基于Barnes滤波原理的降水场客观分析及尺度分离

基于Barnes滤波原理（又称高斯加权客观分析）,在进行网格点插值的同时,通过选择适当的滤波参数C、G滤去原始场中的短波噪音,使分析结果平稳光滑;另外可通过它构成一带通滤波器,根据实际需要分离出影响天气过程的各种次天气尺度,达到尺度分离的目的。以全国160个国家基准代表站1954—2006年共53a的年平均降水场为例作实例分析,并同用Grads内插函数（Oacres函数）、九点平滑函数（Smth9函数）的绘图结果进行对比分析,结果表明客观分析结果同Grads内插平滑分析结果基本相似,都能反映出我国53a年平均降水场从东南向西北逐渐递减的趋势且与实际情况相符,降水场高值中心位于长江流域及以南的华南等地区,低值中心位于黄河流域以北的广大西部地区。取不同的参数C和G得到的尺度分离后的带通滤波值,既抑止了长波,又抑制了短波,达到较好的尺度分离效果。     

一次由列车效应引发的暴雨过程分析

利用自动站资料、探空资料、NCEP再分析资料以及雷达资料,对2016年6月26日浙西地区一次暴雨过程的列车效应特征、物理量特征以及中尺度特征进行诊断分析。结果表明:暴雨产生于中低层暖切及地面低压倒槽的背景场中。强降水时段内回波在江西地区生成并沿同一路径东移影响浙西地区,产生列车效应,同时雷达速度场的低层辐合区有利于列车效应中东移回波增强并产生强烈降水。中低层湿度增加、垂直上升速度增大以及暖式切变线的加强有利于水汽辐合抬升的加强,使得列车效应增强,有利于降水的增大。26日11时以后衢州中北部地区列车效应的产生与维持与中低层正涡度和水汽通量辐合在这个区域的持续作用密不可分。Barnes滤波显示中尺度辐合线的维持和移动与列车效应的维持和生消有较好地对应关系,同时地面加密风场中稳定的低压环流有利于列车效应回波源地的维持,实际业务中应加强对地面加密风场和低层中尺度辐合线的分析。     

河南一次局地强降水过程的中尺度分析

利用NCEP/NCAR再分析资料、常规观测资料,采用常规中尺度分析方法和Barnes滤波方法,对2013年6月7日14-20时林州站出现的一次局地强降水过程进行分析,结果发现此次降水过程是发生在东高西低的环流形势下,降水主要发生在500 h Pa低槽槽前;江淮气旋北端不断增强的偏东气流为降水区提供了充足的水汽条件;地形抬升有利于触发对流,并对降水有增幅作用。通过滤波分析发现,此次过程林州处于鞍型场中,且处于风向辐合线和风速辐合线附近;局地强降水发生在水汽通量负散度绝对值大值区与负散度绝对值大值中心重叠区。经过滤波前后对比发现,此次过程分析原始场得出的辐合上升运动区、水汽辐合中心、层结不稳定区与局地强降水落区有一定的偏差,而滤波场特征比较有指示意义。负散度绝对值大值区和地面中尺度辐合线附近有利于回波生成和发展;两回波带合并容易加强;短历时强降水发生前,垂直累积液态水含量迅速跃增;雷达径向速度辐合区有利于回波发展加强。     

A Relocation-based Initialization Scheme to Improve Track-forecasting of Tropical Cyclones简

A relocation procedure to initialize tropical cyclones was developed to improve the representation of the initial conditions and the track forecast for Panasonic Weather Solutions Tropical Operational Forecasts. This scheme separates the vortex perturbation and environment field from the first guess, then relocates the initial vortex perturbations to Lhe observed position by merging them with the environment field. The relationships of wind vector components with stream function and velocity potential are used for separating the vortex disturbance from first guess. For the separation of scalars, a low-pass Barnes filter is employed. The irregular-shaped relocation area corresponding to the specific initial conditions is determined by mapping the edge of the vortex radius in 36 directions.Then, the non-vortex perturbations in the relocation area are removed by a two-pass Barnes filter to retain the vortex perturbations, while the variable fields outside the perimeter of the modified vortex are kept ide.ntical to the original first guess. The potential impacts of this scheme on track forecasts were examined for three hurricane cases in the 2011-12 hurricane season. The experimental results demonstrate that the initialization scheme is able to effectively separate the vortex field from the environment field and maintain a relatively balanced and accurate relocated first guess. As the initial track error is reduced, the following track forecasts are considerably improved. The 72-h average track forecast error was redu,~ed by 32.6% for the cold-start cases, and by 38.4% when using the full-cycling data assimilation because of the accumulatedL improvements from the initialization scheme.     

湖南一次暖区暴雨的Barnes滤波客观分析

利用ECMWF高分辨率0.25×0.25格点资料、逐小时加密雨量观测资料,基于Barnes滤波原理,设计了3套从格点资料中提取中α尺度气象信息的方案,对2017年4月8日湖南的一次暖区暴雨过程进行Barnes滤波对比客观分析。结果表明:此次强降水过程发生在高空槽南侧的西南暖湿气流中,中尺度扰动是造成此次暖区暴雨的重要原因;通过选取不同参数的Barnes带通滤波方案,能够有效分离出中α尺度天气系统,进而剖析其一致性和差异特征,对中尺度雨团落区预报有很好的指示作用,同时,也可以作为判断滤波过程中产生虚假系统的参考依据,在实际业务应用中意义重大。     

一次梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用的研究II.实际应用

本文利用中国自动站与CMORPH（Climate Prediction Center Morphing technique for the production of global precipitation estimates）融合的逐时降水量0.1°网格数据集资料挑选出一次典型的梅雨锋暴雨个例,运用WRF中小尺度模式进行模拟,对模拟得到的高分辨率结果进行Barnes滤波,最后将滤波结果代入动能和位能方程中,目的是定量地分析各个尺度能量的变化以及它们之间的相互作用对暴雨强度的影响。研究发现:模式模拟的降水过程和强度与实况较为吻合,推导的能量方程适用于这次暴雨过程。三种尺度能量之间的相互作用包含了各种跨尺度能量的相互作用。在整个暴雨过程中,跨尺度之间的斜压能量转换包括位能向动能的能量转换和动能向位能的能量转换。同尺度之间的斜压能量转换总是单向的,且量值较大,动能的强度主要靠位能向动能的能量转换来维持。斜压能量转换的多少影响着暴雨的强弱。大尺度斜压能量转换在中高层比较强,中尺度斜压能量转换在低层较强,尤以β中小尺度系统变化最为显著,β中小尺度系统扰动是影响暴雨强度的关键系统。风切变的大小影响各尺度动能之间的能量转换。温度或位温梯度的大小影响各尺度位能之间的能量转换。位能与动能之间的能量转换主要与各尺度垂直速度和温度的垂直分布有关,暖空气上升冷空气下沉是各个尺度位能向动能转换的主要过程。     

乡镇精细化最高最低气温预报方法研究

对2008年10月至2009年9月安徽省乡镇与县站观测站最低、最高温度的差异进行统计分析。结果表明：乡镇观测点和县站观测点之间的最低、最高温度具有明显差异,且随着季节变化而不同。在此基础上,以预报员主观制作的县站最高、最低预报结果作为基础,利用修正Barnes插值和一阶卡尔曼滤波订正方法制作乡镇站点的最低、最高温度预报表明,该方法制作的乡镇站点最低、最高温度具有较高准确率,前3 d的乡镇最低温度预报准确率和县站的预报比较接近,预报准确率差异在1 %之内,但随着预报时效的增加两者的差异略有增加;对于乡镇的最高温度预报,与县站的最高温度预报小于2℃的准确率始终保持在3 %之内,该方法优于基于WRF模式的MOS方法。对比一阶卡尔曼滤波订正前后效果发现,该方法对乡镇最低和最高温度的前4 d预报具有正订正效果,而对于第5-7 d没有订正效果或为负订正效果。当区分转折性天气后,可以提高第4-7 d的最高温度预报准确率。