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中国气象局2004年 第15卷 第5期
2004, 15(5): 513-522
摘要
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摘要:
从高分辨模式特点及精细预报的需要出发，尝试了用“非bogus初值”开展热带气旋精细数值预报的方案。即直接采用四维同化形成的热带气旋（TC）初值，而不再加入“人造台风”（BOGUS）信息，以图避免人为理想结构带来的虚假信息，对热带气旋路径、强度、结构等有更为精细和准确的预报。用2001年所有影响华南的TC实例，对方案的可行性进行了分析。结果表明，本方案可以较好地预报TC的生成；路径预报准确率较高，对疑难路径及局地效应反映较为细致，路径预报误差随时效增大不显著；强度趋势预报指示意义强，准确率较高；尤其是能很好地反映TC的云、雨、风等的非对称结构、螺旋结构等特征的时空演化，对TC中尺度结构的刻画能力和预报可用性较强。显示了方案的优越性和发展潜力，也意味着“非bogus初值”方案应该作为未来TC数值预报发展的一个主要技术方向。分析表明目前条件下本方案还存在一些不足之处，主要表现在因初始信息的不足，当在TC过弱、初生或远离大陆等情况下，常会出现初始场中TC位置和强度与实况偏差过大，容易造成较大预报误差。
从高分辨模式特点及精细预报的需要出发，尝试了用“非bogus初值”开展热带气旋精细数值预报的方案。即直接采用四维同化形成的热带气旋（TC）初值，而不再加入“人造台风”（BOGUS）信息，以图避免人为理想结构带来的虚假信息，对热带气旋路径、强度、结构等有更为精细和准确的预报。用2001年所有影响华南的TC实例，对方案的可行性进行了分析。结果表明，本方案可以较好地预报TC的生成；路径预报准确率较高，对疑难路径及局地效应反映较为细致，路径预报误差随时效增大不显著；强度趋势预报指示意义强，准确率较高；尤其是能很好地反映TC的云、雨、风等的非对称结构、螺旋结构等特征的时空演化，对TC中尺度结构的刻画能力和预报可用性较强。显示了方案的优越性和发展潜力，也意味着“非bogus初值”方案应该作为未来TC数值预报发展的一个主要技术方向。分析表明目前条件下本方案还存在一些不足之处，主要表现在因初始信息的不足，当在TC过弱、初生或远离大陆等情况下，常会出现初始场中TC位置和强度与实况偏差过大，容易造成较大预报误差。
2004, 15(5): 523-533
摘要:
在引进欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 的全球谱模式的基础上，通过对原模式的分析改造，首次以分布与共享相结合的方式在国家气象中心IBM/SP高性能计算机上实现了全球谱模式的高效运行。采用调整向量长度、优化程序设计、完善消息传递机制和实现MPI与OpenMP的混合并行编程等方法，减少模式的通信量、计算量和内存的使用量，提高了计算效率。实现了在T213L31分辨率条件下，10天预报可以在3 h之内完成，达到业务对时限的要求。建立了与T213L31全球谱模式相配套的最优插值（OI）并行处理分析系统，解决了由于观测站点在全球不均匀分布所带来的计算负载不均衡问题。在此基础上，实现了T213L31全球资料同化与预报系统并建立了相应的自动作业监控系统。
在引进欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 的全球谱模式的基础上，通过对原模式的分析改造，首次以分布与共享相结合的方式在国家气象中心IBM/SP高性能计算机上实现了全球谱模式的高效运行。采用调整向量长度、优化程序设计、完善消息传递机制和实现MPI与OpenMP的混合并行编程等方法，减少模式的通信量、计算量和内存的使用量，提高了计算效率。实现了在T213L31分辨率条件下，10天预报可以在3 h之内完成，达到业务对时限的要求。建立了与T213L31全球谱模式相配套的最优插值（OI）并行处理分析系统，解决了由于观测站点在全球不均匀分布所带来的计算负载不均衡问题。在此基础上，实现了T213L31全球资料同化与预报系统并建立了相应的自动作业监控系统。
2004, 15(5): 534-542
摘要:
该文简要介绍GRAPES三维变分同化技术在MM5数值预报中的应用；利用2003年3月至2003年5月华东地区138个台站实况资料与其预报结果，评价了该模式系统对华东地区降水的预报结果，分析了三维变分同化对MM5数值预报结果的可能影响。结果表明，GRAPES三维变分同化方案是比较合理的，同化后模式对华东大部分地区的降水24 h预报比没有使用同化的总体情况要好；同样，同化后模式对华东大部分地区的晴雨预报准确率较高。
该文简要介绍GRAPES三维变分同化技术在MM5数值预报中的应用；利用2003年3月至2003年5月华东地区138个台站实况资料与其预报结果，评价了该模式系统对华东地区降水的预报结果，分析了三维变分同化对MM5数值预报结果的可能影响。结果表明，GRAPES三维变分同化方案是比较合理的，同化后模式对华东大部分地区的降水24 h预报比没有使用同化的总体情况要好；同样，同化后模式对华东大部分地区的晴雨预报准确率较高。
2004, 15(5): 543-555
摘要:
该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上, 将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系, 建立了边界层多尺度湍流参数化子模式, 之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究, 并与MM5模式附带的M RF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明, 多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律, 将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的; 多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响, 因此在地形和下垫面比较复杂的区域, 对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。
该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上, 将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系, 建立了边界层多尺度湍流参数化子模式, 之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究, 并与MM5模式附带的M RF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明, 多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律, 将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的; 多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响, 因此在地形和下垫面比较复杂的区域, 对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。
2004, 15(5): 556-563
摘要:
采用消息传递方式 (MPI) 对最近发展的广州区域数值预报模式进行了并行化计算研究。根据模式的结构和计算过程特点, 模式适合采用水平分区方案进行并行计算处理。在曙光3000并行计算机上分别采用一维和二维分区并行方案实现了模式的并行化计算, 并对模式的并行效率、并行加速比和并行通讯时间百分比等做了测试。对测试结果的分析表明:采用8个CPU时, 两种方案都能在1 h内完成72 h的预报, 一维分区方案的并行效率则保持在90 %左右, 可以满足业务运行需要。当模式使用8个以上CPU时, 通讯时间迅速增加并超过了计算时间的50%, 模式并行效率明显下降。CPU相同时, 模式一维分区并行方案比二维分区并行方案并行效率高且实现起来简单。
采用消息传递方式 (MPI) 对最近发展的广州区域数值预报模式进行了并行化计算研究。根据模式的结构和计算过程特点, 模式适合采用水平分区方案进行并行计算处理。在曙光3000并行计算机上分别采用一维和二维分区并行方案实现了模式的并行化计算, 并对模式的并行效率、并行加速比和并行通讯时间百分比等做了测试。对测试结果的分析表明:采用8个CPU时, 两种方案都能在1 h内完成72 h的预报, 一维分区方案的并行效率则保持在90 %左右, 可以满足业务运行需要。当模式使用8个以上CPU时, 通讯时间迅速增加并超过了计算时间的50%, 模式并行效率明显下降。CPU相同时, 模式一维分区并行方案比二维分区并行方案并行效率高且实现起来简单。
2004, 15(5): 564-571
摘要:
该文利用GMS 5原始数据、GMS 5展宽数据、FY-2A展宽数据和FY-2B展宽数据, 采用伪彩色增强和灰度直方图分析方法, 分别对这4种数据的红外、水汽、可见光通道图像进行了针对杂散光的对比分析以及对杂散信号来源分析。分析表明这三颗静止气象卫星的图像中都存在一定的杂散信号。该文提出了解决杂散光问题主要依靠优化辐射计光路设计; 地面系统在实时处理、展宽图像时采取简单剔除处理, 可以减小或消除图像冷空间区域的杂散信号, 但是去掉地球圆盘图像内部的杂散信号将非常困难。
该文利用GMS 5原始数据、GMS 5展宽数据、FY-2A展宽数据和FY-2B展宽数据, 采用伪彩色增强和灰度直方图分析方法, 分别对这4种数据的红外、水汽、可见光通道图像进行了针对杂散光的对比分析以及对杂散信号来源分析。分析表明这三颗静止气象卫星的图像中都存在一定的杂散信号。该文提出了解决杂散光问题主要依靠优化辐射计光路设计; 地面系统在实时处理、展宽图像时采取简单剔除处理, 可以减小或消除图像冷空间区域的杂散信号, 但是去掉地球圆盘图像内部的杂散信号将非常困难。
2004, 15(5): 572-578
摘要:
该文从f平面线性无粘的二维Boussinesq方程组出发, 通过求取函数的极小值, 提出了从实测风场资料中提取基本气流的方案。用该方案提取的基本气流既满足控制方程, 同时又与实测风场之差其模的平方在垂直方向取平均后达到最小; 将实测风场与该基本气流相减, 可提取出扰动风场, 从而能研究基流的失稳问题和扰动场随时间的演变。该文还给出了该方案实际操作的数值计算方法, 并对实际个例进行了计算和分析, 实践表明用该方案提取基本气流是切实可行的。
该文从f平面线性无粘的二维Boussinesq方程组出发, 通过求取函数的极小值, 提出了从实测风场资料中提取基本气流的方案。用该方案提取的基本气流既满足控制方程, 同时又与实测风场之差其模的平方在垂直方向取平均后达到最小; 将实测风场与该基本气流相减, 可提取出扰动风场, 从而能研究基流的失稳问题和扰动场随时间的演变。该文还给出了该方案实际操作的数值计算方法, 并对实际个例进行了计算和分析, 实践表明用该方案提取基本气流是切实可行的。
2004, 15(5): 579-589
摘要:
分析了2002年9月27日发生在山东东阿附近一次冰雹风暴发生、发展各阶段新一代天气雷达CINRAD/SA反射率、平均径向速度等产品的演变过程。在风暴中, 观测到了低层前侧入流缺口、有界弱回波区 (BWER)、中气旋 (M) 等超级单体风暴的特征。中气旋在风暴中维持了约90 min, 通过连续时次各仰角高度风暴相对速度产品的分析, 揭示了中气旋发生、发展和消亡的过程。分析表明风暴跟踪信息 (STI)、冰雹指数 (HI)、垂直积分液态含水量 (VIL)、中气旋 (M) 等产品对冰雹有较好的识别和预报能力。
分析了2002年9月27日发生在山东东阿附近一次冰雹风暴发生、发展各阶段新一代天气雷达CINRAD/SA反射率、平均径向速度等产品的演变过程。在风暴中, 观测到了低层前侧入流缺口、有界弱回波区 (BWER)、中气旋 (M) 等超级单体风暴的特征。中气旋在风暴中维持了约90 min, 通过连续时次各仰角高度风暴相对速度产品的分析, 揭示了中气旋发生、发展和消亡的过程。分析表明风暴跟踪信息 (STI)、冰雹指数 (HI)、垂直积分液态含水量 (VIL)、中气旋 (M) 等产品对冰雹有较好的识别和预报能力。
2004, 15(5): 590-600
摘要:
利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和GMS红外辐射亮温（TBB）资料，研究了2002年6月22日的中尺度对流复合体（MCC）和7月23日的一般暴雨云团两者之间发生发展的环境场差异。结果表明，MCC发生在较弱的斜压环境里，对流层低层有明显的天气系统如切变线、中尺度低涡，中层可以没有低压槽参与，高层则出现在反气旋环流里。普通暴雨云团低层的影响天气系统和MCC类似，但中层往往和槽线相联系，高层则出现在急流入口区右侧。MCC对高温高湿能量的需求比一般暴雨云团更高，如要求高能舌范围更广、更深厚，对流不稳定区范围更大。MCC的动力强迫主要在低层，和较大的θse梯度联系密切，而一般暴雨云团的高空槽强迫作用显得更重要。
利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和GMS红外辐射亮温（TBB）资料，研究了2002年6月22日的中尺度对流复合体（MCC）和7月23日的一般暴雨云团两者之间发生发展的环境场差异。结果表明，MCC发生在较弱的斜压环境里，对流层低层有明显的天气系统如切变线、中尺度低涡，中层可以没有低压槽参与，高层则出现在反气旋环流里。普通暴雨云团低层的影响天气系统和MCC类似，但中层往往和槽线相联系，高层则出现在急流入口区右侧。MCC对高温高湿能量的需求比一般暴雨云团更高，如要求高能舌范围更广、更深厚，对流不稳定区范围更大。MCC的动力强迫主要在低层，和较大的θse梯度联系密切，而一般暴雨云团的高空槽强迫作用显得更重要。
2004, 15(5): 601-611
摘要:
针对2001年4月上旬一次蒙古气旋发展过程中的地形因素进行了观测和模拟研究, 结果表明:依据低层冷空气是否越过阿尔泰—萨彦岭山地产生气旋冷锋, 蒙古气旋的发生发展过程可以划分为触发和发展两个阶段。在气旋的发展阶段, 斜压不稳定是其主要强迫机制。伴随地形对低层冷空气阻滞程度的变化, 蒙古气旋经历了从缓慢发展到剧烈加强的过程。阿尔泰—萨彦岭山地通过对低层冷空气的阻滞使山地上空等熵面更为陡立, 加强了对流层低层的斜压强迫, 从而使斜压强迫的涡度增长向低层聚集, 导致气旋发展强度增强。阿尔泰—萨彦岭山地及其南侧形成的峡谷地形对低空急流的位置、范围、强度及演变过程具有较重要影响。另外, 对流层高层位涡平流也是气旋发展的一个强迫因素, 但其影响较小。
针对2001年4月上旬一次蒙古气旋发展过程中的地形因素进行了观测和模拟研究, 结果表明:依据低层冷空气是否越过阿尔泰—萨彦岭山地产生气旋冷锋, 蒙古气旋的发生发展过程可以划分为触发和发展两个阶段。在气旋的发展阶段, 斜压不稳定是其主要强迫机制。伴随地形对低层冷空气阻滞程度的变化, 蒙古气旋经历了从缓慢发展到剧烈加强的过程。阿尔泰—萨彦岭山地通过对低层冷空气的阻滞使山地上空等熵面更为陡立, 加强了对流层低层的斜压强迫, 从而使斜压强迫的涡度增长向低层聚集, 导致气旋发展强度增强。阿尔泰—萨彦岭山地及其南侧形成的峡谷地形对低空急流的位置、范围、强度及演变过程具有较重要影响。另外, 对流层高层位涡平流也是气旋发展的一个强迫因素, 但其影响较小。
2004, 15(5): 612-622
摘要:
用50年 (1951~2000年) 观测资料, 分成1951~1976年和1977~2000年两个时段, 研究了江淮地区夏季 (6~8月) 雨量与北半球500 hPa季平均环流时滞遥相关的年代际变化, 同时提出了遥相关不稳定指数, 讨论了遥相关不稳定性的空间分布和季节变化。结果表明, 这两个时段遥相关的空间分布存在显著差异, 且前一时期时滞遥相关强度明显强于后一时期, 特别是江淮地区夏季雨量与前期冬季西太平洋型 (WP) 的相关仅在1976年以前显著, 1977年以后迅速减弱消失, 而对于后一时期, 与春季欧亚遥相关型 (EU) 的相关明显加强。另外, 后一时期江淮地区夏季雨量与夏季EAP波列的相关明显强于前一时期。它反映了太平洋年代际振荡 (PDO) 对东亚季风降水和环流年际相关的影响, 这种遥相关的不稳定性与年代际和年际时间尺度振荡之间的相互作用有密切联系。
用50年 (1951~2000年) 观测资料, 分成1951~1976年和1977~2000年两个时段, 研究了江淮地区夏季 (6~8月) 雨量与北半球500 hPa季平均环流时滞遥相关的年代际变化, 同时提出了遥相关不稳定指数, 讨论了遥相关不稳定性的空间分布和季节变化。结果表明, 这两个时段遥相关的空间分布存在显著差异, 且前一时期时滞遥相关强度明显强于后一时期, 特别是江淮地区夏季雨量与前期冬季西太平洋型 (WP) 的相关仅在1976年以前显著, 1977年以后迅速减弱消失, 而对于后一时期, 与春季欧亚遥相关型 (EU) 的相关明显加强。另外, 后一时期江淮地区夏季雨量与夏季EAP波列的相关明显强于前一时期。它反映了太平洋年代际振荡 (PDO) 对东亚季风降水和环流年际相关的影响, 这种遥相关的不稳定性与年代际和年际时间尺度振荡之间的相互作用有密切联系。
2004, 15(5): 623-628
摘要:
应用能量守恒方法, 考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射 (辐散) 潜热、感热传输等能量之间的平衡, 并考虑水汽、气溶胶、浮尘以及云等对太阳短波辐射的吸收和散射, 建立了一种较实用的路面温度预报模型。应用南昌市自动气象观测站2002年7月26日至8月24日共30 d逐时的各气象要素资料进行模拟分析, 并与该时段内所测到的水泥路面温度进行对比, 发现:当夏季日照时间超过5 h时, 水泥路面最高温度预报最大误差 < 4 ℃, 多日误差绝对值平均为2.13 ℃, 该模型具有较好的实际应用价值; 但当雨日或无日照时, 结果较差。
应用能量守恒方法, 考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射 (辐散) 潜热、感热传输等能量之间的平衡, 并考虑水汽、气溶胶、浮尘以及云等对太阳短波辐射的吸收和散射, 建立了一种较实用的路面温度预报模型。应用南昌市自动气象观测站2002年7月26日至8月24日共30 d逐时的各气象要素资料进行模拟分析, 并与该时段内所测到的水泥路面温度进行对比, 发现:当夏季日照时间超过5 h时, 水泥路面最高温度预报最大误差 < 4 ℃, 多日误差绝对值平均为2.13 ℃, 该模型具有较好的实际应用价值; 但当雨日或无日照时, 结果较差。
2004, 15(5): 629-640
摘要:
该文对当前大气气溶胶模式的发展和应用作了简单的回顾和评述, 介绍了较流行的几个气溶胶热力学平衡模式和适用于城市-区域空气质量研究的气溶胶模式的特点, 并对发展一个完全的气溶胶动力-化学模式的复杂性进行了探讨, 指出未来气溶胶模式发展和改进还需要在有机气溶胶的形成和转化机制, 云、雾等条件下气溶胶的形成和转化, 以及复杂的气溶胶物理、化学过程与区域、全球模式的耦合等几个方面进行研究。
该文对当前大气气溶胶模式的发展和应用作了简单的回顾和评述, 介绍了较流行的几个气溶胶热力学平衡模式和适用于城市-区域空气质量研究的气溶胶模式的特点, 并对发展一个完全的气溶胶动力-化学模式的复杂性进行了探讨, 指出未来气溶胶模式发展和改进还需要在有机气溶胶的形成和转化机制, 云、雾等条件下气溶胶的形成和转化, 以及复杂的气溶胶物理、化学过程与区域、全球模式的耦合等几个方面进行研究。
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