A Multilevel Perturbation Method-Hydrostatic Deduction and Its Applicability to Designing the Nonhydrostatic Model

在尺度分析的基础上,利用大气垂直运动方程中各项量级的分布特点,提出了多级扰动法.通过它可以使该方程中量级最大的垂直气压梯度力项(VPGF)和重力项(G)的相应扰动项的量级随级次n的增加明显减小,而其他项的量级不变;而且,方程中最大的垂直截断误差的量级也随n的增加而减小,直到高级扰动项不再是扰动方程中仅有的最大项时为止.另外,因截断误差的量级和被离散项的量级成正比,在方程中VPGF的截断误差就是该方程中最大的垂直截断误差,可以表示该方程的总的垂直截断误差.故垂直气压梯度力扰动项的量级的减小还可以使该方程中最大的垂直截断误差减小,用多级扰动法可以使最大垂直截断误差控制在可容许的范围内,使垂直气压梯度力扰动项和重力扰动项计算准确,可以较好地描写对流活动.这样,最大垂直截断误差对倾向的影响就不致歪曲或掩盖垂直柯氏力项和曲率项对倾向的贡献.还可以证明:扰动平衡方程的解是静力扰动.多级扰动法实质上是多次利用扰动平衡方程的解,从低级扰动中扣除其所含和解大小相同的静力扰动部分,使高一级扰动项的量级减小,达到其与其他项量级接近,以减小方程中的最大量级差的一种方法.而且,n的变化不影响方程的性质.可以说,多级扰动法使大气基本态垂直廓线有较大的改善,使其与大气实际垂直廓线很接近,通过静力平衡,使基本模式大气不包含垂直声波.     

集合预报最优ETKF初始扰动方法设计及其在暴雨中的应用

为改进集合转换卡尔曼滤波方法(Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF)在初始扰动中离散度偏小的问题,考虑引入物理不确定性。使用初始时刻离散度检验两种ETKF初始扰动方案改进的程度,通过动力和水汽条件分析探求改进机制。利用WRF模式构建更新预报系统,选取2014年5月一次暴雨个例进行集合降水预报试验,通过ETKF方法设计两种不同的初始扰动方案。结果表明:在分析循环中引入多物理扰动的初始扰动方案(multi)相比单一物理过程的初始扰动方案(mono)在初始时刻离散度和模拟动力水汽条件以及降水评分上均有较大改进。初始扰动中multi的离散度相比mono整体更优,显然添加了多物理扰动方案的试验对结果有改进作用;在对两种方案的机理分析中,multi对于降水位置的明显改善主要取决于散度及水汽通量散度模拟能力的提高;在离散度分析中,multi方案在强对流区域的改进效果比在整个区域中的更好,而对各变量的离散度和均方根误差之比相当,说明集合预报系统的合理性;对各量级预报结果评分显示,multi方案均呈现较好表现能力。     

扰动变量在强对流天气分析和模式评估中的应用——以苏北里下河地区引发龙卷的扰动系统为例

2016年6月23日14:00—15:00时,江苏省盐城市阜宁县发生了EF-4级有记录以来的强龙卷风过程,造成了当地30 km长,1.7 km宽的严重气象灾害。受局地环境影响,邻近地区在近50年中发生了大于10人次死亡事件的龙卷风11次,其中6次发生于1979年以后。文章首先是:(1)把6次事件日的再分析变量场分解成瞬时气候和扰动两个部分,发现6次事件都与近地面层出现的负高度扰动轴线和扰动冷暖气团的对峙有关,龙卷发生在暖气团一侧;(2)用模式初始场分解的扰动变量和扰动物理量评估欧美模式对产生阜宁龙卷扰动系统的预报能力。后者的结果也发现,当日14时925 hPa高度扰动槽和850 hPa扰动风辐合线作为环境扰动系统,以及湿涡度扰动和湿散度扰动等环境扰动指标量能够突出地表达有利于龙卷风发生的环境条件。欧洲全球模式能够提前42 h稳定预报出后来扰动槽和环境扰动指标量的位置,美国全球模式也可以提前18 h预报出这样的扰动特征。这些扰动变量和扰动指标量能够快速地帮助预报员判断有可能发生强对流天气的大致时空区域和特征。     

扰动位能理论及其应用——扰动位能的概念、表达及其时空结构

针对局地环流能量转换问题,该工作系列讨论扰动位能理论及其应用.此文是第一篇,提出了扰动位能的新概念,将其分解为大气扰动位能(简称扰动位能)和表面扰动位能两个部分,给出了扰动位能各阶矩项的数学表达形式,结合资料指出二阶以上的扰动位能高阶矩项相对于其一阶矩项和二阶矩项来说是小量,可忽略,并指出扰动位能二阶矩项的全球平均恰好等于传统的有效位能,但两者在物理意义上明显不同.结合NCEP/NCAR再分析资料,研究了扰动位能的时空结构以及与大气动能之间的联系.扰动位能一阶矩项在热带地区为正、高纬度地区为负; 二阶矩项在热带和高纬度地区出现极大值,在副热带及中纬度地区出现极小值,即在南北方向上呈现三峰二谷的特征; 在局地上,由于一阶矩项在数值上较二阶矩项绝对占优,因此,扰动位能的分布与其一阶矩项的情形相似.在垂直方向上,扰动位能主要集中在对流层下层,其数值随高度的增加而迅速减少,在50 hPa以上均可以忽略不计.扰动位能有明显的季节变化,其在高纬度地区在冬半球比夏半球大很多; 南、北半球平均的扰动位能一阶矩项季节变化的幅度约是相应二阶矩项的二十倍.随着季节变化扰动位能定常波的槽脊在北半球有显著的东西方向移动,而在南半球则只表现为振幅上的增减.分析表明,从区域或局地尺度上大气动能的季节变化与扰动位能一阶矩项的关系密切,二者呈显著反向变化关系,而与二阶矩项的关系不确定; 但在全球或半球尺度上,大气动能与扰动位能二阶矩项的比率随季节基本保持不变,约是20%.此外,对大气总动能时空结构的分析也得到了与前人不同的新结果.关于利用此文提出的概念和理论对局地环流能量收支的分析、表面扰动位能的作用以及它们在大气环流变化研究中的应用,将在以后的文章中给出.     

雷达回波垂直廓线及其生成方法

研究雷达回波Z (R) 垂直廓线VPR有两个重要内容: 一是VPR的生成方法, 二是用VPR订正雷达估算降水的技术。在简要比较现有生成方法———参数法、平均法和识别法的主要特点后, 认为平均垂直廓线MVPR具有简便、实用的优点。文章着重对MVPR的生成方法作了细致的探讨, 形成了4种生成算法, 并作了比较; 展示了各种生成参数对MVPR的不同作用, 并简要介绍了一个应用程序框图。对两个降水实例实施订正后初步评估表明, 用MVPR订正雷达估算降水可使评估因子R/G从0.84 (0.86) 提高到0.93 (0.97), 而绝对误差率则下降4%。     

关于线性奇异向量和条件非线性最优扰动差别的一个注记

奇异向量(singular vectors,SVs)和条件非线性最优扰动(conditional nonlinear optimal perturbation,CNOP)已广泛应用于研究大气—海洋系统的不稳定性以及与其相关的可预报性、集合预报和目标观测问题研究。本文首先回顾了SVs和CNOP的发展历史,并简单描述了它们的基本原理;然后针对二维正压准地转模式,使用不同的范数组合,分析了第一线性奇异向量(first singular vector,FSV)和CNOP之间的异同。结果表明,当优化时间较短时,度量SVs和CNOP大小的范数不同也将导致FSV和CNOP相差很大,而当度量SVs和CNOP大小的范数相同时,FSV和CNOP之间的差别则主要是由非线性物理过程作用的结果。因此,针对不同的物理问题,应该选取合适的度量范数研究FSV和CNOP以及其所引起的大气或海洋动力学的异同,从而揭示非线性物理过程的影响机理。     

Ocean Response to a Climate Change Heat-Flux Perturbation in an Ocean Model and Its Corresponding Coupled Model

State-of-the-art coupled general circulation models(CGCMs)are used to predict ocean heat uptake(OHU)and sealevel change under global warming.However,the projections of different models vary,resulting in high uncertainty.Much of the inter-model spread is driven by responses to surface heat perturbations.This study mainly focuses on the response of the ocean to a surface heat flux perturbation F,as prescribed by the Flux-Anomaly-Forced Model Intercomparison Project(FAFMIP).The results of ocean model were compared with those of a CGCM with the same ocean component.On the global scale,the changes in global mean temperature,ocean heat content(OHC),and steric sea level(SSL)simulated in the OGCM are generally consistent with CGCM simulations.Differences in changes in ocean temperature,OHC,and SSL between the two models primarily occur in the Arctic and Atlantic Oceans(AA)and the Southern Ocean(SO)basins.In addition to the differences in surface heat flux anomalies between the two models,differences in heat exchange between basins also play an important role in the inconsistencies in ocean climate changes in the AA and SO basins.These discrepancies are largely due to both the larger initial value and the greater weakening change of the Atlantic meridional overturning circulation(AMOC)in CGCM.The greater weakening of the AMOC in the CGCM is associated with the atmosphere–ocean feedback and the lack of a restoring salinity boundary condition.Furthermore,differences in surface salinity boundary conditions between the two models contribute to discrepancies in SSL changes.     

Application of Conditional Nonlinear Optimal Perturbation to Targeted Observation Studies of the Atmosphere and Ocean

This paper reviews progress in the application of conditional nonlinear optimal perturbation to targeted observation studies of the atmosphere and ocean in recent years, with a focus on the E1 Nifio-Southern Oscillation （ENSO）, Kuroshio path variations, and blocking events. Through studying the optimal precursor （OPR） and optimally growing initial error （OGE） of the occurrence of the above events, the similarity and localization features of OPR and OGE spatial structures have been found for each event. Ideal hindcasting experiments have shown that, if initial errors are reduced in the areas with the largest amplitude for the OPR and OGE for ENSO and Kuroshio path variations, the forecast skill of the model for these events is significantly improved. Due to the similarity between patterns of the OPR and OGE, additional observations implemented in the same sensitive region would help to not only capture the precursors, but also reduce the initial errors in the predictions, greatly increasing the forecast abilities. The similarity and localization of the spatial structures of the OPR and OGE during the onset of blocking events have also been investigated, but their application to targeted observation requires further study.     

夏季日峰降温电力负荷预测灰色模型及其应用

基于2017—2020年石家庄市逐15分钟电力负荷及同期气象资料,计算人体舒适度指标有效温度和温湿指数,考虑基准负荷存在周期性和增长性,提出采用灰色模型GM(1,1)并结合滤波法、相关分析等方法,建立日峰降温电力负荷与人体舒适度指标分段回归模型。结果表明:石家庄电力负荷具有明显的逐年增长趋势;剥离出的日降温负荷曲线呈“W”型分布;分别对模型进行一次、二次和分段函数拟合,对3种预测模型进行检验发现分段函数预测精度较高,平均相对误差在4.8%～5.2%,有效温度和温湿指数的分段函数误差在-10%～10%所占比例分别为88.1%和90.5%;考虑了温度、湿度和风速的有效温度较温湿指数的夏季日峰降温电力负荷预测模型预测准确率更高,回归模型分段点为26.2℃,对电网“迎峰度夏”时期电力调度具有参考价值。     

一种新的统计回归模型及其建模方案

根据经典门限自回归模型的基本思想,引入半截多项式变换,导出了一种新的统计回归模型,并提出了相应的一整套建模方案。这种模型和建模方案的特点是:（1）解决了统计回归分析中逐段线性化模型的检验问题;（2）在确定统计回归模型中各待估参数和变量——包括门限变量、门限值、阶数、时滞和回归系数时显得十分方便、快捷。试验结果表明,根据此方案建立的统计回归模型具有较高的拟合和预报精度,同时具有良好的稳定性。     

JFNK方法概述及其在大气全隐式非静力模式中的应用方案

首先介绍了近年来新发展的非线性方程全隐式数值求解的JFNK方法,及其在地球流体力学方面应用计算实例.可看到,无论在计算精度还是计算效率方面,全隐式数值求解远远超过常规的半隐式计算格式.其次,还讨论了JFNK方法在气象非静力模式中应用方案,并提出了用静力假定和半隐式差分格式来构造预条件处理器,变三维求解为二维求解,简化了方程组求解难度.该方案不仅可用于差分模式,也为用譜方法求解非静力模式提供可能.     

一种适于较强台风的切向风廓线方案及其对异常台风路径的数值模拟研究

针对现今台风数值预报中强热带气旋切向风廓线设计上的困难，提出了一种利用台风报告中7级风和10级风的半径来确定台风切向风廓线的方法。它既可反映真实台风外围结构又避免了强风速切变问题。该方案有可能改进台风尤其是异常路径台风的预报效果，具有广阔的业务应用前景。