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中国气象局2017年 第28卷 第1期
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摘要
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2017, 28(1): 1-10.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170101
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摘要:
该文回顾了中国气象局全球中期数值天气预报系统GRAPES_GFS的研发历程，重点介绍了近年来在GRAPES_GFS研发过程中的重要进展，概要阐述了这些进展对GRAPES_GFS业务：化的贡献。动力框架方面的改进主要包括位温垂直平流的算法、极区滤波方案、标量平流方案、垂直速度衰减（damping）算法、提高模式分辨率等，改善了模式框架的稳定性、计算精度以及质量守恒性。物理过程方面的改进主要包括RRTMG辐射方案、CoLM陆面过程方案、积云对流、边界层过程、双参数云物理方案，以及物理过程的调用计算等，全面提升了模式物理过程的预报能力。全球三维变分同化方面，研发了模式空间三维变分（3DVar）系统、资料质量控制和偏差订正技术、卫星资料同化方面的相关技术等。同时，对目前GRAPES_GFS2.0的预报能力进行了评估，总体来说，该系统各项预报指标全面超越GRAPES_GFS1.0，与T639相比等压面要素预报在对流层也有明显优势，降水、2 m温度等预报也优势明显。
该文回顾了中国气象局全球中期数值天气预报系统GRAPES_GFS的研发历程，重点介绍了近年来在GRAPES_GFS研发过程中的重要进展，概要阐述了这些进展对GRAPES_GFS业务：化的贡献。动力框架方面的改进主要包括位温垂直平流的算法、极区滤波方案、标量平流方案、垂直速度衰减（damping）算法、提高模式分辨率等，改善了模式框架的稳定性、计算精度以及质量守恒性。物理过程方面的改进主要包括RRTMG辐射方案、CoLM陆面过程方案、积云对流、边界层过程、双参数云物理方案，以及物理过程的调用计算等，全面提升了模式物理过程的预报能力。全球三维变分同化方面，研发了模式空间三维变分（3DVar）系统、资料质量控制和偏差订正技术、卫星资料同化方面的相关技术等。同时，对目前GRAPES_GFS2.0的预报能力进行了评估，总体来说，该系统各项预报指标全面超越GRAPES_GFS1.0，与T639相比等压面要素预报在对流层也有明显优势，降水、2 m温度等预报也优势明显。
2017, 28(1): 11-24.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170102
摘要:
近年来，GRAPES全球三维变分同化系统分析性能和稳定性有了长足进步。该文简要介绍了近两年GRAPES全球：三维变分同化技术的发展与改进情况，包括同化框架技术、资料同化应用技术与系统稳定性等方面。分析诊断了两年的同化循环试验结果，以探空资料作为参考，对ERA-Interim再分析场、NCEP FNL分析场和GRAPES全球三维变分分析场的统计特征进行了比较；以ERA-Interim再分析场作为参考，对NCEP FNL分析场、T639分析场和GRAPES全球三维变分分析场进行比较。结果表明：GRAPES分析场的质量明显优于T639分析场，性能上达到了业务化的要求，但相比NCEP FNL分析场还有一定差距，特别是对流层内湿度分析场的误差还比较大。
近年来，GRAPES全球三维变分同化系统分析性能和稳定性有了长足进步。该文简要介绍了近两年GRAPES全球：三维变分同化技术的发展与改进情况，包括同化框架技术、资料同化应用技术与系统稳定性等方面。分析诊断了两年的同化循环试验结果，以探空资料作为参考，对ERA-Interim再分析场、NCEP FNL分析场和GRAPES全球三维变分分析场的统计特征进行了比较；以ERA-Interim再分析场作为参考，对NCEP FNL分析场、T639分析场和GRAPES全球三维变分分析场进行比较。结果表明：GRAPES分析场的质量明显优于T639分析场，性能上达到了业务化的要求，但相比NCEP FNL分析场还有一定差距，特别是对流层内湿度分析场的误差还比较大。
2017, 28(1): 25-37.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170103
摘要:
针对GRAPES_Meso V3.0存在的降水量偏大、模式运行不稳定、近地面温度预报偏差较大、可同化资料偏少以及分辨率偏低等问题，开展了多方面的改进工作：引入变分质量控制以及探空湿度的偏差订正，实现了GPS/PW资料、FY-2E云导风资料以及无线电掩星资料的同化应用，提高了模式分辨率，引入四阶水平扩散方案，调整了微物理参数化方案与动力框架的耦合方案，完善了地面辐射能量平衡方程以及优化了后处理雷达组合反射率因子的诊断方案，并集成所有改进成果形成新的业务化GRAPES_Meso V4.0。批量试验结果表明：GRAPES_Meso V4.0降水ETS评分普遍提高，同时预报偏差明显降低，月平均降水更接近实况，且能够较好地刻画雨带细节；2 m温度预报偏差有较为显著的改善，大部分地区24 h预报有1~2℃左右的降低，有些地区有3~5℃的降低；GRAPES_Meso V4.0对高度场、温度场和风场的改进效果比较显著，500 hPa的温度、风速、位势高度场的相关系数均有显著提高，850 hPa的均方根误差也明显降低，整体性能明显高于GRAPES_Meso V3.0。
针对GRAPES_Meso V3.0存在的降水量偏大、模式运行不稳定、近地面温度预报偏差较大、可同化资料偏少以及分辨率偏低等问题，开展了多方面的改进工作：引入变分质量控制以及探空湿度的偏差订正，实现了GPS/PW资料、FY-2E云导风资料以及无线电掩星资料的同化应用，提高了模式分辨率，引入四阶水平扩散方案，调整了微物理参数化方案与动力框架的耦合方案，完善了地面辐射能量平衡方程以及优化了后处理雷达组合反射率因子的诊断方案，并集成所有改进成果形成新的业务化GRAPES_Meso V4.0。批量试验结果表明：GRAPES_Meso V4.0降水ETS评分普遍提高，同时预报偏差明显降低，月平均降水更接近实况，且能够较好地刻画雨带细节；2 m温度预报偏差有较为显著的改善，大部分地区24 h预报有1~2℃左右的降低，有些地区有3~5℃的降低；GRAPES_Meso V4.0对高度场、温度场和风场的改进效果比较显著，500 hPa的温度、风速、位势高度场的相关系数均有显著提高，850 hPa的均方根误差也明显降低，整体性能明显高于GRAPES_Meso V3.0。
2017, 28(1): 38-51.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170104
摘要:
围绕GRAPES_Meso的云初始场形成，以ARPS模式云分析方案为基础，优化诊断后应用我国风云二号静止气象卫星云产品、多普勒天气雷达三维组网拼图产品等观测资料结合模式背景信息，根据云热力-动力学原理及观测试验经验关系等，对云初始场的信息进行分析并通过松弛逼近同化方法实现对云内微物理信息同化应用。GRAPES_Meso中采用优化后的云初始场方案，水平分辨率为0.03°×0.03°和0.1°×0.1°的1个月（2014年7月15日-8月14日）连续试验和个例分析结果显示：云初始场形成方案能够分析出飑线等天气系统的云系和云内微物理变量特征。从模拟云图看，包含云初始场信息的GRAPES_Meso的云系的形态特征和分布范围短时临近预报结果更为准确。云初始场信息同化应用后，在1 h的时间尺度上，即可预报出与实况更为接近的降水；0~12 h时间范围内对降水均有积极的影响，可满足短时临近预报的需求，降水量级略偏大。批量连续试验（水平分辨率为0.03°×0.03°和0.1°×0.1°）的各个量级降水ETS（equitable threat score）评分都显著提高。
围绕GRAPES_Meso的云初始场形成，以ARPS模式云分析方案为基础，优化诊断后应用我国风云二号静止气象卫星云产品、多普勒天气雷达三维组网拼图产品等观测资料结合模式背景信息，根据云热力-动力学原理及观测试验经验关系等，对云初始场的信息进行分析并通过松弛逼近同化方法实现对云内微物理信息同化应用。GRAPES_Meso中采用优化后的云初始场方案，水平分辨率为0.03°×0.03°和0.1°×0.1°的1个月（2014年7月15日-8月14日）连续试验和个例分析结果显示：云初始场形成方案能够分析出飑线等天气系统的云系和云内微物理变量特征。从模拟云图看，包含云初始场信息的GRAPES_Meso的云系的形态特征和分布范围短时临近预报结果更为准确。云初始场信息同化应用后，在1 h的时间尺度上，即可预报出与实况更为接近的降水；0~12 h时间范围内对降水均有积极的影响，可满足短时临近预报的需求，降水量级略偏大。批量连续试验（水平分辨率为0.03°×0.03°和0.1°×0.1°）的各个量级降水ETS（equitable threat score）评分都显著提高。
2017, 28(1): 52-61.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170105
摘要:
基于K廓线闭合方案，通过考虑不稳定边界层和稳定边界层中热量交换系数在半层上求取及下边界条件的设置，将温湿倾向在整层上直接计算，设计了Charney-Phillips跳点（简称C-P跳点）的边界层方案，使之与GRAPES全球模式的C-P跳点相协调，解决了Lorenz跳点物理过程与C-P跳点动力框架耦合时插值造成的不协调问题，同时避免了耦合时反复插值造成的误差，提高了边界层物理过程参数化方案及其反馈的准确性和合理性。试验表明：C-P跳点边界层方案因为避免了温度和湿度在垂直方向上的插值，消除了温湿变量在垂直方向上的锯齿状抖动，使温湿廓线分布更合理，减小了模式预报误差，形势场的预报效果也得到一定改善。C-P边界层方案的应用提升了GRAPES全球模式的总体预报性能。
基于K廓线闭合方案，通过考虑不稳定边界层和稳定边界层中热量交换系数在半层上求取及下边界条件的设置，将温湿倾向在整层上直接计算，设计了Charney-Phillips跳点（简称C-P跳点）的边界层方案，使之与GRAPES全球模式的C-P跳点相协调，解决了Lorenz跳点物理过程与C-P跳点动力框架耦合时插值造成的不协调问题，同时避免了耦合时反复插值造成的误差，提高了边界层物理过程参数化方案及其反馈的准确性和合理性。试验表明：C-P跳点边界层方案因为避免了温度和湿度在垂直方向上的插值，消除了温湿变量在垂直方向上的锯齿状抖动，使温湿廓线分布更合理，减小了模式预报误差，形势场的预报效果也得到一定改善。C-P边界层方案的应用提升了GRAPES全球模式的总体预报性能。
2017, 28(1): 62-71.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170106
摘要:
伴随技术是四维变分同化（4DVar）系统中计算代价函数梯度的最佳办法，切线性和伴随模式的效果和效率直接影响着4DVar系统的发展。基于GRAPES（Global and Regional Assimilation PrEdiction System）全球切线性和伴随模式1.0版本，利用GRAPES全球模式2.0版本在并行框架和性能等方面的改善，重新优化和设计了GRAPES全球切线性伴随模式2.0版本，提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的效果和效率，优化了切线性模式程序结构，使其计算时间最优可控制在非线性模式的1.2倍以内；采用在切线性模式中保存基态的方法，重构了伴随模式的程序结构，使其计算时间最优控制在非线性模式的1.5倍以内；在GRAPES全球切线性物理过程的设计中，将线性物理过程的轨迹基态计算和切线性扰动计算解耦，提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的计算效果和效率。
伴随技术是四维变分同化（4DVar）系统中计算代价函数梯度的最佳办法，切线性和伴随模式的效果和效率直接影响着4DVar系统的发展。基于GRAPES（Global and Regional Assimilation PrEdiction System）全球切线性和伴随模式1.0版本，利用GRAPES全球模式2.0版本在并行框架和性能等方面的改善，重新优化和设计了GRAPES全球切线性伴随模式2.0版本，提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的效果和效率，优化了切线性模式程序结构，使其计算时间最优可控制在非线性模式的1.2倍以内；采用在切线性模式中保存基态的方法，重构了伴随模式的程序结构，使其计算时间最优控制在非线性模式的1.5倍以内；在GRAPES全球切线性物理过程的设计中，将线性物理过程的轨迹基态计算和切线性扰动计算解耦，提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的计算效果和效率。
2017, 28(1): 72-85.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170107
摘要:
利用1991-2014年新疆16个国家基准气象站逐时降水资料，分析了新疆夏季不同区域降水日变化基本特征，揭示出新疆夏季降水日变化呈现显著的南、北疆区域差异，有别于我国中东部的一些新事实。结果显示：北疆降水量日变化呈现准单峰型特征，峰值主要发生在傍晚前后（16：00-20：00，地方时，下同）；南疆降水量日变化呈现三峰特征，峰值分别出现在傍晚（17：00-18：00）、午夜后（00：00-01：00）和上午（10：00）。新疆夏季降水事件以6 h以内的短历时性质为主（平均为85%，比例明显高于我国中东部），而持续12 h以上的较长历时降水事件偶有发生；在天山东麓以外的新疆绝大部分地区，6 h以内短历时降水事件对总降水量的贡献率达54%，高于我国中东部地区。新疆西部和北疆北部降水量日变化主峰的贡献者是2~3 h短持续性降水为主的事件；而天山中-东部降水量日变化峰值则是来自于12 h内各不同持续时间降水事件的大致均等贡献。
利用1991-2014年新疆16个国家基准气象站逐时降水资料，分析了新疆夏季不同区域降水日变化基本特征，揭示出新疆夏季降水日变化呈现显著的南、北疆区域差异，有别于我国中东部的一些新事实。结果显示：北疆降水量日变化呈现准单峰型特征，峰值主要发生在傍晚前后（16：00-20：00，地方时，下同）；南疆降水量日变化呈现三峰特征，峰值分别出现在傍晚（17：00-18：00）、午夜后（00：00-01：00）和上午（10：00）。新疆夏季降水事件以6 h以内的短历时性质为主（平均为85%，比例明显高于我国中东部），而持续12 h以上的较长历时降水事件偶有发生；在天山东麓以外的新疆绝大部分地区，6 h以内短历时降水事件对总降水量的贡献率达54%，高于我国中东部地区。新疆西部和北疆北部降水量日变化主峰的贡献者是2~3 h短持续性降水为主的事件；而天山中-东部降水量日变化峰值则是来自于12 h内各不同持续时间降水事件的大致均等贡献。
2017, 28(1): 86-97.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170108
摘要:
应用福建、广东、广西243个气象站1961-2012年逐日降水资料，构建华南前汛期暴雨强度指数，揭示了前汛期持续性暴雨年代际变化特征及其可能机理。研究表明：前汛期持续性暴雨经历了多发（1961-1972年）-少发（1973-1991年）-多发（1992-2012年）3个阶段，目前仍处于多发期，具有持续时间较长且强度增强的特点；由于前汛期降水的低频振荡受热带低频信号北传的调制，因此，导致这种显著年代际变化的可能成因是热带低频信号北传的周期和强度的年代际差异，当热带低频信号北传至华南时低频周期长（短）且强度强（弱），则前汛期易出现持续时间长（短）且强度强（弱）的持续性暴雨。
应用福建、广东、广西243个气象站1961-2012年逐日降水资料，构建华南前汛期暴雨强度指数，揭示了前汛期持续性暴雨年代际变化特征及其可能机理。研究表明：前汛期持续性暴雨经历了多发（1961-1972年）-少发（1973-1991年）-多发（1992-2012年）3个阶段，目前仍处于多发期，具有持续时间较长且强度增强的特点；由于前汛期降水的低频振荡受热带低频信号北传的调制，因此，导致这种显著年代际变化的可能成因是热带低频信号北传的周期和强度的年代际差异，当热带低频信号北传至华南时低频周期长（短）且强度强（弱），则前汛期易出现持续时间长（短）且强度强（弱）的持续性暴雨。
2017, 28(1): 98-108.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170109
摘要:
利用中国科学院西北生态环境资源研究院玛曲土壤温湿观测网2008-2009年、2013-2014年数据验证了3套再分析资料ERA-Interim，CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）和JRA-55（Japanese 55-year Reanalysis）在黄河源区的适用性，结合中国气象数据网玛曲气象站1980-2014年观测资料与CLM4.5（Community Land Model 4.5）进一步分析了黄河源区近35年气候变迁、土壤温湿分布和变化，结果表明：CFSR能够较好地描绘黄河源区土壤湿度变化，ERA-Interim对于土壤温度刻画能力更强，JRA-55效果较差；35年来气温、土壤温湿总体呈上升趋势且发生突变；近年来10 cm土壤温湿有暖干化趋势，降水量稍有增加，土壤冷季冻结周期变短，暖季持续时间拉长；CLM4.5模拟精度高，能够较好地刻画源区土壤温湿变化细节，两湖及黄河周边暖季为冷湿中心，冷季为暖干中心。
利用中国科学院西北生态环境资源研究院玛曲土壤温湿观测网2008-2009年、2013-2014年数据验证了3套再分析资料ERA-Interim，CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）和JRA-55（Japanese 55-year Reanalysis）在黄河源区的适用性，结合中国气象数据网玛曲气象站1980-2014年观测资料与CLM4.5（Community Land Model 4.5）进一步分析了黄河源区近35年气候变迁、土壤温湿分布和变化，结果表明：CFSR能够较好地描绘黄河源区土壤湿度变化，ERA-Interim对于土壤温度刻画能力更强，JRA-55效果较差；35年来气温、土壤温湿总体呈上升趋势且发生突变；近年来10 cm土壤温湿有暖干化趋势，降水量稍有增加，土壤冷季冻结周期变短，暖季持续时间拉长；CLM4.5模拟精度高，能够较好地刻画源区土壤温湿变化细节，两湖及黄河周边暖季为冷湿中心，冷季为暖干中心。
2017, 28(1): 109-118.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170110
摘要:
使用INCA（Integrated Nowcasting through Comprehensive Analysis）多源资料融合分析和短临外推预报系统的预报结果作为气象强迫场，驱动一路面温度理论预报模型（Model of the Environment and Temperature of Roads，METRo），开展江苏省高速公路夏季路面高温预报试验，并使用公路沿线逐小时的路面温度观测资料对预报结果进行检验。结果表明：该预报方法能够较好地预报出高速公路沿线日最高路面温度的逐日变化趋势，以及日最高路面温度的大范围空间分布特征。平均日最高路面温度预报绝对偏差为4.1℃，平均相对偏差为10.8%。其中，日最高路面温度预报绝对偏差在5℃以内的站次占总数的64.5%，相对偏差在15%以内的站次占总数的74.6%，比常规业务预报方法分别提高了23.1%和25.3%。但该预报方法对较小的温度波动以及局地性较强的极端温度分布特征的预报技巧还需进一步提高。
使用INCA（Integrated Nowcasting through Comprehensive Analysis）多源资料融合分析和短临外推预报系统的预报结果作为气象强迫场，驱动一路面温度理论预报模型（Model of the Environment and Temperature of Roads，METRo），开展江苏省高速公路夏季路面高温预报试验，并使用公路沿线逐小时的路面温度观测资料对预报结果进行检验。结果表明：该预报方法能够较好地预报出高速公路沿线日最高路面温度的逐日变化趋势，以及日最高路面温度的大范围空间分布特征。平均日最高路面温度预报绝对偏差为4.1℃，平均相对偏差为10.8%。其中，日最高路面温度预报绝对偏差在5℃以内的站次占总数的64.5%，相对偏差在15%以内的站次占总数的74.6%，比常规业务预报方法分别提高了23.1%和25.3%。但该预报方法对较小的温度波动以及局地性较强的极端温度分布特征的预报技巧还需进一步提高。
2017, 28(1): 119-128.
DOI: 10.11898/1001-7313.20170111
摘要:
阵风特性研究是大风预报和服务的基础。基于2011-2013年浙江省自动气象站逐日逐10 min测风资料，分析了浙江省陆地和近海海面冷空气、热带气旋和强对流大风的阵风系数特征。结果表明：冷空气和热带气旋大风阵风系数空间分布基本相同，大风主要发生在近海海面和沿海地区，海面阵风系数一般小于1.5，等值线平行于海岸线且自西向东逐渐减小，陆地阵风系数一般大于2.0，山区可超过3.0，表现出地形对阵风系数的增强作用。强对流大风阵风系数明显高于业务规范平均值，发生地点遍及浙江省各地，但发生概率超过10%的站点主要位于沿海地区和近海海面。风向基本不影响阵风系数空间分布。冷空气和热带气旋站点阵风系数与海拔高度有较高正相关性。模糊聚类分析发现：浙江省400 m以上山区站与70 m以下的低海拔站点在阵风系数特征上分属不同空间类型；基于逐步回归建立站点阵风系数预报模型，检验表明：模糊聚类可帮助提高模型阵风系数预报能力。
阵风特性研究是大风预报和服务的基础。基于2011-2013年浙江省自动气象站逐日逐10 min测风资料，分析了浙江省陆地和近海海面冷空气、热带气旋和强对流大风的阵风系数特征。结果表明：冷空气和热带气旋大风阵风系数空间分布基本相同，大风主要发生在近海海面和沿海地区，海面阵风系数一般小于1.5，等值线平行于海岸线且自西向东逐渐减小，陆地阵风系数一般大于2.0，山区可超过3.0，表现出地形对阵风系数的增强作用。强对流大风阵风系数明显高于业务规范平均值，发生地点遍及浙江省各地，但发生概率超过10%的站点主要位于沿海地区和近海海面。风向基本不影响阵风系数空间分布。冷空气和热带气旋站点阵风系数与海拔高度有较高正相关性。模糊聚类分析发现：浙江省400 m以上山区站与70 m以下的低海拔站点在阵风系数特征上分属不同空间类型；基于逐步回归建立站点阵风系数预报模型，检验表明：模糊聚类可帮助提高模型阵风系数预报能力。
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