天津市中尺度数值预报业务系统的设计与实现

为适应省级中尺度数值预报业务的需要,设计实现了天津市中尺度数值预报业务系统。该系统由高性能计算机系统、中尺度数值预报模式以及业务运行流程组成的,其设计与实现涉及到高性能计算机系统的建设、中尺度数值预报模式的业务数据流转以及系统运行监控流程的设计等多个方面。高性能计算机系统的建设包括系统选型、功能设计和安装调试等部分,中尺度数值预报模式的业务数据流转以及系统运行监控流程的设计是整个系统业务化的关键。天津市中尺度数值预报业务系统通过工程建设和技术开发完成了奥运期间的气象预报服务任务,已投入业务化运行。     

雷达资料与中尺度数值预报的融合方法研究及其在临近预报中的应用

通过融合多普勒天气雷达资料与中尺度数值预报产品,发展了一种便于临近预报业务使用的方法。该方法首先通过相关分析计算当前相同时刻雷达估测降水与中尺度数值预报的反射率因子估测降水之间的位置偏差,导出一个位移偏差矢量场;然后,利用人机交互的方式对矢量场进行分区,并对各分区的矢量场进行平滑处理,计算出各分区的平均位移偏差矢量;最后,采用最小二乘法对各分区连续多次的平均位移偏差矢量进行线性拟合,得到各分区平均位移偏差矢量随时间的变化特征,订正未来时段相应区域的数值预报反射率因子估测降水的位置偏差。利用该方法对2012和2013年夏季发生在重庆西部、四川东部的3次强降水天气过程进行临近预报试验并对预报结果进行了检验,结果表明:对0~2 h的临近预报,融合预报效果总体上优于模式预报效果;另外,与雷达外推定量降水预报相比,0~1 h雷达外推预报效果优于融合预报效果,1~2 h融合预报效果优于雷达外推预报效果。     

A Parameterization of Dry Thermals and Shallow Cumuli for Mesoscale Numerical Weather Prediction

For numerical weather prediction models and models resolving deep convection, shallow convective ascents are subgrid processes that are not parameterized by classical local turbulent schemes. The mass flux formulation of convective mixing is now largely accepted as an efficient approach for parameterizing the contribution of larger plumes in convective dry and cloudy boundary layers. We propose a new formulation of the EDMF scheme (for Eddy Diffusivity\Mass Flux) based on a single updraft that improves the representation of dry thermals and shallow convective clouds and conserves a correct representation of stratocumulus in mesoscale models. The definition of entrainment and detrainment in the dry part of the updraft is original, and is specified as proportional to the ratio of buoyancy to vertical velocity. In the cloudy part of the updraft, the classical buoyancy sorting approach is chosen. The main closure of the scheme is based on the mass flux near the surface, which is proportional to the sub-cloud layer convective velocity scale w _*. The link with the prognostic grid-scale cloud content and cloud cover and the projection on the non- conservative variables is processed by the cloud scheme. The validation of this new formulation using large-eddy simulations focused on showing the robustness of the scheme to represent three different boundary layer regimes. For dry convective cases, this parameterization enables a correct representation of the countergradient zone where the mass flux part represents the top entrainment (IHOP case). It can also handle the diurnal cycle of boundary-layer cumulus clouds (EUROCS\ARM) and conserve a realistic evolution of stratocumulus (EUROCS\FIRE).     

中尺度动力学与暴雨等灾害性天气预测理论的研究

我国科学工作者对中小尺度天气动力学的研究一直给予高度重视,同时注意灾害性天气预测理论的发展。本文介绍了近年来中国科学院大气物理研究所在这方面的部分主要研究结果,并对今后的工作提出了一些看法。     

国外中期数值预报业务模式的性能及发展趋势

作者简单介绍了国内预报员较为熟悉的欧洲中期天气预报中心，美国国家气象中心和日本气象厅三个中期预报模式的性能及预报效果，包括近几年颇为流行的半拉格朗日时间积分方案，物理过程参数化方案的完善和改进，中期数值预报业务模式的发展趋势等。     

基于SMS的华中区域中尺度数值天气预报系统设计和实现

为满足华中区域对高分辨率数值预报的业务需求,华中区域中尺度数值天气预报系统于2014年4月1日业务运行。该系统以命令行方式提交和运行,存在监控管理不直观、故障难定位和处理复杂、运行效率低等问题。针对存在的问题,运用SMS(Supervisor Monitor Scheduler,监控管理调度系统)技术进行了流程化调度开发,构建了客户端/服务器结构的华中区域中尺度数值天气预报系统。新系统充分考虑各流程间的关联,将整个业务系统的运行过程串联为一个整体。相比原系统,其具有以下特点:可提供友好的图形化维护界面,整个运行流程结构清晰,能方便、快捷地定位和解决故障,大幅度提升业务系统的运行效率,较原系统整体运行时间缩短约35.4%,节约时间主要集中在数据获取、后处理与产品制作上。     

单一值预报向概率预报转变的基础: 谈谈集合预报及其带来的变革

基于大气系统的非线性和复杂性,加上初值和模式等本身无法避免的一些不确定性,天气预报从单一值的确定论向多值的概率论转变不但符合气象科学的实际也是更好地服务社会之必需。但是这种转变的理性思考对很多用户,甚至气象工作者自己都不是很清楚。为了帮助人们理解和加速这一转变,本文就这种转变所面临的一些普遍困惑谈一些想法。集合预报是促成这种转变的中心技术,为什么要做集合预报?集合预报的根本目的是什么?人们对集合预报有哪些误解?集合预报对整个数值预报系统将带来什么样的变革?以及预报员的新使命是什么?作者针对这些问题进行了讨论。     

和预报员谈数值预报

用尽可能非专业的词语,向预报员介绍数值预报的成就、问题与应用。在简单回顾数值预报发展历史的基础上,重点分析了近十几年来数值预报的主要技术进步与有待解决的问题,对比了数值预报与主观经验预报的各自优势与不足,提出了优势互补对于提高业务预报的重要性。还分析了数值预报的技术进步对于数值预报产品释用的影响,以及预报员参与数值预报发展的可能性与必要性。     

确定数值预报模式中扩散系数的一个客观方法

当数值预报模式的分辨率得到提高时,模式中扩散系数的数值大小必然随之改变。通常情况下,一方面,扩散系数的数值应足够大（即有下限值）,以便过滤掉模式中不想要的小尺度噪音;另一方面,扩散系数的数值应尽量小（即有上限值）,以免出现计算不稳定。本文提出一种确定高分辨率模式中扩散系数数值大小的客观方法,即＂双试验＂（twin experiment）同化方法（初始低分辨率模式的预报结果作为＂观测资料＂,新的高分辨率模式作为同化模式）,从而通过伴随变分同化方法来确定控制变量（即扩散系数）的数值大小。本文采用一维浅水模式测试和描述上述试验方案。通过低分辨率模式预报结果和高分辨率模式预报结果的比较（高、低分辨率模式预报结果的比较在低分辨率模式格点上进行）,采用最小二乘法可客观求得适用于高分辨率模式的扩散系数的＂最优＂值。数值试验结果表明,采用这种方法得到的高分辨率模式的扩散系数,不仅能过滤掉模式中不想要的小尺度噪音,而且能够避免出现计算不稳定。研究还指出,当扩散系数的大小略微超过其上限值时（这种情况在极小化迭代中有可能会出现）,计算不稳定的出现将使目标函数的数值迅速增加,并导致极小化程序收敛的失败;时间步长的减小（约20%）可以显著地改进目标函数的条件数,从而可避免极小化程序收敛的失败。     

西南区域中尺度数值模式预报性能及其与天气过程关系初探

本文以探空站和自动站实测资料为检验参考,通过主客观检验GRAPES和WRF模式在西南地区的初始分析场和预报场,一定程度揭示出模式在西南地区的初值质量、动力框架性能和降水参数化效果。GRAPES在西南地区的位势高度、风速、风向初值质量都不同程度好于WRF,但进入预报阶段,GRAPES位势高度、温度均方根误差以比WRF更高的斜率随时效增长,GRAPES对西南地区的500 hPa高度场预报呈现系统性偏低,而WRF对西南地区高度预报的正误差概率比较高;分类天气过程检验表明,GRAPES对低涡、切变过程的初始分析质量好于WRF,但进入预报阶段,WRF对低槽、低涡和切变三类天气过程的低值系统预报正确率都高于GRAPES,这一定程度反映出WRF的模式性能好于GRAPES;分类天气过程降水预报检验表明,低涡过程降水预报难于低槽过程。GRAPES对低涡过程的降水预报能力较低,WRF预报能力最低的是切变过程。这与模式对分类天气过程中低值系统预报能力一致,这一定程度表明两个模式的降水参数化效果水平相当。     

用不确定度指数实时评价模式预报场业务性能

引入不确定度概念,结合“马赛克化”方法,定义不确定度指数和不稳定度指数,开发了实时业务系统,对ECMWF、JMA和T213的数值预报场进行了实时的性能评价;通过一段时间的资料统计,对3个模式的总体性能进行了对比。结果显示,该方法可为实时评价数值预报产品的性能提供一种客观依据,为预报员在日常预报工作中对数值预报模式性能的了解和科学选用数值预报产品提供科学定量的参考。     

集合数值天气预报的研究进展

集合预报是目前国外广泛应用的一种新的数值预报技术,国内由于计算条件的限制,集合预报的研究应用起步较晚,目前虽已取得了一些研究成果,但还没有广泛的应用到实际的业务预报之中。集合预报的应用,在天气预报上主要是概率预报,另外在“目标观测”、资料同化等方面也有广泛应用。集合概率预报的一系列适用的验证,增加了概率预报的信度。     

沙尘天气的数值预报

沙尘天气预报的核心问题是要理解沙尘天气形成的物理机制,并定量地描述风沙的分布、强度、输送与沉降.沙尘天气的形成是一个复杂的物理过程,涉及到大气运动与地表状况等诸多因素.作者介绍了一个以数值预报为核心、以卫星观测与地理信息系统为资料背景的沙尘天气集成预报系统,特别是其中的起沙模式.作者运用该系统预报了2002年春季的沙尘天气,并用天气观测和采样观测资料对预报效果进行了鉴定.分析表明,预报系统不仅能定性预报沙尘天气的空间分布与时间演变,而且能定量预报沙尘源地、大气中的沙尘浓度、沙尘的输送以及沉降.模式72 h的预报仍然有较高的可信度.另外讨论了存在的问题和今后的研究方向.       

天气与气候模式中次网格重力波拖曳参数化的研究

从数值模式物理过程地形参数化研究的角度,回顾了次网格地形重力波拖曳参数化、地形阻塞流拖曳参数化和对流强迫拖曳参数化等方面的研究现状,总结概括了目前模式物理过程中关于地形参数化研究中若干亟待解决的科学问题。另外,在华南中尺度模式预报系统(GRAPES_Mars)中引进和发展了地形重力波拖曳参数化方案KA95,讨论了KA95方案对2012年2月8-12日华南冷空气过程的影响。结果表明,地形重力波拖曳参数化的引入较好地改善了GRAPES_Mars模式对冬、春季低层南风偏强和地面温度偏高的现象,显示出重力波拖曳参数化对改善模式风场预报的突出作用和对减小模式系统偏差的良好应用前景。     

Numerical Simulations of the Microscale Heterogeneities of Turbulence Observed on a Complex Site

We simulate the microscale heterogeneities of turbulent variables observed at a complex site for different wind directions. The atmospheric computational fluid dynamics (CFD) results are compared with an ensemble of 36 months of data collected at the experimental site SIRTA “Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique”, located near Paris (France) in a semi-urban environment. The experimental data show that the normalized turbulent kinetic energy (TKE) k/U ² (where k is TKE and U is the wind speed) at 10-m height, for two different locations, is highly dependent on wind direction and strongly influenced by trees. These measurements show a strong increase of the normalized TKE downstream of the forest canopies with a large variability within the 36-month period in part due to the variation of the tree foliage. The numerical simulations are carried out using the CFD code Code_Saturne with the standard k?ε closure, in neutral stratification. The buildings are taken into account explicitly in the mesh and the forested areas are modelled with two approaches: the classical roughness wall law and a drag porosity. A comparison has been performed between the calculated values and the median of measured values of the normalized TKE and the normalized friction velocity, for each wind sector of 10°. A very good agreement is obtained with the drag porosity model, whereas the classical roughness law leads to a strong underestimation downstream of the forested areas. However, this large improvement of the results using the drag porosity model can only be obtained with a refinement of the grid, especially in forested areas, and an accurate land-use map.     

2001年春季寒潮天气中数值预报的应用

2001年4月6-9日，新疆出现了一次全疆性寒潮天气过程。阿克苏地区8县1市普遍出现了强风暴、强降温。但由于我台对数值预报产品的正确释用，成功地报出了这次天气，体现了数值预报的优点。     

非线性平衡方程初值化方法及其在中期数值天气预报试验中的应用

本文给出了一种求解非线性平衡方程的新的有效的方法及有关的数值试验结果。和以往的求解方法相比,本方法的优点是：收敛速度快,不需要冗长的迭代计算,也不需要对初始高度场的某些记录作修改,并能节省大量的计算时间。文中利用北半球七层原始方程谱模式,使用了1982年的客观分析资料,进行中期数值天气预报试验。试验结果表明,用非线性平衡方程初值化方法制作中期数值预报比其他的如线性平衡方程初值化方程的更佳。后者因去掉了非线性项的作用,天气系统的强度预报结果偏弱且偏平滑。     

An Assessment of Turbulence Profiles in Rural and Urban Environments Using Local Measurements and Numerical Weather Prediction Results

Profiles of velocity variances based on observations in flat rural areas are well established, and are used for modelling turbulent dispersion in all types of regions including those of complex terrain and urban areas. Surface-based and balloon observations are used to assess the profiles in both rural and urban areas. It is shown that, with good meteorological inputs for the locality of friction velocity and surface sensible heat flux, the profiles are equally well suited to urban areas. The sensitivity of the profiles to the input meteorological data, in particular using numerical weather prediction (NWP) data, is discussed. This highlights the limitations of NWP data for dispersion modelling and stresses the importance of schemes for modelling urban meteorology.The British Crowns right to retain a non-exclusive royalty-free license in and to any copyright is acknowledged.     

集合预报开创了业务数值天气预报的新纪元

近年来世界上随着几个气象中心的集合预报投入业务,标志着业务数值天气预报进行了一个新的纪元,在任何进修大气的起初状态是不知道的,只有近似地描述大气,所以确切地说,天气预报问题应该提为大气的相空间中合适的概率密度函数随时间的演变。在误差的增长超出线性动力学范畴之外,集合预报是预报大气概率密度函数演变唯一可行的方法。可用扰动的产生是集合预报的主要问题之一。沿着预报系统的相空间中最不稳定的方向来扰动初始条     

人工智能技术在数值天气预报中的应用

当前,人工智能迎来第3次发展浪潮并在多个领域大数据分析中取得巨大成功,这为人工智能技术与数值天气预报结合提供了契机。已有大量研究尝试将人工智能技术用于数值天气预报的初值生成、预报和产品应用过程中,涉及观测资料预处理、资料同化、模式积分、后处理以及高性能计算,通过误差估计、参数估计和局部代理等手段使预报结果,得到改进且计算速度大幅提升,展示出良好的应用前景,一些神经网络模型也表现出纯数据驱动预报的可能性,在短时强对流天气、降水以及气候预测中已有较为理想的应用实例。然而,人工智能技术在数值天气预报中的应用与发展仍面临一些挑战,主要包括深度学习的弱解释性、不确定性分析以及两者的耦合等,除了应对这些挑战,未来两者的深度结合还需要在理论指导下的人工智能模型设计、高时空分辨率人工智能预报模型设计以及使用更多新型人工智能技术等方面深入探索。