值对比试验,并对比了使用雷达资料进行云分析时5种分辨率的模拟结果,结果表明,仅使用常规观测资料的情况下,通过提高模式水平分辨率,可以改进6 h内的短时预报,模拟的锋面结构更为细致,降水尤其是强降水预报评分提高了。而使用雷达资料改进模式初始场后,能明显改进模式6 h内的预报尤其是降水强度和落区预报,使得18 km上使用雷达资料同化的预报结果好于3 km不使用雷达资料同化的结果,表明雷达资料同化比单纯提高模式水平分辨率更为有效。不同分辨率上使用雷达资料同化的对比发现,对于40 mm以下的一般性降水,从18—3 km的模拟结果差别不大,而对于强降水,仍然需要提高模式的水平分辨率。但无论初始场是否使用雷达资料同化,但当分辨率由6 km提高到3 km时,模拟结果无明显改进,因此,提高模式分辨率有一定的限度,而在适当提高模式分辨率的同时使用雷达资料同化改进模式初始场,则是提高模式短时预报的一个非常有效的途径。     

基于ConvLSTM的广西短临降水预报

针对传统雷达回波外推算法在快速增长或消散降水过程预报精度较低的问题,利用华南雷达回波拼图资料数据,建立ConvLSTM回波外推模型,对广西区域范围进行短临降水预报研究.采用气象业务中的正确率(POD)、临界成功指数(CSI)及误报率(FAR)评判标准检验预报模型,并将ConvLSTM与光流法的预报结果进行对比分析.结果...     

多普勒雷达资料同化对暴雨预报的影响

诊断分析了2007年8月8日陕西中南部一次突发性大暴雨过程,利用WRFV3.4数值预报模式及WRF-3DVAR变分同化系统,采用直接同化西安C波段多普勒雷达资料的方法,设计了4组试验方案。结果表明,多普勒雷达资料同化能有效改进WRF数值模式性能,不同的同化方案对模式初始场及预报场有不同的改进,同化反射率对初始水汽场的改变较为显著,而同化径向速度对初始风场的改变更为明显。在加入雷达资料同化后模式系统对中小尺度天气系统特征的模拟效果提高,风场的辐合特征更为明显,水汽也有显著增强,降水强度和中心跟实况更为接近。     

风廓线雷达资料在3次气旋过程短临预报中的应用

利用2008年8月3次气旋过程中风廓线雷达测得的风数据,结合区域自动站数据和天气学理论,对气旋和高空槽天气系统的移动情况、气象要素变化和对短期或临近预报的指导作用进行了分析和总结。结果表明：可以根据风廓线图中风的演变情况,辅以区域自动站、天气图等资料,对气旋和高空槽天气系统所带来的降水、大风等天气发展趋势提供可靠的指示作用。从而为气旋、高空槽短时临近预报的精细化提供实况和理论上的支持,进而达到提高短时临近预报、特别是对危险天气的预报准确率。     

L波段秒级探空资料在GRAPES同化系统中的应用研究

我国探空站的探空系统升级为L波段探空系统后,可以获取全国120个站点连续自动测定的高空温、压、湿、风等高垂直分辨率秒级和分钟级探空廓线数据。为了分析高垂直分辨率探空秒级资料水平和垂直结构特征,并将其应用于区域GRAPES-3DVAR变分同化预报系统中,文章比较秒/分钟级探空与传统探空资料使用对资料同化预报带来的影响。试验中使用2011年6—7月资料进行分析,结果发现:秒级探空资料具有水平分布均匀,垂直结构非常密集的特点;在850、500 hPa等层次上高度分析比传统探空分析更接近NCEP分析,显示出对分析场的改进效果;同时风场在200 hPa以上的高层分析中改进显著,表现出高分辨率资料使用在高层分析中对系统模拟更加准确的特征。由于模式预报初值的改进,降水预报评分有所提高,预报偏差明显变小。因此高垂直分辨率秒级探空资料的使用对数值模式分析初值及预报的改进有着积极的意义,这为进一步开发利用秒级探空资料打下基础。     

用多普勒雷达资料调整GRAPES模式云参数对短临预报的影响

利用华南一次强降水过程,通过雷达回波反演的云雨水及模式背景场的水汽和根据雨水修订的水汽场对GRAPES模式初始场通过Nuding技术进行调整,试图改善模式的临近预报。模拟结果对比发现,模式初始场通过Nudging技术只订正云水、雨水及水汽场2种情形,对模式雷达回波的临近预报效果都有一定的改善,其中前者对0～3 h的临近预报效果改善明显,而后者对0～6 h的预报效果都有所改善,且后者前3 h的改善效果优于前者。对比模式初始场通过Nuding技术订正修订前后的水汽场的预报效果发现,修订后的水汽场的临近预报效果优于修订前的,尤其4～6 h的差异较明显。分析原因发现,模式初始场中水汽场的修订,尤其是饱和水汽的修订,对模式预报的水汽场有明显影响,从而影响到了环流场,改善了模式的雷达回波和降水的预报。      

CMA-MESO逐时快速更新同化预报系统及其短临预报效果初步分析

基于CMA-MESO模式水平3 km分辨率3 h循环的快速更新同化预报系统,本文建立逐小时的分析预报循环系统,并且通过采用5种尺度叠加的高斯相关模型和引入各向异性的水平相关尺度方案来改进背景误差水平相关结构,同时考察引入全球大尺度信息方案对逐小时循环的分析和预报影响。通过对2020年7月19日华东强对流天气过程的数值模拟表明：（1）逐小时循环吸收了更多的高频观测资料和循环中采用更临近的1 h预报场作为背景场,分析和降水短临预报质量整体比3 h循环有所提高;（2）在区域分析中逐时引入全球预报场的大尺度信息会削弱区域观测资料的影响,对预报会有不利影响;（3）改进的五种尺度叠加高斯相关模型和各向异性的水平相关尺度主要使风场背景误差水平相关系数的描述更接近样本的统计结果,因而在逐1 h循环中风场分析更靠近观测,华东强对流过程的组合反射率和降水短临预报更接近实况。     

GRAPES中尺度模式对2005年长江流域重大灾害性降水天气过程预报性能的检验分析

GRAPES是中国新一代具有自主知识产权的中尺度数值天气预报模式。使用在国家气象中心业务运行的最新版本的GRAPES模式、常规观测资料以及NCEP分析资料(1°×1°),对2005年主汛期发生在长江流域的重要降水天气过程进行了模拟和检验,重点分析了该模式对这一地区西风带影响系统的预报能力及可信度,从而得到GRAPES模式对于2005年长江流域重大灾害性降水天气预报性能的初步评价,并对该模式的应用及进一步改进提供一些有意义的参考依据。     

同化雷达估算降水率对暴雨预报的影响

选取2009年3月28日广东省广州市大暴雨过程,考察了变分校准前后Z-I关系估算雷达降水率的区别。变分校准后的降水率资料具有较高的单点精度与合理的梯度分布。降水率资料能够反映大气动力特征和水汽分布等重要信息,是模拟中小尺度系统的关键因子。基于GRAPES (Global/Regional Analysis and Prediction System) 区域三维变分系统,将FSU (Florida State University) 对流参数化方案作为观测算子的同化试验指出,同化降水率资料后同时增强了低层大气的辐合和高层大气的辐散,从而使整层气柱的不稳定能量增加。沙氏指数和K指数诊断分析也表明,同化降水率资料后有利于触发强对流天气。此外,低空辐合有利于水汽垂直输送,维持对流发展,改进降水模拟。逐小时数值模拟结果表明:同化校准后的雷达估算降水率不仅可以改进降水分布,而且使中尺度对流系统的发展和消亡清晰地表现出来。     

人工智能在短临降水预报中应用研究综述

短临降水预报是一项重要且具有挑战性的世界性难题.研究人员曾尝试使用各种技术预报降水,但是由于降水本身具有高度非线性、随机性和复杂性的特性,使得降水预测精确度并不高.近年来,随着人工智能技术的迅猛发展,其日渐渗透到人们生活的方方面面,气象领域也因此得益.人工神经网络能够对非线性系统进行建模,因此相比于传统方法,如数值天气预报法和光流法等,人工智能方法使得降水预报的准确率大大提高.本文介绍了传统降水预报的方法,着重总结概括了用于短临降水预报的各种最新人工智能方法,并对各研究方向进行归纳分析,为各类研究人员研究提供有益参考和借鉴.     

面向数值同化应用的L波段秒级探空资料的质量控制方法研究

世界气象组织于2003年提出探空报文格式改革,推动探空资料从传统报文转向二进制秒级存储,这一举措促使秒级探空资料在数值预报模式中的应用成为未来的发展趋势。资料的质量控制是同化应用前极为重要的基础性工作,L波段秒级探空观测误差特点与传统常规探空显著不同,因此,本文发展了面向同化应用的L波段秒级探空资料的两步质量控制方法。第一步质控在集成常规探空质量控制方法的基础上,针对秒级探空的资料特性增加对应检查步骤,旨在尽可能剔除人为观测误差;第二步质控在同化系统中引入动态黑名单检查模块,同时借助同化系统自带的背景场检查来剔除观测和背景间偏离较大的资料,目的在于控制观测的代表性偏差。本文通过对比和分析质量控制前后观测样本的统计特征,并结合数值模式的实际同化分析结果,综合论证了两步质量控制方案的合理性：两步质控后资料异常大幅减少,观测背景差更接近高斯分布,资料的同化适用性更强,同化应用效果更优。本文的研究工作为今后L波段秒级探空资料在GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式中的实现业务应用奠定了基础。     

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。     

雷达资料同化频次对数值模拟效果影响的试验

采用中尺度数值天气预报模式WRF3.2, 研究了不同的同化时间间隔对2011年7月3~4日成都暴雨模拟的影响。结果表明, 同化了雷达资料后, 使初始场的水汽场、水平风场、垂直速度的分布更加接近实况;除温度场外, 同化频次越高对初始场的影响越大, 水平风场的增量值越大, 呈现的中小尺度信息越多, 更加接近“真实”大气;经过多次同化, 中低层风场的改变已经传递到高层, 引起了高层流场的调整;同化雷达反射率资料是有效的, 能够调整大气中的水汽分布。