适应性观测研究现状和展望

适应性观测是指为了有针对性地提高高影响天气数值预报的质量,在已有观测系统基础上对特定敏感区域/特定时段进行补充性加强观测。十多年来,这种旨在提高数值预报质量的新策略在国际上引起高度重视,成功开展了多个系列外场观测试验,并在适应性观测敏感区识别方法的发展和适应性观测资料同化后对数值预报质量影响的定量评估等方面均取得了重要的研究成果。文中简述了适应性观测问题及其目的,着重分析和总结了目标敏感区识别方法及其特点和适应性观测对数值预报质量的影响等方面的研究进展,并讨论了适应性观测资料改进未来数值预报质量需要解决的关键科学问题。     

基于GRAPES四维变分的静止轨道微波观测系统模拟试验研究

地球静止轨道微波观测同时具有高频次、大视场和穿透云雨的全天候观测能力，因此中国在规划第二代静止轨道气象卫星“风云四号”系列时已经明确提出对静止轨道微波观测的需求。基于中国候选的50、118、183、380和425 GHz五频段静止轨道微波辐射计载荷方案，开展了地球静止轨道微波观测系统模拟试验，理解其观测时间分辨率、频段选取和观测误差对台风预报的影响。试验基于GRAPES全球四维变分同化系统，同化静止轨道微波模拟观测资料，以2018年台风“玛利亚”和“山竹”为例分析了静止轨道微波资料同化对台风预报的影响。试验结果表明，对于静止轨道微波资料同化应用，提高观测资料的时间分辨率、增加通道数量和降低噪声水平能够有效提升台风数值预报性能。      

一种新型的适应性观测资料应用对台风预报的影响试验研究

近年来，气象界提出了一个“适应性（或目标）观测（adaptive or targeting observation）”的新概念，它是根据数值预报的敏感区在现有的、固定的气象观测网基础上增加的、有目标的特别观测。下投式探空仪（Dropsonde）是适应性观测的重要观测仪器。利用我国新一代数值预报系统GRAPES，初步研究了应用热带气旋适应性观测的下投式探空仪探测资料对台风（2003年杜鹃台风）预报的影响，并进行了敏感性试验。结果表明，数值天气预报中增加下投式探空仪观测资料之后，对台风的移动路径、台风中心位置和强度，以及其它要素的预报都有所改善；敏感性试验还指出，下投式探空仪观测资料的误差结构设置对台风的预报也有明显的影响，该类观测资料在修正背景场的过程中权重并不是越高越好     

一次典型华南暴雨预报目标观测区的确定和敏感性试验

针对一次典型华南暴雨过程,利用适应性观测技术确定对华南暴雨预报起关键作用的敏感区,并设计一组试验方案,以目前国内实际地面观测站点分布为前提,在敏感区内增加不同数量的均匀随机分布的地面观测资料,通过MM5(The Fifth PSU/NCAR Mesoscale Model)三维变分(3DVAR)同化系统对已有的地面观测站点资料和敏感区内所增加的观测进行同化,考察地面观测站点的分布对关注区域内预报效果的影响。试验结果表明,各试验对降水的预报差异不大;而以扰动总能量的大小衡量预报水平,与CTRL试验相比,在敏感区内增加观测对短时临近数值预报效果的改善尤为明显,若敏感区内增加75%的地面观测,可使24 h后的关注区域内的数值预报水平提高12.6%,而随着敏感区内地面观测站点的增加,关注区域内的预报水平并没有得到相应提高,这说明布设过多的地面观测站点不但不能改善预报效果,反而造成资源浪费。因此,这一结果为充分利用有限资源、更好设计地面观测站网、最大限度提高华南暴雨的预报水平有很好的理论指导作用。      

基于集合卡尔曼变换的目标观测敏感区识别系统优化及影响试验

在基于集合卡尔曼变换(Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF)方法的适应性观测系统的基础上,考虑湿度因子作用并增加对流层低层的大气运动信息,发展了更加适用于我国中尺度高影响天气系统敏感区识别的优化方案。针对环北京夏季暴雨和冬季降雪的高影响天气个例,分别设计4组试验进行观测敏感区识别试验,考察了优化方案目标观测敏感区识别质量,并对分析和预报结果进行了评估。结果表明:优化方案的目标观测敏感区识别效果最佳,对环北京夏季暴雨和冬季降雪天气的目标观测敏感区质量有明显改善,湿度因子可使最强观测敏感区更加集中,对夏季降水敏感区的影响比冬季降雪天气更加明显。低层大气信息的引入对最强观测敏感区的准确识别也具有重要的积极作用。目标观测敏感区的目标资料对分析和短期预报质量具有明显的正贡献。     

适应性观测与集合变换卡尔曼滤波方法介绍

给出适应性观测理论和集合变换卡尔曼滤波方法及其研究现状的综述。重点介绍了集合变换卡尔曼滤波方法及其相关的一些问题。在数值预报领域,一种新的途径是利用数值预报系统信息在预报时效内确定出某些区域,如果在这些区域进行补充观测,可以最有效地改进预报技能。这种方法被称为适应性或目标观测,所确定的观测区域称为敏感区,敏感区内增加观测后分析质量将得到改善,对后续的预报技能可产生最大的预期影响。目前适应性观测研究已经成为世界气象组织(WMO)组织的THORPEX计划的一个子计划。集合变换卡尔曼滤波(The Ensemble Transform Kalman Filer,简称ETKF)是一种次优的卡尔曼滤波方案,最早是作为一种适应性观测算法提出的,现在还被用于集合预报初始扰动的生成。ETKF方法不仅可以同化观测资料,而且可以估计出观测对预报误差的影响。它与其它集合卡尔曼滤波方案不同之处在于:ETKF利用集合变换和无量纲化的思想求解与观测有关的误差协方差矩阵,可以快速估计出不同附加观测造成的预报误差协方差的减少量,预报误差减少最多的一组观测所对应的区域就是所寻找的敏感区。     

FY-2E晴空风矢同化对台风分析和预报的影响研究

为了研究“二阶差分法”反演的晴空区风矢同化在台风分析和预报中的作用,以1509号台风“灿鸿”和1211号台风“海葵”为例,首先利用WRF-3DVAR系统对晴空风矢进行同化,探讨了晴空风矢的引入对模式初始场的影响。然后利用WRF模式对两个个例分别进行48 h的预报试验。通过对比控制试验和同化试验,结果表明,同化晴空风矢资料能够对初始风场和位势高度场进行合理的调整,在台风周围引导气流的作用下,台风路径与实况更靠近,从而提高了台风路径的预报效果。除此之外,同化晴空风矢对台风强度以及风场预报也有一定的改善作用,还可更准确地预报出降水的落区及雨强,提高降水预报质量。因此,晴空风矢的引入,有利于改善模式的初始场,从而提高WRF模式对台风的预报能力。      

台风试验陆地加密观测在数值天气预报中的作用

采用国家气象中心（NMC）有限区同化预报系统（HLAFS）和华北区域分析预报系统（NCAFS）的基本方案,选择“八五”期间台风试验期进行陆地测站特殊加密观测的两个台风个例作数值天气预报（NWP）试验,探讨这些资料在NWP中的作用。试验结果表明:陆地测站加密地面观测资料,对NMC的NWP系统的预报,尤其在较高分辨率情况下,具有较明显的改进作用。     

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。     

GPS ZTD资料同化对台风“利奇马”模拟的影响研究

2019年超级台风“利奇马”对我国东部地区造成了巨大灾害,针对台风“利奇马”,研究GPS ZTD资料同化对于台风“利奇马”登陆后降水预报的影响。在进行GPS ZTD资料同化试验前,采取了稳定性检查、极值检查、双权重检查、偏差订正检查等质量控制方法以改善资料的同化应用水平。模拟试验结果表明在同化探空、风廓线等常规资料基础上,增加质控GPS ZTD有效改善了初始场的水汽条件,使得低层水汽辐合更强,从而改进了台风外围雨带的预报。并且通过循环同化能够改善初始环流场,进而改进了台风路径的预报使得台风主体降水的位置得到改善。     

地面观测资料在西南地区数值预报中的敏感性试验

利用3.0版的GRAPES同化系统,针对西南地区2005年7月的夏季降水,开展地面观测资料的同化敏感性试验,对整月天气进行了每日一次的48小时预报,并对该月发生在川渝地区"7.8"大暴雨过程进行对比分析.试验结果表明,在地形复杂的西南地区,利用等压面的GRAPES 3DVAR同化系统同化地面观测资料对降水预报的影响随进入同化系统的地面观测资料疏密程度和同化内容的不同而不同;当模式采用较高分辨率时,同化的地面观测资料越多,对降水预报的改善作用越明显;同化地面观测资料的风速信息可以降低降水预报的空报率,但对漏报率和TS评分改善作用不明显;在几种同化方案中,利用GRAPES 3DVAR同化系统同化地面观测资料的相对湿度和位势高度信息,对降水预报的改善效果最明显.     

适应性观测及其策略问题

从适应性观测(目标观测)概念提出后,确定进行适应性观测的时间、敏感区域的方法,即适应性观测策略得到不断发展,本文介绍了目前最主要的几种适应性观测策略,其中包括奇异矢量、繁殖矢量、伴随敏感性、集合转换Kalman滤波等适应性观测策略,以及用于台风的适应性观测策略.总结了适应性观测及其策略的相关理论问题,以及各种适应性观测策略之间的相关关系和不同,讨论了适应性观测对预报改进的影响因素,如观测误差、同化方案、模式误差等.为了实施适应性观测的业务应用、比较不同的适应性策略的适用性,国际上针对不同的高影响天气过程,在不同地区开展了一系列适应性观测外场试验.本文总结了近几年来开展的适应性观测外场试验.这些试验结果表明,平均而言适应性观测可有效地改进高影响天气过程的数值天气预报,但实施高影响性天气的适应性观测业务仍然是一个挑战性任务.     

北京地区暴雨个例的观测敏感区研究

利用基于集合预报的相关方法对2009年7月23日发生在北京及周边地区的暴雨过程的观测敏感区进行了分析。通过WRF(Weather Research Forecast)三维变分方法对初始场进行随机扰动,形成30个初始集合样本,做了预报时效为12 h的集合预报。利用该方法分析检验区(北京及周边地区)累积降水[14:00(北京时间,下同)至20:00]相对于初始时刻(08:00)各基本要素的敏感性,确定感性要素及其对应的区域。研究发现初步确定的敏感性要素为水汽和温度,对应的敏感区分别位于北京的西南侧和北京的东北侧,且通过实况分析可知初步确定的敏感性要素和对应的敏感区具有明确的物理意义。还进一步通过观测系统模拟试验(OSSE)的资料同化验证所确定的敏感区,结果表明在水汽对应的敏感区内同化水汽对降水的预报结果有明显的改进;在温度对应的敏感区内同化温度,降水的预报准确率有了明显的提高,说明了初步确定的敏感性要素和敏感区的正确性。在水汽对应的敏感区内同化水汽的同时在温度对应的敏感区内同化温度,使降水预报的技巧有大幅度的提高,说明了温度和水汽的共同作用对提高降水预报准确率贡献最大。因此,通过基于集合预报的相关方法能够快速的确定敏感区。研究结果将为确定北京暴雨的观测敏感区提供参考。     

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。     

基于CNOP方法的台风目标观测中三种敏感区 确定方案的比较研究

在目标观测中,敏感区的确定是个关键性的问题。本文详细研究了如何用条件非线性最优扰动（CNOP）方法确定敏感区。提出了三种确定敏感区的方案:水平投影方案、单点能量投影方案以及垂直积分能量方案。比较了三种方案确定的敏感区的差异,分析了它们所阐释的物理意义,讨论了它们的优缺点,并通过理想回报试验考查了不同方案确定的敏感区的有效性。对六个台风个例的应用结果显示,单点能量投影方案与垂直积分能量方案下识别的敏感区较为相似,二者与水平投影方案确定的敏感区则有较大的区别。两种能量方案确定的敏感区更多地反映了环境场对台风的影响,而水平投影方案则反映了台风自身对流不对称性结构对台风发展变化的影响。理想回报试验结果表明,由两种能量方案确定的敏感区对预报误差能量的减小程度以及路径预报的改善程度都要大于水平投影方案确定的敏感区的效果,且垂直积分能量方案确定的敏感区的有效性最高。而在强度预报方面,三种方案对预报效果的改善程度相当。因此,总的说在台风目标观测研究中,利用CNOP方法确定敏感区时,垂直积分能量方案是较佳的方案。     

非高斯分布观测误差资料的变分质量控制对暴雨预报的影响

观测资料的质量控制直接影响数值预报资料同化的分析质量。本文针对GRAPES区域同化和预报的三维变分资料同化系统,发展了基于观测误差为"高斯分布+均匀分布"模型的变分质量控制方案,讨论了该方案的初始启动和关键参数,并检验分析了其适用性与有效性。同时,以全球预报系统(GFS)资料作为背景场,利用探空、地面、船舶、飞机、云迹风等常规观测资料和COSMIC卫星反演资料进行同化和预报,分析了华南地区特大暴雨的个例试验和2013年8月共31 d的批量试验。试验结果表明:变分质量控制能够依据观测资料的不同质量对观测权重进行合理调整,对位势高度、气压、风、比湿的分析增量场和分析场改善显著,尤其在强降水区具有更加明显的效果;对降水落区、降水强度及中心位置的预报质量具有较好的提高,特别对暴雨、大暴雨等较大降水量级的预报能力反映出更好的改善效果,充分显示了变分质量控制在中小尺度剧烈天气过程中对同化分析和预报的重要作用。     

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。     

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对同化效果的影响,调整同化方案中地面要素由实际地形高度订正到模式高度的同化订正方案,提升地面观测温度及风速订正值的合理性。并进一步分析了2017年7月5日个例试验结果及2017年7月整月的批量试验,发现相比于使用原方案同化后的预报效果,选取更新方案同化地面自动气象站观测资料的模式预报效果在前9 h温度和风速的预报误差明显降低,且在24 h预报时效内更新方案对于模式预报均起到改善作用。      

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。      

一次过度预报的温带气旋的观测资料影响性研究

针对2015年2月12—16日发生在东亚的一次预报过度的温带气旋开展了资料同化及资料影响性观测等研究。此次温带气旋的发展与各个主要数值模式的预报相差甚大,并未出现预期中的爆发性增长。针对此次过程,采用WRF模式及其变分同化系统开展了模拟与同化试验,主要同化了NCEP全球地面和高空观测资料,修正了此次温带气旋过度预报的问题。经过同化后,减弱了系统的气旋性环流,同时南北温差的减弱也导致了环境场的斜压性的减弱,使得气旋爆发性增长延后,强度减弱,更符合实际观测。与此同时,还利用WRF伴随模式WRFPLUS和观测资料影响性模式WRFDA-FSO开展了观测资料影响性的研究,并发现三类资料SOUND、SYNOP、GEOAMV在减小预报误差中的作用最大。进一步的敏感性试验表明仅同化这3种资料可以取得更为理想的预报。