包含正定水汽输送算法改进的MM4中尺度模式与暴雨实例数值试验

暴雨预报是一个既重要又十分困难的问题。水汽条件是产生暴雨的关键，水汽的平流输送在模式的水汽方程中占有重要地位，模式对暴雨的预报能力必然涉及到水汽输送的计算精度问题；本文以著名的中尺度模式ＭＭ４为基础，理论测试和分析为依据，以引入新的正定高精度水汽输送算法作为消除模式水汽负值和改进中尺度模式预报能力的途径，研制了取名为改进的ＭＭ４中尺度模式，该模式除仍保留原ＭＭ４模式的所有功能外，增加了５种水汽输送算法的改进与选择，这５种算法是：１）Ｂ网格二阶守恒中心差（原ＭＭ４平流格式），２）上游差分，３）Ｂｏｔ（２阶），４）Ｂｏｔ（４阶），５）Ｐｒａｔｈｅｒ格式。多个暴雨、台风个例试验表明模式预报能力对水汽输送算法精度有显著的依赖性，采用高精度的水汽输送算法水汽保证正值并提高了模式对暴雨区、降水结构、雨团活动的预报能力。改进水汽输送算法的精度是提高中尺度模式对暴雨预报能力的重要途径。     

The influences of boundary layer parameterization schemes on mesoscale heavy rain system

1.Introducti0nThemesoscaleoperationalmodel-whichisoftenused,isMM4orMM5'butMM4isusedfrequentlyonlO3kmscale.Thephysicalprocessesinthismodeldevelopconstantly.FororiginalMM4,thecomputationofsurfacefluxesisnotaccurate,andKmodelfortheturbu-lencefluxesbetweenany2levelsneedstobeimprovedbynewtreatment.Inordertostudytheinfluencesofboundarylayerparameterizationschemesonmesoscaleheavyrainsystem,sur-facefluxesandKmodelinoriginalMM4areimprovedbytherecentresearchinthispaPer.Theflux-profilerelationsforv…     

诊断分析在数值预报产品释用中的探讨

针对地方性天气预报特点，根据现有数值预报产品及实时探空资料的接收情况，作者利用中尺度数值预报模式ＭＭ４引入中尺度信息，提出一个实际可行的夏季降水预报方案，以求提高区域范围内具有明显突发性对流降水的预报能力。作法是用ＭＭ４模式计算逐日物理量诊断场，加入同期的欧洲中心数值预报产品，共计４１个场作为预报因子场；应用典型相关分析法，并结合逐步判别和逐步回归法，计算得出９个分区和８个单站中雨以上降水预报方程。降水预报方程的因子变量多数为中尺度诊断分析场构成的典型团子，可以认为，ＭＭ４模式计算得出的中尺度信息对预报中雨以上降水是有贡献的。     

诊断分析在数值预报产品释用中的探讨

针对地方性天气预报特点，根据现有数值预报产品及实时控空资料的接收情况，作者利用中尺度数值预报模式ＭＭ４引入了中尺度信息，提出了一个实际可行的夏季降水预报方案，以求提高区域范围内具有明显突发性对流降水的预报能力。     

MM5在国家气象中心CRAY-C92的实时预报试验尝试

该文利用国家气象中心CRAY-C92计算机上初步建成的一个可与实时资料连接的MM5中尺度预报试验系统,探讨在目前国家气象中心计算机资源和可获取的实时资料条件下,进行实时预报服务的可行性及可能达到的精度,采用30 km水平分辨率的模式,在1996年夏季北方汛期进行了一个半月的实时预报试验,在1997年6～7月间“庆香港回归”天气服务过程中作了实时预报服务。预报及检验结果表明:MM5模式在强降水预报方面比业务模式HLAFS有较明显的改进,能预报出某些中尺度降水的细化特征,对暴雨和大暴雨区预报有较好的参考价值;该模式可以作为城市预报的补充工具;就目前计算机和资料条件,比6 h时段更短的高频城市降水模式预报尚很难得到满意效果。     

日本数值预报产品在MM5模式中的应用

针对目前中尺度数值模式MM5所用初始场局限于NCEP和T213的现状,提出了应用日本数值预报产品(JMA,下同)格点资料做初始场的想法,并对试验过程进行了介绍。对台风Ranan im(0414)登陆浙江的路径、移速、强度和降水等方面的数值模拟结果表明,应用了JMA资料的MM5模式在原有基础上提高了预报精度,尤其在台风登陆时间和登陆地点上提高更为明显。     

北京地区中尺度非静力数值预报系统的开发与实时预报应用

国家气象中心与北京市气象局联合开发并将于1999年底建成“北京地区中尺度数值天气预报业务系统”。作为开发的第一阶段,以PSU/NCAR的MM5非静力中尺度模式为基础,在国家气象中心IBM/SP2机并行运算环境下与国家气象中心资料源连接并应用北京地区加密地面观测资料,初步建成了“北京地区中尺度数值天气预报试验系统”（以下简称BJ-MM5V.1）。模式设计为垂直23层,水平分辨率分别为45和15km的两重双向嵌套网格。在IBM/SP2计算机上用24个节点作36 h预报所需机时为2 h 20 min,满足实时业务预报需要。该系统于1997年夏季进行了实时运行试验,可提供北京地区每小时降水量预报每3 h多种气象要素预报,预报产品在北京市气象局试用。结果表明,系统有较强的稳定性和实用性,对降水时空分布的预报效果较好。     

城市化进程对北京区域气象场的影响模拟

城市化所导致的下垫面的改变会直接影响局地气象。根据北京城市测绘院提供的北京市楼房建筑平均高度资料,利用中尺度数值模式(MM5V3)模拟了城市化进程引起的气象效应,并与奥林匹克公园站等6个地面观测资料进行了比较。结果表明:MM5V3可以很好地模拟下垫面类型改变导致的气象效应,城市升温效果获得了较好的体现,风速模拟值减小,风向的模拟得到较明显的改善,气压和风速的统计偏差也明显减小。分析结果还揭示了稳定天气条件下北京地区气象场的模拟及实时预报必须考虑精细化的地形及下垫面状况。     

中尺度大气数值模式发展现状和应用前景

对国内外当前一些先进的中尺度大气数值模式的发展现状,应用前景及发展趋势作了概要综述。其内容包括：模式动力学的改进,叫就度模拟系统特征,区域谱模 发展积云参数化和显式云物理方案,行星边界层参数化,大气辐射参数、四维资料同化,区域实时数值天气预报,中尺度数值天气预报应用前景及新一代中尺度模式发展趋势。     

1997年7月19日影响北京地区的暴雨个例分析

针对在实际业务预报中经常遇到的北京地区降水的两种特殊性(明显天气系统移来时，北京地区降水明显比周围偏多或偏少)，选取一个实例利用中尺度非静力模式(MM5)对降水比周围偏多情况进行了高分辨率数值模拟和敏感性试验。结果表明，该模式比较成功地模拟了此次天气过程及其相关的中尺度系统的发生发展，凝结潜热对天气过程的发生发展有重要作用，而地形在天气过程中也起着主要作用，低层潜在不稳定能量的储备和输送是暴雨发生不可缺少的条件。     

基于指标叠套法的安徽省强对流天气潜势预警研究

对2005-2007年4-9月安徽省冰雹、雷雨大风等强对流天气日数进行统计,分析了基于探空资料计算的不稳定指标与强对流天气发生的关系。结果表明：K指数、A指数、沙氏指数和对流有效位能、归一化对流有效位能和对流抑制能量这几个指标对于强对流天气指示意义较好。基于此结果,挑选K指数、沙氏指数和对流有效位能针对不同季节划分闽值,建立强对流天气潜势预警指标,并利用中尺度模式MM5的数值预报产品计算该指标,对2005—2010年13个强对流天气过程预报结果进行对比检验表明。MM5模式给出的强对流天气潜势预警产品对大多数过程均能起到预警作用。对其中两次强对流天气过程分析表明,模式具备预报强对流发生潜势的能力,预报结果对强对流天气发生的时间、落区有预警意义。     

基于指标叠套法的安徽省强对流天气潜势预警研究

对2005－2007年4-9月安徽省冰雹、雷雨大风等强对流天气日数进行统计,分析了基于探空资料计算的不稳定指标与强对流天气发生的关系。结果表明：K指数、A指数、沙氏指数和对流有效位能、归一化对流有效位能和对流抑制能量这几个指标对于强对流天气指示意义较好。基于此结果,挑选K指数、沙氏指数和对流有效位能针对不同季节划分阈值,建立强对流天气潜势预警指标,并利用中尺度模式MM5的数值预报产品计算该指标,对2005-2010年13个强对流天气过程预报结果进行对比检验表明,MM5模式给出的强对流天气潜势预警产品对大多数过程均能起到预警作用。对其中两次强对流天气过程的进一步分析表明,模式具备预报强对流发生潜势的能力,预报结果对强对流天气发生的时间、落区有预警意义。     

卫星资料变分同化在一次中尺度强暴雨模拟中的应用

利用ATOVS资料和常规观测资料, 采用GRAPES 3D-Var同化系统和中尺度数值模式MM5设计了仅同化常规观测资料的NOATOVS试验和同化常规观测资料及ATOVS辐射率资料的ATOVS试验, 对2004年6月22—24日长江中下游和西南地区东部的特大暴雨进行了分析和模拟。结果表明:直接同化ATOVS辐射率资料获得的分析场可以有效改进对流层温、湿场分布, 对风场也有一定的影响。对比试验结果表明:ATOVS试验可以较好地模拟出暴雨天气形势、主要影响系统, 对降雨的落区、强度也有较好的反映, 模拟的局地暴雨强度与实际降雨量基本一致, 同化卫星资料的改善效果较为明显。即同化ATOVS资料对于改进中尺度局地暴雨过程模拟效果是可行的。     

中尺度自忆模式在强降水预报中的应用

根据大气自忆性原理提出的回溯时间积分格式应用于中尺度格点模式MM5,构建了中尺度自忆模式SMM5并做了短期强降水预报的实验.结果表明,SMM5模式与MM5模式相比,由于使用了多个时刻的场资料,预报精度有了明显的提高, SMM5预报的最大雨区的中心位置与降水量也比MM5更接近实际观测场.     

Intercomparison of the performance of MM5/WRF with and without satellite data assimilation in short-range forecast applications over the Indian region

The present study is conducted to verify the short-range forecasts from mesoscale model version5 (MM5)/weather research and forecasting (WRF) model over the Indian region and to examine the impact of assimilation of quick scatterometer (QSCAT) near surface winds, spectral sensor microwave imager (SSM/I) wind speed and total precipitable water (TPW) on the forecasts by these models using their three-dimensional variational (3D-Var) data assimilation scheme for a 1-month period during July 2006. The control (without satellite data assimilation) as well as 3D-Var sensitivity experiments (with assimilating satellite data) using MM5/WRF were made for 48 h starting daily at 0000 UTC July 2006. The control run is analyzed for the intercomparison of MM5/WRF short-range forecasts and is also used as a baseline for assessing the MM5/WRF 3D-Var satellite data sensitivity experiments. As compared to the observation, the MM5 (WRF) control simulations strengthened (weakened) the cross equatorial flow over southern Arabian sea near peninsular India. The forecasts from MM5 and WRF showed a warm and moist bias at lower and upper levels with a cold bias at the middle level, which shows that the convective schemes of these models may be too active during the simulation. The forecast errors in predicted wind, temperature and humidity at different levels are lesser in WRF as compared to MM5, except the temperature prediction at lower level. The rainfall pattern and prediction skill from day 1 and day 2 forecasts by WRF is superior to MM5. The spatial distribution of forecast impact for wind, temperature, and humidity from 1-month assimilation experiments during July 2006 demonstrated that on average, for 24 and 48-h forecasts, the satellite data improved the MM5/WRF initial condition, so that model errors in predicted meteorological fields got reduced. Among the experiments, MM5/WRF wind speed prediction is most benefited from QSCAT surface wind and SSM/I TPW assimilation while temperature and humidity prediction is mostly improved due to latter. The largest improvement in MM5/WRF rainfall prediction is due to the assimilation of SSM/I TPW. The assimilation of SSM/I wind speed alone in MM5/WRF degraded the humidity and rainfall prediction. In summary the assimilation of satellite data showed similar impact on MM5/WRF prediction; largest improvement due to SSM/I TPW and degradation due to SSM/I wind speed.     

一次强沙尘暴过程的动量下传诊断分析

动量下传对沙尘暴的发生发展起着十分重要的作用.选取2002年3月18-22日发生在我国华北地区的一次强沙尘暴过程,利用中尺度气象模式MM5V3.7输出的高分辨率动力协调资料,应用位涡理论详细探讨了沙尘暴发生发展的动量下传过程.结果表明:①蒙古气旋是此次强沙尘暴的主要影响系统;大风与干燥低湿是风蚀起沙的前提条件.②沙尘暴过程中,位涡沿等熵面下滑是高、低层动量交换的重要环节,揭示了沙尘暴动量下传的物理机制.     

Comparative study of performance of different weather forecast models at specific sites in northwest Himalaya in India

Independent test results of four different weather forecast models [climatological, persistence, analogue, and regional mesoscale weather simulation (MM5) model] have been compared for four past winters (winter 2003–2004 to winter 2006–2007) for qualitative weather (snow day/no snow day) and quantitative categorical snowfall prediction at six different areas in northwest Himalaya (NW-Himalaya) in India. Weather forecast guidance provided by the MM5 model at 10 km resolution was taken for the study. Test results of MM5 and the analogue model were compared for a limited number of days (with irregular gaps) due to lack of availability of MM5 weather forecast guidance for complete winter periods. Forecasts based on the persistence, climatological, and analogue models were compared for day 1 predictions only. Performance of the analogue model for qualitative weather prediction was found to be comparable to that of the MM5 model for day 1 prediction. However, for day 2 and day 3, performance of the MM5 model was found to be marginally better than that of the analogue model. Marginal difference in overall accuracy of the analogue and MM5 models was found for quantitative categorical snowfall prediction for day 3. The quantitative categorical snowfall forecast error of the MM5 model was found to be greater than that for the analogue model for all three days. Comparative study of the performance of the climatological, persistence, and analogue models showed that the analogue model performs better than the persistence and climatological models for day 1 predictions. The results of this study suggest that the analogue model shows some capability for weather prediction and, along with the MM5 model, could be a useful tool for weather forecasters. Comparative study of the performance of the MM5 model at high resolution (about 2–3 km) and the analogue model for complete winter period may provide some interesting and fruitful results.     

能量参数在南通地区强对流天气中的应用

对南通地区1991--2003年强对流天气气候特征进行了统计分析;将强对流天气的大范围环流形势作了分型和总结;利用常规观测资料和1°×1°的NCEP再分析资料,通过MMSV3．7高分辨率数值模拟结果,对典型个例进行了分析研究。结果表明：有利的天气系统影响,大气不稳定能量的累积和释放是强对流天气形成的关键条件之一。利用数值模拟结果计算的有效位能、强天气威胁指数等对强对流天气都具有很好的指示意义。     

北京地区降水的特殊性及其预报方法

实际业务预报中，北京地区降水经常发生两种特殊情况，即明显系统移来时北京地区降水明显比周围偏多或偏少。对此，选取两个实例，利用中尺度非静力模式(MM5)进行了高分辨率数值模拟和敏感性试验。结果显示，该模式较成功地模拟出了这两次天气过程及其相关的中尺度系统的发生发展，还显示，凝结潜热对迎风坡天气过程的发生发展产生了重要作用，地表特征对背风坡天气过程产生了重要影响，而地形在两次天气过程中都起着主要作用，低层潜在不稳定能量的储备和输送是暴雨发生不可缺少的条件。     

天津市中尺度数值预报业务系统的设计与实现

为适应省级中尺度数值预报业务的需要,设计实现了天津市中尺度数值预报业务系统。该系统由高性能计算机系统、中尺度数值预报模式以及业务运行流程组成的,其设计与实现涉及到高性能计算机系统的建设、中尺度数值预报模式的业务数据流转以及系统运行监控流程的设计等多个方面。高性能计算机系统的建设包括系统选型、功能设计和安装调试等部分,中尺度数值预报模式的业务数据流转以及系统运行监控流程的设计是整个系统业务化的关键。天津市中尺度数值预报业务系统通过工程建设和技术开发完成了奥运期间的气象预报服务任务,已投入业务化运行。