多模式对四川一次强降水过程不确定性预报分析

本文就2008年“5.12”四川大地震后,5月25~26日四川盆地出现的一次强降水过程,比较分析成都区域中心运行的3个区域(GRAPES、AREM和MM5)模式降水预报情况以及各模式预报的物理量场和大气状况的演变,得到:模式就不同起报时间,对同一时间段的降水预报效果是不一样的,初始场获取的大气信息对预报有着重要作用;模式预报的降水落区与物理量的垂直时间演变密切相关;各模式大气初始场差异及随时间演变决定了各模式降水预报差异。     

黑龙江省一次强降水过程的数值模式预报及误差分析

本文利用黑龙江省加密自动站降水观测资料评估了T639、GRAPES全球模式和EC_thin预报资料对2016年8月5-7日黑龙江省一次降水过程的预报效果。结果表明:EC_thin预报的降水较实况明显偏快,T639的降水落区的形态结构与实况一致度较高,尤其对中雨及以上量级降水的分布和走向的预报具有较好的参考意义。三个模式对强降水中心的预报与实况相比明显偏弱,对暴雨以上量级的降水均存在较严重的漏报。预报形势场的对比分析显示,EC_thin预报结果中有关天气系统的移速明显快于其他两个模式的预报结果,对黑龙江省南部槽脊强度的预报一致偏弱;T639与EC_thin的预报稳定性更高;GRAPES高度场的预报存在相对明显的系统性负偏差;三种模式预报的副高范围、强度以及演变趋势都表现出与实况基本一致的特点;此外,T639模式预报的温度场偏差较小,T639预报的风场强度偏弱,GRAPES预报的天气系统不仅强度偏弱,而且较客观分析结果偏南偏东。     

BCC第二代气候预测模式系统对2015年一次寒潮过程的预报能力评估

利用BCC第二代气候预测模式系统(BCC_CSM2)的回报试验结果,评估了BCC_CSM2对2015年1月27—31日一次强寒潮过程的次季节预报能力,结果表明:(1)此次寒潮过程主要由新地岛以西的短波槽不断东移发展而形成的,模式能够提前10 d较好地预报过程期间降温以及高空环流形势,相关系数、距平符号一致率以及均方根误差都定量表明模式在10 d左右具有较好的预报能力,但是对降温程度的预报能力随起报时间的延长逐渐降低;(2)为了探讨随起报时间延长模式预报能力降低的原因,从位势倾向方程出发,分析相对涡度平流和温度平流随高度变化发现,在模式提前10 d之内的预报时段内,模式预报的相对涡度平流和温度平流随高度变化与再分析资料的诊断结果基本一致,能够合理预测短波槽的东移和槽脊的强度变化,当预报超过10 d后,模式中相对涡度平流的配置不利于短波槽的东移,模式预报的低层出现暖平流,并随高度增加而减小,不利于槽的加深,使模式预报的环流形势产生偏差,导致模式预报能力降低。     

GRAPES_MESO模式对一次强降水过程的预报及误差分析

本文应用西南低涡大气科学试验加密观测资料,常规探空与地面资料,自动站资料等,分析国家数值预报中心运行的GRAPES_MESO中尺度模式对2010年7月14～19日四川强降水过程预报能力.结果表明,模式降水预报能一定程度反映实况降水.在模式误差分析基础上,指出造成降水预报偏差的可能原因是模式预报的高度场持续偏低,预报低值系统偏强,高值系统偏弱,不利于四川上空的辐合低值系统维持;预报的登陆台风强度偏强,台风外围气流与副高外围环流结合,导致西南低空急流较强,加之,模式预报盆地水汽场在西部偏多,东部偏少,对流层中低层冷空气活动偏弱,暖湿气流活动较强,急流带北移较快,辐合流场位置偏北偏东,导致了积分后期预报降水与实况出现较大偏差,盆地东北部降水偏弱,预报降水落区偏东、偏北.探空分析还指出,盆地测站温度偏差较大,可能是受复杂地形条件下插值误差以及观测误差影响所致,由于盆地测站风向受周边地形影响较大,各站和各层分析风的不确定性较大.误差分析揭示了高度场预报偏低,温度场偏高,地面气压偏低等基本特征,误差的来源需要作进一步的数值试验与动力诊断分析.     

区域中尺度模式对西南地区一次强降水过程的预报分析

为了认识区域数值模式对西南地区降水预报能力,探索降水预报误差原因,本文应用MICAP资料,NCEP再分析资料,FY-2E辐射亮温资料,自动站资料,西南涡加密观测资料等,针对2012年7月2～5日西南地区一次强降水过程,分析了西南区域中心运行的WRF模式和GRAPES中尺度模式的预报能力,得到：（1）两模式不同程度反映了本次强降水过程.相对而言,WRF模式的预报略好于GRAPES,得益于WRF模式对对流层中低层温度、水汽、流场等演变的较好反映.（2）两模式预报对流层中低层温度偏差总体呈现正偏差,GRAPES模式呈现较大的温度偏差,正偏差特征更显著.两模式不同程度出现空报降水,特别是在高原东南坡.GRAPES模式空报雨区特征更明显.（3）两模式预报近地层湿度较实况大,都预报高原南坡,特别是高原东南坡风场辐合、水汽场辐合偏强,可能是造成虚假降水的主要原因.（4）较实况,WRF模式预报对流层高层的高压和对流层中低层的低压系统偏强,GRAPES模式预报西南低空急流偏强（可能是引起温度正偏差的原因）,两个模式预报的对流层正涡度较深厚,辐合上升运动强,这些可能是造成降水预报偏差的原因.     

GRAPES模式对2008年两次强降水过程的数值预报检验

利用GRAPES_meso中尺度模式和三维资料变分同化系统,以国家气象中心T213L31全球模式预报结果作为第一猜场,在对我国南方地区的探空、地面站、自动气象站和13部雷达观测径向风进行同化的基础上,对2008年6月中旬造成南方多个省份大暴雨的一次冷锋过程和7月底在福建登陆的8号(凤凰)台风的数值预报结果进行了热力和动力检验,并对模式预报降水和降水系统的结构进行了分析,总结了冷锋系统中对流降水产生的有利条件和维持机制、以及台风登陆后的结构演变,发现这次冷锋具有较强的斜压性和锋区对流不稳定性,热力动力结构与梅雨锋类似。台风"凤凰"登陆后减弱为热带低气压,虽然受地面摩擦影响和水汽供应的减少而导致螺旋云系减弱,但热力结构依然清晰,暖心结构被削弱,呈现高层偏暖和低层偏冷、抑制对流发展的热力结构。通过分析,初步验证了GRAPES_meso模式对这两个个例强对流降水系统的刻画能力,但仍然有必要进行更多更细地检验。     

多数值模式对2021年7月两次大暴雨过程预报能力检验评估

传统点对点的二分类检验方法能够客观反映模式预报的整体表现,但该方法存在双重惩罚现象。本文在传统检验基础上结合FSS（Fraction Skill Score）评分和MODE（Method of Object-based Diagnostic Evaluation）方法,对2021年7月影响四川的两次区域性大暴雨过程开展检验评估,对比分析了华东区域BCSH模式、ECMWF模式、西南区域SW3KM和SW9KM模式的预报性能。结果表明：（1）BCSH和ECMWF模式在小到中雨评分上略优于西南区域2个模式,SW3KM模式优势体现在暴雨预报上;BCSH和SW9KM模式预报偏差无显著规律,ECMWF模式小到大雨多空报,SW3KM模式中到暴雨多空报。（2）邻域半径为7个格点时,SW3KM模式在72 h预报时效上小雨、36~72 h大雨、24~66 h暴雨评分高于其它模式;区域模式分辨率提高,其FSS和TS评分相应增加,随着预报时间延长,区域模式FSS评分以大于ECMWF模式为主,SW9KM模式各级降水评分整体低于SW3KM模式。（3）4个模式降水落区质心位置预报的经向偏差略大于纬向,BCSH和SW9KM模式降水质心较实况偏西北,ECMWF模式暴雨质心偏西北、大暴雨质心偏西南,SW3KM模式暴雨质心多偏西南、大暴雨质心较实况多偏西北。ECMWF模式对雨带走向和面积的把控好于区域模式;SW3KM模式在72 h预报时效上多个属性值优于BCSH模式,SW3KM模式匹配目标属性值以优于SW9KM模式为主;BCSH、ECMWF和SW3KM模式均存在降水强度预报偏大的特征。     

GRAPES全球模式次网格对流过程对云预报的影响研究

50 km分辨率下的GRAPES全球模式对赤道及低纬度地区云水、云冰、云量和格点降水的预报较实际观测偏少。为解决这一问题,在模式原有的格点尺度云方案基础上,将次网格对流过程的影响作为源汇项,加入到云水、云冰和总云量的预报方程中。结合云和地球辐射能量系统(CERES)与热带降雨测量(TRMM)等卫星云观测资料,进行了改进后的云方案与原云方案预报结果的对比分析。结果显示,考虑了对流对格点尺度云含水量和云量预报的影响后,GRAPES全球模式预报的云和格点降水在赤道及低纬度地区有明显改善,水凝物含水量和总云量的预报结果与实况较为接近,格点降水在总降水中的比例由原来的5%提高到25%。研究进一步表明,次网格对流过程对格点尺度云和降水的影响取决于上升气流质量通量的分布和强度,上升气流的质量通量在对流活动强烈的低纬度热带地区较强,其最大值出现在650—450 hPa高度,因此,次网格对流的卷出过程对中云的影响最为明显。对高云和低云也有一定程度的影响,使云顶变高,云底变低。     

初值及物理过程对"98·7"暴雨预报结果的影响

利用非静力中尺度模式系统(ARPS),对1998年7月20日至22日期间长江流域的低涡切变线及暴雨过程进行了模拟.探讨了对"98@7"突发暴雨的影响因子及改进预报的可能途径.初值的不完全是影响成功预报的重要原因之一.在利用尽可能收集到的资料,对初值进行了合理的处理之后,模式能较好地复制出7月20～22日24 h降水及环流形势.利用模式结果,讨论了凝结潜热释放和行星边界层过程在低涡切变线维持中的作用以及云贵高原在低涡发生发展过程中的作用.此外,还对低涡及切变线的演变过程做了初步的分析,初步探讨了低涡切变线形势维持的可能机制.     

边界层过程对"98·7"长江流域暴雨预报影响的数值试验研究

通过ETA模式对"98@7"长江流域暴雨过程的数值试验研究,讨论了行星边界层过程对暴雨数值预报的影响,结果表明边界层过程在这次暴雨预报中有重要作用.具体结论为:(1)降水大范围落区是受大尺度流场所决定的,但边界层过程对暴雨预报具有重要的作用;(2)不考虑边界层过程会影响对天气系统的正确预报,包括影响大气低层的运动场、水汽及大气不稳定度,从而影响暴雨的预报;(3)从时间层次上看,由于地表通量有着显著的日变化,边界层过程的作用不仅与暴雨本身发生发展及消亡的阶段有关,也与各阶段的时间(白天或夜间)有联系;(4)在空间范围内,边界层过程对大气的影响是通过大气流场重新分布来影响降水的环境条件,故地表通量分布和低层流场的相互配置作用十分重要.长江南北的情况有所不同,长江流域南侧区是地表通量的大值区,也是长江流域雨区水汽和不稳定能量的源区,它对长江流域的暴雨可能有着更为重要的作用.     

WRF模式不同微物理过程对东北降水相态预报的影响

为了研究不同微物理过程对中尺度模式降水相态预报的影响,利用中尺度模式WRF（V3.1）和NCEP再分析资料,采用WSM 6方案、Goddard方案和New Thompson方案等3种不同微物理过程参数化方案,对2006-2008年东北地区存在降水相变的11次降水过程进行了敏感性试验。通过对降水和云微物理特征影响的分析,了解不同方案间的预报差异。结果表明：不同微物理方案对降水落区和强度预报影响不明显,而降水相态对微物理参数化方案较为敏感,主要表现在对雨区和雨夹雪区预报影响显著。从总体预报效果来看Goddard方案表现较好。选用不同微物理参数化方案模拟的底层大气云微物理特征存在较大的差别,正是这种差别直接导致了降水相态预报间的差异。     

不同参数化方案对安徽一次暴雨过程模拟的影响分析

使用WRF v3.4模式对2012年7月12—14日安徽的一次暴雨进行模拟。保持其他参数如辐射、陆面过程等不变, 将不同微物理过程(Eta、Kessler、Lin方案)与积云参数方案(KF、BMJ、GD方案)进行组合成9个试验。将试验模拟结果与实况进行对比分析, 发现:微物理方案的选取对于降水的雨强、位置、雨区范围的模拟都有一定的影响。积云参数化方案对于降水的范围, 雨带的位置模拟也都有影响, 但对于雨强的影响不大。将各试验模拟的逐小时降水与实况进行比较, 发现试验Eta-GD和Lin-GD模拟降水日变化与实况更接近。通过TS评分、ETS评分和系统偏差分析, 表明试验Eta-GD在此次暴雨过程的降水模拟中表现最好。     

CMA-MESO模式对“21·7”河南特大暴雨的预报评估与误差分析

为分析CMA-MESO模式对2021年7月19—21日河南特大暴雨的预报性能,除了常规观测资料,还利用雷达和卫星非常规观测资料,对模拟回波和云产品开展传统和新型空间检验,以揭示对流风暴和中尺度对流系统(MCS,基于卫星红外通道)的模式预报偏差细节,并从降水形成的水汽、动力、触发和维持机制等角度分析模式误差产生的原因。结果表明:模式能较好预报雨带形态、弱回波持续时间以及主要降水发生前期和后期MCS的面积和强度演变趋势;模式偏差主要体现在低估了降水强度且未报出郑州站极端小时降水,错报主雨带小时降水演变,严重低估了对流风暴和强对流风暴的持续时间,未能报出午后MCS面积陡增的变化趋势且MCS位置预报偏西、偏北;模式降水偏差的原因主要在于水汽的模拟,模式水汽垂直分布不合理,对台风烟花和查帕卡的水汽输送均偏弱,而水汽输送不足的根源是低空急流偏弱和超低空急流脉动不足。另外,模式未能在郑州站附近预报出稳定少动的地面中尺度辐合线,加之大气层结不稳定度不足和对流不稳定能量偏低,使得对流发展不够旺盛,最终导致降水预报不足。     

WRF/Chem模式中两种起沙参数化方案对东亚地区一次强沙尘暴过程模拟的影响

利用耦合了GOCART和Shao04两种起沙参数化方案的WRF/Chem模式对2002年3月19~22日发生在东亚地区的强沙尘暴过程进行模拟,着重考察了不同起沙方案对沙尘暴过程模拟的影响。结果表明,耦合了两种不同方案的WRF/Chem总体上均能较合理地模拟出主要的起沙区域、起沙强度的变化以及沙尘浓度的时空演变特征,模式对沙尘源地附近及下游地区地面沙尘浓度时间变化特征的模拟与站点观测结果也十分接近。但总体说来Shao04方案对沙尘起沙的发生以及强度变化过程具有更好的模拟能力,该方案模拟的沙尘浓度与观测更为一致,整体性能要优于GOCART方案。进一步分析发现,由于GOCART方案中采用的临界起沙风速偏小,导致该方案下模拟的沙尘分布范围偏大;另外该方案忽略了蒙古东南部和内蒙古中东部的潜在沙尘源地,从而使得耦合了GOCART方案的模式未能模拟出上述区域的起沙过程,使得该区域及下游地区模拟的沙尘浓度也偏小。但在塔里木盆地,Shao04方案计算的起沙通量偏小,这可能与Shao04方案未能考虑风速较小情况下空气拖曳力夹卷作用对起沙的影响有关,也可能与该方案中采用的土壤质地数据不准确有关。     

T213(639)模式对一次稳定层结下暴雨过程预报能力的检验

应用常规观测资料、自动站加密资料和数值预报产品,对2009年5月6日铜仁地区出现的暴雨天气过程的天气系统、水汽条件、大气稳定度、动力触发机制进行分析,并对T213(639)的数值预报产品进行了检验.结果表明,这次暴雨天气过程主要是由于高层浅槽东移、中低层切变系统南移、地面弱冷空气共同作用造成的.临近暴雨时刻中低层西南气流的加强把暖湿气流送入暴雨区是暴雨产生的关键.对数值预报产品的检验结果表明,对此次过程T213(639)在风场、涡度、散度、水汽通量、垂直速度方面都作了较好的预报,在今后的预报工作中应该多参考.