湿Q矢量释用技术在登陆华东台风定量降水预报(QPF)中的应用研究

利用湿Q矢量对数值预报模式输出的风场、温度场、温度露点场进行动力释用,并考虑地形强迫作用,得到一个独立于数值模式直接预报输出降水场的释用预报降水场即湿Q矢量释用(Q~MVIP)技术。结合2010—2014年汛期(6—9月)登陆我国华东14个历史台风降水实况资料以及华东区域中尺度模式(基于WRF V3.1)(简称WRF模式)预报产品,统计检验分析了Q~MVIP技术对登陆台风降水的定量预报能力。结果表明,Q~MVIP技术较WRF模式明显改善了对25.0 mm·(24 h)~(-1)以上及50.0 mm·(24 h)~(-1)以上降水的定量预报能力。进一步结合"菲特"台风(2013)登陆前后所引发的24 h累积降水场进行比较分析发现,Q~MVIP技术对台风暴雨落区、强度的反映能力均优于WRF模式。这表明,湿Q矢量释用技术可以在一定程度上弥补现有数值预报模式对登陆台风定量降水预报(QPF)能力的不足。     

应用湿Q矢量诊断梅雨锋暴雨

利用湿Q矢量，结合改进的MM4（MMM4）模式模拟输的加密资料，细致地诊断分析了1991－07－05T20－06T20一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程，结果表明：湿Q矢量散度辐合场随高度向倾斜；在梅雨锋暴雨发展，衰亡阶段，湿Q矢量散度散，合场在垂直方向上主要呈现出了相间分布的特点；从湿Q矢量散度辐合场这个角度探讨了梅雨锋暴雨的内在机理，并给出了梅雨锋暴雨具体预后的新思路。     

湿Q矢量散度场与ω场的比较

结合1991年7月5日20时至6日20时一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程实况资料，系统、细致地比较分析了实时分析的湿Q矢量散度场与同时次改进后的MM4（MMM4）模式实时分析输出场之间的差异。结果表明：在整个梅雨锋暴雨过程中，湿Q矢量散度辐合场与同时刻地面雨区之间的对应关系较ω场优越；700hPa湿Q矢量散度辐合区对同时刻地面降水场有指示作用，尤其在梅雨的发展阶段及强盛时期，它对实际降水的落区及强度指示作用更为明显：MMM4模式中关于垂直速度计算的方法方案有待进一步改进。     

改进的湿Q矢量分析方法及梅雨锋暴雨形成机制

利用实测暴雨资料,结合改进的MM4(MMM4)模式模拟输出的加密资料,分别利用改进的湿Q矢量(记为Q*)及改进的湿Q矢量分解(Partitioning),诊断分析了1991年7月5日20:00~6日20:00一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程。结果表明,600hPaQ*矢量散度辐合区对同时刻地面降水的强度、落区及不均匀性有很好的指示作用。在整个梅雨锋暴雨过程中,Q*矢量散度辐散、辐合在垂直方向上是相间分布的,它所激发的次级环流可能是诱发梅雨锋暴雨产生的重要因素。进一步研究表明,改进的湿Q矢量分解比“总”Q*矢量更具有诊断意义,可将梅雨锋暴雨的垂直运动场进行有意义的尺度分离,更有利于梅雨锋暴雨的潜在物理机制的评估。在梅雨锋暴雨的不同阶段,对于垂直运动场而言,不同尺度的Q*矢量散度辐合场的强迫作用不同,有主、次之分。基于上述诊断分析结果,本文进而提出梅雨锋暴雨形成的可能物理机制,并给出其概念模式:由于初始大气中大尺度的水汽及垂直运动场的空间分布不均匀,从而造成了大尺度Q*矢量散度辐合,激发出次级环流,进而引发了中尺度Q*矢量散度辐合场的产生,最终产生次级环流,直接导致梅雨锋暴雨的发生。     

Q矢量诊断在肇庆前汛期强降水预报中的释用

利用Micaps提供的MM5数值预报产品计算Q矢量,并通过两个前汛期强降水过程的个例分析,诊断其在强降水落区的预报中的释用。结果显示,计算所得的Q矢量预报场在500 hPa上的Q矢量散度分布与强降水落区有较好的对应关系,对肇庆前汛期强降水落区有一定的预报能力。     

定量分析几种Q矢量

结合1991年7月5日20:00～6日20:00一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程，从台站实际业务工作需要考虑，细致、具体地比较分析了850 hPa、700 hPa及500 hPa 3个层次的准地转 Q 矢量散度场、半地转 Q 矢量散度场、非地转 Q 矢量散度场及湿 Q 矢量散度场与相应时刻地面降水场对应关系的差异，同时还针对每一种 Q 矢量，将其在850 hPa、700 hPa及500 hPa 3个层次的散度场对同时刻降水场的反映能力进行了比较。在定量比较的基础上，得到了对4种 Q 矢量诊断特性的具体认识:（1）在整个梅雨锋暴雨过程中，3个层次的半地转 Q 矢量散度场及准地转 Q 矢量散度场对雨区的反映能力较小，而非地转 Q 矢量的散度场和湿 Q 矢量的散度场对雨区的反映能力明显较前二者大，尤其是湿 Q 矢量散度场在每个层次的诊断能力基本都大于相应层次的其它 Q 矢量的散度场。（2）对于每一种 Q 矢量而言，基本都是在700 hPa的散度场与雨区的对应关系好于各自在850 hPa和500 hPa的散度场，尤其是700 hPa湿 Q 矢量散度辐合场对同时刻梅雨锋暴雨的强度及落区都有很好的指示作用。最后，基于理论的角度对各 Q 矢量的诊断特性进行了较为深入地探讨和比较分析，明确地指出了4种 Q 矢量存在理论前提上的差异。     

Q矢量的改进与完善

在完全考虑非绝热加热项潜热作用的前提下，从原始方程出发，推导出改进后的湿Q矢量(以下记为Q^M)的表达式以及用其散度作强迫项的ω方程，并结合一次梅雨锋暴雨天气过程将改进前、后的湿Q矢量诊断能力进行比较，结果发现：(1)改进后的湿Q矢量对同时刻的地面降水的反映能力较原湿Q矢量(Q^*)有显著的提高。(2)在整个梅雨锋暴雨过程中，600hPa高度上的改进后的湿Q矢量散度辐合场的辐合强度及其辐合中心的位置对同时刻的地面实际降水的强度及雨区位置都有非常好的指示作用。     

非地转湿Q矢量的改进及其应用

在完全考虑非绝热加热项作用的前提下,从原始方程出发,推导出改进后的非地转湿Q矢量(Qq),以及用其散度作强迫项的ω方程,将其应用于一次梅雨锋暴雨诊断分析,结果表明:改进后的非地转湿Q矢量对同时刻地面降水的反映能力较岳彩军改进的湿Q矢量(QM)、原非地转湿Q矢量(Q*)、非地转Q矢量(Q#)有显著的提高;在整个梅雨锋暴雨过程中,500 hPa高度上的Qq矢量散度辐合场的辐合强度及其辐合中心位置对同时刻的降水强度及雨区位置有非常好的指示作用;Qq矢量的垂直分布揭示了次级环流的方向和强弱,暴雨位于次级环流的上升支附近.     

湿Q矢量散度场与ω场的比较

结合1991年7月5日20时至6日20时一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程实况资料,系统、细致地比较分析了实时分析的湿Q矢量散度场与同时次改进后的MM4(MMM4)模式实时分析输出场之间的差异。结果表明:在整个梅雨锋暴雨过程中,湿Q矢量散度辐合场与同时刻地面雨区之间的对应关系较ω场优越;700hPa湿Q矢量散度辐合区对同时刻地面降水场有指示作用,尤其在梅雨锋暴雨的发展阶段及强盛时期,它对实际降水的落区及强度指示作用更为明显;MMM4模式中关于垂直速度计算的方案有待进一步改进。     

几种Q矢量的比较

利用1991-07-05T20—06T20一次江淮梅雨锋暴雨过程实况资料,结合地面降水分布,从定性(矢量场,即Q)、定量(散度场,即2∇·Q)的角度细致、具体地比较分析了准地转Q矢量、半地转Q矢量、非地转Q矢量及湿Q矢量的诊断特性。结果表明:半地转Q矢量诊断能力优越于准地转Q矢量。非地转Q矢量、湿Q矢量诊断能力明显优越于准地转Q矢量、半地转Q矢量。准地转Q矢量诊断能力最差;从定性的角度分析,非地转Q矢量与湿Q矢量诊断能力相差不大。但进一步定量分析发现,在整个梅雨锋暴雨过程中,湿Q矢量的诊断能力大于其他Q矢量;700hPa高度上各Q矢量的矢量、散度辐合区较其在850hPa和500hPa上对降水反映更好,尤其是700hPa湿Q矢量散度辐合区与降水区有非常好的对应关系。     

鲁西北持续性暴雨非地转湿Q矢量分析

利用常规观测资料、NECP/NCAR提供的1°×1°FNL全球再分析资料,对2012年鲁西北一次持续性暴雨进行了湿Q矢量方法诊断分析。结果表明：此次持续暴雨出现在有利的环流背景下,降水区域集中并有明显的中尺度特征,湿Q矢量方法是分析强降水落区很好的工具;925～850 hPa湿Q矢量散度与强降水落区有较好的对应关系,但暴雨并不总是出现在湿Q矢量散度负值区中心,有时出现在湿Q矢量散度梯度大的负值区一侧;700 hPa湿Q矢量涡度正值中心与散度负值重叠的区域是中尺度低值系统发展有利的区域,与未来6～12 h暴雨落区有很好的对应;湿Q矢量锋生函数差值预报强降水落区明显优于锋生函数。     

2016-2020年广东省定量降水预报检验评估

对2016-2020年全球模式ECMWF和区域模式GZ_GRAPES、基于模式的解释应用和广东省气象局发布的定量降水预报(QPF)进行检验和评估.结果表明:ECMWF和GZ_GRAPES模式对一般性降水预报技巧在逐年提升,对大雨或以上的降水预报技巧的提升缓慢.GZ_GRAPES对大雨以上降水的预报技巧和定量降水预报的精...     

台风“韦帕”(0713)引发华东暴雨过程的诊断比较

采用湿Q矢量、螺旋度、湿位涡对给华东造成严重灾害的超强台风"韦帕"(0713)强降水过程进行诊断比较分析,结果表明:登陆前,上述物理量均能提前指示强降水落区,湿位涡有更多提前指示时间,螺旋度次之,湿Q矢量最少;登陆后,三者均能表征台风主体云系降水,湿位涡、螺旋度与强降水有较好对应关系,而湿Q矢量指示强降水位置偏北,但湿位涡会出现一定程度空报现象;台风深入内陆后,螺旋度预报指示明显不如湿位涡、湿Q矢量好,螺旋度指示强降水位置偏东,而湿Q矢量指示强降水范围略偏小;对台风后部强降水,湿Q矢量和螺旋度均未能预报出降水落区,而湿位涡仍有较好的预报效果。从区域平均看,螺旋度与湿Q矢量的预报指示时效小于12 h,而湿位涡超过12 h。     

MOS方法在短时要素预报中的应用与检验

通过对MM5数值预报产品的释用,将MOS统计方法应用到短时要素预报中,综合利用MM5数值预报产品、自动站实况数据和雷达数据等资料,建立降水和温度的4 h预报模型;降水作为不连续变量,将其通过建立降水可能函数的方法转化为连续变量,利用统计预报方法,可以达到定量预报的目的。通过对4140个时次的样本进行检验。结果表明：MOS预报结果较MM5直接输出结果整体有所改进,当数值模式误差较大时,统计方法显示出一定的优势;降水预报检验结果显示,TS评分为65%,预报正确率PC为91%。降水明显的样本(3 h雨量>5 mm)平均误差在8 mm以内,弱降水样本(3 h雨量<3 mm)平均误差在1 mm以内,预报方程对非雨日样本的整体预报效果较好,优于MM5模式预报,预报正确率高达98%,但对流性降水仍是预报难点;对于温度预报,20-08时段误差较小、平均在1.0℃以内,而11-17时、误差平均在1.5℃左右,但经过误差的季节订正,可以控制在1.0℃左右。     

基于雷达外推临近预报和中尺度数值预报融合技术的短时定量降水预报试验

为克服目前中尺度数值模式在对流尺度定量降水短时预报方面的不足,弥补基于“外推”的临近预报技术在2h以上定量降水预报能力方面的缺陷,研究设计了一种基于“外推”临近预报技术和中尺度数值模式的定量降水预报(QPF)融合技术方案,并进行了试验应用.该方案首先基于雷达探测和自动气象站观测的定量降水估计(QPE)结果,对中尺度数值模式输出的定量降水预报在谱空间进行相位校正,分析计算出数值预报和观测的偏差,导出一个附加的数值预报校正场;其次,根据数值预报校正场满足一定时间变化分布的特征,调整相应时段的数值预报降水区域和强度;最后,利用双曲正切线权重函数,对校正后的数值模式定量降水预报和基于临近预报技术的定量降水预报进行融合,融合权重根据典型环流特征动态变化.融合后的定量降水预报在前1-2h表现出主要依赖“外推”临近预报结果,之后随着融合权重的变化,数值预报对融合结果的贡献逐渐加大,直至融合后5-6h占主导地位.通过对京津冀地区2011年夏季5个及2012年夏季2个典型强降水个例的80次预报试验及其检验,表明融合后的0-6h定量降水预报结果改进较为明显,总体优于单独的临近预报技术或者中尺度数值预报模式的结果.     

The influences of boundary layer parameterization schemes on mesoscale heavy rain system

1.Introducti0nThemesoscaleoperationalmodel-whichisoftenused,isMM4orMM5'butMM4isusedfrequentlyonlO3kmscale.Thephysicalprocessesinthismodeldevelopconstantly.FororiginalMM4,thecomputationofsurfacefluxesisnotaccurate,andKmodelfortheturbu-lencefluxesbetweenany2levelsneedstobeimprovedbynewtreatment.Inordertostudytheinfluencesofboundarylayerparameterizationschemesonmesoscaleheavyrainsystem,sur-facefluxesandKmodelinoriginalMM4areimprovedbytherecentresearchinthispaPer.Theflux-profilerelationsforv…     

四种定量降水预报客观订正方法对比研究

基于2019年全年、不同季节、不同预报时效的欧洲中期天气预报中心模式的定量降水预报,检验评估了频率匹配、最优TS评分、最优百分位、概率匹配4种定量降水预报客观订正法的综合性能.利用理想模型研究了不同雨带位移偏差和干湿偏差情形下频率匹配法与最优TS评分的表现,并通过个例订正展示了4种定量降水预报订正法的基本特征.结果表明...     

MM5中尺度非静力模式对云南省降水预报检验

根据MM5／V3中尺度非静力模式数值预报结果，检验了该模式在云南2001年汛期（6－10月）的降水预报效果。结果表明，MM5模式降水预报对云南大部分地区的小雨有较高的TS评分，对于全省性大雨过程，MM5模式24小时降水预报的TS评分高于同期预报员的主观预报，但对暴雨及以上量级的降水预报，模式结果不太理想。