两种陆面方案对陆雾与海雾模拟效果的对比研究

利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,针对1次陆雾与1次同时包含近海雾区与开阔海域雾区的海雾个例,开展了2种陆面方案——SLAB(five-layer thermal diffusion scheme)方案与Noah(Noah land surface scheme)方案——的模拟效果对比研究。研究结果表明:1)SLAB方案与Noah方案在开阔海域雾区模拟中的表现基本一致,但只有前者成功再现了陆雾与近海雾区。2)对于陆雾,与SLAB方案相比,Noah方案在白天偏高的地表温度造成偏强的地面垂直热量通量,加之偏弱的垂直水汽通量共同使得地面相对湿度偏低20％,导致模拟失败。3)对于海雾,两种方案模拟的地表温度与地面垂直水汽通量之间的差异,直接导致了地面2 m气温与水汽混合比的差异,进而影响了渤海的地面低压天气系统的强弱与水汽平流的大小,从而使得它们对渤海近海雾区的模拟表现迥异。本次个例中,应用广泛且陆面过程完善的Noah方案对陆雾模拟的表现反而不如过程简单的SLAB方案,本文对此给出了初步的解释,但仍需进一步探究其原因。     

台风外围下沉区大气波导成因的数值模拟

受台风鹿莎影响,处在其西侧外围下沉区域的南京地区于2002年8月31日出现了一次大气波导过程,利用大气中尺度模式WRF对其成因进行了详细的数值模拟研究。WRF数值模拟较好地再现了此次波导的演变过程,即波导在31日傍晚开始形成,次日凌晨达到最强,日出后迅速减弱消失。基于数值模拟高时空分辨率的输出结果,对波导成因进行细致分析,结果表明:湿度突变层和逆温层的同时存在导致了波导的发生,前者是其形成的关键因素,而后者的作用主要体现在增强其强度;台风前期流场从海上带来大量的水汽,台风后期流场将北方高空干空气输送到受高压下沉运动控制的南京地区,造成近地层出现下湿上干的剧烈湿度梯度;下沉运动强度并不足以直接导致南京地区的逆温层,但其控制下的晴朗天气非常有利于夜间地面长波辐射冷却而形成逆温。     

一次海雾过程大气波导形成机理的数值研究

依据船舶导航雷达与沿岸气象探空观测数据得知,2005年6月1～3日黄海海域发生了1次大范围波导现象;进一步结合卫星云图与沿岸测站水平能见度观测,发现此次波导伴随1次明显的平流海雾过程。利用WRF模式对此次海雾与波导过程进行了数值模拟,发现:(1)海雾始于黄海中部,绝大部分海雾的雾顶由于弱逆温、湿度梯度较小而不存在波导;(2)雾区随其北部低压的逐渐东移而向东扩展,呈现西部薄、东部厚的结构,雾体顶部由于存在逆温与湿度锐减而形成了波导,混合均匀的雾体则成为波导基础层,薄雾顶部为非贴海表面波导,而厚雾顶部则为悬空波导;(3)雾区受低压西部冷空气的影响向南消退,波导基础层逐渐变薄乃至消失,雾体之上的逆温与湿度锐减层随之下降,非贴海表面波导被强度较弱的贴海波导所替代。分析结果表明:黄海平流海雾与波导有密切的联系,海雾形成及其发展改变了海洋大气边界层的温度与湿度垂直结构,从而导致了波导的发生与演变,大气波导可认为是海雾的"副产品"。     

Kalman滤波在气象数据同化中的发展与应用

气象学领域各种观测(特别是遥感遥测等非常规观测)数据的大量增多和数值天气预报模式的不断进步,推动气象数据同化技术不断发展。回顾了Kalman滤波在气象数据同化中的引入和几个发展阶段;介绍了Kalman滤波(尤其是简化Kalman滤波和总体Kalman滤波)在气象数据同化中的重要地位和应用进展。     

山东"99·8"大暴雨维持机制的数值模拟

利用中尺度大气非静力模式MM5对山东1999年8月11～12日的大暴雨过程进行了数值模拟。将模拟的气压场、风场、相对湿度场、降水与实况进行对比检验，在模拟效果比较合理的情况下，着重对大暴雨的维持机制进行了研究。结果表明：位于我国东北、渤海和山东上空的东北西南向的锋面系统、位于锋面西南端山东江苏上空的苏鲁中-α涡旋及其诱发出的位于其北部的中-β涡旋是影响山东大暴雨的天气尺度系统和中尺度对流系统；中-α涡旋的东支气流—东南风为中-β涡旋输送水汽；锋面系统抬升了中-β涡旋北部的东南暖湿气流，形成垂直上升运动，并形成雷暴云团，同时激发出新的对流单体；雷暴云团在西移的过程中，受到泰沂山区的抬升作用，在山前也形成强烈的垂直上升运动；因此，大暴雨得以维持。     

中国东部海区经向热力差异对夏季南京气候变化的影响

研究东海黑潮流区海域与黄海海域海水热含量在水平方向上的差异(以下简称经向热力差异Meridional Thermal Difference, MTD)对其西侧陆地(以南京为代表)气候变化的影响.利用WRF模式进行的数值模拟试验和对南京的实测结果分析表明,MTD的加强,使我国东部地区夏季风减弱,减弱了向东的水汽和热量输送,对陆地气候造成了比较大的影响.对SODA再分析资料的分析表明,自1979-2010年,7月份的MTD有增强的趋势;对南京气温实测资料的分析表明,对应东部海区MTD较强的年份,东部地区西南夏季风减弱,使南京气温异常偏低.     

一次路径偏北南折的秋季江淮气旋成因分析

2015年11月5—8日发生的一次江淮气旋具有与以往过程不同的特征,发生时间晚、路径偏北东移、途经山东半岛后又南折,导致山东半岛连续降水36 h,降水时段内累积降水量最大接近50 mm。为揭示上述特点的成因,利用FNL（Final Analysis Data of Global Forecast System）再分析数据进行了天气形势分析,结果表明：副热带高压位置偏北且强度较强是导致气旋过程发生时间偏晚、路径偏北东移的重要原因,而副热带高压的异常变化与2015年强厄尔尼诺事件有很强的关联性。借助WRF（Weather Research and Forecasting）数值试验探究了气旋过程路径偏北又南折的原因,发现：1）黄海的高海温有利于海面水汽通量向上输送,积云对流加强,潜热释放促进江淮气旋增强发展;高空西南气流对增强气旋的控制较弱,导致气旋没有一直向北移动,中途发生南折。2）黄海南部海温较北部偏高约4 ℃,低空大气南、北部之间形成的能量锋区对江淮气旋的南折有指向作用;同时对流层低层偏北风的存在以及副热带高压的短时南撤为气旋的南折提供了动力环境。     

青岛市供热期最高与最低气温的客观预报方法研究

冬季最高与最低气温的准确预报可以让供热公司调节燃煤使用量,达到节能减排的目的。首先基于WRF（Weather Research and Forecasting）模式构建一个区域大气实时预报系统,然后建立客观预报方程对WRF预报气温进行修订,利用2011—2012年供热期（12月—3月）预报与观测数据开展青岛站最高与最低气温客观预报方法研究。供热期内气象部门日最高与最低气温预报的均方根误差（RMSE）平均为3.6 ℃,而WRF预报平均约为2.0 ℃,减小了44.4%;地面风与温度平流的相关性分析确定温度平流是导致WRF预报气温误差的一个显著因素,利用统计获取的南北方向温度平流和RMSE建立方程并应用于2011年供热期,相对于气象部门预报,1—3月RMSE改进率基本在50.0%以上。文中提出的客观预报方法可以运用于其它站点进行不同供热片区的温度预报服务。     

黄海近岸海雾的初始场择优集合预报试验:个例研究

选取2014年4月发生的一次黄海近岸海雾个例,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展了集合预报试验研究。依据每个集合成员初始场中海平面气压、2 m温度、2 m水汽混合比与2 m相对湿度(relative humidity, RH)4个变量的均方根误差(root mean square error, RMSE)与RMSE集合平均值的相对大小,以剔除高于者而保留低于者的原则,设计了4种不同的初始场集合体择优方案,实施了一系列数值预报试验,比较了不同择优方案的集合预报效果。研究结果表明:(1)蒙特卡罗方法所生成的集合体中存在不少海雾预报效果较差的成员,这会降低集合预报效果,因此初始场择优十分必要;(2)以RH作为择优变量的择优方案(记为RH-RMSE方案),集合预报效果明显优于其他3种方案;(3)对比不择优集合预报,采用RH-RMSE方案的择优集合预报效果不仅节省了50%左右的计算时间,并且公正预兆评分(equitable threat score,ETS)改进率高达36%左右。本研究提出的RH-RMSE方案具有业务化应用前景。     

一个黄渤海海雾大气水平能见度算法

为了提高对黄渤海海雾天气海面大气水平能见度(以下简称"能见度")的数值预报能力,利用黄渤海23个沿岸和岛屿测站2013—2017年雾天的地面观测数据,构建了基于湿度信息的能见度算法(A-F算法),并将之应用于黄渤海海雾的能见度数值预报。结果表明,与常用的根据模式预报的云水含量诊断能见度的SW算法(Stoelinga and Warner,1999)相比,A-F算法表现更优,尤其可以诊断出被SW算法漏报的能见度为1～3 km的轻雾,说明A-F算法对黄渤海海雾天气能见度的数值预报具有一定应用价值。若将来加入浮标与船舶观测数据,可以进一步改进A-F算法能见度公式的具体形式;依据本文构建A-F算法的思路,可以发展适合其他海域的海雾天气能见度诊断公式。