GRAPES全球模式的误差评估和订正

以欧洲中期预报中心的ERA-interim再分析资料为参考,对GRAPES全球模式的数值预报结果误差进行了评估,并运用基于历史资料的模式距平积分订正（ANO）方法,对数值预报结果进行了订正试验,检验了ANO方法对GRAPES模式全球中期天气预报的订正改进效果。对1984~2014逐年7月15~24日10天的预报结果订正前后对比分析表明,ANO方法对不同区域位势高度、温度等要素预报订正效果明显,31个个例200 hPa位势高度一周预报距平相关系数平均提高0.05、均方根误差减少12 gpm。其它各层误差订正也显示类似结果,验证了ANO方法对提高GRAPES全球模式10天数值天气预报技巧的有效性,并与MOS（Model Output Statistics）方法对比,更便利、更经济,具有更好的可操作性以及业务预报应用能力。     

L波段探空仪湿度资料偏差订正及同化试验

L波段探空仪观测资料是基础资料之一,无论在天气预报还是在数值天气预报中都起着重要作用,其资料质量直接影响数值模式同化分析及降水预报准确性。通过对我国3种常用的L波段探空仪观测湿度的偏差特性比较,研发适合该仪器的偏差订正方案,并在GRAPES同化系统中加以试验应用。结果表明:L波段探空仪湿度观测资料与ECMWF再分析湿度场比较有偏干现象。多种偏差订正方案订正结果显示:湿度偏差值比订正前减小,特别是在500 hPa以上层次减小明显。在GRAPES分析同化系统中使用Vomel偏差订正方案,分析偏差减小5%;预报模式个例和连续试验中湿度观测订正后预报降水更接近实况,预报降水检验评分显著提高,故该订正方案在实际应用中表现出积极的正效果。     

区域极轨卫星ATOVS辐射偏差订正方法研究

近年来,卫星辐射资料在数值天气预报(NWP)系统中的直接同化研究取得了长足进展。为了利用TIROS业务垂直探测器(ATOVS)的辐射资料,必须对卫星观测辐射值的系统性偏差进行订正。在ECMWF原全球TOVS辐射偏差订正方案基础上,结合ATOVS资料特征和中国的实际情况,建立了适用于区域NOAA-15/16/17极轨气象卫星ATOVS辐射资料的偏差订正方案。该方案偏差订正分两步进行:首先进行扫描偏差订正,然后进行气团偏差订正。扫描偏差是临边测量相对于星下点测量的系统偏差,统计显示该种偏差具有一定的纬度依赖性,所以订正时按每10度的纬度带分别进行订正。气团偏差订正主要就是根据当时的天气条件进行订正,而天气条件一般用预报因子来定量表示。文中从中国国家气象中心T213背景场导出预报因子:(1)1000—300 hPa的厚度,(2)200—50 hPa的厚度,(3)模式地表温度,(4)总可降水量。模式预报因子的使用从观念上将对观测值的订正变为对计算前向辐射值的订正问题。试验结果表明,订正结果显著。     

基于WRF模式的太阳辐射预报初步试验研究

采用中尺度气象模式WRF(Weather Research Forecast)对北京地区的太阳辐射进行了4个典型月的逐时预报试验,用南郊观象台的辐射观测数据对预报结果进行了对比分析和初步订正试验。结果表明:在现有模式条件下,5 km分辨率的短波辐射预报结果和1 km分辨率预报结果无明显差别;WRF模式对太阳辐射的预报性能在晴天较好,多云天次之,在满云或阴雨天最差;通过误差分解发现,位相偏差、系统偏差及振幅偏差在各月对均方根误差的贡献有明显差异;针对模式预报结果的系统偏差和振幅偏差。经过简单的线性订正可以较明显地改进模式预报结果;双偏订正(DBC)法比线性回归(LR)法对预报误差的改进效果略明显;仅通过简单的线性订正,位相差很难消除,需要针对位相差研究新的订正方法。     

极轨卫星观测偏差订正动态更新技术在GRAPES_3Dvar的应用研究

偏差订正技术是卫星辐射率资料同化的关键技术,目前全球GRAPES变分同化系统采用基于Harris和Kelly考虑扫描角和气团的静态偏差订正方案;但是该方案并没有考虑偏差属性的变化（比如仪器老化、观测数据漂移等问题）。因此,本文基于Harris和Kelly的TOVS辐射偏差订正方案以及国外在数值天气预报系统中对卫星数据提出的偏差订正动态更新概念的基础上,结合GRAPES分析预报系统和国家卫星气象中心的卫星预处理系统的特点以及仪器特征,提出了GRAPES偏差订正动态更新方案,来解决数据的漂移等问题。偏差订正动态更新技术是动态方法的一种,采用变分方法对偏差订正预报因子的系数进行调整。为了检验新方案的效果,设计了试验方案。为期两个月的同化试验结果显示,动态更新方案可以自动、迅速地优化已经退化的偏差订正方程,保持偏差订正的效果,运行稳定,结果令人鼓舞。     

镇江地区ECMWF模式高温预报订正方法研究

针对镇江ECMWF模式168 h内高温(t≥35℃)预报结果提出四种后处理订正方案,包括一元线性回归法、差值法、综合法和递减平均法;借助均方根误差等四种检验方法就订正效果进行评估,找寻最优订正方案。结果表明,四种订正方法都明显改善了ECMWF模式高温预报,订正后的均方根误差、平均绝对误差及最大绝对误差较订正前均有所减小,预报准确率显著提高。对于24 h时效内预报,四种订正方法各有优势。对于48～168 h时效预报,一元线性回归法效果更优。采用分时效对ECMWF模式高温预报结果进行后处理,考虑24 h预报订正使用递减平均方法,48～168 h预报订正使用一元线性回归法,可以更大程度地提高预报准确率。     

基于PCA RBF的风电场短期风速订正方法研究

风电功率预测中最重要的因子是风速,准确的风速预测是风电功率预测的前提和基础。为了提高短期风速预测的准确性,本研究采用WRF模式,对我国上海崇明吕四风电场的风速进行预报。在此基础上,利用PCA-RBF算法结合WRF模式预报风向、气温、气压等气象要素对预报风速进一步订正。实验结果表明,利用PCA-RBF算法对WRF模式预报风速进行订正后,预报风速的误差进一步减小,相对均方根误差降低20%~30%,相对平均绝对误差降低15%~20%。与其他智能算法(BP算法、LSSVM算法)对比分析后得出,PCA-RBF算法对WRF模式预报风速具有较好的订正效果,能够有效提高风速预报准确率。     

一种改进的数值预报降水偏差订正方法及应用

对传统的消除偏差法进行改进,形成分等级消除偏差法,并使用混合训练期和60 d滑动训练期方案分别对2012年6—8月ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasting) 模式夏季1~5 d的降水预报进行订正试验。为了尽可能符合中国东部夏季降水具有移动性及多种时间尺度变化的特点,混合训练期以预报期前30 d与预报期前一年同日的前后各15 d组成。结果表明:在使用分等级消除偏差法的基础上,相比ECMWF模式降水预报,两种训练期方案的订正结果几乎对各个阈值的ETS评分均有一定提高,特别是对25 mm以上降水预报评分的提高幅度,混合训练期方案的订正结果明显高于60 d滑动训练期方案;在区域性强降水预报的订正中,混合训练期方案优势更为明显。另外,通过分析两种训练期方案的预报偏差发现,分等级订正是此次消除偏差订正试验中提高强降水预报评分的关键,选择合适的训练期可以增加评分提高的幅度。由于上述试验使用的ECMWF模式预报和站点实况均是业务上常用数据,因此,该方法具有一定的业务应用价值。     

西南区域中尺度数值模式预报性能及其与天气过程关系初探

本文以探空站和自动站实测资料为检验参考,通过主客观检验GRAPES和WRF模式在西南地区的初始分析场和预报场,一定程度揭示出模式在西南地区的初值质量、动力框架性能和降水参数化效果。GRAPES在西南地区的位势高度、风速、风向初值质量都不同程度好于WRF,但进入预报阶段,GRAPES位势高度、温度均方根误差以比WRF更高的斜率随时效增长,GRAPES对西南地区的500 hPa高度场预报呈现系统性偏低,而WRF对西南地区高度预报的正误差概率比较高;分类天气过程检验表明,GRAPES对低涡、切变过程的初始分析质量好于WRF,但进入预报阶段,WRF对低槽、低涡和切变三类天气过程的低值系统预报正确率都高于GRAPES,这一定程度反映出WRF的模式性能好于GRAPES;分类天气过程降水预报检验表明,低涡过程降水预报难于低槽过程。GRAPES对低涡过程的降水预报能力较低,WRF预报能力最低的是切变过程。这与模式对分类天气过程中低值系统预报能力一致,这一定程度表明两个模式的降水参数化效果水平相当。     

基于集合预报的四川夏季强降水订正试验

四川历来多暴雨洪涝,然而其发生具有很多不确定的因素,预报难度很大。从观测与模式预报的累积概率密度函数角度出发,利用2007—2012年6—8月中国降水观测格点资料和2012—2013年6—8月ECMWF模式集合预报资料,探索了一种提高四川地区强降水预报准确率的方法——概率阈值订正法,并运用该方法对2012年6—8月盆地东部的降水过程进行批量试验。试验结果表明:订正后的模式预报相比订正前的预报而言,不仅强降水落区更接近实况,而且较大程度地延长了预报时效,能提前6~7天给出强降水过程的警示信息,经过订正后显著提升了ECMWF模式的降水预报水平。      

不同辐射参数化方案对南京地区大雾过程数值模拟的影响

为了比较不同长、短波辐射参数化方案对江苏省大雾过程的模拟效果,本文利用WRF模式,通过设计不同长、短波辐射参数化方案,对江苏省2015年5月18—21日和12月20—21日2次典型大雾过程进行了数值模拟,讨论了模式中不同长、短波辐射参数化方案对江苏省大雾过程的模拟影响。采用平均绝对误差(MAR)、均方根误差(RMSE)、皮尔逊相关系数(r)及中国气象局颁布的雾区预报规定,评价得到不同条件的最优模拟方案。结果表明:(1)热力条件与水汽条件,模拟最优方案为长波GFDL方案与短波RRTMG方案组合。(2)动力条件,最优辐射参数化方案组合为CAM方案与FLG方案组合。(3)雾区的模拟,效果最好的方案为长波GFDL方案与短波RRTMG方案的组合。     

辐射参数化方案对一个海气耦合模式云和辐射模拟的影响

比较Morcrette辐射方案和Fu_Liou辐射方案对NCC/IAP T63海气耦合模式云和辐射模拟的影响, 结果表明:两种方案模拟的大气顶入射辐射存在明显的差异; 晴空大气Fu_Liou方案的短波吸收能力在全球普遍较Morcrette方案低; 在60°S~60°N之间, Fu_Liou方案模拟的行星反照率更接近于ERBE卫星观测; 在对大气顶净辐射的模拟上, 除了冬季的太平洋和大西洋东岸云量明显减少的部分地区外, Fu_Liou方案对大气顶净辐射的模拟总体上较Morcrette方案有了较为明显的改善; Fu_Liou方案模拟的海洋低层云显著减少, 而热带地区高云的模拟明显增加; 由于采用了“二元云量”算法, 尽管云量有所减少, Fu_Liou方案模拟的云短波吸收作用仍有所增强, 一定程度上改进了Morcrette方案云的短波吸收作用偏弱的现象。     

辐射参数化的变化对模式中期和月预报的影响

在T106中期数值预报模式和T63气候模式中进行了两种辐射过程参数化的对比试验。目前在这两个模式中用作对照积分的辐射方案(OPE)是ECMWF的早期业务方案，而新的辐射方案(NEW)是ECMWF 1989年5月2日成为业务的版本。试验结果表明，OPE高估了短波水的吸收，导致太大的短波大气吸收和地表太小的向下短波辐射；OPE还低估了长波辐射冷却和大气顶的向外长波辐射(OLR)；NEW增加了地表有效辐射能量和对流层总的冷却，产生了较大的湍流热通量，对流活动加强，降水量明显增加；NEW还使平流层温度偏暖得到矫正。业务平行试验的统计检验表明，NEW对4～7天中期预报有较显著的改进。     

Calculating downward longwave radiation under clear and cloudy conditions over a tropical lowland forest site: an evaluation of model schemes for hourly data

Field measurements of radiation fluxes—notably downwelling longwave radiation flux (LW flux)—are as yet rare or nonexistent outside a very select number of sites in the tropics. Data gaps can only be filled through the use of estimation schemes based on measurements of other meteorological variables, and there is a need for recommendations on best practice in this area. We selected 18 contrasting semi-empirical estimation schemes for downward longwave radiation, based on air emissivities, combined with six different sky cover estimation schemes and compared the expected longwave flux with hourly observations from a flux tower at Caxiuan? in Brazil. Of all schemes tested, the Dilley–Kimball emissivity scheme combined with Kasten and Czeplak’s sky cover scheme during the day and Dilley and O’Brien’s model B scheme at night proved to be the most reliable, yielding estimates of LW flux generally within 20?W/m² of measurements across all time points.     

基于CWRF的中国近海热带气旋集合模拟及其对物理参数化方案的敏感性研究

为评估CWRF模式的降尺度能力和其热带气旋模拟对物理参数化方案的敏感性,本文利用ERI再分析资料驱动CWRF在30km网格上对1982-2016年中国近海热带气旋开展了一次集合模拟.结果表明:CWRF与ERI均能模拟出热带气旋的季节变化和年际变化形势且均存在低估,但相较ERI,CWRF的降尺度技术和集合模拟可以再现更多的热带气旋,显著减少低估.年际变化结果提升最为明显,它对积云方案最为敏感,其次是边界层,陆面和辐射方案,对云和微物理方案较弱.该研究为应用CWRF理解和预报热带气旋提供了参考.     

不同类型冷却屋顶方案对城市群热环境的缓解效果

利用耦合单层城市冠层模型的中尺度数值模式WRF/UCM,选取8组不同反照率和绿化比例的屋顶冷却方案进行敏感性试验,模拟研究不同冷却屋顶方案对长三角城市群2013年夏季城市热环境的影响,并分析其影响机制。结果表明：不同冷却屋顶方案对城市群热环境的缓解效果与屋顶参数之间呈很强的线性关系。高温热浪天气下,HR4（反照率为1.0）和GR4（屋顶绿化率为100%）方案的制冷度日数分别降低了14.7%和10.9%,节约的能源比普通夏日更多。同时,高温热浪天气会增强热岛强度,高反照率屋顶方案在白天对热岛起到更有效的缓解,热浪天气下日平均热岛强度最大可降低1.36℃。相同方案下,在高温热浪天气下的缓解效果均胜于普通夏日,平均而言,高反照率屋顶和屋顶绿化的降温效果分别增大38.5%和34.9%,增湿效果分别增大29.5%和21.9%,这主要是由于在高温热浪天气下,高反照率屋顶方案能够减少更多的净辐射通量,屋顶绿化方案能够释放更多的潜热通量。此外,城市格点密集区域的降温效果优于分散的城市区域,处于城市群中的常州区域较单独的杭州区域的降温幅度平均高32%。     

高精度迎风偏斜格式的比较与分析

利用一种具有任意阶精度的一般显式有限差分公式构造出高精度迎风偏斜格式，并利用 Fourier分析法评估了这些迎风偏斜格式的耗散误差与频散误差。结果表明，偶阶精度格式的数值相速度快于实际相速度，而奇阶精度格式的数值相速度慢于实际相速度。并且，偶阶精度格式的耗散误差与频散误差低于相邻的奇阶精度格式。为了检验这些格式的计算性能，在一维问题上进行了应用。首先，考虑恒定风场条件下的一维平流试验。主要选择两种不同的初始条件来评价数值格式的精度，这两种试验问题分别是高斯函数、方波函数。试验结果表明，随着数值格式精度的提高，数值格式的误差逐渐减小。而对于高于六阶精度的格式来说，改进的程度并不是很大。其次，应用各阶格式到具有两种不同初始条件的无粘Burgers方程。数值结果表明，随着数值格式阶数的增加，数值结果也得到了明显改进。而对于高于六阶精度的格式来说，进一步的变化并不明显。总之，在兼顾效率与精度条件下六阶迎风偏斜格式是最好的。     

SENSITIVITY OF THE WEATHER RESEARCH AND FORECASTING MODEL TO RADIATION SCHEMES IN CHINA

Results of one-year simulations using the Weather Research and Forecast (WRF) model, with the use of different radiation schemes (RRTM, RRTMG, CAM, New Goddard and Goddard), are evaluated for China. The observations used in the model assessment include station data from the China Meteorological Administration, 14 flux field sites arranged in a coordinated observation network, and Global Land Data Assimilation System (GLDAS) data. Specifically, based on a Taylor diagram, the temperature differences between the radiation schemes are small, and the best annual mean spatial pattern and average value for China as a whole is produced by RRTMG. For the rainfall and net radiation annual mean simulation, the New Goddard and CAM schemes present better results than the RRTMG scheme. With respect to low cloud cover, all the schemes have similar reproduction without high cover on east of Tibet Plateau. Overall, the New Goddard and CAM schemes are suitable for longtime simulation without nesting and nudging options.     

Impact of horizontal diffusion, radiation and cloudiness parameterization schemes on fog forecasting in valleys

Fog and low stratus forecasting experiments have been carried out with the numerical weather prediction model ALADIN on a case of long lasting fog. The model has been used with different radiation, cloud diagnosing and horizontal diffusion schemes, different representation of orography, increased vertical resolution and with or without prognostic condensates and turbulent kinetic energy (TKE). Some of the numerical set-ups are able to reproduce the fog (low stratus) field as seen in the satellite images as well as the measured 2m temperature and relative humidity diurnal cycles. The results show that cloud diagnosing schemes and overlap assumptions play a more important role than a more sophisticated radiation scheme, or introduction of prognostic cloud water, ice, rain, snow or TKE. More realistic orography representation and a more physical horizontal diffusion scheme significantly improve the modelled low stratus and 2m temperature in the areas with variable orography.     

Improvement of surface albedo simulations over arid regions

To improve the simulation of the surface radiation budget and related thermal processes in arid regions, three sophisticated surface albedo schemes designed for such regions were incorporated into the Biosphere- Atmosphere Transfer Scheme （BATS）. Two of these schemes are functions of the solar zenith angle （SZA）, where the first one has one adjustable parameter defined as SZA1 scheme, and the second one has two empirical parameters defined as SZA2 scheme. The third albedo scheme is a function of solar angle and soil water that were developed based on arid-region observations from the Dunhuang field experiment （DHEX） （defined as DH scheme）. We evaluated the performance of the original and newly-incorporated albedo schemes within BATS using the in-situ data from the Oasis System Energy and Water Cycle Field Experiment that was carried out in JinTa, Gansu arid area （JTEX）. The results indicate that a control run by the original version of the BATS generates a constant albedo, while the SZA1 and SZA2 schemes basically can reproduce the observed diurnal cycle of surface albedo, although these two schemes still underestimate the albedo when SZA is high in the early morning and late afternoon, and overestimate it when SZA is low during noontime. The SZA2 scheme has a better overall performance than the SZA1 scheme. In addition, BATS with the DH scheme slightly improves the albedo simulation in magnitude as compared to that from the control run, but a diurnal cycle of albedo is not produced by this scheme. The SZA1 and SZA2 schemes significantly increase the surface absorbed solar radiation by nearly 70 W m^-2, which further raises the ground temperature by 6 K and the sensible heat flux by 35 W m^-2. The increased solar radiation, heat flux, and temperature are more consistent with the observations that those from the control run. However, a significant improvement in these three variables is not found in BATS with the DH scheme due to the neglect of the diurnal cycle of albedo. Further analysis indi