变分分析技术在城市气象资料分析中的应用

随着城市气象研究和城市气象服务的深入开展,越工需要分辨率更高、精度更高的观测资料,同时,随着城市气象观测网的不断完善,已能提供较多的常规和非常规观测资料。为了得到更完善的气象要素分布场,首先应对这些常规和非常规观测资料进行客观分析。使用上海市的气象哨、常规气象观测站的观测资料和非常规观测资料进行客观分析。使用上海市的气象哨、常规气象观测站的观测资料和上海市的地表分类信息,对变分分析技术进行了实验。     

冷锋影响山东半岛的中尺度客观分析试验

使用山东半岛部分加密测站的锋面个例逐时资料，采用九点拉格朗日插值的逐步订正法，对地面场的资料进行了个尺度客观分析试验。通过对逐步订正法中观测前５个时次资料平均场、观测前１个时次资料场和观测时次资料场作为不同的初始估计场得到的客观分析结果的比较，提出在山东半岛进行中尺度客观分析，当观测资料分布不均，海面区域没有资料点及冷锋附近气象要素变化剧烈时，采用观测时次资料场作为有限区域网格的初始估计场而得到的结果较好。     

气象卫星资料在天气预报分析业务中的应用

对TOVS和云导风非常规反演资料进行了质量控制，并将控制后的反演场与常规观测资料以及T106分析场资料进行变分同化，得到合成分析场。结果表明：在合理的目标函数设计的基础上，合成分析场与仅用常规探空资料相比更接近于实况，弥补了实况资料的不足。运用MICAPS中特有的网格点绘图功能实现了机器自动绘制历史天气图工作。经检验误差较小，线条平滑。该方法为在实时天气图和历史图分析中使用非常规资料提供了一条新的途径，具有一定的实用价值。     

关于流场、高度场的一个客观分析方法

本文介绍一个低纬度流场和高度场客观分析方法,这个方法主要依靠当时观测资料而无需预备场。我们曾在上海气象局台风研究协作期间试验过高度场的客观分析方法。本文则在这基础上探讨低纬流场和高度场的客观分析方法,并进一步地考虑了船舶、飞机等非常规报的利用方案。     

飞机报资料在0506华南致灾暴雨过程模拟中的应用

利用常规和非常规观测资料,对2005年6月18～24日华南地区的一次致灾暴雨过程进行了分析,并对18～19日的过程进行了模拟研究。由于常规观测资料的分析对于描述暴雨的系统结构等方面尚显不足,因此利用GRAPES模式对此次暴雨过程进行了模拟研究。采用不同资料,利用模式同化系统经过12小时的同化,将得出的不同的同化分析场作为模式的初始场,对此次过程进行24小时的数值模拟做对比模拟试验,来对比分析飞机报同化场对于模式预报的改进作用。试验证明,利用有飞机报加入的同化分析场做初始场的模拟结果不仅能够模拟出主要的降水区域,而且降水强度与实况更加吻合,比未加入飞机报的控制试验结果的准确率提高了。飞机报资料的使用对于提高此次暴雨过程模拟效果是可行的、必要的,而且也为该资料用于华南暴雨的预报奠定了基础。     

应用卫星云导风进行台风路径预报试验

在国家气象中心台风数值预报业务系统中引入国家卫星气象中心提供的卫星云导风资料,进行三项预报试验．首先用卫星云导风资料厂正客观分析风场;其次将云导风资料加人到输对称的人造台风模型风场上,使之产生非对称风场、在前两项试验的基础上进行相应的质量场调整,使之形成较协调的客观分析场和非对称的人造台风模型。试验结果表明：卫星云导风资料订正客观分析风场对台风路径预报有明显改进;用云导风形成人造台风模型非对称风场对台风路径预报也有所改进;对订正后的客观分析场进行质量场调整可进一步提高台风路径预报的精度,而对非对称人造台风模型进行质量场调整,对减小台风路径预报误差作用不明显。     

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。     

复杂地形边界层流场分析的共轭函数方法

将变分资料同化方法用于复杂地形边界层流场分析，利用兰州的一次观测资料进行了数值试验。结果表明，这样得到的分析场比简单客观分析场或数值模拟场都要合理。     

“00.7”北京特大暴雨模拟中气象资料同化作用的评估

针对2000年7月4～5日北京地区的一次特大暴雨过程(24 h降水量达240 mm),文中利用MM5/WRF三维变分系统和MM5非静力模式,对此次特大暴雨过程中的各种气象监测资料(地基GPS大气柱水汽含量、常规探空、高空测风、地面常规观测和地面自动气象站)的同化作用通过观测系统数值试验进行了评估.结果表明与传统的客观分析方案相比较,MM5/WRF三维变分同化系统可直接引入非常规地基GPS大气柱水汽含量监测资料,提供更好的大气初始分析场.在三维变分同化方案下,各种大气监测资料均对改进此次特大暴雨模拟有不同程度的贡献,其中,常规探空和高空测风监测资料对改进预报结果的影响最大,地面常规观测和地面自动气象站观测资料作用次之,地基GPS大气柱水汽含量资料在与其他大气监测资料相互优势互补后,可很好地改善模式大气的分析质量,通过三维变分同化技术在区域数值天气预报模式初始场中引入地基GPS大气水汽监测网资料,使此次强降水个例的6 h和24 h测站降水预报的TS评分值在1,5,10和20 mm预报检验阈值下分别提高了1%～8%.研究结果对利用三维变分数值系统,评估气象监测网资料在改进高影响天气事件预报中的作用有借鉴意义.     

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。     

热带风场与气压场的客观分析

本文着重讨论了为恰当定义热带风场的辐散分量,客观分析方案所应具备的基本条件,指出过去通行的分析方案在这方面的严重缺陷,并提出了一个改进方案.理想与实测资料的分析结果都表明,新的分析方案在保留分析流场的辐散分量与减小分析误差方面都有明显的效果.同时新的分析方案还提供了低纬度实施多变量分析的可能性,从而部分地缓解了低纬度观测资料不完整所造成的困难.     

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。     

大气数据同化方法的研究与应用进展

简要介绍了大气数据同化的基本思想与方法，阐述了松弛逼近法、Kalman滤波和变分约束法三种大气数据同化方法研究状况和应用进展情况。     

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。     

中期(旬)天气客观相似预报方案

目前,中期数值天气预报的最长可用的预报时效约为6—7天,对中期数值预报输出产品进行统计释用的MOS,PP等方法制作的逐日具体天气预报的最长可用时效约为5—6天。要完全靠以上客观预报方法进行10天天气变化过程预报仍有待时日。为此,本文提出一个综合考虑中期数值天气预报输出产品及历史天气过程的旬天气客观相似预报方案。本方案用500 hPa候平均高度场在预报时刻前后连     

Multivariate Objective Analysis of Wind and Height Fields in the Tropics

ＭｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅＯｂｊｅｃｔｉｖｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＷｉｎｄａｎｄＨｅｉｇｈｔＦｉｅｌｄｓｉｎｔｈｅＴｒｏｐｉｃｓＳ．Ｋ．Ｓｉｎｈａ，Ｓ．Ｇ．ＮａｒｋｈｅｄｋａｒａｎｄＳ．Ｒａｊａｍａｎｉ（ＩｎｄｉａｎｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｒｏｐｉｃａｌ...     

Use of Surface Observations to Estimate Upper Air Humidity for the Objective Analysis of Relative Humidity over Indian Region

In the present study objective analyses of relative humidity (RH) at surface and at the levels of 850,700 and 500 hPa have been made using Gandin’s (1963) optimum interpolation scheme. As the horizontal resolution of the radiosonde stations is rather inadequate for upper air humidity analysis, a scheme has been developed, following Rasmussen (1982) to estimate the upper air RH from the surface observations like surface RH, present weather and cloud cover. The relative humidities at the levels 850, 700 and 500 hPa were related to the surface observations through three separate regression relations. The RH values at 850, 700 and 500 hPa levels were estimated from the surface RH, cloud coverage and present weather using the above regression relations and subsequently the objective analyses at 00 GMT for the period from 4 July to 8 July 1979, were made using these estimated data along with the observed radiosonde data. Objective analyses were also made for the same period using only the radiosonde data for comparison to study the impact of those estimated data. Root mean square errors were computed for all the five days by interpolating RH at the observing stations from the objectively analysed field and comparing them with the actually observed RH to examine how best the analyses (with and without estimated data) fitted the observations. Lastly they were compared with satellite cloud pictures. This study shows that the estimated upper air RH values have positive impact on the analysis of upper air RH and could be used over radiosonde date sparse region and even over oceanic regions.     

Some experiments with multivariate objective analysis scheme of heights and winds using optimum interpolation

A two-dimensional, multitvariate objective analysis scheme for simultaneous analysis of geopotential height and wind fields has been developed over Indian and adjoining region for use in numerical weather prediction. The height-height correlations calculated using daily data of four July months (1976-1979), are used to derive the other autocorrelations and cross-correlations assuming geostropic relationship. A Gaussian function is used to model the autocorrelation function. Since the scheme is multivariate the regression coefficients (weights) are matrix.Near the equator, the geostrophic approximation relating mass and wind is decoupled in a way similar to Bergman (1979). The objective analyses were made over Indian and adjoining region for 850, 700, 500, 300 and 200 hPa levels for the period from 4 July to 8 July 1979, 12 GMT. The analyses obtained using multivariate optimum in-terpolation scheme depict the synoptic situations satisfactorily. The analyses were also compared with the FGGE ana-lyses (from ECMWF) and also with the station observations by computing the root mean square (RMS) errors and the RMS errors are comparable with those obtained in other similar studies.     

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。     

船舶海平面气压观测资料质量控制

随着数值预报模式不断发展,各类观测资料在数值模式中发挥着越来越重要的作用,船舶观测资料是海上3类观测系统 (卫星、飞机、船舶) 资料之一。为了保障船舶观测资料质量并有效地应用于数值模式,该文依据船舶观测资料的时空分布特征,以及2011年1月和7月T639分析场与观测资料对比分析结果,建立了一套船舶海平面气压资料质量控制方案,包括要素极值范围检查、缺测和冗余资料剔除、背景场一致性检查、测站黑名单建立等,并将该方案应用于2011年2月、6月、8月的观测资料。结果表明:船舶观测资料在时间上不连续且空间分布不均匀,会影响时间一致性检查和空间一致性检查质量控制效果;船舶海平面气压观测资料在所有观测要素中资料量最大,但其缺测和冗余资料量约占50%;黑名单资料的质量控制方案能够有效识别和剔除黑名单资料,且有利于对各测站的检查与维修工作;由于五大湖和大奴湖地区地形高度的影响,在背景场一致性检查过程中需对这些区域的背景场资料进行订正。