（气象学专业论文）一个中尺度多模式集合预报系统的建立及应用研究.pdf

独仓l j 性声明 l y 1 吣8 叭9 帆1 帆呲1 眦4 1 l 9 帆 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名：塞塑怎签字日期： 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的 o 时，有以= g 。5 c 有uc ：u ，v c ；v a r p $ 模式中通常假定以 o ，所以下文中以就等于g 。 从笛卡尔坐标系伍埘到曲线坐标系( 孝，7 ，f ) 的空间微商所遵从变换关系 1 2 第二章模式介绍 芸2 万1i ”) 小岛 谚l 考= 专l 刍c ”毒五叫 翌。上塑 击厄彤 ( 2 1 1 2 ) 在a r p s 模式中，计算的格点可以人为的定义。在计算格点设置好后，雅 克比变换就可以根据( 2 1 9 ) 进行数值计算。这些雅克比行列式用来在计算区 域内公式化控制方程。 ( 2 ) 控制方程 a r p s 模式控制方程组包括动量、热量、质量、水物质( t k 汽、液态水和冰) 次网格湍流动能( t k e ) 守恒方程和水汽状态方程。 与别的模式不同，a r p s 模式中使用位温作为热力学代表变量。因为相对于 绝对温度0 c ) 来讲，位温在绝热过程中是守恒量，在计算中更加简便省时，处理 起来也方便得多。而在做诊断的时候，a r p s 使用的是气压而非e x n e r 函数，这 样使得气压梯度力可以保持原始的n - s 方程形式，动量方程就保持守恒的形式。 利用标准数学关系，首先将a r p s 的控制方程组从笛卡尔坐标系投影到地 球坐标系下，可以得到控制方程组如下： 西= 一m p x p 叫+ ( + 厶) 1 ，一y w l w a - 1 + e( 2 1 1 3 ) 帚= 一m p y p - 1 + ( 厂+ 厶) 甜一v w a 叫+ e ( 2 1 1 4 ) i ，= 一p = p 一一g + 一( 甜2 + ，2 ) 口一1 + e( 2 1 1 5 ) p 2 p ( 也【1 一q ， + g ，) 一1 ( 1 + q ，+ 吼) ( 2 1 1 6 ) 声= 一p m 2 【( 咖) ，+ 叫历) j ，】+ ( 2 1 1 7 ) 秒= q ( c p 万) 一 ( 2 1 1 8 ) 从以上初步变换可以看出该方程组除了将地球半径看做常数a 外，几乎没 做任何近似处理。 最后将控制方程进行曲线变换。在a r p s 模式中，大气状态变量被分解为 基本量和扰动量两部分：伊= 歹( z ) + 矿。基本量与x ，y 无关，可以避免在曲线 1 3 塑塞堡星三垦奎兰堡圭兰篁丝茎 一 坐标中水平梯度的计算其水平梯度，从而减小计算误差。而且为了隐式求解垂 直声波的扰动方程，也需要定义一个基本态。只要扰动项保留较高阶数，基本 态的具体选取对最终解的影响很小。基本态变量需满足静力平衡关系， 死= 一两。( 歹为包含了基态水汽效应的基态密度) 。 并做以下替代： 矿= 歹g ，扩2 p u c , y 2 p v c , 矽2 p w 。( 2 1 1 9 ) 得到a r p s 模式最终控制方程在曲线坐标的表达形式： ( p 甜) ，+ 卿- 1 【以( p 一d 产) k + 【以( p 一口f d 帆产) l ) = 一a d v ( u ) + p 盯+ 厶弘一声卜$ 1 w a q + 4 g d ( 2 1 2 0 ) ( p 1 ，) ，+ 川劲q 【以o 一口吁历户) b + j a y - 口印饼 ，) 】f ) = 一a d v ( v ) + p u + 厶弦一u w a - 1 + g q ( 2 1 21 ) ( p 叻+ 砸l 【( p 一吒历伊) l + g p p - l p 叮p ( 疹) 一一秒锣1 】 = 一a d v ( w ) + g p p - i p 幸b 7 + p f u - ( u 2 + ，2 ) 口- 1 + 地 ( 2 1 2 2 ) ( 4 - 6 p ) ，一拓两+ 以2 册2 ( q - 6 u m ) f + ( 西一m ) 叩】+ ( 劢。) ， = 一 m 、- g u 厩+ 可。或+ 新。成】 + 厩2 【幻q + 血。1 】 ( 2 1 2 3 ) ( p 吮+ 户w 巳= 一a d v ( o ) + 4 g d o + g 品 ( 2 1 2 4 ) ( p g ) t = 一a d v ( q ) + ( p q l z f ) f + g b + 4 6 s 叮 ( 2 1 2 5 ) 吼= - a d v ( e ) + c + p 吲d 卅2 纠3 肋扩卜p c , l 。1 + 2 呱 2 6 ) 其中，平流项彳d y ( ) 定义为： 肋坎) = 彬九+ y 磊】+ 形疙= m 2 旧加- 1 ) f + ( y 加_ 1 ) 口】+ 允+ - h - g d i v ( 2 1 2 7 ) 密度加权散度d i v 为： jr 一， d i v * = v 伊y ) 2 1 g 朋2 【坍卅) f + ( y m 川) | ，】+ 形f 】 ( 2 1 2 8 ) 2 1 2a r p s 物理过程参数化方案 1 4 第二章模式介绍 a r p s 模式提供了云微物理过程、行星边界层、次网格尺度扰动、陆面过程 和大气辐射等物理过程的多种方案，用户可以根据需要进行选择。具体物理过 程的如下： ( 1 ) 积云对流参数化方案 可选方案包括：n oc u m u l u s 、k a i n - f r i t s c h ( n e we t a ) s c h e m e 、b e t t s - m i u e r - j a n j i c s c h e m e 、g r e l l d e v e n y ie n s e m b l es c h e m e 、g r e u3 de n s e m b l es c h e m e 、p 嗽，i o 哪 k a i n - f r i t s c hs c h e m e 等。 ( 2 ) 云微物理过程 可选方案包括：n om i c r o p h y s i c s 、k e s s l e rs c h e m e 、l i ne ta 1 s c h e m e 、w s m 3 - c l a s ss i m p l ei c es c h e m e 、w s m5 - c l a s ss c h e m e 、f e r r i e r ( n e we t a ) m i c r o p h y s i c s 、 w s m6 - c l a s sg r a u p e ls c h e m e 、g o d d a r dg c es c h e m e ( a l s ou s e sg s f e g c e _ h a i l ， g s f c g c e _ 2 i c e ) 、t h o m p s o ns c h e m e ( n e w f o rv 3 1 ) 、m o r r i s o n ( 2m o m e n t ) 、w d m 5 - c l a s ss c h e m e 、w d m6 - c l a s ss c h e m e 、t h o m p s o ns c h e m e ( v e r s i o nf i o mv 3 o ) 等。 ( 3 ) 最佳长波和短波辐射过程 可选方案包括：n os h o r t w a v er a d i a t i o n 、d u d h i as c h e m e 、g o d d a r ds h o r tw a v e 、 c a ms c h e m e 、r r t m gs c h e m e 、g f d l ( e t a ) l o n g w a v e ( s e m i s u p p o r t e d ) 等。 ( 4 ) 边界层方案 可选方案包括：m e d i u mr a n g ef o r e c a s tm o d e l 哪) p b l 、y o n s e iu n i v e r s i t y ( y s u ) p b l 、m e l l o r - y a m a d a - j a n j i c ( m y j ) p b l 、a s y m m e t r i c a lc o n v e c t i v em o d e l ( a c m 2 ) p b l 等。 ( 5 ) 陆面过程方案 可选方案包括：5 - l a y e rt h e r m a ld i f f u s i o n 、n o a hl s m 、r a p i du p d a t ec y c l e ( r u c ) m o d e ll s m ，p l e i m x i ul s m ，u r b a nc a n o p y m o d e l ，o c e a nm i x e d - l a y e r m o d e l 、s p e c i f i e dl o w e rb o u n d a r yc o n d i t i o n s 等。 2 2 w r f 模式介绍陆嘲 w r f ( w e a t h e rr e s e a r c hf o r e c a s t ) 模式系统是由许多美国研究部门及大学的 科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统。w r f 模式 系统的开发计划是在1 9 9 7 年由n c a r 中小尺度气象处、n c e p 的环境模拟中心、 f s l 的预报研究处和奥克拉荷马大学的风暴分析预报中心四部门联合发起建立 的，并由国家自然科学基金和n o a a 共同支持。现在，这项计划，得到了许多 其他研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究。w r f 模式系统具有可移 1 5 南京信息工程大学硕士学位论文 植、易维护、可扩充、高效率、方便的等诸多特性，将为新的科研成果运用于 业务预报模式更为便捷，并使得科技人员在大学、科研单位及业务部门之间的 交流变得更加容易。 w r f 模式系统将成为改进从云尺度到天气尺度等不同尺度重要天气特征 预报精度的工具。重点考虑1 一1 0 公里的水平网格。模式将结合先进的数值方 法和资料同化技术，采用经过改进的物理过程方案，同时具有多重嵌套及易于 定位于不同地理位置的能力。它将很好的适应从理想化的研究到业务预报等应 用的需要，并具有便于进一步加强完善的灵活性。 w r f 模式作为一个公共模式，由n c a r 负责维护和技术支持，免费对外发 布。第一版的发布在2 0 0 0 年1 1 月3 0 日。随后在2 0 0 1 年5 月8 日，第二次发 布了w r f 模式，版本号为1 1 。2 0 0 1 年1 1 月6 日，很快进行了模式的第三次 发布，只是改了两个错误，没有很大的改动，因此版本号定为1 1 1 。直到2 0 0 2 年4 月2 4 日，才正式第四次发布，版本号为1 2 。同样，在稍微修改一些错误 后，2 0 0 2 年5 月2 2 日第五次版发布模式系统，版本号为1 2 1 。原定于2 0 0 2 年 1 0 月份左右的第六次发布，直到2 0 0 3 年3 月2 0 才推出，版本号为1 3 。2 0 0 3 年1 1 月2 1 日进行了更新。2 0 0 4 年5 月2 1 日推出了嵌套版本v 2 0 。2 0 0 4 年6 月3 日进行了更新。2 0 0 6 年1 月3 0 日升级为新版本2 1 2 。2 0 0 6 年1 1 月2 2 日 升级为2 2 版。本系统目前采用的版本是v 3 1 1 。 目前，w r f 模式提供了两种动力框架，即由n c a r 开发的欧拉质量坐标 的a d v a n c e dr e s e a r c hw r f ( a r w ) 和由n c e p 开发的高度坐标的n m m ( n o n h y d r o s t a f i cm e s o s c a l em o d e l ) 。模式主要有三部分组成( 如图2 3 ) ：模式的 前处理、主模式和模式产品后处理。其处理部分为主模式提供初始场和边界条 件，包括标准初始化( s t a n d a r di n i t i a l i z a t i o n ) 部分和三维变分资料同化( 四维同化) ， 其中标准初始化( s i ) 部分包括资料预处理、地形等静态数据的处理：主模式对模 式积分区域内的大气过程进行积分运算；后处理部分对模式输出结果进行分析 处理，主要包括将模式面物理量转化到标准等压面、诊断分析物理场和图形数 据转换等。 i 图2 3w r f 模式系统组成【3 3 1 l 2 2 1w r f - a r w 基本动力框架 1 6 第二章模式介绍 w r f a r w 有两种坐标系统：地形追随质量坐标和高度坐标。本系统采用 的前者，下面简单介绍其主要控制方程组。 采用l a p i s e 推导方法，方程取地形追随静力气压垂直坐标( 图2 4 ) ，形式 为 吁= 饥一p - 妇 ( 3 1 ) 其中p n 一 n 为气压的静力平衡分量，p h s 和p h ， 边界顶部的气压。能量形式的变量可表示为 矿= 矽= ( u , v ，既l l = z r ，e = p 0 利用这些变量，可以写出如下的l a p r i s e 预报方程组 詈+ c v 矿帮+ 肛罢+ 寺豢= 詈+ 即口+ 胆考+ 考考= 弓 a a r c 母叨可+ 陪卜 鲁+ 删刁= 乓 等们力吁= o 署忡嘲= 方程组要满足静力平衡的诊断关系 动 = 唧 口j 7 和气体状杰方秤 1 7 分别为地形表面和 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) p = ( 剖 n 对上述方程组，定义扰动量为相对静力平衡参考态的偏差，即 ，= 多( 力+ p ，i i i = i i i ( 力+ ，口= 孑( z ) + 口以及= 万( 力+ 声。用 这些扰动变量，动量方程( 3 3 ) ( 3 5 ) 可写为 警+ 叨覃+ 膨篆+ _ 罢篆+ 芸( 考一声。 - 昂。3 川， 詈+ 叨彳+ 胆爹+ ( 秘孑卜堆芳+ 雾( 考一- ) = 昂 。3m ， 罾冉m + 播一卜限 型f f i - i i a - a 1 l 同样，气压诊断关系可写为a 哆 ( 3 1 4 ) w r f 模式在实现时间分裂积分方案时，是将“快波”项放在方程组的左 边，用小步长积分，而在等式右边则是“慢波项”，采用相对较大的积分步长， 它们在小步长积分过程中认为是常量。定义小步长中的扰动量分别为( 上标t 表示大的时间步长第t 时间层) y = f - f 。甜= q q ，e = 9 一e = 一妒”，= ，一p ，口= 口口”，i l ，= 一 ( 3 1 5 ) 则由方程组( 3 1 1 ) ( 3 1 3 ) 可得地形追随静力气压坐标下的时间分裂的 积分方程： 筹口警+ _ 罢户盯叫警+ 警( 蔷一声) 2 = 聪 。3 舶， 筹叫口。等+ p 善户j 叫等+ 等( 蔷) r - 嘭 。3 朋， r 即，- + 矿r 盯x = 呓 ( 3 1 8 ， 筹+ 咿w h ( 3 1 9 ) 1 8 第二章模式介绍 筹一翻r = 群 等+ 古铲“盯v 妒飞一g 驴r = 嘭 其中，上标t 表示小的时间步长第t 时间层，上述方程组的右端为 彤= 咒一u x 叫警一( 秘罢p 一警一警( 筹叫f ) 肛耳扣y 等一p 旁一争a # i o n 节 叫) = 露一【v 矿馕 = 露一0 1 i 碍= 写扣矿) ，_ 筹卅 r ：掌知r v r l + g w r ( 3 2 0 ) ( 3 2 i ) ( 3 22 ) ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) 2 2 2w r f - n m m 动力学框架简介 w r f - n m m 是一个可压缩非静力的中尺度模式( 有静力选项) 。该模型采用 地形跟随的s i g m a 和p 混合垂直坐标系，网格采用a r a k a w ae 格点。所有过程 采用相同的时步，包括能量和涡度拟能的一些一阶和二阶量都是动量守恒的。 以下是w r f - n m m 的动力学框架特点： ( 1 ) 时步： 以快波水平传播：前差后差方案 声波垂直传播：隐式方案 水平方向：a d a m s - b a s h f o r t h 方案 垂直方向：c r a n k - n i c h o l s o n 方案 湍流动能( t k e ) ，各相态水：显式，迭代，通量校正( 每两时步调用一次) ( 2 ) t 、u 、v ( 空间) 平流： 水平方向：能量和涡度拟能守恒，二次守恒( 平方守恒) ，二阶 垂直方向：二次守恒，二阶 1 9 m 叫 衄 南京信息工程大学硕士学位论文 湍流动能( t k e ) ，各相态水：可逆、通量校正、正定、保守。 ( 3 ) 扩散： w r f - - n m m 中扩散项分为侧向扩散和垂直扩散。 行星边界层和自由大气中的垂直扩散效应由陆面过程方案和边界层参数化 方案控制( j a n j i c1 9 9 6 a ，1 9 9 6 b ，2 0 0 2 a ，2 0 0 2 b ) 。 侧向扩散用s m a g o r i n s k y 非线性方法表示，侧向扩散的控制参数是 s m a g o r i n s k y 常数的平方。 ( 4 ) 辐散阻尼： 辐散的水平分量是阻尼的。此外，如果适用，次网格- e 网格的耦合技术会 阻尼气流的辐散部分。 2 2 3v c r f 的物理过程简介 w r f 提供了多种可通过不同方式相互组合的物理参数化方案选项。既有简 单而有效的，也有复杂但高计算要求的参数化方案选项，还有新开发的以及在 业务运行中广泛使用的参数化方案选项。下面给出的是w r f 第三版中所有可使 用的物理参数化方案选项包，不过目前其中一些选项尚未通过w r f - - n m m 测 试。已经测试的选项性能以及测试的等级包含在以下讨论中： 建议所有格点( 粗糙c o a r s e s ta n dn e s t s ) 中使用相同的物理参数化方案。唯 一的例外就是积云参数化方案应在相对较粗的格点中使用，在较细格点中应该 关闭。 ( 1 ) 微物理过程( m p _ p h y s i c s ) k e s s l e r 方案、l i n 方案、w r fs i n g l e - - - m o m e n t3c l a s s 方案、w r f s i n g l e - - - m o m e n t5c l a s s 方案、e t a 方案、改进的e t a 方案、w q t , fs i g l e - - - - m o m e n t 6 - - c l a s s 方案、g o d d a r d 微物理方案、m i l b r a n d t - y a ud o u b l e - m o m e n t7 - c l a s s 方 案、新的t h o m p s o n 方案、m o r r i s o nd o u b l e - - m o m e n t ( 双时刻) 方案、w r f d o u b l e - - m o m e n t5 - - c l a s s 方案、w r fd o u b l e - - m o m e n t6 - - c l a s s 方案、t h o m p s o ne t a 1 ( 2 0 0 7 ) s c h e m e 。 ( 2 ) 长波辐射( r al wp h y s i c s ) r r t m 方案、g f d l 方案、改进的g f d l 方案、c a m 方案。 ( 3 ) 短波辐射( r as wp h y s i c s ) d u d h i a 方案、g t x t d a r d 短波方案、g f d l 短波方案、改进的g f d l 短波方 案、c m a 方案、r r t m g 短波方案、h e l d - s u a r e zr e l a x a t i o n ( 松弛) 方案。 第二章模式介绍 ( 4 ) 表面层( s f _ _ s f c l a y _ p h y s i c s ) m m 5 类似的方案、e t a 类似的方案、n c e p 全球预报系统( g f s ) 方案、 p l e i m x i u 表面层、q n s e 表面层、m y n n 地表层、g f d l 地表层。 ( 5 ) 陆面层( s fs u r f a c ep h y s i c s ) 5 - l a y e r 热扩散、n o a h 陆面模式、r u c 陆面模式、p l e i m - - x i u 陆面模式、 g f d l 平板模式。 ( 6 ) 行星边界层( b lp b lp h y s i c s ) y o n s e i 大学方案、m e l l o r - y a m a d a - - j a n j i c 方案、n c e p 全球预报系统( g f s ) 方案、m r f 方案、a c m 2p b l 、准正态尺度消元行星边界层( q u a s i - n o r m a ls c a l e e l i m i n a t i o np b l ) 、m e l l o r - y a m a d an a k a n i s h ia n dn i i n o l e v e l2 5p b l 、 m e l l o r - y a m a d an a k a n i s h ia n dn i i n ol e v e l3p b l 、b o u l a cp b l 。 ( 7 ) 积云参数化( c up h y s i c s ) k a i n - f r i t s c h 方案、b e t t s - m i l l e r - j a n j i c 方案、g r e l l d e v e n y i 集合方案、简 化的a r a k a w a - s c h u b e r t 方案、g r e l l 三维集成积云方案、o l dk a i n - f f i t s c h 方案。 ( 8 ) 其他物理方案 g w do p t ：重力波阻方案。网格大小大于1 0 公里时可以被激活。可以有效 地模拟5 天以上以及山脉的大尺度区域。 m o m i x ：系数用于动量混合趋势关系的计算。缺省值m o m m i x = 0 5 。仅与 s a s 积云方案一起使用。 hd i f f - 此系数用于水平动量扩散的计算。缺省值hd i f f = 1 0 。仅当环境变 量h w r f 已经设定后使用。 s f c n m ：焓通量因子。缺省s f e n t h = 0 0 。仅用于g f d l 地表方案。 2 l 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章多模式集合预报系统的构建 第三章多模式集合预报系统的构建 集合预报系统在经过a r p s 模式自带的资料分析系统a d a s ( a r p sd a t a a n a l y s i ss y s t e m ) 处理后的同化分析场上应用1 2 小时对偶b g m 扰动方法来产生 多初值，同时采用不同模式物理过程，在a r p s 和w r f 两个模式中对欧亚区域 每天o o 和1 2 u t c 两个时次运行，这样形成具有1 5 个集合成员的多模式、多初 值、多物理过程的中尺度集合预报系统。系统采用3 6 k i n 水平分辨率，格点数 为3 6 7 x 2 4 3 ，中心点位置为1 0 0 0 e ，3 5 0 n 。积分区域如图3 1 。 3 1 资料选取 1 ) g f s 资料：本系统采用n c e p 的全球预报系统( g f s ) 的预报资料作为 初边值，水平分辨率为l o l o 。 2 ) 常规地面观测、自动站加密观测资料和探空资料。 3 ) n c a r n c e p 再分析资料( f n l 资料) ，水平分辨率为l o x l o 。 3 2 初值扰动方案设计 d u 等人f 7 】研究认为8 个集合成员就可以获得集合平均9 0 的效果；高峰 等【3 8 j 研究认为集合预报效果总体上预报技巧随成员数增加而提高，但当集合成 员数达到5 1 3 时，预报技巧呈饱和特征。参考以上研究结论，本系统构造了1 5 个成员。采用对偶b g m 扰动的方法对动力场( u ，v ) 和热力场( p t ) 进行初始 扰动，形成6 个扰动场，并分别在2 个中尺度模式( w r f a r w 和触渖s ) 进 行积分，得到1 2 个扰动成员，加上w r f a r w ，w r f - n m m 和a r p s 模式的 控制预报，一共1 5 个集合预报成员。在不断的积分过程中，误差不断增长，系 统正常运行一段时间即可达到饱和。该扰动方案体现了b g m 方法的优越性， 几乎不用额外消耗计算机资源而产生扰动，并且具有动力学意义。具体操作流 程如下： 第一次进行集合预报运算时( 冷启动) ，本系统利用g f s 资料和经过a d a s 处理后的资料进行组合，形成3 个差值场，具体组合如下： 南京信息工程大学硕士学位论文 ( 1 )差值l = g f s0 0 时的分析场( n 1 ) - a d a so o 时的分析场q 1 ) ( 2 ) 差值2 = 强s 提前6 d , 时的预报场( 1 1 2 ) g f s 提前1 2 d x 时的预报场q ) 2 ) ( 3 ) 差值3 = g f s 提前1 2 小时的预报场( n 3 ) - g f s 提前1 8 小时的预报场( p 3 ) 若系统不是第一次启动( 热启动) ，由于有之前的预报结果，因此系统会 利用上一次集合预报的1 2 小时预报场( 即对当前时刻的预报) 作为新的n l 、p l ； n 2 、p 2 ；n 3 、p 3 来做差值。 到此，不管是冷启动还是热启动，我们都得到了3 个差值场，分别是： d 1 - - n l - p 1 d 2 - - n 2 - p 2 d 3 - - n 3 - p 3 接下来就是将调整振幅后的差值场( 3 1 ) 叠加在控制场c 上， 控制场也不同，这样做的目的是为了扩大成员问的差异。 不同的组合， 在a d a s0 0 时分析场上( c 1 ) 分别加上和减去第1 个差值场，形成第一对集 合初始场( a t l a s ，) ；n l a t l a sp l 在a d a s0 0 时分析场( c 2 ) 上分别加上和减去第2 个差值场，形成第二对集 合初始场( a d a s，p 2 ) ；n 2 a d a s 用g f s0 0 时的分析场( c 3 ) 分别加上和减去第3 个差值场，形成第三对集合 初始场( g f s _ n 3 ，g f s _ _ p 3 ) ，从而得到六个集合初始场。扰动后的初始场为： m e n l = c l + 伍l - p 1 ) * i m e n 2 = c l - ( n l - p 1 ) * i m e n 3 = c 2 + ( n 2 - p 2 ) i m e n 4 = c 2 - ( n 2 - p 2 ) * i m e r l 5 = e 3 + ( n 3 - p 3 ) * i m e n 6 = c 3 - ( n 3 - p 3 ) * i 其中：i f o 调整系数，本文所有个例i = o 8 ， 分析场，c 3 用的是g f s 0 0 时的分析场。 ( 3 2 ) 控制场c 1 ，c 2 用的是a d a s 0 0 时 将以上6 个初值扰动成员采用不同的物理过程在w r f 和a r p s 模式积分， 加上a r p s ，w r f - a r w 和w r f - n m m 三个控制预报，得到集合预报1 5 个预 报成员。 3 3 物理过程参数化方案的设计 箜三兰垒堡塞墨鱼望塑墨竺竺塑壅 本系统的物理扰动部分主要是针对积云对流参数化方案和微物理过程参数 化方案进行组合形成集合。微物理过程参数化采用了l i n 方案、w s m 方案和 f e r r i e r 方案，积云对流参数化选用了k f 和b m j 方案，具体组合见表3 1 。 3 4 系统运行流程 该集合预报系统的的主要流程如下( 图3 2 ) ： l 图3 2 多模式集合预报系统流程图 i 1 运行a r p s 预处理同化模块a d a s ，将本次预报的各种初始资料进行预处 理： 2 运行扰动生成模块a r p s e n s i c ，将3 2 中所述的生成扰动所需的文件形成6 个 扰动场； 3 将6 个扰动场和1 个未扰动的初始场放在a r p s 积分模块中进行时间的数值 积分，得到7 个成员预报结果； 4 运行a r p s 2 w r f 模块，对6 个扰动场和1 个未扰动的初始场转换成 w r f a r w 积分所需的格式，并在w r f - a r w 中积分，最后将积分好后的结果通 过w r f 2 触心s 转换为h d f 格式； 5 运行a r p s 4 w r f 模块，对未扰动的初始场转换成w r f - n m m 积分所需的 格式，并在w r f - n m m 中积分，最后将积分好后的结果通过w r f 2 a r p s 转换为 h d f 格式； 6 将第3 、4 、5 中积分好的1 5 个成员分别运行a r p s 后处理系统哪s p o s t ， 得到各成员的诊断物理量； 7 运行集合分析模块e l l sa l i a ，将a r p s p o s t 处理过的1 5 个成员的结果进行 集合分析，形成各物理量的集合平均、概率预报、集合离散度等资料产品： 8 利用a r p s 图形绘制模块a r p s p l t 和g r a d s ，绘制图形产品。 南京信息工程大学硕士学位论文 第四章暴雨个例选取及其诊断分析 第四章暴雨个例选取及其诊断分析 4 1 个例选取 l 图4 12 0 1 0 年6 月1 3 日0 0 时- 2 5 日o o 时( u t c ) 2 4 小时降水实况图 i 实验个例选取2 0 1 0 年6 月1 3 日2 5 日的江南华南连续暴雨过程( 图4 1 ) 。 这次过程降雨强度大，持续时间长。福建西北、江西东部部分地区遭遇大暴雨 甚至特大暴雨，强度和持续时间都属历史罕见。持续强降雨导致福建闽江，江 西都阳湖水系赣江、信江、抚河，湖南洞庭湖水系湘江、资水等多条干流、支 流相继发生超警戒水位、超保证水位、超历史记录的洪水，福建闽江干流还发 生3 0 年一遇的大洪水。 据国家防总办公室和民政部统计，此次暴雨洪涝灾害过程造成了浙江、福 建、江西、湖北、湖南、广东、广西、重庆、四川、贵州、云南1 1 省( 自治区、 直辖市) 4 4 0 4 5 万人受灾，因灾死亡2 6 6 人，失踪1 9 9 入，紧急转移安置人口 3 8 2 8 万人；农作物受灾面积2 4 7 6 4 千公顷，其中绝收面积4 0 7 2 千公顷； 倒塌房屋3 1 2 万问，损坏房屋7 6 万间；因灾直接经济损失6 4 5 7 亿元。其 中，福建、江西、贵州、湖南、广西受灾最为严重。 从1 3b o o 时到2 5 日o o 时( 世界时，下同) 的连续1 2 天2 4 d x 时降水图( 图4 1 ) 可以看出，江南华南一带一直持续强降水，几乎没有间断。其中，1 9 n o o 时到 2 0 日o o 时是这次过程降水最集中的阶段，为此将其作为本次个例研究的时段。 4 2 暴雨实况 本次过程暴雨区( 1 5 4 2 的蓝色阴影部分) 主要呈“v ”字型特征，主要由2 个 雨带构成。主雨带从湖南北部自西向东经过江西到达浙江福建一带，大致呈东 西走向；次雨带覆盖广西北部，经湖南南部到江西中部，与主雨带连在一起， 呈西南东北走向。 从1 小时加密降水图( 图略) 可以看出，从1 9 e 0 0 时到1 3 时，降水主要集中 南京信息工程大学硕士学位论文 在主雨带( 大致位于1 1 0 0 e 1 2 0 。e ，2 7 。n - 2 0 0 n ) 附近；1 9 日1 3 时后广西北部降 水突然增加并南移扩展，同时湖南江西一带的降水也逐渐向东南方向移动，形 成第二个雨带，并于6 月2 0 日0 0 时逐渐减弱，因此形成“v 一字型分布。 4 3 背景形势场分析 图4 35 0 0 h p a 高度场实况 a 1 9h o o 时；b 1 9 e 1 0 6 时ic 1 9 e l1 2 时：d 1 9 日1 8 时( u t c ) 从图4 - 3 我们可以看到，中高纬呈两脊一槽形势。辽宁到中部地区有一个呈 东北西南走向的斜槽，槽后偏北气流与副高外围的西南暖湿气流在江南一带交 汇，形成本次过程降水。随后，该斜槽西伸并缓慢东移，斜率加大，冷空气逐 渐西侵南压，造成雨带向西南方倾斜。值得注意的是，副高位于南岭一带并稳 定少动，使得本次过程降水主要集中在南岭以北的地区。 从8 5 0 h p 瘌7 0 0 h p a 流场图可见，1 9 日0 0 时长江以南地区被西南气流控制， 以北为偏北气流，在长江流域一带形成切变线，并伴随2 - 3 个小涡旋。随后，切 变线逐渐南移至湖南、江西北部一带，8 5 0 h p a 涡旋合并，辐合加强( 图4 4 a ) 。 加深后的切变线逐渐向西南方倾斜，呈东北西南走向，并伸入广西北部，切变 线北部被东北气流控制。7 0 0 h p a 流场与8 5 0 l l p a 类似。从流场演变可以看出，大 致跟5 0 0 h p a 背景场变化和雨带变化一致。 4 4 涡度散度场分析 图4 58 5 0 h p a 涡度( 等值线，单位i o 5 s - 1 ) 散度场( 阴影，单位1 0 巧s - 1 ) a 1 9 日0 0 时：b 1 9 日0 6 时：c 1 9 日1 2 时：d 1 9 日1 8 时( u t c ) 图4 62 0 0 h p a 涡度( 等值线，单位1 0 。5 s - 1 ) 散度场( 阴影，单位1 0 s - 1 ) a 1 9 日0 0 时：b 1 9 日0 6 时：c 1 9 日1 2 时：d 1 9 日1 8 时( u t c ) 墨婴兰墨雯全堡垄窒墨茎堡堑坌翌! 从8 5 0 h p a 涡度散度图来看，在强降水区一直有正涡度的大值区和辐合区相 配合，并随着时间的演变，这些正涡度的大值区和辐合区逐渐合并加强并向西 南方向倾斜，这些都与降水及背景场的演变一致，有着很好的对应关系。与 8 5 0 l l p a 类似，2 0 0 h p a 的有负涡度大值区与辐散区同暴雨区相对应。这种上层辐 散下层辐合，上层负涡度下层正涡度的配置，势必引起强烈的上升运动( 图4 7 ) ， 造成暴雨。 图4 76 月1 9 日0 6 时( u t c ) 沿2 8 0 l , 4 剖面图： 涡度( 等值线，单位1 0 。5 s ) ，散度场( 阴影，单位1 0 5 s - 1 ) ，( 箭头，单位1 0 - 2 h p a s ) 从沿2 8 。n 剖面图( 图4 7 ) 我们可以看到，1 1 8 0 e 附近4 0 0 h p a 以下均为辐合区 并伴随着正涡度，而上层是强烈的辐散区并伴有负涡度，这使得在1 1 8 0 e 附近产 生强烈的上升运动，在对流层中层达到最大，超过- 2 x1 0 。2 1 1 p a s 。经低层西南气 流带来的水汽，被强烈的上升气流带到高空，产生凝结造成降水。 4 5 高低空急流及水气输送 夏季降水一般都伴有低空急流，即风速大于1 2 m s 的带状分布，是一种水汽、 热量、动量的高度集中带，被认为是中纬度暴雨和强风暴提供水汽和动量最主 要的机制【硎。 高空急流主要跟次级环流的形成有关：在入口区北侧产生高空辐合，南侧 产生高空辐散，进而北侧出现下沉气流，南侧出现上升气流。低层大气会随之 调整，产生与高层相反的辐合辐散区和北风，从而形成次级环流；在出口区则 与之相反。这种次级环流的上升支，必然是跟暴雨激发和维持的相对应的。 从图4 8 上我们可以看到，暴雨区位于高空急流入口区的南侧辐散区，次级 环流的上升支，对应较好；同时，暴雨区对应于低空急流中心的左前方，这种 高低空配置有利于暴雨的形成与发展。 图4 9 9 5 0 h p a 水汽通量( 箭头，单位g h p a - ! c m 1 s q ) 和水汽通量散度( 阴影，单位 10 4 g h p a a c m - 2 s - 1 ) a 1 9 日o o 时：b 1 9 日0 6 时：c 1 9 日1 2 时：d 1 9 日1 8 时( u t c ) 南京信思工程大学硕士学位论文 从图4 9 上可以明显发现一条水气输送带，水汽主要来源于中南半岛和南海， 沿着副高外围输送到长江以南的地区。并且在该地区出现水汽的辐合，为强降 水的发生提供充足的水汽。同时，我们发现雨带的移动跟水汽辐合区的移动一 致，均出现合并随后向西南方倾斜的特征，配合很好。 4 6 分析小结 从以上分析可以看出，本次暴雨过程主要分为两个降水时段：1 9 日0 0 时到 1 3 时以及1 9 日1 3 时到2 0 日o o 时，分别对应降水的两个雨带，一条位于湖南 北部自西向东经过江西到达浙江福建一带，一条位于广西北部经湖南南部到江 西中部，两条雨带呈“v 字型分布。 利用n c e p n c a r 资料对该过程分析，结果发现这次强降水过程是在特定 的环流背景下受5 0 0 h p a 低槽、副热带高压、8 5 0 h p a 切变线、中尺度低涡共同影 响造成的。同时，从涡度场、散度场、垂直速度、水汽通量、水汽通量散度等 物理量的分析结果发现，这些物理量都是非常有利于暴雨的形成和发展的，并 随着时间的演变，这些物理量的有利因素都有合并加强以及向西南方向倾斜的 过程，这些都与降水及背景场的演变一致，有着很好的对应关系。其中通过对 水汽通量矢量的分析我们看到本次过程的水汽主要来自南海，并沿着副高外围 输送到降水区。 低空西南急流输送的充沛水汽在暴雨区形成辐合，为对流云团和降水的形 成提供了必要条件，也为切变线的维持和加强以及中尺度系统生成和发展都提 供了有利的动力条件和能量来源。暴雨区位于高空急流入口区的南侧辐散区， 次级环流的上升支，对应较好；同时，暴雨区对应于低空急流中心的左前方， 这种高低空配置造成对流运动的低空辐合、高空辐散，形成的垂直环流，有利 于暴雨的形成与发展。 第五章集合预报系统数值实验 第五章集合预报系统数值试验 5 1 多模式集合预报模拟分析 图5 15 0 0 h p a 形势场 ( a ) 对1 9 日0 0 时2 4 小时预报集合平均( b ) 对2 0 日0 0 时2 4 小时预报集合平均 ( c ) 1 9 日0 0 时实况( d ) 2 0 日0 0 时实况 图5 27 0 0 h p a 形势场 ( a ) 对1 9 日0 0 时2 4 小时预报集合平均( b ) 对2 0 日0 0 时2 4 小时预报集合平均 ( c ) 1 9 日0 0 时实况( d ) 2 0 日0 0 时实况 从5 0 0 h p a 和7 0 0 h p a 形势场来看，集合平均预报结果( 图5 1 a , b 和图5 2 a , b ) 和实况( 图5 i c ，d 和图5 2 c ，d ) 基本一致。5 0 0 h p a 等压面上，北方冷空气和南支 槽槽前西南气流在江南一带汇合，两种不同性质的气流势必引起强烈的抬升作 用。低层在江南华南一带出现切变线，低空急流明显，将南海和孟加拉湾的水 汽源源不断地输送过来，与北边来的冷空气在江南华南一带交汇，形成强降水。 图5 32 4 - 小时累计降水( 1 9 日o o 时到2 0 日0 0 时) 实况( a ) 和集合平均2 4 d , 时预报( b ) ( 1 9e 1 0 0 时2 4 小时预报) 从集合平均降水( 图5 3 b ) 来看，位于湖南、江西和福建一带的三个强降 水落区与实况( 图5 3 a ) 还是比较一致，不过强降水中心雨量只有1 2 5 m m ，与 实况相差比较多。尤其是广西北部的强降水被大大估低。由于集合平均会过滤 一些极端信息【2 9 】，特别是各个成员对系统位置的预报偏移导致中心降水量平均 过后偏少，因此只用集合平均不能很好的反映极端降水量值，而用概率预报可 能更为适合( 见图5 5 ) 。 图5 42 4 - d , 时累计降水预报( 1 9 日0 0 时到2 0 日o o 时) 最大值场( a ) 最小值场( b ) 集合离散度( c ) ( 1 9 日0 0 时2 4 小时预报) 从降水最大最小值场( 图5 a a , b ) 来看，实况降水( 图5 3 a ) 基本涵盖在其中， 说明本次集合预报基本包含了大气的真实情况。且最大最小值场相差比较大， 南京信息