摘要:

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摘要:集合预报方法是解决单一数值预报不确定性问题的有效手段，而针对强天气预报的中尺度区域集合预报技术已逐渐受到国内外的重视。对于区域集合预报而言，由于其不确定性来源较为复杂，如何发展有效的扰动方法是研究的热点和难点。本文根据国内外区域集合预报的研究进展，从初值扰动、模式扰动以及侧边界扰动三个方面进行了总结和回顾，并对扰动方法的发展趋势进行了介绍。对于初值扰动，较为主流的方法有动力降尺度，沿用传统的由全球集合扰动方法发展而来的技术为区域集合产生初值，以及专门为区域集合设计的扰动方法。鉴于这些方法各有利弊，目前对于初值扰动方法的研究已经开始发展充分包含大尺度和小尺度不确定性信息的混合扰动方法。区域集合预报模式扰动的研究以物理过程扰动为主，典型方法为多物理过程组合以及随机物理过程扰动，其中多物理过程组合方法简单有效，而随机物理过程扰动方法的物理意义更为明确，是物理过程扰动的趋势。通过多模式组合进行模式扰动的方法也开展了一些相关研究，且对于台风等强天气预报均显示出相对于单模式集合较好的效果。侧边界扰动的主流方法是由大尺度集合预报场来为区域集合提供不同的侧边界，研究结果表明此种侧边界扰动方法简便易行，且有助于提高区域集合预报较长预报时效离散度和预报技巧。

摘要:在中尺度WRF-EnSRF系统中最新引入的采样误差订正局地化方法不仅考虑了回归系数偏差，而且计算量较小。该方法基于状态变量和对应观测值的相关系数的分布关系，根据离线蒙特卡洛技术制作的关于集合数和样本相关系数的查找表格确定局地化系数因子，进而订正由集合数选取有限造成的背景误差协方差被低估引起的采样误差。本文利用风暴过程的雷达观测资料做了一系列风暴尺度的资料同化理想试验，探讨了采样误差订正局地化方法在风暴尺度集合卡尔曼滤波同化中的技术特点和同化效果。结果表明：相比于经验局地化方法，采样误差订正局地化方法能够有效地改善集合同化的效果，对距离的敏感度更低，尤其在天气系统发展变化较快的阶段，新方法优势更大。并且，对不同观测变量以及在风暴发展的不同阶段使用不同的局地化方法，所得的结果都存在一定的差异，因此需要根据同化对象合理地选择局地化方法。

摘要:观测资料的质量控制直接影响数值预报资料同化的分析质量。本文针对GRAPES区域同化和预报的三维变分资料同化系统，发展了基于观测误差为“高斯分布+均匀分布”模型的变分质量控制方案，讨论了该方案的初始启动和关键参数，并检验分析了其适用性与有效性。同时，以全球预报系统（GFS）资料作为背景场，利用探空、地面、船舶、飞机、云迹风等常规观测资料和COSMIC卫星反演资料进行同化和预报，分析了华南地区特大暴雨的个例试验和2013年8月共31 d的批量试验。试验结果表明：变分质量控制能够依据观测资料的不同质量对观测权重进行合理调整，对位势高度、气压、风、比湿的分析增量场和分析场改善显著，尤其在强降水区具有更加明显的效果；对降水落区、降水强度及中心位置的预报质量具有较好的提高，特别对暴雨、大暴雨等较大降水量级的预报能力反映出更好的改善效果，充分显示了变分质量控制在中小尺度剧烈天气过程中对同化分析和预报的重要作用。

摘要:基于大气模式CAM5对比分析了三套基于物理过程发展而来的冰晶核化参数化方案，包括BN方案、KL方案和CAM5自带的LP方案。针对三个方案的离线测试结果表明，由LP和BN方案计算得出的冰晶数浓度随硫酸盐溶液滴的数浓度增加而明显增加，而KL方案对硫酸盐溶液滴的数浓度不敏感；CAM5模拟结果显示，这三套方案得出的云辐射强迫、冰晶数浓度及其概率分布非常相似，基本上都接近观测。但是，使用KL方案得出的全球平均云长波辐射强迫从工业革命前到当代增加0.05 W·m^-2，明显低于LP方案的0.36 W·m^-2和BN方案的0.33 W·m^-2；由此可见，选择哪个冰晶核化参数化方案不会明显影响模式对冰云的模拟性能，但对评估人为产生气溶胶的间接效应可能有显著影响。

摘要:通过设计3组不同的观测误差均方差，对2012年8月1日—29日进行了基于GRAPES-MEPS（Global/Regional Assimilation and Prediction System-Mesoscale Ensemble Prediction System）的集合预报敏感性试验，研究观测误差均方差对集合预报初始扰动场结构、扰动量及垂直扰动总能量发展的影响，评估集合预报结果的差异，并分析了一次典型的江淮流域强降水个例。结果显示，模式变量扰动结构和扰动振幅对观测误差均方差较敏感，较小的观测误差均方差使得温度和风等模式变量的初始扰动量增大，扰动总能量增长更快，降水集合预报效果更优。因此在GRAPES-MEPS中，可以考虑对观测误差均方差进行适当的扰动，以体现观测误差均方差的不确定性对集合预报的影响，提高GRAPES-MEPS的集合预报技巧。

摘要:利用NCEP/NCAR与ERA-40再分析资料分析了南半球冬季（JJA）马斯克林高压的年际和年代际变化特征，并重点讨论了不同年代际背景下影响马斯克林高压年际变化因子的变化。结果表明，冬季（JJA）马斯克林高压的强度在1976年前后发生了显著的年代际转折，1976年以前强度偏弱，1976年以后强度明显增强。进一步分析显示，影响马斯克林高压年际变化的因子同样也发生了年代际转折。在1976年以前，冬季马斯克林高压与印度洋局地海温和南极涛动（AntArctic Oscillation，AAO）表现出显著的相关性；而在1976年以后，冬季马斯克林高压与ENSO和AAO表现出显著的相关性。同时，印度洋局地海温与马斯克林高压的相关性减弱，而ENSO与马斯克林高压的相关性则显著增强。

摘要:利用观测资料分析了亚洲季风区夏季海陆热力差异的变化特征。在此基础上，采用国际耦合模式比较计划第五阶段（Coupled Model Intercomparison Program 5，CMIP5）20个模式的输出结果，对其进行了模拟评估。结果表明，亚洲季风区夏季陆地上空温度呈下降趋势，海洋上空呈升高趋势，海陆热力差呈减弱趋势。虽然模式模拟的海陆热力差也呈减弱趋势，但陆地和海洋上空温度均呈上升趋势。模式对陆地上空温度趋势模拟较差的原因是对青藏高原上空的温度模拟偏低。进一步分析表明，对海陆热力差异模拟相对较好的模式对亚洲季风系统模拟较好，而较差的模式对亚洲季风系统模拟也较差。

摘要:采用局地多尺度能量涡度分析法（MS-EVA）和基于MS-EVA的局地正则传输与不稳定性理论对北半球夏季MJO的动能变化进行了诊断分析。结果表明：1）引起对流层上层和下层MJO动能变化的主要影响因素是有效位能转换和气压梯度力做功，其中有效位能转换在对流中心以北有明显的正的大值带，是MJO的主要动能源；气压梯度力做功则主要是将从有效位能转换而来的动能在空间重新分布。2）引起对流层中下层MJO动能变化的主要因素是动能跨尺度传输作用，其中大尺度向MJO尺度的跨尺度传输在对流中心附近表现为明显的正值，因此是该高度上MJO的动能源，并受5～15°N区域上空正压不稳定制约。3）MJO与天气尺度系统间的动能传输则主要表现为MJO的动能汇，其与MJO环流场分布以及MJO对天气尺度波动动量通量的平流输送有关。

摘要:利用地面和梯度塔的风连续观测数据进行的频谱分析已经开展很多，而受资料限制，高空风的频谱分析仍较欠缺。本文使用风廓线雷达获取的长时间序列连续测风数据，运用傅里叶变换的方法，计算了风的脉动谱密度。脉动谱能够反映不同频率的风速涨落对风动能的贡献。使用2012年4月江西宜春前汛期期间的高空风连续数据，结合地面降水资料进行了1 000～3 000 m高度区间的频谱分析，发现地处前汛期雨带上的宜春地区降水存在着两种不同时间周期的天气系统影响，脉动谱的分布表现出时间周期为5～7 d和2～3 d的峰值区。分别对两种不同时间周期的天气系统频谱进行了分析，并与平稳天气时的频谱进行比较。5～7 d周期峰区的脉动谱密度数值为2～3 d的4～5倍，脉动谱峰区在2 000～3 000 m高度上较强，峰值强度向下迅速降低；2～3 d周期的脉动谱峰区在低层比较明显，峰值强度较弱。风的脉动谱分布与地面降水的时间周期较为吻合。

摘要:利用1951—2014年南京站逐日降水资料、NCEP/NCAR逐日再分析资料和NOAA逐月海表温度资料，分析了南京夏季降水的逐候演变特征及其异常环流。结果表明：1）南京夏季降水集中在6月第5候至7月第3候，在气候态上降水强度存在峰期位于6月第5候和7月第1候的双峰结构。降水峰期还存在准10 a的年代际变化。2）不同年份降水的候演变特征呈现为峰期在6月第5候、7月第2候的单峰结构以及双峰结构这三种状态之间转换。3）当降水单峰出现在7月第2候（6月第5候）时，同年6月第5候，西太副高偏弱（强）偏东（西）、东亚大槽和贝加尔湖浅槽偏弱（强）、南京附近对流层低层水汽异常辐散（辐合）、中层盛行下沉（上升）运动；同年7月第2候，西太副高偏强（弱）偏西（东）、东亚大槽和贝加尔湖浅槽偏强（弱）、南京附近对流层低层水汽异常辐合（辐散）、中层盛行上升（下沉）运动。4）南京夏季降水的峰期变化与前期冬季（175°E～50°W，10～20°N）区域的SST（Sea Surface Temperature）异常有着较好的相关性。

摘要:利用WRF模式对2011年5月26日发生在太行山东麓的一次强对流降雹过程进行数值模拟，探讨了太行山及周边地形在本次强对流过程的作用。结果表明，控制华北平原的偏东暖湿气流受太行山阻挡并与切变线东南侧的西南暖湿气流汇合，在太行山东侧形成水汽高值区。太行山东坡下垫面向上热通量明显高于华北平原，午后850 hPa高度山坡与平原的假相当位温梯度达到0.2 K·km^-1，850～600 hPa假相当位温垂直梯度达4 K·km^-1，对应上坡风的垂直速度大于1 m·s^-1，热力环流为太行山东麓对流的发生提供了动力条件。太行山东侧暖湿气层之上为偏西干冷气流，由此形成的强热力不稳定与水汽高值区、上坡风共同造成太行山东麓强对流过程的发生。局地小尺度地形抬升与重力波共同促使太原盆地有对流单体生成，该单体移经太行山西侧迎风坡受阻挡抬升而增强，越过山顶后与维持在太行山东侧的对流单体发生合并，从而导致对流云的强烈发展。

摘要:利用2011年2月安徽省黄山市黟县试点双套自动观测气象站（A站和B站）和黟县本站（Z站，自动站）的气象要素（气温、气压、风速、相对湿度、地温等）观测资料，进行了对比分析，并对自动气象站仪器换型后数据的连续性进行了全面的评估。评估的内容为：数据的完整性和差异性，其中，差异性通过均值、标准差、误差率、粗差率和一致率得到体现。评估的结果表明：1）双套自动站观测数据的可靠性较好，大多数要素接收率高达100%，B站湿度接收率较低，只有83.3%，是由于B站的相对湿度传感器故障造成的；2）双套站观测的多要素有较好的一致性，但AB、AZ的地温差值和AB的气压差值一致率较低，部分要素差值存在少量的奇异值；3）T-检验表明，双套自动站的观测数据与历史序列无显著差异，连续性很好；4）双套自动站可用于气象业务观测，但还要进行一定时间的并行运行，以便日后更好地对数据进行对比分析和订正。

摘要:求解条件非线性最优扰动（Conditional Nonlinear Optimal Perturbation，CNOP）属约束最优化问题，一般采用基于伴随模式提供梯度信息的约束优化算法（简称ADJ）进行求解。当优化问题涉及不连续的“开关”过程时，传统优化算法的寻优能力会受到较大的影响。近年来遗传算法（Genetic Algorithm，GA）因其在非光滑优化问题中的鲁棒性备受关注，但GA的性能不仅与优化问题有关，还取决于遗传算子的配置。本文将一种新的约束GA（GA1）用于求解CNOP，并对GA1，ADJ及具有不同遗传算子配置的约束GA（GA2）求解含“开关”过程的CNOP时的性能进行了比较。数值试验结果显示，GA1和GA2的全局寻优能力明显优于ADJ，后者易于陷入局部最优；对于不同的初猜值（不同的初始种群），GA1求解的CNOP能够保持一个较为一致的空间结构，ADJ求解的CNOP呈现了明显的两种结构，一种代表的是全局CNOP，一种是局部CNOP。通过验证不同遗传策略对优化结果的影响发现，对不同的优化问题，采用合适的遗传策略以及合适的参数设置是获取更好优化结果的一种有效途径。

摘要:利用NCEP/DOE再分析资料，分析了1979—2012年北太平洋对流层冬半年位势高度的季节内振荡特征。结果表明：北太平洋上空的位势高度表现为显著的10～40 d季节内振荡特征，50～80°N纬度带内振荡最强，主要由东向西传播；位势高度季节内振荡的演变过程伴随太平洋高压脊以及东亚大槽的显著变化；在垂直方向上具有准正压的结构，位势高度季节内振荡的时间演变与地转涡度平流和散度项的季节内振荡有关，其向西移动也是受地转涡度平流和散度项的引导。