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预估校正半隐式半拉格朗日方案及其在GRAPES_GFS模式中的应用*
张红亮, 沈学顺, 苏勇
摘要:
GRAPES_GFS(Global Regional Assimilation and Prediction System_ global Forecast System)采用的是传统的二时间层半隐式半拉格朗日时间积分方案(SISL)。拉格朗日平流速度和非线性项需要采用时间外插进行计算,在急流轴附近等梯度大值区会造成计算不稳定,甚至积分中断现象。【方法】本文通过构造预估-校正半隐式半拉格朗日时间积分方案(SISL/P-C),【目的】减少时间外插的影响;半隐式系数由原来的0.72减小到0.55,构造准二阶精度的时间积分方案。【资料】理想试验和实际资料试验证明【结果】【结论】新的方案可以改善GRAPES_GFS的精确性、稳定性和质量守恒性。0.25°水平分辨率下积分时间步长可以由300 s 增加到450 s,模式总体计算效率提高20%。
结合中尺度模式物理约束的雷达回波临近外推预报方法研究
孙泓川, 吴海英, 曾明剑, 程丛兰
摘要:
研究设计了一种结合中尺度模式物理约束的雷达回波临近智能外推预报方法,该方法在外推预报时效(0-2h)内即利用中尺度高分辨率模式信息对外推进行约束。首先将模式风场和雷达回波轨迹风场融合成融合风场,然后利用融合风场光流外推形成动力约束外推;并在此基础上利用模式诊断产品和雷达历史资料通过投票回归器集成多种深度学习算法构建回波强度频率分布的预测模型,最终基于预测模型结果利用降水频率匹配订正技术对外推预测的原始回波强度进行订正形成物理约 束外推方法。通过2个典型个例,以及2年主汛期的长期检验对原始光流法、动力约束外推方法和物理约束外推方法进行综合评估,结果表明:动力约束外推通过改善光流法回波在边缘的堆积扭曲从而改进了预报性能,物理约束外推通过基于模式信息预测的回波频率分布调整回波强度实现回波的增强和减弱来改善预报性能,随着时效增加改善越来越明显,整体而言物理约束外推是其中最优的方案。
气候模式分辨率对气溶胶气候效应数值结果的影响
郜倩倩, 刘煜, 郭增元, 彭艳玉
摘要:
气候模式分辨率作为影响模式模拟结果的重要因素,其对气溶胶与云相互作用的影响还尚未全面认识。[模式和方法]利用公共大气模块CAM5.3在三种分辨率(2°、1°、0.5°)下,分别采用2000年和1850年气溶胶排放情景进行试验,[目的1]检验提高分辨率是否能改进气候模式的模拟能力,[目的2]分析不同分辨率下气溶胶气候效应的异同,探索模式分辨率对气溶胶气候效应数值结果的影响。[结果]通过观测资料与模式结果对比发现,提高分辨率可以明显改进模式对总云量、云短波辐射强迫,0.5°分辨率模拟结果与观测更接近,其它变量并无明显改善。在不同分辨率下,全球平均的气溶胶气候效应较为一致,总云量、云水路径和云长波辐射强迫均增加,云短波辐射强迫加强,而云顶的云滴有效半径、地面气温和降水均减少。不同分辨率下气溶胶增加引起的光学厚度、云水路径、地面温度、云短波和长波辐射强迫的变化的纬向平均分布形势相似但大小存在差异;而降水和云量变化的纬向分布形势与大小均存在较大差异,在区域尺度上的变化还存在较大的不确定性。全球平均而言, 0.5°分辨率下气溶胶的间接辐射强迫AIF相比1°分辨率下的结果减少了2.5%,相比2°分辨率下的结果减少了6.4%。[结论]提高模式分辨率可以部分改进模式模拟能力,同时,气溶胶的间接效应随着模式分辨率的提高而减弱。但气溶胶引起的云量、降水的变化在不同分辨率下差异较大,存在较大不确定性。
C波段双偏振雷达降水估计的误差分析与建模
唐佳琪, 寇蕾蕾, 蒋银丰, 楚志刚, 陈爱军
, doi: 2022.016
摘要:

[目的]双线偏振雷达定量降水估计精度受多种因素影响,为了更好地应用双偏振雷达估计降水并进一步提高降雨估测精度,需对雷达降水估计进行误差分析和建模。[资料和方法]基于2015-2016年南京信息工程大学C波段双偏振雷达、雨滴谱仪观测资料,以及南京地区雨量计数据,统计分析雷达估测降水的误差分布,分离雨量计代表性误差,并对随机误差和系统误差量化建模。首先对双偏振雷达数据进行预处理,并利用雨滴谱仪数据拟合测雨方程,通过对R(ZH), R(ZH,ZDR), R(KDP), R(KDP,ZDR)四个测雨公式反演结果与雨量计对比,分析每个测雨公式在不同降水强度时的估测性能。随后,利用雨量计数据估计空间相关函数,计算并分离由于雷达和雨量计空间不匹配造成的雨量计代表性误差,并分析测量误差和参数误差在雷达降水估计误差中的比重。基于雷达降水估计误差属性及分布规律,建立随机误差和系统误差量化模型。最后,基于四个测雨公式性能和误差分析,提出一种优化组合的双偏振雷达降水估计算法。[结果和结论]结果表明,R(ZH)和R(ZH,ZDR)在弱降水时性能较好,当降雨阈值大于2.5mm/h时,KDP的优势得以突显。由于空间不匹配造成的雨量计代表性误差不容忽视,在雷达分辨单元较大时进行定量降水估计需剔除点面误差。将雷达降水估计误差按照系统误差和随机误差进行建模,发现雷达近地面降水的系统误差和降雨强度成正比,呈线性函数形式,而双指数模型更好地表示随机误差分布。基于不同雷达测雨公式性能提出的优化组合降水算法在准确度和稳定性等方面优于单个测雨公式。

环境因子对黄土高原典型农田生态系统Bowen比的影响研究
任雪塬, 张强, 岳平, 杨金虎, 王胜
摘要:
[目的]Bowen比能够综合反映陆面气候状态的物理特性,是有效刻画生态系统水热分配的关键参数之一。[资料和方法]本研究利用安装在定西和庆阳的涡动相关系统开展了黄土高原半干旱和半湿润农田生态系统能量分配特征观测试验,研究了生态环境因子对Bowen比的影响机理,揭示了干、湿条件下生理生态因子对水热交换的响应规律。[结果]结果表明,处于半干旱区的定西年内感热通量是可利用能量的主要消耗项,即使在降水较为集中的季风期,其Bowen比依旧在1附近波动。对于半湿润地区的庆阳而言,夏季潜热通量在能量分配中占主导地位(Bowen比平均值为0.71),其余三季感热在能量分配中起支配作用(Bowen比在1.15-5.85)。从影响陆面水热交换的气象因子来看,Bowen比随饱和水汽压差()的增大而增大,随降水量和土壤湿度的增加显著减小。干旱条件下,Bowen比与半湿润区的相关性高(R2=0.44),湿润条件下,则与半干旱区的VPD相关性更好(R2=0.38),且生长季半干旱区的Bowen比为半湿润区的1.5倍。半湿润区干、湿条件下降水量与Bowen比均显著相关,干旱条件下R2达到0.79;但半干旱区仅在干旱条件下降水量与Bowen比存在显著的相关性()。土壤含水量(SWC)在半湿润区与Bowen比的相关性更显著,且干旱条件下Bowen比随SWC的减小而增大的幅度更大。从影响生长季Bowen比的生态因子来看,Priestley-Taylor系数()与Bowen比之间满足幂函数规律,在黄土高原农田生态系统具有显著的相关性,半湿润区和半干旱区分别为0.62和0.72。另外,黄土高原农田生态系统Bowen比随NDVI的增大而减小,半湿润区二者关系更显著(),但半干旱区Bowen比对NDVI变化的响应更迅速。Gs与Bowen比之间呈负指数关系,半干旱区Bowen比随Gs的增大而减小的趋势比半湿润区更明显。[结论]该研究对揭示黄土高原典型农田生态系统陆面特征及改进陆面过程参数化关系具有重要参考意义。
GRAPES_GFS全球数值预报系统中的台风初始化
瞿安祥
摘要:
本文在GRAPES_GFS-4DVar系统基础上,参照BDA方法,建立了一个全球模式台风初始化方案。该方案通过4DVar同化窗口吸收诊断处理后的1h间隔台风中心定位及中心气压信息,利用模式动力物理约束产生台风环流。同时,考虑到模式对台风的分辨能力,中心气压数据误差采用动态调整技术。2016年西北太平洋22个台风的试验表明,新方案不仅可以促进初始场中台风环流的生成,还可以显著减小GRAPES-GFS系统的台风路径和强度预报平均误差,具有业务应用前景。
边界层辐合线触发深厚湿对流的研究进展
苏爱芳, 郑永光
摘要:
边界层辐合线(BLCL)是指存在于边界层内的线状气流汇合带,被认为是深厚湿对流主要触发系统。BLCL有多种类型,其触发对流作用非常复杂,本文就BLCL(不包括冷锋)与对流触发的统计研究、其导致的局地温湿扰动对触发对流的影响和BLCL对流触发机制等方面的国内外研究进行了系统总结回顾。已有的研究结果表明,不同天气系统背景、不同地区BLCL的类型、表现形式不同,其触发深厚湿对流的概率、与对流风暴的位置、时间的相关性也有所不同。BLCL能否触发对流还与大气环境条件、BLCL与其它动力学过程相互作用过程有关。在一定的对流有利条件下,局地温湿扰动不仅对BLCL的强度产生影响,还可以通过影响BLCL附近大气层结状态的分布,进而影响到对流能否被触发。BLCL与环境动力和热力相互作用产生的局地变化使对流触发机制变得更加复杂。最后,本文就边界层辐合线对流触发作用研究中需要关注的问题进行了讨论,建议未来基于精细的观测资料和数值模拟试验针对不同区域、不同类型的BLCL的对流触发特征和机制开展系统研究。
四川盆地与周边地区的降水垂直结构和宏微观差异研究
李剑婕, 郑佳锋
摘要:
[目的]为进一步认识地形对降水的影响,[资料与方法]利用2014年3月?2020年12月GPM星载双频雷达DPR资料,研究了四川盆地C1及邻近山地C2和高原东坡C3三个子地区降水的垂直结构及宏微观特征和差异。[结论]结果表明:(1)GPM/DPR和地面雨滴谱仪表现出较好的一致性。(2)降水样本总数表现为C1>C3>C2,层性降水频次远高于对流降水。(3)两类降水的降水顶高度均表现为C3>C2>C1。对于层性降水,C1能够发展到最强,垂直厚度最大、雨滴谱最宽。降水顶向下,回波强度、雨滴谱和降水强度均增加。零度层以上,C3回波增强最快;零度层以下,C1回波达到最强,降水强度增强最快。(4)对于对流降水,C2和C3弱对流的回波较强、垂直尺度较大,粒径较小而数浓度较高。C1强对流的回波较强、垂直尺度较大,大粒子数浓度更高。降水顶往下,回波强度和降水强度均增强,降水强度廓线斜率最大的子地区从C2转为C1,至近地面前斜率均为0。粒径和数浓度变化较复杂,C1以凝结和碰并占主导,C2和C3的凝结和碰并、蒸发和破碎都重要。(5)当近地面产生较小降水强度时,粒子的增长多发生在降水顶向下0.5–2 km;随后蒸发和破碎效应增强,尤其是C1。当近地面降水强度进一步增强时,凝结和碰并占主导。
基于云依赖背景场误差协方差的雷达资料同化及对降雨预报影响研究
陈娴雅, 陈耀登
摘要:
[目的]传统变分同化方法中使用各向同性和均质的背景场误差协方差,忽略了背景场误差协方差的天气系统依赖性,而在变分框架下引入集合流依赖的背景场误差协方差还需要额外的集合预报。为在变分同化中引入更合理的背景场误差协方差,通过引入云指数构建“云依赖”背景场误差协方差,提出了一种云依赖背景场误差协方差的同化方案,并应用于雷达等多源观测资料同化。[资料和方法]基于云依赖背景场误差协方差的资料同化方案,开展了一系列单点观测试验、梅雨期批量循环同化预报试验以及降雨个例详细诊断分析。[结果]从单点观测试验看出,云依赖背景场误差协方差可以实时动态地调整各格点背景场误差,使分析增量具有明显的各向异性和云雨特征的依赖性;批量循环同化与预报试验表明采用云依赖背景场误差协方差的雷达同化可以稳定提高降水预报能力,对大量级降水评分的改善尤为明显;强对流暴雨过程的诊断进一步表明,云依赖背景场误差协方差的应用改进了动力、热力、水汽和水凝物场的预报。[结论]基于云依赖背景场误差协方差的同化方案,能在变分同化框架下引入更符合实时天气特征的背景场误差协方差信息,为更好地同化高分辨率雷达资料提供了基础,有效提高了降雨预报的效果。
使用先进技术微波探测仪观测对云液态水路径算法进行对比
董嫦娇, 翁富忠
摘要:
云液态水路径是气候分析和天气系统应用的重要参数,可以从卫星观测反演获得。目前,微波探测仪器的云液态水算法基于23.8和31.4GHz两个低频通道。使用先进技术微波探测仪(ATMS)观测数据,比较物理和经验算法反演出的云液态水路径。结果表明,经验算法和物理算法都可以描述云液态水在全球的分布,但是在高纬度地区数值差异较大。物理反演结果与卫星可见光云图中的云分布更为一致。在高纬度地区,经验算法受季节影响较大。灵敏度分析结果表明,物理算法误差受云层温度、海面温度和海面风速的影响。云层温度的不确定性可能是云液态水路径反演误差的主要来源。海面温度误差影响高云液态水路径的反演,风速对低云液态水路径的影响比高液态水路径影响更大。
长三角梅汛期降水与大气环流季节内演变的关系及延伸期预报
马悦, 信飞, 卢楚翰
摘要:
基于1981—2020年长三角地区62个国家基本气象站的逐日降水量资料及NCEP/NCAR全球大气逐日再分析资料,分析了长三角地区梅汛期降水与前期大气环流季节内协同演变的关系,在此基础上利用改进的时空投影方法(STPM)构建了针对该地区梅汛期降水的延伸期预报模型。结果表明:(1)长三角地区梅汛期降水存在显著的10~80d季节内振荡,且振荡强度有明显的空间差异和年际变化,降水量越多、对应的季节内振荡越强。(2)梅汛期降水发生前15~10d大气环流发生季节内调整,热带低频对流活跃并出现经向传播,在西北太平洋、长江流域至黄淮-日本海的对流层低层(高层)激发反气旋(气旋)-气旋(反气旋)-反气旋(气旋)的低频波列,建立起低层辐合、高层辐散的环流配置,长三角地区对流增强;大气低频响应导致南压高压季节内南北振荡和东西进退明显,西太平洋副热带高压在长三角东南侧稳定维持,上述低、中和高纬环流的季节内动态协同演变共同促进了该地区梅汛期低频降水的发生。(3)将影响梅汛期降水的前期大气环流季节内动态演变过程作为预报因子,基于STPM方法训练得到长三角梅汛期降水的延伸期逐候预报模型,近10年的独立回报评估显示该模型对梅汛期未来10~25d降水有较高的预报技巧。