LAPS上海本地化及其在局地对流天气中的应用研究

本文首先基于地面自动站、探空、雷达和卫星资料,开展局地分析预报系统(Local Analysis and Prediction System,LAPS)上海本地化研究,并结合2010—2014年夏季6个局地对流天气个例对其性能进行检验评估。结果表明:雷达径向风资料对LAPS风速分析影响较大,使分析场风速廓线与探空廓线的均方根误差缩小约7.66%;风云卫星资料能够改善LAPS温度和相对湿度,使分析场温度、相对湿度廓线与探空廓线的均方根误差分别缩小约9.09%和14.01%;探空气球飘移对本文LAPS分析场检验影响不明显。进一步将LAPS分析场用于2011年8月13日、2014年8月4日两次局地对流个例分析表明:LAPS高时空分辨率的分析场能够反映中小尺度天气系统的时空变化,在天气尺度背景并不十分有利于对流生成的情况下,热岛、海陆风环流的形成和持续对上海夏季局地对流天气的发生和发展起到关键作用。     

应用LAPS系统分析风,温度,云和降水

美国国家海洋大气局环境研究院的预报系统实验室建立了一个新的中尺度分析系统，称炎局地分析和预报系统。其目的是为改进０－６小时的短时天气预报，这是一个实时的资料同化，处理系统，它可以将各种不同来源的气象信息，经过四维同化处理，生成每小时一次的实时产品，其水平格距为１０公里，垂直分辩率为５０百帕。     

局地分析预报系统在GRAPES模式中的应用

在分析美国局地分析预报系统 (LAPS) 和GRAPES_Meso数值预报系统,实现GRAPES-LAPS接口的基础上,通过两种数据融合方案,即GRAPES/LAPS方案 (简称LAPS方案) 和GRAPES/3DVAR方案 (3DVAR方案),对2008—2010年华南地区的28个个例的地面、探空常规和加密资料,以及多部多普勒天气雷达数据等融合、同化,开展两种方案的对比模拟试验。结果表明:LAPS方案获得的初始场,水汽条件有所改善,其辐合辐散相耦合触发中小尺度系统发展加强的中尺度环境场,有助于提高模式对强对流天气的预报能力。两种方案的24 h要素场均方根误差检验结果和降水TS评分大体相当,但28个个例中,LAPS方案报出了10个暴雨,而3DVAR方案只报出了5个,LAPS方案的中雨、大雨和暴雨的24 h降水预报TS评分要略好于3DVAR方案相应预报的TS评分,表明LAPS方案对强降水的预报较3DVAR方案有一定改进。     

中尺度分析系统LAPS应用雷达资料的个例研究

武汉暴雨所引进国际先进的中尺度分析系统LAPS, 经成功本地移植后, 该系统能融合华中区域多种非常规观测资料, 提供包含丰富中尺度信息的高分辨率中尺度分析场。针对一次梅雨期强降水过程, 利用LAPS系统进行中尺度分析, 通过对比该系统融合多普勒雷达资料前后各种物理量场的差异, 研究了多普勒雷达资料在该系统中的作用。结果表明, LAPS融合雷达径向风后, 对风场的改善比较明显, 能揭示流场的中尺度信息。融合多种资料后的LAPS中尺度分析场比NCEP再分析场更接近实况, 能清楚地反映中尺度特征, 可作为分析此次强降水过程发生\, 发展的工具。融合雷达资料反射率后, LAPS云分析能提供与实况接近的较细致的云信息, 有利于了解暴雨过程中云参数的演变, 同时也为数值模式热启动提供条件。     

LAPS分析场资料在暴雨中尺度分析中的应用

利用常规地面探测、高密度自动雨量站、高空探测资料,并且融合多普勒雷达拼图产品,LAPS可输出比较精细的分析场。针对2008年6月21～22日一次暴雨天气过程,基于LAPS不同时空分辨率的中尺度分析场,分析了雷达回波、风场、高度场以及物理量场,比较不同时空分辨率LAPS分析场之间的差异。结果表明:(1)此次强降水过程可划分为2个阶段。第一阶段雨量集中在沿淮地区,呈纬向带状分布;第二阶段集中在大别山地区,其雨强更大,是中尺度局地性降水。(2)大别山区的地形抬升对低涡增强或减弱的演变具有重要影响,是低涡增强、发展的触发机制。当低涡接近大别山区时,低涡明显加强;当低涡逐渐远离大别山区时,低涡则减弱。(3)第一阶段有风的切变线,第二阶段有风的辐合,说明风场的辐合和切变促进云和降水的发生、发展,因此它们是产生暴雨的触发条件。(4)高分辨率的LAPS结果对于风场和云的变化刻画地更为细致。雷达回波发生在风的切变线处,或者风场辐合处;大别山区暴雨过程中,在其西侧有闭合性的涡旋,低涡缓慢东移,回波位于涡旋东侧,强降水发生在低涡东侧。(5)K指数、沙氏指数、整层可降水量与这次大别山地区暴雨过程具有较好的对应关系,与暴雨落区基本相同。这些指数在暴雨落区预报与应用方面具有一定参考价值。     

局地暴雨(冰雹)过程预报的研究

通过对博州40a 4～9月份近200个局地暴雨和冰雹天气个例进行了综合分析研究,依据局地暴雨和冰雹天气过程发生、发展过程中大气能量的积累、转换和爆发的规律.建立了一套紧扣能量转换"力-功-能"原理的"天文动力结构分析-天气学高、温、压、湿变量场分析-静力能量场定量指标客观分析"强对流预报方法和技术流程.通过近两年的业务试用,博州局地暴雨的预报水平明显提高.     

LAPS同化GPS/PWV资料在暴雨预报中的应用研究

利用LAPS(Local Analysis and Prediction System)系统同化GPS(Global Positioning System)/PWV(Precipitable Water Vapor)资料,分析GPS/PWV资料对LAPS输出场的影响,并结合WRF模式,将LAPS输出场作为其初始场进行降水预报,进一步考察GPS/PWV资料对降水预报的作用。选取2009年6月28日湖北地区的一次强降水过程,设计三种方案进行试验。结果表明:同化GPS/PWV资料后对LAPS湿度场有显著的改善,而对高度场及风场的作用则不明显;GPS/PWV资料对区域平均可降水量的影响比雷达资料大一个量级;与此同时,利用多种评分方法对6 h累计降水做了检验,分析结果表明同化GPS/PWV资料能够有效地改进WRF模式的初始场,增加丰富的中小尺度信息,并对随后的确定性预报产生正影响。     

LAPS系统中两种资料融合方法对台风“海葵”的预报对比分析

LAPS分析系统包含两种资料融合方法,一种是基于修正的Barnes插值方法(LAPS方法),另一种是基于连续变分的融合方法(STMAS方法)。本文以2012年11号台风"海葵"为例,对LAPS分析系统中这两种方法进行对比分析。结果表明:(1)两种分析方法均能较好分析出台风的环流结构和中心;其中,LAPS方法分析的台风强度略偏弱,但包含小尺度系统较多;相比较而言,STMAS方法分析的台风强度偏强,分析场更加连续、平滑。(2)对高度场、湿度场以及中低层风场和温度场,STMAS方法分析场更加接近探空观测。(3)以LAPS方法分析场为初始场,预报的台风路径误差较STMAS方法大,但对100 mm以上的强降水中心的预报TS评分较高,0—6 h降水预报TS评分也明显高于STMAS方法;而以STMAS方法分析场为初始场,预报的台风强度强于实况,但对大于25 mm和50 mm的雨区预报优于LAPS方法,12—24 h降水预报TS评分也较优。(4)在该台风个例中,对两种方法的降水预报进行平均,所得到的降水预报场具有相对较高的TS评分。     

基于LAPS分析的WRF模式逐时气温精细化预报释用

为了满足湖北电力和华中电力系统对逐时气温预报的需求,开展气温精细化预报服务,基于局地分析预报系统(LAPS)分析融合的WRF模式精细化数值预报产品,对2011年4月1日至7月20日湖北省内及周边区域站点的逐时气温进行精细化预报释用.比较几种模式释用方案,结果表明:WRF模式预报趋势较好,预报准确率评分50％左右,日间08-20时预报误差小于夜间,最高气温(Tmax)评分54％,最低气温(Tmin)评分为44％.通过模式释用,提高了预报准确率,可使预报评分提高到60％～70％,对Tmax评分达到57％,对Tmin评分最高达到74％.分时刻建立MOS方程能够有效降低夜间20-07时的预报误差.将实况最高气温引入Kalman滤波方程能进一步提高预报准确率.     

县市级自动发报系统及其应用

本文介绍了县市级自动发报系统设计基本思路、技术方案、功能特点及试用情况等。     

用热成风螺旋度诊断强对流灾害天气

对2006年7月中下旬由西太平洋地区生成,登陆我国,并对我国造成严重影响的强热带风暴"碧利斯"(0604号)和台风"格美"(0605号)的基本情况做了详细的总结,并基于武汉暴雨所AREM(Advanced Regional Eta Model)模式预报的700 hPa流场、900 hPa风场及降水量场,就模式对台风登陆时间、登陆地点、移动路径及其引发的附近最大风力和降水过程的预报情况做了分析.结果表明:"碧利斯"达强热带风暴强度,于7月14日12:50在福建霞浦登陆,后西行,造成位于21°N以北、28°N以南东西向的带状雨区,"格美"为台风强度,于7月25日15:50在福建晋江围头镇登陆,后西行,造成华东南地区近西南-东北走向的雨带,两台风给沿途及附近省份造成严重的气象灾害和人、财损失;AREM模式总体上对两台风附近最大风速,风雨带的基本位置、形态、走势、强度预报较好,对一些强降水中心的预报较为理想,但多数强中心的预报与实况存在位置和强度上的偏差;模式对于台风登陆时间和地点的预报较好,偏差较小,对于两台风西行走势的预报也基本符合实况,但也存在一定的预报位置偏差.     

切变风螺旋度和热成风螺旋度在东北冷涡暴雨中的应用

引入切变风螺旋度和热成风螺旋度, 并将其应用于东北冷涡暴雨的诊断分析。理论上, 切变风螺旋度定义为风速垂直切变与绝对涡度矢量的点积, 表示风速垂直方向的分布不均匀对涡管的扭转效应, 由扭转项和垂直涡度的辐合辐散项两部分组成。热成风螺旋度是在切变风螺旋度的基础上利用地转关系和热成风关系得出的简化形式, 其强度和符号取决于上升气流和暖湿空气的配置。相对于切变风螺旋度, 热成风螺旋度的计算只需要单平面层的资料即可, 避免了垂直差分计算, 这大大弥补了台站观测中垂直层密度稀疏或者边界层的处理等问题的不足, 使得计算大大简化, 便于业务应用。在以上定义和理论分析的基础上, 选取一次东北冷涡降水过程进行数值模拟, 利用模式输出的中尺度资料, 诊断分析这次降水过程中的切变风螺旋度和热成风螺旋度。分析表明, 降水中心位于切变风螺旋度的正值和负值区的边界, 与降水的强度变化一致; 而作了热成风近似后的切变风螺旋度中的扭转项 (即热成风螺旋度), 与切变风螺旋度相似, 也能较好地诊断降水和对流 (尤其是强降水和强对流) 的发展, 而且其对暴雨的诊断优于传统的螺旋度。     

螺旋度应用研究综述

螺旋度是一个描述环境风场气流沿运动方向旋转和运动强弱的物理参数,它反映了大气的运动场特征,能够很好地描述大气运动的性质和特点。文中介绍了螺旋度的理论研究动态和主要应用结果,从螺旋度诊断天气系统领域的拓展,螺旋度自身理论的不断完善以及螺旋度在应用研究中存在的不足等方面进行分析,指出螺旋度是天气预报以及与暴雨有关研究工作的最好工具之一,同时对螺旋度应用的研究前景作了展望。     

s-r螺旋度在皖西南强风暴预报中的应用

应用常规探空资料，对皖西南地区强风暴天气的ｓ－ｒ螺旋度进行了计算分析。结果表明：ｓ－ｒ螺旋度作为一个新的诊断量，对皖西南非孤立龙卷、大范围冰雹及距测站５０ｋｍ内的局地龙卷有较好的预报能力。     

ECAP等环境参数在强对流天气分析中的应用

引入大气热力学变量密度温度Tp，采取与实际大气较为相符的可逆饱和湿绝热抬升过程，利用MM5V3．5模式输出资料，计算了对流有效位能ECAP。在此基础上，介绍了能量螺旋度指数IEH。分析了2003年7月江淮梅雨暴雨等强对流天气发生过程中对流有效位能ECAP及能量螺旋度指数IEH的量值变化。结果表明：ECAP，IEH等参数对强风暴的发生发展有一定的指示作用，值得在业务工作中推广应用。     

强对流天气监测短时预报系统

作者在前３年研究和试验的基础上，研制了一套适合湖南实际情况的较完善的准客观强对流天气监测短时预报系统，它包括图形图象显示，雷达定量估算降水和强对流天气短时预报方法子系统。     

夏季安徽槽前形势下龙卷和非龙卷型强对流天气的环境条件对比研究

利用NCEP再分析资料,对安徽省夏季高空槽前形势下两类强对流天气各5次个例的环流特征、热力和动力条件进行了对比分析。结果表明：以大风、短时强降水天气为主的非龙卷类表现为高空的低槽比较深厚,而龙卷的产生多是由于较浅的短波槽引起的,并且低层有西南急流存在,导致较强的垂直风切变。通过比较热力和动力物理量平均场的分布特征发现：在槽前形势下水汽条件都比较好,夏季整层大气可降水量平均在55mm以上,但出现龙卷时中低层的垂直风切变非常强,龙卷类0-1km垂直风切变大约是非龙卷类的3倍。由于存在较强的垂直风切变,龙卷类低层的风暴相对螺旋度也强于非龙卷类。从动力和热力条件综合来看,出现龙卷时的对流有效位能并不是很大,但能量螺旋度很大,即风暴相对螺旋度上差异更加明显。因此在预报槽前类龙卷天气时,应重点关注环境风场的垂直切变和风暴相对螺旋度。     

s－r螺旋度在皖西南强风暴预报中的应用

应用常规探空资料，对皖西南地区强风暴天气的ｓ－ｒ螺旋度进行了计算分析。结果表明。ｓ－ｒ螺旋度作为一个新的诊断量，对皖西南非孤立龙卷、大范围冰雹及距测站５０ｋｍ内的局地龙卷有较好的预报能力。     

边界层风廓线雷达资料在浙中强对流天气中的应用

利用义乌CFL 03边界层风廓线雷达资料,对浙中地区15次强对流天气过程进行了分析。结果表明：①水平风不仅能提前于天气图数小时获知冷空气入侵,预判强对流的发生,而且通过对低空西南急流尤其是超低空西南急流或偏南急流的研究发现,其对短时暴雨或降雹能提供非常有利的信息,同时任何风向的超低空急流都可以作为判断雷雨大风的依据;②垂直速度和大气折射率结构常数（CN2）的大小能较好地反映降水开始和结束,而降水发生时,功率谱密度表现为正径向速度,谱宽变宽,且各信号形状较为相似;③当径向速度图出现速度模糊现象,尤其是在低层时,地面对应有大风。风廓线雷达资料对强对流天气的发生发展有较可靠的指示意义。结合多普勒雷达资料,可有效加强本地短临预报能力。     

2003年4月江西一次强对流天气过程的诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析资料、TBB资料、探空资料及多普勒雷达资料等对2003年4月12日发生在江西以及福建北部的强对流天气过程进行了诊断分析。结果表明:此次强对流天气过程是在高空槽和低层低涡切变线的有利形势下产生的, 这种下层暖湿、上层干冷的对流不稳定层结非常有利于强对流天气的产生; 强对流天气发生发展伴有多个中尺度对流云团东移南压的演变过程; 多普勒雷达资料分析表明, 冰雹发生时可观测到79 dBz的反射率因子极值并伴有弓状回波; 对流有效位能积累、释放随时间的演变过程, 对于此次强对流天气过程有很好的指示意义; 强对流天气发生前高层的干冷空气倾斜状向下侵入到对流层中低层附近, 对此次强对流天气的发生发展起了非常重要的作用; 能量锋区及锋区上强的垂直涡柱为该次强对流天气过程提供了有利的热力和动力学条件。