高分辨率数值模式预报系统及应用
2021年度数值模拟研究团队在数据同化和高分辨率模拟方面开展了研究，风云卫星资料同化显著改进台风模拟，陆面观测和算法开发为陆面数据同化奠定了基础；高分辨率海洋中尺度涡旋模拟、陆面蒸散发模拟、降水和台风模拟都取得一定进展，为下一步工作奠定了很好的基础。具体进展如下：
a.完成了辐射传输观测算子的开发。使用瑞士引进的带状矩阵天线新型L波段微波辐射计，在复旦大学长江河口湿地生态系统国家野外科学观测站架设了相关设备的前期验证，为数据同化的地面验证提供了可靠的观测资料。使用德国Juelich研究中心与波恩大学气象系等共同开发的耦合模式TSMP-PDAF（the Terrestrial System Modelling Platform - the Parallel Data Assimilation Framework）中以CMEM为观测算子的同化器开发工作。以CMEM（the Community Microwave Emission Modelling Platform）为辐射传输模型由本项目支持自主开发，目前已经在复旦大学大气科学研究院服务器上完成了安装、调试工作。利用地球系统模式CESM构建了关于海冰不确定性对乌拉尔阻塞事件可预报性影响的非线性最优化模型。通过使用智能优化算法——粒子群算法求解得到了对乌拉尔阻塞事件发生影响最大的北极海冰扰动。结果显示，格林兰海、巴伦支海及鄂霍次克海的海冰密集度对乌拉尔阻塞事件的延伸期预报有最大的影响。这些区域的海冰变化会通过改变局地的热通量，从而引起局地温度场的异常。在大气环流的作用下，扰动会向上传播，引起对流层中层纬向风场的异常，进而影响乌拉尔阻塞事件的发生。该问题的研究可以为乌拉尔阻塞事件的延伸期预报提供理论指导。
b.使用NASA中等分辨率成像光谱仪MODIS叶绿素资料，采用亚中尺度涡自动识别方法，获取了南海全海域次中尺度涡旋分布及特征。基于观测的南海次级中尺度涡旋分布及特征研究，有助于我们对南海中小尺度的理解，为南海超高分辨率数值模拟提供了可靠的验证依据。基于区域海洋环流模式(ROMS) 的自由表面变量识别模式中的亚中尺度涡，研究表明该识别方法成功地识别出了吕宋海峡附近丰富的亚中尺度气旋涡（蓝色）和反气旋涡（红色），并与观测表征的一致，吕宋口存在大量的次级涡旋。这表明我们建立的高分辨率模式具备很好的海洋中小尺度现象模拟能力，为后续高分辨率预报系统的建立提供了扎实的基础。
c.对比了一般线性回归（OLS）、地理加权回归（GWR）和多尺度地理加权回归（MGWR），定量分析了中国华东地区地形高程、地形坡度、离海岸线距离、地形起伏度及主风向系数等地形因子对降水量的空间分布的影响。为了评估土壤类型分布对温度和降水的影响，课题收集了高分辨率的中国土壤数据集。与模式默认华东地区土壤类型数据对比发现二者存在显著差异，主要表现为默认数据对河谷地区沙土含量估计偏低，对南部森林区域沙土含量估计偏高，有机质含量整体偏低。针对我国华东副热带地区的复杂下垫面特征，评估和优选高分辨率条件下针对强降水的陆面过程、边界层过程和微物理过程参数化方案。对华东地区2014年夏季降水的4km模拟结果表明二者对强降水的模拟差异显著。设计敏感性试验，定量评估了苏锡常城镇群和太湖对华东地区短时强降水的影响。从水量平衡和能量平衡的角度分析青藏高原蒸散发模拟误差。研究表明，28km 和4km动力降尺度模拟在季风期表现均优于再分析资料，但在非季风期存在低估，尤其是低估了冰雪和苔原下垫面的蒸散发。该研究发现目前模式在青藏高原地表蒸散发模拟中的主要问题，为进一步改进陆面过程模式指出方向。开展了对流允许尺度模拟（4 km，CPM）和动力降尺度模拟（28 km，DDM）。以站点观测为准，综合评估了两套降水模拟数据和四套降水网格数据（APHRODITE、GPM、ERA-Interim和ERA5）在高原上的性能；然后以降水日变化特征为重点，从水汽输送和对流能量角度解释了模拟数据（CPM，DDM）与再分析资料（ERA5）的差异；最后，通过分析湿对流不稳定度条件，深入挖掘降水日变化差异的物理机理。同时，采用中尺度数值模式WRF-ARW V3.7.1，开展了控制试验与一系列敏感性试验，研究全球变暖背景下青藏高原热力强迫作用的变化与趋势。控制试验模拟区域为双层嵌套网格，外层网格的水平分辨率为27km，格点为641 x 381；内层网格的水平分辨率为9km，格点为553 x 331。敏感性试验主要分为以下四大类：边界层方案敏感性试验，微物理方案敏感性试验，水平分辨率敏感性试验以及下垫面状况敏感性试验。
d.利用天气研究与预报模式（WRF）V3.2.1对2014年9号台风威马逊在南海的发展进行了超高分辨率的数值模拟，较好的重现了其在穿过菲律宾之后，在南海快速加强以及登陆阶段演变过程。采用6层嵌套设计，最内侧网格水平分辨率为74 m。为了提高涡旋初始结构的准确性，模拟的初始场利用了Cha and Wang 于2013年提出的动力学初始化方法，对7月15日 18 UTC与7月16日 00 UTC之间进行循环运行6次，将初始涡旋的10 m风场以及中心附近最低海平面气压提升到了接近JTWC 最佳路径资料的数值。模拟结果准确地展示了两次登陆路径，模拟的台风强度变化反映了观测事实。利用区域模式WRF研究了梅雨锋暴雨的可预报性问题，并从误差发展的角度探讨了尺度间的差异性，指出大尺度大误差的重要性要远大于小尺度小误差，这为后续的可预报性以及集合预报的开展提供了重要的依据。
基于风云四号A星(FY-4A)全球首次在地球静止卫星上搭载红外高光谱探测仪监测数据，将2020-2021年监测到的台风高分辨率的温湿廓线数据同化到区域高分辨率模式中，显著改进台风的路径和登陆沿岸风场及降水的预报。该研究表明FY-4A的目标观测有望为台风高分辨率模拟提供低成本、稳定可靠的观测平台，改进台风的同化和预报。
