GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR).该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致.由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案.通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难.重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化.理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善.     

WOFOST模型在东北春玉米产区的验证与适应性评价

校准与验证春玉米WOFOST模型,为模型本地化、区域化应用提供研究依据。采用东北春玉米田间观测数据,使用全局敏感性分析EFAST方法对WOFOST模型参数进行敏感性分析,结合土壤数据和同期气象数据等资料对模型进行参数校正与优化,确定春玉米的作物参数;利用独立的观测数据,对春玉米生育期、叶面积指数、各生物量等指标进行详细的验证与适应性评价。结果表明:1)针对不同区域进行作物模型敏感性分析筛选出的作物参数有一定差异,但对产量影响最敏感的前5位总敏感参数相同。2)模型对春玉米生育期的模拟较好,开花期和乳熟期的相对模拟平均误差在1 d左右,在成熟期的平均误差在3 d左右。3)模型对各生物量模拟的回归系数α与确定系数R2较好,均通过显著性检验,从模型整体模拟效果来看,地上部分总生物量和叶面积指数为89%和86%,整体模拟性能较好;残差聚集指数(CRM)为14%和4%,表明模型对地上生物量和叶面积指数的模拟值略偏低。4)通过校准模型作物参数值,WOFOST模型能够较好地模拟东北春玉米生长发育及其生物量的动态积累过程,能够应用于东北地区春玉米生产。     

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.     

降水量的直接同化对初始场的影响

四维变分法用严格的数学方法、合乎逻辑的物理过程根据观测资料和模式本身来获得一个最优的初始场,是当前最先进的四维资料同化方法之一.作者用四维变分法对自动站降水量作直接同化,对初始场增量进行了分析.结果表明降水量的同化对初始场中热力性质的量影响相对较大,对低层的影响大于高层,大部分增量在925 hPa至850 hPa层间达最大.通过同化,北京地区对流不稳定性明显增加.对风场的增量分析表明,同化增加了一些中尺度信息.对于散度场和水汽通量散度场,同化有使低层辐合加强的趋势.通过同化,在MM5初始场上增加了原先没有     

地面观测资料在快速更新同化系统中的敏感性试验

通过对2011年7月31日发生在上海的局地强对流过程,利用快速更新同化系统(SMS-WARR),设计了四个试验,对地面观测资料(常规地面观测资料、加密自动气象站资料)进行敏感性数值试验。结果表明:不同地面观测资料同化对模式初始场的调整作用不同,地面观测资料的疏密影响模式初始场预报,加密自动站气象资料同化对初始温度场、风场的影响最明显;所有试验中,同化所有观测资料的模式能较好地模拟出此次强降水过程,且模拟的地面温度场、风场以及辐合线的演变与实况基本一致;通过分析、比较各试验初始场和预报结果的影响发现,同化所有地面观测资料能改善模式的初值,且观测资料通过循环同化的方式融合进模式,提高了模式对强对流中尺度结构特征的刻画,改善了对局地强对流天气系统的预报效果。     

FY-2E卫星资料在基于LAPS的台风三维云分析中的应用

LAPS(Local Analysis and Prediction System)采用物理初值化与三维变分约束相结合的方法,通过融合多源观测资料,发挥各种资料的优势,分析得到较为客观的三维云场,并可改善数值模式初始场。将FY-2E卫星可见光反照率和红外亮温资料引入LAPS,针对2014年6月登陆我国的台风"海贝思",设计不同水平分辨率的同化试验,研究台风三维云结构和初始场的改善情况。结果表明:1)LAPS云分析中引入卫星可见光反照率资料之后,总云量有显著的调整,能够较清晰地分辨出台风眼区、云墙和螺旋云带,卫星红外亮温资料在云顶高度的调整中发挥了重要作用,而且高分辨率的云分析结果有助于更好地分析出台风结构和强对流区域。2)LAPS物理初值化技术将卫星资料中的云结构和微物理信息添加到初始场中,一定程度上调整了数值模式初始场中垂直速度、云水、云冰和水汽场等变量的分布,提高了模式初值质量,对模拟和预报台风系统将会产生一定的影响。     

基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋路径集合预报研究

构建了一个基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋集合预报系统，通过积云参数化方案和边界层参数化方案的9个不同组合，采用MM5模式进行了不同时间的短时预报。对预报结果使用“镜像法”得到18个初始成员，为同化提供初始背景集合。将人造台风作为观测场，同化后的结果作为集合预报的初值，通过不同参数组合的MM5模式进行集合预报。对2003～2004年16个台风个例的分析表明，初始成员产生方法能够对热带气旋的要素场、中心强度和位置进行合理扰动。同化结果使台风强度得到加强，结构更接近实际。基于同化的集合路径预报结果要优于未同化的集合预报。使用“镜像法”增加集合成员提高了预报准确度，路径预报误差在48小时和72小时分别低于200 km和250 km。     

一种基于历史样本投影的三维变分同化方法

对于中尺度数值天气预报来说,初始条件的准确与否已成为影响预报技巧的主要因素之一。现有的大气观测资料在时空分布上的不均匀,以及存在的观测误差,使得我们必须引进资料同化方法,为中尺度数值模式提供最优的初始场。由于传统的三维变分同化(3DVar)方法缺乏模式约束以及背景误差协方差矩阵(B矩阵)不具有流依赖性,因此本文提出一种基于历史样本投影的3DVar(HSP-3DVar)方法,它不仅具有流依赖的B矩阵,而且比传统的3DVar简单易行。为了评价HSP-3DVar的同化性能,我们基于区域暴雨预报模式AREM(Advanced Regional Eta Model)对其进行了观测系统模拟试验(OSSE),结果表明:HSP-3DVar能够有效融合观测信息,模式初值在各层的均方根误差都显著地降低。     

资料同化对一次华南暴雨影响的数值试验研究

针对一次华南暴雨过程,采用WRF区域中尺度模式进行了控制试验和同化试验.利用WRF-3DVAR同化系统同化了常规探空和地面观测资料,分析了两种资料对初值场的影响,以及对降水和各物理量预报效果的影响.结果表明:同化能改进初始场,并可改进暴雨落区和强度预报;同化可提高WRF模式对风场、温度场、高度场以及水汽场的预报能力.但有一定的时效性;同时同化探空和地面资料,比仅同化探空资料对大气低层物理量的预报能力要提高较多.     

大气风温湿垂直观测网资料快速更新混合同化试验研究

基于WRF预报模式、WRFDA Hybrid集合变分同化系统和ETKF方法,构建了面向城市气象观测网数据的快速更新混合同化系统。针对北京地区地基微波辐射计和风廓线雷达组网观测资料数据同化,开展了静态背景误差调整因子(特征长度尺度因子和方差因子)、局地化距离和集合权重系数4个重要参数敏感性试验研究。试验结果表明：当温度、相对湿度、u风和v风的特征长度尺度因子和方差因子分别调整为0.7/1.0、1.0/1.0、0.7/1.0和0.7/1.0,局地化距离和集合权重系数分别调整为11.2 km和0.5时,快速更新混合同化系统的分析场均方根误差最小。为对比三种常用同化方案,开展了默认参数混合同化、最优参数混合同化、三维变分同化对比试验,试验结果表明：在针对北京地区地基微波辐射计和风廓线雷达组网观测资料的快速更新同化预报试验中,混合同化方案表现优于三维变分,同时相对于默认参数混合同化方案,最优参数混合同化方案的风场、温度及湿度的分析场和预报场得到了进一步改善：风温湿的分析场均方根误差分别最大降低了13%、19%和5%,12～24 h预报场的均方根误差分别最大降低了2%、12%和5%。     

基于吉林省观测土壤水分的WOFOST模型模拟研究

利用吉林省白城站试验数据进行模型参数调整,通过独立的观测资料对生育期、叶面积指数、地上部分各器官生物量进行模拟验证与评价。以白城站和榆树站代表吉林省西部玉米种植区和中部黄金玉米带参数,利用农业气象观测站发育期资料、气象资料和经过质量控制后的逐日土壤水分自动站观测数据进行模拟。为了提高WOFOST模型模拟精度,将由模型通过降水量计算的土壤体积含水量替换为实测土壤水分计算的体积含水量,采用替换后的土壤体积含水量参与模型下一步运算,以此来模拟2001—2016年春玉米穗生物量变化状况,构建玉米土壤体积含水量改善率(PD)指标,来表征降水驱动和土壤水分驱动对作物模型模拟结果的影响。结果表明:(1)模型对白城站春玉米生育期、叶面积、地上部分总生物量和叶生物量较准确,而穗生物量模拟效果一般。(2)从代表站白城来看,穗生物量模拟值与降水量存在明显正相关,降水偏少的年份土壤模拟效果明显优于降水驱动。(3)从区域来看,以盐碱土为主的地区或降水量偏少的年型下土壤水分驱动效果优于降水驱动;在以黑土为主的区域或降水偏多的年型下,两者模拟效果基本接近。(4)总体来说,利用观测土壤水分替换降水量参与模型能够显著提高模型模拟精度。     

Establishment of Winter Wheat Regional Simulation Model Based on Remote Sensing Data and Its Application

Accurate crop growth monitoring and yield forecasting are significant to the food security and the sus- tainable development of agriculture.Crop yield estimation by remote sensing and crop growth simulation models have highly potential application in crop growth monitoring and yield forecasting.However,both of them have limitations in mechanism and regional application,respectively.Therefore,approach and methodology study on the combination of remote sensing data and crop growth simulation models are con- cerned by many researchers.In this paper,adjusted and regionalized WOFOST (World Food Study) in North China and Scattering by Arbitrarily Inclined Leaves-a model of leaf optical PROperties SPECTra (SAIL-PROSFPECT) were coupled through LAI to simulate Soil Adjusted Vegetation Index (SAVI) of crop canopy,by which crop model was re-initialized by minimizing differences between simulated and synthesized SAVI from remote sensing data using an optimization software (FSEOPT).Thus,a regional remote-sensing- crop-simulation-framework-model (WSPFRS) was established under potential production level (optimal soil water condition).The results were as follows:after re-initializing regional emergence date by using remote sensing data,anthesis,and maturity dates simulated by WSPFRS model were more close to measured values than simulated results of WOFOST;by re-initializing regional biomass weight at turn-green stage,the spa- tial distribution of simulated storage organ weight was more consistent with measured yields and the area with high values was nearly consistent with actual high yield area.This research is a basis for developing regional crop model in water stress production level based on remote sensing data.     

基于冬小麦农业气候分区的WOFOST模型参数标定

以1981-2010年河南省113个气象观测站影响冬小麦生长及产量形成的主要气象因素为区划指标,利用K均值聚类算法,将河南省划分为5个农业气候生态区.根据2013-2017年地面农业气象观测数据,利用Sobol全局敏感性分析方法,各分区选择总敏感指数大于0.01的作物参数,得到9种敏感参数.以产量与叶面积指数为代价函数...     

Effects of Crop Growth and Development on Land Surface Fluxes

In this study, the Crop Estimation through Resource and Environment Synthesis model (CERES3.0) was coupled into the Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme (BATS), which is called BATS CERES, to represent interactions between the land surface and crop growth processes. The effects of crop growth and development on land surface processes were then studied based on numerical simulations using the land surface models. Six sensitivity experiments by BATS show that the land surface fluxes underwent substantial changes when the leaf area index was changed from 0 to 6 m2 m-2. Numerical experiments for Yucheng and Taoyuan stations reveal that the coupled model could capture not only the responses of crop growth and development to environmental conditions, but also the feedbacks to land surface processes. For quantitative evaluation of the effects of crop growth and development on surface fluxes in China, two numerical experiments were conducted over continental China: one by BATS CERES and one by the original BATS. Comparison of the two runs shows decreases of leaf area index and fractional vegetation cover when incorporating dynamic crops in land surface simulation, which lead to less canopy interception, vegetation transpiration, total evapotranspiration, top soil moisture, and more soil evaporation, surface runoff, and root zone soil moisture. These changes are accompanied by decreasing latent heat flux and increasing sensible heat flux in the cropland region. In addition, the comparison between the simulations and observations proved that incorporating the crop growth and development process into the land surface model could reduce the systematic biases of the simulated leaf area index and top soil moisture, hence improve the simulation of land surface fluxes.     

Assimilating the LAI Data to the VEGAS Model Using the Local Ensemble Transform Kalman Filter: An Observing System Simulation Experiment

Information on the spatial and temporal pat- terns of surface carbon flux is crucial to understanding of source/sink mechanisms and projection of future atmospheric CO2 concentrations and climate. This study presents the construction and implementation of a terrestrial carbon cycle data assimilation system based on a dynamic vegetation and terrestrial carbon model Vegetation-Global-Atmosphere-Soil （VEGAS） with an advanced assimilation algorithm, the local ensemble transform Kalman filter （LETKF, hereafter LETKF-VEGAS）. An observing system simulation experiment （OSSE） framework was designed to evaluate the reliability of this system, and numerical experiments conducted by the OSSE using leaf area index （LAI） observations suggest that the LETKF -VEGAS can improve the estimations of leaf carbon pool and LAI significantly, with reduced root mean square errors and increased correlation coefficients with true values, as compared to a control run without assimilation. Furthermore, the LETKF-VEGAS has the potential to provide more accurate estimations of the net primary productivity （NPP） and carbon flux to atmosphere （CFta）.     

EnKF中误差协方差优化方法及在资料同化中应用

集合卡尔曼滤波 (the Ensemble Kalman Filter,简称EnKF) 中将预报集合的统计协方差作为预报误差协方差,但该估计可能严重偏离真实的预报误差协方差,影响同化精度。基于极大似然估计理论,发展了一种优化预报误差协方差矩阵的实时膨胀方法,即MLE (the Maximum Likelihood Estimation) 方法。利用蒙古国基准站Delgertsgot (简称DGS站) 观测资料,基于EnKF方法和MLE方法,在通用陆面模式 (the Common Land Model,简称CoLM) 中同化了地表温度和10 cm土壤温度观测资料,建立了土壤温度同化系统。结果表明:MLE方法对地表温度和各层土壤温度 (尤其深层土壤温度) 的估计比EnKF方法准确。考虑到浅层和深层土壤温度的差别,在实施MLE方法时对浅层和深层土壤温度采用了不同的膨胀因子。对比膨胀因子为单一标量时的结果,多因子膨胀能缓解深层土壤温度的不合理膨胀,改善同化效果。     

华北冬小麦品种演变过程中CO2补偿点变化分析

CO₂补偿点是作物生长模型中最基本的关键模型参数之一,本文利用Licor-6400便携式光合作用测定仪,对1949年以前和1949-2005年中国华北地区不同年代冬小麦主要品种的生理生态参数进行大量的系统测定,在此基础上,对华北地区不同冬小麦品种的光合作用模型进行拟合,以确定不同年代不同品种冬小麦CO2的补偿点。结果表明：中国华北地区冬小麦CO₂补偿点随光强升高而降低,在800 μmol·m^-2·s^-1光量子通量密度条件下,野生麦种CO₂补偿点最高,达123.40 μmol·mol^-1。1949-2005年华北地区不同冬小麦品种中泰山1号CO₂补偿点最高,达107.07 μmol·mol^-1;红秃头CO₂补偿点最低,为57.25 μmol·mol^-1;不同品种冬小麦CO₂补偿点最高值和最低值差值为49.82 μmol·mol^-1,说明华北地区冬小麦随品种演化CO₂补偿点变化明显。建立了中国华北地区7个典型冬小麦品种包含CO₂因子的直角双曲线光合作用模型,确定了不同年代不同品种冬小麦CO₂的补偿点,为进一步建立包含CO₂直接作用的气候变化影响评估机理模型提供基础数据。     

内蒙古河套灌区春玉米作物系数试验研究

作物系数曲线是估算作物生长季耗水量变化的重要参数。基于2013年4—9月内蒙古巴彦淖尔市临河区田间水分试验和1994—2013年气象站观测资料,利用水量平衡法反求春玉米作物系数,分析生长季内的变化规律, 建立动态模拟方程,并与联合国粮农组织 (FAO) 分段直线法结果进行比较, 提出胁迫条件下作物系数的叶面积修正方法。结果表明:玉米作物系数随发育进程可用三项式曲线描述,变化趋势与产量水平无关, 但随产量增高而变幅增大;以出苗后相对积温为时间变量建立模拟方程效果较好,决定系数 (R2) 均在0.92以上;模拟计算出各站点最大 (1.30~1.48) 和平均 (0.831~0.919) 作物系数,与FAO分段直线法计算的典型值和区间值基本一致,生长中期平均相对误差为3.4%~7.2%;提出利用相对叶面积指数修正作物系数的计算方法;通过2014年实例检验,土壤水分模拟值与实测值的平均相对误差为6.3%,相对误差小于15%的占95.8%。     

WOFOST模型蒸散过程改进对玉米干旱模拟影响

分别利用优化蒸散计算(PM方案)、作物系数(CC方案)和二者同时优化(PMCC方案)改进WOFOST模型,基于降水适宜年(2012年)和干旱年(2015年和2018年)在辽宁省锦州开展的玉米分期(4月20日、4月30日和5月10日)播种试验资料评价模型改进效果.结果表明:2012年,PM方案可增大潜在蒸散,CC方案在作...     

气象-气溶胶资料联合同化对秋季PM2.5浓度模拟的影响研究

相比冬季大范围静稳条件下的污染堆积过程,秋季气象条件更加复杂和局地化,气象条件模拟不确定性给秋季气溶胶模拟带来了更大难度,且目前研究较少考虑气象-气溶胶因素在线模拟和联合同化。使用WRF/Chem模式和格点统计差值（GSI）三维变分同化系统,2015年10月进行了为期1个月的气象-气溶胶资料联合同化及模拟试验,并基于此讨论了气象-气溶胶资料联合同化对秋季PM_2.5浓度模拟的影响。结果表明,WRF/Chem模式可以模拟出秋季污染天气过程,但对华北平原和中东部地区存在高估、西北部存在低估现象;同化地面PM_2.5浓度观测资料可以改进对PM_2.5浓度的模拟,上述两个地区的偏差均得到订正,6 h预报偏差均降低至6 μg/m3以内;重点针对华北地区的分析表明,秋季PM_2.5污染过程与特殊气象条件（湿度升高、风场辐合、区域输送）密切相关,因此在地面PM_2.5观测资料同化基础上增加常规气象资料同化,能进一步提高对华北平原气象-污染过程的表达,PM_2.5浓度预报相关系数从0.86提高至0.89。气象-气溶胶联合资料同化能更加准确地模拟秋季气溶胶污染过程,为更好地开展污染成因和在气象预报框架下开展气象-气溶胶相互影响研究提供了基础。