基于T639集合预报的持续性强降水中期客观预报技术研究

针对持续性强降水预报困难的问题,根据Anderson-Darling检验原理,构建基于中国气象局T639集合预报系统的持续性强降水中期客观预报方法。对比分析2010-2015年5-9月T639集合预报降水与实况降水的累积概率分布函数差异,在此基础上采用扩展时间序列和空间范围的方法构建3种模式气候累积概率方案,通过批量预报试验和检验,选取最优概率方案纳入预报模型,考察持续性强降水个例的最长预报时间。结果表明,随着预报时效的延长,集合预报模式的降水逐渐集中于小和中雨量级,无降水和暴雨以上量级的降水概率低于观测,168 h以后模式降水概率趋于稳定。通过扩展时间序列和空间范围能弥补模式气候资料年限不足所带来的偏差,根据区域气候特征细分模式气候的方法重点突出了不同区域的降水特征,明显优于简单集合所有区域数据的模式气候方案。基于集合预报的持续性强降水预报模型对持续性强降水个例的预报能力为8-9 d,随着预报时效的延长,降水强度以及雨带位置的预报能力逐渐减弱。      

区域中尺度模式对西南地区一次强降水过程的预报分析

为了认识区域数值模式对西南地区降水预报能力,探索降水预报误差原因,本文应用MICAP资料,NCEP再分析资料,FY-2E辐射亮温资料,自动站资料,西南涡加密观测资料等,针对2012年7月2～5日西南地区一次强降水过程,分析了西南区域中心运行的WRF模式和GRAPES中尺度模式的预报能力,得到：（1）两模式不同程度反映了本次强降水过程.相对而言,WRF模式的预报略好于GRAPES,得益于WRF模式对对流层中低层温度、水汽、流场等演变的较好反映.（2）两模式预报对流层中低层温度偏差总体呈现正偏差,GRAPES模式呈现较大的温度偏差,正偏差特征更显著.两模式不同程度出现空报降水,特别是在高原东南坡.GRAPES模式空报雨区特征更明显.（3）两模式预报近地层湿度较实况大,都预报高原南坡,特别是高原东南坡风场辐合、水汽场辐合偏强,可能是造成虚假降水的主要原因.（4）较实况,WRF模式预报对流层高层的高压和对流层中低层的低压系统偏强,GRAPES模式预报西南低空急流偏强（可能是引起温度正偏差的原因）,两个模式预报的对流层正涡度较深厚,辐合上升运动强,这些可能是造成降水预报偏差的原因.     

连续强降水天气的环流背景及中期预报

分析了１９９４年７月上半年连续出现强降水天气的环流形势及波谱特征，利用０￣９６小时５００ｈＰａ欧洲数值预报５天滑动平均高度场和６波相对振幅变化，得出有实用价值的强降水预报指标。     

体现大尺度特征的区域持续性强降水过程定义指标

利用1961—2017年共57年中国地面观测站日降水资料,采用滑动平均、百分位和点面相关分析等方法,根据延伸期预报特点以及监测预报和研究需求,着眼于体现强降水过程的区域性、持续性和致灾性,并兼顾区域气候特征和普适性,建立区域持续性强降水过程定义指标。根据该指标查找判断我国东部四个关键区域(华南、长江、黄淮、华北)的历史降水过程,1961—2017年期间共有557次区域持续性强降水过程,平均每年约10次,其中华南、长江、黄淮、华北分别有267、155、78、49次,平均每年各有4.7次、2.7次、1.4次和0.9次,呈由南向北递减的分布。统计评估结果表明,该指标能客观地判断出持续影响同一区域的相对稳定类型的大尺度持续性强降水过程,适用于延伸期业务服务和研究。     

广西汛期大范围持续性暴雨天气过程中期预报研究

我们以中期数值预报产品－格点资料与历史上的大范围持续性雨个例对照作为分析依据。用建立暴雨中期天气过程模式与数值预报产品相结合及娄理统计与天气学相结合的方法,用相似分析原理和指标判别规则,作出汛期大范围持续性暴雨天气过程中期预报,取得较好的预报效果。     

基于集合预报的持续性强降水可预报性评估方法研究

利用集合预报成员初值误差在大气相空间中增长方向不同的特点,结合模式检验方法,构建持续性强降水可预报性评估指数(Index of Composite Predictability,ICP),为持续性强降水可预报性及数值预报误差增长机理研究提供科学方法。ICP综合评估指数包括三个数学模型:集合预报成员单一评估指数定义、集合预报成员综合评估指数定义和集合预报成员预报能力定义。利用中国国家气象中心T213全球集合预报资料,选取江淮流域2010年6月17—25日和2011年6月4—12日2次持续性强降水过程,进行ICP综合评估指数应用试验,其中,单一评估指数选取中雨公平成功指数ETS、500 hPa高度场均方根误差分别代表模式降水预报能力和环流形势预报能力。结果显示:可预报性评估指数ICP可有效挑选出预报最好和最差的集合预报成员,两者对持续性强降水过程的大尺度环流系统、中尺度影响系统、降水过程预报差异显著,预报最好成员对影响持续性强降水的大尺度环流形势(阻塞高压、西太平洋副热带高压和东亚大槽)的位置和强度及演变过程、低层中尺度影响系统(如切变线和西南低涡)发生发展过程预报,以及降水发生时间和落区预报与实况更接近,预报更成功,持续性强降水可预报性综合评估指数ICP合理可靠。     

短时强降水和持续性强降水的雨滴谱特征对比

短时强降水和持续性强降水的雨滴谱特征因冷云和暖云过程不同有时会存在较大差异,分析两者雨滴谱特征的差异有助于深入了解不同类型强降水的微物理特征,对提高雷达定量估测降水精度起到一定作用。以2018年6月湖北省一次由西南低涡产生的短时强降水(SHR)和持续性强降水(PHR)过程为例,利用自动站气象站资料、CINRADA/SA多普勒天气雷达产品、DSG5型降水现象仪雨滴谱资料以及ERA5再分析资料,对比分析了SHR和PHR的雨滴谱特征及其拟合的雷达反射率因子(Z)-雨强(R)关系(Z=aR^b)的差异。结果表明:(1) SHR过程的对流云降水各粒径(D)平均数浓度高且粒径大,与其内部活跃的冰相过程和暖云层中的雨滴碰并、碰撞-破碎微物理过程相关;PHR过程的层状云降水小粒径(D<2 mm)平均数浓度高而中、大粒径的平均数浓度低。(2)归一化Gamma谱截距参数(lgN_w)和质量加权平均直径(D_m)分布显示SHR过程的谱型分布更广,具有较大的D_m和较小的lgN_w,对流、层状云降水分离线...     

基于动力降尺度的区域集合预报初值扰动构建方法研究

利用全球集合预报系统资料(Global Ensemble Forecast System,GEFS),基于WRF中尺度模式构建了区域集合预报系统,区域集合初值的构建采用两种方案,一种是GEFS全球集合预报初值场直接动力降尺度(称为DOWN集合),另一种是提取GEFS全球集合降尺度后的扰动场,并叠加到区域数值预报系统(北京快速更新循环数值预报系统:Beijing Rapid Update Cycle System,BJ-RUC)分析场上构建集合初值场(称为D-RUC集合)。进行了批量试验,通过对比发现D-RUC集合的中小尺度扰动增长优于DOWN集合,而大尺度扰动分量的增长两者相当,说明与高分辨率分析场叠加可以促进动力降尺度扰动的中小尺度扰动分量的增长。集合预报扰动准确性检验结果显示,短预报时效内DOWN集合扰动明显低估了预报误差,在预报误差较大的位置扰动较小,而D-RUC集合能够更好地识别预报场中哪些位置预报误差较大,而哪些位置预报误差较小。集合预报检验结果表明,D-RUC方法能显著改善短时效预报效果,集合离散度有所增加、均方根误差有所减少,概率预报评分显示D-RUC集合比DOWN集合在短预报时效占优。降水个例分析结果表明D-RUC方法能显著改善短时效内的降水概率预报效果。     

焦作市汛期强降水数值预报产品动力释用预报业务系统

利用国家气象中心暴雨模式ＨＬＡＦＳ预报产品,建立了焦作市６～８月强降水预报业务系统。本系统分为两个独立的子系统：相似预报业务系统和ＥＭＯＳ预报业务系统,并在业务实践中把二者结合使用。经１９９７年汛期业务试用,强降水预报准确率达６０％。     

对一次局地短时强降水过程的集合预报研究

以上海区域降水集合预报系统为基础,对2007年6月23~24日发生在上海地区的一次短时强降水过程进行了集合预报研究。结果表明:该集合预报系统总体上对这次强降水过程作出了较好的预报,但对强降水发生的时间、地点的预报还有误差,集合预报提供的概率预报结果比集合平均预报结果更具有参考价值。模式物理过程、初值和侧边界的不确定性对降水预报结果的影响是不同的。对降水结果,模式对流参数化方案的影响非常大,并贯穿于整个积分过程;边界层参数化方案的影响较小;侧边界不确定性的影响在初始阶段较小,随后逐渐增大,积分一定时间后,其影响与对流参数化方案的影响相当;初值不确定性在初始阶段有一定的影响,随后逐渐减小。同时考虑3种不确定性的集合预报效果总体上好于没有考虑侧边界不确定性的集合预报效果,考虑模式物理过程和侧边界不确定性的集合预报效果总体上比考虑3种不确定性的集合预报效果更好。对于考虑模式物理过程和侧边界不确定性的集合预报,改进初值能有效地改进对有无降水的预报,但对强度稍大一些的降水预报没有改进。     

初、边值条件对区域气候模拟的影响

利用区域气候模式(RegCM2)对1998年夏季风气候进行了模拟,并就初、边值条件对模拟结果的影响情况进行了讨论,结果表明:该模式可以较好地模拟出月际尺度的气候变化,但对降水异常的模拟还需作进一步完善.通过在几个季节采用不同初始场进行的数值模拟发现,从春季开始的积分其结果对初始场的敏感性较高,初始场的差别会对后期模拟产生明显影响.相对来说,从冬季开始的积分,其对初始场的依赖性较小,初始场的差别会在积分过程中逐渐减小,因而在利用RegCM2进行区域气候模拟时宜从冬季开始.另外,通过对采用不同侧边界嵌套方案的模拟效果进行简单讨论,发现当采用较少的缓冲区(5圈)时,海绵边界对温度、比湿及位势高度的模拟要比指数松弛及流入流出边界好,降水的模拟也要比其他方案好一些,但对风场的模拟则不如指数松弛方案.     

低频天气图方法在湖南省雨季强降水过程预报中的应用

利用2006—2010年4—6月NCEP/NCAR 500 hPa高度场和700 hPa风场逐日格点资料及湖南省97个地面气象观测站逐日降水观测资料,运用低频天气图方法,确定影响湖南强降水过程天气关键区,分析影响湖南强降水过程的低频天气系统活动周期、变化路径及低频天气系统与强降水过程的配置的基础上,建立了湖南省4—6月延伸期强降水过程预报模型,回报拟合率以4月最高,平均为64.4%;5月次之,平均为54.9%;6月最低,平均为50.7%;10、15、20、25和30 d等不同预报时效的准确率以提前30 d的回报准确率最高。应用于2011年4—6月强降水过程预报,准确率为70%,其中报对7次强降水过程,空报3次,无漏报。     

RegCM3对中国区域气候模拟的敏感性试验

为使区域气候模式RegCM3在中国区域气候的模拟中取得更好的模拟效果,针对RegCM3进行了初始场、模式水平分辨率、侧边界方案及积云对流方案的敏感性试验.结果表明:①从冬季开始的积分,模拟结果对初始场的依赖性较小;②模式水平分辨率的提高不一定会带来模拟效果的显著改善,高分辨率的嵌套模拟会对模拟效果有一定程度的改善;③选...     

Impacts of Spectral Nudging on the Sensitivity of a Regional Climate Model to Convective Parameterizations in East Asia

The sensitivity of a regional climate model (RCM) to cumulus parameterization (CUPA) schemes in modeling summer precipitation over East Asia has been investigated by using the fifth-generation Pennsylvania State University-National Center for Atmospheric Research Mesoscale Model (PSU-NCAR MM5). The feasibility of physical ensemble and the effect of interior (spectral) nudging are also assessed. The RCM simulations are evaluated against the NCEP/NCAR reanalysis data and NCEP/CPC precipitation data for three summers (JJA) in 1991, 1998, and 2003. The results show that the RCM is highly sensitive to CUPA schemes. Different CUPA schemes cause distinctive characteristics in the modeling of JJA precipitation and the intraseasonal (daily) variability of regional precipitation. The sensitivity of the RCM simulations to the CUPA schemes is reduced by adopting the spectral nudging technique, which enables the RCM to reproduce more realistic large-scale circulations at the upper levels of the atmosphere as well as near the surface, and better precipitation simulation in the selected experiments. The ensemble simulations using different CUPA schemes show higher skills than individual members for both control runs and spectral nudging runs. The physical ensemble adopting the spectral nudging technique shows the highest downscaling skill in capturing the general circulation patterns for all experiments and improved temporal distributions of precipitation in some regions.     

Regional climate model sensitivity to domain size

Regional climate models are increasingly used to add small-scale features that are not present in their lateral boundary conditions (LBC). It is well known that the limited area over which a model is integrated must be large enough to allow the full development of small-scale features. On the other hand, integrations on very large domains have shown important departures from the driving data, unless large scale nudging is applied. The issue of domain size is studied here by using the “perfect model” approach. This method consists first of generating a high-resolution climatic simulation, nicknamed big brother (BB), over a large domain of integration. The next step is to degrade this dataset with a low-pass filter emulating the usual coarse-resolution LBC. The filtered nesting data (FBB) are hence used to drive a set of four simulations (LBs for Little Brothers), with the same model, but on progressively smaller domain sizes. The LB statistics for a climate sample of four winter months are compared with BB over a common region. The time average (stationary) and transient-eddy standard deviation patterns of the LB atmospheric fields generally improve in terms of spatial correlation with the reference (BB) when domain gets smaller. The extraction of the small-scale features by using a spectral filter allows detecting important underestimations of the transient-eddy variability in the vicinity of the inflow boundary, which can penalize the use of small domains (less than 100 × 100 grid points). The permanent “spatial spin-up” corresponds to the characteristic distance that the large-scale flow needs to travel before developing small-scale features. The spin-up distance tends to grow in size at higher levels in the atmosphere.     

Evaluation and Analysis of RegCM3 Simulated Summer Rainfall over the Huaihe River Basin of China

This study evaluates the ability of the Abdus Salam International Center for Theoretical Physics(ICTP)version 3 Regional Climate Model(RegCM3) in simulating the summer rainfall amount and distribution and large-scale circulation over the Huaihe River basin of China.We conducted the simulation for the period of 1982-2001 and the wet year of 2003 to test the ensemble simulation capacity of RegCM3.First,by comparing the simulated rainfall amount and distribution against the observations,it is found that RegCM3 can reproduce the rainfall pattern and its annual variations.In addition,the simulated spatial patterns of 850-hPa wind and specific humidity fields are close to the observations,although the wind speed and humidity values are larger.Finally,the ensemble simulation of RegCM3 for summer 2003 failed to capture the spatial distribution and underestimated the magnitude of the precipitation anomalies,and the reasons are analyzed.     

边界层和陆面过程对中国暴雨影响研究的进展

以华中区域中尺度业务模式WRF3D为平台,使用MYJ、ACM2边界层方案完成2012年7月的批量敏感试验,重点研究不同边界层方案对中国中东部地区夏季降水预报的影响。与高分辨率降水实况相比,白天（夜晚）的降水预报差异主要由降水面积（降水强度）决定,以MYJ方案在白天预报过大降水面积和ACM2方案在夜晚预报过强降水最为突出。对模式结果的进一步诊断表明,MYJ方案下的大面积降水由白天大范围启动积云对流方案形成隐式降水造成,而ACM2方案下的强降水与夜间更易激发云微物理方案形成过强显式降水有关。在此基础上,从边界层方案设计原理出发,指出不同方案下的垂直混合强度是导致降水预报差异的根本原因。

     

NCC_CGCM模式的我国夏季降水集合预报方法效果评估及改进

通过对国家气候中心全球海气耦合模式(NCC_CGCM)1983～2006年48个不同初值样本的我国夏季降水预报(回报)、等权重集合预报及二次非线性订正预报的评估效果比较,其中订正预报的平均效果比等权重集合预报的平均效果好,但总体平均预报效果都不高.在评估中发现,48个样本在不同地区的预报效果的差异显著,正相关显著区域出现的位置各不相同,有的样本出现在江南,有的出现在东北,还有的出现在黄淮等地,因此提出了用历史回报的相关系数构建新的集合预报.试验表明,新集合预报的平均效果优于等权重集合预报、二次非线性订正预报和业务系统中现有的集成方法.     

论区域气候模式与全球模式嵌套时边界区的选择

做了3个试验,第一个试验只用大气环流模式(GCM),主要考察GCM的性能并确定其误差的区域分布.后两个为对比试验,一个试验中,将区域气候模式(RCM)(NjU-RCM)的侧边界放在全球模式(L9R15)中我们感兴趣的区域,未考虑侧边界区GCM的误差大小,另一个试验中,RCM的侧边界位置根据GCM预报误差的空间分布选取,使其落在GCM预报误差较小的区域.3个试验都对1998年5、6、7月份中国区域的降水过程进行了模拟和比较.结果表明:单独使用GCM的效果最差;当用GCM-RCM嵌套模式对区域气候进行预测时,GCM侧边界值的误差对RCM的模拟结果有显著的影响,嵌套侧边界若选择在GCM系统性误差较小的地区,模拟或预测效果会有明显的改进.