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《南京气象学院》 2004年
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GPS资料在中尺度数值预报模式中的应用研究

袁招洪  
【摘要】: 利用建立在长江三角洲地区GPS观测网中GPS资料,针对2002年梅雨期间影响长江三角洲地区的降水过程进行了GPS资料在MM5中尺度数值预报模式中的应用研究。研究表明: 1、GPS是一种连续监测大气水汽的有效手段。与常规探空观测相比,GPS测量的可降水量有很好的代表性。在相距2km时,两种测量手段测量可降水量和总延迟量的平均绝对偏差分别为2.13mm和1.28cm。总延迟的变化主要是由湿延迟的变化而引起,其中静力延迟变化呈现了明显的周期性,而湿延迟的变化与天气过程相关联。通过可降水量、总延迟和湿延迟的时、空变化可以分析天气系统演变。应用MM5模式预报结果计算大气平均温度可提高GPS可降水量的反演精度。 2、MM5模式初始场对静力延迟有较好的描述能力,但对湿延迟和可降水量的描述还存在比静力延迟更大的描述误差。MM5模式连续滚动预报(12h)基本能反映总延迟、静力延迟、湿延迟和可降水量的日际变化趋势,但对这些量逐时预报还存在误差。MM5模式对湿延迟的预报能力明显低于对静力延迟的预报能力,并且模式对总延迟的预报误差主要是由湿延迟预报误差产生的。MM5模式分辨率的提高有利于改善模式对静力延迟、湿延迟和可降水量的描述和预报。 MM5模式对可降水量的预报能力与积云参数化方案的选用有关。在MM5模式24h积分的前10~11h,选用KF、BM和Grell三种积云参数化方案模式对可降水量的预报偏差基本接近,对可降水量具有较好的预报能力,其后三种积云参数化方案对可降水量的预报偏差差异增大,模式积分至20~21h后对可降水量的预报能力明显减小。对模式粗网格,Grell方案总体上表现了最高的可降水量预报能力。对模式细网格,Grell和KF方案比BM方案表现了较高的可降水量预报能力。 3、用GPS测量的可降水量资料调整MM5模式湿度初始场可明显增强模式初始场描述水汽分布的能力,使其对可降水量的描述误差明显减小,有利于模式初始场更好地反映出水汽分布的局地特征,从而有效地控制模式积分初期对可降水量的预报误差。GPS可降水量资料的Nudging同化对可降水量预报改善较小, 并且Nudging系数的增加对可降水量预报效果的改善程度影响不大。用GPs资 料调整模式湿度初始场对预报6h累积降水量的改善主要是通过改善模式网格尺 度降水预报来实现的,GPS可降水量资料Nudging同化主要通过改善次网格尺度 降水预报来实现6h累计降水预报能力提高的。总体上,应用GPS可降水量资料 调整模式湿度初始场对6h累积降水预报效果的改善优于连续Nudg ing同化对6h 累积降水预报效果的改善。 4、背景误差对三维变分同化效果起着关键作用,使用NMC方法重新构建 的背景误差更接近实际背景误差。模式变量(。、、、T、p和q)对应的误差水平 尺度与NMC方法中预报误差的平均时间长度和模式提供1 Zh和24h预报所选用 的积云参数化方案有直接的关系。不同模式变量的误差水平尺度存在差异,并且 同一模式变量的误差水平尺度在模式不同的高度层也存在差异。 5、用三维变分技术能有效地同化GPS可降水量资料。GPS可降水量资料的 同化不仅能调整MMS模式湿度初始场,而且使模式初始气压、温度和风场也能 得到相应的调整.在模式积分的前6小时,Cressman客观分析试验对累计降水 量预报优于GPs可降水量资料三维变分同化试验对累积降水量预报,但在模式 积分的6一18小时GPS可降水量三维变分同化试验对累计降水的预报却优于 cressman客观分析试验。总体上,GPs可降水量资料的同化有利于模式降水预 报能力的提高。 6、GPS湿延迟量资料的三维变分同化比GPs可降水量资料同化更容易将GPS 对大气的监测信息传递给MMS模式初始场,使得对模式初始湿度、温度、气压 和风场的调整程度大于GPs可降水量资料同化对模式初始要素场的调整.尽管湿 延迟量资料同化对6h累计降水预报的改善在不同的降水等级表现了不同效果, 但总体上湿延迟量资料同化对6h累计降水预报的改善程度要高于可降水量资料 变分同化。
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