（气象学专业论文）不同初始场和边界条件对grapes模式数值预报的影响.pdf

南京信息【程大学硕士学位论文 摘要 本文利用我国新一代数值预报模式g r a p e s ( g l o b a l r e g i o n a la s s i m i l a t i o n a n dp r e d i c t i o ne n h a n c e ds y s t e m ) ，分别使用t 2 1 3l 3 1 及n c e pf i l l6 小时间隔的 资料作为初始场和边界条件进行了个例试验，初步探讨了g r a p e s 模式的数值 预报产品对不同初始场的敏感程度，以及三维变分同化对数值预报结果的可能 影响。通过个例试验，说明g r a p e s 模式的数值预报能力对不同的初始场和侧 边界条件有着不同程度的依赖性，初始场的差异决定了模拟结果的差异。 文中以2 0 0 5 年7 月9 日淮河流域一次致洪暴雨过程为例，首先对这次过程 进行了大尺度背景场分析和诊断分析，从涡度场、散度场等分析了强降水过程 的大气垂直分布结构及动力条件的配置。然后进行了t 2 1 3 、n c e p 两种不同初 始场的4 组对比试验，在对不同初始场之间的差异以及不同模式预报结果之间 的差异进行了比较分析后，又着重从模式对初始场的记忆能力、不同初始场对 模式降水预报的影响等角度分析了g r a p e s 模式的预报结果，结果表明： l 、t 2 1 3 和n c e p 初始场中存在着差异较大的次天气尺度特征；四种试验的 g r a p e s 模式预报产品在环流形势、降水预报和站点要素预报也存在不同程度 的差异，即不同的初始场造成了此后g r a p e s 模式预报场的差异。 2 、对于t 2 1 3 和n c e p 两种初始场，g r a p e s 模式得到的两者预报场存在较 大差异，且差异不会随积分时间增加而消失。而对同一种初始场是否进行同化， 它对g r a p e s 模式积分结果的影响仅表现在最初的o 1 2 小时内存在明显差异， 此后差异会逐渐减小。 3 、模式对此次致洪暴雨过程的暴雨雨区分布、强度有一定模拟能力，但模 拟的强暴雨区与实况仍有差别。 关键词：g r a p e st 2 1 3 l 3 1n c e p 初始场三维变分同化 不同初始场和边界条件对g r a p e s 模式数值预报的影响 i nt h i sp a p e r , b yu s i n gt h en c wg e n e r a t i o nn u m e r i c a lw e a t h e rp r e d i c t i o nm o d e l s y s t e mg r a p e s c a e x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e dw i t ht h ei n i t i a lf i e l d sa n dl a t e r a l b o u n d a r i e sp m v 甜e dw i t ht 2 1 3l 3 1a n dn c e pf i l l r e s p e c t i v e l y 1 1 s e n s i t i v i t yo f g r a p e sn u m e r i c a lp r e d i c t i o np r o d u c t st od i f f e r e n ti n i t i n lf i e l d sa n de f f e c t so f t h r e e - d i m e n s i o n a lv a t i a t i o n a la s s i m i l a t i o no ns i m u l a t i o na l ed i s c u s s e d n 忙螂u i t s s h o wt h a tt h ea b i l i t yo f g r a p e sn u m e r i c a lp r e d i c t i o nd e p e n d so bd i f f 盯e mi n i t i a l f i e l d sa n dl a t e r a lb o u n d a r i e st os o i i e x t e n d ，a n dt h ed i f f e r e n ti n i t i a lf i e l d sw i l lg r e a t l y a f f e c tt h eg r a p e ss i m u l a t e dr e s u l t s i nt h i sp a p e r , ac a o f f l o o d - c a u s i n gt o r r e n t i a lr a i ni nh u a i h e & b a s i nd u r i n g 9 t h l o t hj u l y2 0 0 5i ss e l e c t e d f i r s t l yl a r g e s c a l eh e c k 伊o u n da n a l y s e sa n ds y n o p t i c a n dd y n a m i cd i a g n o s i s 黜m a d e t h ev e r t i c a is t r u c t u r ea n dt h ed y n a m i cc o n d i t i o 邮o f p h y s i c a l e l e m e n t s a s v o r t i c i t y , d i v e r g e n c ea ”a n a l y z e 正a n d t h e n 4 9 r o u p s e x p e r i m e i 吐s b y 1 2 1 3 、n c e p i n i t i a l f i e i d s a r cc o n t r a s t e d a f t e r a 船l y z i n g t h e d i f f e r e n c e sb d 【w 嘲t h e t w o i n i t i a lf i e i d sa n dt h ed i f f e r e n ts i m u l a t e dr e s u l t s t h em n e m o n i ca b i l i t yt oi n i t i a lf i e l d s o f t h em o d e ia n dt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n ti n i t i a lf i e l d so np r e c i f i i t a t i o nf o r e c a s ta m a i n l ya n a l y z e d ，i ts h o w st h a t ： i 、n 砖o b v i o u sd i f f e r e n c e sa r ee x i s t e di ns u b - s y n o p t i cs c a l ec h a r a c t e r l s t i c so f t 2 1 3a n dn c e pi n i t i a if i e i d s a n da l s ot h ed i f f e r e n tg r a p e ss i m u l a t e dr e s u l t sh a v e c o n t r a s ti nc i r c u i a t i o ns i t u a t i o n 、p r e c i p i t a t i o na n ds t a r i o ne l e m e m sf o r e c a s t n a m e l y d i f f e r e n ti n i t i a lf i e l d sc a u s et h ed i f f e r e n ts i m u l a t e dr e s u l t s 2 、f o rt 2 1 3a n dn c e pi n i t i n lf i e i d s t h eg r a p e ss i m u l a t e dr e s u l t sh a v e o b v i o u sd i f f e r e n c e sa n dt h ed i f f e r e n c e sd o n td i s a p p e a rw i t ht h ei n t e g r a t i o nr u n n i n g b u tf o rt h es a m ei n i t i a if i e i dw h e t h e ri th a sa s s i m i l a t i o no rn o t , i to n l ym a r k e d l y i n f l u e n c et h eg r a p e sm o d e lr 鹤u i t si ni n i t i a l0 - - 1 2 h o u r s a n dt h ed i f f e r e n c e sw i l l m i n i s hg r a d u a l l y 3 、i ts h o w st h a tb o t ht h el o c a t i o na n di n t e n s i t yo f h e a wm i nf o r e c a s t e db yt h e n u m e r i cm o d e li sv e r yn e a r l yt h ef a c t b u tt h ef o r c c a s t i n ga r e ao f s t r o n gt o r r e n t i a l r a i nh a ss o m ed i f f e r e n c e sw i t ht h ef a c t k e yw o r d s ：g r a p e s ，t 2 1 3l 3 l ，n c e p ，i n i t i a lf i e l d s ，t h r e e - d i m e n s b n a l v a r i a t i o 舱la s s i m i l a t i o n 2 学位论文独创性声明 本人郑重声明。 1 、坚持以“求实、刨新”的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研舡作和取得的研究成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或 撰写过的研究成果。 s 、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了谢意 作者签名，塞垒茎 l e t期t 三! ! 乙f ：壁 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅l 有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和捕要汇编出版保密 的学位论文在解密后适用本规定 作者签名；整堑茎 日期，兰! 坚! ：壁 南京信息_ 亡程大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章引言 数值天气预报是基于数学方程( 即数值模式) 对大气物理和化学过程的正确描述，并 根据一定的数学计算方法，利用给定的某种大气状态( 即初值) ，来预报未来某个时刻的大 气运动状况。事实上，现代大气科学己十分成熟，全球大气变化过程己可用完整的非线性 偏微分方程组来定量描述“，从而实现定量的数值模拟和数值预报，这组方程的普遍形式 可简写为锷= z 呜，q ，r ，p k ) “，式中i = l ，2 n 朋，2 n ，l 【= l 2 - - m ，其中时空分布变量薯( ，f ) 涵盏温度、湿度、气压、风、辐射、降水、云雾以及痕 量气体、气溶胶等大气组成及诸物理化学量。p i 为描述物理化学过程的参数。这组方程对 应所有的大气状态及变化实际大气过程则决定于初始场t ( ，o ) 及边界值( r ，f ) i s 的定 解条件 模式天气预报就是要预报大气运动从一种状态变化到另一种状态的变化程度大小，对 于数值预报的误差，就其引起误差的原因可分有很多种，但一般来说，数值预报误差是由 初始误差、模式误差和计算误差引起的初始误差即模式初始场不准确性，也就是模式 初始场和实际大气之间的偏差。模式误差主要指预报模式中各种物理过程的不准确性，模 式的不确定性主要有两类，一类是物理过程的不确定性，即数值模式所描述的物理过程与 大气的实际物理过程不一致；另一类是数值解的不确定性计算误差来自于模式离散化时 离散、谱截断及计算精度的有限而产生的截断误差和合入误差目前数值模式己日益完善， 尤其最近l o 多年来，大气科学以及地球科学的研究进展，高速度、大容量的巨型计算机及 网络系统的快速发展，更加快了数值天气预报的发展步伐，模式误差、计算误差已得到有 效控制，因此数值天气预报主要就是初值问题，模式初始场的精度就成了现代数值预报成 功与否的关键 由于客观存在的因素，我们不可能得到全球大气完整的观测值，模式的初值场和大气 不同初始场和边界条件对g r a p e s 模式数值预报的影响 的真实状态只是近似，而不是相同。因此，初始场能否正确反映真实大气运动、能否与数 值模式很好匹配和协调( 即初值质量的好坏) ，直接影响到模式的预报结果，初始场的 微小差别都可能导致截然不同的模式预报结果”“ 1 2 国内外研究进展 近年来随着数值天气预报技术的发展，目前中尺度数值预报模式在许多方面日臻成熟， 同时现在的计算机能力已使过去难以想象的各种各样精细的中、小尺度天气学数值模拟研 究得以实现，中尺度业务数值预报也在许多国家先后开展起来 目前世界范围内普遍关注和开展高分辨的区域中尺度数值预报，这必然会有初、边值 影响的问题当前在中尺度数值预报模式中，为获得大气系统的真实状态，减少初始误差， 可从以下两方面入手以减小误差，获得最优化的初始条件；一方面采用资料同化，充分利 用各种观测场，使得初始场尽可能地接近实际场；另一方面，可以使用高质量的数值模式 资料做为背景场，使得初始场误差极小。国内外已有许多专家从不同侧面对这一问题作过 研究，例如s t a n i f o r t h 1 较细致地讨论了边界信息对变网格模式内区的影响特征；z o u 等“” 采用埘5 的四维变分同化系统，得出了“在同化常规观测资料的同时，同化降水资料可以提高 中尺度对流系统的降水预报水平”的结论：龚建东、邱崇践等“”试验指出，区域中尺度模 式预报误差除了来源于初始误差外，模式误差、侧边界条件的影响也同样重要；张立祥等 “通过平行试验给出了不同初值方案对各预报要素影响的统计特征：陈德辉等“”则分析了 不同初值对1 - c 预报的影响；麻素红等”1 利用t 2 1 趿t 1 0 6 所提供的初始场及侧边界，就不同 初始场及侧边界对台风路径数值预报的影响进行了敏感性试验；闫敬华1 通过对静力与非 静力中尺度模式、不同驱动模式、不同初边值组合、不同边值更新周期、不同初始时刻等 大样本对比试验，较全面细致地从不同侧面分析讨论初、边值对中尺度模式的影响规律及 敏感性；郑益群，钱永甫等。1 就初、边值条件对区域气候模式的模拟结果的影响进行了讨 论，指出在春季开始的积分，初始场的差别会对后期模拟产生明显影响，等等，这些都为 今后中尺度数值预报及其资料同化系统的发展和应用提供了有价值的技术依据 2 南京信息工程大学颈士学位论文 1 3 论文研究的内容 6 r _ p e s 全球区域同化预报模式是由我国自主研制的新一代的数值预报模式1 ，目前 已有学者就此模式进行了大量的研究，但多集中在利用g r a p e s 模式三维变分同化系统 同化常规非常规探测资料针对个例进行研究一1 ；章建成等讨论了g r p e s 模式不同云物 理方案对短期气候模拟的影响“1 ；或对个例使用g r a p e s 模拟结果进行诊断分析。而初 值对g r a p e s 模式的影响尚不详尽，如模式对初始场的记忆程度，初值场与模式的适应情况 等，论述不多。为此，本文分别利用t 2 1 3l 3 1 及n c e p o j a t i o m lc e n t e r sf o re n v i r o n m e n t a l p r e d i c t i o n ) f n l ( f i n a la n a l y s e s ) 资料作为初始场和侧边界条件，进行了个例试验研究， 以了解6 r p e s 区域模式对初始场的敏感程度。为今后发展和应用g r a p e s 中尺度数值预 报及其资料同化系统提供一些技术依据。 1 4 论文的创新之处 安徽省气象台于2 0 0 5 年汛期起开始实时业务运行g r a p e s 崛s o 中尺度数值模式，本 人针对g i l a p e s 模式及其产品的应用做了大量的工作，撰写了多篇相关论文“1 。论文在以 上的工作基础上，选取典型暴雨过程作为个例，针对不同初始场( t 2 1 3 和n c e p ) 对g 鼬址e s 模式性能的影响，从不同角度细致，全面的比较了g r a p e s 中尺度模式模拟结果+ ，这一 基础性工作在国内尚未有相关论述。通过本文的研究，得出了一些有意义的结论，从而为 我们改进中尺度预报产品性能提供理论依据 参考文献2 4 不同韧始场条件对硼 p e s 模式数值预报的影响目前正在气象学报 复审，该文章是 论文的一部分 3 不同初始场和边界条件对g r a p e s 模式数值预报的影响 第二章模式与初值介绍 2 1g r a j p e s 中尺度模式简介 全球区域同化和预报系统( g r p e s ，g l o b a la n dr e g i o n a la s s i m i l a t i o na n d p r e d i c t i o ne n h a n c e ds y s t e m ) 是由我国科学家在充分吸收国内外数值预报与相关学科的最 新科研技术成果的基础上，自主研制的新一代的数值预报模式，也是我国建国以来最完整 的气象数值预报模式”1 6 r a p e s 是以多尺度通用模式为核心的、以统一编程软件标准为平 台的新一代数值预报模式系统，主要包括大气动力模式框架、适用于中期数值天气预报的 物理过程参数化方案、适用于中尺度天气预报的物理过程参数化方案”“它填补了我国 数值预报领域的数项技术空白。使我国在气象资料的同化与数值预报的模式发展技术方面 逐步接近国际先进水平 如图1 ，在模式层中，g r a p e s 系统流程包括两个部分：g i , p e s _ 3 d v 分析系统、g p , p e s 模式系统 分 模 析 昏 式 。 系 标 厂弋 为 统 准 模式初始 一 号 初 四 卜 模 o 口 始日 o 化 式 f 静态资料库1 系u j i ( 地形、植被卜一 统 i 陆面资料等) j v 图1g r a p e s 模式系统流程 2 0 0 4 年3 月5 日g i i a p e s 系统2 0 版本正式对外释放使用，此后不断更新版本，至2 0 0 4 年l o 月，g r a p e s 区域模式软件设计已基本完成并发布了g r a p e s2 1 版本。g r a p e sv 2 1 模式版本 具有良好的可移植性，在多种计算机平台上计算稳定、有效，这些平台包括a l p h a i 作站， p c - c l u s t e r s 微机机群，i b m 计算机以及国产巨型计算机神威一i i 机等 4 南京信息工程大学硕士学位论文 2 1 ig r a p e s _ 3 d v a r 三维变分同化系统简介 准确的天气预报必须以高质量的模式初值为基础为数值预报模式产生初值的方法称 为资料同化，资料同化是数值天气预报( n 肝) 系统的重要组成部分。其目的是通过融合不同 来源的观测信息和大气的背景信息从而为数值预报模式提供准确的( 或最优的) 初值 长期以来，我国业务数值天气预报系统主要采用最优插值( o i ) 方案作为分析同化方案，然 而近些年来。三维变分( 3 d v i i ) 或四维变分( 4 d v a r ) 资料同化方案成为国内外主流的分析同 化方案 g r a p e s _ 3 d v a r 三维变分同化系统是通过求解基于泛函理论的价值函数极小化，获 取预报模式最协调初值的方法它较之最优插值( o i ，0 p t i m a li n t e r ) 方法要先进， 0 i 方法只能同化应用常规资料( 如t ，p ，q ，u - v ) ，而3 d v a r 可同时同化应用常规、非常规 资料( 如遥感资料、雷达资料等) 事实证明，作为新一代全球和区域n w p 系统( c p l p e s ) 的重要组成部分的3 d - v a t 同化系统，它通过直接同化各种常规观测和非常规观铡( 蜘卫星 和雷达探测资料) ，可以解决我国数值预报系统中长期以来在海洋上和高原地区缺乏资料的 问题，从而提高我国中短期数值预报的质量 2 1 2 动力模式框架 新一代数值预报系统g l i p e s 动力模式框架具有以下特点：采用半隐式半拉格朗日时间 差分方案；是有限区域和全球模式的“统一模式”；g p 矾p e s 模式格点距离变化范围覆盖l 1 0 0 k i n ，这样的大气动力模式将同时涉及到静力平衡和非静力平衡系统的问题，所以模式通 过使用开关可选择使用静力平衡或者非静力平衡；水平方向采用c - 网格设计，垂直方向上 使用c h a n n e y - p h i l l i p s 跳层设置；垂直方向采用高度地形追随坐标 2 1 3 物理过程参数化方案 g r a p e s 模式在调研世界先进国家最新发展的业务模式的物理过程方案基础上，根据我 国业务模式发展的需求。对适用于中尺度预报的物理参数化方案进行优选和优化，借鉴研币 与其他最新模式的物理过程程序包，确定了b e t t s - m i l l e r 和k a i n - f r i t s c h ( n e we t 8 ) 对 不同初始场和边界条件对g r a p e s 模式数值预报的影响 流参数化方案以及k e s s l e r ，l i n 和n c e p3 简单冰相三种云微物理方案，还提供了辐射( r r t m 长波方案，d u d h i a 简单短波方案) 、边界层( 1 西) 、陆面过程等多种参数化方案。可供在 研究和预报应用时选择 2 1 4 程序软件设计与并行化 6 r p e s 软件程序设计保证了模式系统软件的通用性，其模式软件框架可适合不同的应 用以及计算机平台；使用f o r t r a n9 0 的模块化编程语言，确保模式各软件包的独立性；可 提供多层次并行计算功能，同时支持串行计算和并行计算，使模式能在不同结构计算机平 台上高效运行；提供与国际上常用数值预报资料的接口，使模式输入输出方便灵活 2 2 本文采用的模式方案 本文使用的是6 l l a p e s 模式2 1 版本，模式试验采用非静力方案，长波辐射过程采用r r t m 方案，短波辐射过程采用d u d h i a 方案，微物理过程采用n c e p3 - c l a s s 简单冰相方案，积云 参数化采用k a i n - f r i t s c h ( h e y e t a ) 方案。模式的计算区域为：2 5 4 3 。n ，1 0 8 1 2 6 。e ， 水平分辨率为0 1 1 2 5 。，格点数东西方向取1 6 4 个格点，南北方向取1 e , 4 4 - 格点，初始场可 加入实时常规地面，探空观测资料做一次三维变分同化，最终输出4 8 j 、时内半小时间隔的 温、压、湿，风场和雨量的格点场预报 2 3 初值的简介 本文使用了两种初值来试验其对g r a p e s 模式预报能力的影响第一种初始背景场资料 是t 2 1 3l 3 1 预报场，它是国家气象中心业务运行的第四代全球中期数值天气预报系统，其 水平分辨率为l 。1 ，时间间隔为6 小时，垂直方向共1 3 层( 1 0 0 0 h p a 、9 2 5 h p a 、8 5 0 h p a ， 7 0 0 h f a ，5 0 0 h p a ，d o o h p a ，3 0 0 h p a ，2 5 0 h p a ，2 0 0 h p a ，1 5 0 h p a ，l o o h p a ，7 0 h p a ，5 0 h p a ) 1 2 1 3l 3 1 全球模式为三角截断的全球谱模式，截断波数为2 1 3 个波，采用了半拉格朗日平 流积分方案，同化系统采用最优插值( o i ) 分析方案嘲。 文中使用的第二种初值为美国国家环境预报中心n c e pf n l 格点资料，它是全球模式 6 南京信息工程大学碗士学位论文 1 2 5 41 6 4 。水平分辨率是l l 。，时间间诵为6 小时，采用三维变分法作为资料同化方 法n c i ! pf 札资料提供了1 0 0 0 、9 7 5 、9 5 0 、9 2 5 、9 0 0 、8 5 0 、8 0 0 、7 5 0 、7 0 0 、6 5 0 、6 0 0 、 5 5 0 、5 0 0 、4 5 0 、4 0 0 、3 5 0 、3 0 0 、2 5 0 、2 0 0 、1 5 0 、1 0 0 ，7 0 、3 0 、2 0 、1 0 h p a 共2 6 层 的各层等压面上的高度场、温度场、风场、湿度场、海平面气压和地表温度等要素为了 便于比较，本文取n c e p 再分析资料中与1 2 1 3 资料相同层次的各要素场作为初始背景场和 侧边界条件 7 不同初始场和边界条件对g r a p e s 模式数值预报的影响 第三章个例介绍和试验方案 3 12 0 0 5 年7 月一次致洪暴雨过程的天气背景条件分析 3 1 1 大尺度环流形势分析 淮河流域地处我国东部，介于长江和黄河两流域之间，跨豫、鄂、皖、苏、鲁5 省4 0 个市( 地) 、1 6 3 个县( 市) 它地处我国南北气候过渡带，降水时空分布很不均匀，复杂 的气候条件和特殊的地理位置，决定了淮河流域是一个洪涝灾害频繁发生的地区 2 0 0 5 年7 月上、中旬，淮河流域出现大范围强降水天气，继2 0 0 3 年后再次发生流域 性暴雨洪涝灾害，造成川、皖、鄂、豫、陕，渝等6 省( 市) 2 7 0 0 多万人受灾7 月1 日8 月2 3 日的淮河王家坝水文站的实时水位变化见图2 ，其中7 月1 1 日达到2 0 0 5 年的 最高水位文中选取的试验个例即为2 0 0 5 年7 月9 1 0 日的这次淮河流域中南部暴雨过程， 它是一次具有影响的典型暴雨过程，导致淮河干流王家坝水文站( 安徽阜南) 洪峰水位于 7 月1 1 日0 6 时达2 9 1 4 米，超过保证水位( 2 9 o o 米) ，流量6 0 9 0 立方米每秒，分别列1 9 5 2 年建站以来第9 位和第8 位；支流涡河蒙城闸7 月1 1 日0 4 时最大流量1 4 5 0 立方米每秒， 为建国以来第五位1 图2 王家坝站2 0 0 5 年7 月1 日8 月2 3 日的实时水位变化图 8 南京信息工程大学硕士学位论文 图3 、4 、5 为这次致洪暴雨过程7 月9 日时、1 0 日0 8 时、1 1 日时的8 5 0 h p a 、 5 0 0 h p a 等压面形势图( 由实时高空观测资料给出) 由图可见7 月9 1 1 日5 0 0h p a 图上 西太平洋副热带高压势力不断增强，1 2 0 。e 脊线稳定位于2 1 。n 附近；东北、山东半岛到 华中维持一深厚的低槽区并且稳定少动8 5 0h p a 图上内蒙东部到东北受高空冷涡控制， 1 0 日0 8 时8 5 0 h p a 上四川东部经淮河流域伸向山东半岛为江淮切变线，低涡中心位于苏皖 北部受江淮切变线影响，9 日时1 1 日时湖北到淮河流域为一雨带，强降水中心 位于河南南部到安徽西北部，4 8 小时累计降水实况见图6 由图可知湖北到淮河流域一带 出现大范围的强降水，4 8 小时该区域内有1 5 3 个县市超过5 0 毫米，有3 8 个县市在1 0 0 毫 米以上，其中信阳2 7 6 m ，新蔡2 7 4 m ，太和2 5 4 m 。 图32 0 0 5 年7 月9 日0 8 时5 0 0 h p a ( a ) 和8 5 0 h p a 形势场 9 不同初始场和边界条件对g r a p e s 模式数值预报的影响 图42 0 0 5 年7 月t 0 1 j 0 8 时5 0 0 h p a ( a ) 和8 5 0 h p a 形势场 图52 0 0 5 年7 月1 1 日0 8 时5 0 0 h p a ( a ) 和8 5 0 h p a 形势场 南京信息工程大学硕士学位论文 图62 0 0 5 年7 月9 日0 8 时1 1 日0 8 时累计雨量( 咖) 3 1 2 各类物理场的特征分析 文中使用7 月9 1 j 0 8 时1 1 e 1 0 8 时6 小时间隔的n c e p f n l ( 水平分辨率i 。x 1 ) 格点资 料，使用各等压面上的温度，t l v 风、相对湿度等资料，计算了涡度，散度、水汽通量散度 等物理量，并对他们的特征分布加以分析 沿东经1 1 5 度作水汽通量散度的垂直剖面图( 图略) ，可见主要水汽辐台大部分时次都 位于9 0 0 h p a 以下，故以下选取9 2 5 h p a 的水汽通量散度为代表分析水汽的来源和变化图7 a 、 图7 b 、图7 c 分别是9 2 5 h p a 上7 月9 1 1 日三个不同时刻的水汽通量散度分布图。9 j 0 8 时在湖 北省西部的水汽通量散度有一个- 6 0 0 x1 0 ”g c l t , a1 s1 强辐合中心，图7 b 可见在扣i 南南部、 安徽北部到江苏有一条水汽辐合带，强辐合中心已增强为- 8 0 0 x1 0 1 。g e m 艄1 。s1 并东移到 河南的南部，图7 c 中水汽辐合带有所减弱并明显南压，辐合中心强度减弱为一6 0 0 i 0 1 g c i 2 l l i ，a - 1 s ，雨带也随之南压到江淮地区 不同初始场和边界条件对g r a p e s 模式数值预报的影响 图7 a 、b 、c 分别是2 0 0 5 年7 月9 h 0 8 时、1 0 1 日0 8 时和1 1 日0 8 时9 2 5 h p a 上的水汽通量散度分布 图( 单位1 0 1 0 9 e m 一p a 1 s - 1 ) 从9 日0 8 时、1 0 d 0 8 时以及1 l e l 0 8 时沿东经1 1 5 度作涡度场垂直剖面图，即图8 a ，b ，c 从图8 a 可见，在北纬3 3 度附近有一个强涡旋，中心位于8 5 0 h p a 涡度值达到1 4 0 x1 0 - s 。 正涡度区从地面一直伸展到3 0 0 h p a 。图8 b 可见，强涡旋中心稳定少动，正涡度伸展区下降 到5 0 0 h p a ，最大涡度降到4 0 x1 0 1 s 一，高度位于7 0 0 h p a 附近图8 c 较前两个时刻有较大变化， 在主要降水带从低层到3 0 0 h p a 已出现负涡度区 图8 a 、b 、c 分别是_ 2 0 0 5 年7 月9 日0 8 时。l o 日0 8 时和1 1 日0 8 时涡度场沿1 1 5 度的垂直剖面图 ( 单位：1 0 - s 1 ) 同上从9 目0 8 时、t 0 日0 8 时以及1 1 日0 8 时沿东经1 1 5 度作散度场的垂直剖面图，即图9 a ， b ，c 从图9 a 可见，在暴雨区上空( 北纬3 0 3 5 度) 中低层为强的辐合区，低层9 2 5 h p a 有一 南京信息工程大学硕士学位论文 个一1 5 0 x1 0 飞1 强辐合中心。而其上空3 0 0 h p a 同时有一个3 2 0 x1 0 k 。1 的强辐散中心；到1 0 h o s 时即图9 b ，中低层的辐合进一步增强，在9 2 5 i p “7 5 0 h p a 、5 5 0 h p a ：； 别有强辐合中心 一5 0 0 x1 0 - s ，高层的强辐散中心为6 0 0 x1 0 。7 s ，并同时略有北移；由图9 c 中可见高低层的 辐散和辐合的数值明显变小，在高空辐散中心附近开始出现较明显辐合，高低空耦合作用 减弱 图9 a 、b 、c 分别是2 0 0 5 年7 ) 目9 n o s 时、i o h 0 8 时和1 1 日0 8 时散度场沿1 1 5 度的垂直剖面图 ( 单位：1 0 - 7 s 1 ) 由以上的分析可知，这种低层辐合、高层辐散，低层正涡度、高层负涡度，水汽水平 辐合的最大值在低层的大气垂直分布结构及动力条件的配置有利于强降水的发生，同时低 层水汽辐合强度也是决定暴雨强度的重要物理条件 假相当位温是综合反映大气显能和潜能的物理量，其垂直分布反映了大气的对流稳定 状态，从假相当位温场进行分析可表现出暴雨区的深厚对流图l o 给出了9 日时、1 0 1 j 0 8 时以及儿h 0 8 时o 。沿东经u 5 度的垂直割面图，从图中可以看到强降雨引起了高一。带及其 南北高钆梯度区，根据有关专家的论述其北侧高钆梯度区大致相当于梅雨锋9 8 0 8 时、 1 0 e t 0 8 时高纬千冷空气前锋的屯密集陡立区位于3 5 。脏右，其暴雨区上空的等钆线近乎 垂直。是一个深厚的中性层结区，它对应着强烈的上升运动在强上升气柱的南侧，7 0 0 h p a 以下存在着强的对流不稳定区，非常有利于低空高温、高湿气流由南自北向暴雨区输 不同初始场和边界条件对g r a p e s 模式数值预报的影响 送1 1 日开始，3 4 4 k 等0 。区明显南压至3 0 。n 附近。暴雨区也随之南压，这次淮河流域强 降水过程结束 圈1 0 a 、b 、c 分别是2 0 0 5 年7 月9 日0 8 时、1 0 日0 8 时和1 1 日0 8 时假相当位温场沿1 1 5 度的垂直 剖面图( 单位；k 1 ) 3 2 试验方案 在对这次致洪暴雨作了较详细的诊断分析后，本文选取2 0 0 5 年7 月9 日0 8 时的t 2 1 3l 3 1 及n c e p f n l 资料作为背景场，运行g r a p e s 中尺度数值模式进行模拟，输出4 8 j , 时内半小 时间隔的温、压、湿、风场和雨量的格点场预报共作3 t 2 1 3 d o 、n c e p d o 、t 2 1 3 n o 、n c e p n o 四种对比模拟试验： 1 ) t 2 1 3 d o ：1 2 1 3l 3 1 资料作为初始场和侧边界条件，加入9 目0 8 时常规地面、探空观 测资料做一次兰维变分，侧边界条件使用t 2 1 3 的预报场每6 小时更新1 次； 2 ) n p d o gn c e p f n l 资料作为初始场和侧边界条件，加入9 日0 8 时常规地面、探空观 测资料傲一次三维变分，侧边界条件每6 4 时更新1 次； 3 ) t 2 1 3 n o ：t 2 1 3l 3 1 资料作为初始场和侧边界条件，初始场未作同化，侧边界条件使 用t 2 1 3 的预报场每6 小时更新1 次； 4 ) n p n o ：n c e pf n l 资料作为初始场和侧边界条件，初始场未作同化，侧边界条件 每6 小时更新1 次。 1 4 南京信息工程大学硕士学位论文 第四章不同的初始场和g r a p e s 模式预报结果之间的差异 4 1 不同初始场之间的差异 本文使用了1 2 1 3 、n c e p 两种初始场来试验其对g r a p e s 模式的影响，首先我们对这两 种初始场进行了比较分析，以了解它们之间的差异文中使用了相关系数 - x ) t y , 一- ) 勺2 来检验1 2 1 3 与n c e p 初始场的相似程度，相关系数越 大，表示1 2 1 3 与n c e p 初始场相似程度越大式中，咒分别为t 2 1 3 、n c e p 资料初始场 中各格点的值，；、歹分别表示其平均值1 2 1 3 与i 班p 初始场中各层高度场与温度场的 相关系数见图l l ，由图可见，t 2 1 3 与n c e p 初始场相似程度比较高，相关系数均超过0 9 ， 但还是有差异存在 图1 1t 2 1 3 、n c e p 各层高度场、温度场的初始场、大尺度场相关系数 为进一步了解t 2 1 3 、舰p 初始场之间的差异，我们首先对初始场资料进行尺度分离 采用9 点平滑滤波方法“1 来获得t 2 1 3 和n c e p 的大尺度平均运动初始场，9 点平滑公式中的 1 5 不同初始场和边界条件对g r a p e s 模式数值预报的影响 平滑系数取0 5 ，平滑次数取3 次；然后，用原始场减去大尺度平均运动初始场得到初始场 的小尺度运动的扰动场在此基础上，我们分别计算了两种初始场之间的大尺度平均运动 场和其扰动场的相关系数t 2 1 3 与n c e p r j 始场中各层高度场、温度场的大尺度场和扰动场 的相关系数分别见图l l 、图1 2 图1 2t 2 1 3 、n c e p 各层高度场、温度场的扰动场相关系数 分析图1 1 、图1 2 可知，t 2 1 3 与n c e p 初始场中各层的高度场、温度场的大尺度平均运动 场之间相关系数较原始初始场的相关系数有所提高，尤其高度场已非常接近t ，这说明t 2 1 3 与n c e p 初始场中大的环流形势很相似而t 2 1 3 与n c e p 初始场的扰动场之间的相关系数较小， 2 0 0 h p a 以下各层的高度场扰动场的相关系数约为0 8 ，2 0 0 h p a 以上逐层相关系数减小；而 1 0 0 0 5 0 h p a 各层的温度场扰动场的相关系数均低于0 5 ，这说明t 2 1 3 与e p 初始场的扰动 场之间的差异较大，即扰动场中显示出的次天气尺度特征差异较大，尤其在2 0 0 h p a 以上的 层次表现极其明显。 对 1 2 1 3 、n c e p 的7 月9 日0 8 时8 5 0 h p au ，v 风场的尺度分离结果( 见图1 3 、1 4 ) 进行分析， 表明：扰动风场可以很好地表现次天气尺度涡旋运动，而原始初始场中难以表现出这种次 天气尺度涡旋运动同时由图可知，t 2 1 3 和n c e p 所描述的大尺度流场差异不大，但其次天 气尺度流场则存在较大的差异。具体表现在扰动场中的强辐合中心个数、位置和强度均存 在差异 南京信息工程大学硕士学位论文 1 0 e 图1 3 3 5 n ( m t 2 1 38 5 0 i i p a 风场7 月0 9 日0 8 时客观分析场( a ) 和客观分析扰动场( b ) 流场图 f町(b) 图1 4i l l c e p8 5 0 h p a 风场7 月o o f l 0 8 时客观分析场( a ) 和客观分析扰动场( b ) 流场图 通过以上分析可知，t 2 1 3 和n c 口初始场中存在着差异较大的次天气尺度运动，他们很 可能是影响g r a p e s 模式预报能力的原因之一 1 7 不同初始场和边界条件对g r a p e s 模式数值预报的影响 4 2 不同模式预报产品之间的差异 4 2 1 不同模式预报结果的形势场之间的差异 在分析了t 2 1 3 与n c e p 初始场的差异后，对试验t 2 1 3 d o 、n c e p d o 每半小时一次的8 5 0 h p a 高度场和风场进行分析，可知他们的总体预报趋势是相似的，但存在差异：试验t 2 1 3 d o 中 8 5 0 h p a 高度场初始时刻在东北南部为1 4 啦势什米的冷涡中心，9 日1 4 时在四川东部生成 1 4 0 位势什米的低涡， 0 e 1 0 8 时起四川东部经淮河流域伸向山东半岛维持切变线。其南侧 的西南风普遍大于2 0 米秒而试验n c e p d o 中8 5 0 h p a 高度场初始时刻在东北南部亦有1 4 0 的 冷涡中心。但在其较偏南的位置( 黄海) 还有一小的冷涡中心，e e l1 4 时在四川东部到湖北 西部生成1 4 2 的低涡中心，1 0 日0 8 时起自四川东部经淮河流域伸向山东半岛为弱的切变线， 且要比t 2 1 3 d o 的切变线位置偏南，同时其南侧的西南风也偏弱，约为1 6 米秒图1 5 是儿 e 1 0 8 时的8 5 0 h p a 高度场( 其余各时次的图略) ，他们大的环流形势基本一致，但冷涡的中心 强度和范围不同。 图1 5 试验t 2 1 3 d o c a ) 、n c e p d o ( b ) 的7 月1 1 e 0 8 时8 5 0 h p a 高度场 为了进一步分析试验t 2 1 3 d o 、n c e 3 d o 模拟结果的相似程度，文中计算了两试验相应 8 5 0 h p a 、5 0 0 h p a 的高度场之闻和温度场之间每半小时一次的相关系数k 试验t 2 1 3 d o 、 南京信息工程大学硕士学位论文 n c e p d o 的8 5 0 h p a 高度场之问和温度场之间的相关系数如图1 6 所示( 5 0 0 h p a 的图略) ，由图可 见，在大部分时间段内试验t 2 1 3 d o 、n c e p d o 的8 5 0 h p a 高度场之间和温度场之间的相关系数 大于0 9 ，说明两组初值所模拟的大尺度环流形势具有较好的相似性；随积分时间的增加， 此相关系数