四维数据同化在一次梅雨锋暴雨过程中的应用研究

通过2008年梅雨季内的一次暴雨过程来着重研究WRF模式中四维测站同化技术的应用情况以及不同的同化策略对模拟结果的影响,使用的同化资料包括常规高空和地面探测资料。结果表明:高空探测资料的同化能够较好地修正中α尺度系统的移动发展速度,从而有效地改进强降雨带的落区位置;湿度观测资料的同化反而降低了强降雨带的降水强度,这可能因为同化湿度观测量可能减小近饱和区域内的水汽混合比,从而导致这些区域内的潜热加热减小,对流强度变弱,降水减少;地面观测资料的同化能够对模式行星边界层进行修正,这种同化影响通常在模式最低层上表现得较为明显,向上逐渐减小,而边界层模拟质量对降水至关重要,因此地面观测资料的加入使得模拟降水更加接近于实况。区域嵌套模拟试验表明对粗网格区域进行四维分析同化处理可以有效抑制中α尺度模式误差的增长,对细网格区域进行四维测站同化处理则可以进一步抑制中β尺度模式误差增长。     

利用3维变分方法同化多普勒天气雷达资料的试验研究

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的3维变分同化系统WRF 3D-Var为平台,针对2003年7月4-5日的一次暴雨过程进行了一组同化多普勒天气雷达径向风和回波强度资料的试验研究.其中同化径向风资料的方法是先用两步变分法由多普勒资料反演出水平风,再同化反演风场;同化雷达回波强度资料的方法是通过雷达回波强度与雨水混合比的经验关系以暖雨过程为约束的同化方法.试验结果表明同化雷达资料后对降水预报有显著的正作用.其中单独同化雷达回波强度资料的正作用在前3～6 h效果非常显著;单独同化反演的水平风场对降水预报的正作用能持续12 h;二者同时同化对提前9 h的降水预报改进更加明显.     

集合四维变分资料同化研究进展

背景误差协方差矩阵的精确定义是构建高水平资料同化系统的先决条件。传统四维变分资料同化(4D-Var)方法将观测资料处理转化成以动力模式为约束的泛函极小化问题,通过调整控制变量,使指定时间窗口内由控制变量得到的模式预报结果与实际观测资料之间的偏差达到最小。该方法在同化窗口内可以利用模式的切线性和伴随隐式地改变背景误差协方差,能够在某种程度上满足快速发展的天气过程。但是大部分业务中心的四维变分资料同化系统仍采用静态化的背景误差协方差矩阵模型来缓解背景误差协方差矩阵的维度问题,即矩阵维数远大于可用信息量。随着计算机科学的迅猛发展,维度问题可以进一步通过集合的方法缓解。集合四维变分资料同化就是基于这一目标通过构造多个能反映出背景误差协方差分布特征的样本集合来弥补可用信息量的不足。该方法目前已在ECMWF、Mete-France等业务中心实现业务化,为确定性四维变分资料同化系统提供流依赖背景误差协方差估计。简要介绍了集合四维变分资料同化方法的基本原理;其次以ECMWF为例,概述了四维变分资料同化系统的业务现状,重点阐述了系统在开发过程中需要解决的扰动、滤波、校正等一些关键技术;最后探讨集合四维变分资料同化系统目前存在的问题和未来可能的研究方向。     

使用卫星资料进行边界层四维变分同化研究综述

数值天气预报是当前天气预报的重要手段之一,而同化工作一直是数值预报研究的重点。在查阅了近年来国内外相关文献的基础上,对使用卫星举行资料边界层四维变分同化的研究进展进行了论述,并对最优插值法和变分法2种主要的研究方法进行了简单介绍。研究结果认为,变分方法对于初始场的改善具有明显的效果,与纯粹的统计插值方法相比,变分法具有十分明显的优势;理论上变分法能够同化所有类型大气探测资料,对非常规探测的包容能力极强,不仅能最大限度地获得观测中的信息量,而且避免了各种反演不适定问题。     

云海-2掩星探测资料在全球数值天气预报模式中的同化效果评估

本文基于T799L91全球数值天气预报模式及其四维变分同化系统,构建了云海-2掩星探测资料的同化流程,并以2019年7月开展了为期一个月的云海-2掩星探测资料同化预报试验。对东亚区域、北半球和南半球的同化预报结果评估表明:在全球数值天气预报模式中,同化云海-2掩星探测资料能够有效提高预报场的准确性,提高的幅度随着预报时效和预报日数的增加逐渐增大;在更长时效的72 h、120 h、168 h预报中,云海-2掩星探测资料与GPS（Global Positioning System）掩星探测资料的同化效果在中前期相当,在中后期,同化云海-2掩星探测资料逐渐优于GPS掩星探测资料;随着预报日数的增加,联合同化云海-2掩星探测资料和GPS掩星探测资料的优势逐步显现。     

同化多普勒雷达风资料的两种方法比较

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的三维变分同化系统WRF 3D-Var为平台,比较了两种不同的同化多普勒雷达径向风资料的方法。一种是WRF 3D-Var系统现有的径向风资料直接同化方法;另一种是首先用两步变分法由多普勒资料反演出水平风,再同化反演风场。针对2003年7月4~5日的一次淮河暴雨过程进行的同化试验结果表明,同化了雷达风资料后得到的水平风场包含了更多的中尺度特征;从降水预报评分和预报的雷达回波来看,两种方法都能够明显改进降水预报,这种正作用能维持6 h左右;相对而言,同化反演的水平风场的效果略优于直接同化雷达径向风的效果。     

"中国登陆台风外场科学试验"风廓线仪探测资料在四维同化中的初步应用研究

该文将"中国登陆台风外场科学试验"(CLATEX)中得到的风廓线仪探测资料加入到模式中进行牛顿张弛逼近(nudging)四维同化分析,并讨论在同化过程中不同nudging时间间隔以及不同逼近因子对风场及降水数值模拟结果的影响.结果表明将风廓线仪探测资料通过nudging技术同化到模式中,一定程度上改善了对降水的数值模拟结果;单纯应用nudging技术及单点的风廓线仪探测资料,通过缩短nudging时间间隔以最终改进同化效果有一定局限性;合理的选择逼近因子值(4.0×10-4s-1)得到的同化结果与实况更为接近.     

三维变分和物理初始化方法相结合同化多普勒雷达资料的试验研究

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的三维变分(3D-Var)同化系统WRF 3D-Var为平台,结合物理初始化方法(Physical Initialization,简称PI)来同化多普勒雷达径向风和回波强度观测资料.其基本做法是首先用物理初始化方法由雷达回波资料估计出比湿、云水混合比和垂直速度,然后用估计的比湿和云水混合比对模式的相应变量进行调整,最后再将估计出的垂直速度作为一种新的观测类型添加到现有的WRF 3D-Var目标函数中,同时以WRF 3D-Var提供的方法直接同化径向风.针对2002年6月19日的一次强对流性降水过程和2003年7月5日的一次梅雨锋暴雨过程进行了一组同化多普勒雷达径向风和回波资料的试验研究.同化结果表明:分析变量的增量场和观测的雷达回波有很好的对应关系.在雷达回波区,有正的比湿增量、云水含量增量和垂直速度增量,并且水平风增量在此辐合;在没有雷达回波的地方有负的垂直速度增量.预报结果表明,调整云水含量对降水预报改善不明显,调整比湿对降水预报改进明显,直接用物理初始化估计出的垂直速度替代模式的初始垂直速度,对降水预报改进不明显,但以新的方案同化雷达资料能有效地缩短模式的起转时间(spin-up time),明显改进短时降水预报.     

循环同化雷达资料对一次飑线系统临近预报的改进作用

利用WRF(Weather Research Forecast)模式及其3D-Var(Three-Dimensional Variational assimilation)变分系统,针对2017年7月7日一次飑线进行了雷达资料的循环同化敏感性试验.结果表明:以循环同化雷达资料至飑线成熟期时刻的试验预报效果最好,主要原因...     

气象资料同化的研究进展

回顾了国内外有关气象资料同化的研究进展，介绍了当前资料同化主要方法的理论基础、优缺点及应用研究。重点介绍了伴随方法和遗传算法在四维变分同化中的具体应用。其中，遗传算法的引入为资料同化的研究提出了新的思路。     

资料同化对2017年登陆广东沿海台风的短期降水与路径预报影响

利用华南精细数值天气预报模式,设计了无同化资料(CTRL)、同化雷达反演水汽(EXP1)以及同化雷达反演水汽、地面和探空资料(EXP2)三个试验,对2017年登陆广东沿海的四个台风降水预报与路径预报进行模拟,以评估资料同化对登陆台风短期降水预报、路径预报的影响。分析结果如下:雷达反演水汽同化后对未来24小时降水预报技巧均有正的改善,对台风路径预报影响不大;在此基础上同化地面、探空资料后对台风路径预报有改进,对降水预报改进不明显(与EXP1比)。通过诊断分析台风“玛娃”,发现模式初值场水汽的增量配合对流上升区有利于短时间内成云致雨,从而提高短时降水预报;地面及探空资料同化有利于登陆台风的短时路径预报。      

AMSU微波探测资料同化的质量控制方法概述

微波相比红外、可见光等卫星探测方式有能够穿透薄云的优点,同化微波探测资料能明显改进数值预报模式初始场。由于观测算子在云、降水粒子及性质复杂下垫面等因素影响下模拟辐射传输过程不准确,以及资料的观测误差较大等原因,实际同化应用时必须对微波探测资料加以认真筛选。为充分发挥探测资料作用并保证同化分析效果,在同化AMSU微波探测的研究中,很多机构和学者建立了散射指数、降水检测等质量控制方法,用来剔除观测算子不能准确模拟的观测。研究表明,资料同化过程中引入质量控制能起到改善同化效果,提高数值天气预报准确率的作用。但是,对于各种质量控制方法的原理和使用条件目前尚无完整的分析,使得各业务研究单位使用的质量控制方案差别较大。文章针对AMSU微波探测资料同化,在分析同化误差来源的基础上,总结了散射指数、降水概率、下垫面类型检测等质量控制方法,并简单讨论了质量控制的发展方向。     

FY-3A微波资料在“莫拉克”台风预报中的同化试验

我国新一代极轨气象卫星FY-3A于2008年5月26日发射成功,携带的微波垂直探测仪与NOAA系列卫星的ATOVS性能相似。为研究微波垂直探测仪资料在台风数值预报中的作用,实现我国FY-3A卫星的微波探测资料的直接同化,达到改进台风预报的目的,利用FY-3A微波探测资料,以WRF-3DVar系统为基础,针对2009年第8号台风"莫拉克"路径和强度预报,开展数值预报直接同化技术研究。试验结果表明,直接同化FY-3A微波资料对数值模式初始场改进要优于仅仅同化常规观测资料,对缺乏观测资料的海洋上改进尤为明显,模式初始场更加合理地反映海上台风环流形势以及温湿条件,海上台风的模式初始位置也得到了校正;经过FY-3A微波资料三维变分直接同化后,区域中尺度模式对台风路径预报效果具有积极的改善作用。     

往返式探空观测资料的质量控制及不确定性分析

为了推动新型探测资料在数值预报模式中的应用,本文进行了往返式探空资料同化应用前重要的基础性研究工作。基于国内首次往返式探空观测资料,首先建立了面向业务化应用的往返式探空资料质量控制方案,通过对比和分析质量控制前后观测样本的统计特征,论证了质量控制方案的合理性,质量控制后探测要素抽样分布更为合理,要素间一致性得到提高。进而以数值天气预报高时间分辨率的模式预报场和同站址业务常规探空观测资料为参考,分析质量控制后资料的不确定性,结果表明往返探空探测精度达到了世界气象组织WMO（World Meteorological Center）规定的突破目标,部分探测要素甚至实现了理想目标,探测资料具有可用性。最后结合数值模式背景场探讨往返探空资料的可同化性,研究表明往返探空的风场观测和夜间温度观测满足变分同化系统的高斯、无偏假定,可直接同化;气压、湿度和日间温度观测在资料同化前需要开展偏差订正工作,从而更有效的发挥资料价值。本文的研究工作为今后往返探空资料在模式中的同化应用奠定了基础。     

FY-3A SATELLITE MICROWAVE DATA ASSIMILATION EXPERIMENTS IN TROPICAL CYCLONE FORECAST

China’s new generation of polar-orbiting meteorological satellite FY-3A was successfully launched on May 26,2008,carrying microwave sounding devices which had similar performance to ATOVS of NOAA series.In order to study the application of microwave sounding data in numerical prediction of typhoons and to improve typhoon forecasting,we assimilated data directly for numerical forecasting of the track and intensity of the 2009 typhoon Morakot(0908)based on the WRF-3DVar system.Results showed that the initial fields of the numerical model due to direct assimilation of FY-3A microwave sounding data was improved much more than that due to assimilation of conventional observations alone,and the improvement was especially significant over the ocean,which is always without conventional observations.The model initial fields were more reasonable in reflecting the initial situation of typhoon circulation as well as temperature and humidity conditions,and typhoon central position at sea was also adjusted.Through direct 3DVar assimilation of FY-3A microwave data,the regional mesoscale model improves the forecasting of typhoon track.Therefore,the FY-3A microwave data could efficiently improve the numerical prediction of typhoons.     

集合卡尔曼滤波同化探空资料的数值试验

应用集合卡尔曼滤波（Ensemble Kalman Filter;EnKF）方法,同化了2005年7月一次暴雨过程的探空观测资料,并用非静力中尺度模式MM5进行数值模拟试验。结果表明：在理想模式的假设下,即假设真实模拟和所产生的集合用的是同一个模式并有相同的初始误差,EnKF方法同化的分析结果较好。如果不运用EnKF方法同化探空观测资料,则集合预报结果和不加扰动的单个数值预报结果都没有EnKF方法同化过的好。     

风廓线雷达资料对GRAPES_MESO数值预报系统影响的初步研究

针对一个南方切变线系统降水个例,通过观测系统模拟试验(OSSEs)对我国拟建风廓线雷达观测网内的不同类型风廓线雷达观测资料在GRAPES_MESO系统中的影响、对风廓线雷达观测和探空观测及两者混合使用时在GRAPES_MESO系统中的影响差异进行了初步分析和讨论。试验结果表明,在GRAPES_MESO系统中,风廓线雷达资料对500 hPa高度以下水平风速分析场的修正作用明显优于探空资料;风廓线雷达资料对水平风速分析场的影响高度极限大约在300 hPa附近,经过6h的传播,其影响可以向上继续传播至250 hPa以上高度;在300 hPa高度以下,同化对流层Ⅱ型风廓线雷达资料对水平风速分析场的影响比边界层型风廓线雷达资料略大;单独同化风廓线雷达资料对降水预报的贡献较弱,与探空观测混合使用时有助改进降水预报。     

臭氧卫星观测资料同化系统构建及其试验研究

为检验臭氧卫星资料同化对臭氧分析场和预报场的影响,基于集合平方根滤波(ENSRF)理论,结合通用地球系统模式(CESM),构建了CESM-ENSRF同化预报系统。系统构建过程考虑了卡尔曼滤波同化中的关键问题:利用全场随机扰动对初始场加扰,结合一般协方差膨胀和松弛协方差膨胀方法实现协方差膨胀,使用五阶距离相关函数进行协方差局地化。将构建的系统用于微波临边探测器(MLS)臭氧廓线数据的同化,分析臭氧卫星资料同化对模式预报的影响。结果表明:构建的CESM-ENSRF同化系统有效实现了臭氧资料同化,臭氧卫星资料同化对臭氧分析场和预报场精度有较大改进。     

大气数据同化方法的研究与应用进展

简要介绍了大气数据同化的基本思想与方法，阐述了松弛逼近法、Kalman滤波和变分约束法三种大气数据同化方法研究状况和应用进展情况。     

基于模式约束三维变分技术的连续循环同化试验研究

由于模式约束三维变分同化技术中考虑了模式的动力和物理过程,因此能保证各物理量间的平衡关系,从而滤除由于观测资料引入导致的高频波动,减小模式与初始场的协调时间.由于能在较短时间调整到稳定状态,采用模式约束三维变分同化进行连续循环同化可用较少的计算量达到同化多时次的多种观测资料的目的.该研究利用模式约束三维变分技术,针对2006年"桑美"台风个例,进行了连续循环同化卫星云导风、QuikSCAT海面风、Bogus海平面气压的试验.在台风数值预报中往往需要使用经验构造的台风信息(如Bogus海平面气压,Bogus风场等),该研究采用了模式约束三维变分同化技术同化Bogus海平面气压.由于模式约束三维变分同化技术充分考虑了各物理量间的约束,因此通过同化Bogus海平面气压也调整了初始场中相应的高度场、温度场、风场等变量,使得初始场中的台风涡旋具有较强的协调性,提高了对台风的模拟能力.采用AVN模式6小时间隔的分析场作为侧边界,2006年8月8日20时的分析场作为初估场,文中对8月8日20时到9日05时"桑美"台风的观测资料进行了连续循环同化.采用连续循环同化后台风路径的模拟精度得到了显著提高,对台风降水结构等的模拟也得到了改善.