WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

济南春季一次罕见降雪过程成因分析

利用高空和地面观测资料、温度廓线仪资料、L波段雷达资料、NCEP资料对济南春季一次罕见的降雪过程进行了分析。结果表明:降雪过程的水汽输送主要来自于中层,由700h Pa西南急流提供;低层冷空气垫的维持,有利于中高层西南气流的爬升;强降雪发生在850h Pa冷平流开始减弱,700h Pa暖平流增强的时段内,是典型的回流降雪形势;925~1000h Pa的温度和降水相态的转变相关性更好,温度廓线仪资料可信度比较高,可以很好地反应降水相态转变时边界层温度的垂直分布;未出现降水时,市区和郊区边界层内的温差大;出现降雪后,市区和郊区边界层内的温差比较小。     

2014年鲁南一次暖切变暴雪过程的诊断分析

利用常规观测资料、自动站资料及NCEP1°×1°再分析资料对2014年2月4—6日鲁南暴雪过程进行诊断分析。研究表明:(1)500h Pa的短波槽,700h Pa和850h Pa暖式切变线及低空急流是造成这次暴雪的关键影响系统,同时位于华北700h Pa的小高压对强降雪的形成也起到关键作用。(2)东南低空气流的移动跟雨区的移动具有很好的对应关系。第一阶段降雪的水汽辐合主要集中在700h Pa,第二阶段的水汽辐合集中在对流层低层。(3)此次降雪过程降水相态的温度与厚度判据与经验统计预报指标一致。     

台风影响下渤海及邻域海面风场演变过程的MM5模拟分析

在装有 L inux操作系统的 PC机上运行美国大气研究中心 ( NCAR)的非静力中尺度大气模式 MM5。运用 MM5的嵌套功能 ,以 30 km水平分辨率对台风 KAI- TAK( 2 0 0 0年第 4号 )影响渤海海区的时段进行数值模拟 ,同时给出了水平分辨率为 10 km的嵌套区内逐时的渤海海面风场。通过对台风中心位置、中心气压、风速分布与雨区分布等要素的模拟结果与实况的比较 ,证实该实验对台风过程的模拟较为成功。嵌套区内渤海海面风场也明显体现出了地形影响的特征。并尝试以T10 6格点资料的三维客观分析场结合高空及地面观测为模式提供初值场 ,6h/次预报场为模式提供时变边界条件 ,对渤海海面风场进行了 2 4 h时预报     

一次局地短时强降水的成因和预报误差分析

利用常规气象观测资料、NCEP/NCAR再分析资料和多普勒天气雷达资料,对2016年8月6——8日潍坊一次强对流天气的成因和预报误差进行了分析,结果表明:1) 500 hPa冷涡底部低槽、850 hPa低涡切变线和地面倒槽是主要影响天气系统,数值预报对此次天气过程的影响系统预报偏差大,而预报员对数值预报依赖程度高是此次预报失误的主要原因; 2) 850 hPa以下强的水汽辐合是强降水发生的重要条件,低层辐合和高层辐散配置导致的强垂直上升运动是暴雨产生的动力机制,位势不稳定因中高层的冷空气入侵下沉得以加强; 3)列车效应和强回波维持少动是造成短时强降水的重要回波特征,逆风区的发展和移动对于判断强降水的落区有指示作用,多普勒雷达反演风场中的中尺度辐合线是导致局地强降水发生的直接原因; 4)风廓线雷达水平风场可以连续地反映降水过程中风场垂直结构及其变化,降水发生前探测高度明显升高,中高层冷空气侵入时间与强降水的时段相对应。     

最优化插值同化方法在预报南海台风浪中的应用

由经验的holland台风模型和NCEP再分析风场资料相结合构造出南海台风风场，结果较好地符合了TOPEX／Poseidon(T／P)卫星高度计观测的风速分布。以此作为第三代海浪模式的输入风场，模拟了1999年约克(York)台风经过南海海域的台风浪，并利用T／P卫星高度计观测的有效波高资料对模式进行同化。结果显示，同化影响半径取为2000km效果较好，同化影响时间是35h，同化改善了模式预报的精度。     

基于不同背景场条件的雷达资料同化在登陆台风“桑美”中的应用研究

本文针对2006年登陆我国的超强台风“桑美”,分别采用美国国家环境预报中心的全球预报系统(Global Forecasting System, GFS)再分析资料和日本气象厅(Japan Meteorological Agency, JMA)区域客观再分析资料作为背景场,利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)及其三维变分同化系统进行多普勒雷达资料同化和数值模拟试验,考察不同的背景场条件下雷达资料同化对台风初始场、内部结构及其随后确定性预报的影响。结果表明:GFS试验和JMA试验在同化了雷达资料之后分析出的台风700 hPa风场和500 hPa高度场相比其初始场均有所增强,JMA试验在3 h同化窗内的均方根误差和最小海平面气压的改进效果均比GFS试验显著,同时对台风动力和热力结构的改进效果也优于GFS试验;JMA试验对台风降水、路径、强度的预报均优于GFS试验,且能预报出台风前沿的降水,更加接近观测实况。     

辽宁东南部一次强降雪天气的成因分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料、多普勒雷达资料等对2015年2月25日辽宁东南部一次强降雪过程进行分析。结果表明:此次强降雪过程发生在低空切变线东侧暖湿区对应高空急流出口区左侧的辐散区内,有强的水汽辐合中心;地面偏南气流受山前地形抬升作用在强降水区形成风向辐合和850 hPa以下急流中心,是造成强降雪的主要原因之一;暴雪过程开始前6 h出现温度平流随高度减小的配置,假相当位温空间分布上锋区的形成,有利于不稳定层结的建立; 8～12 h前正涡度平流、中低层风向辐合带、近地面冷空气层的建立以及次级环流的形成加强了上升运动,对强降雪预报具有很好的指示作用;在降水相态是雨或雨夹雪时,雷达回波最大强度达到40～45 dBZ,而强降雪时回波强度为20～25 dBZ;当大连本站850 h Pa温度以及1 000 hPa与850 h Pa两层等压面之间的厚度处于雨雪转换临界值时,大连南部为雨或雨夹雪,北部为雪,此时出现强降雪,回波高度基本在6 km以下,最强回波25～35 dBZ维持在1 km以下,近地层为弱偏北风,与其上的西南风在边界层形成切变层,将暖湿气流抬升,为强降水提供动力条件。     

台风“达维”影响山东的暴雨落区及路径特征分析

利用高空观测资料、地面观测资料、加密自动站资料、NCEP/NCAR全球再分析资料、FY-2E卫星云图等资料对2012年第10号台风"达维"影响山东的暴雨落区分布及路径特征进行了分析。结果表明:暴雨落区主要出现在台风移动路径的右侧及台风中心附近,而且台风中心的右侧降水明显大于左侧。冷空气对台风引起的降水落区影响较大。水汽通量大值区和辐合区分布、中层的强上升运动对暴雨落区有一定作用。温度梯度大值区和假相当位温的分布与暴雨落区较一致。台风"达维"是在300 h Pa引导气流的作用下移动的,其移动路径与500 h Pa总温度线的走向及高空500 h Pa正涡度带的走向一致。此外,台风的移动路径与副热带高压、双台风效应、低层弱冷空气和下垫面等关系较大。     

青岛短期降水空漏报及小量降水预报指标分析

对2011年青岛短期降水空漏报进行了分析,并利用近年来观测资料,对暖湿气流降水、伴随海雾出现的毛毛雨及冷流降雪三种小量降水预报指标进行了研究。结果表明,500h Pa西风槽尚未进入或刚进入山东省时,青岛处于槽前西南暖湿气流影响下,低层存在上升运动、925h Pa,850h Pa,700h Pa相对湿度两层达到80%且K指数大于32℃全区可出现有量降水;受台风外围东南暖湿气流影响时,除满足低层相对湿度、上升运动外,还需关注低空急流存在与否。伴随海雾出现毛毛雨的预报指标为湿层厚度大于等于300m,湿层平均相对湿度大于等于92%。青岛北部地区出现冷流降雪时,850h Pa以下风向多为N-NNW向,850h Pa风速基本达到10m/s或以上,850h Pa温度多在-12℃以下,925h Pa温度露点差多小于等于5℃,当500h Pa环流存在横槽转竖或横槽南压时,冷流降雪也可影响到青岛南部地区。     

山东夏季极端降水时空分布及环流特征分析

本文利用2000—2018年山东省大气监测自动站的降水观测资料以及美国国家环境预报中心与美国国家大气研究中心(NCAR/NCEP)再分析的高空月平均资料、降水月平均资料以及逐日降水资料,分析了不同季节山东省极端降水的时空分布的基本特征,以及异常大气环流对极端降水的影响。结果表明,极端降水对山东降水的影响主要集中在夏季,山东省的东南沿海地区表现更为明显。在500hPa上,极端降水次数偏多季的环流形势表现为AO负位相,在50°N的中纬度西风上波动较为显著,降水概率随之增大。根据极端降水持续时间,将极端降水分为第一类和第二类极端降水,若200hPa上南亚高压偏东,500hPa上副高西伸,中纬度西风带的槽脊振幅明显偏大;同时,在850hPa上,高纬度波长较长,有利于冷空气直接南下和暖湿的水汽输送带交汇于山东省上空,则有利于产生第一类极端降水,反之,则易产生第二类极端降水。     

基于CESM模式同化及后报实验的南海气候特征分析

基于气候模式CESM,利用牛顿松弛逼近(nudging)方法将次表层海温同化到海洋模式中,通过多种评估方法对1982—2011年同化和后报结果的南海海区进行分析。CESM同化和后报结果能够刻画出南海海表面温度、海表面流场、降水和850 hPa风场的空间基本特征,并且能比较好的再现海表面温度和降水随时间变化规律,nudging同化结果要优于超前1个月、3个月预报。但对南海大部分海区还存在0.5℃以内的冷偏差,流场强度模拟偏弱,850 hPa风场模拟偏强的误差。同化和后报结果表明模式对夏季和秋季海表面温度模拟效果较好,海表面温度与东亚夏季风相关性在空间分布形态及量值方面模拟较为一致,而降水与东亚夏季风相关性模拟在空间分布形态及量值方面都有一定误差。南海气候模拟难点在于其夏季海气相互作用,nudging同化结果能较好的模拟出南海北部夏季海表面温度变化对大气变化的响应,同大气模式相比考虑了南海海区的海气相互作用这一特殊性。     

山东沿海偏北大风的天气学模型和物理量特征

应用观测资料和MICAPS3气象资料显示系统,分析研究了近十年山东沿海7级以上偏北大风的特征。对两年内36次区域性大风个例,以地面影响系统为主,把偏北大风分为四种类型:冷锋型、温带气旋型、回流冷空气型和北上热带气旋型,建立了偏北大风的天气学模型。分月份、分类型统计分析了偏北大风期间地面气压梯度、锋后冷高压强度、锋前低压强度、高低压之间的气压差、850 hPa锋区强度、850hPa偏北风风速、850hPa24h变温,给出了阈值和平均值;分析研究了各类型9级以上偏北大风气象要素的临界值。对各种类型偏北大风的物理量空间结构和形成机理进行了研究,结果表明:冷锋偏北大风在中低层为较强的下沉运动,低层辐散,有高空动量下传,偏北大风主要是快速南下的冷空气、下沉运动造成的辐散风和高空动量下传的共同作用;气旋型偏北大风在高空为正涡度、低层辐合、整层为上升运动,北大风主要取决于快速旋转的气旋性环流和向气旋中心的辐合运动;回流型偏北大风的中高空为上升,近地面层为下沉,偏北大风主要是低层快速南下的冷空气的水平运动。     

湖北省两类典型极端降水过程气象因子异常特征对比

利用NCEP/NCAR再分析数据和其他常规观测数据,对湖北省两类典型极端降水型(南北气流汇合型、南北槽叠加型)的天气背景及气象因子异常特征进行分析,结果表明：南北气流汇合型500 hPa上形成南北气流汇合形势,低层切变线南侧南风发展异常强盛,地面上冷锋入暖槽形成静止锋,动力因子(850 hPa涡度、200 hPa散度)和水汽因子(大气可降水量)异常特征显著;南北槽叠加型500 hPa上形成南北槽叠加形势,低层或边界层形成显著低涡切变,地面上暖低压强烈发展,动力因子(200 hPa散度、925 hPa涡度)和不稳定因子(700 hPa温度平流)异常度比例偏高。最后给出了两类集天气背景与气象因子异常度配置于一体的极端降水天气概念模型。     

多普勒雷达资料同化在台风“桑美”预报中的应用研究

本文以2006年超强台风"桑美"为个例,考察了同化雷达径向风观测资料对台风初始场和预报场的改进作用。首先对沿海新一代多普勒天气雷达的径向风观测资料进行了去噪音、退模糊等一系列的质量控制,进一步利用美国国家大气研究中心开发的中尺度数值模式WRFV3.5及其三维变分同化系统WRF-3DVAR,每30min循环同化雷达径向风观测资料。结果表明:同化多普勒雷达径向风观测资料后,对台风在模式中的初始位置进行了很好的修正,同时对台风区的动力和热力结构均有较好的调整。两组同化试验对于台风的路径、强度、降水等预报要优于控制试验,并且对背景误差协方差尺度化因子优化调整可以更有效地吸收雷达观测资料并提供更多的中小尺度信息。     

山东相态逆转降雪天气的特征与预报

采用高空和地面观测资料,对山东1999—2013年24次有相态逆转降雪过程的影响系统、出现时间、逆转前后的温度变化及各类系统逆转的天气形势特征进行了统计分析。结果表明:1)低槽冷锋、江淮气旋、黄河气旋和暖切变线可在山东产生降水相态逆转,而回流形势降雪不会产生逆转。2)山东降水相态逆转发生在11月—次年4月,以12月和1月居多,12月频率最高;有明显的日变化,14时前后最容易发生逆转,而23时—次日05时最少。3)雪转雨时最显著的特征为地面2 m气温升高,升温幅度多在1~2℃;850 h Pa以下至地面的温度至少有1~2个层次升温。4)地面2 m气温对逆转的指示性最好,降雪时在0℃左右,略高于通常降雪阈值,最低为-1℃;其次为1 000 h Pa,降雪时接近于0℃。5)对流层低层暖平流升温或温度日变化升温导致雪转雨,温度平流弱时温度日变化起主要作用。各类天气系统的逆转范围、时段等有明显差异。因此,对于降雪阈值附近的相态预报,需综合考虑低层温度平流和日变化两个因素,重点关注地面2 m气温能否升温,午后为关键时段。     

青岛冬半年降水相态统计分析及判别方法研究

通过对2006—2015年青岛冬半年不同相态降水的统计分析得出,青岛冬半年纯雨日数1月最少,纯雪日数2月最多,12月和1月是雨夹雪及雨雪转换日数占当月降水日数比例最高的两个月。通过个例分析表明,雨雪转换过程多与冷空气入侵相联系。温度场和风场条件能较好地反映出雨雪转换的特征,降温和风向转换在850 h Pa以下层更为明显。探空资料分析表明,850 h Pa、925 h Pa、1 000 h Pa和地面气温对不同相态降水都有很好的指示意义,越低层指示性越好。0℃层高度对不同相态降水同样具有指示意义,100~500 m高度是雨雪转换的关键高度层;以不同高度层气温为指标确定出青岛冬半年降水相态预报判别指标。     

山东春季一次江淮气旋暴雨过程的诊断分析

利用常规观测资料、山东自动站资料以及NCEP/NCAR1°×1°逐6h再分析资料,对2013年5月26日山东气旋暴雨过程进行诊断分析。结果表明:此次暴雨是由高空低涡切变线和地面气旋共同影响产生。暴雨发生在深厚的暖湿气流中,高低空系统随高度略向北倾斜,冷空气比较弱,暴雨落区主要位于地面气旋中心北部的东南气流里。在这次暴雨过程中,850h Pa西南急流与东南急流对能量锋区的形成与维持起到关键的作用,暴雨的落区主要位于能量锋区内并偏于θse高值区一侧。此次气旋暴雨也是发生在深厚的强上升运动区内,在这次过程中暴雨落区及其移动与强的上升运动中心的相关性比较好。暴雨的辐合中心主要集中在950h Pa附近,比一般暴雨的辐合层(一般在900h Pa附近)高度更低,说明边界层辐合对于气旋暴雨的重要性。暴雨过程中,700h Pa山东MPV1为正值,MPV2为负值;700h Pa等压面上MPV1正值中心与该层上的低涡系统对应比较好。     

基于梯度信息的微波辐射亮温资料质量控制方法

卫星微波垂直探测器的辐射观测资料在数值预报中的同化应用使得数值预报水平有了巨大的飞跃。微波资料的质量控制是保证观测资料成功同化的关键所在。文章提出一种基于AMSU-A(Advanced Microwave Sounding Unit-A)辐射亮温资料梯度信息的新质量控制方法,将亮温梯度距平值明显较大的资料作为被降水污染或因为其他原因出现的"坏"的资料。利用中尺度非静力WRF(Weather Research and Forecasting)模式和区域三维变分同化,针对"海鸥"(2008)和"圆规"(2010)2个个例,对比旧质量控制中的降水检测和阈值检测方法,评估该方法用于AMSU-A资料同化时对台风数值模拟的情况。研究表明,旧质量控制方法将会使一些"坏"的微波观测资料同化进入模式,降低模式分析场的质量,进而导致同化结果有较大误差。相对于旧方法获得的分析场,利用基于亮温梯度信息的质量控制方法可使更多"坏"的观测剔除,同化后模式初始时刻的位势高度场和风场更接近于真实情况。与传统AMSU-A辐射资料的同化相比,新质量控制方案使2个台风路径数值模拟的偏差有明显的减小:"海鸥"个例中,模拟台风路径误差的最大改善比为12,路径误差改善约540km;"圆规"个例的最大改善比为13,模拟路径误差减小118km。     

渤海一次强阵性雷雨大风过程的诊断分析

利用中尺度天气预报数值模式、粗网格再分析资料、地面和高空常规观测资料,对2011年8月31日渤海地区一次强阵性雷雨大风天气过程中的大气资料进行了重建.根据该资料,分析了对流有效位能、水汽输送、假相当位温和湿位涡等物理量在这次强对流过程中的演变特征.结果表明,修正的对流有效位能可以提前对强对流不稳定天气做出指示,与850 hPa假相当位温θse=340 K高能暖湿气团所在的位置以及处于△θse＜0的位势不稳定区有明显对应关系.另外,水汽通量的辐合中心与雷雨大风天气发生的区域基本一致.而700hPa等压面上的湿位涡最大负值区的叠加位置也是雷暴发展的另一有利形势,MPV正负交界处带状区域出现了南压和东移,表明湿位涡的发展趋势对冷锋锋面移动的路径、速度有较为明确的指示意义,移动过程中,由于出现降水,同时还伴随了湿位涡负区减弱的特征.上述物理量为雷雨大风预报提供了部分客观判断依据,可作为预报员得出预报结论的辅助手段之一.