微波辐射计反演大气廓线精度及降水预报应用

利用2018年6月—2021年7月陕西西安泾河站MWP967KV型地基微波辐射计反演数据和L波段探空数据, 分析晴天和云天(低云、中云、高云)微波辐射计反演的大气温度、相对湿度、水汽密度的精度, 探讨相关产品在降水过程中的应用能力。结果表明:晴天和云天微波辐射计与探空的温度相关系数均为0.99, 水汽密度相关系数均为0.97, 相对湿度相关系数均低于0.50, 均达到0.01显著性水平;晴天和云天的温度差异较小, 但云天相对湿度均方根误差超过25%, 较晴天的19.54%明显偏大, 且3种参数均越接近地面反演精度越高。在不同云类型条件下, 3类云的温度差异较小, 低云相对湿度均方根误差和偏差最大, 分别为26.85%和9.51%。对降水个例分析表明:在临近降水发生前空中相对湿度、液态水含量、大气可降水量和液态水路径均明显增长, 这可作为降水可能发生的指示因子。降水前1 h大气可降水量达到4 cm, 液态水路径达到0.2 mm, 可作为判断降水发生的参考阈值。     

用探空资料检验中尺度数值模式对强对流天气的诊断分析能力

提高对流天气临近预报准确率的关键问题之一是了解大气的垂直稳定度和垂直风切变。中尺度数值模式产品提供了高时空分辨率的大气稳定度和垂直风切变信息,需要首先检验其精度才能进一步考虑其在对流天气预报中的应用。利用北京加密探空资料检验北京市气象局3km分辨率的MM5模式结果,对强对流天气的背景参数包括温湿风垂直廓线、对流有效位能CAPE和垂直风切变进行模式分析和预报与探空对比检验。结果表明：模式模拟的各种大气廓线中,风廓线和温度廓线都具有一定的参考价值,与实况有较好的一致性,但在廓线出现转折的地方,如：逆温层和风向转折时,模式预报较差。露点（湿度）廓线的预报误差较大,不能反映出真实水汽场的分布。因此,模式预报的深层（地面至500hPa）垂直风切变与探空具有较好的一致性,而模式给出的对流有效位能CAPE由于露点预报结果不理想,其值与实际偏差较大。因此模式输出的对流有效位能CAPE必须经过适当订正才能用于诊断强对流天气发生的可能性。     

东亚与南亚雨季对流和层云降水云内的温湿结构特征分析

为认知降水云内的大气温湿结构特点,本文利用1998至2012年热带测雨卫星的测雨雷达(TRMM PR)和全球探空数据集(IGRA)的探测结果,融合计算获得了一套大气温湿廓线和降水廓线的准时空同步资料,并利用该融合资料研究了雨季东亚和南亚降水云内的温湿结构和不稳定能量特点。个例研究结果表明深厚对流降水表现出整层大气湿润、高空风速小的特点,层云降水则表现出850 hPa以下大气湿润、水汽随高度升高显著减少、高空风速大的特点。统计结果表明东亚季风区降水强度更大,对流和层云降水的回波顶高度分别可达17 km和12 km;南亚季风区降水强度较弱,回波顶高度比东亚约低1 km;统计结果还表明南亚季风区对流活动受季风推进的影响显著。两个季风区降水云团内的温度结构差异主要出现在近地面,南亚的近地面温度比东亚约高4℃,南亚对流降水云内的大气较东亚更干燥;整个雨季南亚降水的对流有效位能(CAPE)要大于东亚。本研究结果为模式模拟降水云温湿结构提供了观测依据。     

利用TRMM PR和IGRA探测分析的拉萨降水云内大气温湿廓线特征

利用热带测雨卫星测雨雷达(TRMM PR)降水回波反射率因子廓线(降水率廓线)与全球探空大气温湿廓线(IGRA)的多年融合资料,研究了青藏高原拉萨站夏季降水结构及相应的大气温湿结构特征。结果表明,该站降水回波反射率因子分布在17~45 dBz,大部分小于26 dBz;回波顶高度达17 km,呈现“瘦高”外形;相应的大气低层湿润,降水云内大气并非饱和,但温度露点差比全部状态时的值小。深厚降水系统的回波外形也呈现“瘦高”,按照降水率随高度的非线性变化,其垂直结构可分为三层,而浅薄降水系统的垂直结构呈现一层,即平均降水率斜率随高度呈对数线性变化,最大平均降水率(0.7 mm·h^-1)出现在地面。深厚降水与浅薄降水云体内400 hPa高度(7.5 km)上下的露点温度递减的速率不同。降水云体内的零度层高度大约6.3 km,但PR没有探测到零度层亮带。统计结果还表明拉萨探空站及附近的大气可降水量为20.89 mm·d^-1,降水转化率为27.0%,深厚降水系统的降水转化率是浅薄降水系统的2.9倍,深厚降水系统和浅薄降水系统的CAPE值分别为1941.7 J·kg^-1和1451.8 J·kg^-1。本研究结果为模式模拟青藏高原降水云内的温湿结构提供了观测依据。     

加密探空观测的九龙站低层大气特征分析

本文基于多年连续观测所得的九龙站加密探空资料,通过对比分析,认识到该站的边界层大气在夏季呈现以下特征:大气温度/湿度随高度增长而降低,不同时次温度/湿度的差异主要集中在中低层大气中,越靠近地面大气温度/湿度差异越突出。从不同时次的表现来看,08时的温度最低,14时温度值最高。08时和14时大气的比湿较小,02时和20时的大气比湿较大。位温则是随高度增长,最大差异出现在3320m以下大气层中,14时和20时位温廓线存在明显的绝热及超绝热现象,该2个时次大气边界层表现为明显的混合边界层特征,低层大气层结为静力不稳定。而08时和02时的大气廓线则呈现稳定边界层特征。四个时次风速廓线都是次地转的,边界层内某一高度皆有一个风速极大值出现,20时边界层内风速极大值最大。地表物理量逐日演变情况为:08时温度最低,其次是02时,然后是20时,最高温度出现在14时,这个时次的变动幅度也最为显著。14时、08时比湿均值最小,20时、02时平均比湿较大,20时变幅最大。最低气压出现在20时,其次是14时,然后是08时,最高气压出现在02时,20时变幅最大。02时地面风速最小,其次是08时,再次为20时,14时风速最大,变动幅度最大。      

COSMIC掩星资料反演青藏高原大气廓线与探空观测的对比分析

利用青藏高原地区COSMIC掩星资料反演的大气湿廓线Wet Prf数据和8个站点的探空数据,分析了COSMIC反演大气廓线和可降水量与探空观测的偏差,并考查了偏差随高度的变化特征。结果显示:(1)COSMIC反演的温度、压强和水汽压廓线与探空观测具有很好的正相关;与探空观测相比,COSMIC的温度、压强和水汽压的偏差为-0.2℃、1.7 h Pa和0 h Pa,均方差为1.8℃、1.6 h Pa和0.4 h Pa;COSMIC反演大气廓线与探空观测的偏差基本上在大气低层较大,然后随高度增加而减小。(2)COSMIC反演的可降水量与探空观测正相关较好;COSMIC反演的可降水量低于探空观测,两者的偏差为-5.0 mm,均方差为5.7 mm;两者的负偏差在大气低层最明显。(3)探空观测在近地层的不稳定性和COSMIC反演方法中背景模式在青藏高原地区描述大气状态的能力有限,是造成COSMIC反演大气廓线和探空观测的偏差在近地层较大的主要原因;COSMIC观测的折射率偏小导致其反演的可降水量偏低。     

新一代雷达风廓线与探空风廓线资料相关分析

利用南昌新一代多普勒天气雷达获取的2002～2005年37次（共计614组样本）完整风廓线资料,与同期探空风廓线进行相关分析。结果表明：探空风廓线与雷达风廓线之间具有比较好的相关性。风向相关系数R≥0．6次数占总数78％,其中R≥0．8次数占总数60％。风速相关系数R≥0．6次数占总数81％,其中R≥0．8次数占总数57％。随着高度增加,探空风向与雷达风向的相关度明显降低,风速的相关变化不大。     

北京地区冻雨时空分布及探空温湿特征分析

利用1955年1月至2013年4月北京地区常规地面观测和南郊观象台探空资料,根据地面观测冻雨记录,分析了时空分布规律;依据冻雨发生时探空资料,初步分析了温湿结构特征和形成的物理机制类型。选取2000—2013年11月至次年4月常规地面观测和南郊观象台探空资料,根据地面观测降雨、雨夹雪、降雪记录,分析了与其对应的南郊观象台平均探空温湿结构,并与冻雨进行比较。结果表明,北京地区冻雨多发生在西北部和东南部,从11月开始至次年4月结束,并以暖雨机制为主（86.4%）;850 hPa以下温度层结曲线准垂直,且＜0℃是北京地区冻雨的主要特征;雨夹雪和冻雨的主要差异在850 hPa以下,低层雨夹雪气温高于冻雨。     

加密探空资料同化对一次降水预报能力改进研究

通过设计不同的试验方案,将加密探空资料同化到WRF模式中,对一次层状云系的降水过程进行了数值模拟.采用实时四维资料同化的方法,使得背景场和观测资料相协调,在一定程度上解决了模式的spin up问题.将温度同化到模式里,改变了模式原有的热力场,使得模式动力场随之改变,模式模拟的结果更接近实际观测.经过松弛(nudging)之后,得到的雷达回波、高度场、温度和实况很像,降水也要比不加探空资料的降水更接近实况.鉴于只有两个地方的探空资料,并不能覆盖整个模式区域,以及同化过程还需要改进,模式模拟的结果和实际观测之间还有一定的差异,有待更深入的研究.     

基于集合成员订正的强降水多模式集成预报

基于TIGGE资料集下欧洲中期天气预报中心（ECMWF）、日本气象厅（JMA）、英国气象局（UKMO）、美国国家环境预报中心（NCEP）和中国气象局（CMA）5个气象预报中心2016年5月1日—8月31日中国地区逐日起报预报时效为24~168 h的24 h累积降水量集合预报的结果,对各个集合预报成员进行了频率匹配法的订正,并对订正前后的多模式集成预报效果进行评估。结果表明：采用频率匹配法订正后的降水预报,有效改善了集合平均预报中强降水（日降水量25 mm以上）预报由平滑作用产生的量级偏小现象,使预报的降水量级更接近实况,但对降水落区预报改进不明显。基于卡尔曼滤波技术的集成预报效果优于基于线性回归的超级集合预报和消除偏差集合平均预报,对强降水落区的预报较单模式更优。基于集合成员订正的降水多模式集成预报在强降水的落区预报和降水中心的量级预报更接近实况,效果优于原始多模式集成预报与单模式结果。     

基于WRF模式的对流性降水预报检验

文章挑选了2013年5—10月5个民航机场(乌海市、呼和浩特市、二连浩特市、阿尔山市和满洲里市)出现对流性降水的个例,基于WRF模式对不同格距下单站降水次数、降水评分和降水量级进行检验。结果表明:不同格距下模式模拟的降水均以对流性为主,模式能较好的模拟出降水性质;从降水评分检验来看,9km的模拟结果好于27km,分辨率提高后二连浩特市、呼和浩特市和乌海市3个站的TS评分均明显提高;模式对小雨量级降水的预报准确率最高,达95%以上,对其它级别降水预报量级明显偏小。     

基于火箭探空资料的冰雹云内部结构个例分析

利用探空火箭、新一代天气雷达和气象探测资料对2015年7月17日延安宝塔区冰雹云进行了综合探测,结果表明:（1）当日08:00（北京时,下同）500 hPa河套低涡分裂东移,有较强冷平流且移动速度较快,地面14:00升温明显造成了这次降雹。（2）偏后位置的冰雹云内部温、湿条件以及对流指数（T_g）、整层比湿积分（IQ）、总指数（TT）均小于外部的自然大气;层结稳定度指数（K）、抬升指数（LI）、沙氏指数（SI）冰雹云内部比外部自然大气偏小;热力参数风暴强度指数（SSI）冰雹云内部低于外部自然大气;冰雹云内部能量参数（CAPE）明显低于自然大气;冰雹云内部0°C层高度低于冰雹云外部自然大气。（3）火箭探测的位置偏冰雹云后部,冰雹云由低层到高层风向呈逆时针变化,探空仪摆动明显,?20°C温度层偏高,气流较强,整层偏下沉气流。（4）冰雹云0°C附近,在温度区间?1.8～5.0°C、厚度1.0 km范围内有最大湿度区,湿度达80%以上,最大湿度87.1%,为冰雹的形成提供了水汽条件。（5）紧贴0°C下正温区,有最大水平风速为19 m s?1急流,厚度为0.022 km。在温度区间?4.8～5.0°C、厚度1.6 km范围内维持13 m s?1以上水平风速,为冰雹的形成提供了动力场条件。（6）在温度区间?8.7～?9.2°C、厚度0.2 km,有小于或等于2 m s?1弱风区;弱风区下方,在温度区间?4.6～?8.8°C、厚度0.889 km有上升气流,平均上升速度1.79 m s?1,最大上升速度4 m s?1,这种配置为冰雹的生长提供了环境场。     

基于雷达资料的增雨过程分析

应用天津WSR-81S雷达体积扫描资料和地面降水实况资料对2000年8月2日天津市武清区进行的一次雹云高炮人工增雨作业进行了分析。作业后从地面降水实况资料上看,在作业炮点的上游出现了大降水中心,表明人工增雨作业可以改变自然降水的原始分布,增加局部地区的降水。利用降水时段的雷达体积扫描资料分析表明:循环往复的爆炸作业使雷达回波的强度减弱、高度降低、移动速度减慢。由于迎着雹云的移动方向作业,造成上游地区降水较大,大于45 dBz的强回波滞留在作业炮点的上游。     

GRAPES＿Meso模式的降水格点检验和站点检验分析

使用Barnes和最近台站降水频率相结合的混合插值方案,对我国气象台站和水文站组成的高密度降水观测资料进行精细化的网格插值,得到分辨率与GRAPES-Meso(以下简称GRAPES)模式分辨率相同(0.15°)的网格降水资料;同时,将GRAPES模式同分辨率的0～24 h格点定量降水预报结果插值到观测站点上,然后进行了"格点对格点"、"站点对站点"的评分检验.检验的统计量包括偏差(BIA)、公平T评分(ETS)和真实技巧评分(TSS).此外,还基于插值后的精细化格点降水资料,应用近来发展的"面向目标"的客观检验方法检验了5 mm以上降水事件的预报效果.对检验结果的分析表明:(1)两种点对点榆验方法的结果都显示GRAPES模式在我国东部的预报效果好于西部,平原地区好于山区;地形的迎风坡降水的空报偏多,而青藏高原上空和新疆北部则以漏报为主,即模式对复杂地形影响的降水预报能力偏弱.(2)对于各量级的降水,总体上格点检验的结果好于站点检验,格点检验能更好地代表GRAPES模式的预报能力.(3)对于5 mm以上的降水事件,GRAPES模式预报的总次数与雨团直径的分布关系和观测基本一致,特别是模式对直径为60 km的雨团预报效果最好;从地域分布来看,GRAPES模式预报5 mm以上降水的次数在内蒙古东部、东北、华北、江淮、陕西、甘肃南部等地与观测相当,而在长江以南多于观测,尤其是在西南地区东部预报次数明显偏多.     

2013年华中区域中尺度业务数值预报的客观检验

使用Ts评分、面向对象的预报检验等方法,对2016年4-6月武汉市出现的三次强降水过程模式精细化预报结果进行了质量检验,在分析和总结各检验方法的优缺点的基础上,提出了以一次区域范围内的强降水作为研究对象,考虑降水起止时间、单位时间雨强和强降水出现时段等因素,以区域内各站点降水预报时间序列和实况时间序列的相关系数构建空间分布矩阵,通过对矩阵的结构和数值进行分析以检验模式降水精细化预报准确度的综合预报质量检验方法。结果表明：由于考虑了降水在区域内的时空分布,综合检验方法评价模式通过对强降水总量、发生、发展的总体评价得出的结论更为准确客观,更加符合气象服务的实际需要。

     

基于TIGGE资料的流域概率性降水预报评估

利用2008年7月1日至8月6日TIGGE-CMA资料存储中心的ECMWF、NCEP和CMA等业务中心1～10天的集合预报降水结果,结合淮河流域上游大坡岭—王家坝流域内19个站点的降水观测资料,对流域内的日降水预报效果进行了基于降水等级划分的确定性TS评分、概率性Brier评分以及考虑所有降水强度概率的百分位降水评估,并对2008年7月22—23日的强降水过程的预报效果进行了重点评估分析,探索了多模式概率预报降水面向流域的评估方法。结果表明,超级集合的TS评分和Brier评分优于单个中心的集合预报平均,集合平均由于平滑作用削弱了对长预报时效较强降水的预报能力;三套集合预报都体现部分成员具有捕捉实际降水的多种可能性;流域面雨量和单站百分位的分析表明:随着预报时效的延长,强降水的预报能力逐渐减弱,而超级集合由于考虑了更多的降水可能性,预报强降水的量级和空间分布同观测更为接近。     

风廓线雷达资料在3次气旋过程短临预报中的应用

利用2008年8月3次气旋过程中风廓线雷达测得的风数据,结合区域自动站数据和天气学理论,对气旋和高空槽天气系统的移动情况、气象要素变化和对短期或临近预报的指导作用进行了分析和总结。结果表明：可以根据风廓线图中风的演变情况,辅以区域自动站、天气图等资料,对气旋和高空槽天气系统所带来的降水、大风等天气发展趋势提供可靠的指示作用。从而为气旋、高空槽短时临近预报的精细化提供实况和理论上的支持,进而达到提高短时临近预报、特别是对危险天气的预报准确率。     

晨昏轨道微波温度计资料同化对降水定量预报的影响及其对三轨卫星系统的意义

极轨卫星的高级微波温度计(Advanced Microwave Sounding Unit-A,简称AMSU-A)辐射资料对提高降水定量预报的水平有重要作用.但是极轨卫星的轨道特征导致乘载其上的微波温度计资料在区域同化系统中存在严重缺测.本研究重点分析了晨昏轨道卫星上微波温度计资料同化对墨西哥湾沿岸定量降水预报的重要影响.研究选取了早晨星NOAA-15、上午星MetOp-A和下午星NOAA-18,利用美国NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的业务同化系GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)资料同化系统,进行了加和不加NOAA-15 AMSU-A资料的两组资料同化和预报试验,来阐明晨昏轨道卫星上微波温度计资料同化对墨西哥湾沿岸降水预报的重要影响.试验结果分析表明如果仅同化NOAA-18和MetOp-A资料,在协调世界时00:00和12:00的同化时间,在墨西哥湾和美国西部大陆就是卫星观测资料缺测区,而早晨星NOAA-15资料正好可以填补这个资料空缺.模式预报也表明,同化NOAA-15的AMSU-A资料可以对墨西哥湾降水有持续的正影响.这一研究证明了保持有搭载着AMSU-A或者相似仪器的早晨星,对区域降水预报的重要性.由于目前NOAA-15是唯一的一颗正在运行的、已远超过其正常运行期的早晨星,通过技术手段维持NOAA-15的AMSU-A仪器更超长期运行也就特别重要.