阵风锋在短时大风预报中的应用

应用石家庄及周边县（市）风自记、多普勒雷达等短时高频资料,对2005年5—8月石家庄出现的短时大风及其与阵风锋、对流降水关系进行统计,侧重分析了2005年6月17日强对流性雷雨云外围产生的阵风锋造成的雷雨大风过程。结果表明：阵风锋在雷达反射率因子图上表现为强对流回波前方近地层的条状或孤状弱窄带回波;在径向速度图上表现为风向、风速急剧变化的辐合带区域;速度图中的风辐合最强处与强度图中阵风锋回波位置相符,并且与风速演变曲线中的峰值有很好对应;阵风锋移向和移速提前预示了主体对流回波传播方向、强对流天气的强弱以及短时大风的时空分布,从而为灾害性天气的短时及临近预报提供参考依据。     

北京“7.21”特大暴雨不同集合预报方案的对比试验

采用6套扰动方案(初值、多物理、3组随机物理和初值与随机物理的混合)对2012年7月21日(“7.21”)北京特大暴雨过程进行了集合降水预报试验,检验了不同方案的集合平均预报、集合区间预报和概率预报较控制预报改进的相对程度,分析了它们对该过程时空不确定性的预报能力、不同扰动方法的离散度贡献以及不同尺度扰动对预报误差的贡献等。结果表明:(1)所有集合方案特别是初值扰动、多物理和混合扰动的集合预报相对控制预报在暴雨强度和位置上都有较显著的改进,并为用户决策提供了包括预报不确定性在内的更多预报信息。(2)3组随机物理产生的集合预报离散度很相似, 都远小于初值扰动和多物理方案产生的离散度, 并且主要集中在强降水中心附近, 因此在初值扰动的基础上加入随机扰动,可以提高强降水中心的离散度, 但对强降水中心以外的地区作用甚微;尺度分析进一步表明随机物理产生的离散度贡献主要集中在较小尺度上(<320 km),在更小的尺度上(<160 km)它甚至可以与初值和多物理扰动的贡献相当,而初值扰动和多物理过程的贡献可以比随机物理过程多延伸400—500 km直到较大的尺度(如>1000 km), 其中多物理过程在较小尺度上(<100 km)可比初值扰动贡献更大, 并且能部分消除预报系统偏差。(3) 所有集合扰动方案所产生的离散度尺度谱都与实际预报误差尺度谱分布一致, 即随空间尺度增大而减小,但在幅度上都小于预报误差(离散度不够大),并且这种差异随着空间尺度的减小而加速增大,在小尺度上相差甚大。     

一种概率方法在沿海海岛台风阵风预报中的应用试验

利用2004—2013年浙江影响台风及9个沿海海岛气象站风力资料,分析了各站阵风系数总体特征,及其与站点纬度、海拔高度和海岸线距离等因子的关系。结果表明,随着平均风速的增大,对应的阵风系数有减少趋势;距离海岸线近的站点和海拔高度小的站点其阵风系数也相对要大些。分析台风参数与阵风系数关系,得出阵风系数与台风7级风圈半径和站点离台风中心距离的比值具有最好相关。利用分位数回归方法建立概率预报模型,试报表明大部分站点阵风的50%和90%概率范围的击中率都符合预期,其波动范围一般在3%以内,模型表现比较稳定,对业务有一定的指导价值。     

MM5模式在三峡工程大风预报中的应用及检验分析

利用基于MM5中尺度模式的短时预警系统的逐小时风向风速预报产品和三峡工程周边自动气象站逐小时观测资料,对2007年1月至2008年5月三峡坝区发生的大风大气进行预报检验分析.结果表明,中尺度模式对雷雨大风基本无预报能力,但对晴卒系统性大风有很强的预报能力,模式可以对晴空系统性大风的出现时间、强度变化趋势和风向提供较准确的预报,对晴空系统性大风的结束时间也有一定的预报能力.宜昌市气象局利用基于中尺度模式的短时预警系统预报晴空系统性大风,用多普勒雷达对雷雨大风进行临近监测,近年来在三峡工程气象保障服务中取得了良好的服务效果.     

不同模式扰动方案在风暴尺度集合预报中的对比试验研究

由于适用于中长期集合预报的模式扰动技术在风暴尺度集合预报系统中的影响并不明确,为探究不同模式扰动方案在风暴尺度集合预报中的效果,基于WRF模式设计了3组模式扰动方案:多物理扰动（MP）方案、随机物理倾向扰动（Stochastically Perturbed Parameterization Tendencies,SPPT）方案以及由MP方案与SPPT方案组合构建的一种新混合扰动（SPMP）方案。对2013年7月5—6日发生在江淮流域的一次强对流天气过程进行了数值模拟。结果表明:MP方案在积分前期的降水概率评分较高,对高层大气的扰动效果更为合理;SPPT方案主要作用于积分中后期,对大气低层及近地面的扰动效果最为理想,尤其是对于地面水汽场的模拟;SPMP方案能显著提高大气中高层各预报变量的离散度,降低均方根误差,提升集合成员的可信度,有效弥补降水预报评分在单独使用MP方案和SPPT方案不同积分时段的不足。在扰动水平传播方向上,SPMP方案的扰动形态主要受MP方案主导;垂直方向上,SPMP方案在低层的扰动形态与SPPT方案一致,在高层受MP方案控制。波谱能量分析表明3组方案的扰动能量随积分时间均有向大尺度传播的趋势,SPMP方案能有效补偿两种方案能量在各尺度的耗散。      

多种空间检验方法在不同分辨率模式降水预报评估中的应用

利用单一的客观评估方法并不能有效揭示预报误差来源。利用逐小时5 km格点融合降水产品,本研究使用了多种客观评估方法综合评估了南京大学2016年夏季汛期试验4 km与12 km WRF模式。整体上,两种分辨率都能成功地预报主雨带,4 km WRF在午后对流及复杂地形预报上更优。比较了各类客观评估方法,邻域法显示4 km WRF预报准确性更高,但对于强降水(≥13 mm·(6 h)^-1),两种模式预报的空间误差都较大。尺度分离法显示,对于小尺度系统,4 km WRF能较好再现对流但存在较大位置误差,而12 km WRF则漏报。MODE法(Method for Object-based Diagnostic Evaluation)显示4 km WRF在对象强度预报上更接近观测,但强度和范围偏大,导致华南偏强,而范围偏小造成江淮偏弱,12 km WRF低估主要是漏报。不同评估方法能清晰展示4 km WRF和12 km WRF预报误差的差异,为后续模式改进提供了重要参考。     

新疆“4.18”特强大风过程天气动力学分析与预报技术评估

1998年4月18日新疆出现了一次特强大风,大风过程起动猛、移速快、风力强、范围广、灾害重,是一次历史上罕见的在大型环流调整前夕,南支强锋区上中尺度系统突发性增强而引起的强风过程。在缺乏中亚地区气象资料的情况下,对于这种突发性增强过程,常用的天气学预报技术显得十分无力。     

ECMWF预报模式在不同地形方案下的系统误差检验

Wallace等的研究表明,由于引进了包络地形方案,欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的中期天气预报有所改善。本文是上述工作的继续。所用的资料为原作者的数值试验结果。检验的对象包括纬向平均风场、温度场和经圈环流,及不同波数域中的涡旋和经圈环流对角动量的平均经向输送。结果表明,在冬季,包络地形方案对低纬地区的温度场和风场的预报略有改进,对总涡旋动量通量的模拟也较好。然而对天气尺度系统的预报和对热带对流及积云摩擦的参数化却有待更进一步改善。     

一种基于数值模式诊断自适应的北京地区对流性降水临近集合预报新方法

局地触发及组织化发展中尺度系统的生消演变是影响对流性降水临近预报的核心和关键。本文结合雷达外推预报、专家系统以及快速循环更新的高分辨数值模式系统,发展和构造了一种适合北京地区的基于数值模式预报诊断自适应的对流性降水临近集合预报新方法（APEN）。APEN基于降水外推预报结果,采用模糊逻辑算法,利用北京市气象局快速循环更新同化系统（RMAPS-IN）提供的对流诊断因子,计算对流系统发展演变（新生、增加和减弱）概率;在此基础上,扰动诊断因子阈值和权重,形成对流发展的集合概率预报;最后综合专家经验,根据对流集合概率,在降水外推预报基础上进行对流性降水调整。应用APEN,针对北京两次强弱降水过程,进行了降水的临近预报试验,结果表明:基于RMAPS-IN多种诊断因子的对流发展集合概率在强弱两种天气背景下,都能较好的反映对流系统在临近时段的发展趋势;基于专家经验模型的三种对流发展状态（对流新生、增加和减弱）下的降水调整,能合理的表征对流系统发展演变对降水的影响。APEN降水预报和RMAPS-IN的业务预报的对比显示:无论是系统性对流过程还是局地激发对流过程,APEN预报的降水落区和强度都更接近于实况,尤其是考虑对流发展演变影响的降水强度预报明显优于RMAPS-IN,APEN在北京地区对流性降水的临近预报中有明显的优势和应用潜力。     

台风“巴威”不同类型降水多模式预报与空间检验对比评估

以传统的检验方法和基于对象诊断评估方法(MODE),对首次以台风级别影响辽宁的“巴威”台风(2008)的台风暴雨过程不同性质降水的多模式(ECMWF、CMA＿MESO 10KM、CMA＿MESO 3km和睿图东北模式)预报结果进行了检验评估。结果表明：受“巴威”远距离和本体影响,辽宁省先后出现对流型降水和稳定型降水,传统检验和MODE检验结果均表明,多模式的对流型降水预报效果要优于稳定型降水,这很可能是多模式对于台风北上减弱产生稳定型降水的影响系统的预报强度偏差大导致,在今后预报中务必注意台风强度预报偏差对本体稳定型为主的降水的影响。传统检验结果中,CMA＿MESO 3km和ECMWF模式的评分较高,并且对于对流型降水雨带的形状、范围和质心距离、交集面积预报效果最好,ECMWF模式对稳定型降水也有着较高的目标相似度评分。尽管睿图东北模式由于对10.0 mm以上量级降水较高的空报和漏报率,而导致TS评分偏低;但在MODE检验结果中,东北模式预报的强降水雨带的中心位置、降水强度和范围均接近实况,目标相似度更高,尤其在对流型降水阶段目标相似度达到了1.00,模式对于对流型降水预报有着较好的可...     

“软地形”数值预报模式及其在新疆暴雨预报中的应用

本文利用一改进的有限区域五层原始方程模式,引入一个“软地形”模型,对发生于塔里木盆地边缘等三次暴雨过程作了数值模拟试验,结果表明:在考虑地形后,降水量预报与实况更为接近,地形效应使降水多沿山区分布。低层偏东气流对暴雨有较大贡献,它不但可输送水汽到雨区上空,而且使低层产生辐合上升运动。从而说明:“软地形”数值模式除可较好地模拟新疆暴雨大尺度天气系统的演变,对降水预报,在区域和强度上也有一定的能力。     

中尺度模式探空资料在北京局地暴雨预报中的应用

结合北京局地暴雨特点,重点分析北京两次局地强暴雨过程的中尺度模式探空资料的特征与应用,同时简单讨论模式探空与降水量预报可能存在不协调的原因。结果表明: 1) 有利于北京局地暴雨发生的模式探空资料的主要特征是: 对流层低层850 hPa 以下水汽含量较充足,层结温度线与干绝热线近于平行,地面温度高( 大于31 ℃);对流层中高层650 hPa 以上相对冷干,对流层中低层800—600 hPa 存在有利于深对流发生发展的饱和或准饱和层。2) 模式探空资料可以正确反映强降水时间分布、降水性质及不同性质降水之间转换等,由于模式自身存在的协调性问题,在局地暴雨预报中有必要重视对模式探空资料的分析。3) 上述结论是在两次暴雨过程分析的基础上得到的,今后仍需通过更多个例来进一步考察。     

中尺度模式探空资料在北京局地暴雨预报中的应用

基于加密自动站、风廓线、微波辐射计等多种稠密观测资料,结合多普勒天气雷达变分同化分析系统(VDRAS)反演的对流层低层热力动力场,对2009年7月29日发生在北京香山地区的局地暴雨过程(简称“7.29”过程)进行了综合分析。结果表明:该过程是一次典型的局地新生雷暴引发的γ中尺度局地大暴雨过程,其发生发展突然、持续时间短、局地性强、降水强度大;降水环境场上,较低的抬升凝结高度和自由对流高度使得新生雷暴的触发不需要太强的辐合抬升机制;北京北部山区雷暴冷池出流形成的300 m左右厚度的边界层偏北风与环境场偏南风的辐合,对香山雷暴的新生起到关键触发作用,有利的局地水汽条件为香山雷暴产生强降水提供了充沛的水汽;香山雷暴发生后,由于缺乏雷暴冷池出流与环境低层垂直风切变的相互作用,导致香山雷暴难以获得有组织的进一步发展,在其发展成熟后很快消亡;复杂地形在对流发生发展过程中具有十分重要的作用,一方面在雷暴新生前期通过山前辐合抬升起到触发机制作用,另一方面对大气垂直上升运动起到增幅作用。

     

分裂显式积分方案在数值预报模式中的应用

分裂显示积分方案[2]是一种比较经济的积分方案。用这种方案可以显著地节省电子计算机的计算时间。 本文在一个p坐标、北半球五层初始方程模式上进行了分裂显示积分方案的试验。试验结果表明在非跳点网格上分裂显式积分方案仍然取得了令人满意的效果。从计算时间上看分裂显式积分方案所花费的计算时间仅是显式积分方案的四分之一左右。例如在M—170电子计算机上显式方案做一天预报需要40分钟,而分裂显式方案还不到10分钟。从预报效果上看分裂显式方案并不比显式方案差,在本文给出的预报例子中,分裂显式方案比显式方案预报效果还好一些。     

多物理过程对流可分辨集合预报中不同方案在四川盆地东部降水预报效果评估

利用四川盆地东部站点观测数据和对流可分辨集合预报系统模式数据,评估了该系统各成员及不同物理过程参数化方案在2017—2019年4—9月的降水预报效果。结果表明：概率匹配平均和集合平均相比于各个集合成员存在明显的预报优势。Kain-Fritsch（KF）和Betts-Miller-Janjic（BMJ）积云参数化方案的预报效果相对较好,Grell 3D ensemble（G3）方案在48 h 之后的临界成功指数（critical success index,CSI）评分偏低。Thompson和Morrison微物理参数化方案对小雨量级降水的预报效果较好,WRF Single-Moment 6-class（WSM6）方案对中雨量级降水的预报效果较好,三种方案对大雨和暴雨量级降水的预报效果相当。Mellor-Yamada-Janjic（MYJ）和Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino（MYNN）边界层方案的CSI评分相对较高,Yonsei University（YSU）方案在48 h之后的预报评分较低,但YSU方案多和G3方案搭配使用,其评分偏低主要受G3方案影响。各参数化方案均能把握四川盆地东部的降水分布特征,但对华蓥山、武陵山和大娄山的降水存在高估,对渝中至渝东北的降水存在低估。四川盆地东部的降水预报对积云参数化方案最为敏感。将一个成员的G3方案调整为KF方案后,降水预报评分显著提升,且集合离散度有所增加,概率预报技巧得到提高。     

ECMWF模式降水预报与极端天气预报指数在暴雨预报中的评估与应用

评估分析了欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts,ECMWF)细网格模式(以下简称EC-thin)在长三角地区汛期(5—9月)的暴雨预报评分及ECMWF降水极端天气预报指数(EFI)对暴雨预警的指示作用。研究发现:(1) EC-thin降水和降水EFI对暴雨预报的ETS评分随着预报时效的延长而明显降低,在短时效内,细网格模式降水预报占优,超过60 h后,降水EFI的评分相对更好。(2)对EC-thin降水而言,在不同的预报时效采用不同的降水阈值来预报暴雨,可望达到最佳的评分效果。短期时效内该阈值随着预报时效的延长,大致从55 mm逐渐下降到35 mm。(3)对于降水EFI而言,12—36 h内EFI为0.65～0.7时,暴雨预报ETS评分最高。随着预报时效的延长逐渐下降,60—84 h内EFI为0.55～0.6时,暴雨预报ETS评分最高。(4)在不同预报时效内,采用合理的方式和阈值综合考虑EC-thin降水和降水EFI,可望得到更高的暴雨预报评分。     

不同深对流参数化方案在降水预报中的比较试验

用中尺度模式（ＭＭ５）与国家气象中心全球谱模式相嵌套,对华东地区２７个测站两个月（１９９７年３月和７月）的降水预报,进行了３类深对流参数化方案的比较试验,发现不同深对流参数化方案对降水预报质量的影响存在一定的差异,而且这种差异在７月份要比３月份明显。     

不同深对流参数化方案在降水预报中的比较试验

分析表明,海南岛冬半年日际气温的变化幅度很大,平均气温很难表征海南岛冬季“冷”的气候特征,从冬季农作物生长角度出发,统计海南岛发生低温冷害的气候概率,提出海南岛存在“相对的冬季”。进一步,引进“冷指数”替代平均气温来表征海南岛冬季的“冷”。对冷指数的主成分分析表明：（１）以五指山脉为界,海南岛南、北两区在冬季存在的冷暖差异,山北地区发生低温冷害的气候概率明显大于山南地区,这正是五指山脉对冷空气的抬     

GRAPES_Meso模式不同参数化方案在甘肃河东地区的模拟评估

利用我国新一代GRAPES_Meso区域中尺度数值预报模式,通过调整边界层方案、陆面过程方案、微物理过程方案和积云对流方案,形成8组不同的参数化组合方案,对甘肃河东地区2015年7-8月的高空要素、2 m气温和降水开展了对比试验,结果表明:当微物理过程为WSM6类方案、积云对流为KF方案、边界层为MRF方案、陆面过程为...     

不同同化方案在一次梅雨锋暴雨预报中的应用研究

基于ATOVS辐射率资料和GTS常规观测资料融合,通过不同化任何观测资料的控制试验、3DVAR同化试验和ETKF-3DVAR混合同化试验,对2013年7月4—5日一次梅雨锋暴雨天气过程进行模拟分析。结果表明:混合同化方案能够明显地提高暴雨预报准确率,且有效改善了风场、温度场和相对湿度场等各个气象要素的初始场结构,而这些气象要素对于暴雨的预报准确性具有重要作用。且混合同化方案对于中低层大气改进效果较为明显。在数值积分过程中,随着时间的推移,混合同化方案的优势逐渐减弱。