地形跟随坐标下的中尺度模式气压梯度力计算误差分析及其改进方案

GRAPES_Meso模式预报存在南风偏大、虚假降水偏多等问题,且在大地形下游地区异常明显。平缓-混合坐标可以有效减小气压梯度力计算误差以及平流输送误差,而这两种误差与风场和水汽场预报密切相关。基于GRAPES_Meso模式选择四种平缓-混合坐标对一次典型的高原东部准静止锋降水过程进行模拟分析。模拟结果表明,较弱的天气形势演变下,平缓-混合坐标的改进效果比较明显,可以有效缓解风场预报偏差、虚假降水、虚假天气系统等问题,个例模拟的结果与实况更接近。

     

GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR).该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致.由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案.通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难.重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化.理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善.     

A land data assimilation system using the MODIS-derived land data and its application to numerical weather prediction in East Asia

Land Data Assimilation Systems have been developed to generate the surface initial conditions such as soil moisture and temperature for better prediction of weather and climate. We have constructed Korea Land Data Assimilation System (KLDAS) based on an uncoupled land surface modeling framework that integrates high-resolution in-situ observation, satellite data, land surface information from the WRF Preprocessing System (WPS) and the MODIS land products over the East Asia. To present better surface conditions, the KLDAS is driven by atmospheric forcing data from the in-situ rainfall gauges and satellite. In this study, we 1) briefly introduce the KLDAS, 2) evaluate the meteorological states near the surface and the surface fluxes reproduced by the KLDAS against the in-situ observation, and then 3) examine the performance of the mesoscale model initialized by the KLDAS. We have generated a 5-year, 10 km, hourly atmospheric forcing dataset for use in KLDAS operating across East Asia. The KLDAS has effectively reproduced the observed patterns of soil moisture, soil temperature, and surface fluxes. Further scrutiny reveals that the numerical simulations incorporating the KLDAS outputs show better agreement in both the simulated near-surface conditions and rainfall distribution over the Korean Peninsula, compared to those without the KLDAS.     

Review of numerical methods for nonhydrostatic weather prediction models

Summary ?Currently available computer power allows to run operational numerical weather prediction models at resolutions higher than 10 km. The aim of such high resolution modeling is the prediction of local weather, including orographically induced winds and local precipitation patterns. In this range the hydrostatic approximation is no longer valid and nonhydrostatic models have to be used instead. For several decades these models have been developed for research purposes only, but operational application is now reality. In this paper, the numerical methods used in current nonhydrostatic forecast models will be reviewed and some promising techniques in this field will be discussed. Special attention is given to aspects such as the choice of the vertical coordinate, the efficiency of algebraic solvers for semi-implicit time discretizations, and accurate and non-oscillatory advection schemes. Received July 6, 2001; revision October 12, 2001     

天气雷达反射率资料订正前后在ARPS模式中的同化试验对比

以TRMM/PR反射率资料作参照,对常州、南京天气雷达反射率资料进行一致性订正,再利用中尺度模式ARPS及其数据同化系统ADAS对订正前、后的天气雷达反射率因子进行同化,模拟2013年6月25日和2010年8月24日江苏地区两次暴雨过程。两次暴雨过程均包括3组试验:控制试验和雷达资料订正前、后的同化试验。结果表明:(1)雷达反射率因子的同化很好地改进了模式初始湿度场,使降水预报在分布和强度上更接近实况;(2)雷达资料的订正进一步改进了反射率因子同化试验,并且通过调整初始湿度场和上升运动场(调整作用主要体现在前2~3 h内)改善了对降水的模拟预报,其结果证明雷达反射率因子的订正改善了雷达资料的质量。     

数值天气预报业务模式现状与展望

动力统计结合是提高天气、气候预报水平的重要途径之一,关键问题是如何将数值模式与历史资料进行有效结合;相似预报这一传统方法与动力统计的结合是未来提高天气、气候预报水平的一个重要方向,尽管其原理目前仍停留在相似假设基础上且缺乏坚实的物理基础。文中从准确模式的初值问题出发,提出准确模式初值扰动概念,进而发展了动力统计相似集合预报（Dynamical Statistical Analog Ensemble Forecast,DSAEF）理论。DSAEF理论不仅回答了为什么可以进行相似预报,同时还指出了如何进行相似预报,即其原理是利用准确模式来做预报,并采用集合预报的方式实现预报。基于 DSAEF 理论,建立了登陆台风降水动力统计相似集合预报DSAEF_LTP （Landfalling Typhoon Precipitation,LTP）模型,该模型包括4个步骤：台风路径预报、广义初值构建、初值相似性判别和台风降水集合,其中广义初值由影响台风降水的物理因子构成。DSAEF_LTP模型具有可持续发展特性—可通过引入新因子或改善模型参数来改进模型的性能;目前该模型发布了广义初值包含台风路径、登陆季节和台风强度3个物理因子的1.0版和在此基础上改进了“相似区域”和“集合方案”的1.1版。该模型的性能提升很快,已完成的最新版本（1.1版）3次大样本预报试验均显示,与ECMWF、CMA-GFS、NCEP-GFS和SMS-WARMS （上海区域模式）对比,对≥100 mm和≥250 mm台风过程降水预报的TS评分,DSAEF_LTP模型（V1.1）排名第1。今后,围绕广义初值不断改善,研究引入更多影响登陆台风降水的物理因子,DSAEF_LTP 模型的发展前景广阔。     

卫星和雷达资料在暴雨数值预报中的应用研究

采用美国风暴分析预报中心开发的中尺度模式（Advanced Regional Prediction System,ARPS）的资料分析系统ADAS（ARPS Data Analysis System）,把中国CINRAD/SA、SB多普勒雷达反射率、风云-2E卫星的红外和可见光资料引入模式初始场,利用高分辨率中尺度模式WRF对2012年7月21日中国华北地区暴雨过程进行数值模拟。结果表明：加入雷达和卫星资料的WRF数值模拟,由于修正了中低层水汽,对降水系统预报有一定的调整,预报的降水落区位置和降水量中心值更接近实况;同时加入卫星和雷达资料同化后,明显改善了WRF降水系统预报偏慢的情况。雷达与卫星资料同化对WRF模式降水预报影响不同,雷达资料影响的时间短,只在6 h内预报起作用,而卫星资料影响时间较长,能够改善24 h内的预报。加入卫星和雷达资料,修正了水汽场,使降水预报在开始时间、量级和范围上均有改善,更接近实况。     

地面加密自动站资料同化和数值模拟

采用美国多部门研制的WRF模式及其四维变分同化系统,对2008年5月长江中下游地区一次强对流暴雨天气过程进行了数值模拟试验;并分别将质量控制前和质量控制后的华东地区地面加密自动站资料加入模式进行四维变分同化试验,与实况进行了对比。结果表明:模拟试验能较好的模拟此次降水过程;而采用四维变分同化经质量控制后的地面加密资料,模式效果最好,使降水预报在降水落区和降水量上都获得较为明显的改善;但质量控制前四维同化改善效果不明显。这说明地面资料的质量控制很重要,它能去伪存真。有效地利用地面加密自动站资料,能使资料的加入与模式更协调,从而得到了最佳的模拟效果。     

ATOVS卫星资料同化对三江源暴雨预报影响的试验研究

选取3个三江源的典型降水个例(2018年6月30日、7月5日、8月24日),利用NCEP FNL再分析数据,并加入ATOVS湿度探测器MHS资料同化,基于WRF模式及其三维变分同化系统对三江源区域3次降水过程进行循环同化试验,分析3次事件的模拟状况,并定量分析降水结果。结果表明,3次降水事件在加入MHS资料同化后,1)模拟的水汽增大,在中层体现最明显且更符合实际情况,高空水汽和风模拟较好,地面温度预报欠佳;2)MHS资料对降水预报的影响主要体现在降水区面积和降水量的增大,提高了降水预报水平,但也带来较多空报区域;3)从TS、ETS、POD评分结果来看,有两个降水试验的提升较为明显,其中“0630”试验TS评分结果在0.5～10 mm之间提升了0.05～0.1,ETS在5 mm提升超过0.08,在10～20 mm之间也有少量提升,POD检验在0.5～20 mm之间均有提升,在0.5～10 mm之间提升最为明显,提升了0.1～0.25,“0824”试验TS与ETS在10～20 mm之间提升超过0.1,POD检验在6～20 mm之间提升了0.1～0.4,同化后降水预报有所改善,且在大阈值降水尤为明显;4)MHS资料同化对“0705”试验降水预报改善不明显,说明同化并不是每次都能给结果带来正效应,因此在使用MHS资料时不能过于信赖它,但总体上,同化MHS资料能够提升预报质量。     

数值天气预报中的不一致性问题综述

近年来随着数值天气预报的不断发展,数值天气预报中出现了一个新的值得注意的问题:预报不一致性,即连续多次预报中,前后两次预报所做出的预报结果之间差异较大的现象。本文较系统地概述了这一问题,总结了预报不一致性的概念、定量分析方法、产生的可能原因及其与预报误差的关系等方面的研究成果。目前预报不一致性的定量分析方法还较少,其适用性和客观性等还需进一步研究。在预报不一致性产生的原因方面,现有的研究仅限于理论上的简要分析,初始误差和模式误差在预报不一致性形成过程中的具体作用等尚不清楚。最后阐述了在预报不一致性研究中存在的一些问题及可能的研究方向。     

Parametrization and influence of subgridscale orography in general circulation and numerical weather prediction models

Summary The problem of representing the drag due to subgridscale orography is examined. Results from model simulations are used to illustrate clear deficiencies in the global angular momentum budgets and possible ways of correcting for these deficiencies are considered. It is argued that a formulation for the stress due to subgridscale gravity waves is required, as was first recognized by Boer et al. (1984a, b), and the impact of a scheme based on Palmer et al. (1986) is presented. The scheme is improved by using directionally-dependent subgridscale orographic variances. Results from 90-day integrations using the ECMWF and UKMO models with similar resolutions are very much in accord both with and without a wave drag parametrization scheme; showing much improved wintertime circulations.The relationship between the wave drag and the model orography is examined with the use of idealized stress profiles whereby the wave drag is limited to either near the surface or in the stratosphere. A combination of parametrized wave drag with an envelope orography performs best at this stage of development.Results are presented from a substantial series of ten-day forecast experiments with the ECMWF operational model using mean and (1 ) envelope orographies, these show significant improvements in forecast skill.With 26 Figures     

On upscaling of rain-gauge data for evaluating numerical weather forecasts

Summary One of the main objectives of numerical weather prediction models is reliable forecasting of heavy rain events. This paper discusses problems and strategies of evaluation of daily rain forecasting with operationally available rain station data. The focus is on spatial upscaling of rain station data to the grid of the direct model output. We show limitations of regression – or smoothing – based upscaling like as done, for example, by Kriging analysis and promote probabilistic upscaling by ensembles of stochastic simulations conditioned to the available observations. These ensembles easily provide uncertainties of daily evaluation and unbiased estimates for second moment comparison statistics. As an evaluation exercise we assess the quality of daily forecasts for Austria (total area: 84,000 km²) with the limited-area model ALADIN (horizontal grid-spacing 10 km). A quasi–operational set-up is compared to a physically enhanced but less well tested and tuned set-up. It is shown that the evaluation uncertainty is large, but with a full year of forecasts available it is possible to conclude that the physically enhanced set-up simulates too much rain and significantly more than the operational version with only small differences in simulated patterns and variability. Corresponding author’s address: B. Ahrens, Institut für Atmosph?re und Umwelt, Johann Wolfgang Goethe-Universit?t Frankfurt, Altenh?ferallee 1, 60438 Frankfurt a.M., Germany     

河南\

对1949年以来影响我国的台风暴雨及其预报研究的进展,从台风暴雨形成机理、专题研究、预报研究和研究新动向等四方面进行回顾总结。首先,从环境场、下垫面和内部条件三个角度对台风暴雨形成机理进行简要回顾,并从“75.8”特大暴雨、“莫拉克”极端暴雨、远距离暴雨、台风暴雨的诊断分析和气候特征等五个角度做了专题回顾。同时,简要回顾了台风暴雨预报研究进展,并就台风暴雨研究新动向给出了在云微物理、极端降水和预报方法三个方向上的初步判断。在此基础上,给出了小结与展望。

     

WRF-EnSRF卫星资料同化模块的构建研究

为加强国内卫星资料在同化系统中的应用,在自主构建的新一代WRF-EnSRF同化系统中,采用RTTOV辐射传输模式作为观测算子,并建立卫星资料读取、偏差订正及质量控制等子模块,构建出WRF-EnSRF卫星资料同化系统.运用该同化系统,同时同化NOAA-16的AMSU-A和AMSU-B的辐射率资料,进行华南暴雨过程的卫星资料同化数值模拟试验.试验结果表明:偏差订正后亮温资料拟合结果基本位于主对角线上,偏差有所降低.从TS评分看,同化试验对中雨及大雨部分的降水落区以及暴雨级别以上的降水强度的模拟效果有改善.试验证明,建立的卫星同化系统是可运行的.     

卫星气溶胶光学厚度资料同化对灰霾预报改进个例研究

面对日益严峻的大气污染形势,针对卫星气溶胶光学厚度（AOD）资料在灰霾数值预报领域的合理有效利用问题,使用WRF-Chem（WRF coupled with Chemistry）大气化学模式以及GSI（Gridpoint Statistical Interpolation）三维变分同化系统,利用MODIS和FY-3A/MERSI AOD资料,对一次灰霾天气过程进行了同化预报试验。试验结果显示,同化卫星AOD资料有效改善了模式初始场,MODIS和MERSI同化试验分别在AOD分析场的中心强度和空间分布各具优势,且对PM_2.5和PM₁₀的后续预报改进明显;从统计分析上看,同化试验的预报效果整体上好于控制试验,同化试验中PM_2.5和PM₁₀预报值的平均值、中值、平均偏差、均方根误差等指标均明显优于控制试验,且MODIS和MERSI同化试验分别在PM_2.5和PM₁₀预报统计结果中体现出了优势;卫星AOD资料同化能明显降低污染事件的空报率和漏报率,提高预报的TS评分和ETS评分。不同卫星AOD资料的差异对分析场中AOD的分布和强度产生了相应影响,进而影响了模式的灰霾预报效果;本次试验中,MODIS和MERSI AOD同化试验分别在PM_2.5和PM₁₀预报的评分上表现更佳。结果表明,卫星AOD资料同化对数值预报产生了积极的效果。      

WRF-EnSRF系统同化多普勒雷达资料在多类型强对流天气过程的数值试验

利用自主构建的基于风暴尺度的WRF—EnSRF（weather research and forecasting ensemble square root filter）系统同化实际多普勒雷达资料,检验该同化系统在包括飑线、超级单体风暴和多单体风暴3个不同结构类型的强对流天气过程的同化效果,并考察了初始场扰动时不同强度的位温和水汽扰动对集合离散度以及同化效果的影响。结果表明,在3个个例中该同化系统均表现出有效的同化能力,各分析结果均比较合理,径向速度和反射率因子分析的增量均方差在经过24min同化后分别下降到3～5m／s和10dBz,并维持至60min同化结束。预报场集合离散度和同化效果对热力场的扰动强度比较敏感,适当增加初始扰动时位温和水汽的扰动强度有利于提高集合离散度和改善径向速度的分析效果。     

Winds derived from geostationary satellite moisture channel observations: Applications and impact on numerical weather prediction

Summary Tropospheric motions deduced from sequential water vapor imagery provided by geostationary meteorological satellites can be utilized to infer wind fields. Temporal tracking of moisture features yields spatially coherent vector fields in both cloudy and cloud-free regimes. These observations can be employed to augment existing operationally-available data in order to provide improved upper-tropospheric wind analyses over meteorological scales ranging from sub-synoptic to global. It is demonstrated through assimilation of these data into numerical weather prediction systems that modest forecast improvements can be realized. Forecast impact experiments yield small but positive results in: 1) hurricane track forecasts, 2) regional-scale prediction, and 3) global-scale prediction. Ongoing research and future prospects are discussed.With 6 Figures     

GPS掩星观测的发展及其在气象业务中的应用现状

GPS无线电掩星探测技术已经发展成为一种强有力的、相对经济的观测全球大气的方法.多年对GPS/MET概念卫星、CHAMP和SAC-C等GPS掩星观测的研究表明,GPS掩星观测资料与其他卫星资料相比具有很高的观测精度和垂直分辨率等优点,并且GPS掩星观测不受天气状况的影响,因此对其在天气预报及气候的应用有独特的优势.GP...