On characterizing the temporal dominance patterns of model parameters and processes

Diagnostic analyses of hydrological models intend to improve the understanding of how processes and their dynamics are represented in models. Temporal patterns of parameter dominance could be precisely characterized with a temporally resolved parameter sensitivity analysis. In this way, the discharge conditions are characterized, that lead to a parameter dominance in the model. To achieve this, the analysis of temporal dynamics in parameter sensitivity is enhanced by including additional information in a three‐tiered framework on different aggregation levels. Firstly, temporal dynamics of parameter sensitivity provide daily time series of their sensitivities to detect variations in the dominance of model parameters. Secondly, the daily sensitivities are related to the flow duration curve (FDC) to emphasize high sensitivities of model parameters in relation to specific discharge magnitudes. Thirdly, parameter sensitivities are monthly averaged separately for five segments of the FDC to detect typical patterns of parameter dominances for different discharge magnitudes. The three methodical steps are applied on two contrasting catchments (upland and lowland catchment) to demonstrate how the temporal patterns of parameter dynamics represent different hydrological regimes. The discharge dynamic in the lowland catchment is controlled by groundwater parameters for all discharge magnitudes. In contrast, different processes are relevant in the upland catchment, because the dominances of parameters from fast and slow runoff components in the upland catchment are changing over the year for the different discharge magnitudes. The joined interpretation of these three diagnostic steps provides deeper insights of how model parameters represent hydrological dynamics in models for different discharge magnitudes. Thus, this diagnostic framework leads to a better characterization of model parameters and their temporal dynamics and helps to understand the process behaviour in hydrological models. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

地形性中尺度环流的数值模拟及验证

建立了一个高分辨三维边界层诊断模式以模拟下垫面热力和动力的 非均匀性对边界层结构的影响。模式模拟了广东大亚湾核电站厂址区域（12 km×12 km） 47个典型天气系统下的地形性中尺度环流,其大坑的模拟风向、风速和温度与观测值 相比,风向差小于17.5#+[o]的概率为87.5%,风速比值在0.7～1.3之间的概率为72.9%, 温度差小于0.4#+[o]C的概率为72.9%。     

柴达木盆地区域性中到大雨个例分析

应用平均场资料,对2005年7月7~10日柴达木盆地东部出现的区域性中到大雨天气过程进行了综合分析。结果表明:此次区域性中到大雨过程的发生与巴尔喀什湖低槽不断分裂的小槽、柴达木盆地对流层中低层的低涡(切变)和副高外围强盛发展的西南暖湿气流的共同作用密切相关。对流层中低层辐合、高层辐散和高湿度区的维持,以及强散度柱、强涡度柱耦合和高低空急流的稳定维持是产生这次区域性中到大雨天气过程的主要原因。     

一次暴雨空报的诊断分析

实时天气系统的时空分布、多个物理要素、雷达回波特征都表现出24小时内鄂东地区及武汉单站有暴雨天气发生,结果暴雨空报。为了找到暴雨空报原因,对T213数值预报产品中多个物理要素进行诊断分析。首先根据物理量场分析鄂东地区暴雨是否产生;其次根椐物理量值分析武汉单站有否暴雨。结果表明：鄂东及武汉单站多个物理要素场和值不支持有暴雨产生。如：没有能量锋区、湿度锋区和水汽的辐合支持降水天气系统继续发展和加强,鄂东不会产生区域性暴雨。武汉单站涡度平流反映出低层正值高层负值,这种配置没有动力作用。垂直速度表明在汉口上空整层为下沉气流区,产生不了动力不稳定。单站ra和rf值表现出,前者为正值的水汽辐散;后者为小值。K指数不但没有达到K≥35℃以上,而且表现出逐日递减。这几种要素值都不支持单站次级环流的产生,所以,武汉不会发生暴雨。     

2006-06-13贵州省望谟县大暴雨的诊断分析

利用NCEP／NCAR再分析资料、观测资料、FY-2C的红外云图TBB资料以及多普勒雷达的实时监测资料,对2006年6月13日发生在贵州省望谟县的突发大暴雨天气进行了研究,综合分析了此次强降水天气过程的影响系统、中尺度对流云团的发生发展演变、雷达回波特征及物理量场特征。结果表明,望谟县的短时强降水是受河套冷空气快速南下影响而致使贵州中部的辐合线南压锋生诱发β中尺度云团的生成与强烈发展所引起的。强降水区域与低层辐合带直接相关;对流层低层有能量锋出现,锋前积聚较强的潜在湿有效位能,在斜压扰动下,激发了倾斜垂直涡度的发展,导致大气层结对流性不稳定强烈发展,使中尺度对流系统得以发展和维持;雷达回波图反映了典型的中尺度系统特征。     

地面降水诊断方程对降水过程的定量诊断

降水, 尤其是强降水 (暴雨), 对国家经济发展、 社会建设以及人民生活影响巨大, 然而由于同降水相关的物理过程非常复杂, 因此, 对降水的研究与预测十分困难。过去有关降水的研究大多关注水汽及水汽辐合 (输送) 的影响, 对与降水有关的水汽收支研究较多。Gao et al.(2005a) 率先将大气中水汽和云中水凝物 (云水、 雨水、 云冰、 雪及霰等) 的变化方程结合起来, 得到一个地面降水诊断方程, 从而可以将与降水有关的大气中水汽和云的演变过程在同一框架下定量地分析研究。本文利用一套21天长度的热带云分辨尺度模拟资料, 通过计算地面降水诊断方程中的局地水汽变化、 水汽辐合辐散率、 地面蒸发率以及云的变化率等各项, 分析了这些物理过程对降水的贡献, 指出局地水汽和云的变化率、 水汽辐合率, 地面蒸发率等均对地面降水有重要贡献。区域平均资料分析表明, 若水汽辐合与局地大气变干共存, 则产生强降水; 若存在水汽辐合但局地大气增湿或者存在水汽辐散但局地大气变干, 则引起中等强度降水; 若水汽辐散与局地大气增湿共存, 则造成弱降水。将降水划分成对流和层状降水进行分析发现, 对流降水率一般大于层状降水率, 水汽辐合是对流降水最主要的水汽源, 而局地大气变干则是层状降水最主要的水汽源。区域平均局地大气变干主要发生在降水性层状云区, 而最强的局地大气增湿则发生在对流云区和晴空区; 最强的局地云的消散发生在层状云区, 而最强的局地云的发展发生在对流云区。     

载人飞船主着陆场区强对流天气成因

从数值预报资料入手,结合风廓线雷达、多普勒雷达及自动气象观测资料对2008年9月14日飞船主着陆场区一次雹暴过程进行分析。结果表明:这次雹暴过程中气象要素变化剧烈;侵入蒙古低压的冷锋带动中尺度辐合线移近场区时触发强对流迅猛发展;雹暴前期垂直风切变显著增大;深厚的对流不稳定层结、强烈的正涡度平流和垂直上升运动等是雹暴的主要成因;雹暴前期TBB值迅速降低,雷达RHI回波图上,在无回波穹窿区上部为雹源区;冰雹落在θse舌轴的北侧和高空锋区的南侧。     

THERMAL FORCING IMPACTS OF THE EASTERLY VORTEX ON THE EAST-WEST SHIFT OF THE SUBTROPICAL ANTICYCLONE OVER WESTERN PACIFIC OCEAN

By employing the NCEP/NCAR reanalysis data sets(1 000 to 10 hPa,2.5°× 2.5°),the thermal forcing impacts are analyzed of an easterly vortex(shortened as EV) over the tropical upper troposphere on the quasi-horizontal movement of the Western Pacific Subtropical Anticyclone(shortened as WPS A) during 22-25 June 2003.The relevant mechanisms are discussed as well.It is shown that the distribution and intensity of the non-adiabatic effect near the EV result in the anomalous eastward retreat of the WPSA.The WPSA prefers extending to the colder region,i.e.,it moves toward the region in which the non-adiabatic heating is weakening or the cooling is strengthening.During the WPSA retreat,the apparent changes of non-adiabatic heating illustrate the characteristics of enhanced cooling in the east side of the EV.Meanwhile,the cooling in the west side exhibits a weakened eastward trend,most prominently at 300 hPa in the troposphere.The evidence on the factors causing the change in thermal condition is found:the most important contribution to the heating-rate trend is the vertical transport term,followed in turn by the local change in the heating rate term and the horizontal advection term.As a result,the atmospheric non-adiabatic heating generated by the vertical transport and local change discussed above is mainly connected to the retreat of the WPSA.     

石家庄盛夏一次暴雨空报诊断分析

实时天气系统的时空分布、多个物理量要素都表明2007年7月18日河北省石家庄市东、南和北部将有暴雨天气发生的可能,结果暴雨并没有发生.为了找到暴雨空报的原因,对常规资料和各种数值预报产品进行诊断分析.结果表明:(1)石家庄地区处于2条切变线的中间区域,导致缺少强降水的垂直条件(中、低层的切变线),这是暴雨空报的最主要原因;(2)利用离石家庄最近的邢台探空站的物理量特征来判断石家庄对流发展程度效果较差,这和探空站空间尺度较大有关,这是空报原因之二;(3)缺少有效的数值预报产品是预报失误原因之三:(4)这次邢台、邯郸的暴雨天气系统可定为西南涡类暴雨.利用卫星水汽云图和雷达、国家级自动站要素资料相结合可以大大提高灾害性天气预警能力.     

Circulation Around Luzon Strait in September as Inferred from CTD,Argos and Argo Measurements and a Generalized Topography-Following Ocean Model

The hydrography, wind, Argos and Argo measurements in the areas surrounding Luzon Strait were collected. Based on the hydrographic data obtained during September 1994, the improved Princeton Ocean Model using a generalized topography-following coordinate system together with a modified inverse method was applied to study the circulation in September. Observations and the diagnostic simulation produce a consistent circulation pattern, and the main dynamical features can be summarized as follows. (1) The Kuroshio has two branches with the main Kuroshio existing above 800 m depth and the western part existing above 400 m depth. The western branch of the Kuroshio leaves the main current near 20.5°N, then flows northwestward through Luzon Strait and finally flows out of the northern boundary southwest of Taiwan, consistent with the trajectory of Argos drifters. (2) The non-linear term is important and cannot be neglected in the momentum equations in the northern part of Luzon Strait under the baroclinicity field. Using non-linear dynamics, the westward intrusion of the Kuroshio into the northern part of Luzon Strait is more curved than when using linear dynamics. However, the non-linear term is smaller and so negligible around Luzon Strait under the homogeneous density field. (3) In the area from 117°E to 119°E and from 20.2°N to 21.7°N, an anticyclonic eddy appears east of Dongsha Islands. (4) At depths above 400 m, the circulation is mainly dominated by the basin-scale cyclonic gyre. (5) In the computational domain west of 121°E, the circulation below 800 m is mainly dominated by the basin-scale anticyclonic gyre. (6) The South China Sea water flows eastward across Luzon Strait in the middle layers, then turns cyclonically, finally flowing northward into the region east of Taiwan Island, which is qualitatively in agreement with the trajectories of Argo floats at about 1000 m depth in the area east of 121°E.

RÉSUMÉ?[Traduit par la rédaction] Nous avons rassemblé l'hydrographie, le vent, les Argo et les mesures Argo dans les régions avoisinant le détroit de Luçon. Sur la base des données hydrographiques relevées durant le mois de septembre 1994, nous avons appliqué le modèle océanique amélioré de Princeton utilisant un système de coordonnées « suivant le terrain » généralisé de pair avec une méthode inverse modifiée pour étudier la circulation en septembre. Les observations et la simulation diagnostique produisent une configuration de circulation cohérente dont on peut résumer comme suit les principales caractéristiques dynamiques. (1) Le Kuroshio possède deux branches : le Kuroshio principal existant au-dessus d'une profondeur de 800 m et la partie ouest existant au-dessus d'une profondeur de 400 m. La branche ouest du Kuroshio quitte le courant principal aux environs de 20,5°N et se dirige vers le nord-ouest à travers le détroit de Luçon pour finalement franchir la limite nord du détroit au sud-ouest de Taïwan, ce qui correspond à la trajectoire des bouées dérivantes Argos. (2) Le terme non linéaire dans les équations est important et ne peut pas être considéré négligeable de quantité de mouvement dans la partie nord du détroit de Luçon dans le champ de baroclinité. Lorsqu'on utilise la dynamique non linéaire, l'intrusion vers l'ouest du Kuroshio dans la partie nord du détroit de Luçon est plus incurvée que lorsqu'on utilise la dynamique linéaire. Cependant, le terme non linéaire est plus petit et donc négligeable autour du détroit de Luçon dans le champ de densité homogène. (3) Dans la région allant de 117°E à 119°E et de 20,2°N à 21,7°N, un remous anticyclonique apparaît à l'est des îles Dongsha. (4) Aux profondeurs inférieures à 400 m, la circulation est principalement dominée par le gyre cyclonique à l’échelle du bassin. (5) Dans le domaine de calcul à l'ouest de 121°E, la circulation sous 800 m est principalement dominée par le gyre anticyclonique à l’échelle du bassin. (6) Les eaux de la mer de Chine méridionale s’écoulent vers l'est à travers le détroit de Luçon dans les couches intermédiaires, puis tournent de façon cyclonique pour finalement s’écouler vers le nord dans la région à l'est de l’île Taïwan, ce qui, qualitativement, s'accorde avec la trajectoire des flotteurs Argo à environ 1000 m de profondeur dans la région à l'est de 121°E.