北京快速更新循环预报系统（BJ-RUC）模式探空质量评估分析

快速更新循环(Rapid Update Cycle)预报技术在国外已有多年研究并用于日常业务数年。北京市气象局2007年在国内建立了首家快速更新循环预报系统(BJ-RUC),并成功应用于奥运气象保障服务。使用单站(54511)实况探空,检验分析了BJ-RUC系统的探空预报性能。分析结果表明,BJ-RUC预报的模式探空与实况各要素的变化趋势有很好的一致性。其中,温度预报与实况相关性最好,风的预报次之,露点温度(尤其400 hPa以上)最差。对不同层次各要素的预报,中层最好,低层次之,高层较差。系统预报的温度、露点温度和南风分量偏大,风速和西风分量偏小。BJ-RUC对温度和中低层露点温度的预报系统误差明显,可以通过对初始场的订正等方法对其进行系统订正。初始时刻各要素与实况的相关性最好,各预报时效误差分布趋势与初始场的一致。大多数情况下,随着时效的增长预报误差增大。BJ-RUC对基本要素的预报误差使得系统对K指数预报平均偏大、CAPE偏小、高空垂直风切变偏小。但系统对K指数、CAPE和高低空垂直风切变等物理量的变化趋势预报较准确。无论基本要素,还是计算的物理参量,12小时时效内的预报误差较小、与实况的一致性较好,在短时临近预报中具有较高的参考价值。     

基于BJ-RUC系统的临近探空及其对强对流发生潜势预报的指示性能初探

缺乏对流天气发生临近时刻的探空观测资料是制约强对流短时预报水平进一步发展的重要因素.随着数值预报技术水平的持续提高,高时空分辨率数值预报输出的模式探空性能越来越好,这为获取对流发生前的临近探空提供了有益的补充.本文针对北京地区2008年夏季20次较强的对流过程,得出北京市气象局BJ-RUC数值预报系统输出的54511站在分析时次(t=0)和预报时效分别为3和6 h的预报偏差均略差于t=0的分析探空,但是此两个时次的预报探空误差仍然处于可接受的范围内.对比20个对流个例54511站分别基于观测和分析或预报的对流不稳定能量、水平风的垂直切变等基本对流参数可以发现t=0时次模式分析探空在趋势和量级上与基于实际探空观测诊断的对流参数均有较好的一致性,基本上能够较为正确地在模式中反映临近对流发生前实际大气的环境特征;但是当考虑实际的预报时效时,t=3和6 h的预报探空能够提前约1和4 h为预报员提供对未来对流发生潜势预报的判断.因此,此两个时次探空更具有实际的业务应用价值.以两个强对流个例为例分析了BJ-RUC系统提供的分析和预报临近探空的性能及其对强对流潜势预报的指示性作用.结果表明,BJ-RUC输出的分析和预报探空对未来对流发生潜势具有较好的指示作用.但依据模式输出的探空变化要对对流发生时间、强度、落区乃至对流类型进行准确预报仍有一定的难度.     

汶川特大地震中心暴雨预报指标研究

利用L波段探空资料、常规观测资料和物理量资料对阿坝州汶川、茂县地区49次暴雨过程进行了统计分析,结果表明:在出现暴雨前,中低层风向呈现顺转结构,比湿和θse明显增加并较多月平均明显偏高,盆地西北部有明显水汽辐合,甘肃南部有偏北风、盆地南部附近有≥10m/s的偏南风,依据上述指标建立了7～8月暴雨概念模型,拟合率达到60%。     

L波段探空GFE(L)1型二次测风雷达资料在重庆大气边界层特征分析中的应用

利用1981～2004年气象和雷击火灾资料,研究气候条件对内蒙占大兴安岭林区雷击火灾发生的影响,进而分析该地区雷击火灾多发的气候原因.结果表明:①内蒙古大兴安岭林区雷击火灾发生次数有逐年增多的趋势,主要集中在5～7月,出现时间为5月12日到7月16日,多发生在每日10:00～17:00;②雷击火灾的发生与近年来气温的升高密切相关,尤其是5～7月气温和地温的升高,是引发内蒙古大兴安岭森林雷击火灾的主要因素之一;③5～7月降水量和相对湿度的逐渐减小,使干旱程度不断加剧,导致内蒙古大兴安岭地区从1999年以后,雷击火灾次数呈明显上升的趋势;④气候的变干、变暖以及极端气候事件的增多,是导致近年来内蒙古大兴安岭地区雷击火灾频繁发生的主要气候原因.     

探空观测的边界层高度时空变化特征

基于2010—2018年我国119个站点L波段探空秒级资料,通过对位温廓线法所得边界层高度进行Kmeans聚类,将我国分为青藏地区、西北地区、中部地区和东部地区4个分区,分析我国边界层高度及边界层状态（对流、中性和稳定边界层）发生频率的变化特征。结果表明：2010—2018年08：00我国年平均边界层高度均为200~600 m,以稳定边界层为主,20：00年平均边界层高度从青藏地区、西北地区、中部地区到东部地区逐渐减小,其中青藏地区和西北地区全年以对流和中性边界层状态为主,中部地区和东部地区以中性边界层为主;4个分区的月平均边界层高度在08：00逐月变化不明显,且各分区间差异不大,而4个分区20：00月平均边界层高度随时间呈单峰结构,最大值出现在春夏季,最小值出现在秋冬季,从青藏地区、西北地区、中部地区到东部地区变化幅度逐渐减小;青藏地区、西北地区和中部地区的边界层高度日变化幅度春夏季大、秋冬季小,而东部地区边界层高度日变化在不同季节特征相近。     

中国西北地区大气边界层高度变化特征——基于探空资料与ERA-Interim再分析资料

利用中国西北地区2015年9月至2016年8月38个站点L波段探空观测、2016年7月加密探空观测和ERA-Interim边界层高度资料,对比分析了西北地区大气边界层高度变化特征。观测资料表明,在中国西北地区,08:00(北京时,下同)冬季边界层高度最高; 20:00春季边界层高度最高,边界层高度从西部到东部有显著降低的趋势。ERA-Interim资料基本能表现出边界层高度的区域分布,但相对于探空观测得到的边界层高度,除夏季20:00外,ERA-Interim再分析资料边界层高度均偏低。全年平均而言,08:00(20:00)偏低160 m(170 m),其中在08:00(20:00),冬季(春季)偏低最显著。08:00边界层高度与低层稳定度、近地层温度和风速相关更加显著; 20:00边界层高度与低层稳定度和相对湿度相关更加显著。2016年7月加密观测资料对比表明,ERA-Interim资料的对流(中性)边界层高度显著偏高;低层稳定度、相对湿度偏小,风速偏大可能是造成边界层高度偏高的原因; ERA-Interim资料的稳定边界层高度偏低,与低层稳定度和近地层温度偏低相关,但其影响因素相对更加复杂。     

《陕西气象》作者现状分析

在传统质量控制方法的基础上,依据台站多年预审工作经验和T639数值预报模式所提供的背景场数据,利用西安泾河气象站L波段雷达探空观测数据研究了高空观测数据台站实时质量控制方法及软件,并投入业务应用。结果表明：适用于台站实时质量控制的方法有极值检查、时间序列检查、同期历史资料对比检查和数值预报背景场资料检查等,其中极值、时间序列、同期历史资料对比等检查方法是基于本站历史资料数据库实施,质量控制软件采用自动和人机交互两种方式,自投入业务试运行以来,疑误提示21次,其中,高度15次、温度6次,大大提高了值班员对疑误数据的诊断时效。

     

西安L波段雷达观测数据实时质量控制方法

在传统质量控制方法的基础上,依据台站多年预审工作经验和T639数值预报模式所提供的背景场数据,利用西安泾河气象站L波段雷达探空观测数据研究了高空观测数据台站实时质量控制方法及软件,并投入业务应用。结果表明:适用于台站实时质量控制的方法有极值检查、时间序列检查、同期历史资料对比检查和数值预报背景场资料检查等,其中极值、时间序列、同期历史资料对比等检查方法是基于本站历史资料数据库实施,质量控制软件采用自动和人机交互两种方式,自投入业务试运行以来,疑误提示21次,其中,高度15次、温度6次,大大提高了值班员对疑误数据的诊断时效。     

基于L波段雷达资料的济南大气边界层特征分析

基于L波段探空GFE（L）1型二次测风雷达的垂直分层资料密,并从地面开始就可以获取资料的特点,分析了济南地区边界层特征,总结了逆温与空气污染的关系。     

南大4km预报系统对新疆夏季降水预报的评估

南大4 km预报系统(WRF＿NJU)是南京大学自2013年起每年夏季每日两次对中国地区进行的4 km分辨率的48 h实时预报。将该系统、欧洲中期天气预报中心(EC)、中国气象局(CMA)和日本气象厅(JMA)在2016—2018年夏季6—8月对新疆北疆和南疆地区降水的预报与自动站观测资料进行对比分析。结果表明：Gilbert技巧评分(GSS)一般EC最高,WRF＿NJU次之,JMA最低。空间上,EC在南、北疆的预报都最接近观测,WRF＿NJU预报降水平均偏低,CMA和JMA明显偏高。WRF＿NJU预报降水的日变化趋势与观测一致,峰值时段基本相同,稍有1～2 h偏差。量级上总体偏高,在峰值时段尤为明显。降水过程发展方面,WRF＿NJU对大多数降水过程模拟效果较好。通过个例分析,发现高空急流和低层水汽输送的预报效果直接影响着降水的预报效果。     

激光雷达反演边界层高度方法评估及在北京的应用

边界层高度是影响大气边界层发展和空气污染程度的重要因子,是环境和气候研究的重要参数。本文利用激光雷达对北京地区2011年5月至2012年4月的边界层高度进行探测分析,采用小波协方差方法反演边界层高度,评估了该方法的适用性。得到基于小波协方差方法自动判断边界层高度的最优参数组合,激光雷达与飞机探测结果对比一致性较好;与探空结果相关系数0.88,激光雷达反演的边界层高度略偏高。当激光雷达的垂直分辨率为30 m时,更加适合北京地区的步长和阈值分别为210 m和0.05;当激光雷达的垂直分辨率为15 m时,步长和阈值分别为135 m和0.05。分析期间,不同季节边界层高度日变化有明显的不同,夏季14:00（北京时）左右达到最高,较高的边界层高度可维持3~4 h,平均可达1.30 km;冬季较高边界层高度只能维持2 h左右,平均为1.08 km。有云与无云天气边界层日变化特征以及边界层高度存在显著的差异,云的存在减少了到达地面的直接辐射,抑制了湍流的发展,进一步抑制了边界层的发展;本文也将激光雷达反演边界层高度结果应用于观测时期边界层高度与地面污染的关系研究中,统计得到边界层高度与PM2.5浓度的相关系数为－0.340。     

Improvement of the K-profile Model for the Planetary Boundary Layer based on Large Eddy Simulation Data

Modifications of the widely used K-profile model of the planetary boundary layer (PBL), reported by Troen and Mahrt (TM) in 1986, are proposed and their effects examined by comparison with large eddy simulation (LES) data. The modifications involve three parts. First, the heat flux from the entrainment at the inversion layer is incorporated into the heat and momentum profiles, and it is used to predict the growth of the PBL directly. Second, profiles of the velocity scale and the Prandtl number in the PBL are proposed, in contrast to the constant values used in the TM model. Finally, non-local mixing of momentum was included. The results from the new PBL model and the original TM model are compared with LES data. The TM model was found to give too high PBL heights in the PBL with strong shear, and too low heights for the convection-dominated PBL, which causes unrealistic heat flux profiles. The new PBL model improves the predictability of the PBL height and produces profiles that are more realistic. Moreover, the new PBL model produces more realistic profiles of potential temperature and velocity. We also investigated how each of these three modifications affects the results, and found that explicit representation of the entrainment rate is the most critical.     

Effect of Boundary Layer Latent Heating on MJO Simulations

A latent heating peak in the PBL was detected in a simulation by a global GCM that failed to reproduce Madden-Julian Oscillation(MJO).The latent heating peak in the PBL was generated by very shallow convection,which prevented moisture from being transported to the free troposphere.Large amount of moisture was therefore confined to the PBL,leading to a dry bias in the free atmosphere.Suffering from this dry bias,deep convection became lethargic,and MJO signals failed to occur.When the latent heating peak in the PBL was removed in another simulation,reasonable MJO signals,including the eastward propagation and the structure of its large-scale circulation,appeared.We therefore propose that the excessive latent heating peak in the PBL due to hyperactive shallow convection may be a reason for a lack of MJO signals in some simulations by other GCMs as well.     

边界层特征量在河南省沙尘天气短期预报中的应用

介绍了利用边界层特征量——摩擦速度和梯度Richardson数制作河南省沙尘天气短期预报的方法。结果表明,该动力学方法更能够从本质上反映沙尘天气产生的机制,定性预报准确率为62.5%。     

边界层方案对华北低层O3垂直分布模拟的影响

利用WRF-Chem模式,采用3种边界层参数化方案 (YSU, MYJ和ACM2),针对1个晴空、静稳日 (2013年8月26日20:00—27日20:00(北京时)) 进行模拟,着重分析不同边界层参数化方案对夜间残留层形成及日出前后O₃浓度垂直分布形式的模拟效果,并与固城站地面及垂直同步观测资料进行对比。结果表明:3种边界层参数化方案均能够模拟出温度及风速的区域分布形式以及风温垂直结构的变化特征;相比之下,MYJ方案模拟的夜间边界层高度较YSU方案和ACM2方案明显偏高,该对比结果可能是导致近地面污染物浓度模拟差异的重要原因;在夜间稳定层结至日出后稳定状态打破的边界层结构演变过程中,采用YSU方案和ACM2方案模拟的温度和风速垂直扩线形式与观测结果更为接近;同样采用非局地闭合的YSU方案和同时考虑局地和非局地闭合的ACM2方案,对于边界层高度内O₃浓度垂直分布形式的模拟效果具有明显优势。     

Numerical Study of Boundary Layer Structure and Rainfall after Landfall of Typhoon Fitow(2013): Sensitivity to Planetary Boundary Layer Parameterization

The boundary layer structure and related heavy rainfall of Typhoon Fitow(2013), which made landfall in Zhejiang Province, China, are studied using the Advanced Research version of the Weather Research and Forecasting model, with a focus on the sensitivity of the simulation to the planetary boundary layer parameterization. Two groups of experiments—one with the same surface layer scheme and including the Yonsei University(YSU), Mellor–Yamada–Nakanishi–Niino Level 2.5,and Bougeault and Lacarrere schemes; and the other with different surface layer schemes and including the Mellor–Yamada–Janjic′ and Quasi-Normal Scale Elimination schemes—are investigated. For the convenience of comparative analysis, the simulation with the YSU scheme is chosen as the control run because this scheme successfully reproduces the track, intensity and rainfall as a whole. The maximum deviations in the peak tangential and peak radial winds may account for 11% and 33%of those produced in the control run, respectively. Further diagnosis indicates that the vertical diffusivity is much larger in the first group, resulting in weaker vertical shear of the tangential and radial winds in the boundary layer and a deeper inflow layer therein. The precipitation discrepancies are related to the simulated track deflection and the differences in the simulated low-level convergent flow among all tests. Furthermore, the first group more efficiently transfers moisture and energy and produces a stronger ascending motion than the second, contributing to a deeper moist layer, stronger convection and greater precipitation.     

冷空气爆发时陆地边界层的数值模拟

本文建立了一个三维中尺度模式,分别模拟了平坦地形及规则山地情形下冷空气爆发过程,并模拟了无冷空气时天气演变过程作为比较.模拟结果合理地给出了冷空气爆发后边界层内诸要素的变化规律,如大风的出现、风向的改变、动量通量的增大、气压的升高等.     

边界层过程对"98·7"长江流域暴雨预报影响的数值试验研究

通过ETA模式对"98@7"长江流域暴雨过程的数值试验研究,讨论了行星边界层过程对暴雨数值预报的影响,结果表明边界层过程在这次暴雨预报中有重要作用.具体结论为:(1)降水大范围落区是受大尺度流场所决定的,但边界层过程对暴雨预报具有重要的作用;(2)不考虑边界层过程会影响对天气系统的正确预报,包括影响大气低层的运动场、水汽及大气不稳定度,从而影响暴雨的预报;(3)从时间层次上看,由于地表通量有着显著的日变化,边界层过程的作用不仅与暴雨本身发生发展及消亡的阶段有关,也与各阶段的时间(白天或夜间)有联系;(4)在空间范围内,边界层过程对大气的影响是通过大气流场重新分布来影响降水的环境条件,故地表通量分布和低层流场的相互配置作用十分重要.长江南北的情况有所不同,长江流域南侧区是地表通量的大值区,也是长江流域雨区水汽和不稳定能量的源区,它对长江流域的暴雨可能有着更为重要的作用.     

Numerical Study of Winter Urban Boundary Layer Structure over Beijing Area

1. Introduction The urban canopy layer (UCL) (Roth, 2000) is defined as a layer in the vertical structure of urban boundary layer (UBL) ranging from the surface to the top of buildings. The urban infrastructures within UCL, such as buildings with different heights, the het- erogeneity of urban land cover and the anthropogenic activity, all directly influence the thermal and dynam- ical structures of atmosphere and net radiation budget at the surface, meanwhile, affect the structure of ur- …     

Observation-based Estimation of Aerosol-induced Reduction of Planetary Boundary Layer Height

Radiative aerosols are known to influence the surface energy budget and hence the evolution of the planetary boundary layer. In this study, we develop a method to estimate the aerosol-induced reduction in the planetary boundary layer height(PBLH) based on two years of ground-based measurements at a site, the Station for Observing Regional Processes of the Earth System(SORPES), at Nanjing University, China, and radiosonde data from the meteorological station of Nanjing. The observations show that increased aerosol loads lead to a mean decrease of 67.1 W m-2for downward shortwave radiation(DSR) and a mean increase of 19.2 W m-2for downward longwave radiation(DLR), as well as a mean decrease of 9.6W m-2for the surface sensible heat flux(SHF) in the daytime. The relative variations of DSR, DLR and SHF are shown as a function of the increment of column mass concentration of particulate matter(PM2.5). High aerosol loading can significantly increase the atmospheric stability in the planetary boundary layer during both daytime and nighttime. Based on the statistical relationship between SHF and PM2.5column mass concentrations, the SHF under clean atmospheric conditions(same as the background days) is derived. In this case, the derived SHF, together with observed SHF, are then used to estimate changes in the PBLH related to aerosols. Our results suggest that the PBLH decreases more rapidly with increasing aerosol loading at high aerosol loading. When the daytime mean column mass concentration of PM2.5reaches 200 mg m-2, the decrease in the PBLH at 1600 LST(local standard time) is about 450 m.