模式动力过程与物理过程耦合及其对台风预报的影响研究

中国南海台风模式是基于GRAPES的热带中尺度模式,采用半隐半拉格朗日时间差分方案,借助Helmholtz方程进行隐式求解,然后计算物理过程,并把各物理量反馈到动力预报场,实现动力过程与物理过程耦合。为了探讨耦合方案对预报精度的影响,在原方案的基础上,设计了新的技术方案,主要包括两项技术改进。其一是考虑温度、水汽的物理反馈对气压场影响,将间接导出的气压反馈值返回动力场;其二是在第一项技术改进的基础上,将物理反馈值作为模式Helmholtz方程的右端项参与隐式求解,物理反馈在动力约束条件下实现与动力过程耦合。针对新方案对台风路径预报的影响开展个例和批量试验研究。个例试验研究表明,新方案明显地提高了台风预报水平,特别是提高了移动速度的预报准确率;2013年批量试验结果分析,如文中给出的台风路径预报、等压要素预报准确率对比分析,说明新技术方案整体提高模式预报精度。     

我国台风路径突变研究进展

台风路径突变包括其移动方向和移动速度的显著变化,是当今台风路径预报的难题。突变路径预报的巨大误差常导致台风防御失败,这与其机理认识不足等原因有关。本文回顾了我国关于台风突变路径的研究成果和最新进展。从台风与多尺度环流系统相互作用、台风内部动力机制以及下垫面状况等方面,总结了关于台风路径突变的主要环境影响因子、物理过程和动热力结构特征等方面的认识,对台风路径突变的发生概率、预报技术和存在问题进行阐述,并提出关于路径突变研究需要关注的一些问题。     

“7.21”暴雨过程动力因子分析和预报研究

针对2012年7月21~22日发生在我国华北地区的暴雨过程,利用美国全球预报系统资料对湿热力平流参数、对流涡度矢量的垂直分量、热力波作用密度、热力位涡波作用密度、热力位势散度波作用密度和湿斜压涡度等动力因子进行计算和诊断分析,结果表明,该暴雨过程是由高、低空急流、高空槽、副热带高压、冷锋和辐合切变线等多个天气系统共同作用造成的。降水区具有垂直上升运动强烈,垂直热量输送明显,湿等熵面向下伸展和水平风垂直切变显著等动、热力学特征。湿热力平流参数等动力因子综合反映了上述动、热力垂直结构特征,因而与6小时观测降水的发展移动有一定相关性。全球预报系统48小时预报的动力因子高值区在走向和落区上与6小时观测降水区比较接近,代表动力因子对降水落区有一定的指示意义。利用全球预报系统的预报场资料对动力因子暴雨预报方程进行计算,结果表明,在降水中心位置预报方面,动力因子降水预报比全球预报系统本身的降水预报更接近观测实况。ETS(Equitable Threat Score)评分计算表明,对于降水的早期预报,动力因子降水预报评分略高于全球预报系统本身的降水预报评分,说明动力因子暴雨预报方程有一定的降水预报能力,可以应用到实际天气业务预报中。     

“7.21” 暴雨过程动力因子分析和预报研究

针对2012年7月21～22日发生在我国华北地区的暴雨过程,利用美国全球预报系统资料对湿热力平流参数、对流涡度矢量的垂直分量、热力波作用密度、热力位涡波作用密度、热力位势散度波作用密度和湿斜压涡度等动力因子进行计算和诊断分析,结果表明,该暴雨过程是由高、低空急流、高空槽、副热带高压、冷锋和辐合切变线等多个天气系统共同作用造成的。降水区具有垂直上升运动强烈,垂直热量输送明显,湿等熵面向下伸展和水平风垂直切变显著等动、热力学特征。湿热力平流参数等动力因子综合反映了上述动、热力垂直结构特征,因而与6小时观测降水的发展移动有一定相关性。全球预报系统48小时预报的动力因子高值区在走向和落区上与6小时观测降水区比较接近,代表动力因子对降水落区有一定的指示意义。利用全球预报系统的预报场资料对动力因子暴雨预报方程进行计算,结果表明,在降水中心位置预报方面,动力因子降水预报比全球预报系统本身的降水预报更接近观测实况。ETS（Equitable Threat Score）评分计算表明,对于降水的早期预报,动力因子降水预报评分略高于全球预报系统本身的降水预报评分,说明动力因子暴雨预报方程有一定的降水预报能力,可以应用到实际天气业务预报中。     

凝结潜热在梅雨锋次天气尺度气旋发展中的作用的数值试验

本文用五层σ—坐标原始方程模式进行了一次个例数值试验,考察了凝结潜热在梅雨锋次天气尺度气旋发展中的作用。试验从天气学角度出发,对宏观水汽条件和在系统发展过程中凝结热力强迫作用的时间分别进行了控制。结果证实了斜压扰动开始有一个动力发展过程。但是,凝结潜热对扰动的发展是重要的。同时,水汽平流和次天气尺度干、湿中心也是系统发展的重要因子。这是在作系统的预报时应予重视的。     

一次台风登陆后的局地对流天气分析

本文利用常规观测资料、天气图、云图、T213数值预报、MICAPS的物理量场等资料,对2005年8月15日发生在遂宁机场上空的一次对流天气过程进行诊断分析。结果表明:台风登陆后在大陆形成的低气压是这次天气过程的影响系统;这次过程有发生雷暴天气的典型物理量场配置:低层辐合、高层辐散、高能、充沛的水汽、较强烈的上升运动;盆地局地对流的产生与台风的移动路径、深入大陆的程度有一定关系。     

考虑大尺度凝结加热的数值模拟试验

本文在五层原始方程模式[1]绝热方案的基础上，加入了大尺度凝结加热率，并以一次黄河气旋天气过程为例，进行了48小时预报。将绝热方案的预报结果与考虑大尺度凝结加热的预报结果作了对比，表明:大尺度凝结加热对气旋的发展有促进作用，它使预报更接近实况。本文在加热项的处理上，吸取了天气工作者的经验，将计算凝结项的条件作了修正，进行了一些尝试，最后取得了较为合理的结果。     

一次台风登陆后的局地对流天气分析

本文利用常规观测资料、天气图、云图、T213数值预报、MICAPS的物理量场等资料,对2005年8月15日发生在遂宁机场上空的一次对流天气过程进行诊断分析.结果表明:台风登陆后在大陆形成的低气压是这次天气过程的影响系统;这次过程有发生雷暴天气的典型物理量场配置:低层辐合、高层辐散、高能、充沛的水汽、较强烈的上升运动;盆地局地对流的产生与台风的移动路径、深入大陆的程度有一定关系.     

“灿鸿”减弱为温带气旋过程中卫星云图特征分析

正1引言卫星观测具有较大的空间覆盖率和时间分辨率,可以快速对大范围环流系统的分布做出全面的监测,已经成为监测和预报业务中的重要手段之一。目前,FY-2G已经投入业务应用,并提供半小时一次的卫星图像,可以更细致地分辨系统的发展演变。利用卫星云图资料分析台风,主要针对于台风的发生发展、强度、移动路径及其产生的暴雨等天气     

一次台风倒槽内诱生低压及其暴雨预报的数值试验

利用细网格五层原始方程模式,考虑了大尺度凝结、积云对流、辐射和感热输送等物理过程,对一次台风倒槽内诱生低压及其暴雨进行了数值预报试验,其结果与实际情况比较一致。      

赤道带边界层结构的数值研究

在气压随纬度的不同分布条件下,数值求解了二维赤道带大气边界层非线性运动方程组,得到了不同气压分布下赤道带边界层运动特征,显示了平流的重要作用。在赤道带存在低压槽或气压单调随纬度增加而减少的情况下,都得出在赤道附近某纬度有一相应于赤道辐合带(ITCZ)的垂直运动大值集中区域存在,克服了前人用临界纬度机制解释边界层大抽吸速度时略去重要的非线性项的处理上的困难。     

全型涡度方程和经典涡度方程比较

在简要回顾经典涡度方程和全型涡度方程推导的基础上,比较了两种涡度方程的异同.集中讨论全型涡度方程新的物理内涵,证明了与稳定度和斜压性变化(锋生、锋消过程)相联系的内部强迫以及与摩擦耗散和非绝热加热相联系的外部强迫所诱发的涡度发展的机制.最后,指出了全型涡度方程的天气和气候应用前景.     

雷达反射率因子在中尺度云分辨模式初始化中的应用Ⅱ：数值模拟试验

将反演的云微物理量和垂直速度采用"牛顿连续松弛逼近"(Nudging)技术应用到GRAPES模式中,对一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。通过设计不同的试验方案,分别对水汽、液态水和垂直速度对Nudging效果以及预报结果的影响进行了考察。研究发现,采用Nudging初始化方法,可使背景场与观测反演资料相协调,实现了模式中对流的热启动,模式预报的开始时刻就产生降水,缩短Spin-up时间。水汽对降水至关重要,对降水的强度和持续时间都有重要影响;云水、雨水和垂直速度决定了初始时刻对流的强弱分布并产生降水;水平风场决定了系统的移动方向,对预报降水的落区有重要影响。模式比较成功地模拟了6 h的降水过程,中尺度天气系统的时空特征比较明显,对流中心上升速度最大值约2.0 m/s,云水含量400 hPa以上较大,最大值约1.5 g/kg,雨水含量500 hPa以下较大,最大约3.0 g/kg,底层辐合高层辐散。反演资料对降水的影响随预报时间的增加而减弱,预报1 h之内反演资料有明显影响,3 h之后的预报则主要依赖模式自身。鉴于仅使用一部雷达资料的反射率因子资料,雷达资料没有覆盖整个模式区域,天气系统被截断,反演和同化过程还采用了一些经验参数方法等原因,数值模拟结果与雷达观测之间还存在一定的差异,有待于更深入的研究。     

强对流天气短时临近预报业务技术进展与挑战

强对流天气短时临近预报业务是国家防灾减灾、重大社会活动和精细化天气预报的迫切需要。虽然我国强对流天气短时临近预报业务已经取得了巨大进展,但与国外先进水平相比还有不少差距。本文总结了近年国内外强对流天气短时临近预报业务现状、技术进展、目前国内的技术支撑状况和所面临的挑战,并提出了相应的应对措施。目前强对流天气短时临近预报技术仍然主要是外推预报技术、数值预报技术和概念模型预报技术等,但快速更新循环的高时空分辨率数值模式预报和新一代静止气象卫星资料将在强对流天气短时临近预报中发挥重要作用。强对流天气监测、分析和机理研究是强对流天气短时临近预报的重要基础;先进的外推预报方法同快速更新循环的高时空分辨率数值模式预报以及二者的融合是未来强对流天气短时临近预报的重要发展方向。     

一次暴雨中尺度涡旋发展机制诊断分析研究

中尺度涡旋可以持续激发新对流,是造成局地持续性降水的重要系统。基于经典涡度方程的诊断无法描述热力信息对于涡旋发展的贡献。本文采用Boussinesq近似对涡度方程进行整理,将方程唯一强迫项定义为垂直速度位涡,其形式与位涡类似,利用垂直速度替换位温。进一步在垂直速度位涡倾向方程中,以气压水平梯度的形式引入热力过程的间接作用,定量描述动热力配置的贡献。以2021年6月15日发生在南疆的一次极端暴雨为例,利用高分辨率数值模拟资料,初步分析了低层动热力强迫作用向垂直涡度的传递。结果表明,垂直速度位涡的局地变化主要来自热力强迫项中低层垂直风切变与低层冷池的耦合作用,两者在降水区前侧产生大范围的正值区。该区域与垂直速度位涡的正值区重叠,促进垂直速度位涡的增长,进而维持降水前缘的正涡度,有利于产生较强的上升运动,触发新对流并造成持续性降水。     

区域性暴雨落区甚短期预报的诊断分析方法

本文阐明了华中区域性暴雨落区甚短期预报的预报方案概要及其建立的依据。借助于湿位势倾向方程制作次天气尺度的暴雨影响系统未来12小时动态的预报。根据各类系统特性,对方程有关项进行经验加权,可取得较好效果。方案绕过形成暴雨的复杂机制和若干因果关系,主要利用非暴雨的预报指标,剔除非暴雨区域,从而得出暴雨落区。     

Radar data assimilation of the GRAPES model and experimental results in a typhoon case

Constructing β-mesoscale weather systems in initial fields remains a challenging problem in a mesoscale numerical weather prediction (NWP) model. Without vertical velocity matching the β-mesoscale weather system, convection activities would be suppressed by downdraft and cooling caused by precipitating hydrometeors. In this study, a method, basing on the three-dimensional variational (3DVAR) assimilation technique, was developed to obtain reasonable structures of β-mesoscale weather systems by assimilating radar data in a next-generation NWP system named GRAPES (the Global and Regional Assimilation and Prediction System) of China. Single-point testing indicated that assimilating radial wind significantly improved the horizontal wind but had little effect on the vertical velocity, while assimilating the retrieved vertical velocity (taking Richardson's equation as the observational operator) can greatly improve the vertical motion. Experiments on a typhoon show that assimilation of the radial wind data can greatly improve the prediction of the typhoon track, and can ameliorate precipitation to some extent. Assimilating the retrieved vertical velocity and rainwater mixing ratio, and adjusting water vapor and cloud water mixing ratio in the initial fields simultaneously, can significantly improve the tropical cyclone rainfall forecast but has little effect on typhoon path. Joint assimilating these three kinds of radar data gets the best results. Taking into account the scale of different weather systems and representation of observational data, data quality control, error setting of background field and observation data are still requiring further in-depth study.     

不确定性理论集对分析在预报模型建立中的应用研究

文中应用集对分析原理 ,在模型每次作出预报结论之前先对各预报因子的预报能力进行分析和判断 ,对一些预报能力不强 ,甚至可能干扰预报模型作出正确预报结论的所谓弱势因子 ,进行抑制、甚至消除其影响 ,而让其他预报能力较强的因子来决定预报结论。在每次预报中 ,模型中哪个因子为弱势是不固定的 ,而是随着预报环境的变化而变化 ,也就是说 ,随着环境的变化 ,会有不同因子的作用被抑制或取消 ,从而实现预报模型的因子结构动态优化 ,增强了模型预报机制的合理性 ,提高了模型的预报能力。大量的试验、多年的业务试用以及在数值预报产品释用中的应用例子表明 ,这一方法具有较好的效果。     

多级扰动法——静力扣除及其在非静力模式设计中的可应用性

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....     

贵州冻雨形成的环境场条件及其预报方法

在冬季风暴各种降水类型中,冻雨的预报是其中最有难度,也最具挑战的一种。贵州湖南冻雨是在对流层高、中、低层各纬度天气系统相互作用下形成的,其中最直接和主要的影响系统有:高层的副热带高空急流锋区、低层的云贵准静止锋以及中低层的西南低空急流。在这种复杂的天气背景下,为了准确地分析并预报出冻雨的发生区域,在仔细分析研究冻雨发生的大气背景和天气特点后,我们探索性地提出一套冻雨的诊断预测方法,即“动力因子”和“三步判别法”相结合的方法。同时,我们把该方法应用到中国冻雨最为频发的贵州地区,首先利用动力因子垂直积分的斜压涡度参数（q_Bsum）找到未来因斜压性较强而易发生弱降水的区域,再结合预报场的单站探空资料,进行三步判断方法,就能比较全面地判断冻雨发生的区域,对冻雨进行准确预报。