适应数值模式垂直坐标的GPS掩星反演资料稀疏化方案

GPS掩星反演大气温湿资料具有高垂直分辨率、高精度、受云和降水影响小等优点,针对GRAPES同化预报系统,发展设计了一种既考虑预报模式高度-地形追随垂直坐标不均匀分层特点,又结合掩星反演资料特性的新适应性垂直稀疏化方案。通过个例试验和批量试验,探索了该适应性稀疏化方案对分析预报质量的影响。试验结果表明:选取合适的稀疏参数,新稀疏化方案的GPS掩星反演资料对背景场的调整更加有效,分析场质量更高;位势高度、比湿、温度和风场等预报场的均方根误差均更小;适应性稀疏化方案对改善台风路径预报具有积极作用。批量试验则进一步证实了适应性稀疏化方案对分析场质量有明显的改善作用。     

针对WRF模式中行星边界层参数化过程倾向项的扰动方法

针对WRF模式中行星边界层参数化过程中的不确定性,发展了一种针对行星边界层参数化过程的随机物理扰动方案(SPPBLPT),该方案针对行星边界层计算的温度、风场、水汽倾向项进行扰动.使用该方案、多行星边界层参数化方案、多参数扰动方案及针对WRF模式总倾向的随机物理过程扰动(SPPT)方案对2014年7月进行对比实验,发现...     

热带风压场平衡特征及其对GRAPES系统中同化预报的影响研究Ⅱ:动力与统计混合平衡约束方案的应用

研究I的结果表明:线性平衡方程(LBE)在热带地区不适用,而进一步改进方向是削弱LBE在该区域的约束程度。本文以此为基础,在GRAPES(global/regional assimilation and prediction system)全球变分同化系统中引入动力与统计混合平衡约束方案。新方案在逐层求解LBE的基础上增加垂直方向的线性回归,回归系数随纬度和高度变化。针对背景误差协方差的分析表明,新方案可以更好的保证独立分析变量间预报误差不相关的基本要求,并大幅度减小热带地区平衡气压预报误差方差的量值和占总方差的比例。单点试验结果表明,与LBE方案相比,新方案对中、高纬影响很小,但在热带地区成功实现了风、压场分析的解耦,两者分析更为独立。并且,虽未考虑具体波动模态,但新方案给出的风、压场协相关结构与研究I的理论分析结果相近。一个月的同化循环与预报结果表明,引入新方案后,赤道外地区的同化预报效果为中性偏正,而热带地区风场的同化预报效果显著提高,LBE方案中平流层低层的风场同化预报异常被基本消除。     

极轨卫星高层通道在GRAPES同化系统中的应用

针对GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式三维变分系统高层背景场温湿廓线外推方案的局限性,提出以气候垂直廓线重新构造高层温湿垂直结构,以减小外推方案的偏差。首先采用一维变分同化系统,展开模拟实验:分析目前模式中使用的外推方案误差及其对反演结果的影响,利用高层大气气候廓线构造垂直结构并分析同化偏差。最后,运用GRAPES全球分析预报系统进行同化实验并分析改进程度。结果显示:模拟研究表明采用高层背景场温湿廓线外推方案与实际观测相比最大偏差在1 h Pa附近可达数十度以上,不仅影响平流层,而且对对流层也有影响;用气候温度数据修正GRAPES高层温度数据,可以减少50%以上的偏差,证明了用气候值高层数据优化现行GRAPES模式中同化系统高层插值方案的可行性。全球GRAPES三维变分同化试验结果显示,改进方案不仅显著的改善平流层分析质量,对对流层中高层也有改进。     

公里尺度区域变分同化中引入大尺度约束的影响研究

公里尺度资料同化系统的框架设计和资料选择均侧重于中小尺度分析,常存在大尺度分析能力不足的问题。本研究在GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction System）区域3 km三维变分同化目标泛函中增加大尺度约束,将全球系统的大尺度信息引入到分析框架中去,研究其对公里尺度同化预报的影响。一个月的数值试验结果表明,引入大尺度约束可以显著改进大尺度形势场的分析和预报,提高降水预报评分,减少2 m温度和10 m风场的分析预报误差。进一步的,定量降水敏感性试验结果表明,大尺度湿度场和温度场约束对于改进降水评分十分重要。这其中,湿度场约束对于减少降水空报以及提高短时临近降水的TS（Threat Score）评分重要,而温度场约束对于改进较长时效的TS降水评分重要。此外,在均引入大尺度约束的条件下,采用完全循环（一个月中间无冷启）方案运行的试验获得了与局部循环（每日冷启）相当的分析预报结果。这为GRAPES区域公里尺度系统采用完全循环方案,进一步简化流程,减少计算消耗奠定了很好的基础。     

Improved Wind and Precipitation Forecasts over South China Using a Modified Orographic Drag Parameterization Scheme

To improve the wind and precipitation forecasts over South China, a modified orographic drag parameterization(OP) scheme that considers both the gravity wave drag(GWD) and the mountain blocking drag(MBD) effects was implemented in the Global/Regional Assimilation and Prediction System Tropical Mesoscale Model(GRAPES-TMM). Simulations were performed over one month starting from 1200 UTC19 June 2013. The initial and lateral boundary conditions were obtained from the NCEP global forecast system output. The simulation results were compared among a control(CTL) experiment without the OP scheme, a GWDO experiment with the OP scheme that considers only the GWD effect, and an MBD experiment with the modified OP scheme(including both GWD and MBD). The simulation with the modified OP scheme successfully captured the main features of precipitation, including its distribution and intensity,and improved the wind circulation forecast in the lower troposphere. The modified OP scheme appears to improve the wind forecast by accelerating the ascending air motion and reinforcing the convergence in the rainfall area. Overall, the modified OP scheme exerts positive impacts on the forecast of large-scale atmospheric fields in South China.     

边界层方案对华北低层O3垂直分布模拟的影响

利用WRF-Chem模式,采用3种边界层参数化方案 (YSU, MYJ和ACM2),针对1个晴空、静稳日 (2013年8月26日20:00—27日20:00(北京时)) 进行模拟,着重分析不同边界层参数化方案对夜间残留层形成及日出前后O₃浓度垂直分布形式的模拟效果,并与固城站地面及垂直同步观测资料进行对比。结果表明:3种边界层参数化方案均能够模拟出温度及风速的区域分布形式以及风温垂直结构的变化特征;相比之下,MYJ方案模拟的夜间边界层高度较YSU方案和ACM2方案明显偏高,该对比结果可能是导致近地面污染物浓度模拟差异的重要原因;在夜间稳定层结至日出后稳定状态打破的边界层结构演变过程中,采用YSU方案和ACM2方案模拟的温度和风速垂直扩线形式与观测结果更为接近;同样采用非局地闭合的YSU方案和同时考虑局地和非局地闭合的ACM2方案,对于边界层高度内O₃浓度垂直分布形式的模拟效果具有明显优势。     

迭代集合平方根滤波在风暴尺度资料同化中的应用

本文根据最新的非同步(Asynchronous)算法设计了一个迭代EnSRF(iterative Ensemble Square Root Filter,简称iEnSRF)方案。在这个迭代方案中,同化时刻的背景场和一个较早时刻的背景场将被同时更新,得到两个时刻的分析场,然后预报模式从较早时刻的分析场再次进行集合预报到同化时刻,最后重复前面两个步骤,实现对同化时刻背景场的迭代分析。在一个理想风暴个例上,本文通过模拟雷达资料同化对这一方案进行了检验,对比了传统EnSRF方案和iEnSRF方案的同化效果。此外,本文还讨论了只在同化时刻一个时间层上进行迭代的情况。同化单部模拟雷达资料的试验表明iEnSRF方案能够在初始估计缺少风暴信息的情况下较好地还原风暴中垂直运动和潜热释放之间的正反馈关系,显著提高初始分析的质量并加快随后同化的收敛速度。而传统EnSRF在这一初始估计较差的情况下不能在初始分析中有效估计这一相关关系并导致其收敛速度较慢且收敛误差较大。当只涉及一个时间层时,迭代算法并不能取得比传统EnSRF更好的效果。这一结果表明重复使用观测的算法只有在涉及两个时间层时才能改进最终的分析结果。在同化两部模拟雷达资料的试验中,iEnSRF的初始分析仍然优于传统EnSRF的初始分析,并在对流层高层取得显著改进。单双雷达资料同化的试验结果对比表明,单纯增加观测数量并不能显著改进传统EnSRF对非观测变量(比如温度)的分析,而iEnSRF则能够更加充分地利用更多的观测进一步提升初始分析的效果。     

热带风压场平衡特征及其对GRAPES系统中同化预报的影响研究I:平衡特征分析

本文基于GRAPES全球模式的短期预报误差样本,利用赤道波动正规模态研究了热带风、压场平衡特征,并根据这些特征分析了线性平衡方程(LBE)在该区域应用时存在的问题。结果表明:(1)赤道波动能成功解释热带短期预报误差样本的大部分分量,对流层中层为60%~80%,对流层顶和平流层低层为80%以上。(2)在可解释的误差方差中,赤道罗斯贝波(ER)占比仅为30%~55%,其他赤道波动的作用不可忽视。(3)在ER模态基础上引入其他赤道波动会大幅削弱原有风、压场平衡约束,重力惯性波与Kelvin波的作用最为显著。此时,对流层中层位势高度h与u风、v风间的约束接近于零,而平流层低层h-u的平衡特征由Kelvin波主导。(4)LBE主要表达了ER模态下的风、压场平衡特征,与实际情形相比高估了热带风、压场的耦合程度,进一步的改进中需削弱这一虚假平衡,使得热带风、压场分析变得更加独立。     

WRF模式对乌鲁木齐机场一次冻雾天气的数值预报对比试验分析

利用WRF模式和GFS资料对2016年11月28—29日乌鲁木齐机场一次冻雾天气过程进行预报,针对不同微物理过程、近地层、陆面过程、边界层等方案设计了13个预报方案组合,并将预报结果与观测资料进行对比分析发现,此次冻雾过程预报中,模式对陆面过程、近地层、边界层等参数化方案组合较为敏感,最优方案组合微物理过程为WDM6、近地层方案为QNSE,陆面过程方案为Noah,边界层方案QNSE。以最优的方案组合预报结果对此次冻雾进行分析,发现利用模式预报的环流形势、层结条件、温湿条件、混合条件等能够很好的判断出此次冻雾过程。就此个例而言,WRF模式预报的机场上空稳定层的变化,湿层结构、风场的水平和垂直结构等,对冻雾的生消以及冻雾过程中的能见度变化有一定的指示意义。     

基于伴随敏感性的风廓线雷达和地基微波辐射计观测对模式预报的影响评估研究

同化大量观测资料可以有效地改进模式预报结果,但不同观测对预报的影响有着显著差异,合理评估观测对预报的贡献是数值模式中最具挑战性的诊断之一。本文采用基于伴随的预报对观测的敏感性（Forecast Sensitivity to Observation,简称FSO）方法,构建WRFDA（Weather Research and Forecasting model’s Data Assimilation）框架下的WRFDA-FSO系统。基于2019年9月超大城市项目在北京地区获取的风廓线雷达（Wind Profile Radar,简称WPR）和地基微波辐射计（Microwave Radiometer,简称MWR）观测数据,利用WRFDA-FSO系统,开展观测对WRF模式12 h预报的影响试验,并分析风温湿观测对预报的贡献。结果表明:（1）同化的观测资料（MWR、WPR、Sound、Synop和Geoamv）均减小了WRF模式12 h预报误差,对预报为正贡献,其中MWR观测对预报的影响最大,WPR风场观测对预报的改进效果优于Sound的风场观测。（2）WPR的U、V观测和MWR的T、Q观测中,V观测和T观测对预报的正贡献值更高,对预报的改进效果更优。（3）WPR和MWR多数高度层的观测均减小了预报误差,对预报为正贡献,其中MWR的T观测对预报的正贡献主要位于近地面800 hPa以下。     

非均匀分层下的二阶精度垂直差分方案及其在GRAPES模式中的应用

在非均匀分层下,目前GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction System）模式中使用的垂直差分方案只能达到一阶精度。本文设计了一种适用于非均匀分层的二阶精度垂直差分方案,并将它应用于改进GRAPES模式动力框架的垂直离散化过程。一维廓线理想试验结果表明:二阶精度方案可以减少差分计算误差,而这种改进的幅度相对于差分计算本身引起的误差来说仍然是比较小的。通过密度流试验对修改后的模式动力框架进行测试,结果表明二阶方案可以保持模式动力框架的准确性和稳定性。进一步利用实际资料开展批量测试,发现二阶方案可以降低模式高空要素场的预报误差,而且这种改进随着预报时间的延长变得更为明显。最后选择一次典型的华南暴雨过程进行模拟,同样发现二阶精度方案对于48小时之后的降水会有一定程度的改进。     

On the impact of divergent part of the wind computed from INSAT OLR data on global analysis and forecast fields

Summary In this paper, a procedure for the computation of the divergent part of wind from Outgoing Longwave Radiation (OLR) data is described. This divergent part is included in the global analysis scheme and its impact is studied by computing the vertical velocity, velocity potential etc., using the analysed fields with and without modifying the divergent part and also making 24 hr and 48 hr rainfall forecasts.Results show that magnitudes of vertical velocity were increased when the divergent part was modified in the wind analysis. There were also changes observed in the analysed wind field over convective regions and the changes over the oceanic regions were higher, suggesting that the impact of divergent part is more pronounced over data sparse regions. Marginal increase was observed in 24 hr and 48 hr rainfall forecast over the Indian region. The area averaged rainfall forecast at each time step in the first 6 hours of model integration was also higher in the case when the wind field contained the divergent part.To sum up, it can be stated that the inclusion of the divergent part from OLR data in the initial wind field has brought out positive impact on the wind analyses and rainfall forecast.With 12 Figures     

雷达资料快速更新四维变分同化中增加地面资料同化对强对流临近数值预报的影响

基于雷达资料快速更新四维变分同化（RR4DVar）技术和三维数值云模式发展的快速更新雷达四维变分分析系统（VDRAS）,通过在系统中加入地面自动气象站观测资料的同化方法,对发生在北京地区的10个强对流过程开展了地面资料同化的高分辨率模拟分析和检验评估,并与已经业务使用的地面资料融合方法进行对比。研究结果发现,地面观测资料同化使边界层1 km高度以下的分析场改善最为明显,风速和风向的均方根误差分别平均降低0.1 m/s和7.2°,温度的均方根误差降低0.2℃。模式最低层100 m高度的风速均方根误差降低0.5 m/s,风速的误差随高度上升逐渐增大。模式最低层风向的均方根误差降低15.5°,温度的均方根误差降低0.4℃,且1.5 km高度以下的温度偏差都减小。区域内地面10 m高风速的均方根误差平均降低0.2 m/s,风向的均方根误差降低10.8°,地面2 m气温的偏差也降低。随着预报时效的延长,地面温度和风场的误差不断增大,但地面资料同化方法在一定程度上可以提高1 h内地面气象要素的预报效果。对2019年5月17日北京地区局地强对流新生和增强过程的详细分析表明,地面自动气象站观测资料的同化方法相对于融合,可以通过更细致准确地分析低层大气的热动力特征,改善低层气象要素的预报效果。在此基础上,通过探究对流单体的局地触发机理发现,海风锋辐合线与城市的相互作用一定程度上影响了对流的局地新生和发展,该同化方法可以进一步提高北京地区局地突发强对流的临近数值预报能力。      

GRAPES变分同化系统中动力平衡约束的统计求解

该文在GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction System) 模式面三维变分 (3D_Var) 框架中引入了一种描述不同控制变量之间动力平衡约束的新方案。新方案采用统计得到的流函数和模式气压变量 ( π ) 之间的回归系数代替原方案中的线性平衡方程,来表达旋转风和质量场之间的平衡关系;采用流函数和势函数之间的回归系数,补充表达了原方案中所没有的旋转风和散度风之间的平衡关系。与原方案相比,新方案算法简单,避免了垂直方向的反复插值,减少了插值误差的引入。通过随机扰动试验和单点试验可以发现,在地转关系成立较好的区域,新方案中旋转风和质量场的耦合程度与原方案接近一致;而在地转关系不适用区域,新方案可以有效减小两者的耦合程度。此外,由于新方案中添加了旋转风和散度风之间的动力平衡约束,边界层的风场分析也更加接近大气真实状况。     

不同观测误差确定方法对地基GNSS-ZTD资料同化预报效果影响的对比分析

利用2016年6—8月华北—东北地区的地基全球卫星导航系统的天顶总延迟（GNSS-ZTD）观测资料、东北区域中尺度数值预报系统,以2016年6—8月的13 d强降水为例,开展基于Desroziers等（2005）理论的Des方法和传统方法进行观测误差确定的天顶总延迟资料同化对比试验研究,探讨Des方法相对于传统观测误差确定方法对天顶总延迟资料同化预报效果的影响,并以未做天顶总延迟资料同化的试验为对照试验,考察天顶总延迟资料在数值模式中的同化应用效果。结果表明:（1）Des方法得到的天顶总延迟观测误差诊断值较为合理,诊断值站点间差别较大,说明逐站进行观测误差诊断的必要性;（2）天顶总延迟资料同化使强降水的强度、落区预报性能得到提高,使温、湿、风等要素的预报与观测接近,Des方案同化分析、预报效果优于传统方案;（3）对2016年7月25日华北—东北强降水过程进行了同化预报分析,整体而言,天顶总延迟资料同化有效增强了对流层中低层初始湿度场,修正了积分初期水凝物含量与位置,进而改善了降水预报效果,修正了对照试验对辽宁东部地区强降水的明显漏报,且通过降水的反馈作用改进了温度与风场预报效果。基于Des方法逐站诊断观测误差相比传统方法得到的观测误差更为合理,因此能够提高天顶总延迟资料的同化预报效果,同化天顶总延迟资料能够提高降水及温、湿、风等气象要素的预报水平。      

北京地区夏季边界层结构日变化的高分辨模拟对比

使用WRF中尺度数值模式, 分别选用两种不同的边界层参数化方案 (MYJ, YSU) 和3种陆面参数化方案 (SLAB, Noah, RUC), 对2004年7月1日08:00—7月4日20:00 (北京时) 北京地区夏季边界层结构进行1 km的高分辨模拟。对比分析了近地面层风场、温度场以及边界层的日变化特征, 结果发现:WRF模式基本模拟出了北京夏季边界层的日变化特征; 在边界层方案中, MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理; Noah陆面模式较好地反映了城市的热岛效应; 无降水时, 风速及边界层高度对于陆面过程不敏感, 而降水发生后, 陆面过程对于边界层结构的影响增大; 各方案模拟的城区风速明显偏大, 这是因为没有充分考虑城市建筑物的阻力作用。     

CMA-GFS 4DVar边界层过程线性化的改进北大核心CSCD

持续发展和优化切线性模式的线性化物理过程,保持与非线性模式一致是改善四维变分同化(4DVar)分析和预报效果的有效方法之一。目前业务系统的CMA-GFS模式采用基于Charney-Phillips(C-P)跳点的边界层参数化方案,而CMA-GFS 4DVar系统中采用基于Lorenz跳点的边界层线性化方案。为改善CMA-GFS 4DVar系统的边界层分析和预报效果,基于C-P跳点的边界层参数化方案研发了新边界层线性化方案,并通过对方案中地表热量通量和水汽通量扰动、自由大气的理查逊系数扰动、边界层的热量和动量交换系数扰动等进行更加精细地规约化约束,在确保CMA-GFS切线性和伴随模式稳定运行的情况下,减少线性化过程对切线性模式预报精度的影响。切线性近似试验检验表明:相较于原方案,新边界层线性化方案可以减少边界层位温和比湿的相对误差,最大可减少10%。批量4DVar循环同化试验表明:新边界层线性化方案可以有效改善切线性模式对低层位温、风场和比湿扰动的预报精度,减少4DVar内外循环目标泛函的相对差异,并提高700 hPa位势高度的可预报时效。     

WRF-DA中地面观测资料同化方案的改进与应用

为了改善地面自动气象站观测数据在WRF-DA(the Weather Research and Forecasting Model-Data Assimilation)系统中的同化应用效果,提高数值模式的预报性能,对WRF-DA地面资料同化方案中温度和风速订正方案进行改进,形成地面资料同化更新方案.通过考虑地形高度差异...     

SVD-En3DVar方法同化多普勒雷达速度观测资料 I. 模拟资料试验

利用WRF模式及模式模拟的资料,开展了利用SVD-En3DVar(基于集合和SVD技术的三维变分同化方法)方法同化雷达径向速度资料的试验.由于雷达观测经常出现大面积空缺,同化时引入了一种局地化方法避免远距离虚假相关的影响.试验着重研究了不同的初始扰动样本产生方法以及不同的样本积分时间对同化结果的影响.提出了一种为预报集...