华北高分辨率区域数值模式降水日变化预报偏差的成因及改进研究

Under the condition of complex terrain and underlying surface, distribution of precipitation is very uneven, diurnal variation of precipitation has obvious regional differences. There is a clear deviation in the forecast of summer precipitation day in Beijing local high-resolution rapid update cycle system (BJRUC). The diurnal variation of precipitation is an important way to study and understand the process of precipitation formation and evolution, and it is also an important criterion to estimate the numerical model. It is urgent to study the cause of bias of diurnal variation of precipitation. From the diurnal variation of precipitation to understanding the problems existing in the precipitation forecast of convection-permitting numerical model, is a new method to improve the accuracy of precipitation forecast. The project will perform study of the reason for diurnal variation forecast bias and how to improve. Basing on multi-model precipitation product, multi-source observation data and high-resolution analysis, reveal the response mechanism of local circulation forecast to bias of diurnal variation of precipitation, and study the reason for local circulation forecast bias. The research of the project is expected to provide scientific basis for the improvement of numerical forecast model.

华北地区地形及下垫面特征复杂，降水日变化具有明显的区域性特征，华北高分辨率WRF快速更新循环同化和预报系统（BJRUC）对夏季降水日变化的预报存在较明显的偏差，其成因复杂，是一个包含动力、热力以及物理过程在内的科学问题，也是当前业务预报中亟待解决的问题。从降水日变化去认识对流可分辨尺度数值模式降水预报存在的问题，是提高模式降水预报准确性的一种新方式。本项目拟对高分辨率区域数值模式降水日变化预报偏差的成因及改进开展研究工作。基于多模式降水预报产品、多种类观测资料以及高分辨率分析资料，研究华北地区降水日变化预报偏差问题的模式依赖性，研究区域模式中小尺度局地环流预报偏差的时空特征及其对降水日变化预报偏差的影响机制。进一步分析各种因子对局地环流预报偏差的影响机制和主导性作用，探讨局地环流场预报偏差的成因机制，为华北区域数值模式夏季降水预报的改进提供科学依据。

华北地区复杂地形及下垫面、城市热岛效应以及城市环流等导致夏季降水分布极不均匀，山地-平原环流、城市环流对华北地区夏季降水日变化有重要的影响。数值模式是认识降水日变化特征及区域性差异成因的重要手段，目前高分辨率数值模式对区域降水日变化模拟仍然有很强的局限性。从降水日变化去认识对流可分辨尺度模式降水预报存在的问题方面，当前开展的工作还比较少。北京高分辨率区域数值预报系统提供比较准确和精细的气象要素预报和降水预报参考，对强对流天气预报起到很好的作用，能够在气象服务的技术支撑中发挥较大的作用，预报产品在北京各种重大活动保障以及华北区域特大暴雨等重大天气过程预报服务中都得到很好的应用。在长期的业务检验中发现了业务系统中存在的降水预报偏差和大气环流预报偏差特征，本项目通过分析模式预报系统性偏差来源的物理成因，对相关物理过程及模式基本面进行有针对性的完善。.本项目利用5年BJRUC的降水预报结果、GFS和EC降水预报场开展了华北地区降水日变化的研究，结果表明BJRUC在华北地区的夏季降水日变化预报偏差具有模式依赖性。在利用地面自动站和高空观测对BJRUC和EC预报开展检验分析基础上，进一步利用EC预报场对BJRUC开展三维环流场预报偏差特征分析，分析得出BJRUC在平原地区低层大气偏暖偏干，导致对流有效位能明显偏小，不利于平原地区降水的触发。针对BJRUC系统在华北地区低层大气偏暖偏干问题，从云辐射方案对地表短波辐射收支的影响、边界层和近地层方案组合对低层大气的影响、植被覆盖数据对地表感热和潜热分配的影响以及土壤质地数据和土壤水文参数表对地表能量分配的影响四个方面分析了预报偏差的成因问题，并提出了新的地面温湿度预报偏差调整方案技术，该方案较大幅度改善了BJRUC业务系统中地面偏暖偏干的预报偏差问题。通过对一次北京地区降水个例开展敏感性试验，研究了边界层和近地层方案对降水落区和降水强度预报的影响。.