两组辐射方案对中国短期天气过程影响的比较和探讨

为了比较长短波辐射方案对中国短期天气过程模拟的影响, 并进一步完善中尺度模式MM5中的辐射过程的参数化方案, 将WRF中Goddard短波辐射参数化方案移植到模式MM5中.利用移植的方案和MM5模式原有的参数化方案, 设计了两组试验方案.通过对2002年第16号台风个例和2002年12月19～24日北方降雪的个例模拟, 结果表明: 选用不同的辐射参数化方案对两个个例模拟结果具有较明显的影响, 较详细的长短波辐射参数化方案组合模拟的各种辐射量和云更加细致合理地反映地形、台风、副高和槽脊的结构和位置; 台风降     

一次典型华南暴雨预报目标观测区的确定和敏感性试验

针对一次典型华南暴雨过程,利用适应性观测技术确定对华南暴雨预报起关键作用的敏感区,并设计一组试验方案,以目前国内实际地面观测站点分布为前提,在敏感区内增加不同数量的均匀随机分布的地面观测资料,通过MM5(The Fifth PSU/NCAR Mesoscale Model)三维变分(3DVAR)同化系统对已有的地面观测站点资料和敏感区内所增加的观测进行同化,考察地面观测站点的分布对关注区域内预报效果的影响。试验结果表明,各试验对降水的预报差异不大;而以扰动总能量的大小衡量预报水平,与CTRL试验相比,在敏感区内增加观测对短时临近数值预报效果的改善尤为明显,若敏感区内增加75%的地面观测,可使24 h后的关注区域内的数值预报水平提高12.6%,而随着敏感区内地面观测站点的增加,关注区域内的预报水平并没有得到相应提高,这说明布设过多的地面观测站点不但不能改善预报效果,反而造成资源浪费。因此,这一结果为充分利用有限资源、更好设计地面观测站网、最大限度提高华南暴雨的预报水平有很好的理论指导作用。      

“16·7”华北极端强降水过程对流尺度集合模拟试验不确定性分析

基于4km水平分辨率的WRF-ARW中尺度模式,对2016年7月19日华北地区的极端暴雨过程进行了不同降水微物理过程的对流尺度集合模拟试验。结果表明:各个成员模拟降水的强度、时空分布与观测实况较为接近,但也具有明显的不确定性。通过邻域检验的ETS评分、相关系数和均方根误差等指标进行评估表明,采用Morrison方案和WSM6_P2方案的集合成员表现较好,对流尺度集合模式在降水强度和准确度较全球数值模式预报有一定提升。频率检验表明集合预报在50 mm以下量级的预报存在过量预报的倾向,而100 mm以上的强降水预报相对偏弱。不同降水物理过程的集合成员在高空急流和地面气旋等关键天气尺度系统的发展过程中表现出明显的不确定性;通过降水量与整层可降水含量,低层相对涡度和垂直运动等诊断量的联合分析表明,集合成员可分为强降水集合和弱降水集合两类,其中强降水集合拥有较强的对流性回波、较明显的对流性下沉以及较强的地面冷池,强的潜热反馈也导致对流层中层出现相对较大的正位涡异常,并进一步影响天气系统发展。弱降水集合成员降水以暖云降水为主,对流性上升和地面冷池相对较弱,但较为接近本次以稳定性暖云降水为主的天气过程。检验模拟雷达回波表明双参量降水物理方案在反映层云回波亮带和层云与对流核的分离特征上更为清晰合理。利用WSM6物理方案参数设置的敏感性试验表明,不同参数组合设置的预报成员分别表达了强对流风暴和暖云强降水两种性质的强降雨过程,对于一次特定天气过程中的对流系统发展能够预计到更多的不确定性,展现了对流尺度集合预报的优越性。     

多普勒雷达基数据在短时对流天气数值预报中的应用

ARPS模式中原本有处理多普勒雷达Lev-Ⅲ资料的模块,但在一个雷达测站只处理4个仰角的径向风和反射率的资料。在此基础上,进行修改扩充将我国20世纪末、21世纪初全国布网的新一代多普勒雷达基数据Lev-Ⅱ全部14个仰角的原始径向风和反射率资料应用于ARPS模式。对我国2003年7月一次特大暴雨过程的个例研究表明,初始时刻加入多普勒雷达基数据的数值模拟,能改善短时0～12h的降水范围、强度和降水中心的预报结果。即使在目前雷达初始化数值模式预报低谷区的3～4h处,仍表现出较好的预报水平。因此,本文认为使用多普勒雷达资料初始化中尺度数值模式,能够弥补“spin-up（起转）”带来的副作用,表现在开始预报的第1h,就预报出雷达估计回波的强中心和大致分布,并且预报出与实况接近的降水;改变了由“spin-up”引起的回波估计预报延迟和预报前期没有降水的现象。且试验表明提高数值模式分辨率,可以使多普勒雷达资料弥补“spin-up”副作用的能力更明显。多普勒雷达资料应用于数值模式之所以有这种能力,是由于从多普勒雷达资料可以得到云和降水场的信息,一方面为模式微物理变量提供初值,填补了初始时刻云微物理量的空白,使随后的微物理量演变进程更加合理化,从而对降水预报产生正面影响;另一方面,为中尺度模式的非绝热初始化提供对流尺度数据源,对潜热、动力场和湿度进行调整,有效地实现模式的“hot—start（热启动）”,缩短了“预热”时间。     

LONG VALID TIME ENERGY PERFECT CONSERVATIVE FIDELITY SPECTRAL SCHEMES OF BAROTROPIC PRIMITIVE EQUATIONS

In accordance with a new compensation principle of discrete computations,the traditional meteo-rological global (pseudo-) spectral schemes of barotropic primitive equation (s) are transformed intoperfect energy conservative fidelity schemes,thus resolving the problems of both nonlinear computa-tional instability and incomplete energy conservation,and raising the computational efficiency of thetraditional schemes.As the numerical tests of the new schemes demonstrate,in solving the problem of energy conser-vation in operational computations,the new schemes can eliminate the (nonlinear) computational in-stability and,to some extent even the (nonlinear) computational diverging as found in the traditionalschemes,Further contrasts between new and traditional schemes also indicate that,in discrete opera-tional computations,the new scheme in the case of nondivergence is capable of prolonging the valid in-tegral time of the corresponding traditional scheme,and eliminating certain kind of systematical com-putational“climate drift”,meanwhile increasing its computational accuracy and reducing its amount ofcomputation.The working principle of this paper is also applicable to the problem concerning baroclin-ic primitive equations.     

应用奇异向量方法的适应性观测实例研究

近年来,通过适应性观测技术来减小预报误差已成为国际上数值预报中的一项关键技术,然而实施适应性观测对减小预报误差的影响评估是一个需要深入讨论的问题。文中利用奇异向量方法以2007年3月4日东北地区暴风雪天气过程为研究对象,考察了预报误差对不同观测区域观测资料的敏感性,在确定能量范数的基础上,分析了奇异向量的水平分和特征和垂直分布特征,利用奇异向量的空间结构确定了敏感区域。通过伪逆初始扰动场作为分析误差,研究验证区域的预报误差对不同区域增加观测的敏感性,试验结果表明,在敏感区域内进行补充观测来改善分析误差,能够最有效地提高验证区域内的预报水平;而减小非敏感区域内的分析误差对减小预报误差的贡献相对较小。这些结果表明,利用奇异向量法定义敏感区进行适应性观测,能够和有限的观测资源和计算资源的条件下,最大程度地减小验证区域的预报误差,从而达到提高验证区域预报准确率的目的。     

环境与强对流(雹)云相互作用的个例模拟

基于北京2005年5月31日雹云个例数值模拟结果,分析了对流有效位能(CAPE)和水平风垂直切变(下称shear)等环境因素演变对对流活动的影响,并进一步分析了强对流云与局地环境之间的相互作用.长生命史的超级单体风暴需要shear和CAPE之间相互配合,一般用理查逊数(Ri=CAPE/shear)表示.本文给出了个例中这种配合的具体表现:当对流有效位能达到1000 J·kg-1时,小的垂直风切变产生一般单体对流,对应Ri数＞10,较强切变产生超级单体强对流,对应Ri数在1～5之间.环境影响对流形态,同时对流对局地环境也有明显影响:一般单体对流组成的飑线使其移动方向的局地环境shear增大,超级单体强对流随着其发展对环境shear的消耗明显,使得其周边几十甚至上百公里的环境shear明显减小.强对流活动区域局地环境shear的减小和CAPE的降低相配合,使R2数维持在1～5之间,有利于超级单体流型的维持.     

一个物理守恒保真全球谱模式的发展—从动力框架发展至全模式

The fidelity scheme of physical conservation laws has been applied in the dynamic framework of a global spectral model. In this study, a set of diabatic physical processes are also involved. Based on six 30-day numerical integrations of real-time data, we show that the full model is able to reproduce the primary features of global energy cycle and hydrological distribution. Additionally, the root-mean-square error is dramatically decreased when diabatic processes are considered. Another advantage is that the false structure of “double Intertropical Convergence Zone (ITCZ)” is not seen in the result, although the precipitation rate becomes lower. Citation: Zhong, Q., and Q. Zhong, 2008: The development of a physical conservation fidelity global spectral model—from dynamic framework to a full model, Atmos. Oceanic Sci. Lett., 1, 33-35     

一次广西暴雨过程的数值模拟及低涡系统分析

应用WRF中尺度数值模式对2008年6月12日广西地区的一次大暴雨过程进行了模拟,利用模式输出资料,对引发这次大暴雨的西南低涡的演变情况及其物理场特征进行了分析。结果表明,低涡暴雨的发生具有明显的不均匀性,暴雨主要出现在低涡东侧暖区切变线附近;暴雨过程中充沛的水汽主要来源于孟加拉湾和中国南海,水汽的辐合不仅是涡旋区降水的必要条件,还是低涡发展加强的一个有利因素;强降水与强上升运动及正涡度区有很好的对应关系,低涡低层有强不稳定能量积聚也是造成此次大暴雨的重要原因之一。