Growth and Interactions of Multi-Source Perturbations in Convection-Allowing Ensemble Forecasts

This study investigated the growth of forecast errors stemming from initial conditions (ICs), lateral boundary conditions (LBCs), and model (MO) perturbations, as well as their interactions, by conducting seven 36 h convection- allowing ensemble forecast (CAEF) experiments. Two cases, one with strong-forcing (SF) and the other with weak-forcing (WF), occurred over the Yangtze-Huai River basin (YHRB) in East China, were selected to examine the sources of uncertainties associated with perturbation growth under varying forcing backgrounds and the influence of these back- grounds on growth. The perturbations exhibited distinct characteristics in terms of temporal evolution, spatial propagation, and vertical distribution under different forcing backgrounds, indicating a dependence between perturbation growth and forcing background. A comparison of the perturbation growth in different precipitation areas revealed that IC and LBC perturbations were significantly influenced by the location of precipitation in the SF case, while MO perturbations were more responsive to convection triggering and dominated in the WF case. The vertical distribution of perturbations showed that the sources of uncertainties and the performance of perturbations varied between SF and WF cases, with LBC perturbations displaying notable case dependence. Furthermore, the interactions between perturbations were considered by exploring the added values of different source perturbations. For the SF case, the added values of IC, LBC, and MO perturbations were reflected in different forecast periods and different source uncertainties, suggesting that the combination of multi-source perturbations can yield positive interactions. In the WF case, MO perturbations provided a more accurate estimation of uncertainties downstream of the Dabie Mountain and need to be prioritized in the research on perturbation development.     

空间信息序结构相似性及其度量

空间信息的序列关系体现了空间要素的本质联系,但是在空间分析中尚没有刻画这种序列关系的成熟理论.本文基于有序尺度变量间关联性度量理论提出了空间信息序结构相似性的分析、度量方法,利用古德曼和克拉斯卡尔的度量验证了商业用地的租金与商业用地距商服中心距离的空间序结构的相似性,研究表明利用有序尺度变量关联性度量指标能够计算空间变量序列相似度,从而实现通过已知空间变量的空间序结构推断另一空间变量的空间序结构.     

风云三号卫星微波大气温度探测仪资料偏差订正方法研究

为推动中国风云三号卫星(FY-3A/B)资料在区域数值天气预报中的同化研究,重点研究FY-3A的大气温度垂直探测仪(MWTS)资料的偏差订正问题。在欧洲中期天气预报中心(ECMWF)原全球TOVS辐射偏差订正方案的基础上,结合MWTS资料特征,建立适用于FY-3A卫星MWTS辐射率资料的偏差订正系统,并评价MWTS的偏差订正效果。结果表明:（1） 同纬度带和扫描位置的扫描偏差不同,各通道表现出不同的偏差特征,通道1扫描偏差较大(0~5 K),通道2、3、4较小(0~0.6 K);（2） 扫描偏差订正和气团偏差订正后的观测残差基本符合均值为零的正态分布;（3） 偏差订正后的观测残差标准方差有所降低,这将提高卫星资料对分析场的调整。证明了FY-3A MWTS资料质量较好,具有同化应用的潜力,开发的偏差订正系统可为FY-3A MWTS资料在区域模式中的同化应用提供条件。      

多普勒雷达资料同化对江苏一次飑线过程的数值模拟

应用新一代中尺度预报模式WRF模式及其3DVar同化系统, 针对江苏地区2009年6月14日飑线过程进行了多普勒雷达资料的同化试验研究, 在对雷达资料进行严格质量控制的基础上, 设计一系列尺度化因子优化调整及同化频率的敏感性试验。试验结果表明:同化后初始场得到不同程度改善, 适当的尺度化因子设定, 能够有效改进对模式初始场中700 hPa风场和850 hPa温度场以及组合反射率因子等要素的分析, 进而改善短时降水预报和风暴的垂直结构配置;并且同化频率越高, 对初始场的组合反射率因子分布与观测更为接近, 短时降水预报越准确。     

华北“7·19”暴雨中低涡系统演变及多尺度相互作用机制研究

为探究华北暴雨的维持及中尺度系统演变机制,利用NCEP/NCAR的GFS资料、地面自动站观测资料等,借助数值模拟、涡度收支分析和尺度分离等方法,对2016年7月19日前后一次华北暴雨过程进行了观测分析和模拟研究。(1)本次极端降水过程与东移低槽切断形成的深厚低涡密切相关。低涡与副高脊线形成"东高西低"形势且雨区始终处于高层辐散低层辐合的动力配置下,有利于对流维持。涡旋与低空急流的配合使来自西南侧和东侧的水汽在华北辐合,并使雨区处于能量锋区,对流层中低层形成深厚逆温层,为暴雨维持提供水汽和能量保障。(2)低涡系统总体呈增强趋势,中心涡度最高达55×10-5 s-1以上。成熟阶段呈现贯穿对流层的直立正涡度柱,但涡度变化集中在500 hPa以下,中心维持在850 hPa附近。涡度增长主要受正涡度区与辐合中心重合产生的拉伸效应以及干侵入等因素的促进作用。(3)低层辐合中心由三种不同尺度系统叠加而成,其中中尺度系统对中心的强度和位置影响最大,而大中尺度风场间的辐合也使辐合区更大、强度更强。低层涡旋增长与风场辐合加强之间形成正反馈调节,有利于低涡和降水的维持。     

多普勒雷达速度退模糊方法分析

速度退模糊方法的基本思路一般是先找到可靠观测,以可靠观测为基础进行空间连续性检查。文章设计了模拟的雷达径向风资料,对比了两种典型的自动退模糊方法,一种Zhangjian的基于零风速线的方法;另外一种是Xuqin的基于反演平均风的方法。模拟资料的检验结果表明:(1)Zhangjian的方案对零风速线与某一条径线较匹配时,会取得较好效果,否则找不到弱风区,退模糊失败;(2)Xuqin的方案对非线性很敏感,非线性越强,效果越差。文中设计了一种寻找弱风区确切位置的算法。使用模拟资料的测试效果表明,新方案继承了零线方案的优点,另外,当零风速线的走向与观测径线差异较大时,仍然可以取得较好的结果。     

华北夏季降水减少与北半球大气环流异常的关系

利用华北地区20站夏季降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用趋势分析、合成分析等方法,对华北夏季降水减少与北半球大气环流异常进行对比分析。结果表明,华北夏季降水量1951—2008年呈显著减少趋势,平均每10 a减少13.4 mm,1965年发生了气候突变,之后降水量减少更加明显。北半球大气环流在1965年前后有明显不同：1）1951—1965年夏季500 hPa高度场欧洲大槽、贝加尔湖槽较深,乌拉尔山高压脊较强,经向环流表现突出;而1966—2008年夏季欧洲大槽、贝加尔湖槽较浅,乌拉尔山高压脊较弱,纬向环流表现突出。2）1951—1965年夏季500 hPa蒙古冷槽位置偏北偏西,冷空气活动经常影响华北地区;而1966—2008年夏季蒙古冷槽位置东移南压到河套附近,冷空气经常影响华北以南以东地区。3）1951—1965年夏季海平面气压场蒙古低压异常强大,而1966—2008年蒙古低压明显减弱。4）1951—1965年夏季850 hPa东亚夏季风一直伸展到华北、东北地区,蒙古地区存在明显的气旋性环流,在河套附近产生风向辐合;而1966—2008年东亚夏季风在到达30°N附近风速显著减小,很少越过长江到达华北地区,在长江流域形成了风速辐合,同时蒙古地区的气旋性环流消失,河套附近的风向辐合变的很弱。1951—1965年华北多雨是由于东亚夏季风水汽的有效输送和河套附近的风向辐合造成的,而1966—2008年长江流域多雨是由于东亚夏季风在这里产生了风速辐合造成的。华北夏季降水减少与北半球大气环流异常有很好的联系。     

变分方法反演双多普勒雷达低层二维风场

提出用变分方法和正则化方法相结合反演双多普勒雷达资料的低层二维风场的方法,即在目标泛函中加入正则化项（先验信息项）且合理选择正则化参数。数值试验结果表明：正则化项的引入能有效滤除反演风场中因奇点和观测资料引起的误差,提高反演精度,得到最优的全局反演风场。     

雷达定量降雪估测方法的设计和订正

从降雪预警业务实际出发,设计了基于最优化法的雷达估测降雪方法,对2007年3月4日特大暴雪过程开展雷达降雪估测试验,并分析估测结果的误差。针对温度变化、雪花末速度、与雷达的距离和计算方法等方面的误差因素制定了3种改进方案。改进后的估测降雪量与实况降雪量的相关系数提高到0.66（超过99%信度检验）,平均相对误差降低至48.74%,对于0.3 mm/h的较弱降雪和5 mm/h以上的强降雪均具有估测能力。其中距离雷达50～100 km的样本估测降雪量与实况降雪量的相关系数达到0.82。在3种改进方案中,考虑降雪末速度影响的改进效果不明显,这可能与本次暴雪过程的回波较均匀有关;按雷达与样本距离分类进行雷达降雪估测的效果最明显,不仅可以增加相似程度,还减小了雷达近距离高估和远距离低估的误差;而算法的改进进一步提高估测精度。本次雷达降雪估测对于1.6～2.5 mm/h的较强降雪和2.6 mm/h以上的强降雪平均相对误差较小,分别为31%和27%,但雷达降雪估测高估了1.5 mm/h以下的降雪而低估2.6 mm/h以上的强降雪。一方面说明雷达回波对于降雪强弱变化不是很敏感,另一方面在业务实际工作中有可能利用这种一致性的误差进行订正,以提高降雪估测精度。      

2006-2015年上海嘉定区气温和降水非均匀分布特征分析

利用上海嘉定区2006-2015年9个自动气象观测站的逐小时观测资料,通过对气温和降水日变化差异、年变化特征、空间分布状况的分析,研究了该地区气温和降水时空非均匀性分布特征。研究结果表明：嘉定区气温和降水日变化存在局地差异和季节差异,日最高气温出现时间在四季中最为集中,而日最低气温出现时间则比较分散;年平均气温呈走低趋势,而年降水量从整体上来说却呈增加趋势;上海嘉定区东南角为气温高值区且降水量相对偏大,中部地区为降水量高值区且气温也相对偏高,而北部降水量偏少且气温偏低,表明嘉定区东南部和中部相对暖湿,而北部偏干冷;气温和降水的标准差空间分布差异大,表明上海嘉定区气温和降水的空间非均匀性特征显著。通过嘉定气温和降水的时空演变规律的揭示,有助于更好地认识小尺度局部区域气候特征,也能为准确认识该地区的极端事件、精细化天气预报及区域气象灾害风险评估提供更加科学的气候变化背景。