2018年2月琼州海峡持续性海雾过程的数值模拟分析

2018年2月春节期间琼州海峡发生持续性大雾天气,造成大量船舶停航。本文结合葵花8号卫星反演海雾产品、琼州海峡沿岸站点能见度观测数据及美国国家环境预报中心NCEP（National Centers for Environmental Prediction） 提供的FNL（Final Analysis）客观分析资料,对2018年2月18～20日的大雾过程进行了天气学成因分析,并进一步利用CMA-MESO（Global and Regional Assimilation and Prediction System）高分辨率数值模式从边界层方案、模式垂直分层以及海雾能见度算法三个方面进行敏感性试验,以找出模拟效果更好的模式设置方案。研究结果表明:大雾期间华南近海海温较常年平均偏低,受地面冷高压南下补充的弱冷空气影响,偏东暖湿气流流经冷海面并快速凝结。而数值模拟对比试验显示,采用YSU（Yonsei University）边界层方案、边界层垂直层次加密及美国国家海洋大气局预报系统实验室（FSL/NOAA）的海雾诊断方案（简称FSL）对改进能见度预报效果显著:YSU边界层方案比MRF（Medium Range Forecast Model）边界层方案对该次大雾过程的分布范围和最低能见度出现的时间模拟效果更优;模式低层分层加密可更好体现出低能见度的演变过程;通过能见度算法与实况对比,基于模式预报性能较好的湿度和温度预报而来的FSL算法,其能见度预报与站点实况最为接近。     

FY-4A温度廓线和融合海温数据协同同化的海雾模拟效果分析

利用CODAS实况融合海温和FY-4A温度廓线资料协同同化的方法,尝试改进WRF模式在黄渤海区域的海雾数值模拟效果。分析结果显示,高时空分辨率的CODAS海温显著改善了WRF模式对黄渤海区域海雾模拟性能,模拟雾区范围及强度相比FNL海温模拟结果更接近实况。通过分析雾区各类要素相对海温变化的敏感度,明确了2m气温及比湿,以及海气界面感热、潜热和水汽通量与海温呈现不同程度的正相关,而液态水含量则与海温呈显著负相关。同时,协同同化FY-4A廓线资料可优化WRF模式边界层内湿度及风速垂直分布,改善雾区水汽输送及液态水含量。FY-4A廓线资料和CODAS海温的协同同化能更好地模拟出雾区气象要素的中尺度分布特征,表明高精度和高分辨率的海洋实况资料有利于改善黄渤海区域海雾数值模拟效果。     

东北区域数值模式产品在天气预报业务中的检验

利用2015年大连地区7个主要气象站的地面气温、降水、风向风速和相对湿度观测资料,针对东北区域中尺度数值模式(Weather Research and Forecast,WRF)产品中常规天气要素进行检验分析,了解掌握WRF模式对不同天气要素的预报能力,以期为天气预报业务中WRF模式产品的订正提供参考。结果表明:WRF模式产品的气温预报准确率整体上08时起报的比20时起报的稍好,最低气温预报效果比最高气温稍好,且WRF模式对升温和降温的趋势预报较好,具有一定参考性。WRF模式产品的降水预报准确率相对较高; WRF模式对风向的预报准确率可以达到50%左右,而风速的预报准确率可以达到60%—70%;大雾天气的预报,可以相应参考WRF模式的相对湿度。     

多家数值产品沿海大暴雨预报性能检验

2010年8月4-5日和2010年8月21-22日两次天气过程都是在副热带高压外围产生的沿海大暴雨天气,利用多种资料,重点针对基层气象台(站)常用的几家数值模式产品,对两次暴雨过程从环流形势、影响系统、降水量要素等方面进行检验分析.结果表明:各家数值模式产品对暴雨定量预报有一定的预报能力,但降雨量级普遍偏小,对强降水中心的预报稳定性较差;在降水量级上,EC模式预报较准确,具有较高的参考价值.对产生暴雨天气影响系统位置和强度的预报,不同的数值模式有所差异;对西太平洋副热带高压的预报,T639模式和EC模式各时效预报脊点位置跟实况场一致,但强度较实况偏弱;但对高空槽和切变线的预报跟实况都有一定的偏差.因此在暴雨预报中需要在参考数值预报的基础上,结合强对流工具、实况加密资料、物理量场、相似个例和经验外推等其他辅助手段提高暴雨站点预报准确率,从而提升灾害性天气服务的效果.     

不同初始场条件对GRAPES模式数值预报的影响

利用中国新一代数值预报模式GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System),分别使用T213 L31及NCEP FNL 6 h间隔的资料作为初始和边界条件,对2005年7月9—10日淮河流域一次致洪暴雨过程进行了个例试验,初步探讨了GRAPES模式的数值预报产品对不同初始场的敏感程度,以及三维变分同化对数值预报结果的可能影响。结果表明,T213和NCEP初始场中存在着差异较大的次天气尺度特征,并由此造成了此后GRAPES模式预报场的差异,且此差异不会随时间消失;同化对GRAPES模式积分结果的影响主要表现在最初的24 h内;模式对此次致洪暴雨过程的暴雨区分布、强度均有一定的模拟能力,但模拟的强暴雨区与实况仍存在着较大差异。由此可知,GRAPES模式的数值预报能力对不同的初始场和侧边界条件存在不同程度的依赖性,初始场的差异决定了模拟结果的差异。     

一次降水天气过程的GPS掩星资料在GSI同化系统中的应用

为了探索全球定位卫星观测系统无线电掩星技术(Global Positioning System/Radio Occulta-tion,简称GPSRO)在业务数值预报模式中的应用效果,以美国NCEP(National Centers for Environ-mental Prediction)业务同化系统为平台,对有/无COSMIC(Constellation Observing System for Meteor-ology,Ionosphere and Climate)GPS无线电掩星观测资料进行了一次降水过程的详细的同化对比试验。试验中GPSRO观测算子主要采用了相对简单但计算省时的局地(Local)同化技术。该个例试验表明:COSMICGPS掩星观测对分析影响较大的地区是常规观测资料较稀缺地区(如洋面),因此在这些地区GPSRO资料可以被看作是对常规观测很好的补充。同时还注意到COSMIC GPS RO资料在对流层下层对湿度场分析和预报的影响显著,在对流层中上层对风场分析也产生正面影响。这证实GPS RO资料在业务数值天气预报中应用的有效性,为我国数值预报未来开展业务GPS掩星观测资料同化提供了有益的科学参考依据。     

海洋垂直混合对中尺度海气浪耦合模式预报效果的敏感性试验

为了比较两个不同的海洋垂直混合参数化方案在中尺度海气浪耦合模式数值预报中的效果,采用军队T₇₉₉全球预报系统和西北太平洋海洋预报系统的预报场资料驱动区域中尺度海气浪耦合模式,针对西北太平洋在2014年9月7—10日和17—20日的大气和海洋要素场进行数值回报试验,并将同期台风观测资料、NCEP再分析资料以及NOAA海表面温度数据各自与模式结果进行比较。结果表明,在无台风天气下使用GLS-ε方案对大气要素的预报效果更好,而MY2.5方案在台风天气影响下表现更好,同时其在连续8天的预报中无溢出现象,较GLS-ε方案稳定性更好;台风影响区域的海表面温度对MY2.5方案更敏感;台风天气过程中,MY2.5方案引起的海洋上层温度混合更强烈。      

AMSU-A全空辐射率资料同化对台风“天鸽”的预报影响研究

利用美国NCEP(National Centers for Environmental Prediction)发展的GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)同化系统和GSM(Global Spectral Model)全球频谱预报模式作为循环同化系统,选用2017年第13号台风为研究个例,采用全空和晴空两种同化方案对AMSU-A(The Advanced Microwave Sounding Unit-A)辐射率观测开展同化对比试验,并对台风"天鸽"个例进行5 d预报,研究AMSU-A全空辐射率同化对台风天鸽发展过程预报的影响。结果表明,全空同化方案相比晴空同化方案预报的台风路径、台风中心气压以及台风最大风速预报误差更小;全空同化方案对台风"天鸽"生命周期的模拟更加准确,更接近中国气象局发布的台风天鸽最佳路径的最低气压,而晴空同化方案预报的台风发展较弱,无法预报出成熟期的台风强度;全空同化方案能够增加低层通道海上厚云覆盖区域辐射率资料同化量,增幅占AMSUA同化观测总量10%,从而改进海洋区域天气系统的热力场结构。     

NCEP再分析资料在强对流环境分析中的应用

为考察NCEP再分析资料在我国强对流天气产生环境分析中的适用性,选取2002—2009年多普勒天气雷达识别的60例超级单体风暴个例,对比分析常规探空资料和NCEP再分析资料提取的温、湿、风垂直廓线,结果表明:NCEP再分析资料计算的对流有效位能因对抬升气团湿度敏感而与观测间差异较大,宜用K指数、温度直减率分析大气层结稳定度;因对流层中高层风与探空差异不大,其中500~700 hPa的风与探空近乎一致,因此NCEP再分析资料计算的深层、中层风垂直切变参量可靠性较高;NCEP再分析资料水汽参数与探空资料差异大,特别是在大气边界层,需用观测资料订正;边界层物理量,特别是风向与探空差异显著,因此不宜用NCEP再分析资料讨论雷暴触发问题;平均而言,NCEP再分析资料湿度廓线低层偏干而中层偏湿,925 hPa以上风速偏小,降低了强对流发生概率。     

L波段探空仪湿度资料偏差订正及同化试验

L波段探空仪观测资料是基础资料之一,无论在天气预报还是在数值天气预报中都起着重要作用,其资料质量直接影响数值模式同化分析及降水预报准确性。通过对我国3种常用的L波段探空仪观测湿度的偏差特性比较,研发适合该仪器的偏差订正方案,并在GRAPES同化系统中加以试验应用。结果表明:L波段探空仪湿度观测资料与ECMWF再分析湿度场比较有偏干现象。多种偏差订正方案订正结果显示:湿度偏差值比订正前减小,特别是在500 hPa以上层次减小明显。在GRAPES分析同化系统中使用Vomel偏差订正方案,分析偏差减小5%;预报模式个例和连续试验中湿度观测订正后预报降水更接近实况,预报降水检验评分显著提高,故该订正方案在实际应用中表现出积极的正效果。     

GNSS反演资料在GRAPES_Meso三维变分中的应用

为了进一步提高GRAPES_Meso的分析和预报效果,该文在GRAPES_Meso三维变分同化系统中建立了同化GNSS/RO反演的大气资料的观测算子,实现了对GNSS/RO反演的大气资料的同化应用,并通过2013年7月1个月的同化和预报试验分析了GNSS/RO反演大气资料对GRAPES_Meso模式系统分析和预报的影响。结果表明:增加了GNSS/RO反演大气资料的同化后,GRAPES_Meso位势高度场的分析误差明显减小,平均分析误差减小约8%,预报误差略有减小,平均预报误差减小约1%;湿度场的分析误差和预报误差变化不明显,常规观测资料稀少的青藏高原地区的降水预报技巧有所提高,小雨到大雨的ETS (equitable threat score) 评分提高约0.01,对全国及其他分区的降水预报技巧总体上有正效果。     

广东省冬季逐日最低气温的预报方法

为了能结合数值预报产品做好广东省逐日最低气温的预报,利用1998~2007年冬季(11月~次年2月)美国NCEP/NCAR再分析资料和常规气象观测资料,选取20°~27.5°N,107.5°~117.5°E区域内的海平面气压、850 hPa温度、850 hPa相对湿度、850 hPa纬向风(u)、850 hPa经向风分量(v)和500hPa位势高度等6个要素作为预报因子,以韶关、梅州、广州、阳江、汕头等5个站分别作为广东5个部分的代表站,采用能选取"最优"因子的逐步回归方法建立5个代表站的11月~次年2月逐日的最低气温预报方程,并对预报方程进行检验。结果表明:采用逐步回归预报方法建立的广东省5个代表站的逐日最低气温预报方程具有一定的预报能力,但也存在预报结果比实况偏低的不足。     

上海区域要素客观预报方法效果检验

数值模式的客观释用是数值模式在业务工作中发挥效能的重要环节。在对上海区域数值模式近5年的模式直接输出(DMO)进行检验的基础上,分别采用卡尔曼滤波释用(KLM)和最优化集成释用(OCF)的方法进行要素客观释用,总结出区域数值模式的预报性能,客观释用也取得令人鼓舞的结果:(1)近几年,上海区域数值模式的直接输出结果(DMO)对温度、湿度以及风向的预报改善不明显,甚至还有变差现象,风速的预报自2005年起有改善,但主要体现在预报的稳定性方面。(2)KLM方法较DMO在温度、相对湿度和风速的预报上均有明显提高,但是风向的预报无明显提高,预报准确率甚至略有下降。(3)OCF方法的预报性能较KLM方法略有提高。温度、相对湿度以及风向的预报准确率提高约2%,风速预报与KLM方法相当。在春季和冬季,OCF的预报水平已经与主观综合预报相当,如果主观综合预报能充分参考OCF的预报结果,主观综合预报"春季和冬季预报误差相对偏大"这一弱点能得到改善。检验结果能为数值模式的开发和调试者提供有益的参考,而最优化集成方法的成功业务尝试也佐证了集成预报在数值模式客观释用中的美好前景。     

基于伴随敏感性的风廓线雷达和地基微波辐射计观测对模式预报的影响评估研究

同化大量观测资料可以有效地改进模式预报结果,但不同观测对预报的影响有着显著差异,合理评估观测对预报的贡献是数值模式中最具挑战性的诊断之一。本文采用基于伴随的预报对观测的敏感性（Forecast Sensitivity to Observation,简称FSO）方法,构建WRFDA（Weather Research and Forecasting model’s Data Assimilation）框架下的WRFDA-FSO系统。基于2019年9月超大城市项目在北京地区获取的风廓线雷达（Wind Profile Radar,简称WPR）和地基微波辐射计（Microwave Radiometer,简称MWR）观测数据,利用WRFDA-FSO系统,开展观测对WRF模式12 h预报的影响试验,并分析风温湿观测对预报的贡献。结果表明:（1）同化的观测资料（MWR、WPR、Sound、Synop和Geoamv）均减小了WRF模式12 h预报误差,对预报为正贡献,其中MWR观测对预报的影响最大,WPR风场观测对预报的改进效果优于Sound的风场观测。（2）WPR的U、V观测和MWR的T、Q观测中,V观测和T观测对预报的正贡献值更高,对预报的改进效果更优。（3）WPR和MWR多数高度层的观测均减小了预报误差,对预报为正贡献,其中MWR的T观测对预报的正贡献主要位于近地面800 hPa以下。     

区域初始分析误差对梅雨锋中尺度低压数值预报的影响

以梅雨锋中尺度低压个例为研究对象,根据目标观测的思想,采用NCEP和T106再分析资料分析了区域初始分析误差对梅雨锋中尺度低压数值预报误差的影响。结果表明:区域初始分析误差对数值预报误差有重要影响,改善某些特定区域初始场质量有可能改善随后数值预报的效果。但是,区域初始分析误差对数值预报误差的影响较为复杂,它与天气类型、不同个例和区域间误差相互作用等因素密切相关。对梅雨锋中尺度低压短期数值预报有较大影响的初始分析误差与梅雨锋锋区及其附近地区的要素场关系密切,相比较而言,风场似乎更加重要一些。如果对梅雨锋带中低层风切变区及相伴低空急流区有更好的描述,这将对梅雨锋中尺度低压系统数值预报效果的改善有着积极的作用。在此基础上,就相关的目标观测设计问题作了简要讨论。     

中国区域3种数值模式的地面气象要素预报初步评估

ECMWF 和 GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)预报产品是国内目前主要的应用服务产品.为了了解ECMWF和GRAPES预报产品的性能,使用户在实际应用中,根据需求可选择性地应用上述预报产品,本文利用中国气象局2421个国家级自动站和81...     

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。     

模式再分析与实际探空资料的对比分析

利用2007年11月—2008年11月美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气中心(NCAR)的全球再分析资料与阜阳和安庆探空站的高空资料,对NCEP资料进行垂直的拉格朗日插值和水平的双线性插值后,对比分析了模式再分析与探空资料的一致性。结果表明:探空资料和NCEP资料中温度、相对湿度、u风和v风4种气象要素的绝对差值随地点、高度和季节变化较小,0.5～8 km基本稳定在一定的范围内:温度相差0.5～1.0℃,相对湿度相差5%～15%,u风和v风分别相差1～3 m/s和1～4 m/s。但值得注意的是近地面(0.5 km以下)二者差异相对较大。对比结果验证了利用模式探空资料来分析无实际探空资料地区上空气象参量变化特征的可行性。     

不同观测误差确定方法对地基GNSS-ZTD资料同化预报效果影响的对比分析

利用2016年6—8月华北—东北地区的地基全球卫星导航系统的天顶总延迟（GNSS-ZTD）观测资料、东北区域中尺度数值预报系统,以2016年6—8月的13 d强降水为例,开展基于Desroziers等（2005）理论的Des方法和传统方法进行观测误差确定的天顶总延迟资料同化对比试验研究,探讨Des方法相对于传统观测误差确定方法对天顶总延迟资料同化预报效果的影响,并以未做天顶总延迟资料同化的试验为对照试验,考察天顶总延迟资料在数值模式中的同化应用效果。结果表明:（1）Des方法得到的天顶总延迟观测误差诊断值较为合理,诊断值站点间差别较大,说明逐站进行观测误差诊断的必要性;（2）天顶总延迟资料同化使强降水的强度、落区预报性能得到提高,使温、湿、风等要素的预报与观测接近,Des方案同化分析、预报效果优于传统方案;（3）对2016年7月25日华北—东北强降水过程进行了同化预报分析,整体而言,天顶总延迟资料同化有效增强了对流层中低层初始湿度场,修正了积分初期水凝物含量与位置,进而改善了降水预报效果,修正了对照试验对辽宁东部地区强降水的明显漏报,且通过降水的反馈作用改进了温度与风场预报效果。基于Des方法逐站诊断观测误差相比传统方法得到的观测误差更为合理,因此能够提高天顶总延迟资料的同化预报效果,同化天顶总延迟资料能够提高降水及温、湿、风等气象要素的预报水平。