近二十年来暴雨和强对流可预报性研究进展

大气可预报性研究是开展天气、气候预测的基础科学问题。全球变暖背景下,近年暴雨和强对流等中小尺度灾害性天气频发,如何深入认识其可预报性问题成为了天气领域研究热点,也是制约数值天气预报模式能力提升的重要因素。本文在简要回顾国内外大气可预报性研究历程的基础上,重点对近二十年（1999～2018）国际上关于暴雨和强对流可预报性方面的最新研究进展进行了系统的综述和归纳。主要包括:中小尺度可预报性研究的主要方法和评估手段及其与传统大尺度天气可预报性研究的差异,初始误差增长机制的几种主要观点及其争论（误差升尺度、误差降尺度、升降尺度并存）,数值模式误差和对流环境误差对实际预报性的影响,以及最近的中尺度可预报性科学观测试验进展等。最后,对暴雨、强对流可预报性研究存在的问题、未来发展方向进行了简要的讨论和展望。     

风暴尺度集合成员数对预报技巧的影响

利用WRFV2.2模式,对1977年5月20日发生在美国Oklahoma的典型超级单体风暴进行集合预报试验。采用蒙特卡洛法对不同区域初值扰动,对比分析成员个数的变化对预报技巧的影响,检验集合技术应用于风暴尺度系统的可行性及应用价值。结果显示,基于WRFV2.2模式的风暴尺度集合预报（storm-scale ensemble forecasting,SSEF）能够从热力场和动力场上改善单一确定性预报,并成功预报极端降水,表明SSEF具有较高的应用和研究价值;总体上预报技巧随成员数增加而增加,当集合成员数达到5-13时,预报技巧呈饱和特征,不同变量、不同扰动区域时的饱和成员数略有差异。     

随机物理倾向扰动在风暴尺度集合预报中的影响研究

为深入探究随机物理倾向扰动（Stochastically Perturbed Parameterization Tendencies,SPPT）方案在风暴尺度集合预报中的影响,基于WRF模式利用FNL资料对SPPT方案中的3个参量分别进行敏感性试验,得到SPPT方案的最佳参数配置,并在此基础上分析SPPT方案模拟的降水分布特征。结果表明:SPPT方案敏感性试验中,去相关时间选择6 h时构造的集合成员可信度更高,逐时降水评分效果在积分中后期较高,对于暴雨及以上量级的评分技巧最优;造成降水主要天气系统的维持时间对该变量的选取有较大的影响。去相关空间尺度选择100 km的集合试验更为可靠,对降水预报技巧较高;同时该变量的选取与天气过程中的大尺度信息、中小尺度系统的活跃以及模式的空间分辨率有密切联系。通过对离散度和离群值分析认为扰动振幅选择0.525最为合理。SPPT方案集合成员在局部地区可以较大幅度地改变降水量,对降水落区的准确模拟存在一定的局限性。      

中国硫酸盐气溶胶及其辐射强迫的模拟

根据2000年污染源排放资料,利用中尺度气象模式和欧拉输送模式模拟了中国地区硫酸盐气溶胶的分布,估计了硫酸盐气溶胶对地面—对流层大气系统造成的直接辐射强迫,并估算了间接辐射强迫。结果表明,硫酸盐的分布集中在华中、华东和西南地区;硫酸盐的柱含量、辐射强迫都具有明显的季节变化特征,直接辐射强迫表现为冬春季强,夏秋季较弱,全年平均辐射强迫值为-0.71W·m-2;间接辐射强迫表现为夏秋季强,冬春季弱,全年平均值为-0.48W·m-2。     

两种积云对流参数化方案对1998年区域气候季节变化模拟的影响研究

利用区域气候模式RegCM3,选择Kuo-Anthes积云对流参数化方案和基于FC80假设的Grell积云对流参数化方案,对1998年东亚气候分别进行年尺度模拟,模拟结果对比分析表明:在春、夏季转换时期, 两者模拟的降水形势差别较大, 对江淮、中南和华南地区的夏季降水量模拟差别最为明显。对流层上层模式变量和模式大气质量对积云对流参数化方案的选择不敏感, 而对流层中、下层模式变量对积云对流参数化方案比较敏感。不同积云对流参数化方案对8天时间尺度的天气系统模拟差别比较大。在积云对流比较活跃的夏季,不同参数化方案会导致模式大气出现不同的系统性偏差。由于模式在陡峭地形处动力过程计算方案存在缺陷,在高原与盆地的交界处,模式误差会产生明显的突变。     

夏季热带西太平洋对流与长江中下游降水关系的研究

利用1979～2001年NCEP/NCAR月平均再分析格点资料、OLR和中国160站的月平均降水资料,研究了夏季热带西太平洋对流活动与长江中下游降水的关系.结果表明,夏季热带西太平洋上空对流活动强(弱)时,长江中下游地区夏季降水显著偏少(多).而西太平洋副热带高压在夏季热带西太平洋对流和长江中下游地区降水之间起到了桥梁作用,通过副高的东西位置、面积、强度异常等影响东亚夏季风异常,进而造成长江中下游地区夏季降水异常.另外,热带西太平洋对流异常显著对应着在热带和中纬度地区呈经向分布的Rossby波列(即东亚遥相关波列),该波列结构的异常与长江中下游地区夏季降水异常也有密切的关系.     

基于物理约束扰动的EnSRF雷达资料同化

在完善WRF集合均方根滤波同化系统的双向嵌套预报方案、雷达资料质量控制方案和多微物理过程积分方案的基础上,引入了一种扰动势函数、流函数的尺度较小、物理意义更明显的集合初始扰动新方案.通过台风“桑美”登陆过程中的多普勒雷达资料直接同化试验,对比新扰动方案与目前应用较多的背景误差协方差随机扰动和全场随机扰动方案,对集合滤波同化效果的影响.试验结果表明,3种初始扰动方案都有效改善了台风内部结构,但新方案由于尺度更小、结构更为合理,其同化效果也更为显著,提高了对台风路径、中心最低气压、最大风速及降水的预报质量.     

全球海气耦合模式系统(NIM/COAMS)Ⅱ.年际变化的模拟

利用文献[1]建立的全球海气耦合模式系统（NIM／COAMS），对模式的年际变化模拟能力进行了检验。50a积分显示，模式模拟出了大气和海洋界面的主要年际变率，能真实地模拟热带太平洋ENSO循环的主要特征，较好地再现了ENSO循环的过程，循环周期在3—5a之间，与实际观测值一致，同时模式也较好地反映了大气和海洋的耦合特征，对年际变化有较强的模拟能力，这与FRAC耦合方案设计有关，该方法能避免气候场的牵制作用，增强模式对年际变化的模拟能力。     

Numerical Experiments on the Spin-up Time for Seasonal-Scale Regional Climate Modeling

In this paper,the numerical experiments on the issue of spin-up time for seasonal-scale regional climate modeling were conducted with the newly Regional Climate Model (RegCM3),in the case of the abnormal climate event during the summer of 1998 in China.To test the effect of spin-up time on the regional climate simulation results for such abnormal climate event,a total of 11 experiments were performed with different spin-up time from 10 days to 6 months,respectively.The simulation results show that,for the meteorological variables in the atmosphere,the model would be running in"climate mode"after 4-8-day spin-up time,then, it is independent of the spin-up time basically,and the simulation errors are mainly caused by the model's failure in describing the atmospheric processes over the model domain.This verifies again that the regional climate modeling is indeed a lateral boundary condition problem as demonstrated by earlier research work. The simulated mean precipitation rate over each subregion is not sensitive to the spin-up time,but the precipitation scenario is somewhat different for the experiment with different spin-up time,which shows that there exists the uncertainty in the simulation to precipitation scenario,and such a uncertainty exhibits more over the areas where heavy rainfall happened.Generally,for monthly-scale precipitation simulation,a spin-up time of 1 month is enough,whereas a spin-up time of 2 months is better for seasonal-scale one. Furthermore,the relationship between the precipitation simulation error and the advancement/withdrawal of East Asian summer monsoon was analyzed.It is found that the variability of correlation coefficient for precipitation is more significant over the areas where the summer monsoon is predominant.Therefore,the model's capability in reproducing precipitation features is related to the heavy rainfall processes associated with the advancement/withdrawal of East Asian summer monsoon,which suggests that it is necessary to develop a more reliable parameterization scheme to capture the convective precipitation of heavy rainfall pro- cesses associated with the activities of East Asian summer monsoon,so as to improve the climate modeling over China.     

单多普勒雷达反演风场的质量控制

利用扩展VAP方法,通过极值订正,时间和空间连续性订正等方法,对反演后的风场进行质量控制,并与双多普勒雷达风场反演结果进行了对比.结果表明,经过订正的反演风场中大部分有明显误差的点得到了修正,而且订正后的风场更合理,与双多普勒雷达风场反演结果更一致,提高了反演风场的质量.