云尺度雷达资料的混合同化对台风“桑美”的数值模拟研究

本文采用基于WRFDA的集合-变分混合同化系统（En3DVAR）在云尺度分辨率下同化了雷达观测资料考察其对登陆台风"桑美"的影响。高时空分辨率的雷达径向风资料在台风登陆前的3 h同化窗内以每30 min的频率同化进WRF模式（Weather Research and Forecasting）。研究结果表明:En3DVAR试验在3 h同化窗内的均方根误差相比3DVAR试验改进显著，这可能得益于混合同化系统中提供的"流依赖"的集合协方差信息。系统性的诊断分析表明En3DVAR试验在台风内核区产生了较为明显正温度增量，对台风内核区的热力和动力结构均有较好调整，而3DVAR则在台风内核区产生了负温度增量；相比3DAVR试验，En3DVAR在采用了"流依赖"的集合协方差信息后还可以对背景场上的台风的位置进行系统性的偏差订正。总体而言，En3DVAR试验预报的台风路径和强度相比3DVAR改进显著，其正效果主要来源于混合背景误差协方差中的"流依赖"集合协方差信息。     

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。     

WRF模式同化系统在“碧利斯”台风暴雨数值模拟中的应用

利用美国高分辨率中尺度模式WRF(weacherResearch and Forccast)式和、WRF三维同化系统(WRF 3DVAR),以2006年"碧利斯"台风低压引发的暴雨天气过程为例,通过控制试验和同化试验的对比分析,探讨了高空和地面实况资料同化对台风低压"碧利斯"暴雨过程分析和预报的影响.初步的结果显示,同化高空和地面实况资料后对模式的初始场有明显的改进、对暴雨过程的降水落区和强度有不同程度的正反馈,更接近实况的降水.     

各向异性背景场误差协方差构建及在“凡亚比”台风的应用

利用相临过去时段预报结果中同一时刻不同时效的模式预报场差异,计算预报误差协方差,并基于集合-变分混合同化系统将其与静态背景场误差协方差结合,从而在同化系统中构建了具有各向异性和一定流依赖特征的背景场误差协方差。单点观测理想试验显示本方案改善了静态模型化背景场误差协方差的各向同性和流依赖性问题。“凡亚比”台风的一系列同化及模拟试验表明,从台风路径、强度等方面本文方案的效果都要优于三维变分法。本文方案在不需要集合预报,计算量与三维变分法相当的情况下,给同化系统引入了各向异性、一定流依赖特征的背景误差协方差,因此本方案适于在计算资源较为紧缺情况下,对时效要求较高的预报业务中应用。     

多普勒雷达资料同化在台风“桑美”预报中的应用研究

本文以2006年超强台风"桑美"为个例,考察了同化雷达径向风观测资料对台风初始场和预报场的改进作用。首先对沿海新一代多普勒天气雷达的径向风观测资料进行了去噪音、退模糊等一系列的质量控制,进一步利用美国国家大气研究中心开发的中尺度数值模式WRFV3.5及其三维变分同化系统WRF-3DVAR,每30min循环同化雷达径向风观测资料。结果表明:同化多普勒雷达径向风观测资料后,对台风在模式中的初始位置进行了很好的修正,同时对台风区的动力和热力结构均有较好的调整。两组同化试验对于台风的路径、强度、降水等预报要优于控制试验,并且对背景误差协方差尺度化因子优化调整可以更有效地吸收雷达观测资料并提供更多的中小尺度信息。     

山东WRF集合预报系统对“麦德姆”台风预报检验

2014年第10号台风"麦德姆"登陆北上,对山东造成较大的影响。此文对业务上常用的各种数值模式对于"麦德姆"台风的预报情况进行了对比检验,重点检验了山东WRF集合预报系统对此次台风的预报性能。结果表明,山东WRF集合预报系统对于此次台风预报具有较高的参考价值。WRF确定性预报台风路径预报类似EC细网格预报,在23日20时以前预报较好,23日20时后预报最好的为T639。WRF集合预报对于台风路径预报具有较好的指示意义。WRF确定性预报02时、14时更新预报效果好于其前面6h起报结果,体现了HYBRID-3DVAR集合混合同化对于改进预报效果的作用。通过中尺度模式与其外层全球背景场模式预报对比发现,由于中尺度模式具有自身的物理参数化方案和同化系统,其对于台风路径的预报效果可以显著优于其全球背景场模式。WRF确定性预报对于"麦德姆"台风降水预报与实况最为接近。对于台风大风预报,WRF集合预报最大值最好。     

多普勒雷达资料同化在台风“灿都”(2010)预报中的应用研究

文章基于中尺度天气预报模式(WRF)及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR), 采用了两部雷达径向风资料, 进行单一时间分析以初始化台风“灿都”(Chanthu), 比较研究了同化雷达径向速度(V_r)对台风“灿都”分析和预报的影响。结果表明: 同化雷达径向风的作用主要体现在台风强度和环流结构的调整, 且在同化达到一定时长后, 对改进同化后的预报分析有积极效应。同化试验改进台风的初始风场以及台风环流中心的热力和动力结构、强度和位置, 进而提高18h预报的台风结构、路径、强度。     

WRF Hybrid方法同化HY-2A散射计风资料在台风“菲特”预报中的应用

选取台风"菲特"(Fitow,201323)临近登陆过程为试验个例,在WRF模式基础上,采用4种不同的初始化方案,对台风"菲特"进行了72 h预报试验,并分析了模式的初始化对预报效果的影响。试验结果表明,对于台风路径的预报,使用集合平均作为初始场进行预报,预报结果相对直接使用GFS资料作为初始场进行预报的结果有明显改善,使用3DVAR同化方法,将HY-2A卫星散射计风场资料同化到集合平均的初始场中,台风路径预报进一步有所改善,而使用Hybrid同化方法将HY-2A卫星散射计风场资料同化到集合平均的初始场中,台风路径进而又有明显改善;但是在台风强度方面的预报,4种初始化方案效果不相上下。     

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。     

台风Bogus资料的四维变分同化试验

给出人造台风(即Bogus)资料同化方案,并用于生成台风的初始结构,同时用9608号台风进行了测试,资料同化和预报均采用第5代中尺度模式系统(The Fifth-Generation NCAR/Penn State Mesoscale Model,简称MM5),结果发现该方案能产生成熟台风的许多结构特征,对9608号台风的预报也有明显改进.模式的初始场更适合于预报模式,能有效抑制积分初期的旋转加强(即Spinup)现象;强度预报和路径预报都得到改善,Bogus资料同化方案的各时次路径预报误差均比Bogus资料直接嵌入方案的误差要小.     

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。     

现代海洋/大气资料同化方法的统一性及其应用进展

海洋／大气资料同化的理论基础是用数值模式作为动力学强迫对观测信息进行提炼，或者说，从包含观测误差(噪声)的空间分布不均匀的实测资料中依据动力系统自身的演化规律(动力学方程或模式)来确定海洋／大气系统状态的最优估计。本文对主要的现代海洋／大气资料同化方法，包括最优插值(()ptimal Interpolation，简称()Ⅰ)、变分方法(3—Dimensional Variational和4—Dimensional Variational，分别简称3DVAR和4DVAR)和滤波方法(Filtering)的原理、算法设计和实际应用进行系统地回顾，并对这些资料同化方法的优缺点进行分析和讨论。在滤波框架下，所有的现代资料同化方法都被统一了：()Ⅰ和3DVAR是不随时间变化的滤波器，4DVAR和卡曼滤波是线性滤波器，即非线性滤波的退化情形；而集合滤波能构建非线性的滤波器，因为集合在某种程度上体现了系统的非高斯信息。一个非线性滤波器的主要优点是能计算和应用随时间变化的各阶误差统计距，如误差协方差矩阵。将非线性滤波器计算的随时间变化的误差协方差矩阵引入到（）Ⅰ或4DVAR中，也许能实质性地改进这些传统方法。在实际应用中，方法的优劣可能取决于所选用的数值模式和可获得的计算资源，因此需针对不同的问题选取不同的资料同化方法。由于各种资料同化方法具有统一性，因此可建立测试系统来评价这些方法，从而对各种方法获得更深入的理解，改进现有的资料同化技术，并提高人们对海洋／大气环境的预测能力。     

新一代静止气象卫星葵花8号的晴空红外辐射率资料同化对台风“天鸽”的预报影响研究

本文以2017年第13号台风“天鸽”（Hato）为例,在WRFDA同化系统中结合日本葵花8号（Himawari-8）资料,通过同化Himawari-8晴空红外辐射率资料并进一步考察其对台风“天鸽”的结构、强度、路径分析和预报的影响。研究结果表明:同化Himawari-8晴空红外辐射率资料对台风背景场的水汽相关变量分析有显著改进,对背景场中的台风水汽信息有一定的改进作用。与控制实验,即没有同化Himawari-8晴空红外辐射率资料的实验相比,加入同化实验对台风“天鸽”的风场、500 hPa气压场的分析效果有所提高,台风气旋性环流加强,并进一步改进了对台风“天鸽”的路径、台风中心最低气压和近中心最大风速的预报。平均路径误差和降水预报相对于常规观测变量的均方根误差均有所改善。     

台风风暴潮异模式集合数值预报技术研究及应用

台风风暴潮数值预报的准确性在很大程度上取决于台风路径预报和强度预报的精度以及风暴潮预报模型的计算精度。目前,国际上24/48 h台风路径预报平均误差分别约为120/210 km左右[1],对于走向异常的台风误差更大;更有,根据单一的台风路径和单族的风暴潮数值预报模式并不能保证获得可靠的风暴潮预报结果。考虑多重网格法原理具有在疏密不同的网格层上进行迭代以达到平滑不同频率的误差分量,使得计算快速收敛,精度提高的特性。在前期研究基础上基于业务化高分辨率(结构网格/有限差分算法)和精细化(非结构网格/有限元算法)台风风暴潮集合数值预报模型构建多模型台风风暴潮集合数值预报系统。采用"非同族"模型进行集合预报很大程度上降低了误差相似遗传的可能性。应用该方法对典型台风风暴潮过程进行了试应用,试报结果表明:该方法对风暴潮增、减水预报效果高于单一集合预报,具有一定的应用前景。     

GPM微波成像仪资料同化对台风“麦德姆”路径预报的影响研究

基于中尺度数值模式WRF及其三维变分同化系统,自主构建了新的探测仪器GMI(Global Precipitation Measurement (GPM) Microwave Imager)的同化模块。本文以2014年太平洋台风季中台风“麦德姆”为例,实现了GMI资料在登陆台风中的有效应用。试验结果表明:晴空条件下GMI资料同化能够对模式背景场中的台风位置进行有效修正。与没有同化该资料的控制试验相比,同化GMI微波成像仪资料可以有效改进台风暖心结构的分析,同时使得台风涡旋环流结构增强,并进而提高了对台风路径的预报水平。