精细化要素客观预报中的站点差异性研究

以山东省乡镇级精细化要素预报为例,预报站点由县级123个增至1 561个。在精细化要素客观预报方法开发中,如何处理多量预报站（格）点问题？利用山东省稠密的区域自动站观测资料,通过分析不同站点空间分辨和地形属性的观测要素的统计学差异,研究各种气象要素的站点差异性。结果表明：温度、降水等要素具有明显的局地小气候特征,需要更高空间分辨率的预报站点来捕捉;市区、郊区以及不同高度山区等站点间最低气温各分位数统计值差异均较大,但相关系数较高,且频率分布形态相似;风对地形更敏感,不同测站间相关系数较低,分位数统计值和频率分布形态差异均较大。上述结果可为精细化要素客观预报业务中的站（格）点处理提供理论和技术支撑。     

利用多普勒雷达资料作站点雨量及面雨量临近预报

通过对近两年收集的降水过程的雷达回波资料进行统计分析,得到本地区主要降水过程类型及其回波演变特征;利用反射率因子的基数据和风廓线产品数据等资料,运用交叉相关法计算区域速度、读取风廓线得到环境风速度,自动判别降水回波类型、识别回波整体及单体移动速度;应用本地实时的dBz-I关系及线性外推法计算未来1～2 h站点降水量及面雨量,实现降水临近预报自动化;应用自动站雨量资料及雷达联合自动站资料所作的雨强实时分析场对1 h站点雨量预报及区域雨量预报进行初步检验,1～24.9 mm和≥25 mm以上站点预报的平均相对误差分别为58%、33%;区域雨量预报的雨区范围及中心分布与实况具有较好的一致性;2 h降水预报在回波较稳定时,仍有较好的预报效果.     

湖北省乡镇温度预报方法初探

为了提高精细站点温度预报水平,本文在中尺度模式精细化温度预报的基础上,结合MOS分县客观预报结果,采用带海拔高度的距离权重温度插值方法,经过灰色预测模型修正温度预报误差,对湖北省717个四要素自动观测站的72小时内日高低温度进行了精细化预报,并且利用乡镇自动站温度观测进行了检验。结果显示：对于没有历史观测资料的站点,采用此预报方法,预报效果明显高于模式预报结果,基本接近客观预报方法,可以进行业务应用。对湖北的四要素自动观测站温度检验的结果还表明：鄂西北的预报误差最大,江汉平原的预报效果最好;从分月预报情况来看,高低温度都是夏季和初秋预报效果最好,低温预报冬春季预报效果最差,湖北各个区域趋势基本都一致,而高温的预报却没有一致的趋势。     

地面自动站资料质量控制方案及应用

为满足精细、 短时天气预报的需求, 我国地面自动站（AWS）观测系统的建设日趋完善。AWS资料在数值预报系统中没得到充分使用的原因之一是AWS观测资料的特殊性及数值预报系统缺少有效针对AWS观测资料的质量控制(QC)方案。本文AWS QC方案在参考国际先进的AWS QC方案基础上, 根据我国地面自动站的特点和数值天气预报模式对地面资料应用的要求设计。其目的是解决AWS观测资料在数值预报中应用的质量问题。本方案采用多种质量控制技术, 其中包括台站气候极值检查、 要素间一致性检查、 时间一致性检查、 持续性检查、 背景场一致性检查、 空间一致性检查、 综合决策算法、 自动统计评估反馈技术。本文从检查方法对错误资料的敏感度和确定性进行理论分析表明, 该方案具有更强的敏感度和确定性。将该方案应用于北京地区2006年8月AWS实际观测资料检验, 结果表明, 该方案能有效地识别观测资料中存在明显错误的资料, 有效地为地面自动站资料在数值模式中的应用提供客观质量依据。     

北京快速更新循环预报系统（BJ-RUC）要素预报质量评估

使用自动站观测资料对BJ-RUC系统预报的北京15个观测站的逐时2 m温度、相对湿度、1小时降水量和风速等地面要素质量进行检验评估。结果表明：BJ-RUC系统预报的2 m温度、相对湿度和风速与实况具有一致的变化趋势,但各要素的预报性能不尽相同。结果表明：（1）对于2 m温度的预报,±1℃误差的准确率为0.2～0.5,±2℃误差的准确率更高;预报性能与预报时效无明显关系;温度预报准确性与季节和日变化有关,春、秋季优于冬、夏季,夜间优于白天。（2）对相对湿度的预报整体偏低,夏季白天偏低、冬季白天偏高。（3）对1小时降水的预报,无论全年还是夏季,晴雨预报准确率很高;对0.1 mm降水的TS评分在0.2左右。（4）对不同站点的预报性能存在明显差异。对平原地区,即海拔高度较低的站点预报性能相对较好,15个站点中,对北京的代表站点（南郊观象台）的预报最为准确;对山区站点的预报性能相对较差,对海拔最高的延庆站的预报性能最差。总体来说,BJ RUC对站点要素预报的变化趋势较好,预报准确率较高,具有很好的参考价值,但要素预报与季节、日变化及海拔高度等因素有关.具体应用时还需做适当订正。     

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。     

登陆台风站点大风预报的人工神经网络方法

利用数值预报格点资料预报登陆台风影响时,沿海地区站点风的预报是各站点的定时二分钟风向风速。通过对MICAPS站点资料进行整合、分析,选取了沿海地区400多个资料比较齐全的站点和海岛站作为预报站点。用NCEP再分析场的格点资料做相关性分析,选定9个预报因子。运用BP网络对每个站点分别建立纬向风和经向风人工神经网络模型,拟合风速的绝对值误差是1.3 m·s~(-1)。独立样本检验,风速绝对误差在2 m·s~(-1)以内。     

自动站资料在WRF3DVAR中的同化敏感性试验

为了了解国家级地面自动观测站不同观测要素对数值预报作用,利用WRF三维变分同化系统对自动站资料的不同观测要素开展同化&预报试验.两个月的数值预报检验结果表明:1)只同化自动站温度观测对位势高度、温度和相对湿度场预报的影响作用最大,且主要为负作用,而同化气压或风向风速观测对上述要素预报影响作用比同化温度小,但会改善位势高...     

加密自动站数据在睿图-中亚数值模式中的应用

利用睿图-中亚区域数值预报系统（Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System-Central Asia, RMAPS-CA）以及不同的地面气象自动站观测资料进行同化试验,并将试验结果与实况进行对比,旨在通过加密自动站的同化应用来提高RMAPS-CA对于地面要素的预报性能。通过2020年7月为期15天的批量试验结果表明：在保证数据质量的前提下,相比仅同化国家级自动站而言,同化加密自动站后可以有效提高地面温度、湿度和风速的预报准确性。在使用加密自动站的基础上,将RMAPS-CA的地面资料同化方案由原方案改为更新方案后可以降低地面温度预报和风速预报的均方根误差,提升加密自动站的同化应用效果。综上所述,加密自动站的合理使用可以改善RMAPS-CA的预报性能,而同化更新方案可以进一步提高加密自动站观测资料对于数值预报系统的贡献。     

张掖地区降水和气温空间分布特征

经验正交分解方法是气象上常用的方法,其优点在于能反映要素场的主要特征,对空间点位置不作要求,既可取同一要素不同站点、又可取同一站点不同要素进行分解。本文利用经验正交分解法,分析了张掖地区降水、气温的空间分布特征,为改进县站预报方法,为地区台制作全区分片预报提供依据。临泽站因建站迟取1967—1986年20年资料,其余各站取1951一1980年30年资料。一、降水、气温空间分布的一般特征     

改进气象雷达TITAN算法在灾害性天气预警中的应用研究

提出一种适用于我国不同季节、经纬度和下垫面的改进气象雷达TITAN算法。建立天气雷达数据格式转换系统,将我国不同型号新一代天气雷达基数据转换成MDV格式雷达数据;按我国不同气候类型、经纬度和海陆下垫面特征,统计获取不同区域强风暴天气雷达特征指标参数阈值。利用云贵高原和海南地区不同下垫面的两次典型超级单体强风暴天气雷达实况数据与改进的TITAN算法进行实验对比分析。分析结果指出,采用改进TITAN算法识别、跟踪和预测0.5~1 h后的强风暴天气误差较小,可信度较高,有助于识别预警灾害性天气和人影指挥作业。     

强对流天气综合监测业务系统建设

强对流天气监测是其预报的基础.国家气象中心强天气预报中心利用多源观测资料(常规和非常规资料)建设了强对流天气综合监测业务系统.强对流天气的监测对象包括积云、地面高温、雷暴、地闪、冰雹、龙卷、大风、雷暴大风、短时强降水、雷暴反射率因子、对流风暴(基于雷达资料)、深对流云及中尺度对流系统(Mesoscale Convective Systems,MCS,基于静止卫星红外1通道资料)等不同时段的分布.发展的监测技术主要包括自动站资料质量控制技术、强对流信息提取和统计技术、直角坐标交叉相关雷达回波追踪(Cartesian Tracking Radar Echoes by Correlation,CTREC)技术、雷暴识别追踪分析和临近预报(Thunderstorm Identification Tracking Analysis and Nowcasting,TITAN)技术、深对流云识别技术、中尺度对流系统识别和追踪技术,以及闪电密度监测技术等.强对流天气监测系统自动定时运行,其输出数据与MICAPS业务平台完全兼容.该监测系统在国家气象中心的强对流天气预报业务中发挥了重要作用.     

两种非常规探测资料在天气预报中的应用

分析了GPS水汽和中尺度自动气象站两种非常规探测资料在天气预报中的作用,结果表明:非常规探测资料可以弥补常规探测资料在时间和空间上密度的缺陷,GPS水汽资料的时间演变特征与强降水有较好的对应关系,不同天气系统、不同降水类型和不同季节有着不同的分布特征,在降水过程分析及短时临近预报预警中有重要的参考意义;自动站资料可以分析中小尺度天气系统的强度、范围、维持时间和演变特征,对于局地性强降水的预报预警有重要的作用。     

强对流天气监测预报预警技术进展

强对流天气预报业务包括监测、分析、预报、预警和检验等方面。对流初生识别、对流系统强度识别和对流天气类型识别等监测技术取得新进展,综合多源资料的监测技术已应用于中国气象局中央气象台业务。对流系统的触发、发展和维持机制等获得了新认识,我国不同类型强对流天气及其环境条件统计气候特征、分析规范及相应业务产品等为业务预报提供了必要基础和技术支撑。光流法、多尺度追踪技术以及应用模糊逻辑方法的临近预报技术等有明显进展,融合短时预报技术得到广泛应用,对流可分辨高分辨率数值 (集合) 预报及其后处理产品预报试验取得了显著成效,基于数值 (集合) 预报应用模糊逻辑方法的分类强对流天气短期预报技术为业务预报提供了技术支撑。强对流天气综合监测和多尺度自适应临近预报技术、多尺度分析技术以及融合短时预报技术、发展并应用模糊逻辑等方法的、基于高分辨率数值 (集合) 模式的区分不同强度等级和极端性的分类强对流天气精细化 (概率) 预报技术等是未来发展的主要方向。     

济宁东部山区风能资源开发潜力研究

分别利用常规地面观测站、区域气象观测站(无人值守加密自动气象站)和临时人工测量站的资料对济宁地区东部山区风能资源进行了对比分析研究。结果表明,处在不同位置的观测站资料对济宁东部山区风能资源开发潜力的估算有较大影响,常规地面观测站或处于测风环境不好的观测站往往低估山区的风能资源;计算结果表明,济宁地区东部山区春季风能资源丰富,可利用风力发电灌溉农田,有效地缓解济宁东部山区部分地区春旱。     

新疆昌吉绿洲地表辐射收支特征

利用新疆昌吉佃坝绿洲区陆气相互作用观测站2020年3—11月的地表辐射观测数据和同期的天气现象观测记录数据,定量分析昌吉绿洲区不同时间尺度和不同天气条件下的地表辐射变化特征。结果表明：（1）辐射分量日均值和日峰值时间有季节性差异,特殊天气现象对辐射通量有影响。(2) 地表辐射月曝辐量随季节变化显著。(3) 地表反照率月平均日变化季节性明显,晴天时地表反照率呈平滑的“U形”曲线,非晴天时曲线变化皆不规则、不平滑。(4)不同天气下辐射分量有独特日变化特征,轻雾、雨天、大风、扬沙、多云天等典型天气会给辐射分量带来不同程度的衰减,雨天、大风和多云天气衰减最为明显。     

渤海西岸边界层东风与暴雪天气的机理分析

2008年12月20-21日和2010年1月3日天津地区分别出现了历史同期罕见的暴雪天气。为了提高对这种极端天气发生机理的认识,利用多种资料对这两次天气过程进行了分析。结果表明：两次暴雪过程均属于回流型降雪,但环流形势和影响系统的演变却不尽相同。影响系统分别为高空横槽（高空槽）、850 hPa切变（850 hPa低涡切变）、地面倒槽（地面气旋）,水汽源自700 hPa西南气流和边界层东风的水汽输送。由于两次过程均与边界层东风相伴,特别对渤海西岸边界层东风对降雪天气的影响和作用作了探讨,表明偏东风不仅为本地输送一定量级的水汽,同时这种具有冷湿特征的东风还会与内陆具有暖湿结构的偏南风形成地面辐合线,加强地面的动力抬升作用,产生上升运动,有利于雨雪天气的加强和维持,因此可以认为边界层东风对暴雪的发生发展起到了显著的作用。     

Weather effects on the aerosol characteristics in the surface layer of the atmosphere

On the basis of 14-year (1994–2007) series of the semi-annual (January to June) measurements of the atmospheric aerosol microstructure in Dolgoprudny, Moscow region, effects are analyzed of pressure, wind speed, precipitation, and surface temperature inversions on the aerosol particle concentration. It is shown that the weather parameters affect concentration of the particles within a certain range of sizes (0.1 to 1 μm). Concentration of the smaller particles practically does not depend on the weather conditions. The weather effects on large (> 1 μm) particle concentration are not detected due to too high variability of the latter. From three the most available weather parameters (pressure, wind, daily precipitation amount), the observed weather conditions are classified, and for the detected types of weather, typical concentrations are determined of the aerosol particles of different sizes, which allow approximately estimating, from the standard weather data, the aerosol pollution under different meteorological situations.     

S波段相控阵天气雷达与新一代多普勒天气雷达定量对比方法及其初步应用

受外场试验条件的限制,相控阵天气雷达在测试过程中难以与用于对比的多普勒天气雷达保持相同位置,造成不同雷达之间的观测资料无法直接对比。为了较全面地分析该情况下相控阵天气雷达的探测能力,提出了针对不同地理位置不同分辨率的雷达反射率因子匹配方法和观测资料的定量对比方法。初步使用该方法对2010年5月21日的S波段相控阵天气雷达（S-PAR）与相距54 km的南京新一代多普勒天气雷达（CINRAD/SA）观测资料进行了结构的对比及数值的分析。结果表明：（1）S-PAR的回波结构与位置均较为合理,与CINRAD/SA相比反射率因子测量偏差很小,未受地物影响的径向速度较为接近,同时单波束发射4波束同时接收的扫描方式大大节约了扫描时间;（2）S-PAR受宽波束的影响,100 km外的回波出现了明显的平滑现象,难以探测到细微结构;（3）S-PAR的灵敏度比CINRAD/SA差,100 km处的最小可测反射率因子偏高16 dBz,通过相同灵敏度的模拟后发现S-PAR较差的灵敏度是造成回波结构差异的主要原因;（4）提出的经纬度匹配方法较好地将不同位置下的雷达资料对应起来,经纬度匹配后在垂直方向的不同处理方式得到的结果存在细微差异,基于采样体积的平均方法取得的效果最佳。     

银川河东机场小样本雷暴分类客观预报方法研究

利用2000—2016年欧洲中心再分析资料、探空及地面自动气象站观测资料,根据天气过程的强度和对应物理量,分别对银川河东机场雷暴伴随大风、降水等不同天气现象类别进行定量化转换,采用峰度偏度系数、χ~2以及Q-Q图3种方法对定量转换的数据进行正态性检验,结果表明:按天气现象分类的样本服从正态分布,未分类样本基本服从。利用逐步回归、多元回归、非线性回归、BP人工神经元网络以及支持向量机5种方法,分别建立了雷暴现象与强度预报模型。结果表明:BP网络以及SVM对天气现象的预报能力较强;分类逐步、多元以及非线性回归模型分别对弱雨、强雨以及大风和降雨同时发生的天气强度预报效果较好。并在此基础上通过最优分析设计了河东机场不同种类雷暴天气定性和定量预报相结合的业务系统。