地基微波辐射计资料同化对一次特大暴雨过程影响的数值试验研究

基于暴雨中尺度数值预报模式AREMv2.3和三维变分同化系统GRAPES-3DVAR,以2008年7月22日08时至23日08时发生在我国东部地区的一次特大暴雨过程为例,研究了荆州、咸宁、常德3部地基微波辐射计反演的相对湿度廓线资料同化对降水预报的影响。结果表明:1)同化荆州、咸宁、常德3部微波辐射计反演的相对湿度廓线资料后,模式对降水落区预报改进不明显,但对降水强度预报改进明显,24 h降水最大增幅为45 mm;2)分别同化荆州、咸宁、常德微波辐射计湿度廓线资料,降水强度模拟均有所改进,24 h降水最大增幅分别达到42、10、24 mm;3)单站及两站微波辐射计资料同化均对降水强度预报有所改善,但不及对3部微波辐射计资料同时同化的结果,这表明同化的中尺度水汽场信息越多,初始场的质量越高,降水模拟效果越好;4)对上述暴雨过程而言,荆州微波辐射计湿度廓线资料同化对降水强度预报改进贡献最大,常德站次之,咸宁站作用最不明显。     

2008年8月10日北京地区暴雨过程的诊断分析和数值研究

利用地面和探空加密资料、FY-2C黑体辐射亮温(TBB)以及NCEP资料,对2008年北京奥运会期间(8月10日)发生的一场区域性暴雨过程进行了初步分析,并利用WRF模式(V3.0),针对此次暴雨过程的性质设计了一系列数值试验,探讨了此次暴雨过程数值模拟和预报中模式物理过程的敏感性。结果发现:(1)引发暴雨的中尺度对流系统经历了3个阶段,即低槽云系中零乱弱对流云活动(北京西部山区)、低槽云系中镶嵌的波状对流云团活动(北京中西部地区)以及尺度较大的中β尺度对流云团发生发展阶段(北京中东部地区)。地面中尺度雨团与中尺度对流系统的活动特征一致,即经历了北京西部山区的零乱雨团和中西部地区波状雨团以及中东部地区中β尺度雨团活动阶段。(2)暴雨中尺度对流系统发展前处于高水汽环境、抬升凝结高度低、一定的对流不稳定能量和有利的地面抬升条件,暴雨中尺度对流系统发展过程中有明显的对流不稳定能量积聚与释放和水汽增减过程。(3)暴雨过程中低空急流特征并不明显,暴雨可能主要由对流层低层扰动、近地面冷空气活动、天气尺度强迫以及地形等共同作用引发中尺度对流系统造成。(4)数值试验结果表明,云微物理过程不足以改变强降雨带的模拟,此次暴雨过程...     

2006年6月5～8日梅雨锋上中尺度对流系统引发福建北部暴雨的诊断分析

利用1°×1°经纬度的NCEP再分析资料、地面1 h降水和卫星黑体辐射亮度温度资料,分析了2006年6月5～8日引发福建北部大暴雨的梅雨锋上的中尺度对流系统活动,探讨了梅雨锋上或锋前暖区一侧中尺度对流系统触发和增强的动力机制,并进一步研究了强降水凝结潜热造成的非绝热加热在对流系统发生发展中的作用。结果发现:福建北部强降水产生是由梅雨锋上或锋前多个β中尺度或α中尺度的强对流系统活动造成的,这些中尺度对流系统的发生发展与大尺度地转强迫造成的上升运动、武夷山脉等的地形动力强迫抬升作用、梅雨锋锋生以及锋面的阻挡和直接抬升作用有关。梅雨锋上强降水造成的非绝热加热在中尺度对流系统的形成和发展中起到了重要作用。最后,总结出梅雨锋上中尺度对流系统发生发展的概念模型。     

面向资料同化的风廓线雷达风场特征分析及其质控方法

以美国国家环境预报中心全球预报系统（National Centers for Environmental Prediction/Global Forecast System,NCEP/GFS）0.5°×0.5°分析场作为数值预报背景场,结合地面降水资料,面向资料同化分析了2017年1～12月逐日00时、06时、12时、18时（协调世界时）福建12部L波段风廓线雷达（其中CFL-03系列3部、CFL-06系列9部）水平风产品质量特征,并初步探讨了不同质量控制方案的影响差异。结果表明:（1）CFL-06系列雷达在水平风的最大探测高度、有效数据获取率和低层水平风质量等方面明显优于CFL-03系列;（2）相同系列的不同风廓线雷达探测水平风的数据获取率、有效探测高度、标准差、相关系数及偏差的垂直分布特征等存在极大差异,该差异与风廓线雷达所处的地理位置（沿海或内陆）、海拔高度等并无直接关系;（3）各雷达站探测u风速相对背景场存在明显系统性负偏差,小于背景场,不满足资料同化对背景场的无偏需求,资料同化时需进行偏差订正;v风则相对较好;（4）降水对风廓线雷达探测影响较大,有降水时数据获取率在中低层有所减小,但在中高层则大幅提高;u、v风标准差在中低层有所增加,而在中高层v风标准差有所增加,u风标准差则大幅降低;（5）针对不同风廓线雷达,提出了不同高可信度区间和不同有效探测高度两种质量控制方案,并与固定有效探测高度方案进行了对比,结果表明,这两种质量控制方案皆具有明显优势。不同高可信度区间方案的质量控制效果更为显著,不同雷达站水平测风数据得到更加充分和有效识别,既减少了雷达资料不必要损失,又可将质量差的数据进一步剔除;该方案在有降水情形下也有较好效果。     

雷达降水资料一维变分同化的敏感性研究

采用 η坐标中尺度有限区域模式 ,对 98·7鄂东沿江突发性特大暴雨进行了数字化天气雷达探测降水资料调整湿度廓线的一维变分同化的敏感性试验。对湿度廓线初猜场X( 0 ) 所做的敏感性试验结果表明 :不同的湿度廓线初猜场X( 0 ) 对目标函数的下降速度有非常大的影响 ,而且在观测降水Ro≠ 0 ,模式背景降水Rb=0的特定情形下 ,采用不同的湿度廓线初猜场方案会对降水资料变分同化的成功与否产生重要影响。     

长江中游一次暴雨中尺度天气系统的观测分析

利用多种加密观测资料，详细分析了长江中游一次暴雨中尺度天气系统的观测特征。结果发现：(1)暴雨由各种尺度的天气系统相互作用造成，直接造成这场暴雨的是中α尺度切变线上活动的多个并不深厚的中β尺度对流系统，该对流系统在发生发展过程中一直伴有明显的中尺度雨团活动。(2)这次中β尺度对流系统活动可能的物理图像为：在切变线东北方和西南方各有一支气流在切变线上辐合抬升并汇入对流系统中，在暖平流的作用下，气流在倾斜的θse锋前上升(或沿锋区爬升)并随高度发生顺转，到7km高度以上开始以西南气流发散，在离对流区400～500km处下沉，并在θse锋区附近构成中尺度垂直环流圈，对流云团发生在该垂直环流的上升支一侧。     

变分技术在校准数字化天气雷达定量估测降水中的应用

利用1998年7月20－22日鄂东地区持续性特大暴雨的数字化天气雷达反演资料和雨量计网测量资料，采用变分技术校准雷达定量估测降水，结果表明：经变分法校准后的雷达估测降水不仅保留了雷达探测到的降水形势，并且与雨量计网测定的降水量之间的误差有明显的改进。     

ENSO循环在夏季的不同位相对东亚夏季风的影响

采用ＳＳＴＡ、风场、ＯＬＲ以及中国１６０站降水、气温等资料,根据赤道中东太平洋ＳＳＴＡ的逐季变化,将ＥＮＳＯ循环过程在夏季的位相分为５种型。对其相应的Ｗａｌｋｅｒ环流的显著性检验发现,Ａ型与Ｃ型夏季的差别最为显著。夏季要素场合成分析发现。Ａ型与Ｃ型的情形差别最明显。Ａ型夏季的要素场与弱夏季风年的相似;Ｃ型夏季的要素场与强夏季风年的相似。     

改进的AREMS对2003年汛期降水预报及对比检验

利用包含三维变分同化的中尺度暴雨数值预报模式系统AREMS和AREM2．1对2003年主汛期（6-8月）进行了每天两个时次（08时和20时）的实时平行预报试验。对24h累积降水量预报进行了分区检验，结果表明：（1）AREMS对我国夏季降水具有较强预报能力，长江中下游地区TS评分最高。长江中下游、华北和华南地区空报率大于漏报率，东北和西南地区东部则相反。（2）模式条件的改变（模式层顶、侧边界条件及初值分析）对不同区域24h降水预报的影响程度不同：6-8月平均而言，影响最显著的是东北、华北地区，然后依次为华南、西南地区东部，影响最小的是长江中下游地区。（3）模式条件的改变对不同区域TS评分影响不同：6-8月平均而言，AREMS对东北地区降水预报效果改进最显著，特别是12-36h时效的降水预报；对华北地区的改进也非常明显；对华南地区降水预报水平整体下降；对长江中下游和西南地区东部改进不明显。（4）模式条件的改变对不同区域空报率和漏报率影响不同：华北漏报率明显减小，但空报率有所增加；东北绝大多数的空报率与漏报率都较AREM2．1有所减小；西南东部地区，08时漏报率略有所减小，空报率增大，20时反之。（5）长江中下游、华南和西南地区东部TS评分差值在6、7、8各月变化明显。     

边界层参数化方案对“莫兰蒂”台风（1614）登陆阶段影响的数值模拟研究

利用中尺度数值模式WRF v3.8中的YSU、MYJ、QNSE、ACM2、UW、GBM、Boulac七种不同边界层参数化方案,采用高分辨率（1.33 km）数值试验的方法研究了不同边界层方案对模拟台风“莫兰蒂”（1614）登陆减弱阶段的移动路径、强度、结构、降水量、近地层有关物理量场分布等方面的影响,结果表明:（1）“莫兰蒂”台风登陆减弱阶段,不同边界层方案对台风路径、强度、降水量模拟影响显著,24 h内模拟台风路径、最低气压、最大风速及24 h累积降水量极值的最大差异分别达80 km、11 hPa、27 m s?1及241 mm;（2）Boulac方案模拟台风路径与实况最为接近,GBM、YSU和MYJ方案分别次之,ACM2和UW方案再次之,而QNSE方案最差;UW和QNSE方案模拟的最低气压以及MYJ和QNSE方案模拟的最大风速与观测最为接近;不同边界层方案均模拟出台风登陆阶段最低气压逐渐升高以及其升高速率在台风登陆后大于登陆前的特征,这与实况一致,但台风登陆前各方案模拟最低气压升高速度均大于实况,而台风登陆后却又不及实况;（3）Boulac方案模拟的24 h降水分布、强降水落区、结构、强度和各量级降水TS评分均最优,MYJ方案次之;而QNSE、UW和ACM2方案雨带向西北方向推进过快,各量级降水TS评分均较差;（4）综合台风路径、强度和降水模拟,Boulac和MYJ方案相对最优,其中Boulac方案在台风路径和降水模拟上更优,而MYJ方案在台风强度模拟上更优;YSU和GBM方案次之,而QNSE、UW和ACM2方案相对较差;（5）不同边界层方案计算的近地层潜热通量、感热通量显著不同,进而影响台风路径、强度、降水量模拟存在显著差异。比较而言,QNSE方案潜热通量相对异常偏高,MYJ和Boulac方案量值适中,其余方案相对偏低;QNSE方案感热通量相对略偏高,MYJ方案适中,其他方案则相对显著偏低;（6）不同边界层方案模拟降水区边界层热、动力结构显著不同,其中Boulac方案具有较明显优势,尤其是对日间边界层结构的模拟。