北京一次积层混合云系结构和水分收支的数值模拟分析

本文利用中国气象科学研究院(CAMS)中尺度云分辨模式对2007年10月的一次积层混合云降水过程进行了数值模拟。利用模拟结果结合实测资料, 研究了积层混合云系的宏微观结构和降水特征, 并分析了云系的水分收支及降水效率。结果表明:积层混合云是导致此次北京降水的主要云型;积层混合云降水分布不均匀, 云系中微物理量的水平和垂直分布都不均匀, 具有混合相云的云物理结构。冷云降水过程占主导地位, 雪的融化对雨水的形成贡献最大。北京区域降水过程的主要水汽源地为黄海海面及蒙古国, 两支气流在陕西北部汇合后的西南气流将水汽输送到华北地区, 北京区域以外, 水汽和水凝物主要从西边界和南边界输送到域内。北京区域降水主要时段内, 水物质通量在水平方向上为净流入。对北京区域水汽、水凝物和总水物质的水分收支各项的估算表明, 水物质基本达到平衡。北京区域从2007年10月5日20时至6日14时, 总水成物降水效率、凝结率、凝华率及总水凝物降水效率分别为5.6%、4.77%、4.19%、44.9%。     

华北地区一次中尺度对流系统上方的Sprite放电现象及其对应的雷达回波和闪电特征

利用低光度相机首次观测到了2013年7月31日华北地区一次中尺度对流系统(MCS)上空产生的中高层Sprite放电现象。结合闪电定位、天气雷达等同步观测, 对一次MCS诱发的Sprite的形态学特征及其对应的母体闪电和雷暴系统的雷达回波特征等进行了详细分析。研究除发现了2例圆柱型、3例胡萝卜型和1例舞蹈型 Sprite外, 还发现了2例发光主体发育不完全的Y字型Sprite。估算的Sprite的底部平均高度低于61.8±3.5 km, 顶部平均高度为84.3±6.8 km。Sprite持续时间算术平均值为25.7±9.8 ms, 几何平均值为24.4 ms。Sprite的母体闪电均为正地闪, 峰值电流在+62.5～+106.2 kA之间, 算术平均值为+77.1±22.2 kA, 是本次MCS所有正地闪平均峰值电流的1.4倍。Sprite母体闪电的脉冲电荷矩变化(iCMC)在+475～+922 C km之间, 几何平均值为+571.0 C km。Sprite母体闪电发生在MCS雷达回波25～35 dBZ的层状云降水区, 弱回波(<30 dBZ)面积的突然增加对Sprite的产生有重要指示作用。Sprite易发生在MCS成熟—消散阶段正地闪比例(POP)显著增加的时段。在本次MCS消散阶段中, 有两个时间段可能有利于产生Sprite。在Sprite集中发生时间段, 北京闪电综合探测网(BLNET)探测到的正地闪比例为54.2%, 正地闪连续电流比例70.24%, 连续电流持续时间为58.17±50.31 ms, 有利于Sprite的产生。     

南半球中纬度偶极模态与亚洲—非洲夏季降水

南半球大气环流第一模态为南极涛动, 它表现出较好的纬向对称结构。本工作利用经验正交分解方法研究发现, 在南半球的东半球, 夏季(6~9月)大气环流还存在一个重要的模态。不同于南极涛动, 该模态表现为显著的纬向偶极分布, 本文定义其为偶极模态。在海平面气压场上, 该模态的解释方差可以达到20%以上, 表现出显著的年际变化特征。进一步的研究发现, 该偶极模态与亚非夏季降水存在密切联系, 尤其与我国华南、南亚以及热带非洲东部地区的夏季降水存在显著的正相关关系。机制分析表明, 南半球这一偶极模态的异常会影响东半球越赤道气流的变化, 从而造成向上述三个地区的水汽输送的多寡, 并最终导致这三个地区夏季降水发生变化。本工作揭示的偶极模态变化独立于南极涛动, 研究结果不但可以深化对南半球环流系统变化特征及影响的认识, 而且对亚非夏季降水的变化特征和机制研究也具有重要意义。     

东北地区水稻障碍型低温冷害变化对区域气候增暖的响应

利用东北地区153个气象站1961—2010年逐日气温资料,采用统计学方法分析了水稻障碍型低温冷害的气候变化特征及其对区域气候变暖的响应情况。结果表明,东北大部地区水稻障碍型低温冷害事件呈减少趋势,但区域性较为明显;障碍型低温冷害对关键发育期气温变化响应较为敏感,二者呈显著的负相关关系,表现为气温每升高1 ℃,东北地区冷害减少35个站次。东北地区关键发育期气温均呈上升趋势,但吉林西部地区障碍型冷害却随之增加,分析了关键发育期气温变率和气候变率,将其解释为局地障碍型冷害增加主要受气候变率增大的影响,逐日气温变率对其影响不大。     

探测仪器特性曲线异常分析

探测仪器感应曲线发生变化,造成升速异常、等压面的温度、湿度错误、雷达〖CD*2〗气压高差偏大、时间〖CD*2〗高度线曲变化异常造成的规定高度上的风误差偏大,使部分资料或整份资料失真,影响探测准确性。本文主要从仪器的感应曲线变化后对各气象要素产生的影响进行分析,得出结论：不同的元件变性对气象要素产生的影响不同,气压变化的影响侧重于高差和升速,温度变化则侧重于规定等压面的温度绝对误差和规定等压面高度的偏差。采用绝对误差计算、加密气象要素计算等方法,结合图形、数据对比,可以确定感应曲线变化时间,从而及时、有效的对探测数据做出合适的处理,进一步提高探测数据的精准度。     

积云模式下三维闪电分形结构的数值模拟

为了提高积云模式对雷暴云内电过程的模拟能力,将Mansell提出的放电参数化方案在起始击穿阈值和闪电通道感应电荷的分配过程上进行改进,耦合了已有的三维强风暴动力—电耦合模式中。对STEPS(Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study)试验中一次雷暴个例以及对中纬度地区理想雷暴个例的模拟表明,引入了新放电参数化方案的模式模拟出闪电在发展特性和几何结构上和观测结果有较好的一致性。模拟结果还表明:闪电的类型与极性取决于背景电荷结构以及闪电的起始位置,只有底部存在正电荷堆时才会产生负地闪,且负地闪的起始点均具有较高的负电势。闪电通道上感应电荷的沉降会改变通道附近水成物粒子上携带的电荷,这对雷暴云内复杂电荷结构的形成有重要作用。经统计,模拟的地闪和云闪通道的分形维数平均值分别为1.47和1.69。对起始击穿阈值的敏感性试验表明,随着起始击穿阈值的增大,首次闪电时间会向后推迟,当采用逃逸击穿时首次闪电产生的时间最早;闪电数量随起始击穿阈值的增大而减少;当使用固定击穿阈值(100,150和200 k V)时得到的云地闪比均小于使用逃逸击穿时得到的云地闪比,使用逃逸击穿时得到的云地闪比与观测结果最为接近。     

MARS软件在数值预报模式产品数据管理中的应用

该文简单介绍MARS (Meteorological Archival and Retrieval System) 软件的架构及组成部分,并基于MARS软件,介绍了数值预报产品数据管理系统设计与实现。通过在GRIB2数据段对应描述层次类型和气象要素的表格文件中定义新的层次类型和气象要素,在MARS软件解析GRIB2数据所需要查找的相关模板表格文件中定义气象要素对应的产品类型号、要素类别号、要素号、要素名称和要素名称缩写,说明GRIB2数据模板和代码表创建方法。以GRAPES模式产品GRIB2数据为例,实现应用MARS软件管理GRAPES模式产品GRIB2数据。结合存储管理TSM (Tivoli Storage Manager) 软件,研究开发MARS软件和TSM软件连接接口程序,实现数据的直接迁移和回调。以T639L60模式产品为例,通过测试检索性能,MARS软件检索数值预报产品速度超过当前国家级气象数据管理系统数据检索速度1倍,说明MARS软件检索数值预报产品数据具有时效优势。     

GRAPES_RAFS系统2 m温度偏差订正方法研究

本文通过对2013年6月20日至7月20日GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction System)_RAFS(Rapid Analysis and Forecast System)系统每天8个时次每3h的2 m温度预报进行分析,发现各时次的预报均能较好地表征2 m温度日变化特征,但预报与实况存在一定的偏差,其中西藏东部川西高原、云贵高原、江南武夷山脉偏低于实况可达3℃,而华北地区偏高于实况3℃以上.为了减小GRAPES_RAFS系统偏差对2m温度预报的影响,本文采用平均法、双权重平均法、滑动平均法和滑动双权重平均法分别对GRAPES_RAFS系统2 m温度预报产品进行偏差订正,并对订正前后的结果进行检验分析和对比.结果表明:2 m温度订正后的平均误差大部地区减小到(一1～1℃),而均方根误差大部地区降低到2.5℃内.对于偏差较大地区,订正效果更为明显,如西藏东部川西高原,经过订正,平均误差绝对值由订正前3℃以上降低到1℃内,而RMSE由订正前4℃以上控制到3℃内.对比四种订正方法,双权重订正方法与平均法订正整体效果接近,但对个别站点,双权重订正法要优于平均法,经过滑动的订正方法比无滑动的订正方法订正效果更好,订正效果最好的是滑动双权重平均法,全国平均误差大部分在(-0.5～0.5℃)内,不超过(-1～1℃)的范围.     

一种改进的数值预报降水偏差订正方法及应用

对传统的消除偏差法进行改进,形成分等级消除偏差法,并使用混合训练期和60 d滑动训练期方案分别对2012年6—8月ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasting) 模式夏季1~5 d的降水预报进行订正试验。为了尽可能符合中国东部夏季降水具有移动性及多种时间尺度变化的特点,混合训练期以预报期前30 d与预报期前一年同日的前后各15 d组成。结果表明:在使用分等级消除偏差法的基础上,相比ECMWF模式降水预报,两种训练期方案的订正结果几乎对各个阈值的ETS评分均有一定提高,特别是对25 mm以上降水预报评分的提高幅度,混合训练期方案的订正结果明显高于60 d滑动训练期方案;在区域性强降水预报的订正中,混合训练期方案优势更为明显。另外,通过分析两种训练期方案的预报偏差发现,分等级订正是此次消除偏差订正试验中提高强降水预报评分的关键,选择合适的训练期可以增加评分提高的幅度。由于上述试验使用的ECMWF模式预报和站点实况均是业务上常用数据,因此,该方法具有一定的业务应用价值。     

STUDY OF THE MODIFICATION OF MULTI-MODEL ENSEMBLE SCHEMES FOR TROPICAL CYCLONE FORECASTS

This study investigates multi-model ensemble forecasts of track and intensity of tropical cyclones over the western Pacific, based on forecast outputs from the China Meteorological Administration, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, Japan Meteorological Agency and National Centers for Environmental Prediction in the THORPEX Interactive Grand Global Ensemble (TIGGE) datasets. The multi-model ensemble schemes, namely the bias-removed ensemble mean (BREM) and superensemble (SUP), are compared with the ensemble mean (EMN) and single-model forecasts. Moreover, a new model bias estimation scheme is investigated and applied to the BREM and SUP schemes. The results showed that, compared with single-model forecasts and EMN, the multi-model ensembles of the BREM and SUP schemes can have smaller errors in most cases. However, there were also circumstances where BREM was less skillful than EMN, indicating that using a time-averaged error as model bias is not optimal. A new model bias estimation scheme of the biweight mean is introduced. Through minimizing the negative influence of singular errors, this scheme can obtain a more accurate model bias estimation and improve the BREM forecast skill. The application of the biweight mean in the bias calculation of SUP also resulted in improved skill. The results indicate that the modification of multi-model ensemble schemes through this bias estimation method is feasible.