WRF数值预报模式气象资料的同化处理与对比分析

应用WRF中尺度数值预报模式及其同化模块（WRFDA）对常规观测资料和青岛市气象台多普勒气象雷达资料进行同化试验。以山东半岛2009年7月8日夜间一次暴雨天气过程为例。首先,以7月8日00：00（文中所有时间均为国际时间）NCEP再分析资料为初始场,对00：00的常规观测资料进行同化,积分36 h;其次,将上述试验积分12 h后对7月8日12：00的常规观测资料和多普勒雷达资料进行循环同化试验,并积分24 h。将以上同化后得到的初始场结果和数值预报场结果分别进行对比分析,结果表明：常规观测数据的同化对初始场各层的风、温度、水汽等要素均有影响,但对雨水混合比影响较小;多普勒雷达资料的同化,使初始场的对流层中低层水汽增加,高层水汽减少,并且使中低层雨水混合比增大;多普勒雷达资料对初始场各层的风均有明显影响。多普勒雷达资料对初始场的调整比常规观测资料大一个量级以上,同时同化上述2种数据后显示,风、水汽、雨水混合比结果明显趋近于单独同化雷达数据的结果。以00：00为初始场同时同化常规观测资料并积分36 h的结果,对较大范围的强降水落区的修正效果最好：同化前降水中心位置和降水量与实际观测结果比较相差较大;同化后降水中心和降水量都与实况比较接近,但模式没有模拟出青岛地区小范围的暴雨天气。同化12：00雷达资料后,模式模拟的青岛地区的降水落区与降水量均与实况接近。试验结果说明,同化常规观测资料对中尺度环流形势有较好的改善,能较好地模拟出大范围的降水落区,但对小尺度的系统模拟效果较差;同化多普勒雷达资料对中小尺度强对流天气的模拟效果较好,但仅适用于短时临近预报;而循环同化可以将两者的优点相结合,综合利用2种资料能改善模拟效果,增加预报结论的可靠性。     

开封暴雨的数值预报效果检验——以2010年7月17~19日为例

利用EC模式和T639模式对2010年7月17~19日开封暴雨进行了模拟,并将模拟结果与实况进行对比,发现两家模式在降水的落区和强度上均有较好的表现.在动力场和风场上的模拟结果虽然与实况略有偏差,但主要的降水系统与其相差不多.与中尺度模式MM5的模拟结果则表明,在短期临近预报中,中尺度模式的效果更好.     

达州市2014年7.11区域性暴雨天气过程分析

本文从天气学角度,利用常规气象资料从环流背景、天气影响系统、物理量场、降水模式预报等方面对7月11日的区域性暴雨作了分析。分析结果表明:副热带高压的位置和低空急流以及切变线的配合为此次区域性暴雨提供有利条件;此次暴雨天气过程为对流性降水;EC模式预报对于此次暴雨过程具有很好的指导意义;从水汽通量散度和垂直上升速度中心的分布和移动以及相对湿度的变化来看,均是有利于我市中南部地区的强降水,与实况有一定偏差;T639降水模式预报是与实况最为接近的。     

“凤凰”台风的数值检验及新资料的应用研究

基于淮河流域中尺度观测与应用试验基地的2种主要业务运行模式GRAPES、AREMS,对发生在2008年7月30~8月2日的"凤凰"台风外围云系造成的暴雨、大暴雨强降水进行了模式预报效果检验,同时针对L波段探空雷达,分析了探空垂直分布结构。结果表明:从逐日24 h降水预报情况来看,AREMS模式预报效果要明显好于GRAPES模式,不仅表现在AREMS模式预报降水接近实况降水,而且表现在AREMS模式能够预报出大雨、暴雨等较强降水级别,说明AREMS模式在降水预报方面具有优越性。从每隔12 h的AREMS模式预报效果可知,以7月30日8:00作为预报起点的降水预报,其效果好于以8月2日8:00作为预报起点的降水预报,说明AREMS模式的预报效果具有相对的波动性。分析南京站逐日8:002、0:00的L波段探空雷达数据发现,暴雨、特大暴雨过程的探空数据绝大多数呈现为随高度的增加温度降低的现象,使得大气呈现不稳定状况;但是个别时次出现逆温层,由于逆温层浅薄,不至于影响到大气的不稳定总体态势。     

T639数值预报产品在克孜勒苏自治州一次大降水过程中的检验

利用在国家气象中心业务运行的T639模式,对2013年6月16—18日克州地区出现的一次大降水天气进行预报检验,结果表明:T63924h高度场形势预报准确率较高,能较好地预报欧亚中高纬环流的演变特征,T639海平面气压场24~72h预报场较实况场强度偏弱,位置偏北,但移速与实况场基本一致,范围要偏小。从T639降水模式预报检验来看,其较实况场略偏弱,但对此次大降水过程中,降水主要集中时段、降水落区预报有较好的参考价值。T639物理量场中的比湿、水汽通量、温度露点差等预报因子对此次大降水预报也有较好的指示意义。     

沈阳局地暴雨过程预报失误分析

利用实况气象观测资料、欧洲中期天气预报中心细网格预报产品和地基GPS/MET观测网大气可降水量数据,针对2017年8月3日沈阳地区局地暴雨过程进行分析,反思预报思路,探讨模式预报误差,寻求预报着眼点,结果表明:不同起报时刻ECMWF模式预报的700 hPa切变线的位置和两侧风速大小存在明显的不确定性。ECMWF模式预报的降水量主要是由大尺度降水产生,对对流性降水估计明显不足,对降水系统预报不稳定,导致大尺度降水的落区处于不断调整状况,使城区对流环境发生改变,预报城区上空水汽辐合出现在城区东南部,导致暴雨空报。可以利用大气可降水量的监测资料,来判断水汽辐合区。     

MM5中尺度模式在内蒙古地区一次降水过程中的数值模拟

采用中尺度数值模式MM5,嵌套北京大学和中国科学院人工影响天气所改进后的云微物理过程方案,对2016年4月1—2日发生在内蒙古的降水过程进行模拟与验证,将MM5模式的预报产品与实况资料进行对比发现,MM5模式对内蒙古的天气过程具有一定的预报能力。模拟结果表明:针对受高空低槽影响的内蒙古东部地区的降水过程,综合云和降水预报产品的云系发展演变特征、云系宏观特征、云垂直结构和性质、降水场检验分析,模式较好地预报出了此次降水过程。在云系的发展演变、移动路径、云系垂直结构、降水落区和雨量等方面的预报效果较好,而对内蒙古东部地区云系性质、云系覆盖范围、降水范围与观测结果还有一定差距。其中可降水量的预报能够把握住可降水量的大值区和高值中心等;云水含量和冰晶浓度的预报能给出不同高度层上不同位置上的变化情况;云场的预报所涉及的云的范围、边界形状和趋势预报均同实际情况相符,说明模式对云的预报是可信的;降水的预报与实际情况十分吻合,降水的落区、降水的等级以及降水预报的准确率等均能较好地反映出实际的情况。因此MM5模式用于内蒙古地区的降水预报是可行的,但本文中MM5模式对降水的模拟结果与实况相比仍然偏大,其原因可能与模式的初始场和边界条件的处理有关,以及与所用资料的精度也是有一定联系。     

多普勒雷达资料同化对山东“4·28”飑线过程的数值模拟

利用美国俄克拉何马大学风暴分析和预测中心开发的中尺度ARPS模式及其资料分析和同化系统ADAS,将山东省济南齐河、临沂和连云港3部多普勒雷达基数据资料同化进ARPS模式中,对山东“4·28”飑线过程进行了数值对比试验。结果发现,模式采用热启动的方式可以模拟出此次飑线过程,对飑线造成的降水的强度和落区预报也较好。雷达资料同化对飑线地面中尺度系统的模拟有明显的改进作用,尤其是在前2～3h效果非常明显,使模拟的地面雷暴高压和风场更接近实况。使用雷达资料进行同化循环,连续地将多部多普勒雷达资料同化到数值模式中,可以明显改进对飑线系统结构的模拟,较初始时刻同化雷达资料对飑线的模拟效果更好。因此,使用雷达资料进行快速分析和同化进行强对流天气预报是可行的,但模拟的降水偏强,这与雷达资料同化对于大范围暴雨预报的改进作用是不同的。     

上海一次切变线暴雨天气过程分析

利用MICAPS资料、葵花卫星资料、天气雷达资料、虹桥机场观测METAR实况观测报文资料、华东空管局AMEFS预报系统、美国NCEP数值预报和江苏省气象局WRF模式等数值预报产品综合分析了上海1次切变线暴雨过程。结果表明:切变线南侧衍生出的中小尺度系统是导致上海地区2次强对流天气的直接原因,大暴雨水汽主要来源于南海,南海热带低压系统为此次天气过程的水汽输送提供了动力支持。AMEFS预报模式(ARPS)对上海地区的强对流天气发生,以及暴雨落区预报均存在较明显偏差,属于漏报,但是其高空探空产品预报较为贴合实况。NCEP全球模式预报产品,对于中小尺度系统产生的强天气,参考意义不大。WRF模式较好地预报了上海地区此次强天气过程,效果较佳。     

一次江西特大暴雨过程的数值模拟

[目的]探讨特大暴雨的形成机制,并揭示特大暴雨的成因。[方法]采用常规报文资料作为初始场,运用改进的中尺度REM模式,对2010年6月16～20日一次江西特大暴雨过程进行了数值模拟和诊断分析,研究了改进的中尺度模式对此次暴雨过程的降水模拟能力,探讨特大暴雨的形成机制,揭示特大暴雨的成因。[结果]这次特大暴雨是一次典型的梅雨暴雨,500 hPa东亚大槽槽后、700 hPa华北低涡后冷平流与强盛稳定的副高西北侧西南气流汇合,导致梅雨锋在江南北部维持;梅雨锋的稳定和西南暖湿气流的异常强盛,使暴雨的水汽、动力、热力条件十分充足,非常有利于触发中尺度对流系统强烈发展;强盛水汽输送及辐合上升运动、中层弱冷空气活动、高层强辐散等多种因素的共同影响导致了特大暴雨发生;改进的中尺度模式对降水场模拟结果与实况基本相似,模式对暴雨的位置、强度、中心均有较好的模拟;物理量分布和局地中心对暴雨预报有明显的指示意义。[结论]该研究为提高暴雨预报能力提供参考。     

一次副高控制中局部大暴雨预报失误原因分析

[目的]研究一次副高控制中局部大暴雨预报失误的原因。[方法]从总结预报失误的原因出发,利用常规的地面观测资料、高空探测资料、T639和T213以及欧洲中心（ECMWF）数值预报产品资料、美国国家环境预报中心的GFS降水预报产品,对2010年8月5日发生在邵阳北部一次大暴雨过程发生前后的天气形势、物理量场进行了细致分析;利用数值分析预报产品资料,采取预报与实况对比分析方法,对这次副热带高压中大暴雨预报失误的原因进行了较全面深入的分析。[结果]预报人员对天气形势分析不够深入细致,表面上500 hPa为副高控制,但实际上700和850 hPa存在弱的切变线,并忽视了弱冷空气和东风波的影响;副高迅速减弱,系统调整过快,ECMWF预报850、700和500 hPa风场变化与实况存在较大误差,比实况偏东2个经度左右;在夏季预报中仅考虑500 hPa副高强度和位置变化,忽视了中低层和地面形势的变化,是导致这次副高中暴雨预报失败的最关键因素;数值预报产品对高度场形势变化的预报误差较大,日本FSAS降水预报、美国国家环境预报中心的GFS预报和T639、T213降水预报都偏小,T639湿度场预报值较小;在此次暴雨预报中,没有当地暴雨预报指标方法用于预报实践;在降水预报过程中只注重该站点的评分预报,对非站点预报不够重视,有些重要的物理量因素没有能仔细推敲。[结论]该研究为此类局地大暴雨的预报预警提供参考依据。     

武汉“2011．6．18”梅雨锋暴雨天气过程分析

利用常规探空和地面观测资料、NCEP每6小时再分析资料、物理量场对2011年6月18发生在武汉的一次大暴雨过程的环流特征进行分析,结果表明：暴雨产生期间南压高压稳定,500hPa贝加尔湖附近形成明显的阻塞高压,冷空气从北方侵袭而至,青藏高原南侧的南支槽加深发展,850-700hPa有低涡形成东移;低层低空西南急流向暴雨区输送暖湿空气,中层有来自北方干冷空气的输送,导致梅雨锋上空有冷空气入侵,形成不稳定层结;采用NCEP再分析资料探讨此次暴雨过程发生发展的特征和机理．发现此次暴雨过程从动力学上来看,中低层的正涡度中心与辐合中心随低涡的东移而东移,而武汉的暴雨出现在正负涡度交界处,即涡度平流最大的地方,低层辐合及高层辐散的几乎垂直结构造成了强烈的上升运动。这也是暴雨发生的动力因素。     

鄂东南一次农业致灾暴雨的成因分析

利用常规观测和物理量场资料,从环流背景、水汽条件、动力条件和不稳定机制等方面对2010年4月21日鄂东南出现的农业致灾暴雨进行分析,结果表明,此次暴雨过程是在高空低槽、西南低涡、切变线、低空急流和地面暖倒槽的共同作用下发生的。低层充沛的水汽和源源不断的水汽输送为暴雨发生发展提供了有利的水汽条件;低层辐合、高层辐散和强烈的垂直上升运动为暴雨发生提供了有利的动力条件。850 hPa的温度露点差(T-Td)≤4℃的区域能提前12 h预告暴雨落区;1 000和925 hPa流场的中尺度辐合线能较好地预报出未来6 h强降水的落区。     

风廓线雷达在暴雨预报中的应用分析

与探空气球测风相比,风廓线雷达具有快速、连续、时空分辨率高、无需施放探空气球等优点。分析局地暴雨过程中的风廓线雷达资料的特点,提取降水信号,使风廓线雷达资料在短时强降水监测和预报中发挥作用具有十分重要的意义。华北区域的一次实例验证表明,风廓线雷达在暴雨预报中有很好的应用效果。     

2016年7月19-20日济南暴雨过程分析

利用常规观测资料,从环流形势、物理量场和雷达资料等方面,对2016年7月19-20日发生在济南地区的暴雨天气过程进行综合分析,并对其数值预报进行了检验.结果表明,这是一次由低涡、切变线、低空急流和黄淮气旋共同作用产生的暴雨.暴雨过程发生在气旋暖区,为层状云和积状云混合云降水,降雨范围大、效率高;对流性的特征仅表现为短时强降水,雨量分布相对于单纯的积云降雨更均匀.数值模式对此次过程的强降雨时段的预报普遍较好,但由于预报的气旋路径较实况更偏东,造成降雨量级上大多偏大.     

2009年山东“8.17”特大暴雨分析

利用常规、非常规等资料对2009年8月17—18日山东省出现的特大暴雨过程进行分析,并计算分析对流有效位能(CAPE)等几种热力环境指数在这次强降水中的作用。结果表明:①山东这次暴雨主要出现在西风槽东移、副高南退过程中的副高西北侧边缘,具有降水量大、降水强度大、暴雨范围大且区域集中和强降水时段集中的显著特点。②低层冷空气的侵入、地面倒槽和切变线的辐合作用,有利于增强降水的强度。③强盛的偏南气流是这次暴雨发生的主要因素。④这次暴雨有很好的热力和动力条件。⑤对流有效位能(CAPE)等热力环境指数对鲁南这次强降水有较强的反应能力。⑤强回波在费县维持时间较长是费县出现强降水的重要原因,较强的偏南气流、湿层深厚是费县出现特大暴雨的主要原因。⑦费县特殊地形对特大暴雨有很大贡献。雷达资料可以更细地反映天气过程,弥补常规观测的不足,关注地形影响对预报强降雨及其分布有积极作用。     

2009年7月桂林市2次大暴雨过程分析与预报

利用常规探空资料、数值预报产品、雷达回波资料对桂林市2009年7月2~4日与25~28日2次大暴雨过程的天气形势及物理机制、雷达回波概念模型特征进行对比分析,结果表明：低涡切变是2次强降水的主要影响系统,西南风低空急流的强弱与暴雨量级有着直接关系,两者配置形成的辐合上升运动是这2次大暴雨的动力机制,辐合及上升运动越强,对应的降水强度越大;絮状强降水回波稳定维持在桂林上空与其内部风场结构上的强盛西南暖湿气流辐合有关,圆形絮状回波比长带状回波更稳定,更有利于大暴雨的形成。另外,经预报实践证明利用多种数值预报产品与桂林预报工具与指标,可对大暴雨过程的落区及量级进行较准确的预报,为灾害性大暴雨天气提供有效的预报与决策服务。     

铜仁市2012年一次秋季大暴雨天气过程成因分析

应用常规观测资料、地面加密自动站资料、NCEP1°×1°的格点再分析资料对2012年10月21 ～ 22日铜仁市出现的大暴雨天气过程的主要影响系统、各物理量场的特征进行了分析,对WRF模式的降水预报进行检验.结果表明,造成这次大暴雨天气的主要影响系统是500 hPa低槽、700 hPa切变、850 hPa低涡切变以及地面冷锋、地面辐合线;暴雨的形成、加强、减弱与暴雨上空水汽通量辐合区的演变关系密切,暴雨发生前中低层有较强的西南或偏南暖湿气流向暴雨区输送水汽;暴雨区有强烈上升运动速度,上升运动从850 hPa一直延伸至150 hPa附近,最大上升气流位于700 hPa附近,低层辐合、高层辐散的垂直动力场结构,使整层产生了有组织的上升运动,为大暴雨的发生提供了动力条件;上、下层负、正垂直螺旋度耦合的结构对暴雨的发生和维持是十分有利的;对流层低层θse随高度减小,850hPa铜仁位于θse高值区,在贵州东部和南部有一个θse大值（高能）中心（θse≥68℃）,反映了暴雨期间低层大气的不稳定性,而中层大气处于中性,这种大气层结有利于产生对流性强降水;WRF模式的降水预报对于此次强降水过程具有重要的指示意义,近24h的降水落区与实况相比吻合较好,但降水量级预报略偏小.     

宁夏北部一次区域性暴雨天气的成因分析

通过对2009年7月7～8日发生在宁夏北部石嘴山市的一次区域性暴雨过程进行环流形势、雷达回波及物理量场等方面的特征分析,认为西风槽、低涡切变及中尺度系统是此次暴雨的主要影响系统,指出了其产生的动力场特征及热力机制。同时,提出了区域性暴雨的预报要点。     

“7．18”山东暴雨过程分析I：暴雨过程诊断分析

利用常规气象资料、1°×1°一日4个时次的美国环境预报中心的FNL再分析资料、0．25°×0．25°的TRMM卫星逐3 h降水再分析资料,从大尺度环流形势、水汽条件、动力条件以及对流不稳定层结等方面,诊断分析“7．18”山东暴雨过程。结果表明,此次暴雨过程具有时间短、强度大、范围广的特征,降水雨带自北向南运动。影响此次暴雨的主要天气系统是东北冷涡、西风槽、西南低涡、低空急流和副热带高压。暴雨过程中湿度条件非常充足,水汽的强烈辐合为此次暴雨提供了直接的水汽条件;对流层低层的强烈辐合、中高层辐散的环流配置形势有利于产生强烈的垂直上升运动,对暴雨的形成提供动力条件;暴雨开始前山东地区上空存在较强的对流不稳定层结,有利于强暴雨的产生。