基于TOPSIS的长江上游流域降水模拟与预报研究

为研究长江上游流域高精度的短期降水模拟和预报,优选适宜于流域的WRF模式参数化方案组合,构建了模式中不同微物理过程、陆面过程和积云参数化方案组合,建立了包含平均绝对误差、布莱尔评分、TS评分和合格率多个指标的定量综合评价体系,提出了基于TOPSIS多属性决策的最优参数化方案优选方法,并在长江上游流域选取了4场典型强降雨过程进行模拟分析。研究结果表明:在长江上游流域采用微物理过程WSM3方案、陆面过程Noah方案、积云参数KF方案条件下,WRF模拟降水与实测降水的空间分布和降水量级更为相符。     

山洪预警WRF模式不同物理方案组合对比试验

为了获得致灾山洪降水预报的最佳物理方案组合,基于WRF模式,采用不同物理方案组合对长江流域历史山洪过程,进行了对比试验和检验。采用TS评分法,评估了不同试验方案对各量级降水的预报能力,综合得出了最佳物理过程。结果表明:微物理参数化采用WSM6,对流参数化采用Kfeta模拟的雨带范围和降水强度与实况吻合的最好,预报效果最稳定。证明了物理模式的合理选择对山洪预报结果影响较大。     

WRF参数化方案与初始场对闽江流域暴雨模拟的敏感性研究

数值模式作为目前最主要的天气预报手段之一，已经广泛应用于极端降雨等强天气过程的预警和预测。在实际预报业务中，数值模式受初始场、边界条件、参数化方案等影响，难以进行长时间精准预报。基于新一代中尺度数值天气预报模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model),交叉组合16套微物理过程和积云对流参数化方案，对闽江流域2021年5月17—24日的一场连续性暴雨过程进行敏感性对比模拟。结果表明，WRF模式基本可以再现本次降雨过程的时空分布特征，但明显高估了暴雨中心的强度和范围，EXP9(Lin-NT组合)整体表现较优。对于初始场质量敏感性试验，基于最优参数化方案组合的模拟结果表明，ERA5(The Fifth-generation Atmospheric Reanalysis of the European Center for Medium-Range Weather Forecasts)对各个量级降雨模拟效果均相对较好，与观测数据的时空特征最吻合，其次为GDAS/FNL(Global Data Assimilation System/Fina...     

青狮潭水库降水集合预报模式构建及应用

数值降水集合预报能够降低因单值预报带来的不确定性,是国内外关注的热点。但当前研究多将集合样本预报技巧等同对待,采用集合算数平均得到最终预报结论,这种集合预报方式较为粗放,难以有效区分不同集合样本的差异。针对该问题,本文选择位于广西暴雨中心的青狮潭水库为研究区,构建了基于ETS评分的综合定量评价模型,通过WRF模式21组参数化方案敏感性分析,以及样本数量与集合预报技巧的定量分析,依据ETS评价结果实现了青狮潭水库降水集合预报方案的构建。经验证,本文构建的集合预报方案较集合算数平均预报技巧更高,表现更加稳定。     

WRF模式微物理方案对山西省一次强降雨 过程模拟的影响

应用新一代中尺度非静力模式WRF,采用单向两重嵌套方案,水平分辨率分别为27 km和9 km,对我国山西省2009年7月7日～8日一次典型强降雨天气过程进行不同微物理方案的模拟,得到了降水的数量特征、时空分布变化以及雨区范围和移动过程等方面的数据。对比分析了临县测站和方山测站的降雨模拟效果,结果表明：WSM6方案和M2M方案对降水过程的模拟较好,可作为降水模拟的备选微物理方案。     

基于不同物理参数化方案的中小流域 降雨径流集合预报

气象水文耦合预报能够延长洪水预报预见期,针对预报结果不确定性大的问题,选取东南沿海地区的梅溪流域为研究区,以2012年8月3日“苏拉”台风和2014年6月17日“海贝思”台风引发的降雨洪水为例,开展气象水文耦合下的集合预报研究。依托WRF（weather research and forecasting）模式建立基于36种物理参数化方案组合的降雨集合预报集,并通过耦合WRF模式和梅溪流域分布式水文模型,实现降雨径流集合预报。结果表明：在不同物理参数化方案下,数值降雨预报结果有一定差异,且对降雨空间分布的预报效果优于降雨时间分布,更容易准确描述时空分布均匀的降雨,很难捕捉短历时强降雨;采用集合预报的方式能够有效降低洪水预报的不确定性,当预见期超过6 h时,对于时空分布均匀的降雨,相应洪水过程的洪峰流量预报误差Rf为11.30%,能够准确反映洪峰量级,峰现时间提前2h,相比基于“落地雨”开展的洪水预报有一定优势;基于异方差扩展型Logistic算法对预报降雨进行处理后,能够有效提高降雨预报精度,但对于时空分布不均匀的降雨,洪峰流量误差R f由处理前的-86.89%降低至-48.95%,仍有较大的提升空间。     

复杂地形区域风场物理过程参数化方案敏感性分析

在地形比较复杂的山地地区,WRF中尺度气象模式对风电场风资源评估和预测的准确性受物理过程参数化方案选取的影响。研究边界层参数化选取了YSU、MYJ和ACM2方案;陆面过程参数化方案选取了Noah、RUC和Pleim-Xiu方案,对湖南省湘西自治州某风电场区域,采用1 km×1 km水平分辨率进行数值模拟研究,分析9种不同试验方案对模拟结果的影响,结合实测的数据对物理过程参数化方案进行敏感性分析。研究表明:对于区域的风速模拟计算,在测风年(2006年9月1日—2007年8月31日)春季的最优物理过程方案为YSU边界条件和RUC陆面过程;夏季的最优物理过程方案为YSU边界条件和RUC陆面过程;秋季的最优物理过程方案为MYJ边界条件和Pleim-Xiu陆面过程;冬季的最优物理过程方案为YSU边界条件和RUC陆面过程。研究成果为复杂地形区域风场的应用提供参考。     

WRF模式在大渡河流域的定量降雨预报试验

为了更好地满足大渡河流域水库预报调度需要,利用中尺度WRF模式在大渡河流域进行了高分辨率的定量降雨预报试验,并对预报结果进行评定。结果表明,WRF模式对大渡河流域的降雨空间分布有较好的预测能力,能预测出流域发生的明显降雨过程,对流域降雨过程的主要雨带和强度有较好的预报效果,在降雨的空间分布上与实况基本吻合。但WRF模式对中雨及以上强度的降雨存在较大的空报率,还有待继续针对大渡河流域开展模式参数化方案优化和资料同化试验。     

基于WRF的郑州市暴雨中心最大时降雨过程模拟分析

为探究WRF模式对郑州市暴雨中心雨量最大时降雨过程的模拟能力,选用该模式常用的5种微物理过程方案,模拟郑州市2011-2018年发生的14场短时暴雨,结合时空分布、雨型、雨峰和降雨集中度等降雨特征进行分析。结果表明：WRF模式可以模拟出对应场次的降雨,但雨区位置有所偏移;60%以上场次降雨过程时间偏差在180 min内;模式对累积雨量模拟较好,模拟的降雨过程与实际过程相关性较高,但对过程雨量的模拟有所欠缺;采用模糊识别法分析雨型发现,WRF模式对郑州市单峰雨型模拟较好,对均匀类雨型模拟较差;WRF模式对单峰类雨型模拟时,其雨峰偏差基本控制在±30%内;13场降雨模拟结果的降雨集中度与实测结果基本相同。WRF模式总体模拟结果较为理想,可为郑州市短时暴雨研究提供数值方法的支撑。     

非地转湿Q矢量在龙岩南部大暴雨过程的应用分析

该文利用非地转湿Q矢量方法诊断分析2011年6月12日发生在龙岩南部的大暴雨过程。结果表明:非地转湿Q矢量可以反映本次降水过程,其散度辐合区与降水落区基本吻合,且对雨带的强度和移动有着较好的追踪和指示作用;其散度分布与此次强降水的分布有较好的对应关系,强降水中心主要位于该散度梯度的大值区;对未来12~36 h的强降水落区有较好的指示意义,明显优于散度场。可见非地转湿Q矢量是预报降水落区的一种有力工具,在暴雨、大暴雨天气过程预报分析中具有较高的应用价值。     

适合云南地区风功率预测的数值天气预报系统研究

为了探寻适合云南地区风功率预测的数值天气预报系统,利用 GFS 资料为中尺度模式 WRF提供初始场和边界条件,评估了不同模式分辨率、参数化方案对云南地区风速模拟结果的影响。结果表明: 对于云南地区,3 km 分辨率风速模拟效果总体上优于 9 km 分辨率; 不同参数化方案对于风速模拟效果影响较大,其中第 3 套参数化方案( 长波辐射方案选用 Earth Held － Suarez,短波辐射方案选用 RRTMG,陆面过程选用 Noah,积云对流方案选用 Kain － Fritsch,行星边界层方案选用 YSU) 为云南地区的最优化方案,其模拟结果与观测资料均方根误差最小( 区域平均均方根误差约为 1. 67 m / s,17 个观测站点平均均方根误差约为 3. 30 m / s) 。进一步结合功率预测模型分析表明,较优的分辨率 －参数化组合方案可以提升云南地区风电场功率预测合格率达 9. 68% ～ 38. 71% 。研究成果对提高云南地区风电场功率预测水平、制定合理消纳风电计划具有一定的指导意义。     

基于数值天气预报模式的流域中期径流预报

研究耦合天气预报模式的径流预报对提高预报预见期及流域防洪减灾具有重要意义。以金溪池潭水库流域为例,通过尺度转换和气象要素联结实现GEM和GFS两种数值天气模式与新安江模型的单向耦合,进行流域水文模拟以及中期径流预报。日径流过程和次洪过程模拟结果发现耦合数值天气预报模式的流域中期径流预报能够较好地预估一段时间内的径流总量,而对洪峰以及洪水过程预报能力稍有不足。预报误差来源有水文模型误差和降水预报误差两种,且降水预报的误差在水文模型中会有放大的效应,这增加了中期径流预报的不确定性。     

小浪底库区一次极端大暴雨事件的诊断与模拟

应用常规观测资料、NCEP再分析资料及中尺度WRF数值模式,对2007年7月29—30日小浪底库区发生的一次罕见的大暴雨过程进行诊断分析,指出:WRF数值模式对本次强降水过程有很强的预报能力;利用其模式输出的结果诊断了水汽过水域地带时,其水平和垂直水汽通量增大,增强了这次大暴雨事件的发生;利用中尺度WRF数值模式做地形敏感性试验取得较好的证实。     

WRF模型在山洪灾害预警预报中的试验应用

为了给无气象观测资料地区提供气象数据,提高定量降雨预报的精度。利用中尺度WRF模式建立了面向长江流域的降雨自动化预报系统,该系统分为气象数据自动下载、模式预报和产品输出3个主要部分,且其运行和产品处理全部实现了自动化。对系统2012年11月至2013年2月的预报能力进行了检验,结果表明,WRF模式能较好预报降水的时间演变,24 h晴雨预报、一般性降雨预报和小雨预报的TS评分较高。个例分析表明,WRF模式能较好地预报降水的时空演变特征,但对极端降水的时空变化特征预报还有欠缺。该系统实现了精细化和定量化的防洪降雨预报,可使预报结果与洪水预警相结合,为山洪灾害预警平台的搭建提供了技术支持。     

里贾纳大学水文模型

里贾纳大学水文模型(URHM)是一个基于水文循环物理过程模拟流域水均衡的模型。该模型旨在利用来源于雷达或数值天气模型的分布型降水数据进行水文预报和长期水文模拟。其模拟过程包括蒸散发、截留、下渗、积雪堆积和融化、间层流、地下径流和陆地/河道汇流。     

基于ECMWF和WRF的嘉陵江流域面雨量预报精度评估

将降雨数值预报产品运用到水文预报中已经逐渐成为提高洪水作业预报的预见期的重要手段。为充分了解ECMWF(European Centre for Medium Range Weather Forecasts)和WRF(Weather Research and Forecasting model)2种数值天气预报产品对嘉陵江研究区面雨量预报的预报精度和误差分布,且为增强洪水预报精度的稳健性提供科学支持,采用TS评分、空报率、漏报率、正确率等指标,对嘉陵江地区7个气象分区内的2016年汛期面雨量预报结果进行了检验,分析了不同分区内各检验指标与预报时效的关系。结果表明:ECMWF数值预报产品和WRF数值预报产品均可用于该地区晴雨预报,且2种产品的预报精度随降水等级的增大呈增大趋势,随预报时效的增加呈减小趋势。综合而言,ECMWF数值预报产品对嘉陵江研究区的预报效果更好。     

浑河流域暴雨洪涝淹没模拟研究

根据浑河流域内的自动站和国家气象站,分别对范围内的土壤类型、土地利用状况、洪涝灾情、过程降水量、逐小时降水实况以及降水落区预报等数据资料进行提取,并对浑河流域2005年8月12日14时-13日14时的强降水时段,利用Flood Area模型的暴雨淹没情景模拟分析了洪水淹没过程和效果。结果显示:在强降水作用下浑河流域上游水位明显上涨,大伙房水库上游水位上涨3m以上,李石河、东洲河等支流水位超过5m。灾情调查显示,基于Flood Area模型模拟的洪水淹没深度与覆盖范围基本能够反映强降水的实际状况,在浑河流域暴雨洪涝模拟中该模型具有良好的模拟效果和较高的准确度,可为今后洪涝灾害险情分析、洪水预警以及人员疏散方案的制定提供一定参考依据。     

基于时效匹配法的融合降雨临近预报研究

基于天气雷达外推的降雨临近预报其有效预报期通常不超过3h,而数值天气预报的预热问题"Spin-up"往往导致短期内的预报能力较差。鉴于此,本研究通过"取长补短"设计了一种依据临界成功率指标(CSI)和均方根误差(RMSE)的时效匹配方法,对两者的降雨预报进行融合,并选取了位于大清河水系的阜平、紫荆关流域的4场时空分布均匀程度各异的典型降雨过程进行试验应用。研究基于像素追踪的PBN外推临近预报和数据同化的WRF模式预报,通过时效匹配法实现两者的融合,融合方案为:1 h以内(不含1 h)采用PBN外推预报,1～3 h采用PBN与WRF的融合预报结果,3 h以上(不含3 h)则全部使用数值天气预报。通过对4场典型降雨过程预报效果对比发现:(1)随预见期延长,PBN外推预报权重逐渐下降,WRF模式预报权重逐渐增加;(2)融合权重在降雨初期、末期的变化并不显著,但在降雨发展过程中融合交叉点出现明显变化;(3)融合预报的效果优于两种单独预报,时效匹配法在时空分布均匀的降雨场次表现最好,其次为时间不均匀空间均匀场次,在时空不均匀场次表现较差。     

MM5在黄河流域降水和气温预报中的应用

基于NCEP再分析资料,利用中尺度数值预报模式MM5开展了黄河流域降水和气温预报工作,对其在2011年渭河流域典型降水过程及2011年宁蒙河段和黄河下游的气温预报效果进行分析检验。结果表明:MM5对渭河流域雨区分布、强度及强降水中心位置和量级的预报与实况比较吻合,模式能够正确反映渭河流域汛期降水的空间分布特征;对于气温预报,随着预报时效的延长,误差增大,但平均误差范围均在允许的误差范围内,尤其是对内蒙古河段凌情预报的关键站点-包头站,预报效果最佳。     

鄂西山区副高边缘局地暴雨的GRAPES-Meso模式检验评估

选取2017—2020年鄂西山区10次发生在副高边缘的暴雨过程，利用传统点对点TS评分和对象检验评估GRAPES-Meso的预报性能，并对比了发生短时强降水前的环流形势场、强降水发生的水汽和不稳定等环境场。结果显示，GRAPES-Meso模式在鄂西山区降水预报偏弱，对象检验评估较传统点对点TS评分能更客观评价模式强降水的位置、形状、方向等信息。模式对集中型局地暴雨过程预报效果好于分散型局地暴雨过程；模式预报的水汽条件存在系统偏差，露点温度东高西低的整体分布预报正确，但是对十堰北部、恩施南部山区的露点温度预报均偏低2～4℃;在目标评分较高的个例中，K指数大致可以预报出十堰附近的相对大值区，但是对于发生在宜昌附近的暴雨过程，K指数预报严重偏低。GRAPES-Meso模式预报的环流形势场效果最好，在目标评分较高的个例中，模式能够较好地模拟出辐合中心的位置、出现强辐合的时间，可以为预报预警提供中尺度辐合区、切变线等信息。