The Uncertainty of Mesoscale Numerical Prediction of Heavy Rain in South China and the Ensemble Simulations?

In the context of non-hydrostatic MM5 version we have explored the impact of convective parameterization schemes on uncertainty in mesoscale numerical prediction of South China heavy rain and mesoscale heavy rainfall short-range ensemble simulation by using two kinds of physics perturbation methods through a heavy rain case occurring on June 8, 1998 in Guangdong and Fujian Provinces. The results show the physical process of impacts of convective schemes on heavy rainfall is that different latent heat of convective condensation produced by different convective schemes can make local temperature perturbation, leading to the difference of local vertical speed by the intrinsic dynamic and thermodynamic processes of atmosphere,and therefore, making difference of the timing, locations and strength of mesh scale and subgrid scale precipitation later. New precipitations become the new source of latent heat and temperature perturbation,which finally make the dynamic and thermodynamic structures different in the simulations. Two kinds of methods are used to construct different model version stochastically. The first one is using different convective parameterization and planetary boundary layer schemes, the second is adjusting different parameters of convective trigger functions in Grell scheme. The results indicate that the first ensemble simulations can provide more uncertainty information of location and strength of heavy rainfall than the second. The single determinate predictions of heavy rain are unstable; physics ensemble predictions can reflect the uncertainty of heavy rain, provide more useful guidance and have higher application value.Physics ensembles suggest that model errors should be taken into consideration in the heavy rainfall ensembles. Although the method of using different parameters in Grell scheme could not produce good results, how to construct the perturbation model or adjust the parameter in one scheme according to the physical meaning of the parameter still needs further investigation. The limitation of the current study is that it is based on a single case and more cases will be addressed in the future researches.     

一种新型的中尺度暴雨集合预报初值扰动方法研究

提出一种针对对流不稳定构造具有中尺度运动特征的集合预报扰动初值的新方法--异物理模态法, 介绍了异物理模态法产生初值扰动区域和扰动振幅的数学处理方案, 即由不同对流参数化方案预报离差获得集合预报初值扰动区域、扰动结构和扰动振幅的数学处理过程. 利用美国PSU/NCAR的MM5中尺度模式, 对一次典型暴雨进行异物理模态法初值扰动集合预报试验, 详细分析了扰动初值的结构和集合预报结果. 结果表明, 该方法产生的初值扰动场具有合理的中尺度环流结构, 可以反映对流敏感区域的对流不稳定的预报不确定性, 集合预报结果可以明显改善控制预报.     

河南“75.8"大暴雨的中尺度集合预报试验

发生在河南的"75.8"特大暴雨是我国历史上影响最大、受灾程度最严重的一次灾害性天气过程.其造成的人员伤亡与唐山地震相当,造成的经济损失近百亿元,我国气象学家对此展开过大量的研究,其可预报性问题一直都受关注.尝试采用近年来在预报理论与实践中提出的中尺度集合预报技术,以GRAPES中尺度有限区模式作为试验模式工具,针对此次过程展开两组试验.试验1主要着眼于对暴雨有较大影响的积云对流参数化方案,分别从对流激发和大尺度环境场相互作用的角度出发,对其中一些经验性参数在合理取值范围内给予调整,使其在一定程度上表征模式的不确定性,来构建集合成员.试验结果表明:对流参数化方案中不同的参数对降水的影响作用各不相同,空间上对于降水落区的影响不是很大,但是对降水强度的改善却很明显,集合平均对强暴雨中心的体现有积极作用,平均后的暴雨区最大降水量预报为90mm/24h,比"确定性"预报(控制试验)值70mm/24h改善了约30%,最佳的单个成员的暴雨区最大降水量预报值(120mm/24h)比控制试验预报(70mm/24h)提高了70%;时间上看,不同的参数会影响到积云对流的激发,使得降水发生的时间有所不同,进而影响后续降水的发展.试验2利用模式不同分辨率和不同物理参数化方案的组合来构造集合成员,进行中尺度集合预报试验,试验结果表明:简单的集合平均能在一定程度上改善降水强度,与高分辨率模式预报结果比较,暴雨中心降水量约提高了20%～30%.可见:集合预报能在一定程度上减弱模式不确定性的影响;对流参数化方案和经验性参数的差异、模式分辨率的差异确实对模拟结果有一定的影响.     

贵州南部一次突发性大暴雨的中尺度分析

利用地面加密观测资料、贵州自动站雨量资料、FY-2C卫星红外辐射亮度温度(tbb)资料等,对2006年6月12日夜间贵州南部突发性大暴雨过程进行了中尺度分析.结果表明:具有类似于MCC(Mesoscale Convective Complex)特征的中尺度对流云团的发生发展及其缓慢东移是造成此次大暴雨的直接原因.对流层中低层大量的水汽输送和对流有效位能的积累为大暴雨的形成提供了有利的环境条件,中高层弱冷空气入侵使偏南暖湿气流被迫抬升、地面中尺度低压和辐合线的形成是暴雨发生的可能触发机制.中尺度天气系统具有低层辐合、高层辐散的高、低空配置,暴雨区南、北两侧的正、反垂直环流构成了中尺度次级环流圈的垂直结构特征.     

非绝热物理过程对北京暴雨数值预报不确定性影响

选取了2001年8月发生于北京市的具有不同大尺度环流强迫特征的两次强降水过程,利用MM5模式和国家气象中心的T213预报资料,分析了模式非绝热物理过程对北京市暴雨数值预报的影响特征和不确定性,探讨了解决暴雨预报不确定性的集合预报方法,进行了多物理模式集合预报试验。试验结果表明:模式非绝热物理参数化方案对精细化预报结果有明显影响,包括局地降水强度、空间分布型态、时间演变特征等;在高分辨率模式中,采用积云对流参数化方案后,会出现更多的小量级降水预报,且不论是大尺度强迫较强的暴雨,还是大尺度强迫较弱的暴雨,对流参数化方案都是造成降水预报不确定性的重要因素。多物理集合预报的初步试验结果表明,高分辨率集合预报可提供有价值的预报信息,是解决灾害性天气预报不确定性的一种有效的技术方法,但就目前的模式水平而言,可重点发展降水集合预报,特别是强降水集合预报系统,以反映模式在降水预报中存在的不确定性。     

WRF中地形重力波参数化方案在一次华南暖区暴雨形成机制分析中的应用

华南地形复杂多变,局地强对流天气频繁发生又难于预报。要准确模拟华南地区的降水情况必须考虑地形的影响。以发生在云雾山东南侧一次暖区暴雨过程为例,探讨中尺度WRFV3.1版本中新增加的地形重力波拖曳（GWDO）参数化方案对山区暴雨的模拟能力,以及本次暴雨的形成机制。数值试验利用2008年6月5日00:00至2008年6月6日12：00的每6 h一次的NCEP分析资料（水平分辨率为1°×1°）积分36 h对发生在云雾山东南侧暴雨过程进行模拟,通过与实况对比分析后得出：①模式中考虑了GWDO参数化方案的敏感性试验较好地模拟了广东阳江地区强降水的中心和强度,再现了暴雨过程中大尺度环流形势及其演变状况,成功地复制了中尺度低涡的位置及移向,而未考虑此方案的控制试验没能模拟出此次暴雨,其在中心位置和降水强度方面都与实况差别较大。②GWDO参数化方案的引入有效地减少由地形引起的对流层中层纬向风的偏差,比较合理地模拟出了地形对气流的影响,从而使山区暴雨的模拟效果更接近于实况。③由试验得出,地形重力波拖曳可以使能量在中层辐散,导致垂直上升运动加强并使降水加强和降水的范围相对集中,是本次特大暴雨产生的主要原因。     

"98.5"华南前汛期暴雨的非静力数值模拟和中尺度系统分析

为了对华南暴雨进行深入的数值模拟研究,在对1998年5月23～24日(简称“98．5”)华南暴雨进行天气分析的基础上,利用非静力中尺度数值模式MM5对该次暴雨过程进行了数值模拟。数值模拟结果和客观分析结果的比较表明,模拟结果可以再现造成暴雨的大、中尺度环流条件。造成此次暴雨的中尺度系统具有暖心高湿结构,高空辐散,低空辐合及对应的强上升运动和气旋性涡柱是造成这次暴雨的动力学机制,低空偏南气流对这次暴雨的产生和发展起着重要的作用。模拟的降水中心与观测的较接近,位置略偏南、偏西,雨量略小,但降水时段和雨区模拟较好。降水发生在喇叭口等有利地形;高低分辨率的地形资料对本次降水的模拟结果影响不大。     

一次中尺度强降水天气过程分析

利用常规观测资料、卫星云图、自动站气象观测资料和多普勒雷达等资料,对2011年6月16日玉林市南部一次中尺度强降水过程进行天气动力学和中尺度分析,结果表明：这次暴雨是在有利的大尺度环流背景下．通过中尺度系统激发而产生的。高空低槽和低空切变辐合是强降水产生的前提条件,中尺度对流云团强烈发展是强降水产生的直接原因;分析红外...     

华南持续性暴雨的大尺度降水条件分析

利用1958-2004年NCEP/NCAR全球逐日再分析格点资料和同期我国华南地区45站的逐日降水资料,从水汽条件、不稳定能量及抬升条件对发生在华南地区的157个连续性暴雨进行分析,并结合各自的爆发时间,对暴雨进行分类,讨论了不同类型华南持续性暴雨的形成原因.     

华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析

利用MM5模式对发生在1998年5月23～24日华南暴雨和中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,简称MCS)模拟的模式输出资料,根据湿位涡守恒原理和倾斜涡度发展理论分析了暴雨和MCS形成和发展的原因.结果表明,暴雨和MCS发生在倾斜湿等熵面具有弱对流稳定性的下陷区,沿湿等熵面下滑的冷空气与倾斜上升并具有较强对流有效位能的暖湿空气在下陷区会合的过程中经历了对流稳定性减小的过程,导致暴雨和MCS发生发展区域有气旋性的涡旋发展.对流发展区域的上空满足条件对称不稳定发生的条件,MCS中上升气流呈倾斜状态.由于湿等熵面倾斜,在暴雨和MCS的发展过程中,水平风垂直切变和湿斜压度的增大也有利于涡旋的发展,使暴雨和MCS得以维持.最后,给出了华南地区湿等熵面上暴雨和MCS发生发展的一个物理概念模型.     

9608台风外围对流云团造成闽南暴雨成因分析

分析表明：当９６０８叶风在福建登陆并行西北行之后，台风东侧东南风和西南风中强并在闽南地区形成暖湿切变，台风西侧的下沉偏北气流加强了闽南地区的湿斜压锋区，提供了中尺度对流云团发生发展的有利条件；台风低压西北方干舌卷入并向南扩展、地面中小尺度国界事系统、地面中尺度能量锋区以及闽南特殊的地形作用均加强了对流云团的发展。     

暴雨过程的中尺度分析

利用１９９８年６月１３日００时－１４日１４时地降水量,地面风场,高空雷达回波资料,被步分析了中尺度过程的演变特征,同中尺度系统是造成暴雨的直接原因并统计出物量,中低压环流活动与暴雨的对应关系。在大尺度环流形势下,中尺度辐合线和地形作用为局地大暴雨提供了有利条件。     

华南锋面与暖区暴雨个例对比分析

分析了1961～1999年亚洲热带近海海温与云南降水的关系.通过研究云南夏季降水对近海海温异常的响应,发现云南初夏的降水与亚洲热带近海海温有明显的负相关关系,这种降水减少海温正距平的情况在北印度洋西部和阿拉伯海表现比孟加拉湾和南海更显著,但是在盛夏相关关系不显著.同时发现云南西南部的夏季降水与前期盂加拉湾海温有显著的正相关,而与其它海域的海温相关不显著.滇东南的夏季降水只与前期南海的海温有显著的正相关.     

一个三重嵌套的中尺度模式及暴雨模拟试验

该文介绍了新近发展的一个高分辨率有限区模式(HLAM)。它是通过三重嵌套在现有计算机(CYBER-992)条件下实现的,其范围、地理位置及侧边界宽度均设计为灵活可变,尤其水平分辨率可按任意倍数提高。利用水平分辨率为50km左右的模式版本进行了实际资料的降水个例实验。结果是令人鼓舞的：(1)与嵌套的低分辨率(格距增大4倍)模式预报比较,不论低压中心位置、强降水落区、雨带走向及降水中心位置的预报都更接近实况;(2)高分辨率模式积分区域虽然缩小,但并未影响预报效果,其48小时预报仍有较高精度。初步试验表明,进一步完善和改进后的HLAM完全可以发展为一个用于中尺度研究及业务使用的高分辨率区域模式。     

Comparative Studies of Different Mesoscale Convection Parameterization Schemes in the Simulation of Mei-Yu Front Heavy Rain

The mei-yu front heavy rainstorms occurred over Nanjing on 3 5 and 8 9 July 2003 and were simulated in this paper using the Weather Research and Forecasting Model (WRFv3.1) with various mesoscale convection parameterization schemes (MCPSs). The simulations show that the temporal and spatial evolution and distribution of rainstorms can be modeled; however, there was incongruity between the comparative simulations of four different MCPSs and the observed data. These disparities were exhibited in the simulations of both the 24-hour surface rainfall total and the hourly precipitation rate. Further analysis revealed that the discrepancies of vertical velocity and the convective vorticity vector (CVV) between the four simulations were attributed to the deviation of rainfall values. In addition, the simulations show that the mid-scale convection, particularly the mesoscale convection system (MCS) formation, can be well simulated with the proper mesoscale convection parameterization schemes and may be a crucial factor of the mei-yu front heavy rainstorm. These results suggest that, in an effort to enhance simulation and prediction of heavy rainfall and rainstorms, subsequent studies should focus on the development and improvement of MCPS.     

华南前汛期福建一次致洪暴雨过程的中尺度结构特征

利用FY-2E卫星云顶亮温资料、全国加密自动站资料和NCEP再分析资料,对2010年6月19～20日华南前汛期福建一次特大暴雨过程的中尺度对流系统的演变及其结构特征进行了分析和讨论。结果表明,特大暴雨发生在稳定的环流背景下,整个过程有4个主要的中尺度对流系统,沿着低层切变线东移和发生、发展,为强降水的发生提供了有利条件;高层辐散和低层辐合促进了强降水区中的上升运动,低层辐合的水汽在强上升过程中释放凝结潜热,进一步促进了水汽的上升运动和低涡的发展,是强降水发生的动力特征;地面不稳定能量和西南暖湿气流在强上升运动作用下,与中高层沿等θse线向低层侵入的干冷空气在对流层中层相遇并形成锋区,是特大暴雨过程的热力特征;湿位涡的诊断分析表明,对流不稳定和条件性对称不稳定的发展促使强降水区附近的涡旋发展,上升运动的加强,对强降水的发生和持续起了重要作用。     

华南冷锋云系的中尺度和微物理特征模拟分析

利用中国气象科学研究院（CAMS）中尺度云分辨模式,结合实测地面雨量、卫星和雷达资料,对发生在2004年3月31日~4月1日的华南春季冷锋降水过程进行模拟分析。模拟云带的出现时间、位置、形状与走向以及随时间的演变均与卫星观测一致。模拟的雷达回波分布同实测一致,回波主要出现在地面锋线以及锋后冷空气一侧,呈西南-东北带状分布,锋面云系的不同部位回波单体的差异很大。模拟的主要降水时段内的地面雨量分布范围以及大小同实测接近,中尺度雨带呈西南-东北带状结构,随着冷锋的移动逐渐向东南方向移动。在中尺度雨带上有4个生命史超过3小时的强降水中心,强降水中心基本都是向东略偏南的方向移动,与回波单体的移动方向一致。锋面云系的垂直运动深厚,且基本与云区对应,云系产生在低层辐合、正涡度,高层辐散和高相当位温的区域。地面锋线附近的上升速度大,云水含量高,冰相粒子的淞附和雨滴碰并云滴是云中的主要微物理过程,暖雨过程和冷雨过程都重要;而在高空锋区宽雨带部分低层为下沉气流,上升气流只出现在高层,主要是过冷云水、霰和雪晶组成的混合云,雪晶是霰增长的主要源项,降水主要由霰的融化产生,冷云降水过程比较重要。     

登陆台风引发的暴雨过程之诊断研究

对9406（Tim）台风登陆北上并与西风带槽相互作用,引发我国东部大暴雨的过程进行了诊断研究,并与北美的个例进行了对比。发现Tim与北美的Hazel、Agnes、Camile飓风虽同属于低纬度系统北移被中纬度西风槽所“捕获”,但上述北美飓风均转变为锋面气旋,发展过程基本上与挪威学派经典的A类气旋及Petterssen定义的B类气旋相似,而Tim不属于上述两类情况。对涡度方程的诊断表明,此过程在低层除平流项外,散度项也比垂直输送项和扭转项大一个量级。而高空散度项、垂直输送项和扭转项同量级,此时扭转项的贡献也不可忽视。对水汽来源的诊断表明,对华北和东北的降水而言,尽管孟加拉湾有丰沛的水汽输送至东亚,但是南海和西太平洋的水汽输送仍有重要贡献。     

华北秋季大暴雨的天气分析与数值模拟

利用常规资料和MM5模拟结果分析了2003年10月10—12日华北地区大暴雨物理成因。分析表明,高层稳定持续的经向环流是大暴雨产生的大环流背景。低空暖切变线和低空急流的直接影响,以及西南涡的加强和日本海高压的阻挡起了重要作用。强烈的上升运动、能量的积累和充沛的水汽输送是大暴雨发生的必要条件。对流层中下层偏南急流、低层的偏东气流和高空的西南急流提供了充足的水汽和能量输送。强涡度柱与强散度区、强上升运动与饱和气柱的互耦,是大暴雨产生的重要机制。强冷空气与强暖湿空气在切变线附近长时间对峙,使大降水持续。这些是形成这次华北地区秋季大暴雨的重要原因。     

一次冷涡暴雨的中尺度对流云团分析及数值模拟研究

利用MM5模式对2000年8月发生在河北省的一次暴雨过程进行了模拟,发现本次过程是由蒙古东部的低涡与副热带高压共同作用形成的,而局地大暴雨的直接原因是中尺度对流云团的作用。中尺度对流云团形成前期有一个能量急剧积累的过程。通过改变地形、低层东南风大小的敏感性试验,发现这次暴雨虽然发生在河北东部,但华北西部、北部的地形对暴雨影响很大:当降低地形高度后,雨区的位置和强度都发生变化;减弱低层东南风后,蒙古东部冷涡的强度和移动速度都有不同程度的改变,并且层次越低影响越明显。