MM5三维变分系统在北京地区冷暖季背景场误差的对比分析

NMC方法是目前较广泛采用的一种对模式背景场误差协方差进行统计分析的一种方法。本文根据积累的2002年8月份和2003年2月份各一个月模式预报结果,采用NMC方法,计算了中尺度模式MM5V3在北京地区的冷暖季背景场误差,详细给出其气候统计特征。通过对比分析发现,背景场误差特征对于不同的模式变量、水平分辨率、垂直层各不相同,冷暖季背景场误差也有不同的特征,其差别主要表现在风场。这些特征与模式模拟区域的平均天气状况相对应,同化应该在各模式区域分别进行。MM5三维变分系统在北京地区的实际应用中,应发展根据实际季节变换背景场误差协方差矩阵的方法。     

GPS/PWV资料在梅雨锋暴雨个例中的同化试验

地基GPS天顶总延迟由于其解算误差来源少于目前广泛应用的可降水量资料,其同化应用将会为数值预报初值场更好地提供大气信息。面向同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案的研发将会有效推进该资料在中国数值预报中的广泛应用。基于2013-2014年华北地区天顶总延迟观测资料,发展了一套针对数值预报同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案。该方案从测站稳定性和解算精度、离群值、系统偏差及标准差等考察点切入,从不同角度检查和标记出致使观测序列统计特性偏离高斯分布特征的样本。质量控制后序列统计特征量更接近三维变分系统对观测资料的性质假设,表明了所建立质量控制方案的合理性。基于北京市气象局数值预报业务系统BJ-RUC开展了连续11 d的快速更新循环预报试验。评估结果表明：同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果明显优于同化未质控天顶总延迟试验,表明所建立质量控制方案的有效性。同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果优于未同化GPS资料试验,表明天顶总延迟资料的同化应用可以有效提升预报系统的降水预报效果,特别是在无探空资料参加同化的预报时次;同化质控后天顶总延迟资料试验的降水预报效果也优于同化可降水量的试验,表明使用天顶总延迟资料代替可降水量资料在数值预报业务中开展同化应用是可行的。在天顶总延迟观测质量控制方案研发和同化应用得到了一些有意义的结果,有助于推进该观测资料在数值预报科研和业务中的应用,为提升预报性能提供技术支撑。     

城市下垫面反照率变化对北京市热岛过程的影响——个例分析

随着城市的不断发展,城区地表反照率等下垫面物理特征和属性会发生明显的变化,进而会对城市热岛等大气环境形成影响.文中使用中国气象科学研究院开发的新一代数值天气预报模式(GRAPES),针对2004年10月北京一次重空气污染事件中的典型城市热岛过程,分别设计了两种数值试验方案(1) 对照试验,使用模式缺省的城区下垫面反照率参数,取值0.18;(2) 敏感性试验,参考同期中国科学院大气物理研究所铁塔280 m高度下垫面反照率观测事实,将北京区域城市类型下垫面反照率减小至0.15.通过对比两种试验方案在1 km水平分辨率下的24 h模拟结果,研究了城市下垫面反照率变化对北京地区城市热岛过程的影响.结果表明(1) GRAPES模式可成功模拟此次热岛过程中城区和郊区近地面温度的日变化趋势;(2)城市下垫面反照率的变化对城市热岛的发展非常重要,城市反照率下降0.03会使城市热岛强度增强0.8 ℃左右,结果也更接近实况.这说明随着城市发展引起的地表反照率减小有利于城市热岛强度增加;(3) 通过分析地表的长波辐射发现,在城市区域较小反照率情形下,城区的长波辐射始终比郊区大,有利于热岛的形成;同时也有利于城区近地层的风场辐合增加,对此次污染过程的发展是有利的.     

北京精细下垫面信息引入对暴雨模拟的影响

首先根据2000年环北京实际的精细下垫面布局资料（500m分辨率）,按美国USGS陆面资料分类标准（25类）对其提供的全球30 s经纬分辨率（≈1 km）下垫面分类资料进行了更新设计.进而针对一个北京夏季暴雨过程,利用10:3.3km双向双重嵌套的MM5V3.6-Noah LSM陆气耦合模式进行24h数值对比试验,研究了北京精细下垫面信息引入对暴雨的影响.分析表明：新设计的陆面资料更真实地反映了环北京区域的下垫面结构,尤其针对北京城区面积迅增特征;同时还修正了原资料将亚洲中纬度区域落叶阔叶林下垫面类型归属为热带(或亚热带)稀疏大草原类型的问题.其在数值天气模式中的引入会对短期暴雨过程的发生发展产生重要影响.对此次暴雨主要降水中心的模拟,12h差值分布范围远达30km以上,中心值相对差异可达30%.研究发现在城市下垫面和大气相互间存在一个重要的相互影响机制,即由于城区面积的扩大会导致自然植被减少,进而会减少地表蒸发及相应局地大气水分供应、加深边界层高度并增强大气水汽混合,这不利于降水的发生发展.     

北京地区暴雨个例的观测敏感区研究

利用基于集合预报的相关方法对2009年7月23日发生在北京及周边地区的暴雨过程的观测敏感区进行了分析。通过WRF(Weather Research Forecast)三维变分方法对初始场进行随机扰动,形成30个初始集合样本,做了预报时效为12 h的集合预报。利用该方法分析检验区(北京及周边地区)累积降水[14:00(北京时间,下同)至20:00]相对于初始时刻(08:00)各基本要素的敏感性,确定感性要素及其对应的区域。研究发现初步确定的敏感性要素为水汽和温度,对应的敏感区分别位于北京的西南侧和北京的东北侧,且通过实况分析可知初步确定的敏感性要素和对应的敏感区具有明确的物理意义。还进一步通过观测系统模拟试验(OSSE)的资料同化验证所确定的敏感区,结果表明在水汽对应的敏感区内同化水汽对降水的预报结果有明显的改进;在温度对应的敏感区内同化温度,降水的预报准确率有了明显的提高,说明了初步确定的敏感性要素和敏感区的正确性。在水汽对应的敏感区内同化水汽的同时在温度对应的敏感区内同化温度,使降水预报的技巧有大幅度的提高,说明了温度和水汽的共同作用对提高降水预报准确率贡献最大。因此,通过基于集合预报的相关方法能够快速的确定敏感区。研究结果将为确定北京暴雨的观测敏感区提供参考。     

2010年度大气科学领域项目评审与研究成果分析

1 2010年项目申请、送审与资助情况2010年地球科学五处共受理各类项目863项,比2009年(768项)增加了95项。面上项目、青年基金和地区基金3类项目共791项。天气与气候     

北京地区风廓线仪布网方案的数值研究

文中利用北京地区中尺度数值天气预报业务系统 ,通过进行多个例数值对比试验 ,对在北京地区如何进行风廓线仪布网进行了数值研究。结果表明大气风场随高度的垂直分布和变化对天气过程有明显的作用 ,在较短时期就可对大气的空间特征形成深厚的影响 ,天气系统对大气风场的垂直结构特征是较为敏感的。其可在短期天气过程中影响天气系统的温度场结构及相关降水过程 ,且在以上影响随着预报时效的增加而增强的同时 ,影响范围也随预报时效的增加而扩大。对中尺度数值预报和北京地区的风廓线仪布点方案来说 ,以核心区域 (北京市城区 )为中心的呈近等边三角形的布网方案具有与近正四边形布网方案相当的探测效果 ,选择近等边三角形布网方案 ,较选择较近正四边形布网方案更为合理。可节省大量的资源及经费。文中所研究方法和结果对在有限区域如何选择风廓线仪布网方案具有广泛的借鉴意义和实际应用价值。     

区域数值预报系统在北京地区的降水日变化预报偏差特征及成因分析

为了研究北京快速更新循环同化预报系统(BJ-RUCv2.0)在北京地区降水日变化的预报偏差特征及其成因,利用2012—2015年夏季BJ-RUCv2.0系统第2重区域(3 km分辨率)预报结果和北京地区122个自动气象站逐时观测数据以及观象台探空观测资料,分析模式对北京地区降水日变化预报偏差的区域性特征和传播特征,研究模式局地环流预报偏差特征及其对降水预报偏差的可能反馈机制。研究结果表明,BJ-RUCv2.0系统多个更新循环的预报在北京平原地区均存在夜间降水漏报问题,降水预报偏差表现为模式预报降水在西部山区降水偏多,预报降水雨带难以在平原地区增强发展,造成了模式降水在傍晚山区偏多而夜间平原地区降水明显偏少。通过分析模式局地环流预报偏差及其响应机制发现,由于白天平原地区近地层偏暖偏干,山区底层偏冷中层偏湿,造成了山区-平原地区间的温度梯度强度偏强且强温差出现时间提前,西部山区午后降水偏多;由于平原地区地面气温预报持续偏高,入夜后偏北风难以到达平原地区,造成了山区-平原间的地形辐合线位置偏北,影响山区降水雨带向平原地区移动,同时平原地区近地层内水汽持续偏低,抑制降水雨带在东移过程中的发展,造成模式在平原地区夜间降水预报容易出现漏报。模式冷启动所用的GFS资料土壤湿度在北京平原地区明显小于实际观测,是模式预报偏暖偏干的可能原因之一。     

路面气象数值预报模型及性能检验

该文基于通用陆面模式 (CoLM) 发展了精细化路面参数数值预报模型 (BJ-ROME)。该模型可以预报路面温度、积雪厚度、积冰厚度以及积水厚度。模型不仅考虑了路面的不透水性、相对较低反照率、低热容以及高热导率等特征,还考虑了城市人为热的影响。模型采用北京市气象局快速更新循环预报系统 (BJ-RUC) 产生的气象强迫场驱动,预报时间跨度为24 h,更新时间为3 h。采用北京地区芬兰Vaisala公司路面观测站2009年8月9—24日路面温度及2010年1月3—4日积雪厚度观测结果对模型预报结果进行验证,同时进行了敏感性试验。结果表明:无论是在晴空还是降水的气象条件下,BJ-ROME均能较准确地预报路面温度极值以及日变化。BJ-ROME还可以较准确地模拟积雪厚度的最大值以及随时间变化情况。     

环保型微位移器的研究

地形变定点观测仪器的标定中使用较多的水银胀盒标定器虽有准确、快捷、方便的优点 ,然而 ,水银泄漏污染了环境 ,可使观测人员中毒。在对水银胀盒标定器深入分析的基础上 ,提出使用方便、无环境污染的弹性微位移器的构思 ,并通过实验数据进一步探讨了将其用于微形变测量仪器标定的可能性。