一维积云模式初始参优化的研究

福建省人工增雨指挥系统在预报积云降水和评估坪雨效果中曾采用一维时变积云模式。关于该模式初始场的确定，考虑到不同天气类型对模式初始参数的影响，并采用了以确定敏感参数为主，综合考虑其他影响参数为辅的方法。经分类调试，证明了一维模式初始场确实与天气类型有关，并得到早期降水预报率大于75％和可预报积云云顶高度的结果。通过对模拟云和实测云高度的线性回归分析，以及经拟合敏感参数初始扰动温度与平均地面最高气温，均存在较好的相关。     

积云模式在人工增雨中的应用研究

采用胡志晋的一维时变双参数积云模式,利用福建省１９８５～１９９４年间的夏秋旱期可能出现的１２种天气类型（台风除外）对测站（福州）为主的十年旱期出现的积云降水日（Ｒ≥０．１ｍｍ）进行分类,并按１２种天气类型分别调试的结果（降水预报率达７５％以上）,经催化试验,确定福建省旱期积云降水的物理特征,人工增雨催化的方法、催化剂量和催化窗口,得到了一些有意义的结果,并根据催化试验的结果采用ＮＤＰ－ＦＯＲＴＲＡＮ和ＢＯＲＬＡＮＤＣ＋＋交互使用的方法,将云模式业务化成人工增雨指挥系统中的积云模式分系统,该系统可以进行旱期积云降水预报,人工增雨效果检验和作业方法的选择。     

积云模式在人工增雨中的应用

利用胡志晋的一维时变双参数积云模式,利用福建省１９８５￣１９９４年间的夏秋旱期可能出现的１２种天气类型（台风除外）对测站（福州）为主的十年旱期出现的积云降水日（Ｒ≥０．１ｍｍ）进行分类,并按１２种天气类型分别调试的结果（降水预报准确率达７５％以上）,经催化试验,确定福建省旱期积云降水的物理特征,人工增雨催化的方法,催化剂量和催化窗口,得到了一些有意义的结果,并根据催化试验的结果有用ＮＤＰ－ＦＯＲＴ     

中尺度和云模式嵌套试验

利用嵌套Mesoscale Analysisand Process System（MAPS）模式提供离作业时间最近的湖北省77个县站大气层结状况，以弥补积云模式对于探空层结信息的需求；根据天气类型分析，获取湖北全省县站级一维积云模式初始扰动参数。20次嵌套试验统计表明：中尺度MAPS模式和积云模式的嵌套实现了多站点积云群的模拟，县站级降水预报和实际雨量偏差小于20％的站点数占到总数的58．2％；以2003年7月9日湖北省降水为例，利用嵌套模式对全省77个县站进行嵌套试验，结果表明：模式嵌套尤其有利于午后积云降水模拟，通过自然模拟计算和多站点积云群催化对比分析，能够较好地提供县站级增雨潜势量化预测。     

MM4模式积云参数化方案的改进和检验Ⅱ：改进模式的检验试验

为了检验用Fritsch-Chappell积云参数化方案改进的MM4模式^[1]对梅雨锋暴雨系统的模拟能力，初步确定该模型的稳定性，可靠性，用不同的侧边界条件，地形条件，行星边界层参数化方法进行了模拟试验，并将模拟结果与采用Kuo-Anthes积云参数化方案的模式模拟结果分别进行了比较，结果表明，改进模式对高度场和降水的预报均有改善，并能预报出一些细致特征，此外，改进模式对侧边界条件和地形极为敏感，而对行星边界层参数化方法的敏感性较弱，因此在模式侧边界条件选取和地形处理方面应十分谨慎。     

山西省夏季三类典型强降水的集合预报试验

利用我国自主研发的多尺度通用的新一代同化与数值预报系统--GRAPES模式,通过对4种积云参数化方案的比较,确定集合预报成员,对山西省夏季3类典型强降水过程进行了集合预报试验.试验结果表明:(1)对所模拟的个例,Betts-Miler-Janjic对流调整方案和Kain-Fritsch对流参数化方案优于对流调整方案和郭氏参数化方案;(2)积云参数化方案对降水的影响比边界层参数化方案对降水的影响大,不同个例对2种不同积云参数化方案和3种不同边界层参数化方案的6种组合的反应敏感程度也各不相同;(3)不同集合成员对降水的预报结果各不相同,其预报偏差也各不相同;(4)对于不同的天气系统,不同的方案其预报效果是不同的;(5)通过集合平均,降水预报偏差明显减小,降水预报偏大的情况得到改善,且其24～36 h预报效果最好.     

短期集合预报技术在梅雨降水预报中的试验研究

数值预报的误差来源于初始场和模式的误差,集合预报技术是减小这些误差的有效方法。该文以MM5模式作为试验模式框架,模式的积云参数化方案分别取Anthes-Kuo、Grell、Kain-Fritsch和Betts-Miller方案,边界层参数化方案分别取MRF和Eta方案,通过组合4种积云参数化方案和两种边界层参数化方案产生8个集合成员,对1999年华东地区梅雨期间3个降水个例进行48 h集合预报试验。结果显示不同集合成员的预报结果各不相同,积云参数化方案对降水的影响比边界层参数化方案对降水的影响大;不同集合成员预报降水的偏差也各不相同,大多存在湿偏差,量级小的降水的湿偏差程度比量级大的降水的湿偏差程度小;对于不同个例,各成员中预报效果相对较好的成员是不同的,集合平均后可以得到一个比较稳定的预报结果;从集合预报结果中还能得到客观化和定量化的降水概率预报,它能对可能发生的天气现象发出信号。     

用一维积云模式预报积云的试验

本文将改进的一维积云模式用于积云人工增雨作业报告。在1993一1995年春季飞机增雨作业期间,对广西南宁地区的21个个例的计算中,进行人工增雨作业可能性预报,预报成功率可达67％以上。     

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。     

大气凝结水汽汇、凝结潜热作用与积云对流参数化

从引入包含质量(水汽)源、汇的连续方程出发,重新推导出大尺度凝结降水和积云对流凝结降水之水汽汇起作用的热力学方程,从而重新给出气压、气温预报方程及地面气压与高空位势高度预报方程。发现,在此基础上,才能实现凝结3个作用:气块水汽质量流失与气压降低;气块虚温降低;加热气块;和通过大气运动方程,实现大气凝结潜热“热机”作功。这时,对于预报气压、气温场,积云对流参数化方案中的参数在凝结3个作用中保持一致。否则,通过积云对流参数化方案,虽可以近似实现对于预报气压和气温场的凝结3个作用,但不可能调好参数的降水物理特性及其时空分布特征。且对于静力模式预报地面气压和高空位势高度场,不可能实现上述的第一凝结作用。最后表明,当模式分辨率提高到只用降水显式方案、不再用积云对流参数化方案后,则必须引入包含水汽源、汇的连续方程。因在热带海洋面上的水蒸发过程,水汽进入大气将改变地面气压场,且蒸发潜热可分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能),内潜热立即成为大气热能的一部分,而外潜热直接对大气层作功,使得大气位能增加。文中研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对气压场与位势高度场的影响。一般积云对流参数化方案都已考虑内潜热对大气的加热作用,但还须考虑因凝结与降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化,后者应是外潜热作用的结果。在上述研究过程中,必须引入考虑凝结作用的连续方程,且最终可以改变有降水(包括大尺度凝结降水和积云对流凝结降水)发生时的数值预报模式动力框架。     

物理滤波初始化四维变分在临近预报中的应用

运用WRF模式（Weather Research and Forecasting Model,天气研究和预报模式）和WRFDA同化（WRF Data Assimilation,WRF资料同化）系统,探究采用物理滤波初始化四维变分同化方法提高数值预报在临近预报时效的预报能力的可能性。通过采用12 min同化窗,在不显著增加计算量的情况下,得到更协调的模式初始场,从而提高模式预报能力。选取2018年8月华北地区17个降水个例进行研究,结果表明:采用物理滤波初始化四维变分同化技术能够明显改进模式短时临近降水预报能力,明显提高对大量级降水预报的ETS评分,6 h累积降水大于25.0 mm量级的ETS评分由0.125提高到0.190,且6 h累积降水大于60.0 mm量级的ETS评分由0.016提高到0.081。研究还表明:同化雷达风场通过改进初始动力场使次网格尺度降水过程（积云参数化）快速响应,可提高短时临近时段的降水预报能力。     

数值天气预报和气候预测可预报性研究的若干动力学方法

简要回顾了数值天气预报和气候预测可预报性研究的若干动力学方法,包括用于研究第一类可预报性问题的线性奇异向量（LSV）和条件非线性最优初始扰动（CNOP-I）方法,以及Lyapunov指数和非线性局部Lyapunov指数方法。前两种方法用于研究预报或预测的预报误差问题,可以用于估计天气预报和气候预测的最大预报误差,而且根据导致最大预报误差的初始误差结构的信息,这两种方法可以用于确定预报或预测的初值敏感区。应该指出的是,LSV是基于线性化模式,对于描述非线性大气和海洋的运动具有局限性。因而,对于非线性模式,应该选择使用CNOP-I估计最大预报误差。Lyapunov指数和非线性局部Lyapunov指数可以用于研究第一类可预报性问题中的预报时限问题,前者是基于线性模式,不能解释非线性对预报时限的影响,而非线性局部Lyapunov指数方法则考虑了非线性的影响,能够较好地估计实际天气和气候的预报时限。第二类可预报性问题的研究方法相对较少,本文仅介绍了由我国科学家提出的关于模式参数扰动的条件非线性最优参数扰动（CNOP-P）方法,该方法可以用于寻找到对预报有最大影响的参数扰动,并可以进一步确定哪些参数最应该利用观测资料进行校准。另一方面,通过对比CNOP-I和CNOP-P对预报误差的影响,可以判断导致预报不确定性的主要误差因子,进而指导人们着力改进模式或者初始场。     

AREM初值敏感性试验及误差分析

本文基于区域暴雨数值预报模式AREM,对2008年7月四川地区的整月天气过程进行数值模拟试验,分别采用台站常规报文资料、T213预报场资料和以T213资料为背景场,融合常规报文资料3种初值,发现得到的模拟结果差异很大,其中以台站常规资料为初值模拟的降水最接近实况。和台站资料相比,T213预报场资料在四川盆地中西部中低层大气的湿度偏大,温度偏高,风场偏强,而位势高度偏低,直接导致了模拟的降水偏强。这些初值的差异随着积分时间逐渐变小,通过对比逐时降水发生发展过程,发现降水的差异与湿度的调整最为吻合,初值中各个量场对模拟结果都有一定的影响,其中水汽场的影响最为显著,位势高度场的影响最弱。通过比较不同时次初值的模拟结果还发现,0000UTC时刻大气系统相对稳定,故以此为初值模拟的降水比从1200UTC时刻开始模拟的降水更合理。模式模拟的前24h降水比后24h降水的效果更好,一方面说明临近预报的准确度更可靠,另一方面也反映积分前期模式对初值的响应相当敏感。      

东北冷涡数值预报系统建立与业务应用

东北冷涡强降水一直是东北地区气象预报的难点和重点。从提高东北冷涡降水数值预报质量着手,选择模式中可能对东北冷涡强对流有影响的不同辐射方案、边界层方案和积云参数化方案等多种物理过程,对东北冷涡降水预报的性能进行批量试验;利用天气学检验方法,选择预报结果较好的RRTM长波辐射方案、Gayno Seaman边界层方案、Grell积云参数化方案和混合相湿过程显式方案等物理方案,组合建立了东北冷涡数值预报系统。经检验表明：系统对东北冷涡降水预报的水平较东北区域中尺度数值预报业务系统有所提高。同时利用天气学检验方法,从降水预报的强度、落区和移速等方面着手,评估东北冷涡数值预报产品对冷涡降水预报的性能和系统误差,得出降水强度易偏强、落区易偏西偏南和范围易偏小等定性结论,可直接应用于预报业务,取得了较好的应用效果。     

华南暖区暴雨预报的模式初始场质量敏感性分析北大核心

本文利用高分辨率中尺度数值预报模式WRF和两组再分析资料,在研究不同模式初值对华南暖区暴雨预报质量差异明显的基础上,利用合成初值方法进行了模式初值对暖区暴雨预报的敏感性数值试验研究,讨论了模式初始场关键物理量对暖区暴雨预报质量的影响,重点开展了模式初值湿度场质量对华南暖区暴雨降水预报的敏感性分析。结果表明:模式初始场质量的较小差异,可显著影响本次华南暖区暴雨预报的降水强度、降水落区以及降水发生时间等的质量。初始水汽场对暖区暴雨预报影响最大,也最为敏感,是准确预报对流单体的发生发展以及地面强降水的基础。风场和温度场对暖区暴雨预报的影响相对较小。对流层低层较强的风速辐合是本次暖区暴雨强对流单体触发、生成和加强发展以至产生暖区强降水的物理基础。     

用积云参数及数值预报产品作对流性降水量模拟试验

应用部分实时资料和数值预报输出产品，以积云参数化为基础，依据湿绝热过程中饱和湿静力能量守恒原理，并通过克拉贝龙方程转换，实现积云形成所需不汽凝结量及积云面积比等积云参数的计算，进而实现对流性降水量的模拟计算，对计算值再做经验订正，建立对流性降水量的经验预报公式，预报效果较好。     

冬季稳定性降水相态预报研究进展

冬季降水无论对地面的生产生活还是对高空飞机航行都可能造成严重灾害,降水相态预报的准确性决定了冬季降水预报的成功,该文系统回顾了近几十年降水相态预报取得的成果.降水相态预报方法大致分为3类:第1类是基于观测或数值天气预报建立的指标以及回归方程,其中某些方法高度依赖数值天气预报模式准确率;第2类是基于数值天气预报模式的微物...     

引入考虑凝结作用的连续性方程与积云对流参数化方案修正

文章研究了在热带海洋面上的水蒸发，发现水蒸发进入大气层将改变地面气压场，且蒸发潜热分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能)，蒸发内潜热立即成为大气热能的一部分，而蒸发外潜热直接对大气层作功，使得大气位能增加；研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对于环境气压场与位势高度场的直接影响。用郭晓岚积云对流参数化方案(已考虑凝结内潜热对大气的加热作用)，加入了考虑因大尺度凝结降水和积云对流参数化凝结降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化，后者应是凝结外潜热过程作用的结果。在上述研究过程中，必须引入考虑凝结作用的连续性方程，且最终可以改变有积云对流凝结降水发生的数值预报模式动力框架。     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

物理过程参数化方案对中尺度暴雨数值模拟影响的研究

利用中尺度非静力MM 5模式和中国 2 0 0 1年 8月的 4个暴雨个例 ,研究了非绝热物理过程对中国暴雨动力和热力场预报的影响 ,深入分析了对流参数化方案在中尺度暴雨预报中的作用 ,讨论了利用模式扰动方法开展中国暴雨集合预报的可行性。结果表明 ,在短期数值预报中 ,非绝热物理过程对高度场预报影响较小 ,但边界层方案和对流参数化方案对产生暴雨的 3个基本条件即水汽通量散度、垂直速度、不稳定层结的影响很明显。不同对流参数化方案所预报的中尺度热力、动力场离差的结构特征与所预报降水的离差特征相似 ,且主要是在模式积分初期迅速增加 ,其后即趋于稳定。对中国热力场较均匀的暴雨过程 ,可以通过扰动模式的边界层和对流参数化方案 ,构造集合预报模式