ENSO对黑潮海区风应力异常影响的初步探讨

利用近50a黑潮海区风应力场与Nino3区海温指数序列进行相关分析后发现,ENSO对黑潮海区经向风应力影响的“关键时段”为秋、冬季至次年初夏时期,对纬向风应力影响的“关键时段”为冬季至次年春季。黑潮海区风应力距平场与赤道中东太平洋SSTA场的扩展SVD分析及相应的合成分析揭示了ENSO期间黑潮海区风应力异常结构的演变：秋季,中国的东海、琉球群岛附近海域首先出现南风应力异常;冬季,吕宋岛以北、台湾以东的海域出现西南风应力异常,其影响范围和强度在次年2月前后达到最强,其后迅速减弱,至5月,风应力异常基本消失。赤道中东太平洋SSTA对黑潮海区经向风应力异常的影响范围较大,强度更显著。     

全球海气耦合模式系统(NIM/COAMS)Ⅰ.一种新的再分析同步耦合方案

利用NCAR CCM2十八层全球大气环流谱模式和IAP／LASG OGCM二十层全球大洋环流模式，设计了一个通量场再分析同步耦合方案FRAC（Flux Re—Analysis Coupling scheme），建立了全球海气耦合模式系统（NIM／COAMS）。利用EOF理论消除分量模式通量在海气非线性相互作用过程中产生的高频振荡，保留模式通量场的主要成分．使模式误差不致被迅速放大。模拟结果表明，积分前10a全球平均海表温度仅上升0．1℃，全球平均表面温度仅上升0．3℃，以后基本保持不变，模式没有出现明显的气候漂移，50a积分显示，模式对气候态的模拟与观测基本一致，部分结果优于未耦合模式。     

一种根据湿对流区域时空分布调整的BGM扰动改进方案

在增长模繁殖法(Breeding of the Growing Mode,BGM)的动态繁殖过程中,尺度化因子的选择极为关键。利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,在分析飑线系统数值模拟误差增长机制的基础上,根据飑线发展过程中湿对流区域误差更容易快速增长的特点,提出了一种根据湿对流区域时空分布调整的BGM初始扰动改进方案。该方案通过在动态繁殖过程中对小扰动的水平结构进行调整,加强湿对流区域扰动,捕获到增长最快方向上的小扰动并将其作为初始扰动。试验结果表明:根据降水量调整的改进方案相比其他方案扰动能量较大,各集合成员之间差异也较大,集合平均预报误差较小;对强降水范围的模拟相对理想,暴雨的降水评分较高;对风廓线及水汽场的预报更接近于实况,较好地改善了集合预报效果。     

0-10 KM TEMPERATURE AND HUMIDITY PROFILES RETRIEVAL FROM GROUND-BASED MICROWAVE RADIOMETER

Deviation exists between measured and simulated microwave radiometer sounding data. The bias results in low-accuracy atmospheric temperature and humidity profiles simulated by Back Propagation artificial neural network models. This paper evaluated a retrieving atmospheric temperature and humidity profiles method by adopting an input data adjustment-based Back Propagation artificial neural networks model. First, the sounding data acquired at a Nanjing meteorological site in June 2014 are inputted into the MonoRTM Radiative transfer model to simulate atmospheric downwelling radiance at the 22 spectral channels from 22.234GHz to 58.8GHz, and we performed a comparison and analysis of the real observed data; an adjustment model for the measured microwave radiometer sounding data was built. Second, we simulated the sounding data of the 22 channels using the sounding data acquired at the site from 2011 to 2013. Based on the simulated rightness temperature data and the sounding data, BP neural network-based models were trained for the retrieval of atmospheric temperature, water vapor density and relative humidity profiles. Finally, we applied the adjustment model to the microwave radiometer sounding data collected in July 2014, generating the corrected data. After that, we inputted the corrected data into the BP neural network regression model to predict the atmospheric temperature, vapor density and relative humidity profile at 58 high levels from 0 to 10 km. We evaluated our model’s effect by comparing its output with the real measured data and the microwave radiometer’s own second-level product. The experiments showed that the inversion model improves atmospheric temperature and humidity profile retrieval accuracy; the atmospheric temperature RMS error is between 1K and 2.0K; the water vapor density’s RMS error is between 0.2 g/m3 and 1.93g/m3; and the relative humidity’s RMS error is between 2.5% and 18.6%.     

臭氧卫星观测资料同化系统构建及其试验研究

为检验臭氧卫星资料同化对臭氧分析场和预报场的影响,基于集合平方根滤波(ENSRF)理论,结合通用地球系统模式(CESM),构建了CESM-ENSRF同化预报系统。系统构建过程考虑了卡尔曼滤波同化中的关键问题:利用全场随机扰动对初始场加扰,结合一般协方差膨胀和松弛协方差膨胀方法实现协方差膨胀,使用五阶距离相关函数进行协方差局地化。将构建的系统用于微波临边探测器(MLS)臭氧廓线数据的同化,分析臭氧卫星资料同化对模式预报的影响。结果表明:构建的CESM-ENSRF同化系统有效实现了臭氧资料同化,臭氧卫星资料同化对臭氧分析场和预报场精度有较大改进。     

飑线发展过程中回波合并的特征分析

基于区域自动气象站资料、济南新一代多普勒天气雷达资料,对2012年8月18日山东省境内飑线发展过程中对流单体之间以及弓形回波与对流单体之间的合并特征进行了细致分析。结果表明:1)合并过程经历了合并初期、合并中期和完全合并期。云桥位于雷暴中层,合并过程中回波强度先减弱再增强。2)合并的结果是,上游回波减弱并入下游回波,为下游回波提供了丰富的水汽,产生的下沉出流与暖湿空气辐合,增强了下游回波的上升运动,促使下游回波持续发展并替代老回波(属喂养型合并)。合并促使低层小尺度涡旋强度增强、底高降低,出现中气旋或非相关切变。3)对流单体与单体合并中期,两者强度减弱,完全合并期则强度增强。低层涡旋尺度小、强度强,中气旋或非相关切变的垂直伸展厚度和最大切变值较大、底高低,产生的龙卷持续时间长、影响范围大、造成灾害重。4)弓形回波与对流单体合并过程中,单体一直处于发展阶段,弓形回波在完全合并期减弱。低层涡旋尺度大、强度弱。5)龙卷的强度与中气旋或非相关切变的底高、垂直伸展厚度及最大切变值有关。单体合并过程中,若中气旋(或非相关切变)的底高或最大切变的高度降低,或者最大切变值出现跃增,则可能出现龙卷。弓形回波顶点附近有对流单体合并,易出现龙卷。     

基于卫星辐射率资料的两种三维云反演方法对比研究

基于格点统计插值分析系统（Gridpoint Statistical Interpolation analysis system,简称GSI）,利用粒子滤波（Particle Filter,简称PF）方法对卫星红外辐射率资料进行了云覆盖、云高等三维云图产品的反演研究。选取了具有高时空分辨率的静止卫星GOES（Geostationary Operational Environmental Satellites）-Imager辐射率资料进行了云反演试验,初步评估了PF云反演方法的可行性及其与多元极小残差（Multivariate and Minimum Residual,简称MMR）云反演方法的异同。结果表明:两种方法反演得到的云覆盖和云顶气压与NASA基于CO₂切片法反演得到的GOES云产品一致性较高。PF和MMR方法反演产品的优点是云图信息是三维分布的,相对于NASA提供的GOES云产品能提供更全方位立体的云信息。MMR方法需要利用一维变分逐步拟合观测来反演三维云图产品;PF方法采用不同模式垂直层的云覆盖比例作为不同粒子来近似后验概率分布,计算效率大大提高。进一步提出了一种新的基于“扰动粒子”的粒子滤波云反演方法,结果表明:在滤波过程中采用足够多的粒子样本（样本数量约为250）可以改进后验概率密度函数的估计,有效地避免了粒子发散问题,改善了云反演的结果。     

卫星气溶胶光学厚度资料同化对灰霾预报改进个例研究

面对日益严峻的大气污染形势,针对卫星气溶胶光学厚度（AOD）资料在灰霾数值预报领域的合理有效利用问题,使用WRF-Chem（WRF coupled with Chemistry）大气化学模式以及GSI（Gridpoint Statistical Interpolation）三维变分同化系统,利用MODIS和FY-3A/MERSI AOD资料,对一次灰霾天气过程进行了同化预报试验。试验结果显示,同化卫星AOD资料有效改善了模式初始场,MODIS和MERSI同化试验分别在AOD分析场的中心强度和空间分布各具优势,且对PM_2.5和PM₁₀的后续预报改进明显;从统计分析上看,同化试验的预报效果整体上好于控制试验,同化试验中PM_2.5和PM₁₀预报值的平均值、中值、平均偏差、均方根误差等指标均明显优于控制试验,且MODIS和MERSI同化试验分别在PM_2.5和PM₁₀预报统计结果中体现出了优势;卫星AOD资料同化能明显降低污染事件的空报率和漏报率,提高预报的TS评分和ETS评分。不同卫星AOD资料的差异对分析场中AOD的分布和强度产生了相应影响,进而影响了模式的灰霾预报效果;本次试验中,MODIS和MERSI AOD同化试验分别在PM_2.5和PM₁₀预报的评分上表现更佳。结果表明,卫星AOD资料同化对数值预报产生了积极的效果。      

基于KF-ETA积云对流参数化方案集合预报试验

采用中尺度数值模式WRF和Kain-Fritsch-ETA积云对流参数化方案(简称KF-ETA方案)对2003年江淮流域一次暴雨过程进行了敏感性分析和集合试验。结果表明,KF-ETA方案中的敏感因子(最小净环境卷入率和积云半径)对预报均有明显的影响,主要体现在各物理变量垂直廓线和次网格对流降水场的分布。基于KF-ETA方案的多成员集合预报,不仅改善了降水的位置和范围、纠正了单一确定性预报中"过干"和"过湿"的随机性偏差,而且也显示预报的不确定性主要集中在地形复杂及强降水的区域。