条件非线性最优扰动在长江中下游地区冬季暴雨中的应用研究

为了提高长江中下游地区高影响天气的数值预报,利用条件非线性最优扰动(CNOP)方法,对一次长江中下游地区冬季降水个例(高影响天气事件)进行目标观测研究,并通过观测系统模拟试验(OSSE)检验了该方法确定敏感区的有效性和可行性。试验结果表明,CNOP方法可有效识别对应于高影响天气事件的敏感区。通过对敏感区进行初始场修正后,可明显改善验证区内24 h累积降水预报误差和总能量预报误差。进一步分析发现,通过改善敏感区内的初始场信息(如水汽通量场和低层冷空气活动等),使得数值模式不仅能更真实刻画该天气系统的初始结构,还能更好模拟出该天气系统随时间的演变特征,因而减少了验证区内对该天气系统的预报误差。这一结果表明可以把CNOP方法应用于长江中下游地区高影响天气事件的目标观测研究或实践中。      

湿度因子对适应性观测敏感区估算的影响研究

马旭林2008年的基于集合卡尔曼变换适应性观测敏感区的估算方案能得到较为合理的敏感区,但其未考虑湿度因子的影响。在原方案基础上增加了湿度因子,根据计算资料与度量标准的不同,搭建3个方案与其比较,并选用2008年年初冰冻雨雪灾害天气个例进行对比模拟试验。结果表明,原方案的敏感区较为分散,且当目标时刻与验证时刻重合时,存在虚假的信号方差大值区;加入湿度因子后能有效抑制虚假敏感区,改进度量标准后能得到较为理想的结果;若只利用湿度场进行敏感区估算,计算效果最优,在目标观测时刻所得敏感区最为集中并在目标时刻和验证时刻重合时无虚假信号方差大值区。     

Lorenz 96模式中三种目标观测方法的有效性比较

目标观测是有效提升观测效能和观测质量的一种观测策略,其核心部分是敏感区的识别。本文在Lorenz-96模式上比较了奇异向量法(SVs)、集合变换卡尔曼滤波法(ETKF)和条件非线性最优扰动法(CNOP)识别敏感区的优劣,并尝试揭示ETKF方法性能不稳定的原因与机制。试验结果表明:在312h内的不同预报时刻,CNOP方法识别的敏感区范围较小且对预报效果的提升率最高;SVs方法识别的敏感区对72h内的预报有较好的改进,但72h后改进程度急剧下降,到120h后基本失效;ETKF方法识别的敏感区在72h内不如其他方法的效果好。此外,在ETKF方法识别的敏感区与随机选取的敏感区对比中发现,由于ETKF方法操作时采用顺序观测资料处理方案搜寻敏感区,本质上忽略了观测资料间的相关性,导致ETKF方法识别出的敏感区并不一定是全局信号方差最大的区域,对预报效果的改善有限,这也说明了如何优化敏感区搜寻方案是提高ETKF方法效能的关键。     

适应性观测研究现状和展望

适应性观测是指为了有针对性地提高高影响天气数值预报的质量,在已有观测系统基础上对特定敏感区域/特定时段进行补充性加强观测。十多年来,这种旨在提高数值预报质量的新策略在国际上引起高度重视,成功开展了多个系列外场观测试验,并在适应性观测敏感区识别方法的发展和适应性观测资料同化后对数值预报质量影响的定量评估等方面均取得了重要的研究成果。文中简述了适应性观测问题及其目的,着重分析和总结了目标敏感区识别方法及其特点和适应性观测对数值预报质量的影响等方面的研究进展,并讨论了适应性观测资料改进未来数值预报质量需要解决的关键科学问题。     

一次典型华南暴雨预报目标观测区的确定和敏感性试验

针对一次典型华南暴雨过程,利用适应性观测技术确定对华南暴雨预报起关键作用的敏感区,并设计一组试验方案,以目前国内实际地面观测站点分布为前提,在敏感区内增加不同数量的均匀随机分布的地面观测资料,通过MM5(The Fifth PSU/NCAR Mesoscale Model)三维变分(3DVAR)同化系统对已有的地面观测站点资料和敏感区内所增加的观测进行同化,考察地面观测站点的分布对关注区域内预报效果的影响。试验结果表明,各试验对降水的预报差异不大;而以扰动总能量的大小衡量预报水平,与CTRL试验相比,在敏感区内增加观测对短时临近数值预报效果的改善尤为明显,若敏感区内增加75%的地面观测,可使24 h后的关注区域内的数值预报水平提高12.6%,而随着敏感区内地面观测站点的增加,关注区域内的预报水平并没有得到相应提高,这说明布设过多的地面观测站点不但不能改善预报效果,反而造成资源浪费。因此,这一结果为充分利用有限资源、更好设计地面观测站网、最大限度提高华南暴雨的预报水平有很好的理论指导作用。      

台风“灿鸿”(1509)的适应性观测敏感区特征及其模拟观测同化研究

适应性观测可以改善资料同化和预报质量。本文利用集合卡尔曼变换适应性观测系统对2015年09号台风“灿鸿”进行了观测敏感区识别,并以第一目标时刻的观测敏感区为基础,运用观测系统模拟试验方法获取模拟的适应性观测资料。基于WRF中尺度同化和预报系统,开展了适应性观测敏感区模拟资料的同化和预报试验。研究发现,台风“灿鸿”(1509)的观测敏感区主要位于台风中心的东北侧及东南侧。同化敏感区内模拟观测资料比同化常规观测资料能更好地改善分析质量和高度、台风路径的预报质量,但对降水的预报改善较弱。     

绥化市7.28区域性暴雨天气分析

1 引言 受高空低涡和地面低压的共同影响,绥化市2012年7月28日午后出现了入汛以来最强的暴雨天气.此次暴雨天气严重影响了绥化市人民的生产生活,强降水产生的局地洪涝使得农田积水,给道路交通安全及城市排水系统造成了巨大压力.近年来暴雨预报已成为绥化市夏季重大灾害性天气预报的重点,因此,准确地预报出暴雨天气落区、强度以及影响的时空范围,提高暴雨预报准确率,可以为防灾减灾提供更加科学的天气信息.     

基于CNOP方法的台风目标观测中三种敏感区 确定方案的比较研究

在目标观测中,敏感区的确定是个关键性的问题。本文详细研究了如何用条件非线性最优扰动（CNOP）方法确定敏感区。提出了三种确定敏感区的方案:水平投影方案、单点能量投影方案以及垂直积分能量方案。比较了三种方案确定的敏感区的差异,分析了它们所阐释的物理意义,讨论了它们的优缺点,并通过理想回报试验考查了不同方案确定的敏感区的有效性。对六个台风个例的应用结果显示,单点能量投影方案与垂直积分能量方案下识别的敏感区较为相似,二者与水平投影方案确定的敏感区则有较大的区别。两种能量方案确定的敏感区更多地反映了环境场对台风的影响,而水平投影方案则反映了台风自身对流不对称性结构对台风发展变化的影响。理想回报试验结果表明,由两种能量方案确定的敏感区对预报误差能量的减小程度以及路径预报的改善程度都要大于水平投影方案确定的敏感区的效果,且垂直积分能量方案确定的敏感区的有效性最高。而在强度预报方面,三种方案对预报效果的改善程度相当。因此,总的说在台风目标观测研究中,利用CNOP方法确定敏感区时,垂直积分能量方案是较佳的方案。     

冬季暧湿空气活动对暴雪天气的影响

暖湿空气活动对夏季暴雨的影响已有不少研究,而对暖湿空气活动与冬季降雪的关系研究不多。本文试图通过一次暴雪天气过程分析,探讨暖湿空气活动与冬季降雪天气的关系。     

北京地区暴雨个例的观测敏感区研究

利用基于集合预报的相关方法对2009年7月23日发生在北京及周边地区的暴雨过程的观测敏感区进行了分析。通过WRF(Weather Research Forecast)三维变分方法对初始场进行随机扰动,形成30个初始集合样本,做了预报时效为12 h的集合预报。利用该方法分析检验区(北京及周边地区)累积降水[14:00(北京时间,下同)至20:00]相对于初始时刻(08:00)各基本要素的敏感性,确定感性要素及其对应的区域。研究发现初步确定的敏感性要素为水汽和温度,对应的敏感区分别位于北京的西南侧和北京的东北侧,且通过实况分析可知初步确定的敏感性要素和对应的敏感区具有明确的物理意义。还进一步通过观测系统模拟试验(OSSE)的资料同化验证所确定的敏感区,结果表明在水汽对应的敏感区内同化水汽对降水的预报结果有明显的改进;在温度对应的敏感区内同化温度,降水的预报准确率有了明显的提高,说明了初步确定的敏感性要素和敏感区的正确性。在水汽对应的敏感区内同化水汽的同时在温度对应的敏感区内同化温度,使降水预报的技巧有大幅度的提高,说明了温度和水汽的共同作用对提高降水预报准确率贡献最大。因此,通过基于集合预报的相关方法能够快速的确定敏感区。研究结果将为确定北京暴雨的观测敏感区提供参考。     

卫星资料循环同化应用对区域数值预报效果影响分析

为提高卫星资料在同化系统中的利用率及验证卫星微波资料对区域数值预报效果的影响,本文以2008年8月1-31日为研究时段,利用WRF模式及其WRF-3DVAR同化模块,设计并构建了卫星微波资料的快速循环同化方案,分析循环同化方案对数值预报的改进效果.结果表明,相比于单时次同化,循环同化方案使各预报要素的相关系数在一定程度上得到改善,均方差也呈现减小的趋势.此外,对研究时段内暴雨和台风个例的具体分析显示,循环同化方案能够有效改善降水和台风路径的预报.     

K指数在黑龙江省晴雨预报中的应用

低层相对湿度和风场等物理量场对降水的有无有较高的预报能力,但仍存在空报和漏报现象,为了提高黑龙江省晴雨天气预报准确率,对黑龙江省大量有降水和无降水天气成因进行对比分析。结果表明：K指数时空分布特点对晴雨预报有指示意义,尤其对分析低层相对湿度小或风场辐合条件差等容易出现降水空报和漏报等疑难降水成因有较好的辅助作用。K指数高值中心区或高能舌区易出现降水;K指数梯度较大区或较强能量锋也会触发降水;K指数低值中心区发生降水的可能性较小。不同季节有无降水的K指数高值区和低值区的阈值不同。     

不同分辨率西南区域模式对冕宁“6.26”突发性暴雨过程的模拟

针对冕宁“6.26”突发性暴雨过程,对比分析了不同水平分辨率的西南区域业务模式对此次山区突发性强降水的预报效果,结果表明:复杂下垫面区域突发性强降水的落区和强度对模式分辨率均较为敏感;模式分辨率的提高可以更加精细地刻画复杂地形,使之更接近真实地形状况,进而得到更加精准的局地热力和动力状况,因此能更好地模拟中小尺度天气系统;提高模式分辨率对预报结果的改进具体表现为雨带特征更加清晰、强降水中心增多且更加细化,以及降水强度明显增大。      

中国L波段探空湿度观测资料的质量评估及偏差订正

L波段探空观测资料无论在天气预报还是数值预报中均为最基本和最重要的一类数据,而其湿度观测资料的质量对同化分析及降水预报有直接影响。通过用L波段探空湿度观测资料与不同类型的其他观测反演的湿度资料互校及与NCEP、GRAPES、EC等不同模式分析场为背景的湿度场比较,评估中国L波段探空湿度观测资料的质量状况,对探空湿度资料的质量有了新的认识,为更好地使用该资料提供依据。研究发现中国L波段探空湿度观测资料存在偏干的现象,特别是当背景场湿度大于60%时,观测湿度偏低更加明显。通过分析其偏差特征,找出了适合中国L波段探空湿度观测资料偏差特点的分段函数订正方法。个例试验表明,对探空湿度观测资料的偏差订正后,观测偏差明显减小,订正效果非常显著;模式降水强度预报能力有一定的提高。从连续试验检验的降水预报评分(TS)和预报偏差(Bias)看,中雨和暴雨的预报在探空湿度观测偏差订正后都表现出正效果。     

Vaisala RS92/90 探测仪的湿度观测偏差订正初步试验

探空观测资料无论在天气预报还是数值预报中都是最基本和最重要的一类资料源。Vaisala RS92/90探测仪资料又在这类观测中占比很大,其湿度观测资料质量的好坏直接影响同化分析和降水预报,故需要对该资料进行质量评估与偏差订正。通过与NCEP和EC再分析的湿度场比较,发现Vaisala RS92/90探测仪的湿度观测偏差,借鉴Yoneyama et al(2008)对该仪器湿度观测的偏差订正方案,从几种订正方案中优选出对分析改进最为显著、考虑太阳辐射等因素影响的订正方案,并将该方案应用到GRAPES-GFS准业务试验中。试验结果表明:Vaisala RS92/90探空湿度观测偏差订正后,同化分析与预报有中性偏正效果。连续试验中订正后预报距平相关在东亚与热带有改进,预报评分显示热带、北半球评分略有提高。该订正方案在实际业务中有其应用价值。     

基于TIGGE资料识别适应性观测敏感区的应用研究

基于TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)资料,通过对比两类强降水过程,分析了集合变换卡尔曼滤波(Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF)适应性观测敏感区识别方法在实际应用中的具体环节。试验中使用两种分辨率和不同范围的集合预报资料得到的信号方差空间分布和极大值区基本一致,而在实施计算中使用适当分辨率和范围的集合预报资料能够大大节省计算时间;使用可获得的最近时刻为初值的集合预报资料得到的敏感区识别结果更加可靠;使用不同中心集合预报资料得到的敏感区识别结果有一定差异,但对于比较典型的夏季主雨带降水过程,各中心资料得到的结果较一致,敏感区识别结果比较可靠;不同类型强降水过程的敏感区对选取的度量函数具有一定依赖性。     

利用WRF模式制作东北地区冬季降水相态预报

利用WRFV3.1.1中尺度数值模式,对东北地区冬季降水相态进行预报尝试。在模式预报输出场中,通过对近地面大气层中冻结部分降水混合比在可凝结成降水的水汽混合比中的比例,来判断雨雪分界线及雨夹雪区或雨、雪过渡区。结果表明：该方法可较准确预报出降水过程中雨区、雪区和雨夹雪区的分布特征以及降水相态随时间的演变情况。降水相态数值预报产品的应用能够明显提高冬季气象预报服务水平。     

区域性暴雨落区甚短期预报的诊断分析方法

本文阐明了华中区域性暴雨落区甚短期预报的预报方案概要及其建立的依据。借助于湿位势倾向方程制作次天气尺度的暴雨影响系统未来12小时动态的预报。根据各类系统特性,对方程有关项进行经验加权,可取得较好效果。方案绕过形成暴雨的复杂机制和若干因果关系,主要利用非暴雨的预报指标,剔除非暴雨区域,从而得出暴雨落区。     

2011年与2008年贵州低温雨雪冰冻天气锋区特征对比

用常规气象观测资料和NCEP2．5°×2．5°再分析资料,对贵州2011年年初和2008年年初2次严重低温雨雪冰冻灾害期间的天气形势、冷空气、水汽和大气层结等特征进行了分析比较。结果表明：静止锋是贵州低温雨雪冰冻天气的主要天气系统;2008年较2011年冷暖空气均较强,故锋区强、锋面坡度较小,这是2008年冰冻天气强于2011年的主要原因;冻雨的发生与层结的逆温有很大关系,逆温发展的阶段均能较好地对应每一次冰冻过程;逆温强度强且长时间存在是2008年冰冻天气持续时间长的原因。2次过程中低层锋区附近有明显的水汽辐合,形成雨雪天气;对2011年降雪和冻雨过程的对比分析表明降雪与冻雨最明显的特征是降雪时层结基本无逆温,逆温层的出现是降雪转换成冻雨的重要原因。