雷达反演潜热在华南区域数值模式汛期短时临近降水预报的应用试验

为了评估潜热对短临降水预报的影响,基于雷达反演潜热的基础上,以2014年3月30日的强降水个例和2013年5月的31天为样本,进行了初值有无引入潜热释放引起位温增量的批量试验。(1)强降水个例模拟试验发现,初值引进潜热后预报的12 h累积降水中心与实况一致,预报的前4 h雷达反射率从范围、强度上更接近观测的反射率,逐小时TS比无潜热试验要高。(2)诊断分析表明模式初值引进潜热后,调整降水区域上空大气的温度结构,订正或加强次级环流,触发对流不稳定能量释放,利于成云致雨。(3)批量对比试验反映初值潜热对前12 h逐时降水预报一直保持正影响。      

基于扰动模式的四维变分资料同化系统框架的设计完善和数值试验

为了建立一个应用于区域数值预报的四维变分资料同化（4DVar）系统,在近期开发的扰动预报模式GRAPES_PF基础上,开发完善增量四维变分同化系统框架。该框架中暂不包含物理过程（长短波辐射、边界层过程、对流参数化和云微物理等）。对比业务使用的GRAPES 3DVar系统,增加了温度控制变量。将无量纲Exner气压与流函数的线性风压平衡方程直接在地形追随垂直坐标面上求解,且通过广义共轭余差法（GCR）求解扰动亥姆霍兹（Helmholtz）伴随方程。利用人造“探空”资料对2015年10月台风“彩虹”进行了理想数值试验。试验结果表明,所开发的扰动四维变分同化框架得到了预期的结果,即同化更多资料并反复受到模式约束的四维变分同化系统能有效改善初值质量,进而改善区域数值预报。建立的区域四维变分同化框架合理可行,为进一步发展包含完整物理过程的区域四维变分同化系统奠定了研究基础。      

雷达定量降水动态分级Z-I关系估算方法

利用高时空分辨率的雷达定量降水估测和预报(RQPE和RQPF)对洪水监测、发布洪水警报起重要指导作用，目前国内外对其研究的方法主要采用概率配对法、Z-I关系法和基于Z-I关系的数学算法校正法，这些方法均存在强调某一因素忽略其它因素的问题，并且对短时强降水，尤其是极强降水低估严重。从统计和个例两方面对比分析了四种雷达定量降水方法的误差，致力于寻找一种将雷达回波反射率预报场反演为降水场时误差较小的技术方法，能改进对短时强降水、特别是极强降水严重低估问题的方法，并且该方法也能在业务应用中方便、快速、精确实现。对比研究结果表明：动态分级Z-I关系法是一种对雷达QPE和回波反射率预报场反演降水场都较好的方法，并且改进了对短时强降水、尤其是大于55 mm/h的短时极强降水低估的问题；在业务计算中仅需15秒，能满足6分钟更新一次计算结果的需要，而且不依赖气候统计，便于移植。     

0～6 h定量降雪(雨)预报技术及其在温哥华冬奥会中的应用

利用中尺度数值预报模式与雷达回波外推技术相结合,围绕SNOWV10项目的科学目标,在自动判识降水相态(雨、雪或雨雪混合物)基础上,利用雷达反演降雪(雨)关系,建立短时(0～6 h)定量降雪(雨)预报方法,并集成到GRAPES-SWIFT临近预报系统,为温哥华冬奥会提供实时场馆预报产品.从2010年2月冬奥会使用情况看,所建立的定量降雪(雨)预报技术,一定程度满足高纬度冬季降雪(雨)临近预报预警的需求,但降水(雨或雪)预报量级偏小,针对场馆的降水预报起止时间节奏偏差较大,各时次预报一致性有待改进.     

广东省后汛期强对流天气潜势预报方法研究

利用2007—2008年两年7—10月广东后汛期强对流天气出现时的雷达资料、对应的GRAPES模式资料以及地市台站上报的强对流天气发生的实况,把瞬时大风〉17.2 m·s^-1、冰雹、龙卷作为强对流发生的依据,对上述数据进行整理。根据广州热带海洋研究所中尺度模式的输出GRAPES资料,结合雷达CAPPI数据,计算单体的各层风速、温度、湿度、有效位能等环境特征量,将单体特征和模式计算的单体环境场要素以及强对流发生实况,通过多元逐步回归方法建立后汛期强对流天气潜势预报方程,据此对发生于广东省后汛期强对流天气（如雷雨大风、冰雹和龙卷风）进行0～1小时临近预报。用预报成功率（POD）、虚假警报率（FAR）和关键成功指数（CSI）衡量方法的预报性能。共有5540个有效样本参与回归计算,31个因子中有12个引入了回归方程,建立的预报方程在阈值取为0.26时,得到的预报成功率POD为0.73,虚假警报率FAR为0.61,关键成功指数CSI为0.338,各项指标均要好于前汛期预报性能;从实际的预报能力来看,在后汛期强对流潜势预报中,后汛期强对流潜势预报方法得到的空报率和漏报率都要低于前汛期,预报效果较好,可用于广东后汛期的强对流天气潜势预报中。     

离岸型背景风和海陆风对珠江三角洲地区灰霾天气的影响

不同类型的背景场和海陆风对珠江三角洲地区大气灰霾有不同的影响。作者主要利用空气质量模式系统Models-3 (MM5/SMOKE/CMAQ)研究离岸型背景风和海陆风对珠江三角洲一次灰霾天气的影响, 结果表明, 中尺度气象模式MM5对珠江三角洲地区这次灰霾天气的气象模拟, 较好地模拟了风速和风向的变化。多尺度空气质量模式CMAQ模拟出了PM10浓度的变化, 与观测值比较一致。在这次灰霾天气过程中, 由于离岸型背景风与陆风风向一致, 在陆风维持的情况下, 内陆源区的PM10被输送到沿海地区, 导致沿海城市和海面上PM10浓度比较高; 而在海风维持的情况下, 海风与离岸型背景风方向相反, 造成海风较小, 致使整个珠江三角洲地区灰霾天气都比较严重。敏感性试验结果表明离岸背景风和海陆风的相互作用对灰霾天气的生成与分布有重大的影响。     

华南区域高分辨率数值模式前汛期预报初步评估

基于华南地区自动站逐小时观测资料, 采用传统站点评分、邻域法等评估华南区域高分辨率数值模式(包括GRAPES_GZ_R 1 km模式和GRAPES_GZ 3 km模式)对降水、地面温度和风场等要素的预报能力。结果表明: GRAPES_GZ_R 1 km模式的降水预报技巧优于GRAPES_GZ 3 km模式, 模式预报以正偏差为主。对于不同起报时间的预报, 00时(世界时, 下同)起报的预报效果优于12时。GRAPES_GZ_R 1 km模式的TS评分是GRAPES_GZ 3 km模式的两倍以上, 对不同降水阈值的评分均较高。分数技巧评分(FSS)显示GRAPES_GZ_R 1 km模式6 h累计降水预报在0.1 mm、1 mm及5 mm以上的降水均可达到最低预报技巧尺度, 对所检验降水对象的空间位置把握能力更好。2 m气温和10 m风速检验结果表明两个模式均能较好把握广东省温度的分布特征, GRAPES_GZ_R 1 km模式对2 m气温预报结果优于GRAPES_GZ 3 km模式, 预报绝对误差更小; 两个模式对风速的预报整体偏强, 预报偏差在1~4 m/s之间, 但相比之下GRAPES_GZ 3 km模式在风场预报上表现更好。GRAPES_GZ_R 1 km模式的2 m气温和10 m风速预报偏差随降水过程存在明显波动, 强降水过后温度预报整体偏低, 风速预报偏强, 在模式产品订正、使用等需要考虑模式对主要天气系统的预报情况。总的来说, GRAPES_GZ_R 1 km模式的预报产品具有较好的参考价值。      

GRAPES区域扰动预报模式动力框架设计及检验

设计了适用于四维变分同化系统的扰动预报模式GRAPES_PF。根据GRAPES的地形追随坐标非静力原始方程组,采用小扰动分离方法推导微分形式的线性扰动预报方程组,并利用与GRAPES非线性模式相似的数值求解方案求解线性扰动微分方程组。在设计扰动预报模式时采用了两个时间层半隐式半拉格朗日方案对动量方程、热力学方程、水汽方程和连续方程进行时间差分,空间差分方案的变量分布水平方向采用Arakawa C跳点网格,垂直方向采用Charney/Phillips跳层。利用代数消元法进一步推导得到只包含未来时刻扰动Exner气压的亥姆霍兹方程,进而通过广义共轭余差法(GCR)求解,在此基础上得到未来时刻扰动量的预报值。基于所开发的扰动模式开展了数值试验。首先在非线性模式中施加一个中尺度初始扰动高压,得到初始扰动在非线性模式中的后续演变,然后将相同的初始扰动作为扰动模式的初值进行时间积分,将扰动模式预报的结果与非线性模式的结果做了对比。结果表明,所开发的扰动模式GRAPES_PF较好地模拟了惯性重力内波的传播过程:初始高压扰动激发了一个迅速向外传播的惯性重力内波,...     

DYNAMICAL PREDICTION OF WEST CHINA AUTUMN RAINFALL BY THE NCEP CLIMATE FORECAST SYSTEM

This study investigates the variation and prediction of the west China autumn rainfall (WCAR) and their associated atmospheric circulation features, focusing on the transitional stages of onset and demise of the WCAR. Output from the 45-day hindcast by the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) Climate Forecast System version 2 (CFSv2) and several observational data sets are used. The onset of WCAR generally occurs at pentad 46 and decays at pentad 56, with heavy rainfall over the northwestern China and moderate rainfall over the south. Before that, southerly wind changes into southeasterly wind, accompanied by a westward expansion and intensification of the western Pacific subtropical high (WPSH), favoring rainfall over west China. On the other hand, during the decay of WCAR, a continental cold high develops and the WPSH weakens and shifts eastward, accompanied by a demise of southwest monsoon flow, leading to decay of rainfall over west China. The CFSv2 generally well captures the variation of WCAR owing to the high skill in capturing the associated atmospheric circulation, despite an overestimation of rainfall. This overestimation occurs at all time leads due to the overestimated low-level southerly wind. The CFSv2 can pinpoint the dates of onset and demise of WCAR at the leads up to 5 days and 40 days, respectively. The lower prediction skill for WCAR onset is due to the unrealistically predicted northerly wind anomaly over the lower branch of the Yangtze River and the underestimated movement of WPSH after lead time of 5 days.