同化青藏高原地区GPSPW数据对长江中下游地区降水预报的影响评估

长江中下游地区位于东亚季风区,其夏季降水的水汽部分来源于孟加拉湾的水汽输送。本文利用青藏高原地区全球定位系统（GPS）站点观测到的大气可降水量（PW）资料,采用WRF模式（Weather Research and Forcasting Model）的同化模块（WRFDA）,将这支水汽输送带的信息同化进数值模式,并用WRF模式对长江中下游地区的7月份降水预报进行批量试验和个例分析。批量试验和个例分析采用3种方案：无资料同化的控制试验（NoDA）,冷启动同化试验（Cold）和循环同化试验（Cycling）。此外,还针对Cycling方案进行延长预报时长的补充试验以探究同化带来正效果最明显的时段。同时为了探究同化正效果的来源,针对Cycling方案进行只同化被主要水汽输送带覆盖的GPS站点的补充试验（Cycling_less_a）以及只同化不被主要水汽输送带覆盖的GPS站点的补充试验（Cycling_less_b）。试验结果表明：同化青藏高原地区的GPS数据能在一定程度上改善长江中下游地区的降水预报,对于48～72小时的降水预报改善效果尤为明显,且Cycling方案在整体上优于Cold方案。对于Cycling方案,在120小时预报时长内,同化正效果最明显时段为48～72小时。当水汽输送带较多地经过同化区域时,降水的TS评分能得到明显改善,而当水汽输送带较少地经过同化区域时,降水的TS评分改善效果不明显。如果只同化被水汽输送带覆盖到的GPS站点的GPSPW数据,仍然可以保留住大部分的同化正效果,因此,针对性地同化GPSPW数据是可行的。     

实时GPS可降水量资料的变分同化个例研究

用实时GPS可降水量(Precipitable Water,PW)资料GPSPW,针对2007年7月2—3日发生在日本九州南部地区的一次梅雨锋降水过程,设计控制试验和4个同化试验,利用WRF和WRF-Var模式进行三维变分同化研究,并用ETS评分客观评价各方案的预报效果。结果表明:实时GPSPW同化能有效地改进模式初始时刻水汽场以及预报时间内(0～6h)的PW。背景误差水平尺度调节系数的大小对水汽场的调整范围和PW的改进程度有一定影响。GPSPW的实时性能提高降水预报业务的实时性。     

实时 Ｇ Ｐ Ｓ可降水量资料的变分同化个例研究

用实时GPS可降水量(Precipitable Water, PW)资料GPSPW,针对2007年7月2-3日发生在日本九州南部地区的一次梅雨锋降水过程,设计控制试验和4个同化试验,利用WRF和WRF-Var模式进行三维变分同化研究,并用ETS评分客观评价各方案的预报效果.结果表明:实时GPSPW同化能有效地改进模式初始时刻水汽场以及预报时间内(0～6 h)的PW.背景误差水平尺度调节系数的大小对水汽场的调整范围和PW的改进程度有一定影响.GPSPW的实时性能提高降水预报业务的实时性.     

同化GPS可降水量资料在安徽地区暴雨预报中的应用

利用2014年5月10日08时和5月24日08时的中国GPS(Global Positioning System)可降水量资料、地面气象观测资料及探空资料,基于WRF(Weather Research Forecast)模式及其三维变分同化系统对安徽地区2014年5月10日区域性暴雨过程和5月24日局地性暴雨过程进行了同化研究。结果表明:同化GPS水汽资料能较好地改善WRF模式的湿度场,对风场的调整较小;同化探空资料和地面常规气象观测资料可以同时调整湿度场与风场,但对湿度场的改善效果明显不如同化GPS水汽资料。仅同化GPS可降水资料,可以改进暴雨落区和强度的WRF模式模拟预报效果;而同化探空资料和地面常规气象观测资料对暴雨落区与强度预报的改进效果低于仅同化GPS水汽资料;同时同化地面常规气象观测资料、探空资料和GPS可降水资料对暴雨强度与落区的预报效果改进明显,与实况更接近,暴雨预报的TS评分更高,空报率更低。     

利用LAPS系统同化地基GPS水汽资料的应用研究

介绍了武汉暴雨研究所引进的LAPS系统(Local Analysis and Prediction System)在水汽分析中应用GPS水汽资料的方法。设计三种试验方案与实况进行对比分析,并结合WRF模式模拟,研究GPS水汽资料在LAPS系统中的作用以及对预报的影响。结果表明,LAPS同化GPS水汽资料后,对湿度场产生较大调整;对比各方案LAPS输出的可降水量后发现,GPS水汽资料的作用比雷达资料大一个量级;从模式模拟试验结果比较看出,LAPS对GPS水汽的同化能改善GPS测站分布区域降水预报,并对下游暴雨的预报也有正效果,能提高暴雨量级的Ts降水评分。     

ATOVS卫星资料同化对三江源暴雨预报影响的试验研究

选取3个三江源的典型降水个例(2018年6月30日、7月5日、8月24日),利用NCEP FNL再分析数据,并加入ATOVS湿度探测器MHS资料同化,基于WRF模式及其三维变分同化系统对三江源区域3次降水过程进行循环同化试验,分析3次事件的模拟状况,并定量分析降水结果。结果表明,3次降水事件在加入MHS资料同化后,1)模拟的水汽增大,在中层体现最明显且更符合实际情况,高空水汽和风模拟较好,地面温度预报欠佳;2)MHS资料对降水预报的影响主要体现在降水区面积和降水量的增大,提高了降水预报水平,但也带来较多空报区域;3)从TS、ETS、POD评分结果来看,有两个降水试验的提升较为明显,其中“0630”试验TS评分结果在0.5～10 mm之间提升了0.05～0.1,ETS在5 mm提升超过0.08,在10～20 mm之间也有少量提升,POD检验在0.5～20 mm之间均有提升,在0.5～10 mm之间提升最为明显,提升了0.1～0.25,“0824”试验TS与ETS在10～20 mm之间提升超过0.1,POD检验在6～20 mm之间提升了0.1～0.4,同化后降水预报有所改善,且在大阈值降水尤为明显;4)MHS资料同化对“0705”试验降水预报改善不明显,说明同化并不是每次都能给结果带来正效应,因此在使用MHS资料时不能过于信赖它,但总体上,同化MHS资料能够提升预报质量。     

bbGPS/PWV资料三维变分同化改进MM5降水预报连续试验的评估

利用区域地基GPS网反演的高时空密度的大气垂直方向水汽总量,也称为可降水量（PWV）,可大大弥补常规探空探测水汽资料的不足。为了全面评估区域GPS网PWV资料同化对业务数值天气预报改进程度的目的,在个例研究分析的基础上,进行了连续38天的GPS/PWV资料三维同化（3D-Var）改进数值业务预报的试验。研究方法是根据长江三角洲地区GPS气象网在2002年梅雨和盛夏季节观测的刖资料,通过三维变分同化建立中尺度数值预报模式MM5的初始场,逐日作出长江三角洲地区24小时的降水量预报。以6小时累积雨量为对象,与未同化GPS／刖资料的MM5的相应预报比较,通过多种评分方法,评估了GPS／PWV资料改进MM5降水预报的效果。结果表明GPS／PWV资料同化后的MM5降水预报能力在大部分时间和大部分地区都有所提高,主要是伪击率有较明显的下降,对小范围降水预报的改进更为明显。预报明显改进的区域恰好位于GPS站填补常规探空站间距较大的地区。     

华中区域LRUC系统的构建与试验

如何将区域观测资料在中尺度模式中快速有效同化是提高区域精细化数值预报准确率和时效性的关键所在。本文简单介绍了基于LAPS和WRF建立的快速循环同化预报系统LRUC,以一次影响长江中游的典型梅雨锋暴雨过程为例,设计几种试验方案,结合实况降水分布,对比分析华中区域多普勒雷达资料循环同化对改善暴雨预报的作用;根据个例试验结果,设计批量后报试验方案,对比分析雷达资料同化对华中区域2007年主汛期(6—8月)多个时效降水预报评分。暴雨个例试验结果表明,华中区域多普勒雷达资料在LAPS中的同化,能为WRF提供更优初值场;同化华中区域地面资料和雷达资料后,比仅同化地面资料更能改进模式初值,改善模式降水预报,且降雨量级越大,24 h降水预报TS评分越高。批量后报试验结果表明,建立的快速循环同化预报系统LRUC,能对区域多源观测资料进行多时次循环同化分析,为模式初值增加观测资料的时间演变信息,提高模式对暴雨量级降水的预报水平;系统具有稳定性和一定的评分水平。     

利用WRF和多普勒雷达资料同化对一次江淮地区梅雨降水过程的模拟研究

为了研究同化雷达资料对数值模式降水预报的改进效果,针对2015年6月26—28日江淮地区梅雨降水过程,进行了结合雷达资料同化的数值模拟研究。首先介绍了过程的降水概况、环流形势。其次,利用WRF模式进行降水过程的数值模拟,在完成控制试验的基础上进行WRF-3DVAR的雷达资料同化。经过15 h的启转后,分别进行了针对背景误差协方差矩阵中特征长度和方差尺度的敏感性试验,得到最适合本次个例的特征长度(0.5)、方差尺度(0.7)。设置最优的特征长度和方差尺度后,进行同时同化反射率因子与径向风、单独同化反射率因子和单独同化径向风的同化试验,并分别设置了间隔为1 h和30 min的同化频率。通过分析个例水汽场、动力场及降水预报场,得到如下结论：1)雷达数据同化能够有效提高降水预报效果;2)同时同化雷达反射率因子和径向风的效果最好;3)同化雷达资料频率越高,效果提高也越明显。     

WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验

本文主要对基于WRF模式的快速同化系统 (RUC) 中使用的积云对流参数化方案进行简单介绍, 并对不同积云对流参数化方案进行了典型个例降水预报的对比试验和检验。结果表明, 总体预报效果以KF和GD方案较好, 具体表现在雨区分布及大暴雨中心强度, 对流降水对总降水贡献, 在中低层流场高低值系统分布, 以及冷空气活动引起的变温正负中心强度及位置, KF和GD方案模拟结果可以较好地反映观测实况, TS评分结果也表明KF和GD方案在小级别降水预报中占有优势。      

地基GPS水汽资料在北京“7·10”暴雨过程研究中的应用

利用2004年7月9-11日北京房山地基GPS探测网逐30分钟柱积分水汽总量(PW,Precipitable Water Vapor)资料,通过分析和数值模拟研究了北京2004年7月10日暴雨天气过程。观测分析表明:地基GPS测站上空水汽总量值的时间变化趋势对暴雨的发生、发展以及过程降水量的分析和预报有一定指示意义。利用NCEP全球预报系统GSF分析场资料作为背景场,采用12/4km双向两层嵌套WRF模式及其三维变分系统,通过同化7月9日1200 UTC地基GPS水汽总量等观测资料进行了36小时数值对比试验。数值研究表明:地基GPS水汽总量数据资料的初值同化明显增强模式初始场湿度,明显提高模式对该暴雨过程降水时段、落区和强度的预报水平。     

“00.7”北京特大暴雨模拟中气象资料同化作用的评估

针对2000年7月4～5日北京地区的一次特大暴雨过程(24 h降水量达240 mm),文中利用MM5/WRF三维变分系统和MM5非静力模式,对此次特大暴雨过程中的各种气象监测资料(地基GPS大气柱水汽含量、常规探空、高空测风、地面常规观测和地面自动气象站)的同化作用通过观测系统数值试验进行了评估.结果表明与传统的客观分析方案相比较,MM5/WRF三维变分同化系统可直接引入非常规地基GPS大气柱水汽含量监测资料,提供更好的大气初始分析场.在三维变分同化方案下,各种大气监测资料均对改进此次特大暴雨模拟有不同程度的贡献,其中,常规探空和高空测风监测资料对改进预报结果的影响最大,地面常规观测和地面自动气象站观测资料作用次之,地基GPS大气柱水汽含量资料在与其他大气监测资料相互优势互补后,可很好地改善模式大气的分析质量,通过三维变分同化技术在区域数值天气预报模式初始场中引入地基GPS大气水汽监测网资料,使此次强降水个例的6 h和24 h测站降水预报的TS评分值在1,5,10和20 mm预报检验阈值下分别提高了1%～8%.研究结果对利用三维变分数值系统,评估气象监测网资料在改进高影响天气事件预报中的作用有借鉴意义.     

Impact of Application of Cloud Motion Wind Data from FY-2C Satellite on Simulation of Typhoon Cases

针对0505号台风“海棠”,采用WRF区域中尺度模式进行控制试验和两个同化试验,利用WRF-3DVAR同化系统同化FY-2C红外和水汽两个通道云迹风反演产品,同化分云迹风经质量控制和未经质量控制两组同化试验.通过三组试验分析云迹风资料对降水和风场等的预报结果的影响,并进行24小时降水量分级Ts评分检验以及风场点对点检验.结果表明:同化经质量控制云迹风资料可以提高降水落区和强度预报的准确度,不同等级的Ts评分较其它试验都有较明显改进;风场预报模拟也有所改善.增加两例台风,使用与“海棠”相似的处理方法进行模拟试验,并对模拟结果24小时降水分析与检验,得到与“海棠”类似结论.因此,经过合理性选择的云迹风资料的加入,有利于补充初始场中可能未包含的中尺度信息,从而提高试验中对于降水、风场等的模拟效果,提高WRF模式的模拟预报能力.     

FY-2C云迹风资料同化应用对台风预报的影响试验研究

针对0505号台风“海棠”, 采用WRF区域中尺度模式进行控制试验和两个同化试验, 利用WRF-3DVAR同化系统同化FY-2C红外和水汽两个通道云迹风反演产品, 同化分云迹风经质量控制和未经质量控制两组同化试验。通过三组试验分析云迹风资料对降水和风场等的预报结果的影响, 并进行24小时降水量分级Ts评分检验以及风场点对点检验。结果表明: 同化经质量控制云迹风资料可以提高降水落区和强度预报的准确度, 不同等级的Ts评分较其它试验都有较明显改进; 风场预报模拟也有所改善。增加两例台风, 使用与“海棠” 相似的处理方法进行模拟试验, 并对模拟结果24小时降水分析与检验, 得到与“海棠”类似结论。因此, 经过合理性选择的云迹风资料的加入, 有利于补充初始场中可能未包含的中尺度信息, 从而提高试验中对于降水、风场等的模拟效果, 提高WRF模式的模拟预报能力。     

GPS/PWV资料在梅雨锋暴雨个例中的同化试验

基于WRF(Weather Research and Forecasting Model,天气预报模式)及其三维变分同化系统3DVAR,利用江苏省GPS/PWV(PWV:Precipitable Water Vapor,GPS反演得到可降水量)资料,并将其与探空资料比对订正,针对2011年6月18日梅雨锋暴雨进行3 h循环同化模拟。在降水参数化方案敏感性试验与单点同化试验基础上,设计多组试验对6 h降水量进行TS(Threat Score)评估。结果表明:(1)同化订正GPS/PWV资料对降水预报能力显著提高,特别是大雨、暴雨量级以上的预报能力;(2)降水量的RMSE(Root Mean Squared Error,均方根误差)相比控制试验均减小,CC(Correlation Coefficient,相关系数)均增大,最显著试验RMSE从19.1 mm下降到12.6 mm,CC从0.45上升到0.74;(3)NMC方法统计的背景误差协方差条件下中雨至暴雨量级TS评分均有一定程度提高,默认的背景误差协方差在大雨以上量级TS评分大幅提高。     

不同观测资料在西南地区数值预报中的应用

利用3.4版WRF同化与预报系统开展自动站、探空、GPS大气可降水量和云迹风资料的同化对比试验,了解现有业务中已同化观测资料在新版系统中的应用效果,确定资料同化优选方案,为西南区域中心数值预报业务改进提供参考。试验表明:(1)自动站资料测站多、分布不均,对初猜场低层要素调整作用大,会减小温度、相对湿度误差;探空资料站点少、垂直信息丰富,对初猜场各层误差减小均有贡献;云迹风资料垂直分布不均,集中在对流层中高层,因此对初猜场的最大调整集中在中高层,会减小位势高度误差;GPS测站少,被剔除的比例高,对初猜场调整作用很小;(2)单独同化试验发现探空、云迹风资料有助于该地区降水预报改进,而自动站和GPS资料对降水预报有负作用;(3)同时同化探空、云迹风资料有利于西南地区降水预报准确率提高,尤其对大降水中心预报。     

GPS观测资料应用于中尺度数值预报模式的初步研究

利用建立在长江三角洲地区GPS观测网中 11个站点的可降水量资料 ,对 2 0 0 2年 6月 2 3～ 2 4日影响长江三角洲地区的降水过程进行了MM5模式初始湿度场调整和Nudging同化试验。试验表明 :利用GPS测量的可降水量对模式初始湿度场进行调整能明显增强模式初始场描述水汽分布的能力 ,从而有效地控制模式积分初期对可降水量预报的误差 ,并对模式 6h累积降水量预报有较明显的改善作用。利用Nudging技术同化GPS可降水量资料对MM5预报效果改善较小 ,并且Nudging系数的增加对预报效果的影响不大。总体上 ,利用GPS可降水量资料调整模式初始湿度场对模式 6h累积降水预报效果的改善明显好于连续Nudging同化。试验还表明 :GPS资料对模式初始湿度场调整改善模式对累积降水量的预报主要是通过改善网格降水预报来实现的 ,而Nudging同化主要是通过改善次网格降水而提高模式降水预报能力的。     

WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验

本文主要对基于WRF模式的快速同化系统（RUC）中使用的积云对流参数化方案进行简单介绍,并对不同积云对流参数化方案进行了典型个例降水预报的对比试验和检验。结果表明,总体预报效果以KF和GD方案较好,具体表现在雨区分布及大暴雨中心强度,对流降水对总降水贡献,在中低层流场高低值系统分布,以及冷空气活动引起的变温正负中心强度及位置,KF和GD方案模拟结果可以较好地反映观测实况,TS评分结果也表明KF和GD方案在小级别降水预报中占有优势。     

一次台风倒槽暴雨的GPS同化试验

选取2012年8月9—10日江苏东北部地区一次台风倒槽特大暴雨天气过程,利用WRF中尺度模式进行数值模拟,在此基础上进行常规观测资料、GPS探空廓线资料的三维变分同化试验,并对试验结果进行对比分析。为了更客观地检验不同方案的模拟效果,对降水采用TS评分检验和预报偏差分析。结果表明:单独同化常规观测数据可以改善降水的落区;GPS探空廓线数据水平分辨率低,仅同化GPS探空廓线数据并不能有效改善模拟效果;同时同化常规观测资料和GPS探空廓线数据可以有效弥补常规数据精度不高、GPS数据水平分辨率低的缺点,无论是对降水的落区还是强度都有很好的改善。     

LAPS同化GPS/PWV资料在暴雨预报中的应用研究

利用LAPS(Local Analysis and Prediction System)系统同化GPS(Global Positioning System)/PWV(Precipitable Water Vapor)资料,分析GPS/PWV资料对LAPS输出场的影响,并结合WRF模式,将LAPS输出场作为其初始场进行降水预报,进一步考察GPS/PWV资料对降水预报的作用。选取2009年6月28日湖北地区的一次强降水过程,设计三种方案进行试验。结果表明:同化GPS/PWV资料后对LAPS湿度场有显著的改善,而对高度场及风场的作用则不明显;GPS/PWV资料对区域平均可降水量的影响比雷达资料大一个量级;与此同时,利用多种评分方法对6 h累计降水做了检验,分析结果表明同化GPS/PWV资料能够有效地改进WRF模式的初始场,增加丰富的中小尺度信息,并对随后的确定性预报产生正影响。