土地利用资料的更新对四川盆地高温天气数值模拟的影响

土地利用情况影响区域天气和气候,采用与实况更为接近的下垫面资料能够为数值预报提供有力支撑。使用中尺度数值模式WRF对2019年8月四川盆地高温过程进行数值模拟试验,对比基于2019年更新的MODIS土地利用数据与WRF自带土地利用资料的差异,分析下垫面资料的更新对数值模拟效果的影响。结果表明：两组土地利用资料存在明显差异,更新后的MODIS资料刻画更为精细,模拟区域的土地利用类型更加丰富。2 m气温对土地利用资料十分敏感,更新土地利用资料后两次个例平均的2 m气温2℃以内的模拟准确率提高6.2%,日最高气温模拟准确率提高31.3%;而日最低气温模拟准确率下降2.1%。土地利用资料变化明显的四川盆地内部较更新前增温明显,局部增温超过4℃,最高气温模拟偏低的状况明显改善。选取四川盆地内部地表类型由农田转为城市和建筑的合川站作为典型站点进行分析,发现土地利用类型更新后发射率减小,植被气孔阻抗增大,粗糙度增大,陆面参数的变化导致地表对边界层大气向上的感热输送增加,地表蒸发及大气水分供应减少,气温升高,边界层高度升高。模拟初期土地利用资料的更新造成模拟差异的局地性较强,随着模拟时间增加,逐渐影响...     

基于迁移学习方法的山东冷云冰晶特征分布研究

为分析冷云中冰晶的分布特征,揭示冰晶增长演变机制,根据冰晶形状和尺度特征分为8类并进行标注,同时标注1类隔断栏进行数据质量控制,将9类标签图像整合并建立图像集,利用迁移学习VGGNet16方法进行识别训练,经训练模型分类准确率达98%。将模型应用到秋季冷云冰晶特征研究中,选取3次积层混合云和3次层状云降水过程,分析冰晶形状在不同温度区间的占比及冰晶谱变化特征,结果表明,温度通过影响冰晶基面与棱面的比值来决定冰晶初始形状分布,相同温度区间积层混合云内球状冰晶和线型冰晶占比高于层状云,低于-12℃后各类冰晶占比相对固定;积层混合云内线型冰晶直径集中在300~800 μm,冰晶谱呈多峰分布,聚合体直径大于600 μm,冰晶谱首尾两端浓度相当,球状冰晶直径集中在120～300 μm,冰晶谱呈单调下降趋势。     

红外高光谱资料近地面通道应用

由于下垫面的复杂性,卫星近地面通道的辐射率资料没有得到充分开发和利用。就我国自主研发的GRAPES 3DVar而言,红外高光谱近地面通道资料还没有应用于陆地,即使在下垫面相对简单的海洋,由于背景场海表温度估计不够准确,红外高光谱资料的使用效果也不甚理想。针对GRAPES模式的背景场海表温度估计不够准确这一问题,本文利用大气红外探测仪器AIRS(The Atmospheric Infrared Sounder)辐射率观测资料通过一维变分（1DVar）方法对其晴空视场点内的背景场海表温度进行调整,再运用GRAPES全球分析预报系统进行同化分析,研究了海表温度调整后对分析场的影响。结果表明,利用一维变分调整后的海表温度不仅使得低层通道的模拟亮温与观测亮温更加匹配,而且有效地改进了分析场,对位势高度场高、中、低层均有不错的改进,对低层湿度场以及风场的改进也较为明显。     

基于统一高度Cressman方法的地面2m气温客观分析

针对离散站点资料格点化的业务需求及 Cressman 方法在地形复杂区域客观分析存在的问 题,利用山东及周边省自动气象站观测的 2 m气温和 ECMWF预报的海上 2 m气温,结合山东省中尺度数值预报位温递减率、90 m分辨率 SRTM高程数据,采用统一高度 Cressman 方法对山东省地面2 m气温进行客观分析,生成了逐 1 h、0.01°×0.01°高分辨率的地面 2 m气温格点产品。结果表明,统一高度 Cressman 方法的客观分析格点产品在地形复杂区域的分析更合理,月平均误差基本在±1 ℃以内,鲁中山区地形高度较高区域月平均误差略大于鲁西北、鲁西南、鲁东南和山东半岛等地的平原地区,气温偏低的10、11、12月温度准确率均略低于 5、6、7、8、9 月;2020 年 5—12 月平均误差为－0.0039 ℃,平均绝对误差为 0.1469 ℃,均方根误差为 0.3597 ℃,2 ℃以内准确率为 99.64%,1 ℃以内准确率为 98.24%,各项检验指标均较优。总体上统一高度 Cressman 客观分析格点产品质量接近中国气象局陆面数据同化系统（ HRCLDAS ）高分辨率格点实况产品。     

不同 AMDAR资料同化时间窗对台风“摩羯”预报影响研究

2018年第14号台风“摩羯”对山东造成了大范围暴雨和大风天气,基于WRF（Weather Research and Forecasting）模式及其Hybrid-3DVAR混合同化预报系统,对Hybrid-3DVAR不同集合协方差比例和不同航空气象数据转发（aircraft meteorological data relay,以下简称AMDAR）资料同化时间窗对台风“摩羯”预报的影响进行了数值研究。结果表明：加大集合协方差比例对台风“摩羯”路径预报有较大影响和改进;当全部取来自集合体的流依赖误差协方差时,预报的台风路径最好,降水预报也最接近实况;AMDAR资料同化对于台风路径和降水预报也有正的改进作用,但加大集合协方差比例到100%时对台风路径预报影响更大;不同资料同化时间窗会影响同化的AMDAR资料数量,从而影响台风降水精细化预报;45 min同化时间窗的要素预报误差最小,对台风造成的强降水精细特征预报最接近实况;不同资料同化时间窗主要影响台风降水预报落区分布,对台风路径预报影响相对较小。     

基于统一高度Cressman方法的地面2m气温客观分析

针对离散站点资料格点化的业务需求及Cressman方法在地形复杂区域客观分析存在的问题,利用山东及周边省自动气象站观测的2 m气温和ECMWF预报的海上2 m气温,结合山东省中尺度数值预报位温递减率、90 m分辨率SRTM高程数据,采用统一高度Cressman方法对山东省地面2 m气温进行客观分析,生成了逐1 h、0....     

红外高光谱资料近地面通道应用技术研究:海洋地区观测资料同化试验

由于下垫面的复杂性,卫星近地面通道的辐射率资料没有得到充分开发和利用.就我国自主研发的GRAPES-3DVar而言,红外高光谱近地面通道资料还没有应用于陆地,即使在下垫面相对简单的海洋,由于背景场海表温度估计不够准确,红外高光谱资料的使用效果也不甚理想.针对GRAPES模式的背景场海表温度估计不够准确这一问题,本文利用大气红外探测仪器AIRS(The Atmospheric Infrared Sounder)辐射率观测资料通过一维变分(1DVar)方法对其晴空视场点内的背景场海表温度进行调整,再运用GRAPES全球分析预报系统进行同化分析,研究了海表温度调整后对分析场的影响.结果表明,利用一维变分调整后的海表温度不仅使得低层通道的模拟亮温与观测亮温更加匹配,而且有效地改进了分析场,对位势高度场高、中、低层均有不错的改进,对低层湿度场以及风场的改进也较为明显.     

“12·14雷打雪”过程的闪电特征及成因

2023年12月14日在山西和河北南部、河南北部、山东西部出现一次大到暴雪过程,并伴随频繁的闪电活动。利用欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）第五代大气再分析（ECMWF Reanalysis v5,ERA5）资料以及闪电、大气电场仪、双偏振多普勒天气雷达等观测资料对此次“雷打雪”天气过程进行详细分析,得到以下研究结果：（1）此次“雷打雪”是一次明显的高架对流天气过程,低层一直存在逆温层,850~600 hPa为显著的暖湿平流,925 hPa以下近地面东北风形成的“冷垫”楔入到条件性对称不稳定层结下方,抬升暖湿空气,触发对流天气,释放不稳定能量,产生较强的上升运动。（2）降雪过程的雷电活动比较活跃,闪电频数高达99次·（10 min）^-1,云闪和地闪比例为1.7∶1,正地闪的占比为19.4%。此次“雷打雪”天气过程的闪电空间分布和走向与强降雪落区表现出良好的一致性,闪电密集区域对应强降雪区域,74%的暴雪站周围30 km范围内出现闪电,100%的大暴雪站周围30 km内发生了闪电。（3）高空正K_DP区域与地面降水率的增大密切相关。总闪电与6 km等高层雷达回波的空间一致性很好,基本分布在大于20 dBZ的云区内,闪电落区的回波顶高几乎都在5 km以上。雷达发现在5~8 km的高度范围出现Z_DR和K_DP的正值区,揭示云内存在明显的垂直上升运动和过冷却液态水,存在良好云内起电条件,结合地面电场观测资料和闪电资料,推测此次降雪云系的电荷结构为上正下负的电荷结构。     

高光谱大气红外探测器AIRS资料云检测及晴空通道应用技术初步研究

目前GRAPES-3DVar(全球\区域同化预报系统)使用的AIRS云检测方案只能够检测出完全晴空时的视场资料,对于受到云污染的视场,所有通道资料全部被剔除。研究表明有云视场当中的云顶以上资料对数值预报的影响更加重要,研究也更加有意义。因此,文章借鉴McNally和Watts云检测方案,结合GRAPES-3DVar系统和仪器特征,建立了一种适合于GRAPES-3DVar模式的晴空通道检测方案。该方案不但可以检测出完全晴空的视场资料,同时也可以检测出有云视场当中不受云影响的云顶以上通道资料;另外,还可以求出云顶高度,判断出高、中和低云。然后,将AIRS观测资料分别用晴空视场检测方案和晴空通道检测方案进行云检测,从结果分析看,晴空视场检测方案可以检测出的晴空资料占总资料的9.14%,而晴空通道检测方案检测出的晴空资料达到了34.86%,是传统云检测方案的3.8倍,大大增加了资料的使用度。     

数字滤波初始化对台风“烟花”数值模拟的影响

基于中尺度数值模式WRF（Weather Research and Forecasting）,分析在逐小时循环同化系统中,高频多次应用数字滤波初始化方案对台风“烟花”模拟结果的影响。结果表明：（1）数字滤波能够产生与天气现象相关的滤波增量。晴空区域由于向后积分过程中辐射等重要过程未开启,后向积分结束时近地面温度变化较小,在向前积分时白天到达地表的太阳短波辐射过度累积,夜间地表热辐射过度释放,造成晴空区白天2 m温度升高,夜间2 m温度降低。台风对流区域受后向积分为绝热过程的影响,原本上升运动中水汽凝结释放潜热脱离气块的降水无法在绝热下沉增温中吸收热量变为水汽,在后向积分时产生了热量的异常累积以及水汽的减少,导致强对流区域热力结构发生变化。（2）统计结果显示,随着数字滤波应用次数的增加,初始化过程对初始场和预报的影响逐渐积累,造成的预报差异持续整个模拟过程。（3）在循环同化的基础上多次应用数字滤波初始化,数字滤波初始化显示出较好的抑制高频噪声的作用。多次滤波后台风环流中心暖心增强引起台风强度增强,最低气压更加接近最佳路径资料;暖湿气流向鲁南地区输送的减弱造成鲁西南地区特大暴雨漏报;台风环流位置的偏南影响了后期与西风槽结合的时间导致后期移速偏慢。