卫星云导风资料应用于伴随同化系统的数值试验研究

以2002年6月14日00时至15日00时发生在江南、华南一带的暴雨过程为例,利用MM5伴随模式同化系统,同化常规观测资料以及卫星云导风资料,研究MM5伴随模式对降水预报的改善以及云导风资料对于提高暴雨预报的作用。设计了4种数值试验方案,试验结果表明：MM5伴随同化系统对降水预报有较好的改善作用;GMS-5卫星云导风资料的加入增加了高空风场资料,将其同化到伴随同化系统中能有效改善模式初始场,提高了降水预报质量,特别对暴雨强降水的预报起到了较好的改善作用。     

云导风资料同化在伴随模式同化系统中的应用

以一次发生在长江流域的暴雨过程为例,设计了几种数值试验方案,并进行模拟。结果表明,MM5伴随模式同化系统能有效改善初始场与模式的协调能力,提高模式对于降水场和其它要素场的预报;使用云导风资料修正初始场后直接模拟的效果比未使用时直接模拟的效果要好,对部分区域的强降水预报精度有一定程度的改善;使用伴随模式同化系统后,加入云导风资料的同化试验对其它要素的改善与直接同化常规资料的效果相比,改善优势不明显,但从各要素的误差来看,对于风场的改善最好。     

中尺度模式遗传算法同化系统及同化试验研究

设计了一个以MM5模式为基础的遗传算法同化系统,并对一次暴雨过程进行了实际降水的模拟,通过对比遗传同化和伴随同化的降水预报效果,对遗传算法同化系统的同化性能进行验证。试验结果表明,遗传算法与四维变分相结合的同化系统能有效地改善模式的初始场,使MM5模式要素预报和降水预报的准确率得到提高。     

中尺度数值模式MM5的四维变分资料同化系统

应用伴随方法求解以数值预报方程作为约束条件的四维变分资料同化方案，关键问题是如何构造伴随模式。以中尺度数值模式MM5为例，讨论了如何用伴随码技术建立MM5伴随模式，以及伴随模式系统中权重、尺度因子的选取；最后对MM5伴随模式系统进行了梯度检验，并利用实际资料进行四维变分资料同化试验。试验表明该系统有较强的同化能力，能够提高MM5降水预报的准确性。     

MM5模式中积云参数化方案在西南地区适应性的进一步试验分析

针对四川盆地4次暴雨过程,利用MM5中尺度数值模式,进行了Grell和Kuo对流参数化方案及两重区域采用不同方案组合的数值试验,分析了不同试验对降水的模拟能力。结果表明,不同试验方案在降水落区、强度、演变及降水性质分配上存在一定程度的差异。细网格区域降水强度及落区主要由本区域所采用的积云参数化方案所决定。模式采用Kuo方案预报的雨区少动,主要降水落区偏西、偏南,降水强度偏弱,采用Grell方案与粗网格采用Kuo方案而细网格采用Grell方案预报结果接近,能够较好地预报雨区东移,降水强度预报更接近实况。Kuo方案以对流降水为主,Grell方案模拟的以非对流降水与对流降水两种性质降水各占一定比例,有小幅度变化,可能更能反映实际降水性质。过程分析结合统计检验表明,两重区域均采用Grell方案预报效果相对较好。同时也看到,没有哪种对流参数化方案是完备的。发展具有区域特色的对流参数方案有着重要和实际意义。      

不同对流参数化方案和初值场组合对四川两次暴雨影响的数值模拟

针对2004年9月2~6日四川盆地东北部一次持续性暴雨过程和2004年6月30日成都地区暴雨过程,利用MM5中尺度数值模式,进行了Grell、Kuo、KF及BM四种积云对流参数化方案与T213模式分析值及NCEP再分析值两种初始值组合的数值试验,分析了不同积云方案和初值组合的模拟性能。比较结果表明,MM5模式较好地再现了这两次强降水过程。在同一模式中,不同对流参数化方案和不同初值组合在降水落区和强度模拟上存在一定程度的差异。初步模拟表明NCEP资料模拟的降水强度较T213资料模拟的降水强度偏弱,但降水落区较T213资料模拟的更接近实况,T213资料模拟的降水空报现象较严重。以T213资料模拟得到的高度、温度场都较NCEP资料更有利于影响系统的加强,模拟的湿度场、散度场和垂直运动场都较NCEP资料更有利于强降水的发生。相对而言,NCEP资料模拟结果更接近实况,Kuo和Grell方案对初值表现出更为敏感。     

可降水量资料反演及在暴雨数值模拟中的初步应用

通过同化可降水资料改善模式初始湿度场从而提高暴雨模拟与预报效果。首先应用适时回归方法反演大气可降水量资料，然后以1998年6月18—19日暴雨模拟为例，采用变分同化方法研究了可降水量资料在暴雨数值模拟中的作用。数值模拟结果表明：1)MM5模式中同化可降水量资料后，对于雨带位置的模拟效果起到很大的改善；亦可改进暴雨降水强度的模拟效果，改进程度与降水参数化方案有关。2)同化可降水量资料后，明显改善初始湿度场，在一定程度上缓解旋转加强(spin up)问题，从而有效地提高降水模拟效果。3)降水模拟对参数化方案的选取同样敏感，改进初始湿度场的同时应该选择相应的降水参数化方案。     

可降水量同化对初始湿度场调整的应用研究

设计了一个三维变分同化方案,利用非静力中尺度模式MM5和由实况观测反演得到的可降水量资料,运用该变分同化方法改善初始湿度场,并对2003年7月9～10日的暴雨过程进行数值模拟对比试验.结果表明,①可降水量资料的变分同化对初始湿度场具有较强的调整能力;②同化可降水量后,可以明显地改善模式初始湿度场,能够有效地提高降水模拟的准确率.     

积云对流参数化方案对气候数值模拟的影响

利用一个“全球五层大气环流谱模式”,试验和比较了三种不同积云对流参数化方案,即Manabe方案、Kuo方案和Arakawa-Schubert（A-S）方案,对全球气候数值模拟的影响。数值模拟的结果表明了三种方案对全球降水的模拟差别较大,差别比较明显的区域是东亚、北美和北非,且夏季的差别比冬季大。与实况相比,采用Kuo方案对东亚季风降水的模拟结果较好,而采用A-S方案对热带西太平洋、热带印度洋与北美地区降水的模拟结果较好,但采用Manabe方案却模拟不出东亚地区夏季风降水特征;并且从环流数值模拟的结果看,采用这三种方案均模拟出北半球冬、夏季中、高纬地区的环流结构,但与实况相比,采用Kuo方案能较好地模拟出冬季极涡分裂过程,并能较好地模拟出中高纬地区和东亚地区的环流系统,而采用A-S方案能较好地模拟出冬、夏季北美环流系统和太平洋副热带高压;此外,这三种方案对加热场与水汽场的描述方面也有很大不同,A-S方案的结果呈现出不同于Kuo和Manabe方案结果的特征,表明了A-S方案能反映强对流特征,而Kuo方案和 Manabe方案所描述的加热场和水汽场虽有相似之处,但在30#+[o]N以南的副热带地区,Kuo方案所描述的对流系统加热要比Manabe方案强。     

单多普勒雷达资料在伴随模式同化系统中的应用研究

利用变分方法反演单多普勒雷达资料,得到风矢量场。同时,利用MM5伴随模式同化系统,结合一次暴雨过程,设计四种方案,进行数值模拟试验。结果表明,通过变分方法反演的雷达资料的应用对于暴雨的分布预报有明显的改善作用;运用伴随方法同化雷达资料后可改善对暴雨中心的预报;对于各个物理量误差的减少,雷达资料的应用也起到重要作用,尤其是对于风场作用较为明显;雷达资料的应用可加快伴随模式同化系统目标函数的收敛,得到最优初始场。     

面向四维变分资料同化的NSAS积云深对流参数化方案的简化及线性化研究

GRAPES全球四维变分资料同化系统需要积云深对流参数化方案的线性化与伴随方案,直接采用原始复杂参数化方案进行线性化并不可行,需要发展简化光滑方案来减缓非线性与非连续性特征。GRAPES全球模式采用NSAS积云对流参数化方案,积云深对流对环境的反馈主要通过补偿下沉来实现,研究突出补偿下沉作用,忽略降水蒸发、动量反馈等贡献,形成简化方案。采用输入温、湿度廓线加入不同幅度小扰动方法,评估参数化方案计算的温度、比湿时间倾向对输入扰动的敏感性,检验非线性与非连续特征。提出避免或减缓非连续“开关”的方法,在简化方案的基础上发展了简化光滑方案。简化光滑方案与原始积云深对流方案相比,在对流触发上一致,在对流的位温与比湿倾向、降水的时序模拟等方面相似,而在减缓非线性、避免非连续性方面显著优于原始方案。基于简化光滑方案发展的线性化方案表明,对小于2倍分析增量幅度的扰动,线性化方案可以较好地模拟非线性方案的扰动发展。发展的简化光滑方案具有合理性和实用性。      

不同降水方案对"03.7"一次暴雨过程模拟的影响

观测和数值模拟研究已经表明,潜热释放对中国东部夏季梅雨锋系统及其锋面降水的维持和发展发挥着非常重要的作用.然而,目前对于梅雨锋降水模拟中各种降水方案的相互协调和系统评估方面的工作仍不多见,为了增进对梅雨锋暴雨模拟中降水过程的认识,作者针对2003年7月4～5日一次梅雨锋暴雨过程,构造了四组试验,利用MM5模式考察了两种分辨率(36 km、12 km),各种隐/显式方案搭配下,对所生成的雨带、雨量和降水类型的配置进行了仔细的研究,得到了一些有意义的结论,为今后更好地使用模式、利用数值模式来认识中尺度降水过程中的气象问题打下基础.主要结论包括:模拟总降水的水平分布和强度,以及显式降水和隐式降水的划分对积云参数化方案的选择非常敏感.但对特定积云参数化方案而言,降水的模拟对36 km、12 km水平分辨率不敏感(除Betts-Miller方案外);在中尺度网格分辨率10～50 km范围内,不同积云参数化方案对梅雨锋降水分布和降水量模拟的影响比不同显式方案带来的变化大得多.     

边界层参数化对“雅安天漏” 降水数值模拟的影响

选取了2001年7月3个"雅安天漏"个例,采用非静力中尺度数值模式MM5V3进行模拟,着重研究了MRF边界层参数化方案对雨量中心强度和雨区分布的影响,结果发现MRF方案的总体预报效果较好,并能很好地刻画雅安暴雨时的纬向垂直环流结构;在复杂地形条件下,特别是降水有明显日变化的地区,边界层的作用非常重要.     

物理过程参数化方案对中尺度暴雨数值模拟影响的研究

利用中尺度非静力MM 5模式和中国 2 0 0 1年 8月的 4个暴雨个例 ,研究了非绝热物理过程对中国暴雨动力和热力场预报的影响 ,深入分析了对流参数化方案在中尺度暴雨预报中的作用 ,讨论了利用模式扰动方法开展中国暴雨集合预报的可行性。结果表明 ,在短期数值预报中 ,非绝热物理过程对高度场预报影响较小 ,但边界层方案和对流参数化方案对产生暴雨的 3个基本条件即水汽通量散度、垂直速度、不稳定层结的影响很明显。不同对流参数化方案所预报的中尺度热力、动力场离差的结构特征与所预报降水的离差特征相似 ,且主要是在模式积分初期迅速增加 ,其后即趋于稳定。对中国热力场较均匀的暴雨过程 ,可以通过扰动模式的边界层和对流参数化方案 ,构造集合预报模式     

短期集合预报技术在梅雨降水预报中的试验研究

数值预报的误差来源于初始场和模式的误差,集合预报技术是减小这些误差的有效方法。该文以MM5模式作为试验模式框架,模式的积云参数化方案分别取Anthes-Kuo、Grell、Kain-Fritsch和Betts-Miller方案,边界层参数化方案分别取MRF和Eta方案,通过组合4种积云参数化方案和两种边界层参数化方案产生8个集合成员,对1999年华东地区梅雨期间3个降水个例进行48 h集合预报试验。结果显示不同集合成员的预报结果各不相同,积云参数化方案对降水的影响比边界层参数化方案对降水的影响大;不同集合成员预报降水的偏差也各不相同,大多存在湿偏差,量级小的降水的湿偏差程度比量级大的降水的湿偏差程度小;对于不同个例,各成员中预报效果相对较好的成员是不同的,集合平均后可以得到一个比较稳定的预报结果;从集合预报结果中还能得到客观化和定量化的降水概率预报,它能对可能发生的天气现象发出信号。     

THE EFFECTIVENESS OF GENETIC ALGORITHM IN CAPTURING CONDITIONAL NONLINEAR OPTIMAL PERTURBATION WITH PARAMETERIZATION "ON-OFF" SWITCHES INCLUDED BY A MODEL

In the typhoon adaptive observation based on conditional nonlinear optimal perturbation (CNOP), the ‘on-off’ switch caused by moist physical parameterization in prediction models prevents the conventional adjoint method from providing correct gradient during the optimization process. To address this problem, the capture of CNOP, when the on-off switches are included in models, is treated as non-smooth optimization in this study, and the genetic algorithm (GA) is introduced. After detailed algorithm procedur...     

低纬高原地区MM5v3不同参数化方案降水模拟试验

为了进一步了解MM5模式在低纬高原降水预报性能，利用MM5模式中的3个物理过程组合了7个不同的参数化试验方案，对低纬高原地区2005年主汛期进行了降水数值试验。结果表明：第三重嵌套网格中的Grell积云参数化、Goddard显式水汽和Cloud（或RRTM）辐射过程组合的试验方案对降水预报效果较好，特别是对大雨和暴雨预报有明显的改善；在将试验结果插值到测站点时，不同扫描半径对插值结果有一定影响，相对而言，20～30km扫描半径插值结果较为理想。     

Preliminary Results from Numerical Experiments of a Heavy Rain Process with PENN STATE / NCAR MM5

PENN STATE/NCAR MM5 is used to simulate precipitation of the heavy rain process during 12-13 July 1994.The effects of different PBL parameterizations,resolvable scale moisture schemes and cumulus parameterization on the process rainfall simulation are investigated.By comparing the results of hydrostatic and nor.hydrostatic experiments,the nonhydrostatic impact upon precipitation is also examined.It is found in this study thai PENN STATE/NCAR MM5 has advantage not only in theory but also in simulating results with real data.In MM5.however,the selection of physical processes,especially water-cycle process,is very important and crucial to precipitation forecast of the case.It is concluded that the model with Grell (1993) scheme for convection and condensation method for resolvable scale precipitation captured the rainstorm during 12-13 July 1994 in Beijing area more successfully     

高分辨率模式中积云参数化方案对模拟台风“凡亚比”的影响

在高水平分辨率模式(3～6 km)中,对于是否应该再使用积云参数化方案,仍存在着争论.为此,利用WRF模式,在5 km水平分辨率下,研究了不同云降水方案对一次台风过程模拟的影响,并对影响原因进行了初步探索.结果表明,即使在5 km高水平分辨率下,使用积云参数化方案仍能有效改善对台风路径的模拟,同时,成熟的混合冰相微物理方案对模拟台风路径也非常重要;对台风强度模拟,对积云参数化方案的选择较为敏感和复杂;在48 h预报时效内,只使用微物理方案模拟的降水较好,使用积云参数化方案容易产生较多的虚假降水,但能改善第3天24 h累积降水模拟.这些研究结果为利用高水平分辨率模式模拟台风和改进积云参数化方案提供一定借鉴.     

ENSEMBLE PREDICTION EXPERIMENTS OF TRACKS OF TROPICAL CYCLONES BY USING MULTIPLE CUMULUS PARAMETERIZATION SCHEMES

Ensemble prediction experiments of the tracks of eight tropical cyclones occurring between 2004 -2006 over the western Pacific have been performed by using MM5 with five cumulus parameterizations chemes. The results show that the predictions of the tracks of the tropical cyclones are sensitive to the selection of cumulus parameterization schemes. Each scheme has its own advantage and disadvantage, and the predications without cumulus parameterization schemes are not the worst, sometimes even better than the others. And all of the three ensemble methods improve the predictions of the tracks significantly, among which the ensemble method without parameterization schemes, the Grell, Betts-Miller and Kain-Fritsch schemes are the best.