集合预报对台风天鹅(2015)远距离暴雨的不确定性研究

2015年8月23—24日期间台风天鹅引发华东中部沿海地区出现暴雨或大暴雨天气。基于欧洲中期天气预报中心的集合预报分析导致此次远距离暴雨预报不确定的关键原因,并利用集合敏感性分析方法研究影响此次暴雨过程的主要天气系统的敏感区域,此外对暴雨发生发展的热动力机制展开探讨,主要结论包括:集合预报对此次台风天鹅引起的远距离暴雨的可预报性明显偏低,仅在暴雨发生前24 h才做出较大调整。在不同起报时次下,当台风路径的系统性偏差最小时,台风降水集合预报也最接近实况,但是进一步的分析表明,台风路径误差与降水量级之间的对应关系并不确定。不同雨量成员组间中低层环流场的对比分析表明:高空槽的预报差异是集合预报不确定的主要原因,高空槽东移加深有利于增加暴雨区的斜压不稳定,也有利于增强对流层低层的水汽输送急流带。500 hPa高度场的敏感性分析表明无论是初始场还是预报场,暴雨区平均降雨量均与高空槽的东移和加深显著相关,且随着预报时次的临近,显著相关区域向低槽下游明显扩大。此外还发现高空槽的东移有利于增强(减弱)暴雨区左(右)侧低层冷空气的强度,使得台风右侧更多暖湿气流向暴雨区输送。     

川渝地区一次短时强降水天气的集合敏感性分析

为了加深对川渝地区短时强降水天气的认识,为提高业务预报技巧及改进数值模式提供参考,选取了川渝地区一次短时强降水天气过程,基于对流尺度集合预报系统,开展了目标区域平均降水量对模式初值的集合敏感性分析,并探讨了相应的动力学机制。主要结论如下：敏感区的分布与对目标区域降水起到关键影响作用的系统有较好的对应：850 hPa和700 hPa西南低涡周围的敏感区呈现出正负相间的分布特征,500hPa低压槽左（右）侧为负（正）敏感区,250 hPa高空西南急流区域（南侧）为正（负）敏感区,中低层与锋区前（后）部对应区域为正（负）敏感区。说明西南低涡周围负（正）敏感区的西北（东南）风越强,低压槽左（右）侧西北（东南）风越强,高空急流区域（南侧）西南（东北）风越强以及锋前（后）温度越高（低）,则越有利于西南低涡内的辐合上升运动,500 hPa低压槽的加强,250 hPa高空辐散的加强,锋区温度梯度增大以及锋面抬升作用加强等并对目标区域的降水产生正面的影响。     

“7·20”华北强暴雨集合预报的中期预报转折和不确定性分析

中央气象台主观预报和数值模式对2016年7月20日华北强暴雨过程的中期预报出现了一定的误差,本文利用ECMWF(简称EC)集合预报和T639集合预报等资料对"7·20"华北强暴雨过程的中期预报效果进行了分析,结果发现:(1)EC集合预报在7月16日前后对降雨区及强度的预报出现了明显转折,其因是大尺度影响天气系统的预报发生了转折性变化,7月16日20:00起报的环流形势集合平均场对比15日20:00起报场显示,在河套地区附近500hPa低槽发展更深,其下游华北高压脊也更强,形成了移动缓慢"东高西低"的环流型,黄河气旋及中低层西南涡北抬加强,导致降雨预报更接近于实况;(2)集合敏感性分析发现对降雨中期预报敏感的区域与转折前后预报的环流差异的分布型一致,引起降雨预报转折的影响系统也是降雨中期预报不确定性的来源;(3)对于降雨预报最敏感的环流系统是黄河气旋,集合成员预报的黄河气旋偏西偏北,强度越强,则预报的京津冀地区降水量越大。     

Analysis on Precipitation Efficiency of the “21.7” Henan Extremely Heavy Rainfall Event

A record-breaking heavy rainfall event that occurred in Zhengzhou, Henan province during 19–21 July 2021 is simulated using the Weather Research and Forecasting Model, and the large-scale precipitation efficiency(LSPE) and cloud-microphysical precipitation efficiency(CMPE) of the rainfall are analyzed based on the model results. Then, the key physical factors that influenced LSPE and CMPE, and the possible mechanisms for the extreme rainfall over Zhengzhou are explored. Results show that water v...     

Mesoscale Moist Adjoint Sensitivity Study of a Mei-yu Heavy Rainfall Event

The mesoscale moist adjoint sensitivities related to the initiation ofmesoscale convective systems (MCSs) are evaluated for a mei-yu heavyrainfall event. The sensitivities were calculated on a realistic backgroundgained from a four-dimensional variational data assimilation ofprecipitation experiment to make the sensitivity computation possible andreasonable within a strong moist convective event at the mesoscale. Theresults show that the computed sensitivities at the mesoscale were capableof capturing the factors affecting MCS initiation. The sensitivities to theinitial temperature and moisture are enhanced greatly by diabatic processes,especially at lower levels, and these sensitivities are much larger thanthose stemming from the horizontal winds, which implies that initiation ofMCSs is more sensitive to low-level temperature and moisture perturbationsrather than the horizontal winds. Moreover, concentration of sensitivitiesat low levels reflects the characteristics of the mei-yu front. The resultsprovide some hints about how to improve quantitative precipitation forecastsof mei-yu heavy rainfall, such as by conducting mesoscale targettedobservations via the adjoint-based method to reduce the low-level errors inthe initial temperature and moisture.     

“21·7”河南特大暴雨气象和水文雨量观测对比

2021年“21·7”河南特大暴雨打破我国大陆小时气象观测纪录,该极端天气事件位列2021年中国十大天气气候事件第2位。已有研究使用气象地面站雨量观测资料对此次过程进行雨情分析和极值统计,但降水时空分布不均匀,单一来源资料存在不确定性。通过对比气象站和水文站雨量资料,分析两套业务观测系统记录“21·7”河南特大暴雨过程的异同,发现气象站和水文站雨量在时间和空间分布上具有很好的一致性,两者不同等级的累积降雨落区、逐日和逐时降雨演变趋势均一致性强,但累积雨量和雨强极值的空间分布和数值存在差异,两套资料在暴雨中心（过程雨量大于600 mm）的系统性偏差小于1%。气象站和水文站的融合资料呈现比单一资料更细致的降雨分布、更全面的演变特征。此外,基于融合资料发现累积雨量排名前3位的城市（郑州、鹤壁、新乡）均具有累积雨量大、小时雨强极强、强降雨集中、雨强突然增长的特征,鹤壁和新乡最强降雨时段分别比郑州晚26 h和28 h。     

集合预报产品在江苏省暴雨预报中的应用评估

利用2011—2015年6—8月TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)数据集中欧洲中期天气预报中心(ECMWF,以下简称EC)的集合降水预报数据和江苏省70个基本站逐日24 h(20时至次日20时)降水数据,通过大量暴雨样本系统检验和评估了EC集合预报及多种后处理释用产品对江苏暴雨的预报能力。结果表明:作为集合预报的初级产品,集合平均对暴雨的预报存在明显的漏报率,TS预报评分尚不及EC确定性预报;集合预报不同成员间对暴雨的预报技巧差异大,其最优成员组合的预报能力显著优于EC确定性预报,表明集合预报具有较大的应用潜力;在多种集合预报后处理释用技术中,最大值、最优百分位、降水偏差订正频率匹配法、概率预报、集合异常预报法和杜-周排序法(最大值法)的平均TS评分均较高,超过10%,其次90%分位数、融合、融合-概率匹配和杜-周排序法(集合平均或中位值法)的预报效果也均优于EC确定性预报。集合中位值、概率匹配方法对江苏暴雨的预报评分低于集合平均预报,在暴雨预报上的参考价值相对较低。该评估结果进一步加深了对各集合预报产品区域暴雨预报能力的认识,为预报员更直接快速地选取有效的集合预报产品提供参考。     

河南“75.8"大暴雨的中尺度集合预报试验

发生在河南的"75.8"特大暴雨是我国历史上影响最大、受灾程度最严重的一次灾害性天气过程.其造成的人员伤亡与唐山地震相当,造成的经济损失近百亿元,我国气象学家对此展开过大量的研究,其可预报性问题一直都受关注.尝试采用近年来在预报理论与实践中提出的中尺度集合预报技术,以GRAPES中尺度有限区模式作为试验模式工具,针对此次过程展开两组试验.试验1主要着眼于对暴雨有较大影响的积云对流参数化方案,分别从对流激发和大尺度环境场相互作用的角度出发,对其中一些经验性参数在合理取值范围内给予调整,使其在一定程度上表征模式的不确定性,来构建集合成员.试验结果表明:对流参数化方案中不同的参数对降水的影响作用各不相同,空间上对于降水落区的影响不是很大,但是对降水强度的改善却很明显,集合平均对强暴雨中心的体现有积极作用,平均后的暴雨区最大降水量预报为90mm/24h,比"确定性"预报(控制试验)值70mm/24h改善了约30%,最佳的单个成员的暴雨区最大降水量预报值(120mm/24h)比控制试验预报(70mm/24h)提高了70%;时间上看,不同的参数会影响到积云对流的激发,使得降水发生的时间有所不同,进而影响后续降水的发展.试验2利用模式不同分辨率和不同物理参数化方案的组合来构造集合成员,进行中尺度集合预报试验,试验结果表明:简单的集合平均能在一定程度上改善降水强度,与高分辨率模式预报结果比较,暴雨中心降水量约提高了20%～30%.可见:集合预报能在一定程度上减弱模式不确定性的影响;对流参数化方案和经验性参数的差异、模式分辨率的差异确实对模拟结果有一定的影响.     

2004年7月10日北京暴雨的中尺度分析

利用常规探测、地面加密观测、NCEP1°×1°的6小时资料和雷达资料对2004年7月10日北京罕见的局地暴雨进行了天气动力学和中尺度分析。结果表明这次暴雨是在比较有利的天气背景条件下产生的,造成强降水的3个雨团在时空尺度上具有中β尺度系统的特征,不断移入的对流回波是降水的直接制造者,中尺度辐合线和小低压为降水发生提供了有利的触发条件。     

Analysis of a Heavy Rainfall Event over Beijing During 21-22 July 2012 Based on High Resolution Model Analyses and Forecasts

The heaviest rainfall over 61 yr hit Beijing during 21-22 July 2012.Characterized by great rainfall amount and intensity,wide range,and high impact,this record-breaking heavy rainfall caused dozens of deaths and extensive damage.Despite favorable synoptic conditions,operational forecasts underestimated the precipitation amount and were late at predicting the rainfall start time.To gain a better understanding of the performance of mesoscale models,verification of high-resolution forecasts and analyses from the WRFbased BJ-RUCv2.0 model with a horizontal grid spacing of 3 km is carried out.The results show that water vapor is very rich and a quasi-linear precipitation system produces a rather concentrated rain area.Moreover,model forecasts are first verified statistically using equitable threat score and BIAS score.The BJ-RUCv2.0forecasts under-predict the rainfall with southwestward displacement error and time delay of the extreme precipitation.Further quantitative analysis based on the contiguous rain area method indicates that major errors for total precipitation（〉 5 mm h~（-1）） are due to inaccurate precipitation location and pattern,while forecast errors for heavy rainfall（〉 20 mm h~（-1）） mainly come from precipitation intensity.Finally,the possible causes for the poor model performance are discussed through diagnosing large-scale circulation and physical parameters（water vapor flux and instability conditions） of the BJ-RUCv2.0 model output.     

“7·20”河南极端暴雨精细观测及热动力成因

利用分钟降水资料、FY-4A气象卫星高分辨率资料、多普勒天气雷达资料和ERA5再分析资料对2021年“7·20”河南极端暴雨过程中尺度系统精细结构及热动力发展机制进行观测分析和诊断研究, 结果表明: 该过程发生在“两高对峙”的鞍型场弱背景下, 其主导系统为500 hPa弱低压系统和低层偏东风切变线; 极端暴雨主要由水平尺度约300 km呈近乎圆形结构中尺度对流复合体产生, 其长时间维持与内部多个中尺度对流系统的合并及外围东南侧暖湿区新生单体的持续并入有关; 郑州站小时强降水(201.9 mm· h-1)由几乎静止的低质心β中尺度弓状回波产生, 其分钟降水量持续在3~4.7 mm; 边界层风场的动力辐合触发强烈对流, 使得强降水区上空θse锋区长时间处于中性层结, 其高层辐散气流在西北太平洋副热带高压附近构成次级环流下沉支; 中层500 hPa低压区气旋式曲率附近正涡度平流和925 hPa偏东气流持续暖平流输送、低层变形场锋生作用, 以及来自华东近海边界层急流异常强盛的水汽输送是此次极端过程发展维持的热动力学成因。     

ECMWF集合预报和确定性预报对淮河流域暴雨预报的对比分析

本文运用2012年5—9月欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的集合预报系统(Ensemble Prediction System,EPS)和确定性模式(High-resolution Deterministic forecast,HDet)资料对比分析了淮河流域暴雨的预报效果。对于集合预报,主要对比了基于EPS的日降水量极端天气预报指数(Extreme Forecast Index,EFI),和改进的贝叶斯模型平均(Modified Bayesian Model Averaging,MBMA)法对降水的订正后概率。由于ROC(Relative Operating Characteristic)检验是与模式的系统性偏差无关的,所以选用ROC检验,对比了不同空报率下的TS评分,以及不同方法的相对经济价值。对比检验的结果显示,各时效预报MBMA预报效果最好,其次是HDet,EFI的预报效果最差,其中2 d内的预报HDet接近MBMA,随着预报时效的延长,MBMA相对于HDet和EFI的优势不断增强。在不同标准下确定三种方法对淮河流域暴雨预报的阈值,结果显示MBMA同样优于HDet,EFI预报效果最差。但MBMA的优势是通过增加预报偏差得到,如果将预报偏差限定为主观预报的1.37,此时MBMA的效果和HDet的效果接近。     

2002年6月13日重庆区域大暴雨分析

通过对重庆西部“6 1 3”区域大暴雨的分析 ,发现此次天气过程是一次典型的高原涡与西南涡耦合 ,结合地面弱冷空气条件下产生的 ,同时对ECMWF和T2 1 3数值预报产品进行了简要的分析 ,发现ECMWF和T2 1 3的形势预报能力都比较好 ,但T2 1 3的部分物理量要素和降水量预报能力还有待提高。     

05.7.23河北暴雨中尺度分析

利用常规观测资料和卫星、自动站、加密雨量站、多普勒雷达等资料，对2005年7月22—24日河北中南部大暴雨过程进行天气动力学和中尺度分析，结果表明：这次暴雨是在有利的大尺度环流下产生的；副热带高压及热带系统造成的低层水汽堆积及高层的强辐散为强对流发生提供了热力和动力条件；整个过程中主要有三个强对流云团活动，地面对应有3个中-β尺度雨团产生，雨团一般出现在中尺度辐合线或中尺度气旋性环流偏向暖湿气流一侧；强雷达回波和正负速度对、逆风区等特征对强降水具有指示意义。     

2013年欧洲中心台风集合预报的检验

广州中心气象台利用中国气象局下发的欧洲中心台风集合预报数据,制作了台风集合预报产品,供业务参考应用。利用欧洲中心台风集合预报数据,对2013年1307—1331号热带气旋的集合预报路径和强度进行检验,通过对比集合平均、模式高分辨率确定性预报和预报员主观预报,发现路径集合平均在24~120 h预报误差最小;在有限的预报样本数中,从热带风暴到台风级别的热带气旋,各预报时效路径集合平均的误差随强度增强而减小;强引导气流背景下的热带气旋预报误差小于弱引导气流的误差。对比强度集合平均和模式高分辨率确定性预报,发现各时效集合平均的误差比确定性预报大,随着预报时效的延长误差没有明显增大或减小的趋势,而且强度集合平均预报,在中心最低气压、中心最大风速、热带气旋等级都表现出明显的系统性偏弱特征;对不同级别的热带气旋强度预报,集合平均的误差随强度增强而增大,即强度集合预报对强度较弱的热带气旋有更高的准确率;对比受强、弱引导气流影响的两类热带气旋,集合平均对受弱引导气流影响的一类预报误差更小。     

一次梅雨暴雨过程的数值模拟

运用中尺度暴雨MRM模式,采用常规报文资料作为初始场,对2003年7月8-10日的一次江淮地区暴雨过程进行数值模拟。结果表明：该模式对降水场模拟结果同实况基本相似,模式对暴雨的位置、强度、中心都有较好的模拟,嬲评分较高;西南气流对水汽的输送作用及江淮地区上空水汽通量的高值区,为暴雨的形成与维持提供了重要的水汽条件,水汽辐合区与暴雨落区相对应;中低层辐合、高层辐散的散度垂直分布形势,对暴雨的发生提供了十分有利的动力条件;强降雨出现在低层正涡度中心和负散度中心附近。     

强降水和冰雹对流许可尺度集合预报个例试验

利用对流许可尺度集合预报系统,针对2015年4月28日夜间移动到江苏南部和上海地区,伴随短时强降水和冰雹的一次强对流过程,使用初始多源融合分析场对集合预报结果影响进行了分析。结合上海南汇双偏振雷达基数据观测,对12～14 h预报时效的反射率因子、差分反射率及冰雹集合预报结果进行了定性和定量的评估,分析了改进初始水物质分布,同时增加小尺度信息对于模式预报结果的影响。主要结果为:(1)对反射率因子预报的评估显示,初始场调整了水物质分布且增加了小尺度信息的试验(以下简称ADAS试验),对降水的范围、分布特征及评分都有明显改进(2)由于差分反射率在较小的距离内变化剧烈,对其准确预报难度较大,ADAS试验虽然预报强度偏强,但整体的位置和强度与实况更为接近,特别在大粒子预报方面具有更高的技巧,能够对微物理过程相关特征更好地进行描述;(3)使用地面人工观测和双偏振雷达观测对冰雹概率预报评估的结果显示,ADAS试验预报的高概率降雹区与观测落区接近,对冰雹落区预报具有一定的指示意义。通过多源融合分析调整初始水物质分布并增加小尺度信息的集合预报试验改善了较长预报时效的强降水和冰雹概率预报,具有更高的可信度,双偏振变量预报具有区分强降水与冰雹的优势,通过与观测的对比可以更好地评估模式对微物理过程描述的准确性。     

“12.7.21”西南涡极端强降雨的成因分析

利用常规观测资料、ECMWF分析场、区域自动站、多普勒雷达及SWAN系统产品等资料对2012年7月21日西南涡暴雨过程及盘龙极端强降雨进行分析。分析发现：此次过程是“北槽南涡”形势下,地面冷空气触发西南涡其东侧辐合上升运动强烈发展,高层强辐散,因而产生了对流性暴雨天气过程;冷空气从西侧侵入西南涡是925 hPa “S”形冷锋形成的直接原因,也是地面辐合线形成的重要因素;极端短时强降雨就发生在西南涡东侧中尺度雨带的中部偏北区域,有地面辐合线相配合,降雨最强时MCC冷云中心TBB达最低值。雷达回波表明：西南涡两侧冷暖空气的交绥促进了β中尺度气旋式环流的形成;偏南风低空急流为强降雨提供了充足的水汽,增强了中低层的垂直风切变,有利于强降水超级单体风暴的发展和维持;盘龙的极端短时强降雨是β中尺度气旋式环流中,伴随有深厚中气旋的强降水超级单体风暴在环流中心附近持续发展的结果。     

“16·7”华北极端强降水过程对流尺度集合模拟试验不确定性分析

基于4km水平分辨率的WRF-ARW中尺度模式,对2016年7月19日华北地区的极端暴雨过程进行了不同降水微物理过程的对流尺度集合模拟试验。结果表明:各个成员模拟降水的强度、时空分布与观测实况较为接近,但也具有明显的不确定性。通过邻域检验的ETS评分、相关系数和均方根误差等指标进行评估表明,采用Morrison方案和WSM6_P2方案的集合成员表现较好,对流尺度集合模式在降水强度和准确度较全球数值模式预报有一定提升。频率检验表明集合预报在50 mm以下量级的预报存在过量预报的倾向,而100 mm以上的强降水预报相对偏弱。不同降水物理过程的集合成员在高空急流和地面气旋等关键天气尺度系统的发展过程中表现出明显的不确定性;通过降水量与整层可降水含量,低层相对涡度和垂直运动等诊断量的联合分析表明,集合成员可分为强降水集合和弱降水集合两类,其中强降水集合拥有较强的对流性回波、较明显的对流性下沉以及较强的地面冷池,强的潜热反馈也导致对流层中层出现相对较大的正位涡异常,并进一步影响天气系统发展。弱降水集合成员降水以暖云降水为主,对流性上升和地面冷池相对较弱,但较为接近本次以稳定性暖云降水为主的天气过程。检验模拟雷达回波表明双参量降水物理方案在反映层云回波亮带和层云与对流核的分离特征上更为清晰合理。利用WSM6物理方案参数设置的敏感性试验表明,不同参数组合设置的预报成员分别表达了强对流风暴和暖云强降水两种性质的强降雨过程,对于一次特定天气过程中的对流系统发展能够预计到更多的不确定性,展现了对流尺度集合预报的优越性。     

陆面特征量初始扰动的敏感性及集合预报试验

文章利用中尺度模式Weather Research and Forecasting Model(WRF)3.2.1版本及National Centers for Environmental Prediction(NCEP)分析资料,研究了陆面变量(土壤湿度、土壤温度)和陆面参数(植被覆盖率)初始场随机扰动对长江中下游暴雨预报的影响并进行了集合预报试验。试验结果表明,短期暴雨过程对陆面变量(参数)扰动是敏感的;陆面变量(参数)初始场扰动影响降水的时间尺度小于10 h甚至可以小于6 h。从影响机理上来看,陆面变量(参数)扰动首先改变地表的潜热通量和感热通量,而地表通量的改变会通过陆气相互作用对局地大气的温、压、湿、风产生较大影响,从而对暴雨的强度和落区产生较大影响。集合预报结果表明,利用陆面变量(参数)扰动制作集合预报,预报的集合平均结果要好于控制预报的结果,且比集合成员稳定可靠,降水概率预报可以提供一些有用的信息,对预报强降水有一定的指示意义。在初值集合预报中,以这些参数或变量的扰动来引进集合成员是十分有意义的。