基于WACCM+DART的临近空间SABER和MLS臭氧观测同化试验研究

本研究在WACCM+DART（Whole Atmosphere Community Climate Model,Data Assimilation Research Test-Bed）临近空间资料同化预报系统中加入SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）和MLS（Microwave Limb Sounder）臭氧观测同化接口,并以2016年2月一次平流层爆发性增温（SSW）过程为模拟个例进行了SABER和MLS臭氧观测同化试验,得出以下结论:同化SABER和MLS臭氧体积浓度观测得出的WACCM+DART臭氧分析场能够较真实反映SSW期间北极上空平流层臭氧廓线随时间的演变特征,且与ERA5（Fifth Generation of ECMWF Reanalyses）再分析资料描述的臭氧变化特征具有很好的一致性;基于SABER和MLS臭氧观测的WACCM臭氧6 h预报检验表明同化臭氧观测对臭氧分析和预报误差的改善效果主要体现在南半球高纬平流层和北半球中高纬平流层中上层-中间层底部;基于ERA5再分析资料的WACCM+DART分析场检验表明同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料可在提高北半球高纬地区上平流层-中间层底部臭氧场分析质量的同时减小该地区上平流层-中间层底部温度场和中间层底部纬向风场的分析误差;基于MLS臭氧资料的臭氧中期预报检验表明相对控制试验同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料能更好改善0~5 d下平流层和中间层底部臭氧的预报效果。     

江淮切变线强度的定量化描述方法研究

从气象观测事实和物理的角度出发,定义了一种江淮切变线强度的定量化的表征方法,即综合与降水关系密切的切变涡度和散度形成能客观近似地刻画切变线附近切变强度的指标量■。并在此基础上利用再分析资料和实况降水资料分析切变强度与对应降水量之间的关系,分析表明:强切变强度区域与降水雨带有明显的对应关系,降水区往往与强切变强度区域相一致或是比强切变强度区域略偏南;证实了切变强度与降水强度有正相关关系的事实,当切变强度■时,对应区域6 h累积降水量超过10 mm,甚至达到30 mm。     

2017年6月一次华南沿海强降水的对流性特征及热动力机制研究

在华南北部或长江流域有锋面雨带活动时,华南沿海常常会出现对流性强降水,突发性很强,给预报造成很大的困惑。文章采用多种观测资料、ERA-Interim 0.125°×0.125°逐6 h再分析资料,对2017年6月15～16日华南北部的锋面雨带及沿海强降雨过程开展分析,对比了二者降水特征与环境条件,重点探讨了该次过程华南沿海强降雨的对流触发与维持,揭示了一种由边界层风切变强迫造成涡度持续发展的动力效应。结果表明:（1）锋面雨带与华南沿海强降雨在降水特征上有显著差异,并各有特点。锋面雨带以大尺度层状云降水和弱对流性降水为主,降水强度东段弱西段强。沿海强降雨以对流性降水为主,局地性强、落区集中、强降雨持续时间长、夜发性明显。（2）水汽方程诊断发现沿海强降雨在边界层水平水汽平流项、垂直水汽输送项比锋面雨带东段具有更大量级,大气层结反映出更深厚的暖层、湿层与对流不稳定,是二者降水强度及性质差异的主要原因。（3）莲花山、峨眉嶂造成气流侧向摩擦与正面阻挡促使漯河河谷内垂直涡度发展,暖湿空气堆积上升并达到自由对流高度,触发了华南沿海最初的降水。夜间建立的西南风急流使边界层垂直风速切变增强,水平涡度倾斜部分转化为垂直涡度发展,与风速水平切变造成的垂直涡度叠加,是强降雨持续时间长的动力机制。海陆边界摩擦差异造成水平、垂直两个方向的风切变增强,共同强迫垂直涡度发展是此次强降雨过程对流维持的动力效应。（4）方程诊断表明华南沿海强降雨由对流潜热释放造成的垂直上升速度占总垂直上升速度的39%～75%,持续、稳定的对流潜热释放是强降雨持续时间长的热力驱动因素。     

苏州市一次重霾污染天气过程的数值模拟

本文对苏州地区2015年12月13—15日发生的一次典型的重霾污染天气过程进行了数值模拟,分析了颗粒物及其组分的时空变化特征及其气象影响因子,以期为该区域空气污染治理和预防提供科学依据。结果表明:(1)利用WRF-Chem模式对此次重霾污染天气过程的污染气体成分进行数值模拟后发现,小时平均的PM_(2.5)、PM_(10)、CO、SO_2、NO_2模拟值与实测值的相关系数较高,达到0.68以上,通过了P0.01的显著性检验,且日变化过程对应也较好。(2)通过分析此次污染过程的天气背景,发现污染形成期高空环流比较平直,中层为均匀的弱高压控制,地面受弱高压脊控制,这种形势容易导致颗粒物的堆积。后期地面等压线密集时,风速大,有利于污染物的输送与扩散。(3)通过分析此次污染过程期间气象要素的变化发现,有逆温、风速小、相对湿度大等不利的气象条件是导致此次污染过程发生的重要原因之一。(4)HYSPLIT轨迹分析显示,此次重霾过程主要受北方大范围灰霾颗粒物南下影响,北方污染气团逐步南推,14至15日本地大气扩散条件差、污染物累积,最终导致本地污染加重,从而发生重霾事件。(5)火点图的分布进一步验证了此次重霾污染过程是由外来污染气团输入所导致。     

Main Detrainment Height of Deep Convection Systems over the Tibetan Plateau and Its Southern Slope

Deep convection systems (DCSs) can rapidly lift water vapor and other pollutants from the lower troposphere to the upper troposphere and lower stratosphere. The main detrainment height determines the level to which the air parcel is lifted. We analyzed the main detrainment height over the Tibetan Plateau and its southern slope based on the CloudSat Cloud Profiling Radar 2B_GEOPROF dataset and the Aura Microwave Limb Sounder Level 2 cloud ice product onboard the A-train constellation of Earth-observing satellites. It was found that the DCSs over the Tibetan Plateau and its southern slope have a higher main detrainment height (about 10?16 km) than other regions in the same latitude. The mean main detrainment heights are 12.9 and 13.3 km over the Tibetan Plateau and its southern slope, respectively. The cloud ice water path decreases by 16.8% after excluding the influences of DCSs, and the height with the maximum increase in cloud ice water content is located at 178 hPa (about 13 km). The main detrainment height and outflow horizontal range are higher and larger over the central and eastern Tibetan Plateau, the west of the southern slope, and the southeastern edge of the Tibetan Plateau than that over the northwestern Tibetan Plateau. The main detrainment height and outflow horizontal range are lower and broader at nighttime than during daytime.     

Latitudinal and Scan-dependent Biases of Microwave Humidity Sounder Measurements and Their Dependences on Cloud Ice Water Path

The relationship between differences in microwave humidity sounder(MHS)–channel biases which represent measured brightness temperatures and model-simulated brightness temperatures, and cloud ice water path(IWP) as well as the influence of the cloud liquid water path(LWP) on the relationship is examined. Seven years(2011–17) of NOAA-18 MHS-derived measured brightness temperatures and IWP/LWP data generated by the NOAA Comprehensive Large Array-data Stewardship System Microwave Surface and Precipitation Products System are used. The Community Radiative Transfer Model, version2.2.4, is used to simulate model-simulated brightness temperatures using European Center for Medium-Range Weather Forecasts reanalysis data as background fields. Scan-angle deviations of the MHS window channel biases range from-1.7 K to1.0 K. The relationships between channels 2, 4, and 5 biases and scan angle are symmetrical about the nadir. The latitudedependent deviations of MHS window channel biases are positive and range from 0–7 K. For MHS non-window channels,the latitudinal deviations between measured brightness temperatures and model-simulated brightness temperatures are larger when the detection height is higher. No systematic warm or cold deviations are found in the global spatial distribution of difference between measured brightness temperatures and model-simulated brightness temperatures over oceans after removing scan-angle and latitudinal deviations. The corrected biases of five different MHS channels decrease differently with respect to the increase in IWP. This decrease is stronger when LWP values are higher.     

飞机积冰预报算法对比及其集成预报模型研究

以人工增雨作业获取的飞机积冰实例资料为基础,利用WRF模式对51次飞机积冰过程进行数值模拟,对比分析了常用七种积冰预报算法对积冰潜势区和强度的预报效果,进而采用评分权重集成法建立了飞机积冰强度集成预报模型,并检验了其预报效果。结果表明:(1)假霜点温度经验法对2002年4月4日积冰个例的预报效果与实况一致,而其他积冰算法预报效果均与实况相差较大;(2)对51次飞机积冰预报效果进行统计检验发现,假霜点温度经验法的预报效果最好,积冰强度预报准确率为72.55%,其次是RAOB法,IC指数法和I积冰指数法次之,改进的IC指数法预报准确率最差,只有19.61%;(3)对比不同积冰算法建立的集成预报模型的预报效果发现,选用IC指数法、假霜点温度经验法、RAOB法进行集成预报时,预报准确率最高,且漏报率、偏弱率及偏强率均能控制在10%以内,比单一预报算法中的最高预报准确率提高了8%,且漏报率降低了4%,偏强率降低了8%。     

高分辨率模式雷达回波预报能力分析

利用2018年7—8月GRAPES_3 km、东北短临(WRFRUC)高分辨率模式综合雷达回波预报数据和辽宁省SWAN雷达组合反射率(MCR)实况,基于邻域法FSS评分指数,分析模式在台风北上和副热带高压边缘暴雨过程中的雷达回波预报能力。结果表明:两家模式在不同降水过程中对小阈值雷达回波有较好的预报技巧,随着回波量级增大,模式预报FSS逐渐减小,雷达回波55 dBz时,FSS甚至为0。当邻域半径是3时,35 dBz以下的回波预报中GRAPES模式在台风北上暴雨中的预报技巧低于副热带高压边缘,35 dBz则相反。WRFRUC模式始终表现为台风北上暴雨中预报较好。当邻域半径9时,WRFRUC模式在台风暴雨中的FSS评分高于GRAPES模式,GRAPES模式在副热带高压暴雨中的FSS评分始终高于WRFRUC模式。GRAPES和WRFRUC模式的最大FSS评分技巧均出现在邻域半径是11时,分别为0.239和0.195。GRAPES模式中FSS评分在12 h逐小时预报中前3个时次较强,WRFRUC模式则表现为中间时次强,两头弱。     

1822号“山竹”台风龙卷过程观测与预警分析

2018年9月17日09:37—10:00,在登陆台风“山竹”外围螺旋雨带中,广东省佛山市三水区到肇庆市四会区发生了EF2级强龙卷,龙卷路径长度18 km,持续时间23 min,平均时速47 km/h,导致不少建筑物损毁。本次过程佛山市进行了龙卷预警试验,提前37 min发布了龙卷预警,龙卷没有造成人员伤亡。利用观测资料对产生强龙卷的环境场特征、地面自动站和雷达观测的中小尺度特征以及龙卷预警试验进行了分析,结果表明:产生龙卷的微型超级单体出现在台风外围和副高边缘之间的强东南急流中,具有低层辐合、高层辐散、水汽充足等典型台风外围龙卷环流形势特征;强的低空0~1 km垂直风切变、大的风暴相对螺旋度和低的抬升凝结高度等环境条件利于龙卷的生成;龙卷影响时,邻近地面自动气象站观测要素表现出明显的信号,瞬时大风和最低气压的极值区呈东南至西北向带状分布,与龙卷路径一致,龙卷过境前后,单站气压“漏斗”明显,5 min降压/升压幅度达-2.5 hPa/+2.1 hPa;广州多普勒天气雷达探测到龙卷母体风暴的低层钩状回波和入流缺口特征,以及低层强中气旋和类TVS特征。预警试验初步表明,对台风龙卷高发区,在环境场有利情况下,若低层出现中等或以上强度中气旋,其底高在1 km以下,可以考虑发布龙卷预警。      

我国华南江南春季雷暴气候特征分析

基于我国华南江南地区274个基本地面气象观测站数据、全国闪电定位数据以及欧洲中心的全球大气再分析数据(ERA-Interim),对1981—2017年华南江南地区的春季雷暴日采用经验正交函数分解方法(EOF),并与气象要素场做回归分析。得出以下主要结论:(1)我国华南江南地区春季雷暴活动高发区主要在广西东部至广东西部;其高峰期在下午18:00和凌晨4:00左右,且大多数雷暴活动持续时间不超过3 h;山区雷暴活动主要在傍晚至夜间;平原雷暴活动主要在白天,高峰在17:00及06:00前后;(2)华南江南地区的雷暴活动存在着3~5年的短周期和16年左右的长周期变化;(3)雷暴日距平EOF分析的前3个主成分累计方差贡献达到72.3%。按其向量场的方差贡献分型,Ⅰ型表现为华南江南雷暴活跃特征呈现较统一的变化规律。深厚西南低涡槽前、上干下湿的水汽层结、上冷下暖的温度层结为华南江南地区发生大范围雷暴天气提供良好的动力、水汽和位势不稳定条件,是华南江南雷暴活跃异常的主要模态;Ⅱ型表现为从华南南部到江西与浙江南部有一条西南-东北向、下宽上窄的雷暴活跃正距平异常区,而两侧为负距平异常区。其环流特征表现为温度整层偏冷,水汽整层偏湿,而西南槽前动力抬升有利于水汽抬升凝结触发对流形成雷暴;Ⅲ型表现为华南和江南地区雷暴活跃特征呈南北反位相异常,其分界线在26 °N附近。其环流特征表现为较强的干冷空气南下与南方暖湿空气在南岭山区对峙形成异常的垂直环流圈。在其上升支,低层干冷空气被卷入中高层使得中高层暖湿空气凝结释放潜热形成对流,造成华南地区多雷暴发生,而江南地区处于垂直环流的下沉支,整层湿度偏干,造成江南地区雷暴相对偏少。