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• 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。

• 1804号台风Ewiniar非对称降水及动热力结构演变特征分析
• 周芯玉,程正泉,涂静,肖婷,高晓荣

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  摘要

  2020-07-20

• 摘要：1804号台风Ewiniar第二次登陆广东过程中降水表现出显著的非对称分布特征，强降水主要位于其路径右侧。利用欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料、广东风廓线雷达观测资料以及实况降水观测资料，对造成非对称降水的环流背景和动热力结构演变特征进行了分析。结果表明：Ewiniar左右两侧水汽输送及动力、热力条件差异是造成非对称降水的主要原因。加强的低空急流以及1805号台风Maliksi水汽的输送为台风右侧强降水的产生提供了更好的水汽背景，而低空急流的加强配合高空强的辐散抽吸使得右侧垂直上升运动也明显大于左侧。边界层内，强盛的低空急流以及珠三角地区下垫面强摩擦辐合作用导致Ewiniar右前侧径向入流强度更强、强入流层厚度更厚、边界层高度更高，且由于距离台风眼墙越近风速越大，上述现象表现得越明显，从而为强降水的产生提供了更好的动力和水汽条件。强降水期间Ewiniar右侧低层大气持续维持不稳定状态，分析表明强低空急流携带的θse平流以及其随高度的减弱弥补了强降水造成的能量损耗，是不稳定能量维持的重要原因。

• 淮河流域能量和水分循环研究进展
• 丁一汇,胡雯

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  摘要

  2020-07-14

• 摘要：1998年和1999年夏中国和日本科学家合作在安徽淮河流域进行了第一次大规模的能量与水循环试验(WCRP/GEWEX/GAME/HUBEX),其重点是研究东亚梅雨锋系的多尺度,多系统的结构、特征、生命史、发生发展机理及其引起洪涝灾害的原因。这是第一次中日合作的气象与水文联合观测试验,在此加强观测的基础上,双方进一步进行了长达5年的资料整理分析和科学研究工作,整个HUBEX试验与研究取得了全面和丰硕的成果。本文将介绍该计划所取得的主要成果,并以现在科学进展的视野重新评估了这些成果的科学意义和不足,

• 淮河流域能量和水分循环观测系统
• 胡雯,郑淋淋

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  摘要

  2020-07-13

• 摘要：淮河流域是我国南北气候重要的过渡带，气象灾害频繁发生。这里水网、农田、丘陵、山地、城镇密布，地气作用复杂，干冷与暖湿空气时常交汇与此，造成局地或流域旱涝时常发生，因此淮河流域是研究能量和水分循环的理想试验场。由北京大学赵柏林院士主持的国家自然科学基金重大项目“淮河流域能量与水分循环试验和研究（HUaihe river Basin Experiment, 简称HUBEX）”，于1998年1999年夏在淮河流域开展了气象和水文联合观测试验。本文首先回顾了该试验期间使用观测仪器及其功能、观测系统运行状况，并总结了这些仪器发挥的作用。文章还总结了HUBEX后续观测系统的发展，如增设仪器及发挥的作用，还介绍了观测数据及应用。文章最后对淮河流域能量和水分循环观测系统在推动区域天气预报中发展的作用。

• 背景误差水平相关结构对四维变分资料同化的影响研究
• 龚建东,张林,王金成

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  摘要

  2020-07-13

• 摘要：[目的]本文考察GRAPES全球4D-Var的分析增量在谱空间的时间演变特征，分析当同化时间窗起始时刻与终止时刻背景误差水平相关特征明显不一致时，对分析与预报造成的影响。[资料和方法]对GRAPES全球4D-Var的背景误差水平相关采用二阶自回归模型SOAR、集合资料同化生成扰动样本估计的水平相关模型、以及基于这两者的背景误差谱空间融合模型进行比较。[结果]结果表明SOAR模型的分析增量在20波以上的天气尺度波动的分析信息明显不足，而将集合资料同化样本所计算的水平相关的功率谱方差与SOAR功率谱方差进行融合，水平相关特征呈现出多尺度水平相关的特点，可以更好的吸纳观测信息，显著改善北半球形势场、温度与风场预报效果，南半球也有改善，对赤道地区的影响中性。[结论]表明本文发展的融合水平相关方案具有合理性和实用性。

• 一次强雹云结构的双多普勒雷达观测分析
• 王建恒,陈瑞敏

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  摘要

  2020-07-13

• 摘要：利用“太行山东麓人工增雨防雹作业技术试验示范”项目试验区内石家庄SA多普勒天气雷达资料和饶阳X波段双偏振雷达探测资料，结合常规综合观测资料，对2018年6月13日下午发生于太行山东麓的雹云的天气背景、降雹特征、雷达回波演变特征及回波三维立体结构进行了综合分析，进而重点利用双多普勒雷达径向速度资料反演出格点的全风速(流场)，并结合回波特征分析了雹云云体结构。结果显示，高空强劲的偏北风急流促使涡后横槽转竖，槽后冷空气沿偏北气流南下，形成上干冷、下暖湿的不稳定层结，在低空低涡附近及地面辐合线上发展造成这次风雹天气；双多普勒雷达实测风场表明，实例雹云的中层强回波中心，呈明显的“S”形水平流场和悬挂回波配置特征，构成了具有成雹的“零线”结构；不仅用实测雹云单体三维结构佐证了雹云降雹 “零线”结构的存在，而且验证其呈现形式可具有多样性。

• 中国近30年有/无大气河伴随的登陆台风气候学特征对比分析
• 陈红专,叶成志

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  摘要

  2020-07-02

• 摘要：利用JRA55再分析资料和近30年台风资料，采用动态合成分析方法对1986年～2015年有无大气河伴随的登陆台风大尺度环流和水汽场特征进行了合成分析，以探讨大气河对登陆台风维持和衰减的影响，主要结论如下：30年内登陆我国大陆的台风中，有大气河伴随和无大气河伴随的台风大约各占50%，平均陆上维持时间前者（38 h）长于后者（22.5 h）。有大气河伴随的台风登陆后，台风与副高之间等高线密集，台风在中纬度槽前移动过程中有逐渐向斜压锋区靠近的趋势，而无大气河伴随的台风登陆后，台风与副高之间等高线稀疏，也无长波槽靠近；有大气河伴随的台风登陆后，仍然与西南风低空急流和超低空急流水汽输送通道相连，台风涡施区大风核伸展高度高，而无大气河伴随的台风登陆后与强水汽通道断开；登陆台风是水汽汇的一个高值中心，夏季印度季风环流和南海夏季风是向台风输送水汽的主要通道。有大气河伴随的台风，水汽输送的大小和辐合的强度明显大于无大气河伴随的台风，且其水汽辐合呈准对称结构，而无大气河伴随的台风其水汽辐合呈不对称结构，北侧的偏冷性强水汽输送会加速台风的填塞；有大气河伴随的台风登陆后，其南边界一直维持较强的水汽输送，台风区域总的水汽收入减小缓慢，而无大气河伴随的台风登陆后，台风区域的总的水汽收入迅速减小；从垂直分布来看，有大气河伴随的台风在登陆后48小时内，其低层气旋式环流结构较完整，四个边界均有净的水汽输入，随着高度增加，结构趋于松散。而无大气河伴随的台风在登陆24小时后其气旋式环流结构已不完整。

• 基于机器学习的复杂地形下短期数值天气预报误差分析与订正?
• 任萍,陈明轩

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  摘要

  2020-07-01

• 摘要：本文初步研发了一套基于机器学习方法XGBoost且考虑地形特征影响的数值预报多模式集成技术，并与传统的等权重平均和线性回归方法的集成效果进行了对比分析。利用北京地区快速更新循环数值预报系统每天8次循环预报给出的近地面2-m温度、2-m相对湿度、10-m风速、10-m风向数据产品，分别基于机器学习方法XGBoost、等权重平均方法、线性回归方法构建了三种体现地形因子影响的多模式预报时间滞后集成模型。试验对比分析了暖季、冷季每日不同时刻的模式预报集成订正效果。研究结果表明：分季节试验中，基于XGBoost的模型对2-m温度、10-m全风速的集成预报结果相对与原始最优预报结果误差，明显优于其他两种传统方法。XGBoost对2-m温度集成的误差可降低11.02—18.09%，对10-m全风速集成误差可降低31.23—33.22%，对10-m风向集成误差可降低4.1—8.23%。而2-m相对湿度的集成预报误差与传统方法接近。整体来看，研发的基于XGBoost的多模式集成预报模型可以充分“挖掘”不同模式或不同时刻快速更新循环预报的优点，有效减少模式的系统性误差，并提供准确性更高的多模式集成确定性预报产品。

• 高性能机载云粒子成像仪研制及应用
• 郭学良

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  摘要

  2020-07-01

• 摘要：机载云粒子成像仪是目前直接观测云中粒子谱分布和形状特征的关键科学仪器设备，在云物理结构探测、遥感反演验证、数值模式云物理过程改进和人工影响天气等领域具有重要作用，因此针对现有进口仪器的不足，不断开发更高性能的云粒子探测仪器十分重要。本文介绍了2011启动的国产机载云粒子成像仪设备的研制情况、测量原理、主要性能指标、标定方法和观测试验应用结果。经过多年的反复试验，解决和显著改进了激光光束匀化、弱信号探测、多路并行处理及微粒消衍射等关键技术，从而提高了探测器像元的光功率均匀性和一致性，使光斑区域内平均光功率密度提高约3倍，从而改进了粒子成像能力。采用更高分辨率国产光电线阵探测器，测量响应时间明显减小，对小云粒子的探测能力明显提高。该研制仪器通过了一系列仪器基础参数测试、系统优化、环境适应性实验和累计60多架次的飞行测试。对2018年11月5日进行的两架次对比探测结果的初步分析表明，新研制的云粒子成像仪对小粒子端云粒子浓度的测量精度较原来进口仪器提高了一个量级左右，测量数据起伏更小，稳定性更高，并且可正确获得更加清晰可靠的云粒子形态特征。

• 基于激光云高仪反演全天边界层高度的二次曲线拟合法的建立
• 蔡嘉仪,苗世光,李炬,潘昱冰,权建农,程志刚

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  摘要

  2020-05-15

• 摘要：大气边界层高度是天气、气候、大气环境研究中的一个重要参数，然而尚缺少基于激光雷达探测系统反演全天边界层高度的有效方法。本文利用北京朝阳站、大兴站的激光云高仪数据，首先评估了梯度法、标准偏差法、曲线拟合法和小波协方差法反演边界层高度的适用性和局限性，发现梯度法容易受环境噪声的影响，曲线拟合法稳定性较好，但在夜间弱湍流条件下会将残留层高度误判为夜间边界层高度。在此基础上，本文提出二次曲线拟合法，将一天中边界层结构划分为白天的对流边界层、夜间的残留层和稳定边界层，通过用不同的理想曲线对其进行二次拟合，获取一天中边界层高度的连续变化。将二次曲线拟合法的反演结果与基于L波段探空雷达的位温梯度法的探测结果进行比较，结果表明:两者相关系数为0.91，验证了二次曲线拟合法的可行性与激光云高仪探测边界层高度的应用潜力。采用该方法反演2017年5月—6月朝阳站与大兴站边界层高度，对比发现:城区特殊的下垫面性质使朝阳站日间对流边界层发展更早，边界层高度更高，全天朝阳站边界层高度的变化范围在308m—1391m，大兴站在197m—1302m。

• 基于梯度提升树的大气分层透过率快速计算方法
• 梁红丽,张鹏,陈林,马刚,白文广,漆成莉

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  摘要

  2020-05-15

• 摘要：大气透过率的计算是红外辐射传输计算的核心，RTTOV（Radiative Transfer for TOVS）通过建立大气廓线中温度、水汽、臭氧和其他气体浓度等参数和卫星通道透过率的统计关系，可实现卫星通道透过率和大气顶辐射率的快速准确计算。但在一些复杂吸收波段，如水汽波段，RTTOV的计算误差较大。为提高RTTOV在水汽敏感波段的计算精度，本研究利用机器学习中的梯度提升树（Gradient Boosting Tree，GBT）方法，选取从ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的IFS-137（The Integrated Forecast System, 137-level-profile）水汽廓线集中挑选的1406条廓线和由此计算的透过率真值作为样本，选取风云三号卫星上搭载的红外分光计（InfraRed Atmospheric Sounder, IRAS）通道12（7.33μm）进行了个例研究，分别建立了陆地和海洋晴空大气等压面至大气顶透过率和大气顶亮温的快速计算模型（GBT模型）。通过和透过率、亮温真值的比较，验证了GBT模型。比较的结果显示，GBT模型预测的透过率平均绝对误差（Mean Absolute Error, MAE）为：陆地0.0012，海洋0.0009，均方对数误差（Mean Squared Logarithmic Error, MSLE）为：陆地0.0215，海洋0.0095，均小于RTTOV直接计算的透过率的误差（陆地、海洋的MAE分别小0.0008和0.0010，MSLE分别小0.0135和0.0227）；由GBT模型计算的亮温MAE分别为：陆地0.0949K，海洋0.0634K，均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）分别为：陆地0.1352K，海洋0.0831K，也都小于RTTOV直接模拟的晴空亮温误差（陆地、海洋的MAE分别小0.1685K和0.1466K，RMSE分别小0.1794K和0.1685K）本研究的结果表明，机器学习方法有提高水汽波段透过率和亮温计算精度的潜力，或可为辐射传输的快速计算提供可行的替代方法。

• SACOL站冰云粒子下降末速度的反演及其时空分布特征的研究
• 李旭岗,苏婧,王晨,胡晓宇,汪美华,葛觐铭

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  摘要

  2020-05-15

• 摘要：冰云是影响气候变化最为重要的因子之一,其生命周期的变化在很大程度上决定了冰云的气候辐射效应。冰云粒子下降末速度是影响冰云生命周期的关键参数。本文利用兰州大学半干旱气候与环境监测站Ka波段毫米波云雷达2013年8月到2015年7月连续观测数据,反演了冰云粒子的下降末速度,并根据雷达反射率因子Z与的关系计算了拟合因子a、b的值；在此基础上应用聚类分析方法,对比分析了四种不同特性冰云Z、和拟合因子a、b的时空分布特征,进而尝试通过参数垂直分布特征识别研究云中不同位置上云微物理过程的变化。结果表明：冰云粒子下降末速度的分布与雷达反射率因子有着很好的对应,最大频率都出现在距离地面约7km附近,且具有显著的季节变化,粒子下降末速度在暖季较冷季可增大25%,峰值出现在6月和9月；云层较厚且持续时间长的第一、三类冰云,其雷达反射率因子、粒子下降末速度及拟合系数a和b的平均值都显著大于云层较薄且持续时间短的第二、四类云。垂直方向上,Z和拟合因子b从云顶到云底随着高度的降低呈现先增大后减小的趋势,体现了云粒子在云顶区域成核和水汽沉积,随着粒子在下落过程中碰并增长,云滴粒子逐渐增大,水汽的沉积和粒子的聚合起主要作用,最后在云底部分,云粒子蒸发升华减小消亡的过程。由此表明中纬度干旱半干旱地区冰云是从云顶到云底自上而下的形成过程。

• 不同观测误差确定方法对地基GNSS-ZTD资料同化预报效果影响的对比分析
• 公颖,周晓珊

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  摘要

  2020-05-15

• 摘要：利用2016年6～8月华北～东北地区的地基GNSS-ZTD观测资料、东北区域中尺度数值预报系统，以2016年6～8月时段内13天的强降水为例，开展了基于Desroziers等（2005）理论的Des方法和传统方法进行观测误差确定的ZTD资料同化对比试验研究，探讨Des方法相对于传统观测误差确定方法对ZTD资料同化预报效果的影响，并以未做ZTD资料同化的试验为对照试验（以下称Ctl试验），考察ZTD资料在数值模式中的同化应用效果，结果表明：（1）Des方法得到的ZTD观测误差诊断值较为合理,诊断值站点间差别较大，说明逐站进行观测误差统计的必要性。（2）ZTD资料同化使强降水的强度、落区预报性能获得提高，使温、湿、风等要素的预报向观测靠近，Des方案预报效果优于传统方案。（3）对2016年7月25日华北～东北强降水过程进行了分析，整体而言，ZTD资料同化有效增强了对流层中低层初始湿度场，修正了积分初期水凝物含量与位置，进而改善了降水预报效果，修正了Ctl试验对辽宁东部地区强降水的明显漏报,且通过降水的反馈作用改进了温度与风场预报效果。

• 华北地区持续性极端暴雨过程的分类特征
• 周璇,孙继松,张琳娜,陈官军

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  摘要

  2020-05-15

• 摘要：摘 要 [资料和方法]利用1960-2015年日降水资料，本文筛选出华北地区56次极端暴雨过程。基于距平相关系数的客观聚类分析方法和天气学检验，将它们进行分类，并使用NCEP(2.50x2.50)再分析资进行分类合成，[目的]对比分析不同环流背景下华北持续性极端暴雨过程的基本特征。[结果和结论]结果表明，这些极端暴雨事件按照环流背景可分为经向型、纬向型、减弱的登陆热带气旋型和初夏型四类。它们一般都与不同天气系统配置结构下的锋面动力学过程有关，由于锋面结构特征、环境大气层结状态以及与低空急流有关的暖湿输送通道和强度不同，造成不同环流特征背景下，暴雨日的高频站点与过程平均累计降水量在空间分布上的关系存在差异。（1）纬向型持续性暴雨对应的锋区强度显著强于经向型暴雨，但是其对应的层结稳定度与整个夏季状态相当（），而经向型暴雨存在弱的层结不稳定异常，这表明，纬向型持续性暴雨的对流活动一般不如经向型剧烈，持续性锋面降水特征更清晰，造成站点上日降水量超过50mm的最大频次明显低于经向型暴雨过程，但是过程累计平均最大降雨量却比经向型更大。（2）从水汽输送通道来看，源于西太平洋副热带高压南侧的水汽通道只在纬向型环流主导下的华北持续性区域极端暴雨过程中起由主导作用。初夏极端暴雨以及减弱的登陆热带气旋与西风带系统相互作用造成的华北极端暴雨过程中，活跃的印度季风造成25°N以南异常强盛的纬向型低空西南气流携带充沛的水汽，穿过中南半岛后以西南低空急流或者通过减弱的登陆热带气旋“中转”，是这两类暴雨区的主要水汽供应源；经向型环流背景下的水汽输送也与这支源于青藏高原南侧的西风气流异常有关。这可能是华北地区夏季降水与印度季风降水的相关性显著强于我国东部其他地区的主要原因；（3）减弱的登陆热带气旋与西风带系统相互作用造成的华北极端暴雨过程同样属于经向型环流主导下的暴雨过程，但是，更充沛的水汽输送、更强的上升运动和更深厚的不稳定大气层结状态是它比一般的经向型环流背景下的华北暴雨强度更大的直接原因；此外，中高纬度弱冷空气侵入对减弱的登陆热带气旋顶部形成持续性区域极端暴雨过程是非常重要的。

• 基于FY-3C MWRI的海表温度产品偏差订正方法研究
• 廖志宏,徐宾,张雷,师春香,周自江

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  摘要

  2020-04-28

• 摘要：本文提出一种针对FY-3C MWRI的海表温度（Sea Surface Temperature，SST）产品的分段回归（Piece-Wise Regression，PWR）偏差订正方法，该方法通过引进气候态SST数据，建立与关联实测SST相匹配的回归模型，并通过对模型中关联变量的误差分析，选择最优样本进行分段回归，以实现对SST数据的重新估计。通过对MWRI SST数据的偏差订正试验表明，采用PWR方法获得的订正结果无论在误差指标的空间分布还是时间序列上，都要明显优于采用传统概率密度函数（Probability Density Function，PDF）偏差订正方法的结果。其中，采用PWR方法订正后的SST产品误差标准差（SD）和均方根误差（RMSE）值从订正前的0.9℃~1.0℃，减小到0.6℃以下，而采用PDF方法获得相应的订正误差仅为0.8℃左右，订正效果得到了明显改善。

• 东北亚和北半球冬季高空切断冷涡与中国极端低温事件的联系
• 石晨

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  摘要

  2020-04-20

• 摘要：[资料和方法] 利用NCEP/NCAR再分析资料和CPC冬季逐日温度资料，通过机器自动识别和目视相结合的方法，研究了北半球冬季500hPa冷涡分布特征，并基于线性相关和信息流因果论方法，[目的] 揭示了东北亚冷涡活动与北半球其它活动区冷涡以及中国冬季极端低温事件的联系。[结果] 根据冷涡活动天数随经度的变化，划分了四个活动频繁区，发现北半球冬季冷涡活动频率从大到小分别为大西洋-欧洲区（37.7%）、北太平洋区（22.35%）、东北亚区（20.95%）和北美-格陵兰区（13.77%）。北美-格陵兰区冷涡平均中心强度最强（493gpm），大西洋-欧洲区最弱（514gpm）。东北亚区冷涡活动具有相对独立性，唯有1月北美-格陵兰区冷涡活动天数是2月东北亚冷涡动天数年际变化的不稳定影响源。冷涡强年的动力学特征分析表明，东北亚区和北美-格陵兰区冷涡与NAO正位相密切相联，北太平洋区冷涡则与NPO正位相相联系，大西洋-欧洲区冷涡则对应于NAO和NPO负位相。东北亚冷涡与中国极端低温联系密切，1979-2017年冬季中国发生50次极端冷事件，其中有40次与东北亚冷涡活动有关。

• GRAPES区域扰动预报模式动力框架的科学设计及检验
• 冯业荣,薛纪善,陈德辉,吴凯昕

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  摘要

  2020-04-10

• 摘要：文章设计建立了适用于4D-Var四维变分同化系统的扰动预报模式GRAPES_PF，即在地形追随坐标非静力原始方程组基础上，采用小扰动分离方法推导了微分形式的线性扰动预报方程组，并利用与GRAPES非线性模式相似的数值求解方案求解线性扰动微分方程组。在设计扰动预报模式时，采用两个时间层半隐式半拉格朗日方案对动量方程、热力学方程、水汽方程和连续方程进行时间差分，空间差分方案的变量分布水平方向采用Arakawa C跳点网格，垂直方向采用Charney/Phillips跳层。利用代数消元法进一步推导得到只包含未来时刻扰动气压Π''的Helmholtz方程，进而通过广义共轭余差法（GCR）求解，在此基础上得到未来时刻扰动量的预报值。基于所开发的扰动模式开展了数值试验，首先在非线性模式中施加一个初始扰动高压，得到初始扰动在非线性模式中的后续演变，然后将相同的初始扰动作为扰动模式的初值进行时间积分，将扰动模式预报的结果与非线性模式的结果进行对比。检验结果表明，本文开发的扰动模式GRAPES_PF较好地模拟了惯性重力内波的传播过程，与非线性模式得到的结果非常接近；初始高压扰动激发了一个迅速向外传播的惯性重力内波，在气压场向风场适应的过程中，水平风场、垂直运动、位温和湿度等变量均出现了扰动增量。线性扰动预报模式GRAPES_PF为将要建立的基于GRAPES区域模式的4D-Var同化系统奠定了重要科学基础。

• 线性准地转模型中基本流和辐射冷却对感热加热强迫的副热带高压形态的影响
• 张亚妮

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  摘要

  2020-04-10

• 摘要：本文通过求取定常线性准地转位涡模式的数值解,研究了感热型垂直非均匀分布的冷、热源强迫所激发的副热带环流的结构特征,讨论了副热带背景风场和洋面辐射冷却对洋面副热带高压‘三角形偏心’结构形成的重要作用。结果表明,基本流对感热加热强迫的副热带环流有重要影响,当基本流为常数时,感热加热强迫的气旋和反气旋主要集中在对流层中下层,且地面系统远强于中高层。当基本流为非常数时,其径向切变能改变气旋和反气旋中心的径向位置,大约位于零风速所在纬度附近；其垂直变化加强了中高层气旋和反气旋,且高层反气旋强于地面反气旋,中心位于对流层上层,与南亚高压的位置基本一致。研究结果还表明,在大洋东部洋面辐射冷却与副热带地区背景风场的共同作用下,形成了洋面副热带高压特有的‘三角形偏心’结构。副热带高纬的西风使感热强迫的洋面副热带高压东移,低纬的东风使其西移,形成东北-西南走向的‘平行四边形’结构,且中心位于大洋西部。大洋东部强洋面辐射冷却激发的洋面反气旋加强了大洋东部的副热带高压,使其中心东移至大洋东部,从而表现出东北-西南走向的‘三角形偏心’结构。

• 全球非静力GRAPES_YY阴阳网格模式发展及其对梅雨锋降水模拟的性能检验
• 赵益帆,李晓涵,彭新东

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  摘要

  2020-04-03

• 摘要：[背景]GRAPES_YY是在球面准均匀阴阳网格动力框架基础上发展起来的全球非静力模式，已安装全套物理过程参数化方案，具备了中期天气预报能力。为检验模式性能，[资料和方法]以ERA-interim资料和逐小时地面融合降水产品为参考，对一个月（2018年6月中旬~7月中旬）批量试验在全球范围的环流和降水进行分析，并着重对7月4~7日发生在中国东部的一次梅雨天气过程进行分析，[目的]以期了解模式对多尺度天气系统的预报能力和误差分布特征。[结果]结果表明模式在改进上边界条件基础上有较好的稳定性，短期预报时效内对全球环流和降水刻画都较准确，模式24 h累积降水纬向平均成功再现了低纬和中纬的两个降水峰值，但对低纬对流性降水和中纬格点尺度降水预报偏强。模式成功模拟出7月4~6日中国东部梅雨雨带位置、走向及南北摆动，但对暴雨以上量级降水中心存在预报偏弱、位置偏北的问题。[结论]随预报时效延长，主要天气系统和湿度场由于湿物理过程影响偏差增大，但模拟结果整体上能正确反映主要天气系统的移动演变和降水分布。

• 微物理过程参数化方案对辽宁一次暴雪的数值模拟差异分析
• 滕方达,李得勤

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  摘要

  2020-04-03

• 摘要：利用WRFV3.9.1中尺度数值模式，采用Lin、WSM6、Thompson、WDM6四种微物理过程参数化方案对2007年3月4日辽宁特大暴雪过程进行了数值模拟研究。使用61个国家站降水观测资料，评估了模式对此次过程降水的模拟能力，对比分析了不同微物理过程参数化方案对降雪过程中相态变化和水成物空间分布的差异。结果表明：四种微物理参数化方案均能模拟出与CloudSat卫星反演反射率分布相接近的结果，其中Thompson方案模拟的回波顶更高，向北伸展的范围也更大，其他三种方案回波顶高均在8km附近。四种方案对降水落区的模拟略有差异，整体来看WSM6方案对本次降水的极值中心位置，以及不同降水量级的TS评分整体都优于其他三种微物理参数化方案。降水相态模拟与观测的对比分析发现，WSM6、Lin和WDM6三种方案均能够模拟出雨雪分界线不断南压的过程且雨雪分界线位置准确，而Thompson方案对辽宁南部地区雨转雪时间模拟偏晚。从云微物理特征上看，四种方案均能模拟出大气低层存在的雨水粒子，其中WDM6方案模拟的雨水含量明显较其他三种方案更多，Thompson方案模拟出更多的雪粒子和最少的霰粒子，Lin方案霰粒子南北范围广、伸展高度高，WSM6和WDM6两种方案模拟出较少的霰粒子，这两种方案模拟的云冰高度也更低，正是各种水成物空间分布的差异决定了不同微物理过程参数化方案对降水量和降水相态模拟的差异。

• 江淮梅雨季节亚洲阻塞高压活动统计特征
• 孙晓晴,金荣花,肖天贵,杨宁,魏薇

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  摘要

  2020-03-27

• 摘要：[资料和方法]此文利用1960—2018年6—7月NCEP/NCAR逐日再分析资料和同期中国国家站日降水量资料，[目的]对江淮梅雨季节亚洲地区阻塞高压活动地理分布、关键区阻塞高压事件活动频次、生命周期以及年际和年代际变化，及其与江淮梅雨异常之间关系进行了系统的分析。[结果][结论]结果表明：（1）近59年江淮梅雨季节（6—7月），亚洲阻塞高压事件共计363次，其中心主要分布在乌拉尔山区域（40—80°E）、贝加尔湖区域（80—120°E）和鄂霍茨克海区域（120—160°E）三个关键区。（2）三个关键区阻塞高压事件的次数和累积日数由高到低依次为：鄂霍茨克海、乌拉尔山区域和贝加尔湖区域。双阻形势以乌拉尔山—鄂霍茨克海双阻居多，约占亚洲地区双阻日数的60%。阻塞事件的平均生命周期7天左右，最长维持时间为13天。（3）三个关键区总的及分区的阻塞次数和日数都有明显的年际变化，并呈增加的趋势，其中线性增加趋势最为明显的是鄂霍茨克海区域，与近59年江淮梅雨季节的累积雨量增加趋势一致。（4）江淮梅雨季节降雨量多寡与阻塞高压活动密切相关，梅雨正（负）异常年鄂霍茨克海区域、乌-鄂双阻日数和次数显著偏多（偏少），而乌拉尔山和贝加尔湖区域的阻塞高压事件与梅雨关系并不显著。（5）江淮梅雨季节，鄂霍茨克海阻高的日数多寡可能与前期海面温度异常信号ENSO有关。

• 集合预报多尺度奇异向量初值扰动方法研究
• 叶璐,刘永柱,陈静

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  摘要

  2020-03-26

• 摘要：[目的]目前国际上采用的奇异向量集合预报初值扰动法对于初值不确定性的描述存在一定的不足,为了更有效地反映初始误差的时空多尺度特性,[资料和方法]基于GRAPES全球奇异向量计算技术,计算了不同空间分辨率及不同最优时间间隔的多个尺度的奇异向量(Singular Vectors,SVs),并采用基于高斯分布的线性组合法来构造基于多尺度奇异向量的扰动初值,以代表在相空间中增长最快的多尺度初值误差模态。通过2019年1月19日的初值扰动集合预报试验,对比分析了单一尺度SVs初值扰动法与多尺度初值扰动法的扰动特征以及集合预报效果。[结果]结果表明,多尺度奇异向量初值扰动法为区域集合预报提供初始扰动场是合理的,扰动的大小随时间增长,且在空间分布上较好地反映了当前大气的斜压不稳定特征。此外,多尺度奇异向量扰动可以描述一定的大尺度以及中小尺度运动误差特征,较单一尺度奇异向量扰动,能反映出更多初始场的不确定信息。检验分析表明,GRAPES多尺度奇异向量集合预报在集合一致性、连续等级概率评分、离群值等方面有一定的优势,相比于单一尺度奇异向量法,有较好的预报技巧。[结论]因此,基于GRAPES的多尺度奇异向量初值扰动法对于集合预报的预报效果等有一定的提高,能为构建一套完善的GRAPES区域奇异向量集合预报系统提供一定的科学依据和应用基础。

• 两种微物理方案对夏季东北亚阻塞过程影响的数值模拟结果分析
• 杨旭

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  摘要

  2020-03-26

• 摘要：选用FNL再分析资料，利用中尺度模式WRF对2011年7月25日-8月3日的一次东北亚阻塞高压过程进行数值模拟试验。通过数值对比试验，讨论有冰相物质和无冰相物质的两种微物理方案对此次阻塞高压过程的强度和维持时间模拟的差异，并简要阐述原因。结果表明：中尺度模式WRF对阻塞高压过程有较好的模拟效果，有冰相物质的微物理方案模拟的阻高强度及维持时间较接近实况，整体阻塞闭合环流形式、高压中心值、中心位置、强度以及中心上下游的低压槽强度均与实况接近；无冰相物质的微物理方案模拟阻塞高压在500hPa及200hPa平均位势高度场上没有闭合的高值中心出现，500hPa阻塞高压强度弱，持续时间短，200hPa则相反。进一步研究发现，这两种差异主要由阻塞高压活动区域内的非绝热加热不同引起的，它对阻塞高压高形成的强度和维持时间具有很好的指示意义。另外，阻塞高压附近区域的微物理潜热释放对阻塞过程的强度和维持时间也有一定影响

• 江苏北部不同等级雾的微物理结构及个例分析
• 祖繁,袁成松,吴泓,王宏斌,朱毓颖,朱承瑛

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  摘要

  2020-03-20

• 摘要：[资料]利用2015年秋季、2016年冬季在江苏北部观测到12次雾过程的雾滴谱仪数据及常规气象资料，[目的]统计分析了轻雾、大雾、浓雾、强浓雾和特强浓雾等级下的微物理特征量及雾滴谱分布，并通过一次雾过程的分析，探讨了不同雾等级下的主要微物理过程。[结果和结论]结果表明：随着雾等级的提升，雾滴数浓度、含水量增长明显，而轻雾、大雾和浓雾的平均直径和最大直径差异不大，但当能见度小于200 m时，平均直径和最大直径显著提升；能见度下降时，平均数浓度谱和含水量谱的谱型均产生抬升现象，从浓雾到强浓雾，粒径大于10 μm的大雾滴增长明显；雾滴数浓度主要由小雾滴控制，雾滴含水量受大雾滴影响；东海县郊的雾滴平均含水量与南京观测结果相差不大，但雾滴数浓度仅为南京的一半左右，平均直径大约是南京的2.3倍；个例分析中，能见度从1000 m下降到50 m，液滴活化并凝结增长是主要微物理过程，但可凝结水汽是影响该过程效果的一个重要因子，可使雾滴数浓度和平均直径呈现不同的相关性；能见度降到50 m以下时，碰并过程效果显著；日出后雾滴蒸发退活化作用显现并逐步增强。

• 高阶正定守恒的中心约束多矩有限体积平流模式
• 舒谦,唐杰,陈春刚,肖锋,沈学顺,周立隆,李泽椿,朱克云,李兴良

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  摘要

  2020-03-12

• 摘要：本文采用新的均匀三点中心约束多矩有限体积方法（MCV3_UPCC: 3-point Multi-moment Constrained finite-Volume scheme for Uniform Points with Center Constraints），[目的]发展了一个三阶正定守恒的平流模式。三点多矩有限体积方法在单网格内定义等距的三个自由度，采用多矩约束条件并通过控制方程获得时间演变方程。[方法]新的三点中心约束多矩方法能在单网格内采用等距的三个点值及中心一阶、二阶导数作为约束条件进行空间四次多项式数值重构，获得三个自由度的时间演变方程；所构建的新数值方案具有三阶精度，边界通量连续性保证了其数值严格守恒。为了抑制该方法的非物理数值振荡，引入了边界保型（BP: Bound-Preserving）限制器技术，它能够把数值解控制在既定物理场最小值（最小值为零时则保持数值正定）与最大值之间。[结果和结论]数值试验表明新发展的三阶平流模式具有良好的计算精度，能够严格保持数值解的正定性和守恒性，同其他高精度平流模式相当，在实际大气模式水汽等平流输送应用中具备良好的发展潜力。

• 基于WRF模式的对流尺度边界层方案参数随机扰动方法研究
• 王璐璐,闵锦忠,刘畅

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  摘要

  2020-03-12

• 摘要：边界层(PBL)参数化方案的准确性会影响模式对近地面变量和大气低层热动力结构的模拟,这对雷暴等强对流天气的预报非常重要。但PBL方案内在的不确定性使得单一预报具有局限性。随机参数扰动（Stochastic parameter perturbation, SPP）方案是一种针对物理参数化方案中不确定的参数进行扰动的集合预报方法,从根源上表征了预报不确定性。本文借助了常用的MYNN PBL方案,使用SPP方法扰动了方案中重要的三个不确定参数,探究了该方法在对流尺度集合预报中对北京一次雷暴过程的影响。同时调整了SPP方法的3个参量(去相关时间尺度、空间尺度和格点标准差)以探究在对流尺度中对MYNN方案中参数进行扰动的最优设置。结果表明：随机扰动MYNN边界层方案参数(SPPM)的方法可以有效提高近地面变量和700hPa以下低层变量的离散度,同时提高了此次短时强降水的位置和强度预报。对三个参量的试验说明去相关时间尺度增大为12h时集合离散度有明显提高。格点标准差增大为0.20时预报技巧也略有提高。去相关空间尺度维持在默认值700km较好,尺度过小(150km)技巧有明显降低。

• 基于高分辨率高程数据统计分析新一代天气雷达组网的地形遮挡影响
• 柳云雷,李昌兴,张乐坚,文浩,王曙东

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  摘要

  2020-03-12

• 摘要：新一代天气雷达由于受到地形限制产生波束遮挡导致波束能量衰减，从而造成雷达探测回波强度偏弱、雷达定量估测降水结果失真，因此对于雷达波束遮挡情况的统计和分析是一项重要的基础研究工作。利用SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）数字高程数据对中国目前业务运行的212部新一代天气雷达波束遮挡情况进行模拟计算分析。计算结果包括雷达单站遮蔽角、VCP21模式0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°仰角波束遮挡率、混合扫描及分区混合扫描波束遮挡率，雷达单站探测范围覆盖情况；计算并绘制全国天气雷达组网遮挡率拼图，统计全国天气雷达组网遮挡情况；利用2019年8月广东省11部天气雷达基数据对比验证单站及组网遮挡计算结果。结果表明雷达组网探测面积覆盖率超过70%，整体覆盖效果较好，遮挡计算结果与实际数据对比验证结果高度一致，对雷达数据订正、降水估测等产品具有正贡献。

• 京津冀及周边地区冬季能见度与PM2.5和环境湿度的多元回归分析
• 刘兆东,王宏,沈新勇,彭玥,施义舍

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  摘要

  2020-03-10

• 摘要：2013年至今，我国冬季与雾霾相伴的低能见度事件频发，京津冀及周边地区尤为严重。PM2.5浓度与环境湿度是导致低能见度的最关键影响因素。[目的]为了深入研究PM2.5浓度与环境湿度对大气能见度的影响，[资料和方法]利用2017年1月京津冀及周边地区MICAPS气象数据与PM2.5观测数据，运用天气学诊断分析方法讨论了不同相对湿度下PM2.5浓度、环境湿度对冬季能见度变化的相对贡献，按照地理环境与污染程度差异将京津冀及周边地区划分为北京-天津地区与河北-山东地区，建立了PM2.5浓度、露点温度、温度对能见度的多元回归方程，并对2015、2016、2018、2019年冬季能见度进行了回算检验。[结果和结论]研究结果显示：相对湿度低于70%、PM2.5浓度低于75μg/m3时，北京-天津地区与河北-山东地区能见度多高于10km，PM2.5浓度增加是此时能见度迅速降低的主导因素；相对湿度上升（70-85%）和PM2.5浓度增加（75-200μg/m3）的共同作用导致了能见度降低至10-5km；能见度进一步下降至5-2km则更多依赖于相对湿度的进一步升高（85-95%），PM2.5浓度与此时能见度相关性减弱；能见度降低至2km甚至更低主要是由于水汽近饱和状态下（相对湿度为95%以上）的雾滴消光，与PM2.5浓度的变化关系不大。与不分组直接拟合相比，以相对湿度85%为限，分别拟合能见度能够很大程度优化多元回归模型，相对湿度高于85%时能见度拟合值的RMSE从9.2、5.2下降至0.5、0.7，5km以下拟合能见度的误差大幅度减小。按相对湿度85%将数据分组所得的拟合方程对2015至2019年1月能见度估算结果较好，观测值与拟合值相关系数均高于0.91，为雾-霾数值预报系统提供了新的能见度参数化算法。

• 地形作用下低空急流的演变与强降水对流风暴系统的相互作用
• 黄小彦,孙继松,刘文婷

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  摘要

  2020-03-05

• 摘要：利用雷达、卫星、风廓线雷达和地面加密区域站等观测资料,分析了2016年入梅后发生在鄂东地区一次极端强降水事件的中尺度对流系统发生发展过程、结构演变及其传播特征,旨在揭示造成强降水过程中三个MCS的触发、发展维持机理以及它们之间内在的中尺度动力学关系,尤其是地形作用下的低空急流的演变与强降水对流风暴系统相互作用过程。研究表明：(1)与大多数梅雨锋上的强降水带与低空切变线平行分布不同,此次极端强降水雨带呈倾斜的n字形,其中两条主雨带近乎与低空切变线垂直；此次极端强降水分别由大别山迎风坡上西北-东南向MCS、湖北中东部平原地区西北-东南向MCS和桐柏-大洪山东侧东北-西南向MCS造成。三个MCS移动缓慢,都具有后向传播的特征。(2)大别山迎风坡上MCS初始雷暴是低空急流下边界不断向下扩展过程中在地形抬升作用下触发的,而湖北中东部平原地区的MCS和桐柏-大洪山东侧MCS的触发、发展、加强都与大别山迎风坡上MCS形成的冷池加速推进形成的出流边界与环境气流形成的强烈辐合抬升作用有关。(3)垂直于大别山的边界层西南急流对山坡上的对流冷池产生的顶托作用不仅平衡了冷池密度流产生的向下作用力,而且进一步强化了山区的辐合抬升强度,使得大别山迎风坡上强降水风暴系统得以长时间的维持和发展；当山坡上的对流冷池堆积到足够厚度,或者由于低空急流的下边界迅速抬高,这种平衡被打破,大范围的冷池俯冲下山并在平原地区快速推进,造成了湖北中东部平原地区产生大范围的雷暴大风和MCS发展加强,并沿冷池前沿逐步组织化,形成平原地区东南-西北向的强降水带。

• 江淮地区一次冰雹过程的双线偏振雷达观测分析
• 杨吉,郑媛媛

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  摘要

  2020-02-03

• 摘要：为了进一步认识冰雹和三体散射的双线偏振雷达观测特征，提高业务预警能力和奠定基于双线偏振雷达的地面降雹识别基础，利用南京双线偏振雷达观测资料，统计分析了2019年3月20日冰雹过程发展、成熟和降雹阶段的观测特征及微物理过程。结果表明：1）雹暴在成熟阶段具有高悬的强回波中心和较高的顶高，强回波中心ZDR < -0.5 dB，ρhv约为0.9，由于冰雹后向散射相位的影响，该区域KDP呈现负值，指示了该区域有冰雹存在，并被HCA方法(Park et al. 2009)正确识别；2）降雹阶段，高层反射率因子减小，强回波中心下降到地面附近，融化层以下ρhv增加，指示高层下落的冰相粒子整体尺寸减小；HCA识别到冰雹开始减少时，地面观测到降雹；3）三体散射的ZH，ρhv和（SD（ZH））概率密度分布与北美三体散射比较接近； ZDR分布更偏向于负值区域，SD（φDP）分布范围大约是北美结果的两倍。