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CMA-GFS对一次强降水过程预报评估及诊断改进

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中山大学学报（自然科学版）（中英文） 2024年第2期63卷 46-58页

作者：王蕾陈起英徐国强胡江林中国气象局地球系统数值预报中心/中国气象局地球系统数值预报重点开放实验室北京100081

2022年6月6~10日我国江淮-华南地区发生一次大范围强降水过程,造成重大洪涝灾害。强降水发生在850 hPa切变线附近,当切变线南压至华南地区时,配合西南暖湿气流,造成华南地区大暴雨降水。利用ERA5再分析数据及降水融合产品,评估了中国气... 详细信息

2022年6月6~10日我国江淮-华南地区发生一次大范围强降水过程,造成重大洪涝灾害。强降水发生在850 hPa切变线附近,当切变线南压至华南地区时,配合西南暖湿气流,造成华南地区大暴雨降水。利用ERA5再分析数据及降水融合产品,评估了中国气象局全球同化预报系统(CMA-GFS)对此次过程的预报效果,诊断了预报偏差来源,进行了针对性敏感试验。结果表明:CMA-GFS对影响此次雨带位置和移动的南亚高压脊线移动、副高范围变化趋势以及850 hPa切变线移动预报与再分析结果一致,因此对雨带位置和移动趋势预报效果较好,但存在切变线降水偏弱,福建东部沿海、广东北部及广西中部的分散性大暴雨漏报,广东北部雨带偏北及暖区暴雨漏报问题;偏差诊断显示,CMA-GFS对切变线北侧风速预报偏弱3~8 m/s,广西、广东中北部水汽辐合偏弱2×10^(-5)~5×10^(-5)g/(m^(2)·Pa·s),导致切变线降水偏弱,南侧南风分量偏强3~5 m/s导致广东北部雨带偏北约60 km,华南沿海850 hPa急流偏弱4~6 m/s,暖区水汽输送偏少4~10 g/(cm·hPa·s),导致暖区暴雨漏报;采用美国全球预报系统(NCEP-GFS)分析场初始化明显改善了雨带位置预报,采用WSM6云微物理方案及收紧积云对流参数化方案中对流触发条件改善了切变线降水中心位置和量级预报,暖区降水量级也由小到中雨增强至中到大雨。

关键词： CMA-GFS 强降水误差诊断预报改进

基于高垂直分辨率探空数据对五种典型下垫面湍流分布特征分析

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气象 2023年第8期49卷 901-914页

作者：龚玺陈起英倪长健龙海川成都信息工程大学成都610225 湖南省株洲市气象局株洲412003 气象防灾减灾湖南省重点实验室长沙410118 中国气象局地球系统数值预报中心北京100081 灾害天气国家重点实验室北京100081

由于湍流的时空尺度小、变化率大,缺乏大规模的现场观测,导致对全国范围内的大气湍流特征研究甚少。自2011年起,我国开始存储秒级高垂直分辨率探空数据,为深入研究中国各地的湍流特征提供了可能。在用探空资料诊断分析湍流特征时,首先... 详细信息

由于湍流的时空尺度小、变化率大,缺乏大规模的现场观测,导致对全国范围内的大气湍流特征研究甚少。自2011年起,我国开始存储秒级高垂直分辨率探空数据,为深入研究中国各地的湍流特征提供了可能。在用探空资料诊断分析湍流特征时,首先分析了中国地区仪器噪音对分析结果的影响,证实噪音会使对流层平均的湍流耗散率偏小,证明了去除噪音的必要性。在此基础上,采用Thorpe分析法详细分析了湍流的强度(湍流耗散率)与下垫面类型的关系。结果显示,在对流层,全年平均草地的湍流最强,然后依次是旱地作物、水田作物、灌木、荒地。在平流层下层依然受到下垫面的影响,全年平均草地的湍流依旧最强,旱地作物次之。湍流在不同下垫面均表现出明显的季节性,且夏季对流层上层的强度和频率最高。研究结果将有助于理解不同下垫面对流层的湍流特征,为航空器飞行安全保障、大气污染扩散模式、天气预报模式的湍流参数化方案改进提供参考。

关键词：秒级探空资料 Thorpe分析法湍流动能耗散率

基于CMA-MESO冰粒子含量的雨雪相态判据应用

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应用气象学报 2023年第6期34卷 655-667页

作者：王蕾陈起英胡江林徐国强中国气象局地球系统数值预报中心北京100081 中国气象局地球系统数值预报重点开放实验室北京100081

利用中国气象局中尺度模式(CMA-MESO)云降水物理直接输出的水凝物混合比,确定基于冰相水凝物占比的雨雪相态判据,并应用于2023年1月14—15日我国大范围降水过程的雨雪相态判别。结果表明:该判据明显改善了基于温度和高度场的厚度判据对... 详细信息

利用中国气象局中尺度模式(CMA-MESO)云降水物理直接输出的水凝物混合比,确定基于冰相水凝物占比的雨雪相态判据,并应用于2023年1月14—15日我国大范围降水过程的雨雪相态判别。结果表明:该判据明显改善了基于温度和高度场的厚度判据对我国东部地区雨夹雪范围判别偏大、对分散性雨夹雪漏报的问题,6~18 h时效雨夹雪预报TS评分较厚度判据提升75%~100%,24 h时效降雪预报TS评分较厚度判据提升67%;对全国雨雪范围判别合理,对小范围雨夹雪具有指示作用;对全国3~36 h时效降雨、降雪和雨夹雪预报TS评分为0.76~0.62,0.69~0.63和0.11~0.08;对降雨和降雪存在一定空报和漏报,对24 h时效雨夹雪空报明显;对相态转换过程有较好指示效果,判别代表站相态转换开始时间误差为1~2 h,对我国东部地区代表站的相态转换和雨夹雪持续时间判别优于厚度判据,基于厚度判据雨夹雪预报持续时间偏长。研究结果可为雨雪相态业务预报提供客观预报产品参考。

关键词：雨雪相态相态转换判据 CMA-MESO 数值预报模式

CMA-GFS全球模式海洋边界层高度的主要偏差特征

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气象科技 2022年第6期50卷 793-801页

作者：龙海川陈起英朱克云龚玺成都信息工程大学成都610225 中国气象局地球系统数值预报中心北京100081 灾害天气国家重点实验室北京100081

海洋边界层高度是表征海洋上空大气的水汽、热量、物质等垂直分布的重要特征量,同时在气候、污染、模式预报上有关键作用。然而,利用海洋边界层高度观测对数值天气预报模式进行诊断的研究很少。因此,本文利用2019—2020年GPS掩星资料计... 详细信息

海洋边界层高度是表征海洋上空大气的水汽、热量、物质等垂直分布的重要特征量,同时在气候、污染、模式预报上有关键作用。然而,利用海洋边界层高度观测对数值天气预报模式进行诊断的研究很少。因此,本文利用2019—2020年GPS掩星资料计算出的海洋边界层高度的分布特征,对CMA-GFS全球模式的预报性能进行分析,同时借助ERA5再分析资料对CMA-GFS模式的偏差进行讨论。主要结论如下:(1)CMA-GFS全球模式在西太平洋、南太平洋、南大西洋绝大部分海域预报的边界层高度比较合理;(2)模式在热带辐合带海域和南太平洋辐合带存在高估预报,初步分析与模式对热带深对流的抬升凝结高度的预报偏高有关。(3)模式和ERA5在南半球层积云所在区域均存在边界层高度预报偏低,初步分析可能是模式对南半球层积云顶辐射冷却驱动的湍流扩散偏小造成。(4)模式在有云的大气下主要呈现为预报偏高,中心值在200 m左右,而在晴空区域模式预报较为合理,偏差值范围较小,ERA5也存在类似的特点。

关键词：海洋边界层高度 CMA-GFS全球模式 GPS掩星资料偏差

国家气象中心新一代业务中期预报模式T213L31的主要特点

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气象 2004年第10期30卷 16-21页

作者：陈起英姚明明王雨国家气象中心北京100081

T2 1 3中期数值预报系统于 2 0 0 2年 9月 1日起在国家气象中心正式业务化。作为此系统核心的T2 1 3L31全球模式与原业务模式T1 0 6L1 9相比 ,采用了一些新的数值技术 ,包括半拉格朗日时间积分方案的引入 ,采用规约格点 ,分布内存与共... 详细信息

T2 1 3中期数值预报系统于 2 0 0 2年 9月 1日起在国家气象中心正式业务化。作为此系统核心的T2 1 3L31全球模式与原业务模式T1 0 6L1 9相比 ,采用了一些新的数值技术 ,包括半拉格朗日时间积分方案的引入 ,采用规约格点 ,分布内存与共享内存并行相结合 ,从而在目前有限的计算机资源条件下 ,能积分高分辨率的模式。更重要的是 ,模式采用了一些更新、具有更真实物理概念的物理过程参数化方案 ,对于辐射方案、次网格尺度地形参数化、积云对流方案、云方案、陆面过程方案都作了很大改进 ,从而克服了许多T1 0 6L1 9模式中存在的问题 ,明显提高了T2 1 3L31模式的预报技巧。

关键词： T213 国家气象中心中期预报次网格尺度参数化方案积云业务化模式物理概念计算机资源

Modification of Cumulus Convection and Planetary Boundary Layer Schemes in the GRAPES Global Model

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Journal of Meteorological Research 2015年第5期29卷 806-822页

作者：刘琨陈起英孙健 National Meteorological Center China Meteorological Administration Numerical Weather Prediction Center of China Meteorological Administration

Cumulus convection is a key linkage between hydrological cycle and large-scale atmospheric circulation. Cumulus parameterization scheme is an important component in numerical weather and climate modeling studies. In the Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System （GRAPES）, turbulent mixing and diffusion approach is applied in its shallow convection scheme. This method overestimates the vertical transport of heat and moisture fluxes but underestimates cloud water mixing ratio over the region of stratocumulus clouds. As a result, the simulated low stratocumulus clouds are less than observations. To overcome this problem, a mass flux method is employed in the shallow convection scheme to replace the original one. Meanwhile, the deep convection scheme is adjusted correspondingly. This modification is similar to that in the US NCEP Global Forecast System （GFS）, which uses the simplified Arakawa Schubert Scheme （SAS）. The planetary boundary layer scheme （PBL） is also revised by considering the coupling between the PBL and stratocumulus clouds. With the modification of both the cumulus and PBL schemes, the GRAPES simulation of shallow convective heating rate becomes more reasonable; total amounts of stratocumulus clouds simulated over the eastern Pacific and their vertical structure are more consistent with observations; the underestimation of stratocumulus clouds simulated by original schemes is less severe with the revised schemes. Precipitation distribution in the tropics becomes more reasonable and spurious precipitation is effectively suppressed. The westward extension and northward movement of the western Pacific subtropical high simulated with the revised schemes are more consistent with Final Operational Global Analysis （FNL） than that simulated with the original schemes. The statistical scores for the global GRAPES forecast are generally improved with the revised schemes, especially for the simulation of geopotential height in the Northern Hemisphe

关键词： GRAPES model cumulus parameterization boundary layer diffusion mass flux

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基于秒级探空资料的中国地区浮力频率分布

应用气象学报 2019年第5期30卷 629-640页

作者：李芳芳陈起英吴泓锟成都信息工程大学大气科学学院成都610225 国家气象中心北京100081

浮力频率用来描述大气层结稳定性,反映大气扰动强弱。利用2014年6月-2017年5月中国地区高垂直分辨率的秒级探空资料,分析了中国地区浮力频率的时空分布特征。结果表明:中国地区大气浮力频率总体随高度的增加而增大,低平流层值大于对流层... 详细信息

浮力频率用来描述大气层结稳定性,反映大气扰动强弱。利用2014年6月-2017年5月中国地区高垂直分辨率的秒级探空资料,分析了中国地区浮力频率的时空分布特征。结果表明:中国地区大气浮力频率总体随高度的增加而增大,低平流层值大于对流层值;对流层和低平流层中浮力频率随高度变化均较小可视为常数,过渡层浮力频率随高度变化较大,对流层中浮力频率受地形影响较平流层大。对流层中北方地区5 km高度以下的浮力频率随时间呈现出较弱的周期变化,周期为1年,峰值出现在冬季,南方地区随时间无明显变化;在过渡层中南北地区的浮力频率随时间均呈现出1年的周期变化,峰值出现在冬季,谷值出现在夏季;在低平流层中南北地区浮力频率随时间均无明显变化。浮力频率的大小变化对重力波参数有较大影响,秒级探空资料计算的的浮力频率和风速切变更精细,较常规探空资料更准确地反映大气稳定度的变化。

关键词：秒级探空资料浮力频率对流层低平流层

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初值中云变量对T213预报性能的影响

应用气象学报 2007年第5期18卷 594-600页

作者：管成功陈起英王娟佟华国家气象中心黑龙江省嫩江县气象局嫩江161400

采用云变量自由变化的方案,在国家气象中心全球业务模式T213L31的初始场中增加有关云变量的信息,通过2005年6—8月和2015年12月—2006年2月各3个月的连续滚动对比试验的统计分析和个例预报分析,研究探讨了全球模式初值中增加云变量对模... 详细信息

采用云变量自由变化的方案,在国家气象中心全球业务模式T213L31的初始场中增加有关云变量的信息,通过2005年6—8月和2015年12月—2006年2月各3个月的连续滚动对比试验的统计分析和个例预报分析,研究探讨了全球模式初值中增加云变量对模式预报性能的影响。初步研究结果表明:采用自由变化的方案在初值场中增加云的信息,使模式能够较为合理地描述出模式预报初期与云相关变量分布和变化特征,降低了spin-up现象对模式前期降水预报能力的影响,同时对500 hPa形势场预报也有一定程度提高。

关键词：云变量初值降水

GRAPES_GFS模式全球降水预报的主要偏差特征

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气象学报 2021年第2期79卷 255-281页

作者：刘帅王建捷陈起英孙健中国气象科学研究院北京100081 国家气象中心北京100081 中国气象局数值预报中心北京100081

利用2017年1、4、7、10月“全球降水观测(global precipitation measurement,GPM)计划”每日08时(北京时)的24 h累计降水量和逐30 min降水量观测产品,从降水量和频率等角度,对同期GRAPES全球模式(GRAPES_GFS)第1(D1)、3(D3)、5天(D5)的全球降水预报性能和偏差特征进行细致评估与分析,且对低纬度暖池和北半球中纬度风暴路径区进行了重点观察,初步探讨了降水预报偏差特征在低纬度和中纬度明显不同的可能原因。结果显示:(1)GRAPES_GFS的D1—D5预报对全球日降水(量和频率)分布描述合理,能准确再现纬向平均降水(量和频率)的典型特征—降水“双峰”极大位于南北纬20°之间,次极大位于南北纬40°—50°地区的特征,以及关键区日降水时、空演变和降水日循环逐日演变的主要趋势特征。(2)低纬度的纬向平均湿日(≥0.1 mm/d)频率预报正偏差很小,但日降水量和强降水日(>25 mm/d)频率预报的正偏差明显、偏差极大值“双峰”位置恰是相应观测极大值所在处(南北纬5°—10°);中纬度的纬向平均日降水量预报基本无偏,但明显的湿日降水频率预报正偏差(20%—30%)和强降水日频率负偏差出现在南北纬40°—60°。降水偏差正、负分布特征随季节和预报时效基本保持不变,预报均方根误差数倍于平均误差,暗示模式降水预报偏差有系统性且性能表现波动较大。(3)日循环中,模式在暖池的降水量预报正偏差缘于降水强度预报偏强,降水频率预报的弱负偏差主要与降水落区预报偏小有关;而模式在北半球风暴路径区降水频率预报的正偏差则是降水落区预报偏大和空报弱降水事件两方面因素造成。(4)模式降水(量和频率)预报偏差特征在低纬度和中纬度的明显差异与模式次网格尺度和网格尺度降水比例失调有关,改进线索指向模式对流参数化方案中深对流的启动和深对流降水量的处理以及对流参数化方案与云微物理方案的协同问题。

关键词： GRAPES_GFS 全球模式降水预报偏差特征