三维变分同化在一η坐标中尺度模式预报中的应用

将中国气象局的GRAPES三维变分系统与一η坐标中尺度模式结合,对模式初始场进行同化前后对比试验,研究η坐标中尺度模式对云南降水的预报能力,并用于2002年5月10～15日00:00云南雨季开始降雨过程的模拟试验.试验结果表明,三维变分同化方案目标函数收敛快,采用同化方案的η模式预报的强降水中心、分布范围、预报精度比不进行同化的效果好.     

三维变分同化在-η坐标中尺度模式预报中的应用

将中国气象局的GRAPES三维变分系统与-η坐标中尺度模式结合，对模式初始场进行同化前后对比试验，研究η坐标中尺度模式对云南降水的预报能力，并用于2002年5月10～15日00：00云南雨季开始降雨过程的模拟试验。试验结果表明，三维变分同化方案目标函数收敛快，采用同化方案的η模式预报的强降水中心、分布范围、预报精度比不进行同化的效果好。     

MM5中尺度非静力模式对云南省降水预报检验

根据MM5／V3中尺度非静力模式数值预报结果，检验了该模式在云南2001年汛期（6－10月）的降水预报效果。结果表明，MM5模式降水预报对云南大部分地区的小雨有较高的TS评分，对于全省性大雨过程，MM5模式24小时降水预报的TS评分高于同期预报员的主观预报，但对暴雨及以上量级的降水预报，模式结果不太理想。     

雷达降水资料一维变分同化研究——湿度廓线调整

采用η坐标中尺度有限区域模式进行了数字化天气雷达探测降水资料的一维变分(1DVAR)同化试验,结果表明充分利用高时空分辨率的雷达降水资料所包含的丰富的中尺度信息,调整湿度廓线,从而改善模式初始湿度场,能有效提高模式暴雨预报能力。“98·7”鄂东沿江特大暴雨的数值试验结果表明,应用1DVAR方法同化1h雷达降水资料调整模式湿度廓线后,极大地缩小了分析降水与观测降水间的差距,而且24h预报能模拟出与实际降水发生区域相对应的位于鄂东的大暴雨区,而变分前模式预报效果不佳。进一步的分析表明,应用雷达降水资料对短时预报(0～12h)的改进更为显著,而对12h之后降水预报的改善则不明显。     

2001～2002年云南雨季第一场大雨过程的数值模拟试验

用η坐标中尺度模式中对2001、2002年云南雨季开始强降雨过程进行模拟检验.模拟结果表明模式对云南第一场透雨具有预报能力.试验也说明,由于影响系统不同,模式预报的雨区在分布上有偏差,对初始场进行同化将提高模式对云南强降水天气的预报能力.     

"98·7"鄂东特大暴雨雷达反演资料的变分同化数值试验

采用η坐标中尺度有限区域模式,对"98·7"鄂东沿江突发性特大暴雨进行了数字化天气雷达探测降水资料调整湿度廓线的一维变分同化的敏感性试验.结果表明(1)最速下降算法的控制精度EPS取值越小,则变分同化后模式预报的降水量更接近于实况,但迭代次数会增加.(2)降水资料进行同化时,在一定程度上忽略降水量值相对较小的点的同化,对结果不会产生重大影响,但降雨核(强降水中心)的同化至关重要,其参与同化与否可以影响整个预报效果.     

同化风廓线雷达资料对浙江降水预报改进评估

采用中尺度模式WRF和美国俄克拉荷马大学风暴分析预测中心的资料同化系统开展中国东部地区35部风廓线雷达资料同化试验研究,在同化1 h平均采样产品前,对其进行气候极值检查、一致性检查、垂直稀疏化等质量控制,选取2014年5月16-17日暴雨过程评估同化风廓线雷达资料对降水预报的影响,探讨其对初始场改进作用,之后,通过批量试验再次确认同化风廓线雷达资料可有效提高降水预报能力。个例同化试验对比分析表明:同化风廓线雷达资料后,暴雨区及其上游地区850 hPa的风速增强20%~30%,水汽通量增加30%~50%,大气层结不稳定性增强,小雨和大雨TS评分分别提高0.06和0.07,暴雨漏报率和空报率分别降低0.04和0.05,降水预报得到改进。     

青藏高原东部地区降水的定量数值预报初探

运用LASGη坐标有限区域数值预报模式对青藏高原东部的川、渝两省市1988年的18次强降水过程进行了不同方式下的定量降水预报的数值模拟,并根据中国气象局制定的有关规定对模拟预报结果进行了评估.该区域地形复杂,天气系统多变,对数值预报模式有较高的要求,LASGη坐标模式以其比较完善的动力框架和物理过程处理方法获得了较好的预报结果,其对小雨、中雨、大雨预报的TS评分可超过主观预报的水平.     

多普勒雷达资料同化对北京“7.21”大暴雨过程模拟的影响

利用新一代中尺度预报模式WRFV3.6及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),对2012年7月21日北京地区的一次暴雨过程进行多普勒天气雷达径向风和反射率的同化试验研究,检验和探讨高时空分辨率多普勒天气雷达资料在改进模式初始场及提高对暴雨过程预报的准确率等方面的应用效果及意义。结果发现雷达资料同化能在初始场中加入反映产生降水的低层风场辐合的动力和锋前暖区充足的水汽条件的物理信息,可以在模式积分开始后改善初始场中水汽和风的分布,较快地模拟出局地对流系统的发生、发展,改善由于中尺度观测资料不足而造成的模式初始场里中尺度信息缺乏的问题。径向速度的同化增加了中尺度信息,对初始流场的调整较为显著,侧重于改进风场。而雷达反射率资料的同化对初始温、湿度场和强回波位置的调整更明显,侧重于改进湿度场。累计降水的预报结果显示,同化径向风资料对雨带的位置、范围有较好的改进,同化雷达反射率资料对暴雨强度的预报有明显的改善。通过降水ETS评分发现,同化常规观测试验相对于控制实验,对于5、15 mm和25 mm降水评分能增加0.1左右,径向风同化试验能增加0.2左右,反射率同化试验能增加0.3左右,而径向风加反射率试验增加的评分介于0.2～0.3。雷达资料对于提高定量降水预报的精确度有着重要作用。     

多普勒雷达资料的直接同化对降雨预报的影响

利用中尺度数值模式WRFV3.1及其三维变分同化系统WRFVAR3.1,对2008年8月10日奥运期间北京地区发生的一次强对流天气过程进行了多普勒雷达资料变分同化试验,并对同化结果和降水预报进行了对比分析。结果表明:(1)雷达资料的同化能有效改善初始场中风场、水汽、温度场的空间分布、量值大小,使其包含更多中尺度信息;(2)雷达反射率同化对大气的湿度场和温度场影响较大,而雷达径向速度同化则主要调整大气的风场;(3)对短时0～6h内的降水预报,反射率的同化对降水预报改善明显,径向速度的同化对降水预报影响相对较小,而两者的联合同化降水预报效果最好;(4)雷达资料的同化对较长时间6～12h的降水预报仍有较好效果。     

GNSS反演资料在GRAPES_Meso三维变分中的应用

为了进一步提高GRAPES_Meso的分析和预报效果,该文在GRAPES_Meso三维变分同化系统中建立了同化GNSS/RO反演的大气资料的观测算子,实现了对GNSS/RO反演的大气资料的同化应用,并通过2013年7月1个月的同化和预报试验分析了GNSS/RO反演大气资料对GRAPES_Meso模式系统分析和预报的影响。结果表明:增加了GNSS/RO反演大气资料的同化后,GRAPES_Meso位势高度场的分析误差明显减小,平均分析误差减小约8%,预报误差略有减小,平均预报误差减小约1%;湿度场的分析误差和预报误差变化不明显,常规观测资料稀少的青藏高原地区的降水预报技巧有所提高,小雨到大雨的ETS (equitable threat score) 评分提高约0.01,对全国及其他分区的降水预报技巧总体上有正效果。     

青藏高原东部地区降水的定量数值预报初探

运用ＬＡＳＧη坐标有限区域数值预报模式对青藏高原东部的川、渝两省市１９８８年的１８次强降水过程进行了不同方式下的定量降水预报的数值模拟,并根据中国气象局制定的有关规定对模拟预报结果进行了评估。该区域地形复杂,天气系统多变,对数值预报模式有较高的要求,ＬＡＳＧη坐标模式以及其比较完善的动力框架和物理过程处理方法获得了较好的预报结果,其对小雨、中雨、大雨预报的ＴＳ评分可超过主观预报的水平。     

降水资料同化在GRAPES-MESO模式中应用试验研究

利用国家气象中心中尺度业务数值预报模式GRAPES-MESO v3.0,以2010年6月1～30日为例,开展地面降水率1DVAR(one-dimensional variational assimilation)同化方案在GRAPES-3DVAR(three-dimensional variational assimilation)同化系统中的应用试验研究(ASSI试验),并以未加降水资料同化的试验为对照试验(CNTL试验),以评估全国1h加密雨量资料在模式中同化应用的效果。结果表明:1)在相对湿度背景误差和降水率观测误差范围内,1DVAR同化方案能够对湿度廓线进行有意义的调整,使分析降水向观测降水靠近;ASSI试验对初始温、压、湿、风场的修正主要为正效果;2)对2010年6月17～21日江南、华南连续性降水过程进行了分析,整体而言ASSI试验对逐日及逐时降水强度的预报普遍强于CNTL试验,与实况更加接近;3)ASSI试验对2010年6月1～30日08时起报的0～24 h模式预报的小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨各个降水量级TS评分及ETS评分相比CNTL试验均有较明显提高,预报偏差也更接近于1;4)ASSI试验较CNTL试验能更好地模拟雨带的分布、雨带演变特征和降水强度的变化;5)对降水所做的典型个例和统计检验分析从不同角度说明了地面降水资料1DVAR同化方案在GRAPES-3DVAR系统中的应用改善了GRAPES-MESO v3.0的降水模拟效果。     

2003年汛期3种中尺度数值预报模式降水预报检验

利用2003年汛期降水实况及河南省气象台引进的3种中尺度数值预报模式(REM、MM5、MAPS)的降水预报资料,对模式预报性能作了检验对比分析.结果发现REM模式对于大雨以上降水的预报效果较好;MAPS模式的12 h预报有明显优势;MM5模式对小雨和中雨的预报效果较好,并且预报结果具有稳定性.     

2003年汛期3种中尺度数值预报模式降水预报检验

利用2003年汛期降水实况及河南省气象台引进的3种中尺度数值预报模式(REM、MM5、MAPS)的降水预报资料，对模式预报性能作了检验对比分析。结果发现：REM模式对于大雨以上降水的预报效果较好；MAPS模式的12h预报有明显优势；MM5模式对小雨和中雨的预报效果较好，并且预报结果具有稳定性。     

2002年7～9月数值预报产品广西降水预报检验

应用高斯权重插值法,以站点方式对2002年后汛期(7～9月)国内外三种数值预报产品如T213全球谱模式、日本细网格模式、广州中尺度模式的降水预报能力进行检验分析。结果表明,这三种数值预报产品对分县分级降水预报均有一定的预报能力,大雨以下:24h预报广州中尺度模式效果最好,而48h效果最好的是日本预报;大雨以上:24h首推日本预报,48h预报T213全球谱模式优于其它。     

多普勒雷达资料在冷涡强对流天气中的同化应用试验

应用WRF模式的三维变分同化系统(WRF-3DVAR),对沈阳多普勒天气雷达资料在东北冷涡暴雨个例中的同化应用进行了试验.研制了多普勒雷达资料质量控制系统,实现了对径向风和反射率因子的直接同化,不但可以反演中尺度三维气象要素场,而且可以为模式提供初始场.以天气尺度资料为背景场同化多普勒雷达资料,WRF-3DVAR可以较好地反演冷涡中尺度对流系统的三维结构,反演的地面强对流辐散气流及在对流层中层涡旋都符合中尺度系统概念模型,通过与实际地面探测资料进行了对比,风场环流基本接近,同化了雷达资料的气象要素场可为预报业务提供较好的包含中小尺度系统的实时三维分析场.通过冷涡个例同化试验,应用WRF-3DVAR同化雷达资料后,中尺度模式对对流降水的预报总体有正的影响,对强对流中的一些中小尺度雨团的预报也略有改善.     

2002年7～9月数值预报产品广西降水预报检验

应用高斯权重插值法，以站点方式对2002年后汛期(7～9月)国内外三种数值预报产品如T213全球谱模式、日本细网格模式、广州中尺度模式的降水预报能力进行检验分析。结果表明，这三种数值预报产品对分县分级降水预报均有一定的预报能力，大雨以下：24h预报广州中尺度模式效果最好，而48h效果最好的是日本预报；大雨以上：24h首推日本预报，48h预报T213全球谱模式优于其它。     

中尺度数值模式MM5的四维变分资料同化系统

应用伴随方法求解以数值预报方程作为约束条件的四维变分资料同化方案，关键问题是如何构造伴随模式。以中尺度数值模式MM5为例，讨论了如何用伴随码技术建立MM5伴随模式，以及伴随模式系统中权重、尺度因子的选取；最后对MM5伴随模式系统进行了梯度检验，并利用实际资料进行四维变分资料同化试验。试验表明该系统有较强的同化能力，能够提高MM5降水预报的准确性。     

西南涡加密资料同化对西南区域模式降水预报的影响

本文基于2017年西南涡加密观测试验的四川省11个观测站的探空资料,利用西南区域9km和3km分辨率数值天气预报模式系统,开展了数值预报同化试验。同化试验每日06和18UTC各进行一次,持续40天。西南区域9km分辨率数值预报系统(SWC-WARMS)的模拟结果表明,加密探空观测资料对四川高空观测起到了补充。同化后可以改善模式初始场,有助于提升24小时降水预报的ETS评分,对小雨到大雨量级的BIAS评分也有一定的改善。西南区域3km分辨率系统得益于分辨率的提升,相比SWC-WARMS减小了大暴雨空报面积。同化加密探空观测可以提升降水预报的ETS评分,但空报面积也有所增加。