北京地区一次强降水过程的多种观测资料四维变分同化试验

采用MM5非静力预报模式及其伴随模式系统,对2005年汛期北京地区的一次局地强对流降水过程进行了包括地面每3小时一次的湿度观测资料、北京地区自动站逐小时降水资料、北京地区逐30分钟GPS可降水量观测在内的多种观测资料的四维变分同化试验。结果表明,采用四维变分方法同化多种非常规中尺度观测资料后,模式成功地模拟出此次降水过程,不仅很好地修正了变分同化窗内的降水预报,同时也使同化窗口以后的降水预报获得了较为明显的改善,并且发现同化了多种观测资料后获得的最优初始场较原模式初始场对流不稳定能量显著增加,具有更利于降水形成的动力及热力条件。另外还对各种观测资料在四维变分同化中的相对重要性进行了分析。     

北京地区一次强降水过程的多种观测资料四维变分同化试验

采用MM5非静力预报模式及其伴随模式系统,对2005年汛期北京地区的一次局地强对流降水过程进行了包括地面每3小时一次的湿度观测资料、北京地区自动站逐小时降水资料、北京地区逐30分钟GPS可降水量观测在内的多种观测资料的四维变分同化试验。结果表明,采用四维变分方法同化多种非常规中尺度观测资料后,模式成功地模拟出此次降水过程,不仅很好地修正了变分同化窗内的降水预报,同时也使同化窗口以后的降水预报获得了较为明显的改善,并且发现同化了多种观测资料后获得的最优初始场较原模式初始场对流不稳定能量显著增加,具有更利于降水形成的动力及热力条件。还对各种观测资料在四维变分同化中的相对重要性进行了分析。     

用四维变分法同化自动站降水资料

用自动站降水资料作了四维变分同化试验.试验表明,由于它的加入,增加了初始场中的中尺度信息,改进了中尺度数值模式MM5的预报,增强了模拟开始阶段的降水量, 改进了降水量的落区预报,减弱了模式开始阶段的"spin-up"现象.试验还表明,自动站降水资料的时间变化信息,在同化时也起重要作用.     

GPS掩星折射率的一维变分同化

为了探索GPS掩星观测资料在数值预报模式中的同化应用，利用GPS掩星折射率的一维变分同化技术，将MM5模式输出结果作为背景场，以GPS掩星折射率作为观测值来进行一维变分同化。将同化反演后得到的气压、温度、水汽压廓线与德国地学研究中心（GFZ）公布的气象观测资料进行了对比和分析，得到了较好的比较效果。证实了GPS掩星资料的合理同化对数值预报可进行有效的改进，并提出了下一步的同化方向。     

集合平方根滤波同化AMSU-A辐射率的观测系统模拟试验

借助观测系统模拟试验,针对晴天和有降水两种天气状况,探究用集合平方根滤波同化卫星辐射率资料来改进中尺度天气预报模式初始场的可行性.试验结果表明:在晴天条件下,同化后的分析场较同化前背景场更加接近于真实场,尤其是对所选AMSU-A第5通道辐射率观测值贡献较大的那些层,如500,700,800 hPa3层位温的分析场相对背景场均方根误差分别减小了26%,15%和42%,同化效果显著.在有降水天气状况下,试验结果在特定的高度层上也表现出一定的正贡献,但总体而言对各气象要素场的改善均不及晴天时明显,说明该种天气类型下的卫星资料同化还有待进一步的研究.     

"98·7"特大暴雨降水资料的四维变分同化研究

1998年7月21日00UTC～22日00UTC,湖北省的武汉-黄石地区发生了特大暴雨,其中黄石市24 h降水量达276 mm.文中应用四维变分资料同化方法,研究了初值对这次暴雨过程数值模拟的影响.通过对6 h同化窗口内339个站点逐小时观测降水的变分同化,MM5伴随模式得到了一个与模式相协调并且在热力和动力上都接近于自然强降水发生的初始场,使用该初始场模拟的武汉-黄石地区的24 h降水量超过了220 mm.在同化降水观测资料的同时加入了湿度观测资料后,在一定程度上约束了模式的水汽场,防止了同化窗口内模式初始场越过最佳逼近,从而使降水模拟的TS评分得到进一步提高.     

三维变分映射资料同化技术在台风数值模拟上的应用实验

台风移动路径及登陆是台风预报中的关键问题,提高台风初始分析场质量是改进台风数值预报效果的重要途径之一．文中首先对目前国际上占优势的变分资料同化方法：三维变分资料同化（3DVar）、四维变分资料同化（4DVar）和作者近年提出的三维变分映射资料同化方法（3DVM）的理论进行了简单的比较分析;然后基于MM5-4DVar的系统构建了MM5-3DVM系统;最后以9914号台风Dan为例,利用该系统设计了17组同化卫星AMSU-A反演的温度和风场资料及人造涡旋海平面气压场资料的数值实验,初步探讨3DVM技术对提高台风初始场质量的有效性．与4DVar的对照实验表明：通过文中3DVM系统得到的初始台风结构相对更合理,更能改善台风的模拟,特别是路径预报．敏感性研究表明：初始涡旋的大小、同化时间窗口的长短和信息量的强弱对台风路径和强度变化的敏感性,3DVM比4DVar技术更为稳定．特别地,3DVM利用历史资料只需低廉的计算代价进行初始化,这是符合业务预报需求的．     

基于温湿廓线反演的风云三号D星微波探测仪云区资料同化试验

为了探究云区卫星微波资料的同化应用,利用中国风云三号D星(Fengyun-3D,FY-3D)微波温度计二型(microwave temperature sounder-2,MWTS2)和微波湿度计二型(microwave humidity sounder-2, MWHS2)资料,基于人工神经网络算法研制了云区温湿廓线反演模型,建立了云区资料的间接同化方案。于2019年6月开展晴空和云区同化试验,评估加入云区MWTS2和MWHS2资料对区域模式预报的影响。试验结果表明：MWTS2和MWHS2资料的同化对温湿度预报场有改善,主要体现在模式中高层均方根误差和平均偏差的减小,云区同化的改善幅度比晴空同化更大;同化MWTS2和MWHS2资料对于提高降水预报技巧有积极影响,云区同化对降水预报的改善主要体现在同化后的12～24 h,较晴空同化更明显。针对强降水个例分析表明,MWTS2和MWHS2资料对温度场、湿度场、水汽通量散度场的调整有利于降水预报的改善,而云区同化能够直接对天气系统的初始场进行调整,降水的位置与强度预报效果更好。     

中尺度暴雨模式MRM 1作者简介及预报效果检验

介绍了近年来我们所研制的中尺度暴雨模式MRM1的基本情况及特点,以及对1998年,1999年和2001年6月、7月的降水集中时段进行的逐日降水预报试验及效果检验,并和美国著名中尺度模式MM5进行了同一时段降水预报检验的比较.结果表明,它是目前国内较好的中尺度暴雨预报模式,在暴雨预报方面较MM5也有一定优越性.     

观测资料同化与有限区模式初期降水预报

选取1991年7月3日至4日出现在我国江淮流域的梅雨暴雨天气过程,针对有限区模式降水预报中“旋转加强”问题,试验2种初值化方法即牛顿连续松弛逼近技术和降水-湿度场调整方案来改进模式的初期降水预报。试验结果表明：(1) 用湿度场调整方案同化观测降水资料,使同化时段降水区的中低层低压系统明显加强,所形成的初值具有较好的中尺度信息;但该方案会出现观测值与模式不协调引起的虚假小扰动。(2) 用牛顿连续松弛逼近技术同化业务观测系统的速度场和温度场资料,所形成的初值场形成了大尺度特征,同时对应江淮雨带的中低层低压系统加强,所形成的初值能够具有一定的中尺度信息。(3) 因此两者结合得到了最好的预报效果。对于梅雨天气过程,牛顿连续松弛逼近技术更有效。     

Effects of 4DVAR with multifold observed data on the typhoon track forecast

Effects of 4-dimension variational data assimilation (4DVAR) with multifold observed data on the typhoon track forecast are studied, by using the MM5V3 model, the RTTOVS-5 model and their adjoint models. The data used for assimilation include large-scale background fields data,bogus data, cloud-derived wind data, satellite inverse data,and high resolution infrared radiation sounder data (HIRS).There are 5 typhoon cases are used to perform the numerical experiments and assimilation experiments. The numerical results show that with 4DVAR the initial fields can be greatly improved and the initial typhoon structure can be clearly described.     

Use of the advanced microwave sounding unit data to improve typhoon prediction

The effects of incorporating the advanced microwave sounding unit(AMSU-A)data with a modified Zhu-Zhang-Weng vortexbogussing algorithm on typhoon prediction are examined through the use of the PSU/NCAR Mesoscale Model version 5(MM5).The AMSU-A data contain the vertical distribution of the retrieved temperature from satellite brightness temperature, with the geopotential height and wind fields derived through a series of statistical and diagnostic calculations.The advantages of the modified vortexbogussing algorithm include the incorporation of realistic asymmetric typhoon structures,the balanced dynamics with the background field,the easiness to implement and the efficient computations.To test the efficiency of this vortex-bogussing algorithm,the Typhoon Dan event in 1999 is simulated by incorporating the derived AMSU-A fields into the initial conditions of the MM5 modeling system.Results show significant improvements in the track and intensity of the storm, as compared to the simulation without the AMSU-A data.Therefore,this modified vortex-bogussing algorithm can be easily implemented on any typhoon modeling system,which will improve the real-time forecast of tropical cyclones.     

用T106L19全球谱模式制作中期集合预报的试验

为解决传统的数值预报初值存在的不确定性,利用增长模繁殖法在T106L19全球谱模式上进行了中期集合预报试验.繁殖循环的初始扰动由模式24 h预报均方根误差和随机数的乘积构成,该随机数服从[-1,＋1]区间上的均匀分布,繁殖循环的周期为6 h,繁殖的总时间为3 d,集合成员为15个.结果表明：在1～10 a的预报中,无论是距平相关系数还是预报均方根误差,除第1天外,集合预报都优于控制预报,集合预报相对于控制预报的优势更主要地体现在对第3天以后的中期预报时段.从计算的离散度来看,集合平均预报的可信度要比控制预报的高.     

异常分析在长江中下游暴雨分析和预报中的应用

极端天气事件极易造成严重的气象灾害,对人类的生命财产和国民经济建设及国防建设等造成严重损害。使用欧洲中心(ECMWF)的ERA5再分析资料,选择对极端天气有分析和预报有效的原始异常度(RA)和标准化异常度(NA)对南通地区2016年7月11日极端强降水过程进行分析和预报。研究表明,相比于常用的原值场,RA和NA等异常场对分析和预报该次强降水过程更有优势。日常业务中常用的原值场,很难明显给出对极端降水有较好指示意义的预报指标,相比之下,RA和NA这种异常场,可以给出更为有效的极端降水预报指标。这表明,极端降水事件与气象要素的异常部分直接相关。极端降水的落区与位势高度RA和NA的负异常中心接近,湿度的RA和NA正异常出现的时段和位置也与降水出现的时段和位置有较好的相关性,降水强度与湿度和位势高度的RA和NA的异常强度也有一定关系。综合分析不同高度和位置位势高度和湿度的RA和NA,对分析和预报潜在极端天气的落区、强度和出现时段有重要帮助。使用ECMWF的模式预报资料,通过分析不同时效对该次过程的降水和850 hPa位势高度的预报结果,相比于对降水本身的预报,模式对850 hPa位势高度NA场的预报更为稳健,更有利于预报员该次极端降水事件的把握。     

九江市一次低温雨雪冰冻天气垂直温度层结分析

运用收集到的资料分析了2018年1月25～28日九江市阴雨雪和低温天气形成原因,分析了阴雨雪低温的恶劣天气的演变过程和水气环流特征,得出了江西地区冻雨的温度垂直分布特征结构和在九江地区具体应用情况的结论。结果表明:此次过程副高稳定,冷空气强盛500 hPa、700 hPa西南区域易产生逆温层,850 hPa东北气流使暖湿空气随着空气不断上升,更容易产生暴雪。水汽的输送过程非常频繁,同时该地区的辐合比较明显导致雨雪天气处于经常变化的情况;低层冷空气天气对冬天降水的形态起着非常关键的作用,此次过程冻雨灾害严重,经分析,25日为融化层位于850 hPa的情况,925～1 000 hPa区域迅速降温,850 hPa区域高于0℃,700 hPa和925 hPa区域温度低于0℃,1 000 hPa时温度在小于1℃,地面温度低于0℃,25日白天出现冻雨。27日融化层处于700 hPa左右温度大于0℃,925 hPa和850 hPa时温度低于-2℃,925～700 hPa有非常明显的温差;但由于1 000 hPa时温度在-3℃左右,所以27日白天九江地区降水相态复杂,大部分地区以降雪为主,部分地区出现冻雨。上述的阈值范围是九江地区冻雨的天气阈值。研究还表明,随着地面的温度降低,冻雨天气越容易产生,冻雨一般发生在最低气温低于0℃,同时一天的平均气温低于1.0℃。     

滇西高原一次强降水过程的雷达产品分析

利用新一代多普勒雷达产品和地面加密自动站等资料,对2013年8月11—12日发生在滇西高原的一次强降水过程进行分析.结果表明,此次过程是500 hPa青藏高压和副热带高压之间的两高辐合区及700 hPa西南气流影响造成;雷达图上,以层状云降水回波为主的混合降水回波,强度未超过40 dBz;雷达径向速度场存在暖平流加辐合的风场特征;低层长时间持续西南气流以及对流层中上层冷空气的入侵与强降水过程的发生及维持密切相关;利用改善的EVAD方法计算出的散度场和垂直速度场在强降水发生发展的不同时期分布不同,对降水的增强和维持有较好的指示意义.