背景误差协方差变量平衡特征及其对台风同化和预报的影响

构造合理的背景场误差协方差是做好资料同化的关键。分析了背景误差协方差中变量相关关系在台风季节和非台风季节隐含的不同动力平衡特征,并讨论其对台风同化和预报的影响。分析发现,与非台风季节相比,在台风季节温度与非平衡速度势具有更强的动力相关性,拟相对湿度与其他控制变量的相关性也更显著。这些动力相关性在背景场误差中协方差的引入,将在同化分析过程中使得观测信息可以合理地对同化分析场产生影响。台风循环同化和预报的结果验证了对变量平衡特征的分析:背景误差协方差中新平衡关系的建立,对同化和预报有较大的正面影响,尤其是相对湿度和其他控制变量相关的建立,明显改善了台风路径、强度和降水的预报效果。      

GRAPES Hybrid-3DVar对台风苏迪罗的数值试验

为了把反映天气形势变化的背景误差协方差引入到变分分析系统中来提高分析质量,本文在GRAPES区域三维变分框架的基础上通过扩展控制变量方法实现动态与静态背景误差协方差耦合,建立混合三维变分分析系统（GRAPES Hybrid-3DVar）。通过控制变量扰动产生的集合样本进行单点观测分析试验验证Hybrid-3DVar及其局地化方案的合理性,并针对台风苏迪罗进行实际观测资料同化和数值预报试验,结果表明:用集合样本描述的背景误差协方差是随着天气流型变化的,动力场和质量场的离散度在台风中心处最大,因而混合同化的分析增量包含更多细微结构和中小尺度信息;其分析和24 h内预报要素质量优于3DVar,24 h内降水强度和落区预报也更准确,混合同化分析改善了3DVar分析的降水空报问题;同时混合同化分析的24 h内台风路径预报也最接近实况,台风强度预报在48 h之内都比3DVar更接近观测。     

CMA-TYM混合En3DVar方案的设计和初步试验

基于CMA-TYM的3DVar系统,发展了利用扩展控制变量引入流依赖背景误差协方差(集合扰动成员统计表达)的混合En3DVar同化方案。测试显示,单点台风中心气压数据同化会引起风场非对称增量形成,以及导致传统3DVar方案认为不相关的湿度增量出现。台风个例试验表明,混合En3DVar方案能提取台风内零散观测资料信息,并按实际台风动力特征和分布区域向四周传播,从而影响分析场中台风涡旋强度、结构。同时,与3DVar方案相比,混合En3DVar方案对提高台风路径、强度预报效果明显。     

纬度依赖背景场误差协方差及其对台风同化和预报的影响研究

合理的背景场误差协方差矩阵是做好变分同化的关键。为进一步认识背景场误差协方差矩阵在中尺度预报中的作用,对背景场误差协方差中平衡关系的纬度依赖特征及其对中尺度同化及预报效果的影响进行了研究。为使得平衡关系既包含纬度依赖特征,又降低纬度依赖带来的非平衡的噪音信息,在背景场误差协方差矩阵构造的平衡变换过程中引入了递归滤波的方法,对平衡变换中的回归系数进行了滤波平滑。同化单点观测的理想试验表明纬度依赖的背景场误差协方差具有更合理的动力关系,且滤波后的背景场误差协方差既保持了纬度依赖特征且明显平滑了噪音信息。台风“莫拉克”同化数值模拟试验表明纬度依赖的背景场误差协方差明显提高了36 h及以上的中心海平面最低气压和路径预报的预报效果。      

内蒙古区域模式三维变分中背景场误差协方差结构特征分析

背景场误差协方差矩阵的统计是资料同化的重点工作。文章利用NMC方法对内蒙古区域模式2017年7月和2018年2月各月的预报场进行背景场误差协方差矩阵的统计,通过对重新统计背景场误差协方差矩阵的特征、单点试验及预报效果进行分析。结果表明:内蒙古夏季和冬季控制变量的特征向量变化特征相似,但由于天气系统的影响而有所差别;夏季和冬季各控制变量在各模态上的特征值都随着模态数的增加而快速减小,冬季误差模态振幅要小于夏季,这主要是由于影响内蒙古夏季的天气系统较多,天气过程较冬季复杂;对模式贡献越小的特征向量,其特征长度尺度也越小,影响的范围也越小;单点试验验证了应用本地资料重新统计的背景场误差协方差矩阵的合理性。对暴雨个例的数值模拟试验表明:应用本地化背景场误差协方差同化后模拟的强降水范围和强度均得到明显改善,降水模拟更接近实况。说明本地化后的背景场误差协方差对模式预报具有一定的改进作用,在三维变分同化系统中,背景场误差协方差的重新统计工作十分必要。     

WRF-Hybrid背景误差协方差调整在台风同化及预报中的应用研究

利用雷达径向风单点试验和2006年8月超强台风"桑美"个例,首先研究了静态背景误差协方差的尺度化因子和方差在台风系统雷达资料同化中对台风路径和强度预报的影响。结果表明:在高时空分辨率的雷达资料同化中,较小的尺度化因子能显著改进对台风路径的预报;尺度化因子的影响比方差的影响更为显著。基于上述实验结果,进一步研究了WRFDA-Hybrid系统中"流依赖"控制变量的水平局地化和垂直局地化对台风预报的影响。试验结果表明:当"流依赖"的水平局地化距离与静态背景误差协方差的尺度化因子具有等效影响范围的时候,WRFDA-Hybrid能够得到比较合理的分析结果。同时针对雷达观测资料的空间分布特征,本文提出了一种新的基于雷达探测高度的垂直局地化方案,对台风的强度和路径预报均有显著的改进。     

不同背景场误差样本模拟方案对数值预报的影响——以“苏迪罗”台风为例

利用天气研究和预报模式(Weather Research and Forecasting Model,WRF)、WRF三维变分同化(Weather Research and Forecasting-Three-Dimensional Variational Data Assimilation,WRF-3DVAR)及美国国家气象中心(National Meteorological Center,NMC)方法,采用热启动循环同化和冷启动两种不同初值方案开展数值试验,探讨不同初值方案模拟的背景场误差样本对背景误差协方差及其同化预报效果产生的影响。结果表明:由不同初值方案模拟的背景场误差样本统计得到的背景误差协方差,其单点同化试验均符合理论模型,但二者分析增量场的差异较显著。对2015年"苏迪罗"台风降水个例进行的数值试验表明,不同初值方案模拟的背景场误差样本统计得到的背景误差协方差对同化分析场具有一定影响,进而对台风移动路径和台风降水的模拟产生了较显著的影响,但对台风强度和台风中心附近最大风速的影响不显著。4个不同起报时刻数值试验进一步表明,采用热启动循环同化背景场误差样本模拟方案统计的背景误差协方差,对"苏迪罗"台风路径和降水预报效果较好,其中对台风路径的影响主要体现在数值预报模式积分24 h之后。     

基于混合集合同化方案的台风“海鸥”的数值模拟研究

混合变分/集合同化是基于变分+集合思路新兴发展起来的一种资料同化方法。利用WRF和WRFDA最新版本3.5构建混合集合同化的流程,通过单点试验直观体现出混合集合同化方案“流依赖”背景误差协方差的影响。对台风“海鸥”路径和强度的模拟和分析表明,混合集合同化方案在台风路径和强度的预报上要强于三维变分同化方案。对比两种方案同化后的分析场表明,混合集合同化方案分析出的台风中心强度优于三维变分同化方案分析结果,其原因一方面是混合集合同化方案初始场是采用集合平均的结果,另一方面是混合集合同化方案采用“流依赖”背景误差协方差的影响,这两个因素对台风的预报准确性有一定作用。      

GSI同化系统的背景误差协方差特征及对预报的影响

在同化系统中使用更合理的背景误差协方差对于得到更良好的同化效果至关重要。首先采用NMC方法针对中国区域构建更适合WRF-ARW区域预报系统的B矩阵,并对比分析了其与GSI同化系统预设的NCEP预报系统的B矩阵在分析变量间的平衡关系、分析控制变量的标准差、水平和垂直特征尺度等方面的特征差异。参照这些特征差异设计单点观测试验、背景误差协方差调优参数敏感性试验,确定针对中国区域构建B矩阵的最佳调优参数。并讨论其对一次季风低压强降水天气过程的循环同化和预报效果的影响。结果表明,采用最佳调优参数使用针对中国区域构建B矩阵的试验(Sen6)对V风分量场和相对湿度场的预报性能改进显著,同时也引出了GSI同化系统背景误差协方差参数调优(尤其是水平特征尺度参数调整)的两难问题。在此基础上,采用Hybrid同化方法使用针对中国区域构建B矩阵的循环同化试验(Hyb3)可以进一步改善预报效果,并在一定程度上修正个例模拟雨带的位置。      

背景场误差样本模拟对同化及数值预报效果的影响北大核心CSCD

合理估计背景场误差协方差矩阵(B)是做好变分同化的关键环节。利用控制变量随机扰动法(RandomCV)、增长模繁殖法(BGM)及NMC法等3种背景场样本模拟方法,基于WRFDA系统计算B矩阵,对B矩阵的特征及其对同化预报效果的影响进行了研究。B矩阵的特征分析和单点观测试验表明,NMC法与RandomCV法得到的B矩阵误差方差较大,在同化中观测的权重更大;RandomCV法得到的B矩阵,背景场误差中变量的长度尺度更大,说明同化中观测的水平影响范围更大。连续循环同化和预报试验表明:应用RandomCV法计算得到的B矩阵分析与预报的效果明显优于系统自带的以及BGM法得到的B矩阵,且效果与NMC法相当与NMC方法相比,采用RandomCV方法产生背景场样本具有时间和人力成本相对低的优点。     

1909号超强台风“利奇马”强降水特征的诊断

基于TRMM卫星降雨资料、MERRA-2卫星位势高度、风速、垂直速度等资料，对1909号台风"利奇马"的移动特征及其引发浙江、江苏、山东等地暴雨进行诊断分析.分析结果发现，台风"利奇马"是北上型台风，移动路径主要受副高与1910号台风"罗莎"等系统影响.在北上的过程中，由于台风倒槽与西风槽携带的冷空气配合，且存在大量不稳定能量，引发了此次强降水过程.此外，低空急流及西风槽为降水提供了良好的动力上升条件，南海西南季风与台风"罗莎"是台风"利奇马"充沛的水汽与能量来源，为暴雨提供了良好的水汽条件.     

1957-1996台风对中国降水的影响

台风活动中国气候的重要特点之一，它能带来大量降水并造成严重的财产损失。在一些地区，台风降水甚至可以在总降水量中占很大比例。本文目的是研究那些对中国产生影响的台风并重点关注台风对中国降水的影响。文中涉及四个方面的工作。首先，研究了影响中国台风的频率，结果表明台风影响的主要季节为5－11月，尤其以7－9月频繁；在过去40年中影响台风的频率没有明显的变化趋势。第二，对台站台风降水的气候特征分析结果显示，海南和东南沿海地区受台风的影响最大，而且长江以南大部地区每年都受到台风的影响；另外，影响区域大部分地区的台风降水在过去40年中表现出下降的趋势，但是只有东北地区南部这种趋势是显著的。第三，对台风个例的分析表明，个例降水总量和影响面积之间存在着显著的线性关系。最后，对台风造成的中国范围降水总量进行了分析，初步结果显示台风降水总量在1957－1996年间显著减少。     

不同发展阶段台风大气边界层暖区变化特征

采用NCEP/NCAR全球对流层1°×1°再分析格点资料,选取6个登陆台风个例,分析了不同发展阶段台风大气边界层暖区变化的特征及其与强度变化的关系.结果表明:在台风的不同发展阶段,其大气边界层相对涡度场和温度场的结构有着明显的不同特征,暖中心与正涡中心的距离与台风强度为反相关关系,暖中心与正涡中心的距离越小,台风强度越强.     

台风暴雨落区研究综述

台风暴雨最重要的两个因素是雨强和降雨分布,后者即为暴雨的落区。影响台风暴雨落区的因子主要有3个：1）台风涡旋内部结构;2）台风周围环境大气影响;3）台风下垫面强迫作用。本文对这3类因子的作用和影响作了总结。台风暴雨可分为台风环流内的暴雨和台风环流之外的暴雨两大类。本文把台风环流内的暴雨概括为5个落区,包括眼壁暴雨、螺旋雨带暴雨、小涡暴雨、倒槽暴雨、切变暴雨。把台风环流之外的暴雨分为台前飑线暴雨、远距离暴雨和变性下游效应暴雨。地形可能会改变两类暴雨的强度和落区。本文对每一个落区的暴雨特点和形成机理作了总结,对台风暴雨业务预报有一定的参考价值。     

数值模式对强台风“菲特”登陆期间预报能力评述

基于自动站观测和ECMWF再分析资料,针对中国气象局上海台风研究所区域高分辨率台风模式(Shanghai Tropical Cyclone High Resolution Analysis and Prediction System,STI-THRAPS)和业务常用的4个数值模式,即欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts,EC)全球模式,美国全球预报系统(The Global Forecast System,GFS),日本气象厅(Japan Meteorological Agency,JMA)全球模式和我国T639(T639L60)全球模式,对1323号台风"菲特"登陆过程的预报性能进行了综合检验评估。结果显示:对暴雨以上的强降水预报STI-THRAPS有明显优势。仅有该模式对超过500 mm的极端降水做出预报,且各项评分均好于全球模式,漏报率也明显优于其他模式。对暴雨以下的降水预报各个模式差距不大。美国GFS和STI-THRAPS较好地预报了大风区,STI-THRAPS预报的风场与实况的空间相关程度最高。从漏报率上来看,STI-THRAPS模式的风场预报具有明显优势。虽然预报最大风速偏大,但是STI-THRAPS在24 h后的路径预报有较大优势。     

超强台风“梅花”(1109号)的转向原因与预报分析

使用高空探测资料、FY-2C卫星云图、CIMSS气象卫星云图分析资料、历年台风路径、NCEP再分析资料,以及欧洲气象中心全球模式(EC)、日本气象厅全球模式(JMA)、国家气象中心全球模式(T639)、上海台风模式(SHTM)等预报资料,基于对2011年第9号台风"梅花"路径以及台风相似路径的预报等,分析影响台风"梅花"移动路径的环境系统演变,从中找出影响台风"梅花"移动转向的关键系统,分析和检验各数值模式对台风路径预报的结果;同时,研究台风路径相似预报方法。结果表明,位于日本的副热带高压南伸并与"梅花"东南侧的弱反气旋打通,引导气流中偏南风分量逐渐加大是"梅花"路径转向以致不在我国登陆的关键点;对数值模式预报的路径,应根据实况天气形势演变订正其预报误差;根据前期路径选多个关键区找台风相似路径更具参考性。     

中尺度涡旋和台风涡旋相互作用的数值研究

用一个高分辨率的正压涡度方程模式，实施了4组积分时间为24h的试验，研究了台风环流区域内中尺度涡旋的不同初始径向位置条件下与台风涡旋的相互作用，结果表明，中尺度涡旋初始径向位置不同，可以引起随后扰动相对涡度场演变特征的改变。     

应用ATOVS资料和非对称Bogus资料对登陆台风韦帕的4DVAR数值模拟分析

前人研究中BDA方法采用的轴对称Bogus台风不能反映个别台风具体特征并弃掉了背景场的合理成分,也没有考虑大环境场的影响及湿热要素的同化。因此,提出一种充分融合分析场信息和实际观测信息并考虑副高影响的精细非对称台风Bogus方法,并在MM5的伴随同化系统中引入快速辐射传输模式RTTOV8,通过四维变分同化(4DVAR)技术,加入海面风场和气压场Bogus资料及多颗卫星多条轨道上的ATOVS红外和微波卫星辐射亮温资料并考虑Noah陆面过程方案来对登陆台风韦帕进行数值模拟,结果表明,单独同化海面Bogus资料的BDA方案可间接产生初始场非对称三维环流结构和暖心结构,但对湿度场及台风周围大环境场的调整不足,台风登陆后的路径预报改善也不明显;引入陆面过程方案弥补了Bogus资料对台风登陆后路径预报的不足;加入ATOVS资料能对湿度场及台风周围环境场做出调整,重构了大量中尺度结构信息,取得更为精细的初始台风环流和温压湿场结构,保持BDA方案路径及强度预报的优势的同时,使预报的降水强度增加,降水落区发生改变。     

华东区域台风降水量演变特征的初步研究

根据国家气候中心1961-2000年华东区域代表站逐日降水量资料，应用任福民等提出的方法，从降水量中分离出台风降水量；分析了华东区域台风降水量的演变特征。结果表明：（1）华东区域各省台风降水量均具有清楚的年际变化，不过各省年际变化并不同步。（2）各省台风降水量均存在多雨段和少雨段，但其相位可以不同。1971—1975年，福建、安徽和江西都处于多雨段，但江苏是少雨段，山东和浙江属正常段。（3）位于东南沿海的江苏、浙江、福建，TC降水量的年代际变化趋势与降水量的年代际变化趋势基本相同：因此，考虑降水年代际变化趋势时，必须关注TC降水的年代变化趋势。