内蒙古区域模式三维变分中背景场误差协方差结构特征分析

背景场误差协方差矩阵的统计是资料同化的重点工作。文章利用NMC方法对内蒙古区域模式2017年7月和2018年2月各月的预报场进行背景场误差协方差矩阵的统计,通过对重新统计背景场误差协方差矩阵的特征、单点试验及预报效果进行分析。结果表明:内蒙古夏季和冬季控制变量的特征向量变化特征相似,但由于天气系统的影响而有所差别;夏季和冬季各控制变量在各模态上的特征值都随着模态数的增加而快速减小,冬季误差模态振幅要小于夏季,这主要是由于影响内蒙古夏季的天气系统较多,天气过程较冬季复杂;对模式贡献越小的特征向量,其特征长度尺度也越小,影响的范围也越小;单点试验验证了应用本地资料重新统计的背景场误差协方差矩阵的合理性。对暴雨个例的数值模拟试验表明:应用本地化背景场误差协方差同化后模拟的强降水范围和强度均得到明显改善,降水模拟更接近实况。说明本地化后的背景场误差协方差对模式预报具有一定的改进作用,在三维变分同化系统中,背景场误差协方差的重新统计工作十分必要。     

华中区域模式三维变分中夏季背景误差协方差统计与对比试验

利用2012年6月12日—8月31日华中区域中尺度业务数值预报模式(WRF)一日两次的预报结果,采用NMC方法对背景误差协方差(B)进行了统计,得到了基于华中区域业务模式框架、分辨率和区域地理特征的夏季背景误差协方差矩阵的回归系数、特征向量、特征值以及特征长度尺度,并对模式三重嵌套各区域B的统计结构特征进行了对比,结果表明不同区域B的统计结构特征差异明显,表明B与模式区域地理特征和分辨率等关系密切。为探讨不同B对模式预报的影响,采用WRF模式自带的通用B矩阵(CV3-B)及本文统计得到的本地化B矩阵两种方案对2013年6—8月进行了批量试验和统计检验,结果表明:采用本地化B后,24 h小雨、中雨、大雨和48 h中雨、大雨、暴雨降水预报TS评分皆有所提高。850 h Pa风、温度及2 m温度等要素场预报的均方根误差减小,但500 h Pa高度场均方根误差略有加大。暴雨个例的分析表明:不同B方案,对初值影响非常显著,本地化B方案分析的初值场更趋合理,因而改进了降水预报。     

GRAPES全球变分同化背景误差协方差的改进及对分析预报的影响：背景误差协方差三维结构的估计

回顾并详细推导了估计背景误差协方差统计特征的美国国家气象中心(NMC)方法及其优缺点;采用NMC方法系统地估计了新版GRAPES全球模式的背景误差方差、水平相关特征尺度和垂直相关结构,并与欧洲中心模式结果进行了比较。结果表明,目前GRAPES全球模式的背景误差方差比以前有了显著减小;水平相关特征尺度随纬度和高度有显著变化;背景误差垂直相关结构与欧洲中心模式结果非常一致,相比经验公式结果更具物理意义,同时,单点试验结果也表明,更新后的垂直相关结构产生的分析增量更合理。通过与欧洲中心模式背景误差协方差三维结构的对比,分析了不同模式间背景误差协方差的异同及GRAPES全球同化分析系统目前存在的一些不足及可能原因。为新版GRAPES全球模式的三维变分系统提供了基本的背景误差协方差的三维结构。     

GPS可降水量资料应用于MM5模式的变分同化试验

利用建立在长江三角洲地区GPS观测网中13个站点的资料对2002年6月27~28日影响长江三角洲地区的降水过程进行了MM5背景误差调节和可降水量资料的三维变分同化试验。试验结果表明:背景误差对三维变分同化的效果起着关键作用,模式变量(u,v,T,p和q)误差的水平尺度与NMC方法的平均时间长度有直接的关系。利用NMC方法重新构建的背景误差更接近实际的背景误差。三维变分技术能有效地同化GPS可降水量资料。GPS可降水量资料的同化使用不仅能调整模式初始湿度场,而且也能相应地调整模式初始气压场、温度场和风场。GPS可降水量资料的同化有利于减小模式初始场对可降水量的分析误差,并且有利于减小模式积分初期(3~6 h)可降水量的预报误差。与没有进行GPS可降水量同化相比,通过GPS可降水量资料的三维变分同化,使MM5模式6 h和24 h累计降水能力得到提高,改善了MM5模式降水预报性能。总体上,GPS可降水量资料的变分同化有利于模式降水预报能力的提高。     

全球资料同化中误差协方差三维结构的准确估计与应用Ⅱ:背景误差协方差调整与数值试验分析

利用NMC方法针对背景误差协方差的方差、三维相关与特征长度来揭示T213L31模式的误差主要特点,并与传统更新矢量方法的计算结果进行了对比与调整。结果表明NMC方法结果与更新矢量方法结果在大体特征上基本吻合,但细节上的差异不可忽视,特别是对背景误差方差与特征长度的估计存在显著的差异,其主要原因是NMC方法倾向于高估天气尺度波的背景误差,而低估次天气尺度到中尺度波的背景误差。通过对背景误差方差、特征长度的调整,显著改善了背景误差功率谱的分布特点,使得NMC方法结果与更新矢量方法结果更为吻合。通过三维变分同化与最优插值中观测与背景误差相对重要性的比较,发现两者结果基本一致,但三维变分同化在850 hPa以下的温度场和300 hPa以上的风场统计结果都表现出背景误差相对于观测误差偏小的特点。背景误差相对于观测误差偏小有助于保证分析场中质量场与风场平衡,消除了大气底层和高层质量场与风场不匹配现象。在数值试验中,针对不同的背景误差均方差与特征长度的特点,分析了分析增量和预报效果的差异,结果表明,准确的背景误差估计与优化工作改善了预报效果,使得北半球三维变分同化的120 h预报效果整体好于现有最优插值。     

不同背景场误差样本模拟方案对数值预报的影响——以“苏迪罗”台风为例

利用天气研究和预报模式(Weather Research and Forecasting Model,WRF)、WRF三维变分同化(Weather Research and Forecasting-Three-Dimensional Variational Data Assimilation,WRF-3DVAR)及美国国家气象中心(National Meteorological Center,NMC)方法,采用热启动循环同化和冷启动两种不同初值方案开展数值试验,探讨不同初值方案模拟的背景场误差样本对背景误差协方差及其同化预报效果产生的影响。结果表明:由不同初值方案模拟的背景场误差样本统计得到的背景误差协方差,其单点同化试验均符合理论模型,但二者分析增量场的差异较显著。对2015年"苏迪罗"台风降水个例进行的数值试验表明,不同初值方案模拟的背景场误差样本统计得到的背景误差协方差对同化分析场具有一定影响,进而对台风移动路径和台风降水的模拟产生了较显著的影响,但对台风强度和台风中心附近最大风速的影响不显著。4个不同起报时刻数值试验进一步表明,采用热启动循环同化背景场误差样本模拟方案统计的背景误差协方差,对"苏迪罗"台风路径和降水预报效果较好,其中对台风路径的影响主要体现在数值预报模式积分24 h之后。     

快速更新循环同化系统的背景场误差协方差日变化特征研究及初步应用

目前多数快速更新循环同化系统在各分析时刻常使用固定的背景场误差协方差。为在快速更新循环同化系统中采用日变化的背景场误差协方差,基于RMAPS-ST系统分析了其夏季和冬季日变化背景场误差协方差特征,并进行了同化及预报对比试验。结果表明,该系统夏、冬两季的背景场误差协方差均呈现出明显的日变化特征,且夜间各变量(U、V、T、RH)的误差标准差与特征值均大于日间,反映模式系统夜间的预报误差大于日间;而夏季各变量误差标准差和特征值大于冬季,也说明系统在夏季的模式预报误差比冬季大;连续3 d的循环同化试验初步表明,采用日变化背景场误差协方差可以提高同化及预报效果。     

背景场误差样本模拟对同化及数值预报效果的影响北大核心CSCD

合理估计背景场误差协方差矩阵(B)是做好变分同化的关键环节。利用控制变量随机扰动法(RandomCV)、增长模繁殖法(BGM)及NMC法等3种背景场样本模拟方法,基于WRFDA系统计算B矩阵,对B矩阵的特征及其对同化预报效果的影响进行了研究。B矩阵的特征分析和单点观测试验表明,NMC法与RandomCV法得到的B矩阵误差方差较大,在同化中观测的权重更大;RandomCV法得到的B矩阵,背景场误差中变量的长度尺度更大,说明同化中观测的水平影响范围更大。连续循环同化和预报试验表明:应用RandomCV法计算得到的B矩阵分析与预报的效果明显优于系统自带的以及BGM法得到的B矩阵,且效果与NMC法相当与NMC方法相比,采用RandomCV方法产生背景场样本具有时间和人力成本相对低的优点。     

背景场误差样本模拟对同化及数值预报效果的影响

合理估计背景场误差协方差矩阵(B)是做好变分同化的关键环节。利用控制变量随机扰动法(RandomCV)、增长模繁殖法(BGM)及NMC法等3种背景场样本模拟方法,基于WRFDA系统计算B矩阵,对B矩阵的特征及其对同化预报效果的影响进行了研究。B矩阵的特征分析和单点观测试验表明,NMC法与RandomCV法得到的B矩阵误差方差较大,在同化中观测的权重更大;RandomCV法得到的B矩阵,背景场误差中变量的长度尺度更大,说明同化中观测的水平影响范围更大。连续循环同化和预报试验表明:应用RandomCV法计算得到的B矩阵分析与预报的效果明显优于系统自带的以及BGM法得到的B矩阵,且效果与NMC法相当与NMC方法相比,采用RandomCV方法产生背景场样本具有时间和人力成本相对低的优点。     

三维变分系统在我国夏季降雨预测中的应用试验

采用MM5模式及其三维变分系统(MM5/3DVAR)对我国夏季降雨进行了一个月的连续预测试验,并对试验结果进行评估.试验中首先采用"National Meteorological Center(NMC)"方法,将2005年8月的MM5模式的预测结果形成与试验区域和水平分辨率相匹配的背景误差场,并将其与全球背景误差场进行了对比分析,结果表明,采用2005年8月MM5模式预报结果生成的背景误差场的基本特征与系统提供的全球背景误差场相似,且长度尺度随着水平分辨率的提高而减小.之后,分别利用NCEP再分析资料(NCEP试验)、NCEP再分析资料基础上采用CRESSMAN方法分析观测资料(LITT试验)和NCEP再分析资料基础上采用3DVAR系统同化观测资料(3DVAR试验)形成模式预报初始场,再次对2005年8月降雨进行逐日连续预报.逐日降雨预报结果表明,相对NCEP试验,LITT试验中1 和10 mm的预报评分有明显提高,但 25 和 50 mm的预报评分却有所下降,而3DVAR试验的预报评分在10 mm以上均有明显提高.对于降雨期间的形势场预报,3个试验中,除温度场和湿度场外,其他变量场的均方根误差随高度增加而增加,但相比而言,3DVAR试验的均方根误差小于其他2个试验.3DVAR试验对降雨的明显改进,可能是因为其对与背景场信息差别比较大的反应中尺度系统的观测资料的分析结果比较靠近观测资料.     

集合变分混合同化方案在快速循环同化系统中的应用研究

基于北京市气象局快速循环同化系统RMAPS-ST以及对流尺度集合预报系统RMAPS-EN,构建了En-3DVAR集合变分混合同化系统,将该系统应用到业务快速循环同化系统中并进行试验,分别在冷启动与循环启动环境下对比了混合同化系统（Hybrid）与三维变分（3DVAR）的同化预报效果。获得的结论如下:单点试验结果表明,混合同化系统分析增量的分布与集合预报离散度分布具有较好的对应关系;在冷启动和循环启动中,三维变分的分析增量都表现出各向同性的特点,混合同化分析增量均表现出一定的流依赖特征;降水个例分析表明,在冷启动环境中,Hybrid与3DVAR效果相当,而在循环启动中,Hybrid的降水预报相对于3DVAR有较明显的改进效果;批量试验检验结果表明,冷启动中,Hybrid与3DVAR的评分大致相当,而在循环启动中,Hybrid相对于3DVAR的评分有明显改进;集合离散度和背景场误差的相关性分析表明二者在循环启动环境下具有更好的相关性。     

数值预报产品和客观预报方法预报能力检验

利用天气预报业务中使用的JMH、MM5、中央气象台、MOS以及预报员5种预报产品资料，对2003年10月至2004年9月绍兴市降水和气温预报按自然天气季节、量级和主要影响天气系统进行了检验评估。结果表明：对中雨及以下量级的降水预报，JMH和中央气象台降水预报准确率较高，但对大雨及以上量级降水预报，各种方法都不太理想。冷锋、气旋和台风影响下的降水预报准确率明显高于暖锋和副高影响下的降水。MM5气温预报系统性偏低，MOS气温预报则呈现一定的季节性。     

GPS/PWV资料在梅雨锋暴雨个例中的同化试验

基于WRF(Weather Research and Forecasting Model,天气预报模式)及其三维变分同化系统3DVAR,利用江苏省GPS/PWV(PWV:Precipitable Water Vapor,GPS反演得到可降水量)资料,并将其与探空资料比对订正,针对2011年6月18日梅雨锋暴雨进行3 h循环同化模拟。在降水参数化方案敏感性试验与单点同化试验基础上,设计多组试验对6 h降水量进行TS(Threat Score)评估。结果表明:(1)同化订正GPS/PWV资料对降水预报能力显著提高,特别是大雨、暴雨量级以上的预报能力;(2)降水量的RMSE(Root Mean Squared Error,均方根误差)相比控制试验均减小,CC(Correlation Coefficient,相关系数)均增大,最显著试验RMSE从19.1 mm下降到12.6 mm,CC从0.45上升到0.74;(3)NMC方法统计的背景误差协方差条件下中雨至暴雨量级TS评分均有一定程度提高,默认的背景误差协方差在大雨以上量级TS评分大幅提高。     

尺度叠加高斯相关模型在GRAPES-RAFS中的应用

背景误差水平相关模型影响着分析增量的结构,同时也决定着不同尺度上分析增量信息的多少。为了提高中小尺度系统的分析质量,研究尺度叠加高斯相关模型的特征及其在三维变分同化系统中的应用效果。通过分析高斯模型和尺度叠加高斯模型的空间特征,以及它们的拉普拉斯算子和谱响应函数的特征,同时依据统计的背景误差特征来改进背景误差水平相关模型。通过采用不同相关模型的GRAPES-RAFS快速分析预报循环批量试验表明:改进的尺度叠加高斯相关模型不仅能增加分析场的中小尺度信息,同时尺度叠加高斯函数描述的风场背景误差相关特征更符合实际统计结果,缓解了原高斯函数方案风场负相关偏大的问题。因而尺度叠加高斯相关模型的应用大幅度提高了分析质量,特别是风场分析质量,同时12 h内风场预报质量也略有提高,也显著提高了前24 h各量级降水的ETS评分,明显缓解了原高斯模型方案的虚警现象。尺度叠加高斯相关模型能明显增加分析的中小尺度信息和更合理地描述风场负相关结构,在三维变分分析中的应用能显著改进分析和降水预报质量。      

THE BEIJING AREA MESOSCALE NWP SYSTEM AND ITS APPLICATION

Significant progress has been made on the development of mesoscale numerical weather prediction(NWP)system for Beijing area,as a joint project of the National Meteorological Center(NMC)andthe Beijing Meteorological Bureau(BMB).On the basis of the non-hydrostatic mesoscale model PSU/NCAR MM5,a mesoscale NWP system for Beijing area(BJ-MM5V.1)has been developed on thecomputer IBM/SP2 MPP with 24 nodes at NMC.As a two-way nested grid model two grids arechosen with 45 and 15km grid length respectively,and 23 levels in the vertical.It takes 2 hours and20 minutes to make a 36h forecast,which satisfies the time requirement for the operational use.Inaddition to the routine data received from GTS at NMC,the enhanced observations over Beijingregion are used for the objective analyses.This system was put into semi-operational use during thesummer of 1997 to test its performance.The forecast products,hourly rainfalls and all of themeteorological elements needed,are provided to the forecasters at BMB for use.It is identified fromthe test results that the system is robust and has pretty good ability to forecast the spatial andtemporal distribution of the precipitation for the local heavy rainfalls.     

Assimilation and Simulation of Typhoon Rusa （2002） Using the WRF System

Using the recently developed Weather Research and Forecasting (WRF) 3DVAR and the WRF model, numerical experiments are conducted for the initialization and simulation of typhoon Rusa (2002).The observational data used in the WRF 3DVAR are conventional Global Telecommunications System (GTS) data and Korean Automatic Weather Station (AWS) surface observations. The Background Error Statistics (BES) via the National Meteorological Center (NMC) method has two different resolutions, that is, a 210-km horizontal grid space from the NCEP global model and a 10-km horizontal resolution from Korean operational forecasts. To improve the performance of the WRF simulation initialized from the WRF 3DVAR analyses, the scale-lengths used in the horizontal background error covariances via recursive filter are tuned in terms of the WRF 3DVAR control variables, streamfunction, velocity potential, unbalanced pressure and specific humidity. The experiments with respect to different background error statistics and different observational data indicate that the subsequent 24-h the WRF model forecasts of typhoon Rusa‘s track and precipitation are significantly impacted upon the initial fields. Assimilation of the AWS data with the tuned background error statistics obtains improved predictions of the typhoon track and its precipitation.     

多普勒雷达观测在北京7.21暴雨数值模拟中的三维变分同化研究

基于背景误差的特征长度理论,研究调整背景误差水平分辨率对多普勒雷达资料三维变分同化的影响。首先利用NMC方法针对暴雨落区统计不同水平分辨率的背景误差协方差,分析两种不同分辨率的背景误差的结构特征,研究水平分辨率对背景误差特征长度的影响。将其应用于雷达资料同化中,研究背景误差水平分辨率变化对雷达资料同化的影响。结果表明:背景误差水平分辨率由27 km提高到3 km时,在大气低层体现出更细致的动力场信息,其动力场水平特征长度按水平分辨率的二次根递减,而温度场与水汽场水平特征长度变化不明显。在将不同分辨率的背景误差用于三维变分同化时,更高分辨率的背景误差可以在分析场增量中体现更细致的中小尺度信息,能够明显改善雷达径向速度资料同化效果,并在随后的暴雨数值模拟中雨量及其分布形态更接近实况。     

在四维变分同化中运用集合协方差的试验

利用浅水方程模式和模式模拟资料进行数值试验比较3种不同的背景误差协方差矩阵处理方法对四维变分(4DVAR)资料同化的影响.3种背景误差协方差矩阵分别是:(1)对单一变量将背景误差协方差矩阵简化为对角矩阵;(2)将背景误差协方差矩阵的作用简化为高斯过滤;(3)由预报集合生成背景误差协方差矩阵并利用奇异值分解技术解决矩阵的求逆.通过一系列数值试验,比较不同观测密度、不同观测误差下3种背景误差协方差处理方法对4DVAR同化效果的影响.结果表明,背景误差协方差的结构对4DVAR有重大影响.当观测资料的空间密度不够高时,采用对角矩阵得不到满意的结果.高斯过滤方案可以明显改善同化结果,但是对背景误差特征长度比较敏感.第3种方法采用的背景误差协方差矩阵是流型依赖的,而且并不以显式的方式出现在目标函数中.避免了对它求逆的复杂运算.由于做了降维处理,在观测点的密度较低和观测误差较大时可望取得较好的同化结果,同化效果较为稳定.