L波段探空仪湿度资料偏差订正及同化试验

L波段探空仪观测资料是基础资料之一,无论在天气预报还是在数值天气预报中都起着重要作用,其资料质量直接影响数值模式同化分析及降水预报准确性。通过对我国3种常用的L波段探空仪观测湿度的偏差特性比较,研发适合该仪器的偏差订正方案,并在GRAPES同化系统中加以试验应用。结果表明:L波段探空仪湿度观测资料与ECMWF再分析湿度场比较有偏干现象。多种偏差订正方案订正结果显示:湿度偏差值比订正前减小,特别是在500 hPa以上层次减小明显。在GRAPES分析同化系统中使用Vomel偏差订正方案,分析偏差减小5%;预报模式个例和连续试验中湿度观测订正后预报降水更接近实况,预报降水检验评分显著提高,故该订正方案在实际应用中表现出积极的正效果。     

Vaisala RS92/90 探测仪的湿度观测偏差订正初步试验

探空观测资料无论在天气预报还是数值预报中都是最基本和最重要的一类资料源。Vaisala RS92/90探测仪资料又在这类观测中占比很大,其湿度观测资料质量的好坏直接影响同化分析和降水预报,故需要对该资料进行质量评估与偏差订正。通过与NCEP和EC再分析的湿度场比较,发现Vaisala RS92/90探测仪的湿度观测偏差,借鉴Yoneyama et al(2008)对该仪器湿度观测的偏差订正方案,从几种订正方案中优选出对分析改进最为显著、考虑太阳辐射等因素影响的订正方案,并将该方案应用到GRAPES-GFS准业务试验中。试验结果表明:Vaisala RS92/90探空湿度观测偏差订正后,同化分析与预报有中性偏正效果。连续试验中订正后预报距平相关在东亚与热带有改进,预报评分显示热带、北半球评分略有提高。该订正方案在实际业务中有其应用价值。     

全球观测资料质量监视评估

全球观测资料质量监视评估系统是为监视评估国家气象中心所接收的全球气象观测资料的质量而设计开发的。该系统以资料同化的6小时预报场为背景场，计算观测资料与背景场的偏差；运用质量控制技术排除观测资料中的可能是错误的资料；实时和非实时地统计分析各类观测报告的状况和观测资料的质量。采用的质量控制技术和统计分析方法都尽量和国际上发达气象中心相一致。所有产品都以图表形式在气象系统内部web网页上发布。该系统应用于日常观测资料质量监视评估及中国区域探空资料问题的详细分析、探空站综合评分、探空观测资料归档、探空观测资料偏差订正效果检验、L波段探空资料质量分析等，取得了显著效果。对加强观测业务管理、保证观测资料质量、改进观测技术发挥了积极的作用。     

卫星云图资料反演的质量控制及变分同化数值试验

该文针对数值化的 GMS红外卫星云图资料的特点 ,利用改进的统计反演方法分别求出温度和湿度估计场 ,设计了几种订正方案对反演出的温度和湿度进行质量控制 ;控制后的反演场再与常规观测资料进行变分同化 ,最后用 MM4模式进行了模拟对比试验 .结果显示 ,在合理的泛函设计的基础上 ,质量控制的好坏直接影响预报结果 .用分析场格点值进行订正效果优于用测站值直接订正 ,加上对云图反演的值进行系统误差订正后 ,有效提高了降水预报准确率 .值得指出的是 ,加进云图资料后 ,明显改善了模式降水预报的强度和区域 ,与仅用常规探空资料相比更接近于实况 .     

探空观测资料在西南暴雨中的同化试验

利用探空观测资料、T213资料、NCEP再分析资料以及GRAPES三维变分同化系统,研究不同探空观测资料预处理过程对同化结果和西南暴雨预报的影响。得到以下主要结论:(1)资料接收方式和取资料的截断时间不同会影响可用探空观测资料的站点个数。不同探空观测资料预处理过程,使同化系统得到的可用资料数量不同。(2)同化系统同化的探空资料数量越多,对背景场调整幅度越大。(3)利用GRAPES 3D-VAR系统同化探空观测资料能够改善背景场质量,随着同化的资料条数增多,对背景场的改善作用越明显。(4)降水预报结果表明,同化系统使用的资料条数越多,降水中心强度越接近实况。(5)2005年7月降水预报在西南地区的TS评分结果表明,国家气象中心使用的探空观测资料预处理程序优于成都区域中心的预处理程序。      

卫星资料反演湿度场改变模式初值对降水预报的影响

为探讨初始场资料在数值预报中的重要性，用高分辨率卫星T_BB资料反演的云内湿度场来改进模式初值，初步研究分析了改进的模式初值对降水预报的影响。以湿绝热过程的变态方程为积分方程，由卫星T_BB资料反演出大气中各等压面层湿度场。通过对比分析反演的湿度场与客观分析 (T106) 的水汽场，发现两者有较大区别，前者更加合理地反映出降水区域高空湿度场的分布。利用中尺度模式MM5将有限区域的常规探空资料和非常规资料进行同化，并对暴雨个例进行预报对比试验。不同初值的对比试验表明，在模式的初始场中引入卫星资料反演的湿度场后，明显地改善了模式降水预报的强度和落区，比仅使用常规探空资料更接近于实况。     

往返式探空观测资料的质量控制及不确定性分析

为了推动新型探测资料在数值预报模式中的应用,本文进行了往返式探空资料同化应用前重要的基础性研究工作。基于国内首次往返式探空观测资料,首先建立了面向业务化应用的往返式探空资料质量控制方案,通过对比和分析质量控制前后观测样本的统计特征,论证了质量控制方案的合理性,质量控制后探测要素抽样分布更为合理,要素间一致性得到提高。进而以数值天气预报高时间分辨率的模式预报场和同站址业务常规探空观测资料为参考,分析质量控制后资料的不确定性,结果表明往返探空探测精度达到了世界气象组织WMO（World Meteorological Center）规定的突破目标,部分探测要素甚至实现了理想目标,探测资料具有可用性。最后结合数值模式背景场探讨往返探空资料的可同化性,研究表明往返探空的风场观测和夜间温度观测满足变分同化系统的高斯、无偏假定,可直接同化;气压、湿度和日间温度观测在资料同化前需要开展偏差订正工作,从而更有效的发挥资料价值。本文的研究工作为今后往返探空资料在模式中的同化应用奠定了基础。     

华北地区地基GPS天顶总延迟观测的质量控制和同化应用研究

地基GPS天顶总延迟由于其解算误差来源少于目前广泛应用的可降水量资料,其同化应用将会为数值预报初值场更好地提供大气信息。面向同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案的研发将会有效推进该资料在中国数值预报中的广泛应用。基于2013-2014年华北地区天顶总延迟观测资料,发展了一套针对数值预报同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案。该方案从测站稳定性和解算精度、离群值、系统偏差及标准差等考察点切入,从不同角度检查和标记出致使观测序列统计特性偏离高斯分布特征的样本。质量控制后序列统计特征量更接近三维变分系统对观测资料的性质假设,表明了所建立质量控制方案的合理性。基于北京市气象局数值预报业务系统BJ-RUC开展了连续11 d的快速更新循环预报试验。评估结果表明：同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果明显优于同化未质控天顶总延迟试验,表明所建立质量控制方案的有效性。同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果优于未同化GPS资料试验,表明天顶总延迟资料的同化应用可以有效提升预报系统的降水预报效果,特别是在无探空资料参加同化的预报时次;同化质控后天顶总延迟资料试验的降水预报效果也优于同化可降水量的试验,表明使用天顶总延迟资料代替可降水量资料在数值预报业务中开展同化应用是可行的。在天顶总延迟观测质量控制方案研发和同化应用得到了一些有意义的结果,有助于推进该观测资料在数值预报科研和业务中的应用,为提升预报性能提供技术支撑。     

时间加密探空观测对分析和预报质量的敏感性研究

探空观测是气象资料同化中最基本的常规观测资料,对同化分析和预报的有效改善具有重要作用。由于现有探空观测站的空间分辨率较低,分布不均匀,且每日仅有两次观测,数量偏少,限制了其分析场对中小尺度大气状态的准确再现能力。自我国L波段雷达-数字探空仪更新换代以来,探空观测具备了获取每日4次、垂直分辨为秒级和分钟级的大气廓线资料。本文利用WRF中尺度数值模式,通过06时（世界时,下同）加密探空资料和12时常规探空资料的有效同化,研究分析了时间加密探空观测资料对同化分析和预报质量的敏感性影响。结果表明：同化06时的时间加密探空资料的午后暴雨预报质量优于12时常规探空观测。具体而言,同化06时的时间加密探空资料预报的大雨和暴雨的预报技巧高于12时常规探空资料;位势高度、温度和风场等预报场的均方根误差在高层的改进效果更加明显;06时的时间加密探空资料的同化对高层的高空急流和低层的水汽通量散度的预报质量贡献更大。批量试验进一步证实了有效同化时间加密探空资料对分析和数值预报效果改进的积极意义。     

基于贝叶斯方案的雷达反射率反演水汽及其同化试验

雷达资料是目前为数不多有能力为高分辨率预报模式提供高分辨率信息资料的资料之一。为充分利用该资料所包含的中小尺度信息,文中基于雷达反射率,利用贝叶斯方法反演出大气相对湿度;将质控后的资料引入3Dvar系统进行同化分析,为高分辨率模式提供初值场。以台风“妮妲”登陆为例,通过一维反演及三维变分系统分析,有效地订正了实况有回波而模式预报无回波区域的大气湿度趋于合理,增加背景场的湿度,减小模拟回波比观测偏强的区域的大气湿度;同化大气湿度后模式在前6小时报出的台风外围回波分布、演变更合理,改进了降水雨带的分布与强度。1个月的批量试验反映1D+3Dvar同化雷达资料后,大气对流层中低层（850~400 hPa）增湿明显,其增湿影响程度可延续12小时以上。其逐时降水预报在前12小时的TS均比控制试验高,而大于5 mm以上降水预报偏差则与控制试验的大略一致或更接近1。      

L波段与59-701探空系统相对湿度对比分析

通过统计全国探空系统早期换型时获取的59个高空站L波段雷达-GTS1型电子探空仪系统相对于59-701探空系统在1000 hPa到200 hPa之间各规定等压面相对湿度的差值,分析探空系统换型对于相对湿度一致性的影响。结果表明:GTS1型探空仪测得的相对湿度明显比59型探空仪低,且差值随高度增加而增大,近地层二者相对湿度差值低于5%,200 hPa高度二者差值达到20%以上;冬季两套探空系统相对湿度的差值明显大于夏季,且差值随高度分布情况不尽相同。分析表明:相对湿度差值的变化除了与探空仪施放过程中外界温度变化相关,还与湿度变化趋势和变化幅度密切相关,湿度传感器存在湿滞回线和滞后现象。分析还发现,太原无线电一厂与上海长望气象科技有限公司制造的59型探空仪的性能差异不明显,且GTS1型探空仪与59型探空仪的两种湿度传感器在白天受太阳辐射的残余影响差异也不明显。     

BJ-RUC系统对北京夏季边界层的预报性能评估

以北京市观象台2010年8月、2011年8月每日3次 (08:00, 14:00, 20:00,北京时,下同) L波段探空秒间隔数据为实况,对BJ-RUC系统 (rapid updated cycle system for the Beijing area) 分析和预报边界层性能进行了初步评估。结果表明:BJ-RUC系统对北京地区夏季白天边界层的细致特征具有较好的预报能力,但也存在明显的系统性误差。08:00边界层偏冷; 14:00和20:00 1 km以下的边界层则显著偏暖, 边界层内明显偏湿。整体上模式对边界层内温度、湿度的预报误差均高于自由大气。该系统对北京地区边界层内早晨 (08:00) 从夜间山风向白天谷风环流过渡、午后 (14:00) 到日落后 (20:00)1500 m以下盛行西南偏南气流的日变化特征具有较强的预报能力。系统预报的14:00边界层顶高度与评估时段内实际对流边界层高度的变化趋势一致。但预报的对流边界层顶偏高,这与BJ-RUC系统采用YSU边界层参数化方案的垂直混合更强有关。     

On the use of radiosonde humidity observations in mid-latitude NWP

Summary We compare radiosonde observations of relative humidity with NWP versions of the Meteorological Office Unified Model, and attempt to understand the causes of the systematic differences seen. The differences are found to have a different structure in cyclonic and anticyclonic situations over the UK. In cyclonic situations the mid-tropospheric temperature and humidity differences could be due to model biases, consistent with the conservation of energy; the latent heating from precipitation of the model's excess moisture would remove the model's cold bias. There is also some evidence for observational bias. Wetting of the sonde sensor in cloud can cause a moist bias at higher levels. The Väisala RS80 sonde also appears to have a dry bias near saturation.The Unified Model has a parameterisation for stratiform cloud which calculates the fractional cloud cover in a gridbox from the box-average relative humidity, allowing for sub-grid-scale variability within the box. This scheme has been tuned to give reasonable cloud amounts with the model's relative humidities. The cloud amounts implied (by the scheme) for radiosonde relative humidities are systematically less than the observed cloud. So assimilation of the observed humidities can significantly degrade analyses and predictions of cloud. Bias corrections for the radiosonde humidities have been calculated to compensate for this.Experiments have been performed to test the effect of the bias correction on the assimilation and prediction of cloud and precipation. With the control system, cloud cover and precipitation spins-up during the forecast period; the bias correction improves this. A large improvement was also found when the relationship between the temperature and humidity assimilation was changed; it is better to assume that temperature and relative humidity errors are uncorrelated, rather than temperature and specific humidity.With 16 Figures     

FY-3A微波资料偏差订正及台风路径预报应用

我国极轨气象卫星FY-3A大大增强了对地球系统的综合探测能力,而偏差订正对卫星资料的应用非常必要。试验中FY-3A卫星微波资料的偏差订正方案是在Harris等的TOVS辐射资料偏差订正经验方法的基础上结合WRF-3DVAR系统发展的,偏差订正后微波资料各通道拟合结果基本位于主对角线上,大多数卫星观测数据与观测算子利用背景场计算的亮温值分布趋于合理,偏差得到很大程度的降低。偏差订正后,利用数值模式直接同化FY-3A气象卫星微波资料,通过对2008年和2009年的4个台风进行预报评估表明:同化FY-3A气象卫星资料后路径预报能力提高明显,尤其是36 h后路径预报结果;同化FY-3A气象卫星微波资料后台风预报路径误差平均降低20%,而只同化常规资料路径误差仅仅降低了4%。     

L波段电子探空仪相对湿度误差研究及其应用

为了提高高空大气探测数据准确度, 我国从2002年1月开始推广使用L波段雷达-电子探空仪探测系统, 用携带碳湿敏元件的数字式电子探空仪代替用肠膜测湿元件的59型探空仪进行相对湿度探测。但大量的实测探空资料表明:相对湿度探空曲线仍然存在较大误差。利用能测到-30℃低温的高精度湿度校准设备在-30~30℃试验温度范围内对碳湿敏元件进行大量静态测试, 在进一步了解碳湿敏电阻校准线随温度变化的特征基础上, 结合实际探空资料, 修正工厂的相对湿度订正原理和公式, 从而可以提高碳湿敏电阻在高湿端的测量准确度, 提高判断云层垂直位置的准确性, 进而提高L波段探空仪温度测量的精度。     

探空观测黑名单检查在变分同化系统中的应用

针对探空观测资料使用造成的某些区域GRAPES分析场存在虚假的高、低压系统问题,该文通过对比全球探空资料的位势高度观测与NCEP分析场,统计站点中观测质量较差的时次出现频数,确定探空位势高度观测黑名单。研究表明:500 hPa在印度地区、北大西洋和南极洲附近的探空位势高度观测与NCEP分析场的均方根误差在30 gpm以上的站点较多,且位势高度观测不可靠观测比率为20%以上的站点主要集中这些区域,以上观测站均列入黑名单。文中在GRAPES全球三维变分分析场的质量控制中加入探空位势高度观测黑名单检查,通过6 h分析预报循环试验表明:探空位势高度观测黑名单检查能有效提高分析场质量,GRAPES位势高度分析场在南极洲附近和印度地区有所改善。