NWP模式中纬向平均环流系统误差的动力诊断

证明了模式在预报时段的纬向平均环流误差，是由于在预报时段内模式大气和真实大气中西风加速过程的不同造成的。又由于原始方程的无加速定理中各强迫因子具有良好的线性迭加性，因此能够清楚地将造成模式系统误差的动力因子分解开来。通过对Ｔ４２Ｌ９模式的分析，说明原始方程的无加速定理可以作为分析模式系统误差的良好手段。动力诊断分析结果表明，模式对纬向平均环流分布具有较好的预报能力，但在各缔带也存在明显的误差。通过无加速定理的分解分析，本文研究了这些误差的成因及改善模式的可能途径。     

原始方程系统中的无加速定理II:纬向平均温度的变化

利用作者在本文第Ⅰ部分提出的原始方程系统中的无加速定理,这部分讨论大气动量、热量的内外源强迫对纬向平均温度场的作用。数值计算结果表明:外源热力强迫引起的温度场的变化主要在对流层下层;而热力内强迫的作用在中高纬对流层中分布较均匀,两者在维持纬向平均温度场的变化中十分重要。机械外强迫和机械内强迫各自的贡献次之。平均经圈环流的贡献则主要在对流层顶附近及平流层中,由于热力内强迫产生的位温变化在一定程度上大致被热力外强迫所平衡,而机械内、外强迫则具有相似的空间分布,从而,总的热力强迫所引起的位温变化的分布基本上为总的机械强迫作用所平衡,纬向平均位温的准定常状态由此得以维持。     

原始方程系统中的无加速定理——Ⅱ:纬向平均温度的变化

利用作者在本文第Ⅰ部分提出的原始方程系统中的无加速定理,这部分讨论大气动量、热量的内外源强迫对纬向平均温度场的作用。数值计算结果表明:外源热力强迫引起的温度场的变化主要在对流层下层;而热力内强迫的作用在中高纬对流层中分布较均匀,两者在维持纬向平均温度场的变化中十分重要。机械外强迫和机械内强迫各自的贡献次之。平均经圈环流的贡献则主要在对流层顶附近及平流层中,由于热力内强迫产生的位温变化在一定程度上大致被热力外强迫所平衡,而机械内、外强迫则具有相似的空间分布,从而,总的热力强迫所引起的位温变化的分布基本上为总的机械强迫作用所平衡,纬向平均位温的准定常状态由此得以维持。     

利用经验正交函数绘制低频天气图的研究

根据NCEP/NCAR1再分析资料及GFS模式资料,利用经验正交函数分解及Morlet小波变换方法,制作EOF低频天气图。与Butterworth滤波方法提前设定低频周期不同,该方法遵从大气自身的时-频变化特征,能够及时调整显著周期,提取研究时段的主要低频振荡。跟踪分析表明:EOF低频天气图上的低频系统的准周期性和准定常性都较为稳定,能够反映大气环流的主要特性。比较而言,在EOF低频天气图上,中低纬地区的主要低频系统的位置及气流的辐合区更接近实际大气的主要特征。而Butterworth低频图对中高纬低频系统的刻画能力更强。可综合两种低频图的特点加以利用。另外,利用GFS模式的预报场获取未来1~10 d的EOF低频预报图,将其用于延伸期预报,可增长低频天气图方法的预报时效。     

加密探空资料同化对北京地区边界层数值模拟的影响

基于2016年8月28日至9月2日在北京市宝联站、朝阳站、大兴站获得的逐3 h加密探空资料,利用WRF V3.9.1模式和WRF-3DVar系统,对北京地区大气边界层进行数值模拟试验,研究加密探空资料同化对边界层数值模拟的影响。结果表明:同化形成的分析场较背景场更接近观测值,更能表现边界层内真实大气的热力、湿度状态及动力特征。位温、比湿、纬向风、经向风、风速分析场的均方根误差分别较背景场的减少了86%、59%、24%、44%、19%,体现出同化的较强修正作用。加密探空资料同化的预报效果在模式积分6 h内最好,之后同化作用的大小及范围逐渐减弱。加密探空资料同化对边界层内大气湿度状态在整个预报时段内均有改进,对边界层内大气热力状态的改进持续6 h,对于边界层内大气动力特征的改进,纬向风改进较多,经向风和风速不明显,这与风的自身属性、北京市的复杂地形有关。另外,加密探空资料的站点数在空间水平方向上比较少也是导致同化在分析场的改善作用明显但是效果难以持续较长时间的原因之一。     

提高月预报业务水平的动力相似集合方法

针对基于大气环流模式的月预报问题,提出了一种能有效减小预报误差并提高预报技巧的动力相似集合预报新方法。该方法着眼于动力模式与统计经验的内在结合,在模式积分过程中通过提取大气环流历史相似性信息,对模式误差进行参数化处理,形成多个时变的相似强迫量来扰动生成预报的集合成员。将这一集合新方法应用到中国国家气候中心业务大气环流模式(BCC AGCM1.0),一组10 a准业务环境下回报试验结果显示,相比于业务集合预报,动力相似集合预报方法能有效改进模式对于大气环流的纬向平均、超长波和长波预报,从而有效提高了月平均环流预报技巧(几乎达到业务可用标准)和逐日环流预报技巧,并显著降低了预报误差,合理增加集合离散度,使二者配置关系得以改善,有望在业务预报中应用。     

从2005年台风数值预报误差探讨决策预报中的几个问题

通过2005年5个台风9种数值模式在各时段的登陆点预报误差统计分析，结合各次台风过程天气形势的分析，探讨数值预报模式对台风路径的预报能力，并对台风决策预报服务中的几个问题提出探讨意见。统计分析结果表明，数值模式对台风路径的72-96小时预报的平均误差较大，当天气形势出现较大的变化和调整时，预报有可能出现一致性的误差。     

华中区域环境气象数值预报系统及其初步应用

基于WRF/Chem大气化学模式建立了华中区域环境气象数值预报系统,初步应用在武汉市大气污染物浓度数值预报中,并与CUACE全国环境气象模式产品预报进行比较,最后通过试验探讨了一种大气污染调控方案。结果表明,模式系统较好地验证了武汉市大气污染物浓度日变化及空间分布特征,对PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO浓度变化趋势及误差稳定性预报较好,平均绝对百分误差MAPE控制在20%~40%,冬季O3预报出现系统正偏差,但趋势预报较好。区域WRF/Chem模式对武汉市的大气污染物浓度预报效果要优于CUACE模式系统,可为武汉市空气质量预报提供更具有参考价值的模式指导产品。此外,试验探讨了污染源排放速率的优化调控方案,依据大气边界层高度日变化特征,通过动态调控一天中不同时段的污染源排放速率,调度日间最大排放至大气稀释扩散的有利时段,在不消减日排放总量的情况下,也可以减少大气污染。     

用伴随模式方程组优化飓风路径预报模式

模式拟合方法或“伴随方法”在一个正压飓风路径预报模式中做了检验。在同化时段的开始对涡度场加以调整，以使耗损函数达到极小值，后者定义为模式涡度与一系列间隔为１２小时的分析涡度的差的平方。在使耗损函数极小化以后，模式涡旋在同化时段内紧沿着观测到的风暴路径而行，表明过去的风暴路径的信息正包含在模式解之中。使用这一同化方法作的路径预报与用该同化时段结束时刻单一分析对模式初始化的控制预报作了比较。对飓风Ｈｕｇｏ（１９８９）的１８次序列预报的结果表明采用１２小时同化时段，４８小时以内的平均路径预报误差均小于相应的控制预报误差。采用２４小时同化时段的预报误差要大于１２小时同化时段的误差。由Ｄｅｒｂｅｒ所述的即把一个使耗损函数极小化的强迫项加到涡度方程中的方法被用来延长同化时段。强迫函数在涡旋附近有非常局地化的极值，因为涡旋尺度和涡旋在同化时段内移动的距离相当。这种局地化强迫作用影响随后的预报时段内风暴移动。如果在同化时段开始时首先对涡度加以调整，则该局地化强迫作用的幅度变小，然后加入强迫项以使耗损函数进一步变小。当采用这种组合方法时，在７２小时以内平均路径误差小于控制模拟的误差。     

复杂地形城市冬季大气污染的数值模拟研究

采用中尺度大气动力模式与大气扩散模式相结合的方法，针对复杂地形条件下兰州市冬季无明显冷空气入侵天气过程时段（1994年12月2－3日）的大气污染状况，进行污染物（二氧化硫和烟尘）浓度分布的数值模拟研究，分析了模拟的风场的气温层结随时间的变化以及污染物浓度的分布及其变化，进一步分析了模拟的风场和气温层结与污染物浓度分布的关系。结果表明，该模式系统对兰州市大气边界层结构及污染物浓度的分布有较好的模拟能力，并证明了该模式系统可适用于兰州市大气质量预测预报研究。     

DIAGNOSIS OF NWP SYSTEMATIC FORECAST ERRORS IN ZONAL MEAN CIRCULATION

It is proved in this paper that NWP systematic forecast errors in the zonal mean circulation aredue to the difference in westerly acceleration process during the forecasting period between model andreal atmospheres.Those forcing factors which evoke the zonal mean wind variation can be split into various linearterms according to the non-acceleration theorem in a primitive equation system,By applying this tech-nique to the diagnosis of the forecast produets of the T42L9 model in January 1992 and in July 1992,it is indicated that the model has the ability to forecast the zonal mean wind to a reasonable extent,but there are still some errors in several places,especially in the upper troposphere and lower strato-sphere in the mid-latitude region as well as near the surface.The results of analysis by employing thisscheme reveal the reason responsible for the systematic forecast errors of the zonal mean wind in themodel and the possible way of improving it.It is also shown that non-acceleration theorem can be used as an efficient tool to diagnose thephysical processes of NWP models.     

各种物理强迫激发的平均经圈环流特征及其对数值天气预报模式系统误差的贡献

本文证明7种强迫作用激发经圈环流的线性叠加性，分项考察了各种物理强迫激发经圈环流的特征，通过考察一个数值模式的模式大气和实际大气各种物理强迫激发经圈环流的差异，分析了模式系统误差的成因，这种建立在动力背景之上的模式误差分析方法，其物理意义明确，具有较为普遍的适用性。     

数值预报产品统计释用技术在热带气旋路径客观预报中的应用

首先对应用数值预报产品统计释脾技术的效果进行了统计。结果表明,数值预报产品和技术的应用改善了热带气旋路径客观预报中预测因子的预报能力,提高了模式的预报技巧并拓展了有效预报时效。继而对热带气旋路径客观预报中若干统计释用技术问题进行了讨论,并指出：在应用数值预报产品构造热带气旋路径客观预报模式时,采用大样本资料和完全预报方法,细心构造反映各种天气系统特征和物理量场的预报因子,应用多时刻产品并对ＮＷＰ产     

2004年主汛期各数值预报模式定量降水预报评估

随着数值预报技术的飞速发展, 模式定量降水预报已成为天气预报业务工作中的主要参考依据。本文对目前在国家气象中心应用的3个业务运行模式T213L31, HLAFS0.25, 华北中尺度模式MM5和德国模式及日本模式的降水预报产品进行了季节空间分布、区域时间序列演变及统计检验, 试图从空间、时间及统计方面对降水预报产品的预报性能进行综合评估。检验结果表明:目前的数值预报模式对短期时效内定量降水预报均具有一定的空间预报能力, 但强降水中心位置有一定的偏差; 从时间序列演变检验来看, 模式对区域强降水过程的发展趋势具有较强的预报能力, 但降水量预报与实况有一定的差距; 从累加统计评分检验结果来看, 模式短期时效的预报性能差别不大, 全球模式在小中雨预报方面有一定优势, 其中日本模式的综合预报性能最好, 大雨以上量级的预报则是国内的模式有一定的优势, 其中华北中尺度MM5模式, T213L31模式各有所长, 但均存在预报量和预报区偏大问题。     

The impact of the assimilation of scatterometer winds on surface wind and wave forecasts

Recent work has demonstrated that surface marine winds from the Bureau of Meteorology's operational Numerical Weather Prediction (NWP) systems are typically underestimated by 5 to 10%. This is likely to cause significant bias in modelled wave fields that are forced by these winds. A simple statistical adjustment of the wind components is shown to reduce the observed bias in Significant Wave Height considerably. The impact of increasing the vertical resolution of the NWP model and assimilating scatterometer data into the model is assessed by comparing the resulting forecast wind and waves to observations. It is found that, in general, the inclusion of scatterometer observations improves the accuracy of the surface wind forecasts. However, most of the improvement is shown to arise from the increased number of vertical levels in the atmospheric model, rather than directly from the use of the observations. When the wave model is forced with surface winds from the NWP model that includes scatterometer data, it is found that the scatterometer assimilation does not reduce the systematic bias in surface wave forecasts, but that the random errors are reduced.     

一个简单的热带有限区资料四维同化方案

根据广州区域气象中心热带有限区数值天气预报的条件和特点,设计了一个简单可行的四维同化方案,并通过模式平行试验,详细地分析了该方案对分析和预报的改进情况,表明该方案可以得到一个较为平衡而又与模式大气状态近于协调一致的分析场,大大缩短了模式的Spin—up时间和减小了积分初期模式调整的幅度,从而改进了预报结果。这种改进在资料稀疏区比资料密集区要大得多。通过四维同化,模式的高度场预报、风场预报、质量场及总动能在积分过程中的演变等都得到了令人满意的改进。通过在同化过程中区别对待20°N以南的资料稀疏区及其以北的资料密集区,进一步使模式降水预报得到显著的改进。     

数值天气预报模式产品在预报业务中的应用

介绍了数值预报模式产品性能的基本特征,讨论了模式产品误差的地理、季节和层次分布、不同尺度模式产品的可预报性、模式输出要素及物理量、指数的误差特点,并根据目前业务中常见的错误预报思路探讨了应用数值预报模式产品的合理思路,指出现代预报业务中预报员的作用。认为现代预报员应该了解几种基本的数值预报模式的特性及基本原理,集合各种模式的优点,综合本地预报经验,有效利用海量数值预报产品,做出更高质量的预报结果。     

T63模式月动力延伸预报高度场的改进实验

为克服T63模式月动力延伸预报中纬向平均环流的系统性误差较大的情形,文章利用NCEP/NCAR逐候再分析500 hPa高度场资料和非线性时空序列预测理论的局域近似法进行逐候纬向平均高度距平场预报.近30组个例的预报效果分析表明,就1～3旬总体而言,非线性时空序列预测方法对纬向平均高度距平场的预报优于持续性预报和模式动力延伸预报,体现了改善纬向平均高度场的能力.尤其是第3旬的预报,当持续性预报偏差与实况偏差明显增大、动力预报技巧相对于第1旬和第2旬降低时,相空间重构结果仍然保持一定的优势.     

A forecast error correction method in numerical weather prediction by using recent multiple-time evolution data

The initial value error and the imperfect numerical model are usually considered as error sources of numerical weather prediction (NWP). By using past multi-time observations and model output, this study proposes a method to estimate imperfect numerical model error. This method can be inversely estimated through expressing the model error as a Lagrange interpolation polynomial, while the coefficients of polynomial are determined by past model performance. However, for practical application in the full NWP model, it is necessary to determine the following criteria: (1) the length of past data sufficient for estimation of the model errors, (2) a proper method of estimating the term "model integration with the exact solution" when solving the inverse problem, and (3) the extent to which this scheme is sensitive to the observational errors. In this study, such issues are resolved using a simple linear model, and an advection-diffusion model is applied to discuss the sensitivity of the method to an artificial error source. The results indicate that the forecast errors can be largely reduced using the proposed method if the proper length of past data is chosen. To address the three problems, it is determined that (1) a few data limited by the order of the corrector can be used, (2) trapezoidal approximation can be employed to estimate the "term" in this study; however, a more accurate method should be explored for an operational NWP model, and (3) the correction is sensitive to observational error.