复杂地形下地面观测资料同化Ⅰ. 模式地形与观测站地形高度差异对地面资料同化的影响研究

中国地形复杂, 模式地形与实际观测地形存在一定高度差异, 因此设计合理的复杂地形下地面观测资料的同化方案有利于使我国目前仅用作探测手段的地面观测资料 (常规地面观测站和地面自动站) 在中尺度数值模式中得到充分利用.作者在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析, 并对地面资料同化方案设计中是否需要考虑模式与实际观测站地形高度差异进行探讨研究.研究结果表明: 通过近地层相似理论将地面观测资料同化到数值模式能起到一定的作用, 并且地面观测资料 (温度、湿度、风场、地面气压) 中各物理量同化到数值模式都能影响24小时降水数值结果, 但各物理量起的作用大小不一样, 其中影响最大的是温度, 其次为湿度; 地面观测资料同化方案设计有必要考虑模式地形与实际观测站地形高度差异, 适当考虑这种高度差异能取得较好的结果.     

探空温度资料质量控制技术研究

探空资料质量控制是探空资料在数值模式同化应用取得较好效果的重要保障,随着模式分辨率不断提高,探空资料飘移信息越来越需要应用到同化算子。本文通过全球谱模式T639L60(简称T639)分析场和掩星探测系统COSMIC资料对2011年7月我国119个探空站温度资料进行分析,同时结合探空气球随高度飘移信息以及温度残余误差等因素,开展探空温度质量控制技术研究。研究结果表明：探空气球飘移距离随高度而增大,在300~100 hPa之间飘移速率较大;基于探空温度资料残余误差和飘移因素建立的双权重标准质量控制方法能有效保障资料质量,是否考虑温度残余误差和飘移信息对质量控制结果有明显影响。当考虑温度残余误差时,300 hPa以上离群资料量显著减少;考虑飘移信息时,高层飘移速率较大区间离群资料量明显减少;模式地形与测站地形的高度差异对质量控制结果有明显影响,当测站地形高度低于模式地形时,易出现离群点,且两种地形差异大小与离群点呈正相关,即地形差异越大,低层离群资料越多。     

有地形情况下正压大气初值问题解的唯一性和稳定性

近年来,随着数值天气预报的蓬勃发展,愈来愈多的模式考虑地形影响,对模式的要求也越来越高。因此对模式性质的进一步研究是很有必要的。 过去对于初值问题的适定性已有过不少研究,但很少考虑大地形对初值问题的影响。基于上述原因,本文采用与文献完全相同的方法,证明了有地形情况下正压大气初值问题解的唯一性和稳定性。与文献不同的是积分区域取为纬度带而不是球面,这样与通常使用的有限区域模式更为接近。有地形情况下斜压大气初值问题解的唯一性和稳定性可以用同样的方法得到证明。     

复杂地形下地面观测资料同化I. 模式地形与观测站地形高度差异对地面资料同化的影响研究

中国地形复杂，模式地形与实际观测地形存在一定高度差异，因此设计合理的复杂地形下地面观测资料的同化方案有利于使我国目前仅用作探测手段的地面观测资料（常规地面观测站和地面自动站）在中尺度数值模式中得到充分利用。作者在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析，并对地面资料同化方案设计中是否需要考虑模式与实际观测站地形高度差异进行探讨研究。研究结果表明：通过近地层相似理论将地面观测资料同化到数值模式能起到一定的作用，并且地面观测资料（温度、 湿度、 风场、 地面气压）中各物理量同化到数值模式都能影响24小时降水数值结果，但各物理量起的作用大小不一样，其中影响最大的是温度，其次为湿度；地面观测资料同化方案设计有必要考虑模式地形与实际观测站地形高度差异，适当考虑这种高度差异能取得较好的结果。     

数值模式地形处理方法与地形降水影响模拟研究回顾

本文从数值模式出发,回顾了数值模式中考虑地形影响的处理方法和模式地形构造方法,数值模拟地形对降水影响的一些研究成果,从而获得数值模式中地形处理方法及数值模拟地形降水特征及机理的认识。在数值模式中合理地考虑地形影响,提供更为真实的模式地形,将有助于提高数值模式的预报能力,从而提升天气预报的业务水平。      

地形对9216号台风暴雨增幅影响的数值研究

利用一个具有三重水平结构的台风数值模式，就地形对９２１６号台风暴雨增幅的影响作了有、无地形的对比数值研究。结果表明：（１）模式的三重结构能较成功地考虑不同尺度的地形，既能考虑关键区的细致结构，又能考虑大尺度环境流场的影响，能较成功地预报出台风路径、大风及雨分布；（２）地形作用改善了对流降水条件，中低层幅合上升比无地形有很大加强，台风登陆后在山脉迎风坡地区降水增幅显著，且对流性降水占较大比重，取消地     

基于中尺度和微尺度的复杂地形大风预报方法研究

复杂地形气象预报误差主要与模型对地形特征的准确描述、对物理动力过程的假设有关。采用融合中尺度数值天气预报系统(WRF)和微尺度风速模拟模型(CalMet)的方案,既能考虑大尺度、中尺度和微尺度上的动力学过程,又能最大程度上体现局部地形影响。融合预报结果与中尺度预报结果的对比分析表明,融合预报方法能更好地模拟复杂地形的大风过程,对于复杂地形地区大风风灾预测、预警和分析有重要的参考价值和指导意义。     

陡峭地形有限区域数值预报模式设计

本文设计了一个考虑陡峭地形的E-网格有限区域数值预报模式。对如何减小由地形坡度带来的计算误差,我们从地形表示方式和差分格式构造两个方面给出了有效的处理方法。并用青藏高原的两个背风气旋实例对模式作了预报检验,同时比较了有、无地形的模拟结果。     

青藏高原背风坡地形对西南涡过程影响的数值试验

在一个有三重水平结构的台风数值模式基础上，发展了一个能考虑青藏高原及其背风坡不同尺度地形的数值模式，用于９８１年７月１２日２０：００￣７月１４日２０：００西南涡个例的数值研究。模式中设计了全地形、１／３地形和无地形三种方案。对比试验结果表明：全地形对西南涡的移动和发展、形状和范围均能较成功地模拟，降低地形或无地形时，模拟则不成功。全地形时急流轴为偏北方向，而在１／３地形或无地形时，急流走向为偏东方     

地形对大气环流影响的数值试验

本文利用北半球正压原始方程模式和理想初始场，加入北半球实际的平滑地形的作用，对北半球超长波2波型、3波型、长波4波型、5波型，分别进行了240小时的积分计算。从考虑地形和不考虑地形的四组结果对比中，发现地形对上述四种波型的演变有很大的影响，证实了地形作用确系影响大气环流、形成某些天气气候特征的重要因素之一；同时发现，在地形的动力作用下，北半球大气形成了一些重要的环流系统。例如，极涡向北欧偏移，东亚、北美大槽和阿拉斯加脊的维持，都与地形有密切关系。在地形作用下:（1）北太平洋西槽东脊，而北大西洋西脊东槽。（2）阻塞和切断形势的出现更为频繁、典型。（3）在欧亚大陆上，m=4时出现倒Ω流型，而m=5时，出现两槽一脊型。     

大气边界层中散度、涡度、铅直速度的计算

前几讲介绍的散度、涡度、铅直速度、水汽通量散度的计算,都没有考虑地形起伏和摩擦作用。很显然,这与实际情况有出入。本文介绍作上述物理量时,怎样考虑地形和摩擦等。 一、地面附近散度、涡度、水汽通量散度的计算 当地面各测站拔海高度差别较大时,则不能用第一讲中介绍的公式求散度,而应加上地形坡度的影响。这是因为辐散、辐合现象是对同一个水平面上的风场     

次网格地形参数化对WRF模式在复杂地形区风场模拟的影响

黄土高原特殊的地形导致该地区风场特征复杂,本文以黄土高原为研究对象,通过3组数值模拟试验,探讨次网格地形参数化对WRF模式模拟近地面风场的影响。结果表明:地形越复杂,次网格地形标准差越大,WRF模式中离站点最近格点的海拔高度与站点实际海拔高度差异越大;研究时段内,若不考虑次网格地形影响,观测风速较小时,WRF会高估风速,而观测风速较大时,WRF则低估风速。在相对平坦的地区,模拟风速与观测风速之间的均方根误差较小,地形越复杂时,均方根误差越大。采用次网格参数化方案后,模式对风速的模拟有明显改进,认同指数、准确率、相关性等都有明显提高,模拟误差明显降低。3组试验均能模拟出风速的日变化,但不考虑次网格地形影响时,模拟的风速几乎是观测值的2倍,考虑次网格地形影响后,模拟的风速明显降低,其中Jimenez方案模拟的风速与观测值之间的偏差最小,能更好地描述风速的空间分布特征,而Mass方案仅降低了平原和山谷地区的风速却没有突出山区的高风速,对风速空间变化的模拟不如Jimenez方案。     

青藏高原大地形对冷涌作用的理论研究

本文从包含大地形效应的线性浅水波方程组出发,考虑青藏高原大地形为由西向东等科率倾斜,导得两类重力波解,一类是两个高频重力惯性波解,另一类是由地形激发的低频地形重力波解。后者与Kelvin波有某些类似之处。它们分别类似于数值试验所得冷锋迅速南下和冷涌强风速中心沿青藏高原大地形东侧边缘较慢向南传播的重力波。特别当无地形时,则低频波消失,仍有高频波。还求得了重力波波射线的传播路径为次摆线方程,这与数值试验所得冷涌强风速中心环绕青藏高原大地形东侧边缘的弧形路径颇为一致。且沿大地形下游沿海地区可能存在地形重力波波导管。     

高原横切变线上的波动及其与低涡的可能联系

基于z坐标系下考虑地形的正压模式方程组,利用小参数法求得其一级近似形式,对包含地形坡度与不考虑地形坡度的切变波和涡旋波及其关系进行了理论分析。得出切变线上的波动包括切变波、惯性波和重力外波,属于双向传播的频散波。考虑地形坡度时,波动不稳定条件与波数有关,地形坡度对波动不稳定贡献大小取决于基本气流的纬向分布状况。在不考虑地形坡度时,基流存在南北切变且波长较长时,易出现切变波不稳定。涡旋波不稳定是切变波不稳定的一种特殊形式,即切变线上的波动可通过不稳定发展而形成低涡。理论分析与个例应用表明水平尺度较长的横切变线在一定条件下可诱发低涡生成及东移,从而有利于形成低涡暴雨等极端天气事件。     

地面观测资料同化初步研究

通过对比分析当前两种地面观测资料同化方案(Ruggiero方案和郭永润方案),对其优缺点进行初步分析研究。结果表明:两种同化方案同化地面观测资料后都是从模式低层到高层对分析场产生影响,中低层高度影响比较大,高层影响较小,并且对24 h模拟结果产生一定的影响。Ruggiero方案考虑了模式地形与观测站地形高度差异,但资料剔除较多,且模式分辨率越高,资料剔除对分析场的影响越明显。郭永润方案不考虑模式地形与观测站地形高度差异,假定所有地面观测资料位于模式面,因此无论模式分辨率如何,资料都能得到充分利用,但模式地形与实际观测站地形高度差异大小在地面观测资料同化分析中的影响不可忽略,因此郭永润方案有待改进,适当考虑这两种地形高度差异时效果更好。     

一个有大地形影响的初始方程数值予报模式

大地形对大尺度大气运动的动力和热力作用早已为人们所注意。尤其是青藏高原,国内外气象工作者对它的研究工作越来越多。至于对大地形附近的局地天气系统的模拟和予报,则更有必要考虑地形的作用。 目前,国内外大多数模式在解决地形问题时,都采用了σ座标系,因为这样一来,地形面就成为一个座标面,计算很方便。但是,根据一般坐标变换的原理,气压梯度力项变成两大项的余差,在差分计算时,尤其在地形的陡坡附近会出现很大的误差。因此,不得不     

斜压大气中的地形扰动

本文主要讨论地形对天气系统的影响,研究了斜压大气中地形背风气旋的问题。用小参数法简化基本运动方程,利用青藏高原和落基山脉的实际地形,采用FFT的数值方法,考虑了不同地形、风切变、大气层结等诸因素对地形扰动的影响。结果表明:青藏高原和落基山脉东侧的地形扰动与统计结果较一致;层结对地形扰动的影响较敏感。     

起伏地形下我国太阳散射辐射分布式模拟

基于1km×1km分辨率的数字高程模型(DEM)数据,考虑了地形因子对太阳散射辐射的影响,改进了开阔度的计算模型,确定了我国气候平均情况下月散射系数的空间分布,实现了实际起伏地形下我国太阳散射辐射的分布式模拟,计算了我国范围内1km×1km分辨率1-12月气候平均太阳散射辐射的空间分布.结果表明:局地地形对太阳散射辐射空间分布的影响比较明显;模拟结果可靠,可进行大数据量处理,适用于遥感图像处理、地理信息系统等数据处理平台.     

青藏高原对冷空气爆发影响的个例分析(一)

本文通过对1979年4月10—13日在我国的一次寒潮爆发过程进行了有、无地形及修改地形的数值试验和对比分析,发现高原地形对冷空气活动强度及路径等有明显的影响:(1)由于高原地形的存在使冷空气快速沿地形边缘向南推移,冷锋偏南,给我国平原地区带来较大的降温及较多的降雨。(2)这种冷锋的移动快而达到很偏南的纬度主要是低层冷空气沿高原地形边缘绕流所产生的。(3)如果高原大地形不存在,这时冷空气直侵印度,给印度北方带来强降温。     

起伏地形下我国太阳直接辐射的分布式模拟

运用数据集群技术,建立了我国不同时空尺度直接透射率的估算模式,对比分析了不同模式的拟合精度。基于1km×1km分辨率的数字高程模型(DEM)数据,全面考虑了地形因子对太阳直接辐射的影响,实现了实际起伏地形下我国太阳直接辐射的分布式模拟,计算了我国范围内1km×1km分辨率1—12月气候平均太阳直接辐射的空间分布。结果表明:局地地形对太阳直接辐射空间分布的影响非常强烈,尤其是在太阳高度角较低的冬季和秋季;模拟结果可靠,可进行大数据量处理,适用于遥感图像处理、地理信息系统等数据处理平台。