强对流的数值预测与业务预测的比较外文翻译资料

 2022-12-07 04:12

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强对流的数值预测与业务预测的比较

在澳大利亚的夏天强对流是一个主要的预测问题，尤其在悉尼盆地的强对流经常产生大雨或冰雹,洪水,破坏性的大风，主要发生在悉尼盆地10月到4月的对流活动是一个预测的挑战，目前,被业务预测发行为了补充官方概率对流前景的数值模型指导是需要改进的，在这项研究中,我们依据如何很好地执行就像暴雨和冰雹等其他低水平收敛线等特性的中尺度行提供指导，评估很高分辨率(2公里)数值天气预报(NWP)模型的性能，在业务预报中有两个案例是不正确的，在2000年12月1日被预测为非强雷暴,但发生了强对流，相反，表现良好的数值模型,准确预测12月1日有强对流和12月8日没有对流，这些结果促进了旨在提供一个增强悉尼盆地业务预报数值模拟能力的项目。

  1. 引言

在全球气候中心的一个主要预测问题是对对流提供准确和及时的短程数值天气预报(NWP)指导,特别是如果对流有望达到严重的阶段，一个天气预报员常常需要考虑一系列可能的结果,包括没有雷暴,非强雷暴或强雷暴。目前,对流前景的机会或可能与地图上阴影区域相联系。因此,概率预测取决于预报员是否相信,例如,对于一个包裹上升机制将到达足够强大使它达到自由对流的等级,或垂直运动的数量将会强大到足以穿透温度反演。

本研究的主要目的有两个。首先,我们希望评估专门为预测强对流实时数值天气预报模型预测对流和非对流的潜力。有两天被选中(分别非强的和强的)被业务预测发布的对流前景但实际上强对流只发生在第一天。本研究的第二个目的也是为了显示形成一个用于业务预测的集成系统的一部分，这样的数值天气预报模式的潜力。

升高于周边地区的悉尼盆地是一个雷暴天然实验室(图1),尤其在来自塔斯曼海的温暖水域的水分可用性高的温暖季节(9月至4月)。在悉尼盆地每年雷雨天的长期平均数量从20到25的范围,有机会在这一时期发生大冰雹或破坏性风。最近有很多严强风暴,包括2002年2月16日,1999年4月14日(气象局1999)和1990年3月18日(气象局1993)的雹暴。然而,这里很多时候有有利于强对流的条件,但却是非强的或没有对流发生。例如,在2000年11月和12月有九天悉尼发布强雷暴警告,但在那些日子没有发生强对流。经常发生悉尼盆地的西部和西南地区的，如前额或海风收敛线的气团界限,,但一开始对流并不经常发生。因此,试图在发展中提高短程NWP指导对流/不对流对初始条件的不确定性(尤其)作解释已成为越来越重要的。

图1所示 澳大利亚东南部和悉尼盆地突出地形的位置地图，地形轮廓在米。

为此,作者也一直在进行一个过去五年关于严重和非严重的天气事件短程预测的项目(见,例如,斯皮尔和莱斯利1997;莱斯利和斯皮尔1998;斯皮尔amp;莱斯利2000)。

关注点是在2000年12月1日和8日两个特殊的日子里,悉尼地区的强对流被悉尼气象局预报员在概率意义上所预测，也就是说,可能/可能的预测。图2a和2b是发表在12月1日和12月8日早晨，覆盖新南威尔士悉尼的官方对流前景。12月1日,验证如大雨,大冰雹(gt; 2厘米)和破坏性的大风(gt; 48节或24 m / s)的强雷暴发展,相比之下,在12月8日没有对流发生。对于后一种情况,期望是有足够的浮力使下午的对流发生并且它将达到严重的阶段。然而,广泛的积云在白天发展早上在这天期间消散。下午对流未能实现,尽管先前存在潮湿的东北风和干燥的西北风之间，刚好在悉尼的西南地区范围的边界。在下午通过在低的中层对流层水平减少水分帮助环境变得几乎无云。两个案例的环境设置在第二节中描述，在第三节这种描述模型的特点和研究中使用的数据方法被提出,被描述的模型结果在第四节中突出除了降水预报重要的中尺度机制，对流模型指导结果影响的讨论在第五节给出，结果中的主要发现也在第五节总结。

图2 新南威尔士州气象局发布的，新南威尔士州包括悉尼的雷暴前景:

(a)在2000年12月1日早上10:40有效期至12月1日午夜;

(b)在2000年12月8日早上10:20有效期至12月8日午夜。

  1. 环境设置

2000年11月和12月是雷暴在悉尼地区非常活跃的几个月，在这两个月期间总共九次为期九天的强雷雨警报被发布，通常情况下，强雷暴预警在预期事件内1-2小时发布，12月1日有几篇豌豆大小的冰雹的报道,一份每个冰雹有大理石和高尔夫尺寸的报道,风害的报道,以及局部大雨被记录(定义为该地区在20分钟内总数大于或等于26毫米)。相反,12月8日在悉尼市区没有雷暴。这两天的一般天气设置是被沿着澳大利亚东南海岸和邻近的太平洋向北运动的冷锋所主导(图3a和b)，在悉尼盆地冷空气常常引发强雷暴,尤其是在锋后的空气(斯皮尔amp;莱斯利1997)。

图3a MSLP模式表明在悉尼前额叶气团对流/强对流通常发展

图3b MSLP模式表明在悉尼锋后气团对流/严重对流通常发展

2.1 案例1:2000年12月1日

2000年12月1日当地时间早上6点记录在悉尼机场垂直温度曲线被记录图3c所示，根据天气预报下午最大表面空气温度25ordm;C和露点17ordm;C,生产角值约1250公斤修改后的垂直温度剖面图(图中未显示)将为流上升气流提供足够的浮力。在12月1日下午,雷暴在悉尼盆地锋后表面向南的空气内发展。图3e是一个世界天气研究项目(WWRP)显示离地面大约50米结合雷达10分钟扫描反射率数据,和主要是基于位于悉尼机场附近多普勒雷达数据从的风分析。WWRP的主要推力集中于在2000年悉尼奥运会期间和之后，通过几个原先在悉尼盆地国际研究小组测试现行的天气雷达观测系统，显示展示了在12月1日下午6点南风气流几个对流降水率高的细胞。在12月1日上午的晚些时候,表面和低的对流层水平南风渗透向西通过悉尼盆地到达邻近盆地的范围，下午3点左右随高度倾斜向东穿过悉尼地区的低水平收敛区,造成了低水平南到东南风潜在的西风,从而在雷暴细胞发达的地方提供一个支持区域。

图3c 2000年12月1日当地时间6点在悉尼机场高空图显示垂直温度和露点概要文件

2000年12月1日早上9点观察到的垂直风速剖面也会显示

图3d 2000年12月8日当地时间6点在悉尼机场高空图显示垂直温度和露点概要文件

2000年12月8日早上9点观察到的垂直风速剖面也会显示

2.2 案例2:2000年12月8日

在悉尼机场12月8日早上当地时间6点的垂直温度曲线记录如图3d所示。根据天气预报下午最大表面空气温度26ordm;C和露点17ordm;C,生产角值约2100公斤修改后的垂直温度剖面图(图中未显示),将再次为强上升气流提供足够的浮力。此外,下午相交边界持续在潮湿的东北大风和干燥西北风临近市区的西南部。图3f是一个WWRP12月8日下午5点展示离地面大约50米,清晰地显示位于东北风、西北风和强东北海风之间相交边界的风分析，雷暴通常在或接近边界的交点发展(威尔逊和施赖伯1986)。尽管整个下午这些中尺度现象的存在但没有对流发展发生。12月8日在悉尼盆地一夜之间是伴随雷暴到达悉尼的冷锋，他们发生在距悉尼南部大约60公里的海岸附近。

图3d 世界天气研究项目显示在离地面大约50米的风分析

主要基于2000年12月1日下午6点悉尼机场附近多普勒雷达的数据

图3f 与(d)一样，除了2000年12月8日下午5点

注：东北风和西北风之间的相交的边界标记为红色(虚线)。

  1. 方法

3.1 模型

嵌套策略是由第二作者(Leslie amp;管事1995)使用中尺度数值的天气预报模式，这种在悉尼盆地以流体静力学的形式每天生产两次、实时、高分辨率预测风速和风向、降雨和其他变量的模型称为HIRES,这种形式下，HIRES在高分辨率的案例研究模式已成功制作出一系列现实的雨量分布和数量(见,例如,斯皮尔amp;莱斯利2000)。这种HIRES模型有不同的积云参数化方案,包括运行在5公里水平分辨率的Kain-Fritsch方案(实物地租amp;弗里奇1990)和运行在2公里水平分辨率用于预测各种水蒸气阶段的显式方案(巴克利等人 . 2001年)，这些版本的模型将简分别称为5公里和2公里。

3.2 数据

从澳大利亚气象局的有限面积预测模型，归档操作数据在水平分辨率37.5公里是可用的，这些分析被内插于同一分辨率的HIRES模式,并通过HIRES传热初始化动态方案，HIRES预测的是这个分辨率覆盖的澳大利亚大陆和邻近的海洋，嵌套预测之后以分辨率5公里的和2公里运行在澳大利亚东南,占地面积集中分别在悉尼盆地,如图4所示。

图4 位于悉尼

模型域嵌套网格37.5公里

5公里和2公里网格域也显示

  1. 结论

4.1 案例1:2000年12月1日

对流降雨量及其模式分布在市区的贡献与观察到的降雨量和潜热比较，图5a显示了在悉尼盆地2000年12月1日下午2点至8点降水积累和分布格局，几乎所有的降雨发生在这一时期,它与24小时观察的降雨量匹配(图5b)，在霍斯利公园和Holsworthy AWS分别有两个24毫米和50毫米大的模型预测失败的预测的观测量，然而,对于个人记录,因为是个体风暴细胞等级的尺度，这样的错误是可以预料到的，此外,没有吸收额外的观察。因此,只有最初的归档操作数据是用于生成模型的初始状态。

图5a 2公里分辨率HIRES降水预报分布格局在悉尼和周边地区和积累(毫米)

2000年12月1日下午2点到晚上8点

图5b 2000年12月2日上午9点在悉尼盆地观察24小时降雨量(mm)。

注：所有降雨发生雷暴的结果,即12月1日下午2点至8点。

辐合线是沿海低水平的南到东南风和西风之间清晰地被模型复制，图6显示了12月1日下午6点开始于更早的9个小时的2公里水平分辨率下850 hPa预测风场，这里有一条在南风和西风之间位于中心的明显描述比图6低一半，这区域标记变化从西到南或东南风穿过悉尼盆地倾斜地向东随着高度增加。然而,与图3d相比这是不可能的，因为高于水平面50m这描述这种描述进一步向西发生，因此出了模型的域。在Kain-Fritsch参数化方案和云粒子物理学之间的计划,或在结构和低水平收敛的位置线之间，降雨量和分配没有明显差异。在市区(这种在2公里水平分辨率非静力模式预报在孤立冰雹形式的预报提供有价值的附加信息(最大直径约1英寸或2厘米以上)(图7)。这篇关于在Chipping Norton弹珠大小冰雹的报道和在Campbeltown 高尔夫尺寸冰雹的报道被标记在图7，分别属于直径2厘米和1厘米的等高线。这是一个令人鼓舞的结果，考虑到悉尼,新南威尔士州一般非常容易有雹灾，任何冰雹预报的质量对预测冰雹概率是一个重要的贡献。

图6 专注于悉尼盆地2公里分辨率( 9 h)风场850 hPa(公里/小时)HIRES预测,

为2000年12月1日下午6点

注：位于中间南风和西风之间的描述比图低一半

图7 2公里分辨率HIRES专注于悉尼盆地和显示2000年12月1日下午2点至8点冰雹尺度分布

等高线是冰雹直径(间隔= 1厘米)

注：弹珠大小冰雹在Chipping Norton被报道，高

尔夫尺寸的冰雹在Campbeltown被报道

4.2 案例2:2000年12月8日

41个官方气象局的任何一个雨量测站验证24小时完全没有记录，这最重要的结果是这种模型预测在悉尼盆地没有降水产生，同时,下午期间，这位于东北和西北到西风在悉尼西南之间重要的低水平交叉界限,是这样一个著名的和持续的观察雷达特性，如此真实地被这个模式复制了(图8)，在模型中，有一个低于中等水平对流层由于从悉尼西南西的范围冷空气平流水分减少,从而抑制下午的对流，这种在模型中的水分减少被早上9点(初始状态)与5点( 8 h)相比的露点模型值表示在表1所示。这干燥的大气与在从早上到下午低水平的中层对流层观察到的下降的露点值是一致的，显示在垂直温度探测(图3e)。

图8 下午5点2公里分辨率HIRES预测离地面大约50米( 8 h)风场(公里/小时)

2000年12月8日

注：相交的边界(虚线)与图3f比较

Model level

Dewpoint

Dewpoint

(hPa)

(9 am)

(5 pm)

Near surface

15

16.5

925

16

14

900

14.3

12
lt;

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