FY-4A云导风在GRAPES_RAFS中的同化应用评估

云导风资料具有较高的时空分辨率特性,是数值天气预报中重要的非常规观测资料之一。2016年12月我国第二代静止气象卫星风云四号首颗试验卫星(FY-4A)成功发射。依据国家卫星气象中心提供的2017年8月FY-4A卫星红外和高空、低空水汽通道云导风测试数据,选用美国国家环境预报中心的FNL全球分析资料为参考场,对比分析云导风资料观测分布及偏差特征。评估结果表明,FY-4A云导风测试数据分布稳定,水汽通道云导风资料观测数明显多于红外通道;红外通道云导风资料偏差和均方根误差最小,水汽通道云导风资料在高层偏差较大。基于GRAPES_RAFS系统,选取2017年第13号台风天鸽做24 h预报试验。个例试验结果表明,同化FY-4A云导风资料对模式高度场和风场分析有一定调整作用,特别是同化FY-4A水汽通道云导风资料,对强降水落区和强度预报有所改善。     

FY-4A卫星云导风观测误差优化及同化效果影响研究

为了推进FY-4A卫星资料在数值模式中的实际应用,本研究选择云导风产品作为研究对象,首先统计了FY-4A高层水汽通道和红外通道云导风的观测误差,进一步基于WRFDA(Weather Research and Forecasting model Data Assimilation system)系统,利用默认观测误差和新观测误差进行了为期一个月的循环同化及预报试验,并分析了试验期间的台风预报效果。结果表明:相较于默认观测误差,FY-4A云导风产品的新观测误差垂直结构特征更加明显;采用本研究统计的FY-4A云导风观测误差,能够在默认观测误差的基础上改善风场的分析和预报效果;试验期间的两个台风个例分析表明,新观测误差也能够减小台风路径的预报误差。     

FY-2E云导风的算法改进及其在GRAPES中的同化应用研究

2014年国家卫星气象中心全面改进了风云二号卫星云导风产品算法,为评估算法改进后FY-2E云导风资料对我国GRAPES数值模式同化和预报的影响,根据国家卫星气象中心提供的2013年8月算法改进前后的FY-2E红外通道云导风资料,对比分析了两者的观测分布及偏差特征,并利用GRAPES全球模式进行了一个月的连续试验。结果表明,改进算法后的FY-2E红外通道云导风观测数量明显增加,观测误差在600~200 hPa有所减小,风的平均偏差在高层减少,更满足正态分布;连续试验结果表明北半球和东亚地区风场在300~150 hPa分析中改进显著,风的平均偏差和均方根误差明显减少;预报结果显示500 hPa高度场预报距平相关系数略提高,均方根误差略减小;说明改进算法后的FY-2E红外通道云导风对GRAPES数值模式同化和预报均有一定改善。     

静止卫星云导风的质量控制及在同化中的应用

静止卫星云导风的同化一直以来是卫星资料同化中亟待解决的问题之一,其质量控制是关键。该文针对全球静止卫星云导风的红外、水汽和可见光通道在空间区域的误差特点确定相应的QI阈值,进行了质量控制和等距稀疏化工作,并考察了质量控制前后云导风数量的垂直分布特征。研究表明:质量控制后,红外通道云导风占绝大多数,水汽通道次之,可见光通道最少。最后,文章设计了3个试验方案进行数值模拟,对比分析了云导风在质量控制前后对预报的改进效果,结果表明:加入经质量控制的云导风资料后能有效减小分析场在中高层的误差;经过质量控制后的云导风对全球中短期数值预报 (1~5 d) 有明显的正预报效果。     

MWHS/FY-3资料同化在四川盆地暴雨预报中的应用研究

为了研究同化风云三号B星(FY-3B)和C星(FY-3C)的微波湿度计(MWHS及MWHS-2)观测资料在四川暴雨数值预报中的影响,本文基于Weather Research and Forecasting Model(WRF)及其三维变分同化系统Weather Research Forecast Variatinal Data Assimilation System(WRFDA),实现了对MWHS/FY-3B和MWHS-2/FY-3C观测资料的直接同化。针对2018年7月的一次四川盆地区域性暴雨过程的同化试验结果表明:同化风云三号系列卫星的微波湿度计观测资料对试验开始时刻均有改善,对相对湿度和矢量风场等物理量场有一定的正向调整作用,尤其是同化MWHS-2/FY-3C资料对风场的调整较为明显。同化试验对龙门山北部降水有较明显的改善作用,改善了降水的分布与落区,其中同化MWHS/FY-3B对盆地中部到东北部的降水量级的预报更接近实况,雨区更为连续。同化试验证明了同化风云三号系列卫星的微波湿度计观测资料对于四川盆地暴雨数值预报有一定的业务应用价值。      

LAPS同化GPS/PWV资料在暴雨预报中的应用研究

利用LAPS(Local Analysis and Prediction System)系统同化GPS(Global Positioning System)/PWV(Precipitable Water Vapor)资料,分析GPS/PWV资料对LAPS输出场的影响,并结合WRF模式,将LAPS输出场作为其初始场进行降水预报,进一步考察GPS/PWV资料对降水预报的作用。选取2009年6月28日湖北地区的一次强降水过程,设计三种方案进行试验。结果表明:同化GPS/PWV资料后对LAPS湿度场有显著的改善,而对高度场及风场的作用则不明显;GPS/PWV资料对区域平均可降水量的影响比雷达资料大一个量级;与此同时,利用多种评分方法对6 h累计降水做了检验,分析结果表明同化GPS/PWV资料能够有效地改进WRF模式的初始场,增加丰富的中小尺度信息,并对随后的确定性预报产生正影响。     

Impact of Application of Cloud Motion Wind Data from FY-2C Satellite on Simulation of Typhoon Cases

针对0505号台风“海棠”,采用WRF区域中尺度模式进行控制试验和两个同化试验,利用WRF-3DVAR同化系统同化FY-2C红外和水汽两个通道云迹风反演产品,同化分云迹风经质量控制和未经质量控制两组同化试验.通过三组试验分析云迹风资料对降水和风场等的预报结果的影响,并进行24小时降水量分级Ts评分检验以及风场点对点检验.结果表明:同化经质量控制云迹风资料可以提高降水落区和强度预报的准确度,不同等级的Ts评分较其它试验都有较明显改进;风场预报模拟也有所改善.增加两例台风,使用与“海棠”相似的处理方法进行模拟试验,并对模拟结果24小时降水分析与检验,得到与“海棠”类似结论.因此,经过合理性选择的云迹风资料的加入,有利于补充初始场中可能未包含的中尺度信息,从而提高试验中对于降水、风场等的模拟效果,提高WRF模式的模拟预报能力.     

FY-2C云迹风资料同化应用对台风预报的影响试验研究

针对0505号台风“海棠”, 采用WRF区域中尺度模式进行控制试验和两个同化试验, 利用WRF-3DVAR同化系统同化FY-2C红外和水汽两个通道云迹风反演产品, 同化分云迹风经质量控制和未经质量控制两组同化试验。通过三组试验分析云迹风资料对降水和风场等的预报结果的影响, 并进行24小时降水量分级Ts评分检验以及风场点对点检验。结果表明: 同化经质量控制云迹风资料可以提高降水落区和强度预报的准确度, 不同等级的Ts评分较其它试验都有较明显改进; 风场预报模拟也有所改善。增加两例台风, 使用与“海棠” 相似的处理方法进行模拟试验, 并对模拟结果24小时降水分析与检验, 得到与“海棠”类似结论。因此, 经过合理性选择的云迹风资料的加入, 有利于补充初始场中可能未包含的中尺度信息, 从而提高试验中对于降水、风场等的模拟效果, 提高WRF模式的模拟预报能力。     

Impact of assimilating FY-3C MWHS2 data in the RMAPS-ST forecast system on its rainfall forecasts

中层水汽初值的误差是数值预报,尤其是短期预报不确定性的重要来源.星载微波湿度计资料能很好地弥补常规资料的不足,同化微波湿度计资料对改善对流层中高层的水汽初始场精度有着重要意义.本研究基于新一代快速更新多尺度资料分析和预报系统短期数值预报系统(RMAPS-ST),选取2019年6月4-6日中国华中地区降水过程开展了 FY-3C MWHS2资料同化对于此次降水预报的影响评估.研究开展了4组试验:冷启动试验,控制试验,同化FY-3C MWHS试验,同时同化常规观测和FY-3C MWHS试验.结果表明:经质量控制及偏差订正之后FY-3C MWHS2各通道O-B明显趋于正态分布,同化FY-3C MWHS资料后,对此次降水过程降水落区和强度的预报均优于控制试验和冷启动试验,同时对于环境场的预报也有改善.     

多普勒雷达反射率与径向风资料在数值模式中的应用试验

利用CAPS (Center for Analysis and Prediction of Storm)研发的ARPS (The Advanced Regional Prediction System)模式及数据处理系统ADAS (ARRS Data Analysis System)和3DVar (3-D Variation)系统分别同化多普勒雷达反射率与径向风资料,分析二者在改进模式初始场和预报效果中的作用.通过模拟2003年7月安徽省一次强降水过程,得到如下结论:径向风资料调整初始风场,在积分进行后,对水汽场也有所调整;反射率资料调整初始水汽场,积分开始后,对风场也有调整,其中后者较显著.从预报的3小时降水来看,两个同化试验得到的落区位置与实况都有出入,反射率同化试验得到的预报面积比实况偏大,但二者都比非同化试验效果好.     

风廓线雷达资料在GRAPES-Meso模式中的同化应用研究

以未来业务化应用为目标,本文进行了业务数值预报模式GRAPES_Meso（Global/Regional Assimilation and Prediction System）中的风廓线雷达资料同化应用研究。基于2015年7月的全国风廓线雷达观测数据,首先建立了面向同化应用的风廓线雷达资料两步质量控制方案。通过对比分析质量控制前后风廓线雷达观测资料集与欧洲中心再分析资料ERA-Interim的差值场特征,论证了质量控制方案的合理性,两步质控后风场误差显著减小,同时观测背景差更接近高斯分布,符合数值同化应用假设。将质量控制后的风廓线雷达资料应用于GRAPES-3DVAR系统,开展有、无风廓线雷达资料同化的对比试验,通过批量试验和台风“莲花”个例分析来探讨风廓线雷达资料同化对数值预报的影响。研究表明:在循环同化过程中加入风廓线雷达资料对数值模式初始场有一定改善,风场、温度场、湿度场的分析误差均有减小,从而使短期降水（0～12 h）的预报技巧得以提高。针对台风暴雨个例分析结果表明,风廓线雷达资料同化能有效地调整台风降水区的动力结构和水汽分布,在模式中形成更有利于对流发展的环境条件,从而更好地预报降水的位置与强度。     

GRAPES地面风场同化方案研究

随着预报准确度要求以及同化分析循环周期的缩短,具有高时空分辨率的地面观测资料在同化系统中也越来越受到重视,而且一个好的资料同化系统应该能够给出模式近地面动力、热力和湿度状况的合理分析。利用GRAPES区域同化预报系统(GRAPES——Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System),在近地层Monin_Obukhov相似理论的基础上,考虑了边界层的动力和湿热力约束,建立新的地面风场观测算子。将此新方案与目前GRAPES系统使用的三次样条插值的地面同化方案进行高度场预报试验、统计试验以及降水预报的TS评分比较,结果表明,加入新方案地面风场资料同化后,预报效果和对降水的预报能力都比旧方案有所提高。     

多普勒雷达风廓线的反演及变分同化试验

为了将雷达风场资料更好地应用到数值预报模式中, 使用VAD方法反演多普勒雷达风廓线并处理成标准的探空资料进行变分同化试验。结果表明: VAD方法反演的风廓线与探空实况对应较好, 验证了用VAD技术反演风廓线的可行性。用GRAPES-Meso模式的三维变分同化系统对雷达风廓线资料进行同化后, 风场的初始场明显改善, 降水强度和落区预报也有不同程度的改善。其中, 对6 h降水预报的改善明显优于对24 h的预报改善。另外, 在短时强降水预报中, 雷达风场资料的同化频率和同化窗口的不同, 对降水预报的改善情况也有所差异。在个例研究中, 同化间隔为1 h的方案6 h降水预报要优于同化间隔为3 h和6 h的方案, 同化窗口为3 h的试验方案6 h降水预报要好于同化窗口为6 h的试验方案。     

FY2E辐射资料的直接同化试验研究

利用GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)系统直接同化FY2E红外通道IR1、IR2和WV的辐射资料,并在2011年10月13-14日的华南暴雨个例模拟分析中评估了同化效果。首先对卫星资料进行了稀疏化、偏差订正、下垫面检查、标准差检查、与背景场的偏差检查等质量控制。质量控制使得观测资料更接近高斯分布。个例模拟结果表明同化FY2E辐射资料产生的分析增量主要集中在对流层中低层。其中位温、水凝物混合比分布发生了明显改变,变化幅度从大到小依次为IR2、IR1、WV。同化使得观测增量分别从1.9、1.9和1.4 K降低到1.5、1.5和1.0 K。同化WV通道资料的降水预报优于同化IR1或IR2的,在25-和100-mm量级上的ETS评分提高了约0.05。另外同时同化3个通道的资料,其预报结果并不绝对优于单独同化某一通道资料的试验。     

有云环境下MODIS亮温资料的变分同化Ⅱ——对暴雨预报的影响

卫星资料提供了大量关于云和雨的观测信息,在暴雨预报中可发挥巨大的作用,然而在数值模式资料同化中的应用水平仍然不高,特别是红外辐射资料的应用。由于有云环境下辐射传输过程的模拟难度很大,因此通常只同化晴空环境下的红外辐射资料。基于GRAPES-3DVAR(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统),根据RTTOV辐射传输模式(fast radiative transfer model for TOVS,快速辐射传输模式)的特点,增加云水含量、云冰水含量和云量作为同化系统控制变量,在改进辐射传输模式对红外资料模拟的同时,利用红外资料调整初始云参数和大气参数。针对2007年5月26日南海季风爆发后广东地区的一次暴雨过程,选取MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨成像光谱仪)传感器水汽(第27)和云顶观测(第36)通道进行了同化试验,利用WRF(Weather Research and Forecasting Model,天气研究和预报模式)进行了数值模拟,结果表明同化MODIS资料,可以改进初始场水汽和温度分布,间接调整高空风场,调整趋势符合卫星观测,对短时降水预报有正面影响。     

GRAPES-Meso云分析系统的设计与试验

研究应用LAPS(Local Analysis and Prediction System)云分析方案,基于美国"风暴分析预报中心"开发的中尺度模式ARPS(Advanced Regional Prediction System)的资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System),开发了GRAPES-Meso(Mesoscale of the Global and Regional Assimilation and Prediction System)区域中尺度数值预报模式的云分析系统,首次实现了地面云观测资料、卫星云图、多普勒雷达反射率资料在GRAPRS模式中的综合同化应用。详尽分析了地面云观测资料、卫星红外云图、可见光云图、多普勒雷达反射率多种观测资料对GRAPES模式初始三维云覆盖、多相混合比等云微物理因子以及初始场的调整。通过对2009年6月28日至7月4日湖南省一次强降水过程的模拟试验检验云分析系统的性能,对比分析表明:(1)云分析系统通过地面云观测资料、卫星红外云图、可见光云图、多普勒雷达反射率的同化,能够反演出三维云覆盖状况;(2)在三维云覆盖的基础上结合云底云顶高度,能够反演出云水、雨水、云冰等微粒,并显著改善模式初始湿度场;(3)云分析系统能够显著缩短模式的热启动时间,明显增大了开始几小时的降水量预报,对24小时的降水预报效果也有显著改善。     

AMDAR温度资料的偏差订正及对GRAPES系统的影响

通过对AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)温度资料进行了偏差订正来改善数值预报同化预报效果。方法是以NECP(National Centers for Environmental Prediction)的GFS(Global Forecast System)的6 h预报场作为参考场来统计AM DAR观测温度减去参考场的偏差,根据飞机上升率和下降率,应用最小二乘法拟合温度资料偏差的线性回归方程,然后用回归方程结合探空资料对温度观测进行偏差订正。AMDAR资料来源是国家气象信息中心数据库,偏差统计时间为冬季(2014年12月到2015年1—2月)和夏季(2014年6—8月)。另外,应用GRAPES(Global Regional Assimilation and Prediction System)系统对订正后的AM DAR温度资料进行了1个月(2013年12月)的同化预报影响试验,结果表明,同NCEP的FNL(Final Operational Global Analysis data)资料相比,加入订正后的AMDAR温度资料可以减小高度分析场的偏差和均方根误差,尤其在平飞阶段(300~150 hPa),其偏差、均方根误差减小了2 gpm,对温度分析场的影响也有正效果,偏差和均方根误差最多减小0.15℃。高度场和温度场的预报距平相关系数在250 hPa以上也比温度资料订正前有所提高,温度场的预报时效提高了0.5天。     

AMDAR资料质量分析及对GRAPES系统同化和预报影响

为了研究AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)资料对GRAPES(Global Regional Assimilation and Prediction System)系统的影响,针对从国家气象信息中心实时库检索的业务AMDAR资料,分析了该资料的偏差和标准差等质量特性;利用GRAPES数值预报系统,做了两个月的同化预报循环试验。选取资料和试验的时间是2013年5月、6月,同化窗口6 h,预报时效7 d。结果表明,与背景场该资料的温度要素的平均偏差在0.2°C,标准差在2°C,风的平均偏差在0.2 m/s,标准差在3 m/s,偏差基本符合正态分布;AMDAR资料对同化和预报效果均有改善。     

14:00加密探空对区域数值预报系统的影响研究

基于2014年6月全国14:00(北京时,下同)加密探空观测资料,设计了观测系统模拟试验(Observing System Simulation Experiments,OSSEs)和实际加密探空同化试验(Observing System Experiments,OSEs)来评估14:00加密探空对区域数值预报系统的影响,并对14:00加密探空的观测布局进行了初步探索。结果表明:(1)理想模拟试验和实际同化试验中加入14:00加密探空对于提高区域模式的降水预报准确率均有积极影响,降水预报技巧评分在强降水量级提高更为明显,14:00起报结果优于20:00。(2)理想模拟试验中同化14:00加密探空能有效调整模式初始场中的动力、热力场结构和水汽分布,从而与"实况"更为接近。实际同化试验中增加14:00探空观测能修正模式风场,但对于温度和湿度分析在模式中低层略有负贡献,探空的湿度、温度观测本身存在观测偏差是一个可能的原因。(3)从观测布局来看,14:00加密探空对于数值预报具有基础作用,目前而言,GPS/PW等非常规资料不能取代14:00加密探空。综合考虑探空气球的施放成本,采用探测高度到300 h Pa、重点区域加密是一种经济的14:00增加高空观测方式。     

一次降水天气过程的GPS掩星资料在GSI同化系统中的应用

为了探索全球定位卫星观测系统无线电掩星技术(Global Positioning System/Radio Occulta-tion,简称GPSRO)在业务数值预报模式中的应用效果,以美国NCEP(National Centers for Environ-mental Prediction)业务同化系统为平台,对有/无COSMIC(Constellation Observing System for Meteor-ology,Ionosphere and Climate)GPS无线电掩星观测资料进行了一次降水过程的详细的同化对比试验。试验中GPSRO观测算子主要采用了相对简单但计算省时的局地(Local)同化技术。该个例试验表明:COSMICGPS掩星观测对分析影响较大的地区是常规观测资料较稀缺地区(如洋面),因此在这些地区GPSRO资料可以被看作是对常规观测很好的补充。同时还注意到COSMIC GPS RO资料在对流层下层对湿度场分析和预报的影响显著,在对流层中上层对风场分析也产生正面影响。这证实GPS RO资料在业务数值天气预报中应用的有效性,为我国数值预报未来开展业务GPS掩星观测资料同化提供了有益的科学参考依据。