基于多尺度混合滤波的GRAPES_3Dvar及其在实际暴雨预报中的应用分析

为提高暴雨的数值模拟和预报效果,在生成初值的同化分析中保证中小尺度信息的引入十分重要。为改善GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)区域三维变分同化系统对中小尺度信息的引入,本文利用气候态背景误差样本估计变量误差的水平协相关尺度,进而利用三个不同水平特征尺度的递归滤波器对统计结果予以拟合,以替代原有单一尺度的递归滤波方案。利用新方案对2015年6月1—2日江汉平原的暴雨过程进行同化和预报,研究结果表明:新方案的功率谱衰减较慢,通过单点试验和分析场分析发现,新同化方案引入了更多的α中尺度信息;在暴雨个例的预报中发现,利用新同化方案后湿度场、散度场和涡度场在分析场和预报场中更加接近实际情况,降水预报技巧明显提高。通过能量谱分析发现,新方案与原方案相比反映出更多的α中尺度信息;新方案对江汉平原地区暴雨预报具有正效果,在α中尺度内出现了低层辐合、高层辐散及湿度增加等有利于降水的要素。在暴雨个例的基础上,本文进行16d的批量试验,结果显示新方案对降水的预报技巧明显提高,与个例结果一致。     

登陆台风“罗莎”中云物理特征的数值模拟研究

选取2007年16号超强台风“罗莎”为个例,利用耦合了双参数混合相云降水物理方案的 GRAPES中尺度模式对其进行模拟,并结合实况雨量、雷达及卫星资料分析了本次台风暴雨的结构及云微物理特征。结果表明,低空急流和不稳定的温度层结为本次降水过程提供了有利的天气条件。强降水中心主要出现在台风云系的北部和东部,在模拟时段内6小时累积降水最大值超过100 mm。积分固态水含量与液态水相当,说明冰相粒子在形成降水的过程中起重要作用。从CloudSat卫星探测结果来看,强对流发生在台风眼周围的云墙中。根据模拟结果分析,台风东北部的强降水属于对流云降水,最强上升气流出现在0 ℃等温线之下的暖区;西南部的降水强度比较均匀,强上升气流出现在高层冷云中,有利于冰粒子的形成和生长。      

Performance Evaluation of the GRAPES Model in Wind Simulations Over South China

In the present study, the performance of the GRAPES model in wind simulation over south China was assessed. The simulations were evaluated by using surface observations and two sounding stations in south China. The results show that the GRAPES model could provide a reliable simulation of the distribution and diurnal variation of the wind. It showed a generally overestimated southerly wind speed especially over the Pearl River Delta region and the south of Jiangxi Province as well as the coastal region over south China. GRAPES also exhibited a large number of stations with the opposite surface wind directions over the east of Guangxi and the south of Jiangxi during the nocturnal- to-morning period, as well as an overall overestimation of surface wind over the coastal regions during the afternoon. Although GRAPES could simulate the general evolutional characteristics of vertical wind profile, it underestimated wind speed above 900 hPa and overestimated wind speed below 900 hPa. Though the parameterization scheme of gravity wave drag proved to be an effective method to alleviate the systematic deviation of wind simulation, GRAPES still exhibited large errors in wind simulation, especially in the lower and upper troposphere.     

南亚高压与偏北风急流出口区的暴雨生成机制

利用MM4中尺度模式,模拟了1998年7月21日08：00~22日08：00(北京时),一次西北风急流的暴雨过程。分析发现,西北风高空急流与南亚高压环流形成的辐散辐合场导致一对中尺度正反环流的生成,使暴雨得以维持与加强。在暴雨区北部,中高层条件性对称不稳定可使下沉运动加速,对北支环流的维持起关键作用;雨区南部,南支环流圈的维持与高层北风中心的加强有关。北支环流圈的加强以及动量下传使暴雨区北部低层的北风分量维持。该北风分量与雨区南部环流的南风分量形成低层辐合。     

Diagnostic Study of Global Energy Cycle of the GRAPES Global Model in the Mixed Space-Time Domain

Some important diagnostic characteristics for a model’s physical background are reflected in the model’s energy transport, conversion, and cycle. Diagnosing the atmospheric energy cycle is a suitable way towards understanding and improving numerical models. In this study, formulations of the “Mixed Space-Time Domain”energy cycle are calculated and the roles of stationary and transient waves within the atmospheric energy cycle of the Global-Regional Assimilation and Prediction System （GRAPES） model are diagnosed and compared with the NCEP analysis data for July 2011. Contributions of the zonal-mean components of the energy cycle are investigated to explain the performance of numerical models. The results show that the GRAPES model has the capability to reproduce the main features of the global energy cycle as compared with the NCEP analysis. Zonal available potential energy （AZ） is converted into stationary eddy available potential energy （ASE） and transient eddy available potential energy （ATE）, and ASE and ATE have similar values. The nonlinear conversion between the two eddy energy terms is directed from the stationary to the transient. AZ becomes larger with increased forecast lead time, reflecting an enhancement of the meridional temperature gradient, which strengthens the zonal baroclinic processes and makes the conversion from AZ to eddy potential energy larger, especially for CAT （conversion from AZ to ATE）. The zonal kinetic energy （KZ） has a similar value to the sum of the stationary and transient eddy kinetic energy. Barotropic conversions are directed from eddy to zonal kinetic energy. The zonal conversion from AZ to KZ in GRAPES is around 1.5 times larger than in the NCEP analysis. The contributions of zonal energy cycle components show that transient eddy kinetic energy （KTE） is associated with the Southern Hemisphere subtropical jet and the conversion from KZ to KTE reduces in the upper tropopause near 30？S. The nonlinear barotropic conversion between stationary     

GRAPES区域集合预报尺度混合初始扰动构造的新方案

集合预报初始扰动能否准确反映预报误差的结构特征是决定区域集合预报质量的关键因素之一。本文针对GRAPES区域数值预报模式,发展设计了一种基于资料同化思想的混合尺度初始扰动构造新方案。该方案以全球大尺度信息为背景场,区域模式预报作为观测资料,借助GRAPES三维变分同化系统,将高质量的全球大尺度信息与区域模式预报中质量较高的中小尺度信息有效融合,构造混合尺度区域集合预报初始扰动,并通过个例试验和批量试验,比较分析了新方案和原区域集合预报的性能。试验结果表明,基于资料同化构造的初始扰动能够有效融合全球大尺度信息和中小尺度天气系统的信息,其降水概率预报更具参考价值。总体上看,区域集合预报混合初始扰动新方案能够较好地改进区域集合预报质量,尤其是对高度场和温度场效果更为显著,但对风场的集合预报性能影响略小。     

三种数值模式对四川省汛期降水预报性能的检验

应用国家基本观测站资料,基于MET系统的客观统计检验方法,针对24h降水分别评估SWCWARMS模式、GRAPES模式和ECMWF模式对2017～2019年5～10月四川地区汛期预报能力,得到如下几点结论：(1)SWCWARMS模式小到大暴雨降水范围大于实况,GRAPES模式小到暴雨降水范围大于实况、大暴雨多漏报,ECMWF模式小雨和中雨降水范围大于实况、大到大暴雨多漏报,三个模式无降水或微量降水均少于实况。(2)ECMWF模式对四川雨季小到大雨预报能力优于SWCWARMS和GRAPES模式,SWCWARMS模式在部分时次上暴雨和大暴雨预报优于ECMWF模式,GRAPES模式TS评分略偏低。(3)GRAPES模式在2018年秋季开始中雨及以上量级降水预报上改善大于SWCWARMS和ECMWF模式,SWCWARMS模式2019年空报较2017年和2018年显著降低;3个模式在小雨和中雨预报上不相上下,GRAPES模式优势在2019年大雨和暴雨预报上,ECMWF模式优势在2017年秋季和2018年初夏大雨预报上,SWCWARMS模式大雨和暴雨预报能力介于二者之间。(4)ECMWF和SWCWARMS模式川东预报优于川西,GRAPES模式川西预报优于川东;三个模式存在不同程度空报,川东地区空报略多于川西,其中ECMWF模式空报最多。     

冬季高海拔复杂地形下GRAPES Meso要素预报的检验评估

利用GRAPES(Globe/Regional Assimilation and Prediction System)对2010年温哥华奥运会6个场馆气温、相对湿度、风及降水量的预报结果,采用预报准确率、平均误差、平均绝对误差、Alpha Index、TS和ETS评分等统计量对其进行了较详细的评估。结果表明:GRAPESMeso预报相对湿度的准确率最高,且随预报时效的增加,其变化趋于稳定。起初模式对相对湿度的预报偏干,之后逐渐变为预报偏湿;气温预报偏低;风速预报偏大。逐日各要素预报检验结果表明,气温的变化幅度最小;各级降水检验发现,晴雨预报的TS评分最高,且随降水增大,ETS评分逐渐接近TS。与其他模式预报结果对比发现,GRAPES-Meso对复杂地形下要素预报还存在一定的不足。本研究还发现,模式存在一定的系统误差,若能有效订正其误差,将有助于改进模式预报。     

热带气旋路径数值模式业务试验性能分析

在中国气象局数值预报创新基地开发的GRAPES基础上,建立了热带气旋路径预报系统(GRAPES-TCM).并对2002、2003年热带气旋进行了一系列时间为48 h的路径后报试验,对2004年的热带气旋路径进行准业务预报.针对热带气旋路径预报的分析表明,GRAPES_TCM对热带气旋路径具有良好的预报能力.比较了2004年GRAPES_TCM准业务预报同北京数值预报和日本数值预报的结果,GRAPES_TCM的预报结果比北京的好,与日本数值预报相比仍有较大的差距.GRAPES_TCM计算的总的热带气旋24、48h平均距离误差大约为150、250km.GRAPES_TCM计算的热带气旋路径的平均距离误差随着其初始强度的增强而减小,台风级的热带气旋路径的24 h平均距离误差仅为111km,48h平均距离误差也在210km左右,与此同时,预报的强热带风暴的24和48h平均距离误差则为166.6和242.6km.GRAPES_TCM后报的\     

对流天气系统自动站雨量资料同化对降雨预报的影响

利用GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统)三维变分同化系统,针对对流天气系统特点,用改进的郭晓岚对流参数化方案作为观测算子,同化广东省自动站记录的对流天气系统的雨量资料,并且与同化探空资料进行了比较.在雨带有明显改进的区域,分别同化这两种资料都可以调整大气低层水汽辐合增加(或辐散),对流层中下层增暖增湿(或变冷变干),从而增加(或减少)降水,表明降水的同化方案对初始场的调整在一定