台风模拟中QuikSCAT风场的非对称加强订正及同化应用

针对QuikSCAT 散射计风场资料对台风级别的强风速区还无法准确刻画这个技术问题,引入台风移速、移向、摩擦等客观因素对该风场产品资料进行非对称加强订正;然后利用四维同化技术,并设计了先同化后预报两个阶段的试验方案,对“云娜”台风进行了数值模拟试验。试验结果表明：通过模式约束调整,四维同化技术可以把QuikSCAT 海面风场资料引入到整层模式大气中,并对整层风场和气压场的强度及路径模拟都有很大的改进,而且该资料还提高了预报阶段台风强度的模拟效果,并对登陆点的预报起到了积极作用。     

散射计和下投式探空仪资料对台风模拟的影响

为了评估同化QuikSCAT海平面气压场资料和Dropsonde资料对台风"Bilis"和"Kat-rina"模拟的影响,通过WRF-3DVAR变分同化系统将QuikSCAT海平面气压场资料和Dropsonde资料同化到WRF模式中,并以未同化任何资料和同化了QuikSCAT海平面气压场以及同化了Drop-sonde资料的数据为初始场,应用WRF模式进行模拟预报,并对得到的初始分析场和模拟预报得到的结果与台风实况报文进行了对比,得到的结论是:对台风初始时刻海平面气压场分布、初始台风中心定位、台风初始暖心结构的改善、台风路径、海平面最低气压场、海面最大风速和雷达回波的模拟方面,同化QuikSCAT海平面气压场的效果比同化Dropsonde资料明显,其中二者对海平面最低气压场的改进效果比海面最大风速的要好。但是两种资料的同化对初始相对湿度和台风强度细节变化方面都没有产生明显改善作用。同化QuikSCAT海平面气压场试验虽然仅仅同化了单层海平面气压场,但是在三维变分同化系统的动力约束作用下,也可以影响到中高层的各个要素场。     

Assimilating QuikSCAT Ocean Surface Winds with the Weather Research and Forecasting Model for Surface Wind-Field Simulation over the Chukchi/Beaufort Seas

To achieve a high-quality simulation of the surface wind field in the Chukchi/Beaufort Sea region, quick scatterometer (QuikSCAT) ocean surface winds were assimilated into the mesoscale Weather Research and Forecasting model by using its three-dimensional variational data assimilation system. The SeaWinds instrument on board the polar-orbiting QuikSCAT satellite is a specialized radar that measures ice-free ocean surface wind speed and direction at a horizontal resolution of 12.5 km. A total of eight assimilation case studies over two five-day periods, 1–5 October 2002 and 20–24 September 2004, were performed. The simulation results with and without the assimilation of QuikSCAT winds were then compared with QuikSCAT data available during the subsequent free-forecast period, coastal station observations, and North American Regional Reanalysis data. It was found that QuikSCAT winds are a potentially valuable resource for improving the simulation of ocean near-surface winds in the Chukchi/Beaufort Seas region. Specifically, the assimilation of QuikSCAT winds improved, (1) offshore surface winds as compared to unassimilated QuikSCAT winds, (2) sea-level pressure, planetary boundary-layer height, as well as surface heat fluxes, and (3) low-level wind fields and geopotential height. Verification against QuikSCAT data also demonstrated the temporal consistency and good quality of QuikSCAT observations.     

雷达资料对0414号台风“云娜”数值预报的改进

运用NCEP/NCAR再分析资料,研究了2004年12月初登陆我国台湾的冬季台风"南玛都"的性质结构特征,结果表明:冬季台风"南玛都"具有与夏季台风相同的暖湿中心和低层辐合、高层辐散的环流特征,不同的是低层辐合气流中西南气流不明显,台风涡旋气流对大气的扰动偏弱.台风过程海平面气压距平场的EOF分析表明,台风生命史中的扰动主要由EOF1和EOF2构成(占90%的方差),EOF1反映台风结构和强度变化,EOF2反映了台风移动过程中的环境状态变化.     

台风网格风场主客观融合技术的应用及评估

针对实际预报工作中,台风主观预报和模式风场客观预报不一致的问题,基于南海台风模式(CMATRAMS)资料、实时台风主观预报资料,采用一种考虑下垫面作用的动力解释应用方法TCwind,得到了能较合理描述台风风场的数学方程组,结合网格预报技术,进行台风主观预报和模式风场的主客观融合,实现了台风风场预报的订正,能为网格预报提供有效辅助。以实时台风主观预报为评判标准,检验评估了2018—2019年西北太平洋所有台风的融合订正效果,发现订正后的台风风场中心能较准确地向主观路径预报调整;台风中心附近最大风速相较模式显著增强,趋近主观强度预报;台风环流风速比模式原始风速增大,风场结构分布相比模式原始风场也更合理。      

用QuikSCAT资料分析"黄蜂"登陆前后近地层风场的分布特征

利用QuikSCAT资料对"黄蜂"近地层风场分布的演变特征进行了诊断分析.并采用了离散余弦转换(DCT)对其方差的波谱结构进行了讨论.结果表明台风近地层风场分布具有明显的不对称性,其方差大部分产生于波数1和2的气流中,并且与波的方向有关.当台风沿纬向西移时,有两个纬向排列的波谱中心,主要是纬向波数2和经向波数1的气流;而当台风沿径向北上时,有两个经向排列的波谱中心,主要是纬向波数1和经向波数2的气流.波数1的气流对切向风的方差做主要贡献,波数2的气流对径向风的方差做主要贡献.不对称性分布的特征随大尺度环境场和台风自转气旋环流的改变而改变.当台风靠近大陆时台风大风出现的在台风前进方向前沿,类似于陈联寿等分析的第二类台风大风模式,在左前方是西北偏北大风,在右前方是东南大风.     

FY-2C云迹风资料同化应用对台风预报的影响试验研究

针对0505号台风“海棠”, 采用WRF区域中尺度模式进行控制试验和两个同化试验, 利用WRF-3DVAR同化系统同化FY-2C红外和水汽两个通道云迹风反演产品, 同化分云迹风经质量控制和未经质量控制两组同化试验。通过三组试验分析云迹风资料对降水和风场等的预报结果的影响, 并进行24小时降水量分级Ts评分检验以及风场点对点检验。结果表明: 同化经质量控制云迹风资料可以提高降水落区和强度预报的准确度, 不同等级的Ts评分较其它试验都有较明显改进; 风场预报模拟也有所改善。增加两例台风, 使用与“海棠” 相似的处理方法进行模拟试验, 并对模拟结果24小时降水分析与检验, 得到与“海棠”类似结论。因此, 经过合理性选择的云迹风资料的加入, 有利于补充初始场中可能未包含的中尺度信息, 从而提高试验中对于降水、风场等的模拟效果, 提高WRF模式的模拟预报能力。     

基于QuickSCAT卫星资料辽宁省典型海域风速模拟研究

利用QuickSCAT卫星资料的中小尺度数值分析同化模拟结果,对渤海两个大小不同的海湾:辽东湾与大连湾2008年季节代表月的风速特征进行分析对比。首先对QuickSCAT卫星资料同化模拟数据的可靠性进行了验证,与Fnl资料分别同气象站实测值对比发现QuickSCAT资料更靠近实测值,适合做区域数据研究。对两个海湾区域风速研究发现,面积较大的辽东湾风速基本大于大连湾,这种现象在4月与10月表现显著;而对两海湾风速日变化对比结果显示,4个月大致均表现为凌晨二者变化相反,白天下午至夜晚变化趋于相似。从大风情况上看,辽东湾出现大风的频率和持续时间基本大于大连湾,大连湾的大风发生情况普遍要滞后于辽东湾。     

FY-3A微波资料在“莫拉克”台风预报中的同化试验

我国新一代极轨气象卫星FY-3A于2008年5月26日发射成功,携带的微波垂直探测仪与NOAA系列卫星的ATOVS性能相似。为研究微波垂直探测仪资料在台风数值预报中的作用,实现我国FY-3A卫星的微波探测资料的直接同化,达到改进台风预报的目的,利用FY-3A微波探测资料,以WRF-3DVar系统为基础,针对2009年第8号台风"莫拉克"路径和强度预报,开展数值预报直接同化技术研究。试验结果表明,直接同化FY-3A微波资料对数值模式初始场改进要优于仅仅同化常规观测资料,对缺乏观测资料的海洋上改进尤为明显,模式初始场更加合理地反映海上台风环流形势以及温湿条件,海上台风的模式初始位置也得到了校正;经过FY-3A微波资料三维变分直接同化后,区域中尺度模式对台风路径预报效果具有积极的改善作用。     

基于WRF-3DVAR同化多源融合数据对近海风模拟的改进试验

本文利用WRF模式及其3DVAR同化系统,以2008年4月20日00时—23日00时的江苏近海10 m风场为研究个例,对Quik SCAT、Wind SAT、多源测风融合数据进行同化试验,通过比较WRF-3DVAR同化系统对模拟风场初始场和预报场的改进,检验了同化不同类型资料后WRF模式对研究区域内单点及区域近地层风速的预报效果。结果表明:同化试验对初始场有改进,且对预报场的改进较FNL资料明显;不同资料对风场模拟的影响不同,同化星星、星地多源融合资料效果最佳,Quik SCAT次之,Wind SAT最差。此外,在模式分辨率一定的情况下,提高观测资料的分辨率并不一定能够改善模拟效果,资料的稀疏分辨率存在最佳选择。     

The effect of three-dimensional variational data assimilation of QuikSCAT data on the numerical simulation of typhoon track and intensity

In this paper, the three-dimensional variational data assimilation scheme (3DVAR) in the mesoscalemod el version 5 (MM5) of the US Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research is used to study the effect of assimilating the sea-wind data from QuikSCAT on the prediction of typhoon track and intensity. The case of Typhoon Dujuan (2003) is first tested and the results show appreciable improvements. Twelve other cases in 2003 are then evaluated. The assimilation of the QuikSCAT data produces significant impacts on the structure of Dujuan in terms of the horizontal and vertical winds, sealevel pressure and temperature at the initial time. With the assimilation, the 24-h (48-h) track prediction of 11 (10) out of the 12 typhoons is improved. The 24-h (48-h) prediction of typhoon intensity is also improved in 10 (9) of the 12 cases. These experiments therefore demonstrate that assimilation of the QuikSCAT sea-wind data can increase the accuracy of typhoon track and intensity predictions through modification of the initial fields associated with the typhoon.     

风廓线与测风塔资料在地面风场预报中的应用研究

运用四维同化方法将风廓线雷达和测风塔资料应用到WRF模式中,通过对比资料同化前后模式对地面风场的预报效果可知,加入风廓线雷达和测风塔资料后模式对风速的预报效果有明显提高,对风向的预报也有一定程度的改善;资料同化结束后,模式预报在49h内对地面风场预报效果仍有明显改善,但随着模式预报时间的增加,在模式积分49h以后,同化资料前后模式对地面风场的预报效果无明显变化。另外,通过对资料同化前后模式对风速预报误差的分析可知,在对模式风场预报的改进中风廓线雷达资料的贡献大于测风塔资料的贡献。     

基于物理约束扰动的EnSRF雷达资料同化

在完善WRF集合均方根滤波同化系统的双向嵌套预报方案、雷达资料质量控制方案和多微物理过程积分方案的基础上,引入了一种扰动势函数、流函数的尺度较小、物理意义更明显的集合初始扰动新方案.通过台风“桑美”登陆过程中的多普勒雷达资料直接同化试验,对比新扰动方案与目前应用较多的背景误差协方差随机扰动和全场随机扰动方案,对集合滤波同化效果的影响.试验结果表明,3种初始扰动方案都有效改善了台风内部结构,但新方案由于尺度更小、结构更为合理,其同化效果也更为显著,提高了对台风路径、中心最低气压、最大风速及降水的预报质量.     

台风暴雨数值预报中ATOVS资料的变分同化试验

利用ATOVS卫星辐射率资料和NCEP资料,采用中尺度数值模式WRF(V3.3)及其同化系统WRF-3DVar,设计了几组同化试验方案,对由0908号台风"莫拉克"导致的台湾南部2009年8月8—9日特大暴雨过程进行数值预报。结果表明,直接同化ATOVS辐射率资料对初始温度场、湿度场和风场均有较明显的改善,其中连续循环同化试验的改善效果最显著,同化后初始场增加了暴雨中心上空对流不稳定性,同时风场也表现出更强的低层辐合、高层辐散的中尺度特征。对比不同的辐射率资料发现,同化MHS资料对湿度场改进效果较好,同化AMSUA资料对温度场和风场改进效果较好,同时同化MHS和AMSUA资料改进效果整体上要好于前两者。在对降水预报定量检验中,同化试验的整体评分要高于控制试验,特别是降水临界值超过300 mm后评分提高最为显著。连续循环同化试验对这次台风暴雨的预报与实况最为接近。     

DCT ANALYSIS DISTRIBUTION FEATURES OF NEAR-SURFACE WIND FIELDS DURING THE LANDFALL OF VONGFONG

1 INTRODUCTION The typhoon is a destructive weather phenomenon that stands at the top of ten major natural disasters[1]. Typhoon-related damages are the immediate consequences of weather it brings forth, which include heavy rain, strong winds and storm surges (water gain). They cause flash floods, bring down houses and break through dams[1]. Of the research on typhoons for the recent 10 years[2], new advances have been reported on abrupt changes in the motion, structure and intensity of…     

探空和飞机观测资料联合同化对台风“苏迪罗”（2015）数值模拟的影响研究

基于中尺度数值天气预报模式WRF和WRFDA三维变分同化系统,针对2015年台风“苏迪罗”二次登陆过程,利用NCEP ADP提供的无线电探空、飞机报观测资料,同时同化两种资料,并进行36 h模拟预报,从台风移动路径、强度、降水及模式初始场改进等方面分析了同化模拟效果。结果表明,同时同化两种资料能够有效改善台风移动路径、中心附近最低气压的模拟。对浙闽降水关键区24 h降水的TS评分结果表明,该同化方案对台风降水的预报评分有一定程度的改进,尤其是中雨和特大暴雨的改进最明显。对于模式初始场的温度、相对湿度、纬向风、经向风在各高度上的均方根误差,除湿度外均有不同程度的减小。并且同化对于台风结构的模拟也有所调整。      

FY-4A卫星云导风观测误差优化及同化效果影响研究

为了推进FY-4A卫星资料在数值模式中的实际应用,本研究选择云导风产品作为研究对象,首先统计了FY-4A高层水汽通道和红外通道云导风的观测误差,进一步基于WRFDA(Weather Research and Forecasting model Data Assimilation system)系统,利用默认观测误差和新观测误差进行了为期一个月的循环同化及预报试验,并分析了试验期间的台风预报效果。结果表明:相较于默认观测误差,FY-4A云导风产品的新观测误差垂直结构特征更加明显;采用本研究统计的FY-4A云导风观测误差,能够在默认观测误差的基础上改善风场的分析和预报效果;试验期间的两个台风个例分析表明,新观测误差也能够减小台风路径的预报误差。     

扩展水凝物控制变量的雷达资料同化对台风“天鸽”数值模拟的影响

利用WRF(Weather Research and Forecast)模式及WRFDA(WRF model data assimilation system)系统,针对2017年台风“天鸽”个例通过同化雷达径向速度(Vr)和反射率因子(RF),研究水凝物控制变量的雷达资料同化对台风分析预报的影响。研究表明：雷达径向速度的直接同化有效地改进了模式初始场中台风涡旋区的中小尺度信息,分析场中产生了气旋性的风场增量,对模式背景场中的台风有显著增强作用。通过在传统控制变量中扩展针对水凝物的控制变量可有效地同化雷达反射率因子资料,对初始场的水物质进行调整,并对随后确定性预报的台风路径和强度都有一定的正效果。此外,相比没有水凝物控制变量的雷达同化试验,加入了水凝物控制变量的雷达资料同化试验降水预报效果更好。这为将我国近海的地基多普勒天气雷达用于台风初始化分析和预报提供了一定的技术支撑和保障。     

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。     

非对称台风风场的动力初始化应用研究

在对比NCAR-AFWA三维Bogus(虚拟)风场及风压场方案的基础上,虚拟台风模型中的水平风场采用考虑台风移速、移向、摩擦等客观因素的非对称方案,垂直风场采用考虑高空反气旋环流的风廓线方案,然后利用Nudging动力初始化技术形成新的模式初始场.最后对"云娜"台风进行数值模拟,结果表明:通过合理引入客观因子及观测事实对台风Bogus模型进行构建,并利用同化方法使各个物理量相互协调,可以使初始场与实况更加接近,从而在一定程度上提高台风路径及强度的预报水平,并对降水分布的预报效果也有所改善.