雷达反演水汽在华南前汛期短时临近降水预报应用试验

为了改善数值预报模式短时临近降水预报能力,采用雷达水汽反演同化方案来提高模式初始水汽场质量。以华南精细预报模式对2013年5月进行了冷启动、热启动和热启动加雷达水汽同化等3个对比试验,并进一步详细分析2013年5月8—9日广东西南部到珠三角地区强降雨过程,探讨雷达反演水汽对短时临近降水预报的影响作用。分析结果显示3个试验结果反映精细模式冷启动不利于1~6 h的降水预报,模式热启动能较好预报前6 h的降水,但对随后预报效果不佳。在热启动的基础上,考虑同化雷达反演的水汽后,不仅较好模拟前6 h的降水,也可以预报出6~12 h的降雨带变化趋势。     

NUDGING方法同化雷达反射率因子个例试验研究

利用ECMEF全球高分辨率模式资料,采用松弛逼近方法(Nudging)同化多普勒雷达反射率因子,通过在华南区域GRAPES_3km模式中对海南岛降水过程个例进行数值模拟,分析不同Nudging方法对模式预报效果的影响。结果表明:(1)采用Nudging同化方法可使背景场和观测反演的资料相协调,缩短模式热启动时间,可增加开始时段的降水量;(2)同化雷达反射率因子能够提高海南岛0～6h逐时降水评分,模拟值更接近实况观测;(3)同化后,华南区域GRAPES_3km模式能够捕捉到更多的中小尺度信息,可改善海南岛24h强降水的量级;(4)在初始场Nudging订正云水、雨水、水汽场等,其水凝物分布合理,降水预报效果最佳。     

多普勒雷达资料在中尺度模式短时预报中的应用

将国内新一代多普勒雷达基数据Lev-Ⅱ的9个仰角的原始反射率和径向风资料应用于中尺度模式ARPS(the Advanced Regional Prediction System),通过对2007年7月18日济南短时特大暴雨过程的个例研究,分析了雷达资料对初始场的改进效果及其对模拟结果的影响。结果表明,同时利用雷达反射率和径向风资料改进过的初始场能明显改善中尺度数值模式短时定量降水预报。对比风场发现,雷达径向风调整后在初始场中出现明显的中小尺度特征,能减少模式的spin-up时间。随着积分的进行,对水汽场的调节也有一定作用,但相对于风场调节不够显著。雷达反射率主要是改进初始场中的湿度参数,增加初始场中云水等含量。积分开始后,对风场调整也很显著。此次模拟,控制试验较好地预报出雷达回波的分布和水汽中心,对应的降水落区与实况也较为接近,但对雷达回波中心强度的预报略大,相应地降水量的预报也偏大。     

多普勒天气雷达资料对中尺度模式短时预报的影响

利用中尺度模式ARPS(The Advanced Regional Prediction System)及其资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System),将国内新一代多普勒雷达(CINRAD)反射率及径向风资料直接用于中尺度数值模拟,通过一次华北地区暴雨过程的模拟对比试验,分析了雷达资料对初始场的改进效果及其对模拟结果的影响,结果表明:(1)利用雷达径向风资料对初始风场进行调整后,自近地面到对流层顶的u,v,w都发生了变化,调整后的初始风场在对流层中层变化最大.(2)利用雷达反射率进行微物理调整和云分析能调整初始场中的云水信息,使得雷达回波附近3 km以下的水汽混合比(qv)增加,4 km以下的雨水混合比(qr)增加,对流层(约10 km以下)的云水混合比(qc)增加,4～9 km的对流层上部云冰混合比(qi)和雪混合比(qs)增加.ADAS通过非绝热初始化调整温度场,从而得到了一个动力和热力上平衡的初始场.(3)模拟的1 h雨量与实况的对比表明,同时利用雷达反射率和径向风改进过的初始场能明显增强3 h内的降水强度和落区预报,改善中尺度数值模式短时定量降水预报.模拟的1 h流场对比分析表明,经雷达径向风调整后,能够在初始场中增加气旋性涡旋等中小尺度风信息,明显减少模式的spin-up时间.(4)通过对雷达径向风和反射率对模式初始场和模拟结果影响的对比分析发现,雷达径向风主要是改进初始风场,而雷达反射率主要是改进初始场中的湿度参数,增加初始场中云水等的含量,调整温度场.通过模拟的6 h降水对比发现,利用雷达径向风调整初始场后,对降水模拟有一定的改进,但效果不甚明显,而雷达反射率资料对定量降水预报改进效果明显,同时使用雷达径向风和反射率资料改进初始场后对降水的模拟效果最明显.     

多普勒雷达资料在MM5模式中的应用

将多普勒天气雷达探测到的降水粒子的回波强度数据转化为相对湿度值,对同一时刻MM5模式初始场中的相对湿度值进行订正.多次模拟试验结果表明:通过修正模式初始场在雷达回波区域的水汽条件,使该区域初始场底层能量升高、对流不稳定性加强.从而对回波下游区域降水中心位置和降水量级的预报有所改进.本文以山东临沂2004年7月16日暴雨过程和2005年6月14日冰雹过程为例,阐述试验过程及试验结果.     

多普勒雷达资料同化对北京“7.21”大暴雨过程模拟的影响

利用新一代中尺度预报模式WRFV3.6及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),对2012年7月21日北京地区的一次暴雨过程进行多普勒天气雷达径向风和反射率的同化试验研究,检验和探讨高时空分辨率多普勒天气雷达资料在改进模式初始场及提高对暴雨过程预报的准确率等方面的应用效果及意义。结果发现雷达资料同化能在初始场中加入反映产生降水的低层风场辐合的动力和锋前暖区充足的水汽条件的物理信息,可以在模式积分开始后改善初始场中水汽和风的分布,较快地模拟出局地对流系统的发生、发展,改善由于中尺度观测资料不足而造成的模式初始场里中尺度信息缺乏的问题。径向速度的同化增加了中尺度信息,对初始流场的调整较为显著,侧重于改进风场。而雷达反射率资料的同化对初始温、湿度场和强回波位置的调整更明显,侧重于改进湿度场。累计降水的预报结果显示,同化径向风资料对雨带的位置、范围有较好的改进,同化雷达反射率资料对暴雨强度的预报有明显的改善。通过降水ETS评分发现,同化常规观测试验相对于控制实验,对于5、15 mm和25 mm降水评分能增加0.1左右,径向风同化试验能增加0.2左右,反射率同化试验能增加0.3左右,而径向风加反射率试验增加的评分介于0.2～0.3。雷达资料对于提高定量降水预报的精确度有着重要作用。     

两种背景场同化雷达资料对辽宁省一次暴雨预报的影响

针对2013年8月15—16日先后在辽宁省锦州和抚顺地区发生的特大暴雨,分别以T639和NCEP预报场作为背景场,利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)和ADAS(ARPS Data Analysis System)同化系统进行了同化多普勒雷达观测资料的试验,检验同化雷达资料和采用不同背景场对暴雨预报的影响。结果表明:(1)同化雷达资料前,使用两种背景场的预报结果对锦州的强降水均出现漏报,同化雷达资料后,均预报出了锦州黑山一带的强降水,而12~24 h预报结果中对位于抚顺地区强降水预报的改善不大,采用T639较NCEP预报作为背景场对抚顺地区强降水的预报更好;(2)ADAS同化雷达资料后对模式初始湿度场的改善较大,700 h Pa和850 h Pa比湿有明显的增量。同时,同化雷达资料后更新了模式初始场中的水物质,水物质增量位置和强降水发生位置有较好的对应关系;(3)通过分析模式预报的风场,回波和水汽通量散度发现,同化试验预报初期在锦州和阜新一带预报出了强度较强且深厚的水汽场,低层西南暖湿气流和高层西北干冷气流的配置在锦州地区水汽区域的左侧激发了强烈的上升辐合运动,而其右侧伴有强烈的辐散是导致锦州黑山强降水爆发的主要原因。     

华南区域高分辨率模式中不同雷达回波反演技术方案的比较试验

结合一次比较典型的华南前汛期暴雨过程,对目前常用的几种雷达回波反演技术进行比较,试图得到一种适用于华南区域高分辨率模式的技术方案。首先比较了两种不同的水凝物反演技术对短期降水预报的影响,发现基于暖雨假设构造的经验公式反演得到的云微物理量进行Nudging以后预报降水比实况偏弱,而利用LAPS系统可以反演出高层的固态粒子,这些云粒子通过冰相过程可以产生强度与实况相当的降水。仅仅引入初始场的凝结物只对第一小时降水预报改进比较明显。通过对两种不同的水汽反演技术进行比较,发现1D+3D方法反演得到的水汽场并不适用于高分辨率模式,按该方法调整初始场水汽之后反而导致降水预报效果变差,而根据雷达回波调整水汽饱和的方法却可以有效提高前6小时的降水评分,这种改进主要来自降水漏报现象的减少。总体来说,结合利用LAPS系统反演云物理量以及水汽饱和调整方法是一套比较适合华南区域高分辨率模式的技术路线。     

变分回波跟踪算法及其在对流临近预报中的应用试验

目前业务上0—1 h对流天气临近预报仍旧以客观外推为主,采用不同外推算法,得到雷达回波以及降水的外推临近预报。以业务应用为目标,开展了变分回波跟踪算法在强对流天气临近预报中的应用研究。利用京津冀地区的8部新一代多普勒天气雷达逐6 min雷达组网拼图资料,选取2016—2018年夏季发生在京津冀地区的18个典型对流个例,开展变分回波跟踪算法和交叉相关法的0—1 h临近预报对比试验及检验评估。与传统的交叉相关法相比,变分回波跟踪算法采用变分技术求解雷达回波运动矢量场,在计算中使用两个严格的约束条件,运用迭代法进行求解,其得到的运动矢量场更为准确。结果表明,变分回波跟踪算法优于传统的交叉相关法,得到的30、60 min内雷达回波的形状、位置及强度的外推预报和实况更接近,定量检验评分更高:（1）京津冀地区4次典型对流天气过程临近预报对比试验表明,和交叉相关法相比,变分回波跟踪算法可以更好地预报出未来1 h内雷达回波的位置、形态和强度。（2）通过对18个典型对流个例定量检验,发现当雷达回波强度阈值为35和45 dBz时,无论是30或是60 min外推预报,变分回波跟踪算法的命中率（POD）和临界成功指数（CSI）都明显高于交叉相关法,且虚警率（FAR）更低;分天气类型定量检验发现,绝大多数天气类型,变分回波跟踪算法外推预报效果优于交叉相关法。      

雷达资料与中尺度数值预报的融合方法研究及其在临近预报中的应用

通过融合多普勒天气雷达资料与中尺度数值预报产品,发展了一种便于临近预报业务使用的方法。该方法首先通过相关分析计算当前相同时刻雷达估测降水与中尺度数值预报的反射率因子估测降水之间的位置偏差,导出一个位移偏差矢量场;然后,利用人机交互的方式对矢量场进行分区,并对各分区的矢量场进行平滑处理,计算出各分区的平均位移偏差矢量;最后,采用最小二乘法对各分区连续多次的平均位移偏差矢量进行线性拟合,得到各分区平均位移偏差矢量随时间的变化特征,订正未来时段相应区域的数值预报反射率因子估测降水的位置偏差。利用该方法对2012和2013年夏季发生在重庆西部、四川东部的3次强降水天气过程进行临近预报试验并对预报结果进行了检验,结果表明:对0~2 h的临近预报,融合预报效果总体上优于模式预报效果;另外,与雷达外推定量降水预报相比,0~1 h雷达外推预报效果优于融合预报效果,1~2 h融合预报效果优于雷达外推预报效果。     

AN ANALYSIS OF THE CAUSES OF MEANDERING TRACKS OF TYPHOONS

Criteria of the free meandering tracks of typhoons are derived from the genera! solutions of typhoon motion equations. It is suggested that the meandering motion of a typhoon is caused by the combination of the internal force, the initial speed of the typhoon and the average pressure gradient force of the typhoon volume affected by the environmental pressure field. It is also revealed that under specified circumstances, the meandering may be caused only by the typhoon's internal force. Finally two examples of fitting calculation are given for illustration.     

气象场相关结构对EOFs展开稳定性的影响

本文从矩阵扰动理论出发,提出利用矩阵的范数(norm)作为度量气象场随机扰动的稳定性指标,并由此间接推估EOFs展开的稳定性。经理论论证、数值试验和实例计算表明,气象场的相关性越好,达到稳定相关结构所需样本越小,由此得到的EOFs稳定性也越好,反之则不然。上述规律又直接受样本大小n和站点数目p的影响。对于不同的气象场来说,达到稳定EOFs的样本临界值不同,必须警惕EOFs展开有可能不是稳定的。     

用单部多普勒雷达径向速度资料反演的风场资料及其应用

利用安装在南京气象学院的天气多普勒雷达收集到的雷达资料,分析了在江淮流域大暴雨后期静止锋附近风场的中尺度结构特征。结果表明:静止锋附近的近地面层为冷平流,往上为暖平流。低层吹东北风,随着高度增大,风速减小,在2km高度附近风速最小,以后转为西南风,并反映出水平风场中存在垂直切变。     

云水酸化数值模式计算

假定形成在硫酸、硫酸盐和硝酸盐核上的云滴,溶解酸、碱性气体在很短时间达到气—液平衡,进行了云水酸度的数值模式计算。计算结果表明,云水酸化不仅与云空气中酸、碱性气体和气溶胶粒子组分的初始浓度有关,而且还与云含水量有关。     

啤麦穗粒结构的分阶段气候评价和预报方法研究

通过对十多年来啤麦穗粒结构与气象条件的关系的计算分析,得出了啤麦不同生育阶段影响穗粒结构的主要气象要素,并建立起其间的线性关系模式,为对啤麦产量构成要素进行分阶段的气候评价和预报提供了新的方法。     

国家气象中心降水数值预报信息效益评估

以列联表形式计算熵函数，由熵函数值对国家气象中心发布的１９９６年汛期６月２２日－８月７日５次暴雨过程降水数值预报进行评估，得到５种数值预报产品给江苏省各区域的雨量预报提供了０．１８２４ｂｉｔ－０．２９１４ｂｉｔ信息等结论。     

一次台风变性过程的锋生位涡反演诊断

采用锋生位涡反演诊断方法,对一次发生在西太平洋上的台风变性过程进行了诊断分析和机制研究。主要从锋生演变的角度,定量诊断了西风带高空冷涡低槽的动力强迫作用、中纬斜压锋区扰动、台风环流本身以及非平衡风场在台风变性过程的不同阶段所起的作用和影响,并对以上各物理过程的相互作用、造成台风变性以及变性后再度增强的演变发展机制进行了分析讨论。结果表明,台风变性过程具有显著的非平衡特征,在台风变性过程的不同阶段具有明显不同的发展演变机制。     

长波稳定性的季节变化

利用多层模式导得了多层斜压大气中的斜压不稳定的必要条件,还利用迭代-还原法计算了春夏秋冬实际基流上不稳定波的增长率。结果显示,长波扰动的增长率及其不稳定波的波长范围有明显的季节变化,冬季增长率最大,不稳定波的波长范围也最宽,春季次之,夏季最弱;β参数对长波不稳定起稳定化作用,它减小不稳定波的增长率,缩小不稳定波的波长范围;Froude数的影响与β参数相反,它对长波起不稳定化作用.地形的存在,使不稳定波的波长范围缩小,对增长率的影响比较复杂。     

ELEMENTARY VIEW OF GREENHOUSE EFFECT OF THE ATMOSPHERES OF VARIOUS PLANETS

The global mean temperatures of the atmosphere and the surface of various planets of the solar system are deter-mined by taking the system as in radiative equilibrium,with the atmosphere taken as transparent to solar radiation butwith an albedo α,and composed of N layers each of which absorbs all infrared radiation that falls on it,and a top layerof partial absorptivity a,while the surface is taken as black.It is found that,for the earth's atmosphere with α=0.33,N=0,a=0.83,it gives the current observed mean surface temperature T_s=15℃ and the effective mean radiative temper-ature of the atmosphere T_a=242.6K.On the other hand;the atmosphere of Venus is characterized by α=0.70 andN=70,which yields a surface temperature of about 700K.It is also found that surface evaporation and absorption of solar radiation by the atmosphere tend to lower the sur-face temperature.     

层状冷云人工增雨可播性实时识别技术研究

该文综合分析了4次层状冷云人工增雨过程的雷达回波、粒子测量系统(PMS)探测资料，以及GPS定位资料，提出应以PMS的FSSP-100探头探测的云中粒子浓度以及2D-C探头探测的云中大粒子浓度作为判别云中可播性的主要技术参量，并发展了层状冷云飞机人工增雨实时监测指挥技术。FSSP-100探测的粒子浓度不小于20/cm3的云区才具有一定的可播性。其中2D-C探测的大粒子浓度小于20/L时，可确定为强可播区，否则为可播区。