短时风暴数值预报模式研究 I. 模式的理论框架

本文致力于发展一个旨在用于中-β尺度天气系统研究和预报对流风暴的数值预报模式（中-β模式）。模式的动力学框架为三维非静力可压缩的完全弹性模型，对声波的处理采用时间分离求解及阻尼和压缩方法，模式只选择了对风暴系统短时预报有重要意义的一些物理过程，从而简化了模式的参数化方法，节省了计算量。     

短时风暴数值预报模式研究──Ⅰ．模式的理论框架

本文致力于发展一个旨在用于中－β尺度天气系统研究和预报对流风暴的数值预报模式（中－β模式）。模式的动力学框架为三维非静力可压缩的完全弹性模型，对声波的处理采用时间分离求解及阻尼和压缩方法，模式只选择了对风暴系统短时预报有重要意义的一些物理过程，从而简化了模式的参数化方法，节省了计算量。     

用伴随模式方程组优化飓风路径预报模式

模式拟合方法或“伴随方法”在一个正压飓风路径预报模式中做了检验。在同化时段的开始对涡度场加以调整，以使耗损函数达到极小值，后者定义为模式涡度与一系列间隔为１２小时的分析涡度的差的平方。在使耗损函数极小化以后，模式涡旋在同化时段内紧沿着观测到的风暴路径而行，表明过去的风暴路径的信息正包含在模式解之中。使用这一同化方法作的路径预报与用该同化时段结束时刻单一分析对模式初始化的控制预报作了比较。对飓风Ｈｕｇｏ（１９８９）的１８次序列预报的结果表明采用１２小时同化时段，４８小时以内的平均路径预报误差均小于相应的控制预报误差。采用２４小时同化时段的预报误差要大于１２小时同化时段的误差。由Ｄｅｒｂｅｒ所述的即把一个使耗损函数极小化的强迫项加到涡度方程中的方法被用来延长同化时段。强迫函数在涡旋附近有非常局地化的极值，因为涡旋尺度和涡旋在同化时段内移动的距离相当。这种局地化强迫作用影响随后的预报时段内风暴移动。如果在同化时段开始时首先对涡度加以调整，则该局地化强迫作用的幅度变小，然后加入强迫项以使耗损函数进一步变小。当采用这种组合方法时，在７２小时以内平均路径误差小于控制模拟的误差。     

强对流风暴数值模拟及其未来预报的若干问题

运用三维弹性套网格中尺度（b-g）大气模式，对3个强雹暴过程作不同模拟试验，初步探讨了强对流风暴数值模拟及其未来预报的几个基本问题。结果表明:采用单点探空的二维暖云计算能定性预报出某些风暴过程，为强天气警报提供一定的参考信息；对风速风向垂直切变较小的风暴，二维模拟结果与三维模拟较接近；而对具有典型三维结构的超级单体，则用二维模拟或只用单向风分量的三维模拟不能模拟出其基本特征；为对不同风暴的生命、演变和降水发展等进行模式预报，不仅要求采用细致的雹云微物理参数化的三维模式，还要求用能较准确代表风暴发生处的背景     

GRAPES_3 km数值模式对流风暴预报能力的多方法综合评估

利用传统点对点TS评分、邻域法以及对象检验等多种方法,综合评估了GRAPES_3 km模式的对流风暴预报性能,分析了传统检验方法和新型空间检验方法对高分辨率模式评估的适用性和差异性,并同GRAPES_Meso模式的相关结果进行了对比。结果表明:对强对流典型个例的预报评估发现,综合应用多种评估方法能够更全面地评估对流风暴预报,获取模式在对流风暴初生和发展变化过程中的预报性能。使用点对点评分方法,GRAPES_3 km模式对风暴和强风暴的预报都明显优于GRAPES_Meso模式。对于模式不同起报时间的预报,起报时间越新预报效果越好。邻域TS方法考虑了时空偏差,GRAPES_3 km模式20和35 dBz采用时间邻域1 h,空间点对点时预报技巧最高;50 dBz时空偏差较大,时间邻域尺度为3 h技巧最高。分数技巧评分(FSS)显示GRAPES_3 km模式对不同阈值的对流风暴预报均能达到最低技巧尺度,而GRAPES_Meso模式对35 dBz以上的对流风暴基本无预报能力。对象检验可以评估对流风暴特征的预报效果,GRAPES_3 km模式的对流风暴个数预报与实况较为一致,但面积预报明显低估。该模式对β中尺度的对流风暴形态、位置等预报较好,对γ中尺度的对流风暴预报尺度偏大、形状偏圆、轴角偏小,对α中尺度的对流风暴预报尺度偏小、形状偏扁、轴角偏大。GRAPES_Meso模式的对流风暴面积、个数、尺度预报较实况均偏小,位置预报偏差较大,形状预报较实况偏圆、轴角偏小。传统点对点TS评分方法和新型空间检验方法对高分辨率模式对流风暴预报的检验结论一致,依然具有一定的参考价值,但新型空间检验方法能够提供更详细的评估信息。     

BCC_CSM气候模式对风暴轴的模拟能力评估

本文利用NCEP/NCAR再分析资料从不同角度评估了BCC_CSM气候模式对风暴轴的模拟能力。对于气候态的模拟,BCC_CSM气候模式可以准确地模拟出各季节风暴轴主体的强度与位置。对于时空分布的年际变化的模拟,BCC_CSM模拟的冬季风暴轴EOF分解的第一与第二模态特征向量场同NCEP再分析资料对应的特征向量场结构类似,前两个模态分别为全区一致及南北反向型,第三模态则有所不同。对于年内逐月的风暴轴强度和纬度指数变化,BCC_CSM有着较好的模拟效果,可以模拟出太平洋风暴轴独有的“深冬抑制”现象,但对经度指数变化的模拟则与再分析资料有着较大差异。对于风暴轴向极移动情况的模拟,太平洋地区的模拟结果没有表现出向极移动,而大西洋地区则模拟出1970年以后风暴轴位置向极地偏移的趋势。     

“93.5”黑风暴发展结构和不同模式分辨率的数值试验

1993年5月4～6日在我国西北部地区发生了一次“黑风暴”。用改进的MM1和高分辨PBL参数化及40 km细网格控制试验能基本上模拟出“93.5”黑风暴的结构和演变。模拟结果表明，黑风暴发展时段，在PBL内与一个中尺度气旋性强涡旋相伴，在对流层内与一个垂直涡柱相伴。这个伸展至对流层顶的涡柱下（上）半部是与低（高）空强烈辐合（辐散）入（外）流相伴的气旋（反气旋）性涡柱。该黑风暴结构不同于一般锋面结构，其主要判别是:界面坡度陡，θe水平梯度大，斜压性强，PBL内暖心明显。该暖心结构与下垫面剧烈热力强迫有关。不     

对流边界层中粒子随机扩散模式和高斯模式的比较

用粒子随机扩散模式和高斯模式模拟的对应３种源高的横风向各分浓度的结果与水槽试验的结果进行比较，发现粒子随机扩散模式能较好地模拟出水槽试验结果，说明该模式能用来模拟对流边界层的扩散，而高斯模式不能完全反映对流边界层的扩散。比较两种模式的模拟结果，发现粒子随机扩散模式由于考虑了对流边界中由卷流和热泡引起的垂直方向上湍流的非均一性，比高斯模式能较好的模拟出污染物在垂直方向上充分混合较快、水平方向上扩散范     

伴随模式同化系统在修正模式地形中的应用

任何模式都只是实际大气的一种近似模拟，存在误差。鉴于传统的四维资料伴随模式同化系统都是假设模式完全正确仅对初始场进行修正。将伴随模式同化系统应用于修正模式地形误差，通过对不同初始地形的修正试验表明，MM5伴随模式同化系统能很好地对地形误差进行修正，能够反演出与初始气象要素场分辨率相匹配、与模式更协调的地形场，为伴随模式同化系统的广泛应用提供了一种新的思路。     

孟加拉湾风暴Mala登陆期间地形敏感试验

孟加拉湾是全球8个热带气旋易发生的地区之一。孟加拉湾风暴向偏北和偏东方向移动,会对中国青藏高原和西南地区形成重大影响,而孟加拉湾风暴的移动方向受到青藏高原和云贵高原大地形的影响很大。为了分析大地形对孟加拉湾风暴路径、结构变化和降水分布的作用和影响,文中利用WRF模式对2006年4月29—30日孟加拉湾风暴Mala的登陆过程进行数值模拟研究。试验结果表明:模拟风暴中心的路径和强度与实况虽有一定误差,但移动趋势均为东北方向,强度误差较小,表明WRF模式对本个例的模拟可以参考。通过不同地形高度敏感试验,分析风暴在登陆前后分别在全地形、半地形和零地形高度情况下的移动路径和速度、环流结构、动力结构以及在云南省产生的降水分布和强度。结果表明:风暴登陆前,大地形对风暴结构有间接影响,使高层出现倾斜。在风暴登陆过程中,地形的阻挡和摩擦作用能较明显影响风暴的移动路径和速度。风暴登陆后,地形抬升使风暴强度减弱,移动速度加快;结构由基本对称变为非对称,且斜压结构明显。地形对降水存在双重作用,一方面地形抬升使风暴产生的降水增加,另一方面地形摩擦使风暴强度减弱从而减少降水。     

MM5模式输出对流参数的效果检验

利用MM5的输出资料计算各种强对流参数和物理量，结合北京地区20个雷暴个例对其使用效果作了相关检验。结果表明模式输出参数能较好地反映雷暴和非雷暴日的区别，较实况探空而言，模式输出不仅可以从参数的大小，而且可以从参数的变化趋势来来判断雷暴的发生；模式输出参数同时能较准确地预报雷暴发生的时间和落区；和实况探空的对比以及不同预报时效的对比表明，模式和实况及业务需求还存在差距，模式输出还有待进一步提高。     

Storm Surges in the Strait of Georgia Simulated with a Regional Model

The Strait of Georgia is a large, semi-enclosed body of water between Vancouver Island and the mainland of British Columbia connected to the Pacific Ocean via Juan de Fuca Strait at the south and Johnstone Strait at the north. During the winter months, coastal communities along the Strait of Georgia are at risk of flooding caused by storm surges, a natural hazard that can occur when a strong storm coincides with high tide. This investigation produces storm surge hindcasts using a three-dimensional numerical ocean model for the Strait of Georgia and the surrounding bodies of water (Juan de Fuca Strait, Puget Sound, and Johnstone Strait) collectively known as the Salish Sea. The numerical model employs the Nucleus for European Modelling of the Ocean architecture in a regional configuration. The model is evaluated through comparisons of tidal elevation harmonics and storm surge with observations. Important forcing factors contributing to storm surges are assessed. It is shown that surges entering the domain from the Pacific Ocean make the most significant contribution to surge amplitude within the Strait of Georgia. Comparisons between simulations and high-resolution and low-resolution atmospheric forcing further emphasize that remote forcing is the dominant factor in surge amplitudes in this region. In addition, local wind patterns caused a slight increase in surge amplitude on the mainland side of the Strait of Georgia compared with Vancouver Island coastal areas during a major wind storm on 15 December 2006. Generally, surge amplitudes are found to be greater within the Strait of Georgia than in Juan de Fuca Strait.     

沙尘暴同一化监测模型与灾害评估研究

阐述了将GIS/RS(地理信息系统/遥感)一体化技术应用在沙尘暴灾害的监测与评估工作中的方法,提出利用不同遥感数据源建立同一化的沙尘暴监测模型的方法,将沙尘暴监测由定性研究转变为定量特征参数计算.引入GIS技术建立了可业务使用的沙尘灾害评估模型,通过对下垫面数据的集成与叠合分析,可以快速、机动、准确、可靠和多层次进行沙尘暴的灾后评估.     

Data-Assimilative Hindcast and Climate Forecast of Storm Surges with an ASGF Regression Model

ABSTRACT

This study demonstrates that long-term climate model solutions can be efficiently converted to storm surge time series at points of interest (POIs) for the future. The all-source Green's function (ASGF) regression model is used for this conversion. In addition to being data assimilative, the ASGF regression model can also simulate storm surges at a POI faster than the traditional modelling approach by orders of magnitude. This is demonstrated using the tidal gauge at Sept-Îles (Quebec, Canada) in the Gulf of St. Lawrence as the POI. First the ASGF regression model is used to assimilate 32 years of tidal gauge data, producing a continuous hindcast of storm surges and a set of best-estimate regression parameters. Second, the ASGF regression model with the best-estimate parameters is used to convert a Canadian Regional Climate Model solution (CRCM/AHJ) to an hourly time series of storm surges from 1961 to 2100. Gumbel's extreme value analysis (EVA) is then applied to the time series as a whole and also to tri-decadal segments. The tri-decadal approach is used to investigate whether there is any progressive shortening or lengthening of storm surge return periods as a result of future climate change. A method for correcting for bias due to the forcing field at the EVA level is also demonstrated.     

渤海西岸致灾风暴潮的统计预报模型

渤海西岸是风暴潮灾害多发区,1990年代以后发生几率和灾害损失明显增加。利用气象科学和海洋水文科学相结合的方法,依据黄骅港潮汐资料,对发生在渤海西岸的风暴潮进行统计分析。结果表明,台风和强冷空气配合气旋是造成渤海西岸风暴潮的主要天气系统,偏东大风增水和天文潮叠加是造成风暴潮的直接因素;风暴潮和天文潮汐都有半日潮现象。在此基础上,建立了渤海西岸风暴潮预报模型,通过台风或冷空气配合气旋影响时增水值的计算,结合天文潮汐资料,做出最高潮位预报。应用该预报方法对渤海西岸发生的7次风暴潮进行回报,预报值与实测值基本相当,是基层台站较实用的预报方法。     

基于城市内涝仿真模型的天津风暴潮灾害评估

基于城市内涝仿真模型,根据天津沿海地区的地形、地貌特征以及排水系统等对城市内涝仿真模型进行改进,在沿海边界和河口设置时变水位,使得模型拓展到既能模拟暴雨产生的内涝,也能模拟由于风暴潮侵袭造成的淹没情景。该模型对天津沿海地区历史上典型风暴潮个例以及10年、20年、50年、100年一遇重现期风暴潮产生的积水范围和积水深度进行了模拟,并对2012年8月3日台风达维 (1210) 造成的天津沿海风暴潮进行了业务试应用。将历史风暴潮个例模拟结果以及2012年8月3日的评估结果与实际灾情进行对比,结果显示模型具有较好的模拟能力,可应用于风暴潮灾害的评估和预估业务中,为相关部门和行业提供决策参考。     

盛夏中国北方的超强区域性持续暴雨

将“６３．８暴雨”与“７５．８暴雨”的天气学特征作了系统的对比分析。研究表明：尽管这两次暴雨相隔１２年,主要暴雨落区相距５００ｋｍ以上,发生暴雨的低气压系统分别来自西南与东南等差别,而形成暴雨的基本天气学过程是非常相似的。概括这两次暴雨的环一种盛夏出现在中国北方的超强区域在气的概念模型。     

非结构网格空气质量模式对东亚强沙尘暴的初步模拟研究

基于中国科学院大气物理研究所自主研发的嵌套网格空气质量数值预报模式(NAQPMS)和英国帝国理工学院应用计算与建模小组(AMCG)研制的有限元流体模式(Fluidity),构建了非结构网格沙尘传输模式(Fluidity-Dust),并模拟再现了2010年3月19~22日东亚强沙尘暴整个暴发、演变的三维立体动态过程,从整体上对这次沙尘事件有了全新的直观认识和了解。通过利用FY-2D卫星沙尘反演资料及MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)卫星反演的气溶胶光学厚度(AOD)资料,可对模拟结果进行整体上对比验证;同时,利用中国9个城市站点的PM10(空气动力学当量直径小于等于10μm的颗粒物,即可吸入颗粒物)地面观测资料以及日本多个站点的激光雷达资料,逐一对比分析了不同地区PM10的时空分布以及沙尘传输经过时的垂直分布情况;并与NAQPMS模式的沙尘模拟结果进行了模式间的对比分析。对比结果均表明:该模式具有较好的模拟能力,能很好地模拟再现整个沙尘暴过程,为今后进一步运用自适应变网格技术以实现对沙尘暴的高精度追踪模拟奠定了基础。不同模式比较是量化模拟不确定性的重要方法。以往沙尘输送模式比较研究表明:起沙量模拟的不确定性是沙尘暴数值模拟的最大不确定来源。本文通过两个具有相同起沙方案的模式对同一沙尘事件的模拟,发现不同的平流方案以及不同的沉降计算也会对沙尘过程模拟产生重要影响。     

Numerical simulation of typhoon surges along the east coast of Zhejiang and Jiangsu Provinces

Using conventional two-dimensional nonlinear storm model, the storm surges caused by the six ty-phoons with different kinds of tracks which hit the coast of Zhejiang and Jiangsu Provinces including Shanghai during the period from 1953 to 1974 are computed numerically. To avoid the nonlinear and linear computational instabilities, a finite-difference scheme with the quadratic conservation (or the semi-momentum) is adopted and a criterion for linear computational stability is derived. The basic parameters used in this computation are: the space step Δs=30km, the time step Δt=200sec, the coefficient of the wind stress = 2.6 "10-> and the coefficient of the bottom friction v&2=2.0x 10-'. The pressure and surface wind distribution for typhoon are assumed to be characterized by Fujita's pressure formula and Uerto's wind model, respectively.