IASI卫星资料同化对江淮暴雨预报的试验研究

对2014年6月26日到6月28日发生在江淮地区的一次暴雨过程,运用中尺度预报模式WRF以及同化系统WRFDA同化ATOVS(包括AMSUA、MHS、HIRS4)和IASI(CO2吸收波段)亮温资料,对比不同卫星资料同化对此次暴雨过程预报影响,评价IASI卫星资料同化对江淮暴雨预报效果。结果表明,相比ATOVS资料同化,IASI资料同化对温度、湿度等气象要素的调整更明显。在24 h和12 h累计降水量模拟上,同化IASI资料对降水范围和降水强度的模拟与实况最为接近。在同化ATOVS试验中加入IASI资料后,降水模拟效果改进不大,说明同化资料的种类越多,相应累计误差越大,对降水模拟改进越不明显。     

WRF模式在云南一次强降水过程中的应用

利用WRF数值模式,针对云南省一次强降水过程进行的数值试验,得到几个有意义的结论:①WRF模式的三维变分同化系统能反映地转平衡等多变量之间的相互关系.②在此次强降水过程试验中,同化系统能把雷达反演风场中低空急流信息有效地引入模式初始场,并按照同化模型进行增量空间分配,有助于增强降水区的水汽输送,改善模式较强量级降水的预报漏报率.③多个时次雷达资料的同化对降水预报的改善更加突出,具有高时空分辨率特性的雷达资料同化在提高客观预报质量方面有着较好的应用前景.     

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。     

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。     

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。     

雷达和卫星资料同化在一次华南暴雨预报中的应用

利用WRF模式和GSI同化系统,搭建了一套可以业务运行的预报系统,实现了对多普勒天气雷达反射率和径向风、葵花(Himawari-8)气象卫星等资料的同化功能。基于本系统,针对同化非常规资料可能带来的资料应用和预报效果问题,设计了多组同化方案,对2017年7月17～18日发生在华南的一次强降水过程进行模拟分析和同化效果评估。结果表明:分别同化常规资料、雷达径向风、雷达反射率反射率、卫星资料均对预报效果有所改进,特别是同化卫星资料,可以改善系统对云水物质的分析能力,进而提高海上天气过程的降水预报。基于分类试验同化的结果,对整体同化常规资料、雷达径向风、雷达反射率和卫星资料等对温度、风向风速、相对湿度和降水等模拟技巧进行评估后发现,整体同化对强降水的发生时间和强度预报有改进,但并非在所有方面都优于单独同化某一类资料的结果。     

基于高度再指定的FY-2C双通道云导风同化及预报试验

为了探求FY-2C双通道云导风在实际预报中的可用性,先对双通道云导风进行合并,并利用T511模式12 h预报场对云导风进行高度再指定,使得云导风资料的空间密度和质量明显提高。进而利用WRF模式及其变分同化系统WRFDA对高度再指定前、后的云导风在同化及预报中的影响进行了研究,结果表明：同化原始云导风使初估风场的统计误差增大,而同化高度再指定后的云导风对初估风场有明显的改善作用;同化原始云导风会导致压、温、湿的初估场误差增加,但同化高度再定位后的云导风效果明显好于同化原始云导风;同化高度再定位后的云导风对48 h内的风场预报有改善作用,随着预报时效的延伸,风场的改善带动了其他要素场从负影响到正影响的转变。     

C波段雷达快速循环同化技术在宁夏降水天气预报中的应用

介绍了宁夏C波段雷达快速循环同化技术及其在2018年夏季降水预报中的应用效果。快速循环同化技术主要基于天气研究预报(weather research and forecasting,WRF)模式,通过对C波段多普勒雷达资料进行去除奇异点、地物遮挡、谱宽检查、退模糊等质量控制,利用三维变分同化、动力降尺度及冷暖启动方法,实现了C波段多普勒天气雷达观测数据的逐小时快速循环同化分析,可逐时滚动输出未来12 h逐小时间隔、水平分辨率3 km的降水、气温、风向风速、相对湿度、物理量场等格点预报产品以及雷达回波产品。通过在2018年宁夏降水预报中的应用分析发现,加入雷达资料同化后的WRF模式降水预报能力有明显提升,可为宁夏降水天气智能网格预报特别是暴雨的短临预报预警提供技术支撑。     

GSI同化GPS可降水量对四川盆地不同类型降水模拟影响

选取四川盆地金沙江下游对流性降水个例（记为CR＿2013）和稳定性降水个例（记为SR＿2015）,利用格点统计插值分析系统（GSI）同化全球定位系统（GPS）大气可降水量（PWV）资料,并结合天气研究与预报模式（WRF）对2次不同类型降水过程的初始场和模拟降水进行同化效果对比分析。结果表明,降水发生前,四川盆地已有较多水汽积聚,水汽分布东多西少,2个降水个例的强降水中心分别位于南侧和北侧的GPS水汽梯度带上。同化GPSPWV资料在改善初始湿度场的同时对初始温度场和风场也有不同程度的改善。控制实验的降水大小和分布总体都与实况较相似,但存在局部模拟偏强的情况。同化GPS-PWV对降水模拟的改进作用明显：CR＿2013模拟的强降水中心范围与实况更接近,而SR＿2015则明显减弱了虚假降水中心的强度和范围。降水调整最显著的区域与实况降水中心一致,都在GPS水汽梯度带上。同化GPS-PWV能持续影响模拟的累积降水,对流性降水调整幅度要高于稳定性降水。     

循环同化雷达资料对西安一次局地暴雨初始场的调整

应用中尺度WRF模式及其3DVar同化系统,针对2015年8月3日发生在西安地区的一次暴雨进行了多普勒雷达资料的循环同化试验.结果表明,同化后暴雨落区和强度有改善,预报降水的TS、ETS评分较未同化试验有很大提高.循环同化雷达资料改善了初始风场,使得低层气旋式环流加强,低层辐合和中层辐散加强,垂直环流增强;对水汽场的调整使得对流层中层水汽混合比和云水混合比升高,雨水混合比增大,降水落区更接近观测;中低层水汽上升凝结释放潜热,进而对温度场做出调整,西安上空气温升高.     

基于高斯过程算法的日尺度IMERG降水数据与站点数据的融合研究——以湖北省为例

该文针对卫星降水数据空间分辨率较低的问题,以湖北省为研究区域,考虑经纬度、DEM、亮温数据、IMERG插值数据等辅助变量,融合2016年7月19日IMERG日分辨率卫星降水数据与气象站点数据资料.该文提出了点面融合方法和站点偏差校正估计两个融合方案,并选择了自适应样条多元回归、随机森林、高斯过程回归三种算法.结果表明,点面融合方法优于站点偏差校正估计方法,且高斯过程回归的融合结果优于其他两种算法.基于高斯过程方法的融合结果呈现合理的变化细节,符合降水的空间分布变化模式.融合结果的空间分辨率从约0.1°(约10 km)提高到1 km,且精度相对于原始的IMERG数据得到了较大的提升,该研究对高时间分辨率的多源降水数据的融合具有一定的意义.     

Model evaluations for winter orographic clouds with observations

The Real-Time Four-Dimensional Data Assimilation (RT-FDDA) system is used for orographic snowpack enhancement.The model has three nested domains with the grid spacing of 18,6 and 2 km.To evaluate the simulations of winter orographic clouds and precipitation,comparisons are made between model simulations and observations to determine how the model simulates the cloud distribution,cloud height,cloud vertical profiles and snow precipitation.The simulated results of the 02:00 UTC cycling with 2-km resolution are used in the comparison.The observations include SNOTEL,ceilometer,sounding and satellite data,from the ground to air.The verification of these observations indicates that the Weather Research and Forecast (WRF) RT-FDDA system provides good simulations.It is better to use data within the forecast period of 2-16 h simulations.Although the horizontal wind component near the ground has some bias,and the simulated clouds are a little higher and have a little more coverage than observed,the simulated precipitation is a little weaker than observed.The results of the comparison show that the WRF RT-FDDA model provides good simulations and can be used in orographic cloud seeding.     

城市化对昆明一次强降水过程影响的数值模拟研究

为了探究昆明地区城市化对降水的影响,利用中尺度气象模式WRF(the weather research and forecasting model)耦合单层城市冠层模块,对2012年5月24日夜间发生在昆明城区西部的一次强降水过程进行数值模拟研究。通过与卫星观测得到的降水空间分布进行对比,发现WRF模式能较好地再现此次降水过程。城市的存在会较显著地改变城市地区的潜热和低层垂直运动,使得位于城区的降水中心降水强度略有减小,而城区下风向的降水有所增加,降水增加的区域与750 hPa高度上的水汽通量辐合加强的区域相对应。城区降水中心降水量减少可能是由于城市下垫面抑制了低层大气的水汽供给。城区下风向降水增加的可能原因是该区域相对较强的垂直运动使得更多的水汽被输送到高层大气中,有利于降水的增强。在目前的城市化水平上,若昆明地区的城市进一步扩张,城区下风向地区的垂直对流运动和大气不稳定度均会增强,但城市下垫面对低层水汽供给的抑制作用也会增强,这两种作用的同时存在会使得城市下风向地区降水的变化存在不确定性。     

Characteristics of clouds,precipitation, and latent heat in midlatitude frontal system mixed with dust storm from GPM satellite observations and WRF simulations

A heavy dust storm originating in Mongolia and Inner Mongolia traveled to Northeast China and met a midlatitude frontal system on May 3, 2017. The potential ice nuclei (IN) effects of mineral dust aerosols on the vertical structure of clouds, precipitation, and latent heat (LH) were studied using Global Precipitation Mission (GPM) satellite observations and Weather Research and Forecasting (WRF) model simulations. The WRF simulations correctly captured the main features of the system, and the surface rain rate distribution was positively correlated with data retrieved from the GPM Microwave Imager. Moreover, the correlation coefficient increased from 0.31 to 0.54 with increasing moving average window size. The WRF-simulated rainfall vertical profiles are generally comparable to the GPM Dual-Frequency Precipitation Radar (DPR) observations, particularly in low layers. The joint probability distribution functions of the rain rate at different altitudes from the WRF simulation and GPM observations show high positive correlation coefficients of ~0.80, indicating that the assumptions regarding the raindrop size distribution in the WRF model and DPR retrieval were consistent. Atmospheric circulation analysis and aerosol optical depth observations from the Himawari-8 satellite indicated that the dust storm entered only a narrow strip of the northwest edge of the frontal precipitation system. The WRF simulations showed that in carefully selected areas of heavy dust, dust can enhance the heterogeneous ice nucleation process and increase the cloud ice, snowfall, high-altitude precipitation rate, and LH rate in the upper layers. This effect is significant at temperatures of ?15 °C to ?38 °C and requires dust number concentrations exceeding 106 m?3. It is important to accurately classify the dusty region in this type of case study. In the selected vertical cross section, the WRF-simulated and DPR-retrieved LH have comparable vertical shapes and amplitudes. Both results reflect the structure of the tilted frontal surface, with positive LH above it and negative LH below it. The simulated area-averaged LH profiles show positive heating in the entire column, which is a convective-dominated region, and this feature is not significantly affected by dust. DPR-based LH profiles show stratiform-dominated or convective-dominated shapes, depending on the DPR retrieval product.     

局地分析预报系统LAPS对多种探测资料融合研究及评估

 以武汉暴雨研究所引进的美国局地分析预报系统（LAPS）为基础,利用"973"项目实验收集的华南、长江流域2008年至2010年间的地面、探空的常规、加密观测和多部新一代多普勒雷达数据,通过设计、运行多种LAPS数据融合方案,开展LAPS的本地化试验.分析评估表明,LAPS系统以NCEP再分析数据为背景场的多种观测数据融合,可以改善NCEP再分析场,获得的分析场更接近实况观测.多种观测数据融合的分析场优于单种观测数据融合的分析场.基于多雷达反射率因子拼图,比较LAPS融合多种观测数据得到的分析风场和NCEP再分析风场,结果表明,LAPS分析风场与多雷达反射因子回波拼图的配置更为合理.     

东天山迎风坡与高海拔区域降水效率对比研究

利用WRF中尺度数值模式对2015年4月16~17日发生在新疆天山地区一次降水过程进行数值模拟研究。重点对比了迎风坡与高海拔区域降水效率的差异,进而分析产生这种差异的原因。结果表明:迎风坡的降水效率大于高海拔区域的降水效率,降水过程发展旺盛阶段,降水效率达到最大。迎风坡的降水主要由雪、霰融化为雨水产生,高海拔区域降水主要由雪产生。该微物理机制的差异造成在降水集中时段,虽然高海拨区域空中总水凝物多于迎风坡,但降水效率低于迎风坡,最终导致降水强度小于迎风坡。     

2012年“6.02”云南漏报首场强降水过程分析

A strong precipitation and cooling process happened at central and south of Yunnan on 2nd June,2012.There were 77 stations daily precipitation over 25mm and 15 stations daily precipitation greater than 50mm in Yuxi city.The precipitation above heavy rain appeared in whole city,biggest daily precipitation which was 123.5mm,happened at Yuanjiang Qinlong factory among them.But forecaster’s empirical extrapolation and EC numerical forecast products had not forecasted this process.Based on reanalysis data,radar data satellite images and NCEP data,this strong precipitation process had been diagnosed and analyzed,missing report was investigated as well.The results showed that Humidity vertical distribution was different in the rainstorm area.The vertical distribution feature was high humidity was at low layer and low humidity was at higher layer,which was beneficial to thunderstorm and other severe convective weather.Humidity in Kunming was high all of the level.The sheer line and cold air moved southward suddenly,so confluence of cold and warm air happened.The cold air triggered strong mesoscale convective system which brought about this strong rainfall.The results which caused missing forecast included the situation of the sheer line moving southward was not obvious on upper air chart,the newest aging numerical forecast products of model WRF had not been paid attention to enough and numerical forecast products were depended on too much.     

重庆地区“5.30”暴雨过程的数值模拟及诊断分析

利用WRF(Weather Research Forecast)中尺度数值模式模拟了2004年5月29日20时至30日20时发生在重庆及周边地区的暴雨过程,使用模式输出的高分辨率资料从动力角度对这次暴雨过程进行了诊断分析.结果表明:WRF模式较成功地模拟出了本次大气降水的演变过程,可为暴雨预报和物理诊断提供参考;模拟诊断表明在预报业务中使用螺旋度、非地转湿Q矢量和等位温面图的流线分析等可能会提高预报效果.