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• 基于降水极端预报指数的福建台风极端降水预报研究
• 官晓军,潘宁,黄待静,王琦,李玲

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  摘要

  2021-01-08

• 摘要：[资料和方法]利用1961-2018年中国气象局热带气旋最佳路径数据集、站点日降水观测资料和2015年8月-2018年12月ECMWF集合预报系统降水极端预报指数（extreme forecast index, EFI）数据，通过百分位法定义台风影响期间福建各站点的台风极端降水阈值，并采用最小阈值法（剔除极端降水EFI箱线图中的异常值，保留最小值作为阈值）[目的]建立台风极端降水预报方法。基于该方法，分别对2015年8月-2017年12月和2018年的影响台风进行回报和预报试验，并采用TS评分、空报率、漏报率对其进行检验。[结果]结果表明：福建台风极端降水阈值由沿海向西北内陆逐渐减小，其中闽东沿海和南部沿海地区的阈值最大，闽西北内陆最小；台风降水、极端降水都与降水EFI存在明显正相关性，降水EFI的箱线图差异指数（box difference index, Ibd）也表明EFI可以较好地区分台风极端降水和非极端降水；预报试验20时起报预报时效12-36h、36-60h、60-84h和84-108h的TS评分分别为0.26、0.22、0.20和0.19，预报试验评分结果略优于回报试验；台风的极端降水越显著时，极端降水预报效果越好,回报和预报中都存在的不足是空报率高，主要出现在极端降水不明显的个例中。[结论]降水EFI对台风极端降水具有较好的指示意义，基于降水EFI的台风极端降水客观预报方法可作为业务中台风极端降水预报的参考依据。

• 数字滤波初始化方案在高分辨率GRAPES区域模式中的研究
• 庄照荣,李兴良,刘艳

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  摘要

  2021-01-07

• 摘要：高分辨率同化系统中引入的高密度高频率不规则分布的观测信息会造成分析变量之间的不平衡,而不平衡分析噪音在模式积分中产生的虚假重力波会影响模式预报质量和稳定运行。为了抑制虚假重力波在模式中快速增长,本文通过在水平3km分辨率的GRAPES区域模式中应用非绝热数字滤波和增量数字滤波初始化方案,研究不同滤波截断周期的数字滤波初始化方案对分析预报的影响。试验结果表明,不同初始化方案的分析预报效果依赖于截断周期,截断周期越长,分析时刻模式预报场的权重越低,滤除的高频信息越多。对于3km分辨率模式,2h截断周期的非绝热数字滤波方案(T2h试验)滤除了有气象意义的信息,初始场过于平滑。30min(T30试验)与15min(T15试验)截断周期的初始化方案既滤除了高频噪音,也基本保留了有意义的分析信息。增量数字滤波方案可以保留背景场中快速增长的模态,只滤除分析增量不协调的噪音,其初始场最接近分析场。在GRAPES-MESO系统中采用不同截断周期的数字滤波方案对要素场预报的影响基本可忽略,而对降水预报略有影响；而在GRAPES-RAFS快速分析预报循环系统中,经过多次分析预报循环后,初始化方案对分析和预报的影响会逐渐累积,T15试验对风场分析和12小时风场预报比T2h试验有明显正贡献,同时T15试验的24h内各时段的降水预报质量也整体优于T2h试验。

• 集合预报误差在GRAPES全球四维变分同化的应用研究：I局地化方案设计与动力平衡特征分析
• 龚建东

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  摘要

  2020-12-30

• 摘要：[目的]本文研究了在GRAPES全球四维变分资料同化(4D-Var)中有效应用集合预报误差信息的方法,在大样本集合预报条件下,增加扩展控制变量时降低其空间维数增加,减少对高性能计算机存储和计算消耗,并对水平与垂直局地化对分析地转平衡的影响进行了分析。[资料和方法]本文利用高斯分布的谱滤波实现水平局地化、利用垂直正交EOF分解实现垂直局地化,并采用前8个主导特征模态来限制空间维数增加。[结果]引入20至180个集合预报样本,水平局地化后扩展控制变量增加了1.1到1.8倍,墙钟时间增加了约1.1到1.6倍。三维局地化方案扩展控制变量增加了约1.7到7.1倍,墙钟时间增加了约1.4到4.1倍。通过采用在非平衡分析变量上进行水平局地化,然后再将风压地转平衡关系重新叠加到非平衡分析变量上,所获得的分析保持了风压平衡关系,初始场地面气压倾向变化小。垂直局地化对分析平衡影响较大,由于目标函数中控制重力波的目标函数项的存在,分析场仍能保证动力平衡约束关系。[结论] 论文在GRAPES 4D-Var中所发展的引入扩展控制变量的方式具备实用性。

• 1470-2019年中国东部旱涝年代际变化及其与太平洋海表面温度的关系
• 鄢凤玉,赵传湖,孙即霖

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  摘要

  2020-12-30

• 摘要：[资料和方法]基于1470-2019年中国东部地区(30°-40°N,105°E以东)19个站点旱涝等级和古气候代用资料定量重建的太平洋海表面温度指数,通过经验正交函数分解、小波分析和集合经验模态分解方法分析了[目的]中国东部旱涝年代际变化特征及其与太平洋海温的关系。[结果][结论]结果表明,(1)1470年以来中国东部旱涝变化的主模态为全区一致型(方差贡献率为25.2%),变率中心主要位于黄河中下游,其时间系数的小波分析和集合经验模态分解揭示出全区旱涝存在10-30a的准周期；该模态长期趋势揭示17-18世纪中国东部整体偏涝,而19世纪以后出现旱化趋势。(2)寒冷背景下中国东部旱涝一致变化更明显,在17世纪前中期和19世纪中后期的小冰期寒冷期全区一致型模态的方差贡献率达到35%-40%,且这两个时间段10-30a的年代际变化信号尤为显著；而旱涝的变率中心则表现出冷期偏北,暖期偏南或偏西的特征。(3)中国东部旱涝的年代际变化与北太平洋和赤道中东太平洋海表面温度异常有关,表现为偏涝(旱)气候对应于太平洋年代际振荡的冷(暖)相位和年代际尺度上的前一年11月到当年1月Ni?o3.4区海表面温度的异常偏低(高)；在小冰期的寒冷期,旱涝的年代际变化可能与Ni?o3.4区海表面温度异常关系更密切。

• 北京一次冬季极端降水过程中相态转换成因及预报误差分析
• 胡宁,符娇兰

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  摘要

  2020-12-16

• 摘要：[资料和方法]应用各种常规和非常规观测资料、以及再分析资料[目的]对2020年2月13日夜间至14日白天北京地区一次极端雨雪过程的成因进行了分析,并重点探讨了模式降水相态预报误差及其原因。[结果]结果表明：(1)本次降水过程中,低涡系统深厚,强度异常偏强,移速慢,影响时间长,导致北京地区部分站点降水持续了12h左右。异常偏强东南风急流向北京西部山前输送水汽,配合与急流相伴的较强低空切变形成的对称不稳定,产生高降水率的斜升对流性降水。较长的降水时间以及冬季夜间罕见的高降水率共同造成了此次极端日降水。(2)北京凌晨零度层高度和地面温度下降缓慢,北京西部处于两股冷空气间的暖舌中,冷空气从东路入侵造成北京东部降温时间较西部早,且降温辐度较大,导致零度层高度呈西高东低形势,故转雪时间东部早于西部。(3)模式预报的东路冷空气较观测偏强偏早,降水的对流性也显著弱于观测,导致其预报的凌晨地面气温较观测偏低,零度层高度下降过快,从而过早预报转雪时间,高估了降雪量和积雪深度,[结论]利用非常规温度观测对模式温度廓线预报误差进行检验,可为订正模式相态转化时间预报偏差提供依据。

• 冬季北半球大气对秋冬季巴伦支海海冰异常的敏感性研究
• 段升妮,姜智娜

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  摘要

  2020-12-15

• 摘要：[资料]基于ERA-Interim再分析资料，[模式]借助大气模式CAM4，[目的]分析了北半球冬季不同月份的平均大气对巴伦支海不同振幅及不同季节海冰扰动的敏感性，并考察了中高纬度典型大气模态的分布变化情况。[结果]结果表明，冬季巴伦支海海冰的减少，会导致湍流热通量异常向上，局地异常增暖及水汽含量的异常增加，且相关异常的强度和范围随着海冰偏少幅度的减小而减弱。这种局地响应会通过大气环流调整扩散开来，产生远程影响。具体地，冬季大气环流与欧亚地面温度异常对于不同幅度海冰异常的响应是非线性的，且在不同月份也呈现出不同特征。秋季巴伦支海海冰减少虽未引起局地显著的温度异常，但欧亚大陆温度及环流场异常响应的强度更强、范围更广，这表明秋季海冰可以独立地对冬季中纬度大气产生影响。此外，冬季季节内，不同月份西伯利亚高压强度、位置对巴伦支海海冰减少的响应是不一致的，北大西洋涛动（NAO）位相的倾向变化对不同季节、不同振幅海冰减少的响应也不相同。冬季海冰减少时，12月和1月，西伯利亚高压强度更易偏强、位置易偏东，2月则与之相反。与冬季相比，秋季海冰偏少时，西伯利亚高压更易稳定维持在欧亚大陆，晚冬时发生NAO负位相（NAO-）的概率增加，但出现极端NAO-的概率在减少。[结论]这为了解巴伦支海海冰异常对北半球天气、气候的影响提供了参考。

• Shapley—模糊神经网络方法在华南台风卫星云图的长时效滚动预测中的应用
• 黄小燕,何立,赵华生,黄颖,吴玉霜

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  摘要

  2020-12-07

• 摘要：[目的] 为了更好地利用大量的卫星云图观测资料来提高台风暴雨的预报能力,解决并提高对台风强降水云系变化的预报精度,加大对未来云系变化的预报时效,构建基于合作对策Shapley—模糊神经网络的华南区域台风卫星云图非线性智能计算滚动集合预测模型,对增强卫星云图资料在台风暴雨天气预报中的实用性和及时性具有重要意义。[资料和方法]依据2013-2016年期间华南区域台风影响过程的卫星云图,采用类似于数值预报模式的集合预报方法,通过对每间隔6小时的卫星云图云顶亮温样本序列作经验正交函数分解,将提取出的时间系数作为云图预报建模的预报分量。考虑台风云系的发展变化,主要是受到云团环境物理量场的影响,利用数值预报模式的物理量预报产品作为各预报分量的预报因子,并采用k-近邻互信息估计的分步式变量选择算法,通过两步过程分别实现相关变量的选择与弱相关变量的剔除,分别建立相应时间系数的Shapley—模糊神经网络集合预报模型,进一步将预报得到的各时间系数与空间向量合成,重构得到未来时刻的卫星云图预报图,[结果和结论]实现了云图6 h-72 h的长时效客观滚动预测。实际华南区域台风卫星云图预测试验结果表明,新方案所预测得到的云图与实况云图相关较高,重构云图的基本轮廓、纹理特征分布、清晰度以及云系强弱方面都比较接近原始云图。另外,本文还进一步基于相同的云图预报因子,针对同样的建模和预报样本采用多元线性回归方案进行和新方案一致的云图预测。对比结果表明,这种非线性预报模型比线性方案能更好地预报未来较长时效台风云团的发展、移动的主要特征和变化趋势,其描述的预测云图与实际云图的主要特征更相符。云图预报时效达到了72小时的长时效,具有业务实用预报意义。

• 逐层平滑地形的平缓地形追随坐标在高分辨率GRAPES模式中的应用研究
• 李超,陈德辉,李兴良,胡江林

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  摘要

  2020-11-30

• 摘要：高分辨率GRAPES模式如3km模式对地形的识别程度更高，模式中各高度坐标面可识别的地形坡度也更大，地形作用带来的气压梯度力计算误差和平流输送误差更突出。平缓（smoothed-level）地形追随坐标可以通过多种方式衰减坐标面上的地形影响进而减小这些计算误差。选择一种逐层平滑地形的平缓地形追随坐标，基于GRAPES-3km模式进行理想试验和批量模拟试验试验结果显示：逐层平滑地形的平缓地形追随坐标相对其他平缓地形追随坐标对地形重力波模拟更接近解析值；月连续模拟试验中逐层平滑地形的平缓地形追随坐标对高层月平均的温度场、风场模拟误差有一定程度衰减，月平均的降水评分也有所提高。逐层平滑地形的平缓地形追随坐标在GRAPES-3km模式有较好的模拟应用效果。

• 中尺度催化数值模式的人影业务应用研究_*
• 刘香娥,何晖,高茜,王永庆,杨燕

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  摘要

  2020-11-27

• 摘要：数值模式越来越多地应用在人工影响天气的业务工作中。文中着眼北京地区人影业务对模式预报的需求,结合地基作业的特点,初步进行了冷云催化数值模式在业务中的应用研究,结果如下：冷云催化数值模拟的初始场数据来自同化了多种观测资料的北京市气象局快速更新和多尺度分析预报系统RMAPS (Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System)的预报结果,模拟区域覆盖北京地区所有的地面作业站点以及华北人影飞机作业区域；AgI冷云催化模块耦合在WRF Morrison双参数微物理方案中,主要考虑了冰核和云、雨滴之间的接触冻结核化以及水汽在人工冰核上的凝华核化过程。涉及的步骤包括运行控制实验、根据算法给出作业站点及作业信息运行预催化模拟和重新输入实际作业信息进行重催化模拟。通过个例的应用和对比测试可以不断优化流程算法,初步为前期地面作业方案的制定提供参考,提升了制定地面作业方案的科技水平。

• 基于大气-土壤-植被系统干旱发生发展过程的综合干旱指标构建与应用
• 段居琦,张强,何雨峰,周广胜,王有民,肖风劲

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  摘要

  2020-11-23

• 摘要：适宜的干旱指标和高分辨率数据是准确、精密监测干旱的基础。本研究从气象干旱和土壤干旱以及植被对干旱的响应出发，整合中国国家气象观测站、中国陆面同化CLDAS土壤湿度（0.0625°×0.0625°）和MODIS LAI（500m×500m）等多源数据信息，构建了基于气象干旱指数（SPEI）、土壤干旱指数（SMP）和植被干旱指数（LAIP）的综合干旱指数CDI，并在中国东北地区开展了典型站点和区域10km×10kmk空间分辨率干旱监测试验。结果表明， CDI克服了单一气象干旱指数不能准确反映农业旱情和单一植被长势指数会将其他灾害引起的植被长势变差误判为干旱的不足，能够反映灌溉对干旱的影响，完成对大气-土壤-植被系统干旱发生发展及其影响的监测。CDI分级监测结果的生物物理意义明确，空间分辨率高，实践指导作用强，在干旱发生发展及其对农业乃至植被影响的监测、评估和预测中具有应用前景。

• 不同阶曲线拟合扰动场对下平流层重力波气候特征影响研究
• 程胡华,王益柏

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  摘要

  2020-11-16

• 摘要：研究重力波参数气候特征是确定大气模式中重力波参数化方案的重要条件之一，高垂直分辨率探空资料扰动场是获取重力波参数气候特征的基础数据；目前，获取扰动场的方法较多，但基于不同方法计算的扰动场，对重力波参数气候特征影响的研究较少。基于2014—2017年山西太原气象台高垂直分辨率探空资料，利用2—4阶曲线拟合方法获取下平流层(17—24km)温度扰动场、纬向风扰动场和经向风扰动场，经统计发现2阶与3阶曲线拟合方法之间的扰动场相似程度更高；在此选取相似度更高的2阶、3阶曲线拟合方法扰动场分别计算大气重力波参数，并对大气重力波参数之间的气候差异特征进行研究，结果表明：(1)不同阶曲线拟合方法扰动场的变化振幅、及随高度变化趋势存在差异，且扰动场之间的相关性较弱；(2)2阶、3阶曲线拟合方法扰动场得到的重力波参数大小、年内变化趋势、及在不同区间范围内占有率均存在差异，且相关性较弱；(3)在1—12月，相对3阶曲线拟合方法扰动场，基于2阶曲线拟合方法扰动场得到的重力波群速、水平波长、垂直波长、周期、固有相速均偏大，而重力波能量上传百分比在某些月份偏大；]因此，不同阶曲线拟合方法扰动场之间存在的差异，会导致计算得到的大气重力波参数气候特征存在差异，最终对研制大气模式中的大气重力波参数化方案效果产生影响。

• GRAPES_GFS模式全球降水预报的主要偏差特征
• 刘帅,王建捷

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  摘要

  2020-11-16

• 摘要：利用2017年1、4、7、10月“全球降水观测（global precipitation measurement, GPM）计划”每日08-08时的24h累积降水量和逐30min降水量观测产品，从降水量和频率等角度，对同期GRAPES全球模式（GRAPES_GFS）第一（D1）、三（D3）、五天（D5）的全球降水预报性能和偏差特征进行细致评估与分析，其中以低纬暖池和北半球中纬风暴路径区作为关键区进行重点观察，并初步探讨降水预报偏差特征在低纬和中纬明显不同的可能原因。结果显示：（1）GRAPES_GFS的D1-D5预报对全球日降水（量和频率）分布描述合理，准确再现出纬向平均降水（量和频率）的典型特征——降水 “双峰”极大位于南北纬20o之间、次极大位于南北纬40o~50o地区的特征，以及关键区日降水时空演变和降水日循环逐日演变的主要趋势特征。（2）在低纬，纬向平均湿日（≥0.1mm/d）频率预报正偏差很小，但日降水量和强降水日（＞25mm/d）频率预报的正偏差明显、偏差极大值“双峰”位置恰是相应观测极大值所在处（南北纬5o~10o）；在中纬，纬向平均日降水量预报基本无偏，但明显的湿日降水频率预报正偏差（20%~30%）和强降水日频率负偏差出现在南北纬40o~60o。降水偏差正负分布特征随季节和预报时效基本保持不变、预报均方根误差数倍于平均误差，暗示模式降水预报偏差有系统性、且性能表现波动较大。（3）日循环中，模式在暖池的降水量预报正偏差缘于降水强度预报偏强，降水频率预报的弱负偏差主要与降水落区预报偏小有关；而模式在北半球风暴路径区降水频率预报的正偏差，则是降水落区预报偏大和空报弱降水事件两方面因素造成。（4）模式降水（量和频率）预报偏差特征在低纬和中纬的明显差异性，与模式次网格尺度和网格尺度降水比例失调有关，改进线索指向模式对流参方案中深对流的启动和深对流降水量的处理以及对流参数化方案与云微物理方案的协同问题。

• 基于飞机真实轨迹的一次层状云催化的增雨效果及其作用机制的模拟研究
• 刘卫国,陶玥,周毓荃,党娟,谭超,高扬

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  摘要

  2020-11-09

• 摘要：层状云降水效率通常偏低，但往往具有较高的云水资源开发潜力，是人工增雨作业的重要对象。随着中国南方地区生态改善、水库增蓄、抗旱等社会需求的增加，针对这些地区降水云系的人工增雨研究和实践显得愈发必要。本文使用三维中尺度冷云催化模式，对2018年10月21日湖北省一次层状云飞机人工增雨作业过程进行了数值模拟研究。模式合理地模拟出了云和降水的主要宏微观特征，观测和模拟结果均显示作业云区具有较好的冷云催化条件，在此基础上，模式按照实际作业中的飞机播撒方式，完整地模拟了此次催化作业过程。数值模拟结果的分析表明：凝结冻结核化和凝华核化是碘化银催化剂的主要核化方式；90%以上碘化银粒子的局地活化比介于0.01%~2%之间，平均活化比则介于0.07%~0.27%之间；云系降水是由冷云降水和暖云降水两种机制共同作用的结果，催化作业使两种降水机制均有增强，增雨效果明显；催化后4小时，整个评估区内的累积净增雨量为2.12×108kg，局地增雨率介于-51.1%~306.7%之间，区域平均增雨率为8.1%；催化作业也使部分地区出现减雨，主要是由于催化中的潜热释放引起过冷层动力场扰动，一部分云区的上升气流减弱，从而导致降水粒子的成长减弱，地面出现减雨；在过冷云区，碘化银核化使冰晶浓度增加，导致冰晶-雪、雪-霰的转化过程增强，雪霰粒子总量增加，更多的雪霰粒子从冷区落入暖区，在暖区上层产生更多的大雨滴，从而使暖区的云雨碰并过程增强，最终地面降水增加，这是此次催化作业导致增雨的主要微物理链条。

• 2019年8月16日诸城超级单体风暴双偏振参量结构特征分析
• 刁秀广,郭飞燕

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  摘要

  2020-11-06

• 摘要：利用青岛S波段双偏振多普勒天气雷达资料和常规观测资料以及区域自动站气象资料，对2019年8月16日发生在山东省诸城市的一次长寿命超级单体风暴双偏振结构特征进行了分析。结果表明：超级单体风暴发生在东北冷涡和地面中尺度辐合线共同作用背景之下，CAPE偏弱，但垂直风切变非常强，这种配置也利于超级单体风暴的形成与维持。诸城超级单体风暴持续3h左右并伴有深厚持久的中气旋，旺盛阶段DBZM、C-VIL、HT和TOP平均值分别为74.1dBZ、67. 9 kg·m-2、6.3km和11.3km。偏振特征分析表明，风暴低层60dBZ以上回波区对应偏小的ZDR、小的CC和大的KD P，湿（或干）冰雹和液态雨滴共存。此外，低层入流缺口附近有明显ZDR弧存在。风暴中层强上升气流区内有明显的BWER，其顶部达到7km左右。BWER内CC较小，其外围有明显的ZDR环和CC环，ZDR环部达到-10℃层高度。0℃层高度之上存在深厚的ZDR柱和KDP柱，顶部都达到-20℃层高度，ZDR柱位于BWER东侧，KDP柱位于BWER西侧。 -10℃～-20℃层高度之间，ZDR柱对应强的Z(35～60dBZ)和小的KDP，表明含有少数偏大的液态或湿冰粒子，而KDP柱对应更强的Z(55～72dBZ)和小的ZDR，表明含有一定数量的小的液态或（和）湿冰粒子及大的冰雹粒子。风暴低层强反射率核后侧径向上如果出现显著ZDR负值区，可作为特大冰雹（直径≥50mm）的识别依据。风暴低层强反射率核对应异常大的KDP值，表明含有浓度较高的液态雨滴和包有水膜的冰雹粒子。

• GRAPES全球模式静力平衡奇异向量改进及应用试验
• 霍振华,李晓莉,陈静,刘永柱

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  摘要

  2020-11-02

• 摘要：[背景] 采用线性化物理过程方案的GRAPES全球模式奇异向量（Singular Vectors，SVs）初始扰动在进行非线性模式积分时会有部分成员出现崩溃问题，这说明SVs结构可能存在扰动变量之间不协调之处，需要对奇异向量扰动的计算方法优化，[目的] 进而改进基于奇异向量的集合预报初值扰动，提高GRAPES全球集合预报效果。[资料和方法] 基于原有的GRAEPS全球SVs计算方法，在求解SVs时，对气压扰动的处理进行改进，将初始时刻的气压扰动分量通过位温扰动根据静力平衡关系导出获得，其它保持一致，发展了静力平衡奇异向量改进方法。基于有两个台风过程的个例（2019年8月8日12 UTC），分别采用原奇异向量方法和静力平衡奇异向量改进方法进行热带气旋目标区SVs的计算求解，并进行相应奇异向量初始扰动的非线性模式积分，对比分析SVs初始扰动非线性积分的稳定性。进而，对比分析奇异向量求解方法改进前后热带气旋奇异向量的结构特征和初值扰动特征，开展了集合预报试验，评估改进后的奇异向量求解方法对GRAPES全球集合预报系统预报性能的影响。[结果/结论] 试验结果表明，静力平衡奇异向量改进方法，通过产生协调的气压扰动和位温扰动场，解决了奇异向量初始扰动非线性积分崩溃的问题，消除了原来不利于积分稳定性的气压扰动过于局地化的小尺度结构。静力平衡奇异向量改进方法对奇异向量中位温扰动分量和纬向风扰动分量结构影响较小，使得气压扰动分量的的大值区位于台风附近，更好地描述热带气旋初值不确定性，与位温扰动分量的分布更为协调。采用静力平衡奇异向量改进方法，可以提高GRAPES全球集合预报在北半球和南半球等压面要素集合预报技巧和中国地区24小时累计降水概率预报技巧，增加台风路径集合离散度。

• 基于新型往返式探空观测的下平流层重力波特征分析
• 杨晨义,郭启云,曹晓钟,张武

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  摘要

  2020-10-19

• 摘要：利用了2018年6月9日到2018年7月10日，安庆、长沙、赣州、南昌、宜昌、武汉6个站点的往返式探空试验数据，提取重力波各项参数，包括重力波能量密度、固有频率、波长以及传播方向；研究分析了六个站点的重力波参数，统计了试验地区的6-7月的重力波特征，并且横向比较了各个站点之间的差异以及上升段与下投段的差异。主要结果如下：1）该区域重力波动能一般分布在0.2 J/m3~1.2 J/m3的范围内，平均值约为0.8 J/m3，势能一般分布在0.03 J/m3~0.5 J/m3的范围内，平均值约为0.2 J/m3。2)垂直波长中90%样本都分布在1km ~2.5 km，超过50%的样本都分布在2 km~2.5 km，平均波长一般为1.8 km左右；水平波长分布范围在40~1500 km，主要在200 km ~800 km，平均值集中在600 km，重力波垂直波长与水平波长的比值很小，在平流层重力波以水平传播为主。3）大部分站点的上升段和下降段结果均存在比较明显的主要传播方向，但主要传播方向特征并不一致，以西北方向传播最多，其次是北向传播。这种新型数据适用于下平流层重力波的观测与分析，下降段资料能起到对于重力波事件的加密观测作用，上升段与下投段所获得的结果存在一定差异，但除水平传播方向外，其余参数差别较小，除能量以外参数的一般是下降段结果偏大。

• 集合预报误差在GRAPES全球四维变分同化的应用研究：II 参数选取与数值试验
• 龚建东

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  摘要

  2020-10-14

• 摘要：[目的] 将集合预报误差信息在GRAPES全球4D-Var中应用,需要解决大集合样本数高时效生成的计算效率问题,以及与GRAPES全球4D-Var匹配的同化关键参数确定问题。[资料和方法]本文选择基于4D-Var的集合资料同化(EDA)技术生成集合样本,通过重复使用第一个样本极小化迭代过程中产生的预调节信息,并用于其他样本极小化做预调节,将计算效率提高了2倍。通过时间错位扰动(VTSP)方法增加集合样本数,实现集合样本增加2倍。对集合方差进行膨胀,选择水平局地化相关尺度为流函数背景误差水平相关的1.4倍,并通过批量数值试验方法确定背景误差与集合预报误差的权重,当权重取0.7时的预报效果最好。[结果]夏冬两季各自52天的批量试验表明,对分析场的位势高度均方根误差,北半球冷季En4D-Var较4D-Var的改进主要集中在700-30hpa,暖季主要改进在400-150hpa,北半球位势高度的均方根误差变化明显。赤道地区受季节影响较小,对位势高度、风场与温度的改进都较为明显,改善最显著的是赤道地区的南北风场。[结论]本文研发的集合预报误差信息在GRAPES全球4D-Var中应用的技术合理可行。

• 基于因子分析的广东短时强降水预报模型与业务试验
• 张华龙,伍志方,肖柳斯,涂静

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  摘要

  2020-10-13

• 摘要：[资料]利用每日4次0.125°×0.125°的ECMWF-Interim再分析资料和广东2009-2018年地面气象站逐时雨量观测的短时强降水数据集，[目的]针对广东不同季节、不同地域的短时强降水，以提高命中率的同时控制空报率为目的，提出了基于显著性和敏感性评价的物理量优选和因子分析方法，用于构建分期分区的广东短时强降水概率预报模型。[方法]以参数显著性和预测敏感性为标准，在49个待选物理量中挑选18个既与多年平均态存在明显差异，又具有较低空报率的物理量，并应用方差最大正交旋转的因子分析方法将遴选物理量组合成表征大气不同环境条件的6个因子；为使组合因子更具适应性，基于因子偏离度特征对广东前、后汛期不同区域各自独立建模，构建分期分区短时强降水逐6小时格点概率预报模型。[结果与结论]汛期业务试验表明，模型对短时强降水发生概率预报效果较好。对2019年汛期模型每天两次起报的12h预报时效内概率产品进行格点检验，以训练期最优TS对应的固定概率作为预测概率阈值，全省大部分区域TS均达0.25以上，最高达0.42，平均TS较ECMWF-Fine业务模式在前、后汛期的提升幅度分别为0.23与0.21，南部沿海TS提升幅度最大，并且模型在提升命中率与降低空报率之间取得较好的平衡。个例分析表明，对于ECMWF模式常漏报的广东暖区短时强降水，概率预报模型具有明显优势，尤其能为天气尺度弱动力强迫的强降水早期预警提供更多有效信息。

• 尺度叠加的高斯相关 模型在GRAPES-RAFS中的应用
• 庄照荣,李兴良

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  摘要

  2020-09-22

• 摘要：背景误差水平相关模型决定着观测对分析增量结构的影响，同时也决定着不同尺度上分析增量信息的多少。本文采用NMC方法统计各变量背景误差水平相关系数的结构特征，依据统计的背景误差特征，改进背景误差水平相关模型。文中改进的尺度叠加高斯相关模型不仅能增加分析变量的中小尺度信息，同时尺度叠加高斯函数描述的风场背景误差相关特征更符合实际统计结构，缓解了原高斯函数方案中风场负相关偏大的问题。通过对比原高斯相关模型及改进的尺度叠加高斯相关模型的GRAPES-RAFS快速分析预报循环批量试验表明：改进的尺度叠加高斯相关模型加快了分析目标泛函收敛的程度，增加了分析变量的中小尺度功率谱，因而分析增量包含更多的中小尺度信息。尺度叠加的高斯相关模型的应用大幅度提高分析质量，特别是风场分析，同时12h内风场预报质量也略有提高，也显著提高了前24h各量级降水的ETS评分，明显缓解了原高斯模型方案的空报现象。

• WRF-DA中地面观测资料同化方案的改进与应用
• 张鑫宇,陈敏

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  摘要

  2020-09-22

• 摘要：为了改善地面自动站（简称自动站）观测数据在WRF-DA（The Weather Research and Forecasting Model-Data Assimilation）系统中的同化应用效果，提高数值模式的预报性能，对WRF-DA地面资料同化方案中温度和风速订正方案进行改进，形成地面资料同化更新方案。通过考虑地形高度差异对同化效果的影响，调整同化方案中地面要素由实际地形高度订正到模式高度的同化订正方案，提升地面观测温度及风速订正值的准确性。并进一步分析2017年7月5日个例试验结果以及2017年7月整月的批量试验，结果发现相比于使用原方案同化后的预报效果，选取更新方案同化地面自动站的模式预报效果在前9小时的温度和风速的预报误差明显降低，且在24小时预报时效内，更新方案对于模式预报均起到改善作用。

• 尺度自适应边界层参数化及其对一次海雾的模拟影响
• 卢绪兰,彭新东

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  摘要

  2020-09-18

• 摘要：大气边界层湍流运动是地球大气运动最重要的能量输送过程之一。当数值模式分辨率接近活跃湍涡的长度尺度时，湍流运动被部分解析，无需全部参数化，传统的边界层方案不适合这种“灰色区域”湍流问题。为了提高模式边界层方案在包括“灰色区域”不同网格尺度的描述能力，使其适用于不同的分辨率模式需求，本研究仍然以雷诺平均湍流理论为基础，在更广的模式分辨率范围内，修正Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino(MYNN)方案湍流长度尺度参数和非局地湍流的参数表达，改进湿度和温度在“灰色区域”的湍流输送参数化和对网格尺度的自适应能力。利用改进的MYNN尺度自适应方案，分别采用3 km和1 km、1.5 km和0.5 km分辨率单向嵌套网格WRF中尺度模式，对2014年2月26日的黄海海雾过程进行模拟试验，检验不同分辨率模式MYNN湍流参数化合理性和对海雾的模拟效果。尺度自适应MYNN边界层参数化方案在公里级网格尺度上获得稳定、合理的湍流垂直输送计算结果。参照雾区卫星云图，不同分辨率模式低层云水混合比模拟结果具有稳定表现，模拟的雾区分布和温度、湿度等物理量结构都较好再现了再分析“观测事实”，初步表明该参数化方案有较好的网格尺度自适应能力。

• 基于多源数据和深度学习的闪电短时预报方法
• 周康辉,郑永光

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  摘要

  2020-09-17

• 摘要：强对流短时预报时段（2～6 h），具有较大难度。一方面，基于观测数据的外推已基本不可用；另一方面，高分辨率数值模式（High-resolution Numerical Weather Prediction, HNWP）的预报性能有待提升。本文利用深度学习方法，将卫星、雷达、闪电等观测数据和HNWP进行融合，得到了更有效的闪电短时预报结果。基于多源观测数据和高分辨率数值天气预报数据的特性，我们构建了一个双输入单输出的深度学习语义分割模型（LightningNet-NWP），使用了包括闪电密度、雷达组合反射率拼图、卫星成像仪6个红外通道，以及GRAPES-3km模式预报的雷达组合反射率等共9个预报因子。深度学习模型使用了编码-解码的经典全卷卷积结构，并使用池化索引共享的方式，尽可能保留不同尺度特征图上的细节特征信息；利用三维卷积层提取观测数据时间和空间上的变化特征。结果表明，LightningNet-NWP能够较好地实现0～6 h的闪电预报，具备比单纯使用多源观测数据、HNWP数据更好的预报结果。深度学习能够有效实现多源观测数据和NWP数据的融合，在2～6 h时效预报效果优于单独使用观测数据或NWP数据；预报时效越长，融合的优势体现的越明显。

• 基于S波段双偏振雷达观测的冰雹偏振特征分析
• 潘佳文,高丽,魏鸣,蒋璐璐,蔡菁

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  摘要

  2020-09-08

• 摘要：为了研究雹暴的偏振特征及其在实际业务中的应用,使用S波段双偏振雷达所观测到46例冰雹数据,对其中反复出现的三种偏振特征：冰雹在各高度层的偏振参数特征、差分反射率因子柱、三体散射偏振特征进行了分析,并重点分析了三种偏振特征在大、小冰雹之间的差异。研究表明：(1)大冰雹的水平反射率因子中位数要高于小冰雹,二者的水平反射率因子分布存在较大重合区域。(2)冰雹偏振参数的变化主要集中在融化层之下。相较于小冰雹,大冰雹具有更低的差分反射率因子和相关系数。(3)所有雹暴的差分反射率因子柱最大伸展高度均超过-10℃,有83%的大冰雹事件其差分反射率因子柱最大伸展高度可超过-20℃,在小冰雹事件中这一比例仅为46%。(4) 差分反射率因子柱高度的演变对于雹暴的发展具有预示性,特别是在持续降雹过程中,差分反射率因子柱的再度发展预示雹暴的再次增强。差分反射率因子柱高度的极值相对于降雹具有时间提前量,在大冰雹事件中这一提前量的中位数为24min,而在小冰雹事件中这一数值为11min。(5)三体散射的偏振特征有助于识别高空的冰雹,尤其是当冰雹核的后侧存在其他降水回波时。在本文所统计的19例大冰雹事件均发现三体散射偏振特征。在小冰雹事件中同样可发现三体散射偏振特征,出现比例为52%。

• 四种定量降水预报客观订正方法对比研究
• 苏翔,袁慧玲,朱跃建

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  摘要

  2020-08-26

• 摘要：基于2019年全年、不同季节、不同预报时效的ECMWF模式定量降水预报(QPF),检验评估了频率匹配(FMM)、最优TS评分(OTS)、最优百分位(OP)、概率匹配(PM)四种QPF客观订正方法的综合性能。利用理想模型研究了不同雨带位移偏差和干湿偏差情形下FMM和OTS的表现,并通过个例订正展示了四种QPF订正方法的基本特征。结果表明：FMM与OTS仅能对确定性预报的降水量级进行调整,OP和PM方法通过引入集合预报信息可在一定程度上改变预报的降水落区形态。FMM以频率偏差最优为目标,可以很好地消除模式的干湿偏差,但仅在位移偏差较小且存在较大干湿偏差时提升原始预报的TS评分。OTS方法难以改进存在弱湿偏差的中雨预报的TS评分,而OP方法利用集合预报信息可以显著提升所有降水等级的TS评分,在较长预报时效下优势尤其明显,但也存在春夏两季湿偏差较大的问题。PM由于没有使用历史实况信息,在暴雨订正中干偏差较大。经济价值模型检验评估表明,OP在暴雨量级的风险决策中具有较高的参考价值。

• 垂直分层加密和预报区域扩大对GRAPES_TYM台风预报的影响
• 麻素红

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  摘要

  2020-08-10

• 摘要：为提升GRAPES_TYM对西北太平洋和南海热带气旋路径及强度的能力、增加GRAPES_TYM对北印度洋热带气旋的预报，2019年8月GRAPES_TYMV3.0投入业务运行。V3.0的模式垂直分层由V2.2的50层增加到68层；预报区域由覆盖西北太平洋、南海扩展到覆盖北印度洋。试验结果显示：模式垂直分层增加可以改进模式对强台风及超强台风的预报能力，减小平均路径预报误差、显著减小平均强度预报误差以及强度预报负偏差；模式预报区域扩大到覆盖北印度洋对平均路径误差和平均强度平均误差影响不显著，长时效预报比较敏感，如20°N以北的热带气旋120h预报路径。2016年-2018年的回算结果同NCEP-GFS和ECMWF的预报结果对比分析表明：GRAPES_TYMV3.0的平均路径误差与NCEP-GFS接近，同ECMWF相比误差较大；24h-96h强度预报误差要明显小于NCEP-GFS和ECMWF，NCEP-GFS和ECMWF对热带气旋强度预报存在明显的负偏差。

• GRAPES全球模式云方案的诊断研究
• 陈雪娇,刘奇俊

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  摘要

  2020-08-07

• 摘要：在对GRAPES全球预报系统（GRAPES_GFS）的预报性能进行诊断评估的基础上，对凝结（华）和蒸发等物理过程及对流卷出对云的影响过程进行改进和优化，旨在提高GRAPES_GFS云量及其特征量和降水的预报精确度。通过与欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第五代全球再分析资料（ERA5）的对比，分析云方案改进前后云量、云含水量、柱含水量等云宏观、微观物理量，降水量、对外长波辐射（OLR）等基本物理量以及物理过程对温度和湿度的反馈倾向。结果显示，云方案改进后，GRAPES_GFS在热带地区液水预报增加，云系和水成物垂直分布更为合理；云量预报与ERA5预报结果更相近，特别是高云量预报的改进，使得地带OLR预报略有改进；低纬地区日平均总降水量略有增加，特别是热带地区格点尺度降水增加较为明显，缓解了热带区域大尺度格点降水偏少的现象。