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.     

强台风“纳沙”引发的特大暴雨过程数值试验

利用中尺度模式WRF对2011年9月29 30日1117号强台风"纳沙"登陆并穿过海南岛北部引发的海南岛西部特大暴雨过程进行了数值模拟和地形敏感性试验。结果表明,在海南岛北部登陆西行的台风降水量分布呈五指山以北地区多、以南地区少的特征,而北面的强降水带又是西部多、东部少。12 km水平格距模拟的48 h降水量和逐3 h降水量与实况基本相符,台风登陆时间与地点误差也较小,路径和强度模拟效果均较好。对比控制试验和地形敏感性试验模拟的24~48 h降水量发现,有地形时,海南岛西部地区24 h降水量普遍有50 mm以上的增幅,西部山区有150 mm以上增幅,西部山区主峰北侧有350 mm增幅。特别是强降水中心与西部主山峰紧密相连,地形的存在对台风"纳沙"在海南岛西部地区的降水量增幅明显。但受五指山脉地形的阻挡,处于台风环流中西北气流背风坡的海南岛东南部地区降水量有50~150 mm的减幅。从低层中小尺度流场和垂直速度的对比分析可以看出,控制试验与零地形试验结果存在明显差别,五指山脉西部的地形可以增强低层扰动,有利于产生中尺度对流小涡,从而增加台风降水。王下乡的特殊地形对台风降水显著偏多起到重要作用。     

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。     

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.     

冬季戴维斯海峡的海冰面积年际变化与东亚气候关系研究

采用北极 1°× 1°海冰面积指数、海平面气压、50 0 h Pa高度场和中国 1 60站气温等资料 ,分析了戴维斯海峡海冰的年际变化与大气环流及东亚气候的关系 ,结果发现 :冬季戴维斯海峡是影响东亚以及北半球气候变化的关键区之一 ,该区海冰面积年际变化与 50 0 h Pa高度场的 WA型、EU型遥相关以及东亚冬季风强、弱之间存在密切的关系。冬季该区海冰偏多 ,则 50 0 h Pa高度场在北大西洋戴维斯海峡西欧一带为 WA型遥相关 (美国东部高度场偏高 ,北美东北部到格陵兰一带高度场偏低 ) ,在欧亚大陆为出现 EU型遥相关 (贝加尔湖及其以东和西欧高度场偏高 ) ,西伯利亚高压减弱 ,致使东亚冬季风偏弱 ,我国东北、西北和华北地区偏暖 ;而冬季该区海冰偏少时 ,情况正好相反。     

大气科学论著中"量"的运算和"单位"的变化

针对大气科学论著中“量和单位”复杂、易错的特点，详细分析了一些“量”的物理意义、推导过程和表达形式。并给出相应的单位。认为在大气科学论著中正确使用“量和单位”是非常必要和重要的。     

HBFNEnKF混合同化方法设计及检验

基于前后张驰逼近（Back and Forth Nudging,简称BFN）和集合卡尔曼滤波（EnKF）方法,构建了一种新的同化方法HBFNEnKF（Hybrid Back and Forth Nudging EnKF）混合同化方法,并将此同化系统分别与通道浅水模式（shallow water model）和全球浅水模式对接,检验了HBFNEnKF同化方法的有效性。同时,对比了集合均方根滤波（EnSRF）、HNEnKF (Hybrid Nudging EnKF)、HBFNEnKF三种方法在有误差模式中的同化效果。试验结果表明:HBFNEnKF同化方法保留了HNEnKF方法的同化连续性,解决了EnKF同化不连续不平滑的问题,同时还有着更快的收敛速度;当采用单变量分析试验时,HBFNEnKF方法的优势最为明显,表明HBFNEnKF能够较好地保持不同模式变量间的平衡。此外,增量场尺度分析结果表明:相比EnSRF,HBFNEnKF在大尺度范围有更好的同化效果,同时能够避免在中小尺度范围内出现大量的虚假增量。     

随机辐射参数化过程扰动方案对温度预报的影响

数值模式中辐射参数化过程的不确定性是导致温度预报不准确的原因之一,为了在WRF集合预报系统中提高温度预报的效果,提出一种针对辐射参数化倾向的随机扰动方案(Stochastically Perturbed Radiation Parameterization Tendencies, SPRPT)。并将这种方法与多辐射参数化物理过程方案、多参数扰动方案及传统的随机物理过程扰动方案(SPPT)方法对比。针对2014年7月的温度模拟过程中,多辐射参数化物理过程方案虽然在700 hPa以下及地面2 m温度的预报上有较大离散度,但会增大温度预报的误差,但综合效果没有SPRPT方案好;扰动散射调谐参数可在一定程度上提高温度预报,但不显著;在同样扰动参数下,SPPT方案对温度的预报改进不明显。而SPRPT方案能显著提高集合预报系统的离散度,降低地面2 m温度的暖偏差。评分指出该方案对集合预报系统,尤其是在模式底层及近地面的温度预报上,改善明显。     

冷涡背景下一次强对流过程的卫星水汽图像特征

将卫星水汽图像与高层动力场进行叠合分析,可为强对流天气监测预报提供有价值的信息。将卫星水汽图像和大气动力场相结合,对山东省一次冷涡背景下连续强对流过程的环境特征进行分析。结果表明,冷涡云系具有非对称结构特征;冷涡东南侧的暖湿对流与涡后动力干带入侵时爆发的暗区新生对流,这两个阶段的热、动力不稳定增长机制有所不同。与高位涡、急流相伴的水汽暗带是对流层上部的动力活跃区。当涡后具有高位涡特征的动力干带入侵时,高层动力活跃区叠加于低层暖湿平流区上空,促使对流爆发。卫星水汽图像体现了冷涡发展不同阶段高空动力强迫的差异。水汽图像上动力干带色调变暗,干湿边界锐化的特征,与高层位涡和高空急流增强有关。通过卫星水汽图像上连续时次的干湿对比,可以跟踪识别这些高层特征,进而判断高层动力特征的演变,为深厚湿对流环境条件的诊断提供依据。     

中国降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感性

利用中国740站45年降水资料按5种分辨率分气候区计算了降水年际和年代际变率. 降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感性分析表明,中国各气候区降水年际变率对空间尺度的敏感性都随空间尺度的增加而逐渐减小,且存在明显的季节变化,而年代际变率对空间尺度的敏感性却随空间尺度的增加而增大,但不存在季节变化;由于中国各气候区降水的特殊性,各气候区降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感程度存在不可忽视的差异.在年际和年代际尺度上,西南地区降水变率对空间尺度都是最敏感的,因而该区域降水年际和年代际变率信号的检测最困难.而华南地区在年际尺度上比较敏感,年代际尺度却不敏感,但华南地区在年际和年代际尺度上区域内降水分布的非均匀程度对空间尺度的敏感性都最大.