海温数值预报资料同化试验Ⅰ.客观分析的最优插值法试验

利用最优插值法发展了一个海温短期数据预报的资料同化系统，并进行了一些客观分析试验。这个同化系统具有下述几个特点：（１）由于海温的保守性，在对海个时次的船舶报ＳＳＴ资料进行同化时，加入了前后相差６ｈ的相邻资料作为同时资料，增加了资料密度，较好地解决了海洋资料相对稀疏引起的问题；（２）利用模式的一系列后报试验结果来估计模式预报误差的标准差，这比常用主观猜测的方法更加客观；（３）对观测资料进行检误的质量     

基于CESM气候模式的ENSO后报试验

基于美国国家大气研究中心(NCAR)开发的通用地球系统模式(CESM),本文设计了nudging次表层海温的同化方案,进行了后报实验。对1982-2011年后报结果的分析表明,通过nudging同化,模式对ENSO现象有一定的模拟和预报能力,对赤道太平洋SST、纬向风、降水等海洋、大气要素等的后报结果与GODAS和NCEP再分析资料较接近,可以较好地重现历次厄尔尼诺和拉尼娜事件中异常东传的过程,超前1、3、6个月时,模式预报的Nio3指数与CPC指数的相关性分别达到0.88、0.81、0.70。但模式同时也表现出一定的春季预报障碍,秋季起报的后报效果最好,春季最差。对1982/1983和1997/1999两个厄尔尼诺事件的分析表明,模式后报的纬向风、热通量、风应力等大气变量的响应较实际滞后,而海洋的变化与实际情况相似,这与我们的同化方案设置有关,即模式只同化了次表层海温,进而强迫大气的响应,从而导致大气的变化较滞后。     

海表面温度的变分同化预报模式:初始场的全局优化

利用变分同化技术,将船舶报资料与海表面温度短期数值预报模式有机结合,实现了渤、黄、东海的海表面温度短期数值预报。本预报模式利用伴随方法实现了预报模式的全局优化,不但最大限度地利用了船舶报资料,而且初始温度场的调整由自动的数值迭代过程来实现。在渤、黄、东海海域,4个季节的典型月份的SST连续1个月的24h后报结果与船舶报资料均方差均降至0.8℃以下。同化后海表面温度初始场的绝均差较同化前有显著下降。与以前所用的客观分析方法比较的结果表明,伴随同化的预报精度明显高于客观分析方法。     

最优插值方法在西北太平洋海温同化中的应用研究

本文开发出一套与三维温盐流数值模式POM相匹配的最优插值数值同化模块,具有将船舶报资料和Argo海温数据加入数值模拟的能力.利用该同化系统,本文对2001～2002年进行了数值模拟试验,通过模拟结果和未加入同化的模拟结果的对比表明,该同化系统能有效地改进三维海温模拟结果,使之更为接近于观测值.     

南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统研制

本文主要介绍了南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的研制概况。预报区域为99°E~135°E，15°S~45°N，包括渤海、黄海、东海和南海及其周边海域。为了给耦合预报模式提供较准确的预报初始场，在预报开始之前，分别进行了海浪模式和海洋模式的前24小时同化后报模拟。海浪模式和海洋模式都采用了集合调整Kalman滤波同化方法，海浪模式同化了Jason-2有效波高数据；海洋模式同化了SST数据、MADT数据和ARGO剖面数据。为了改进海洋温度和盐度的模拟，我们在海洋模式的垂向混合方案中引入波致混合和内波致混合的作用。预报系统的运行主要包括两个阶段，首先海浪模式和海洋模式进行了2014年1月至2015年10月底的同化后报模拟，强迫场源自欧洲气象中心的六小时的再分析数据产品。然后耦合预报系统将同化后报模拟的结果作为初始场进行了14个月的耦合预报。预报产品包括大气产品（气温、风速风向、气压等）、海浪产品（有效波高和波向等）、海流产品（温度、盐度和海流等）。一系列观测资料的检验比较表明该大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的预报结果较为可靠，可以为南海及周边海洋资源开发和安全保障提供数据和信息产品服务。     

基于海浪谱分解与重构的资料同化试验

针对有效波高资料提出一种海浪谱分解与重构的资料同化方案:利用历史时段内的有效波高观测资料和模式计算波高场,采用最优插值方法得到分析波高场;在WAVEWATCH-Ⅲ模式的波浪能量密度谱和有效波高分析值之间引入一个变异系数矩阵,描述模式的误差,以此为状态向量构建卡尔曼滤波系统,对分解过的海浪谱进行修正和重构,得到同化后的海浪谱初始场。利用美国阿拉斯加湾北部海域的7个浮标站进行同化和72 h预报试验,对连续1个月的预报结果进行统计表明:采用该同化方案后24 h预报结果的有效波高均方根误差比未同化的结果降低了0.13 m;同化方案对预报效果的影响可持续36 h左右,随着预报时效延长,同化的效果减弱。     

遥感资料同化对海表温度预报的影响

本文将AMSR-E卫星微波遥感海表温资料运用到渤黄东海海表面温度短期数值预报模式当中.数值预报模式利用伴随方法实现了预报模式的初值场优化.微波遥感海表温资料与海表面温度短期数值预报模式有机结合后的试验结果表明:将预报结果和船舶报资料进行比对时,将遥感资料引入到数据同化的结果要明显优于仅同化船舶报资料的结果,且均方差大部...     

单站海温短期预报自动化

对大连、深圳等7个沿海城市海洋观测站自1991～2002年的海温、气象要素数据进行统计分析,结合经验预报因子,针对各个预报站点建立了短期海温统计预报模式,并对该模式进行了后报试验,模式运行稳定后投入到海温预报业务化使用,实现了预报流程的自动化。     

Kalman滤波风暴潮数值预报四维同化模式研究进展

本文首先介绍了Kalman滤波在风暴潮数值预报中的应用，特别介绍了近年来国际上发展的一些在实际中可行的次优化Kalman滤波算法。并通过一个稳态Kalman滤波风暴潮数值预报模式的实例表明，使用资料同化可以明显改进风暴潮后报结果；资料同化能够提供更为合理的预报初始场，对风暴潮的短期预报有较明显的改进。一旦没有资料同化到模式中去，预报结果很快接近确定性模式。     

一次局地大暴雨的地面观测资料同化预报试验研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3DVAR(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36 km、12 km、4 km三层嵌套网格进行逐3 h资料同化和快速更新循环预报,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了资料同化敏感性试验。试验结果表明,地面观测资料同化和快速更新循环对本次降水的预报起到了关键性作用。在快速更新循环预报时不同化地面观测资料,或同化全部观测资料进行冷启动预报,模式均不能预报出山东的降水。同化地面观测资料后,显著改进了模式降水落区预报。地面观测资料同化可以影响到700 hPa高度以上温压湿风要素的变化,从而改变了大气初始场的温湿结构,导致模式预报的700 h Pa附近高空大气湿度和热力不稳定增强,700 hPa以下低层风场更强,850 h Pa鲁中以南风速较无观测资料同化的偏强2～4 m·s-1,低层风场的动力作用触发高空的不稳定大气,降水出现在山东。     

GPS掩星资料三维变分同化对台风模式预报的改进试验

本文尝试了GPSRO COSMIC资料在中尺度数值模式中的应用,利用COSMIC资料受云和降水影响较小,且有高数据精度、高垂直分辨率等优点,以改善模式初始场,进而提高预报准确度。模式采用中尺度气象模式WRF V3.0.1版本及其三维变分同化系统3DVAR,利用NCEP再分析资料、GTS资料和COSMIC资料对2009年第8号台风"莫拉克"登陆台湾岛前到登陆台湾岛的过程进行了模拟试验,并对温度、露点温度、对流有效位能等要素进行了诊断分析。试验结果表明:该项试验成功将COSMIC资料同化进模式,加深对"莫拉克"热力结构特征的了解,有效改善台风降水和路径预报,其中仅屏东县单点降水预报提高600 mm左右,24 h预报路径误差提高80 km以上。同时对提高台风强度预报起到积极作用。     

COSMIC掩星资料同化对台风“天兔”预报影响的试验

台风数值预报的关键之一在于给定准确的模式初始场。本文使用气象、电离层和气候星座观测系统(COSMIC)的卫星资料,通过资料同化技术改善数值天气预报模式的初始场,进而评估数据同化技术对台风(或热带气旋)预报的改善效果。使用我国自主研发的数值天气预报模式,对1319号台风“天兔”进行模拟试验,对温度场、湿度场、涡度散度场及假相当位温场进行诊断分析。试验结果表明,与同化常规探空资料相比,COSMIC资料的同化可减小模式预报台风路径误差,台风附近降水落区更为集中。研究评估了掩星资料同化对模式的改进作用,并能为台风预报技术和防灾减灾提供参考。     

中国海及邻近海域卫星观测资料同化试验

利用1个基于POMgcs海洋模式和多重网格三维变分同化方法建立的中国海及邻近海域海面高与三维温盐流数值预报模型,通过一系列数值试验,研究了同化卫星测高和卫星遥感海面温度观测资料对该模型预报能力的影响。试验结果表明,同化卫星测高资料可明显改善海面高度与三维温度和盐度的分析预报效果,使1 200 m以上的温度预报误差减小0.16℃,并能有效提高对海洋中尺度现象的预报能力;同化卫星遥感海面温度对100 m以上的温度和盐度的预报效果有所改善,可使海面温度的预报误差减小10%。     

基于不同背景场条件的雷达资料同化在登陆台风“桑美”中的应用研究

本文针对2006年登陆我国的超强台风“桑美”,分别采用美国国家环境预报中心的全球预报系统(Global Forecasting System, GFS)再分析资料和日本气象厅(Japan Meteorological Agency, JMA)区域客观再分析资料作为背景场,利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)及其三维变分同化系统进行多普勒雷达资料同化和数值模拟试验,考察不同的背景场条件下雷达资料同化对台风初始场、内部结构及其随后确定性预报的影响。结果表明:GFS试验和JMA试验在同化了雷达资料之后分析出的台风700 hPa风场和500 hPa高度场相比其初始场均有所增强,JMA试验在3 h同化窗内的均方根误差和最小海平面气压的改进效果均比GFS试验显著,同时对台风动力和热力结构的改进效果也优于GFS试验;JMA试验对台风降水、路径、强度的预报均优于GFS试验,且能预报出台风前沿的降水,更加接近观测实况。     

MODAS试验数据统计分析

模块化海洋数据同化系统（MODAS）通过同化卫星遥感测得的海面温度和海面高度，产生一种动态气候态，能够更接近地预报出海洋的真实状况。介绍了MODAS基本原理，并选择试验海区，对MODAS数据进行了统计和分析。     

一个稳态Kalman滤波风暴潮数值预报模式

利用Kalman滤波资料同化技术将海洋站水位观测资料融入二维线性风暴潮模式中,研制具有资料同化能力的风暴潮预报模式,改进风暴潮模式计算结果.通过在风暴潮模式的动量方程中加入模式噪声项来修正模式本身和气象强迫力的不确定性.确定性模式的输出通过带有观测噪声的观测方程与可利用的海洋站的潮位观测资料联系起来.假定初始的模式噪声和观测噪声满足均值为0的高斯分布,用迭代法得到计算区域的状态向量的稳态Kalman滤波,进而得到风暴潮模式输出的最优线性校正结果.利用这种资料同化技术,对1956年发生在东海的一次强风暴潮过程进行了后报试验,结果表明,该同化方法对短期风暴潮水位后(预)报有一定的改进.     

双多普勒雷达资料同化在飓风“艾克”预报中的应用研究

本文采用美国国家大气研究中心（NCAR）开发的中尺度数值模式WRFV3.7及其三维变分同化系统WRF-3DVAR对2008年飓风“艾克”进行了数值模拟研究。利用多普勒天气雷达观测资料具有高时空分辨率的优点,将美国两部多普勒天气雷达资料进行速度退模糊等必要质量控制后同化进中尺度数值模式,考察雷达资料同化对飓风“艾克”预报的改进程度。试验结果表明:将雷达资料用于对流尺度分辨率下飓风初始化需要对变分同化系统中特征尺度化因子进行优化调整,使观测资料能够以较为合理的方式调整模式初始场并进而改进预报;雷达径向风同化可以有效调整模式初始场中的飓风动力和热力结构,而经过尺度化因子调整后的雷达径向风同化则在飓风观测中心位置产生较为合理的气旋性风场增量,提供更为确切的中小尺度信息,使模式初始场更加接近观测并进而改进对飓风路径和强度的预报。     

基于WRF模式同化QuikSCAT风场资料的初步试验

利用美国最新推出的中尺度区域模式WRF(Weatherand Research Forecasting model)和中国数值预报创新基地开发的三维变分同化系统GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,1．0版本),以2002年台风“黄蜂”为例,通过控制试验和同化试验的对比分析,探讨了散射计风场资料同化对台风“黄蜂”三维结构分析和预报的影响。初步的结果显示,同化散射计风场资料对台风的大风风场分析、台风中心位置和海面气压场等都有明显的正效应,而对于预报场的改进相对有限。     

FY-2G云导风资料同化在台风"天鸽"数值预报中的应用

以2017年8月登陆我国的13号台风"天鸽"为个例,采用美国全球预报系统资料作为背景场,利用WRF中尺度数值模式及天气研究和预报模式同化系统中的三维变分模块,探究了新一代静止卫星FY-2G云导风资料同化对台风预报的影响.研究结果表明:云导风资料同化模拟的台风路径、强度和最大风速与实况更加接近.与控制试验相比,云导风资料...     

南海TOPEX海面高度资料的混合同化试验

应用普林斯顿海洋模式（POM），对冬季南海由TOPEX／Poseidon得到的卫星遥感海面高度资料进行混合（blending)同化试验。混合同化的权重系数由以下两者决定：南海POM模式对冬季风强迫产生响应的海面高度场之标准方差；对应期间ＴＯＰＥＸ海面高度资料的标准方差。同化结果表明，混合同化方法不失为一种简单而又有效的同化方案。同化得到的南海环流结构与未同化的模式响应场比较可以发现：海面高度资料的同化试验能够有效地修正南海环流的若干大尺度特征，特别是对冬季黑潮入侵南海东北部的动力过程，同化结果有了更准确的描述。同时，另一个重要的修正表现在：同化试验中瞬变的中等尺度涡旋得到加强，体现了南海海洋天气尺度涡被资料同化所“唤醒”（trigger)。这种“唤醒”不仅明显地反映在表层环流场中，对南海次表层动力、热盐结构也有一定的影响。