四维数据同化在一次梅雨锋暴雨过程中的应用研究

通过2008年梅雨季内的一次暴雨过程来着重研究WRF模式中四维测站同化技术的应用情况以及不同的同化策略对模拟结果的影响,使用的同化资料包括常规高空和地面探测资料。结果表明:高空探测资料的同化能够较好地修正中α尺度系统的移动发展速度,从而有效地改进强降雨带的落区位置;湿度观测资料的同化反而降低了强降雨带的降水强度,这可能因为同化湿度观测量可能减小近饱和区域内的水汽混合比,从而导致这些区域内的潜热加热减小,对流强度变弱,降水减少;地面观测资料的同化能够对模式行星边界层进行修正,这种同化影响通常在模式最低层上表现得较为明显,向上逐渐减小,而边界层模拟质量对降水至关重要,因此地面观测资料的加入使得模拟降水更加接近于实况。区域嵌套模拟试验表明对粗网格区域进行四维分析同化处理可以有效抑制中α尺度模式误差的增长,对细网格区域进行四维测站同化处理则可以进一步抑制中β尺度模式误差增长。     

对中尺度遥感资料进行四维同化的共轭方法及其数值研究

本文探讨了数值天气预报过程中对非定时观测的常规遥感气象资料进行四维同化，形成预报初始场的新途径，把数值预报初始场的形成提为数学上的一类反问题，运用数值模式及其共轭方程对象气资料进行变分同化的共轭方法，使众多观测资料的四维同化与时变的动力模型在初始场的形成过程中统一考察，克服了以往一些方法的局限性，从理论和数值角度证明该方法的可行性，表明该方法有可能作为发展一个新的初值方案的雏形，有潜在的应用价值。     

使用卫星资料进行边界层四维变分同化研究综述

数值天气预报是当前天气预报的重要手段之一,而同化工作一直是数值预报研究的重点。在查阅了近年来国内外相关文献的基础上,对使用卫星举行资料边界层四维变分同化的研究进展进行了论述,并对最优插值法和变分法2种主要的研究方法进行了简单介绍。研究结果认为,变分方法对于初始场的改善具有明显的效果,与纯粹的统计插值方法相比,变分法具有十分明显的优势;理论上变分法能够同化所有类型大气探测资料,对非常规探测的包容能力极强,不仅能最大限度地获得观测中的信息量,而且避免了各种反演不适定问题。     

"中国登陆台风外场科学试验"风廓线仪探测资料在四维同化中的初步应用研究

该文将"中国登陆台风外场科学试验"(CLATEX)中得到的风廓线仪探测资料加入到模式中进行牛顿张弛逼近(nudging)四维同化分析,并讨论在同化过程中不同nudging时间间隔以及不同逼近因子对风场及降水数值模拟结果的影响.结果表明将风廓线仪探测资料通过nudging技术同化到模式中,一定程度上改善了对降水的数值模拟结果;单纯应用nudging技术及单点的风廓线仪探测资料,通过缩短nudging时间间隔以最终改进同化效果有一定局限性;合理的选择逼近因子值(4.0×10-4s-1)得到的同化结果与实况更为接近.     

登陆我国热带气旋的统计特征

NCAR(National Center for Atmospheric Research)在1990年代发展起来的多普勒雷达四维变分分析系统(The four-dimensional Variational Doppler Radar Analysis System，简称VDRAS)，采用四维变分(4D—VAR)资料同化技术和云尺度数值模式及其伴随模式，利用单部或多部多普勒雷达观测资料，反演对流尺度风暴的动力结构和微物理结构，包括三维风场、温度场、气压场和微物理量场。本文介绍了VDRAS的基本原理、个例试验和实时运行等概况，旨在随着我国新一代天气雷达建设的逐步完成，为应用我国新一代天气雷达的观测资料，开展4D-VAR方法的研究和应用提供一些参考或借鉴。     

TOPEX/Poseidon高度计资料在全球海洋环流模式中的同化及分析

利用一个新的四维变分海洋资料同化系统LICOM-3DVM对TOPEX／Poseidon高度计资料进行了同化。该同化系统是在LASG／IAP气候海洋模式LICOM1．0的基础上建立起来的,所用的同化方法为三维变分映射资料同化方法3DVM。高度计观测资料是采取间接的方式进行同化,即先建立起二维海面高度距平场与三维温度场的统计关系,并由此通过观测的海面高度距平信息反演出“观测”的三维温度场,然后利用LICOM-3DVM四维变分同化系统将此反演的温度场同化到海洋模式中。作者设计了两组试验并对结果进行了比较分析,积分时间从1993年1月至2001年12月共9年时间。结果表明,由于上混合层相关系数较小,因此同化后海温没有改进;而在温跃层以及更深层次,同化后的海温均有很大程度的改善。从对赤道太平洋地区海温的气候态、季节变化和年际变化以及Nino3区的Nino指数的模拟情况来看,由于同化时将海面高度异常和海温异常之间的相关参数取为常数,没有考虑其季节和年际变化,因此,同化后对于赤道太平洋的年际变化没有改善。对于黑潮地区,由于模式的分辨率较低,同化之前没有很好地模拟出温度锋面,温度和盐度梯度都偏小,流速也偏弱;而同化后使得温度锋面和盐度梯度与WOA01更加吻合,流速增强。     

一种四维同化方法的试验研究

文章利用一个有限区模式对一种资料四维同化过程作了试验研究，以考察四维资料同化对模式的预报过程的作用。试验结果表明:四维资料同化可以为模式提供一组四维动力协调的积分初值。对由于资料或模式原因造成的积分开始时的高频振荡有很好的抑制作用，使模式的积分稳定性增强。      

加密探空资料同化对一次降水预报能力改进研究

通过设计不同的试验方案,将加密探空资料同化到WRF模式中,对一次层状云系的降水过程进行了数值模拟.采用实时四维资料同化的方法,使得背景场和观测资料相协调,在一定程度上解决了模式的spin up问题.将温度同化到模式里,改变了模式原有的热力场,使得模式动力场随之改变,模式模拟的结果更接近实际观测.经过松弛(nudging)之后,得到的雷达回波、高度场、温度和实况很像,降水也要比不加探空资料的降水更接近实况.鉴于只有两个地方的探空资料,并不能覆盖整个模式区域,以及同化过程还需要改进,模式模拟的结果和实际观测之间还有一定的差异,有待更深入的研究.     

资料同化方法的理论发展及应用综述

简单介绍了资料同化的概念、功能及分类,回顾了资料同化的发展历程,对各个时期发展的各种方法的理论进行了概述,并指出了每种方法的优缺点及应用进展。目前,三维变分在业务上得到了广泛的应用和推广,随着研究的深入和计算机水平的不断提高,四维变分和集合Kalman滤波在将来业务预报中有广泛的应用前景。     

卫星亮温资料四维同化方案及其对"7·20"武汉特大暴雨的模拟试验

作者首次把与云参数相关的云顶亮温(TBB)资料直接用于中尺度模式MM5V2的牛顿张驰逼近(nudging)四维同化过程,提出了一种通过分析场的nudging四维同化来确定云顶高度的方法,并利用1 h间隔的TBB-nudging方案成功地模拟了"7@20"武汉大暴雨过程.TBB-nudging试验的模拟结果表明对流层低层中尺度低涡和低空西南急流是"7@20"大暴雨的主要影响系统,这预示着把卫星遥感资料(例如TBB等)用于中尺度模式的同化过程有可能提高中尺度暴雨的预报能力.     

资料同化对2017年登陆广东沿海台风的短期降水与路径预报影响

利用华南精细数值天气预报模式,设计了无同化资料(CTRL)、同化雷达反演水汽(EXP1)以及同化雷达反演水汽、地面和探空资料(EXP2)三个试验,对2017年登陆广东沿海的四个台风降水预报与路径预报进行模拟,以评估资料同化对登陆台风短期降水预报、路径预报的影响。分析结果如下:雷达反演水汽同化后对未来24小时降水预报技巧均有正的改善,对台风路径预报影响不大;在此基础上同化地面、探空资料后对台风路径预报有改进,对降水预报改进不明显(与EXP1比)。通过诊断分析台风“玛娃”,发现模式初值场水汽的增量配合对流上升区有利于短时间内成云致雨,从而提高短时降水预报;地面及探空资料同化有利于登陆台风的短时路径预报。      

AMSU微波探测资料同化的质量控制方法概述

微波相比红外、可见光等卫星探测方式有能够穿透薄云的优点,同化微波探测资料能明显改进数值预报模式初始场。由于观测算子在云、降水粒子及性质复杂下垫面等因素影响下模拟辐射传输过程不准确,以及资料的观测误差较大等原因,实际同化应用时必须对微波探测资料加以认真筛选。为充分发挥探测资料作用并保证同化分析效果,在同化AMSU微波探测的研究中,很多机构和学者建立了散射指数、降水检测等质量控制方法,用来剔除观测算子不能准确模拟的观测。研究表明,资料同化过程中引入质量控制能起到改善同化效果,提高数值天气预报准确率的作用。但是,对于各种质量控制方法的原理和使用条件目前尚无完整的分析,使得各业务研究单位使用的质量控制方案差别较大。文章针对AMSU微波探测资料同化,在分析同化误差来源的基础上,总结了散射指数、降水概率、下垫面类型检测等质量控制方法,并简单讨论了质量控制的发展方向。     

FY-3A微波资料在“莫拉克”台风预报中的同化试验

我国新一代极轨气象卫星FY-3A于2008年5月26日发射成功,携带的微波垂直探测仪与NOAA系列卫星的ATOVS性能相似。为研究微波垂直探测仪资料在台风数值预报中的作用,实现我国FY-3A卫星的微波探测资料的直接同化,达到改进台风预报的目的,利用FY-3A微波探测资料,以WRF-3DVar系统为基础,针对2009年第8号台风"莫拉克"路径和强度预报,开展数值预报直接同化技术研究。试验结果表明,直接同化FY-3A微波资料对数值模式初始场改进要优于仅仅同化常规观测资料,对缺乏观测资料的海洋上改进尤为明显,模式初始场更加合理地反映海上台风环流形势以及温湿条件,海上台风的模式初始位置也得到了校正;经过FY-3A微波资料三维变分直接同化后,区域中尺度模式对台风路径预报效果具有积极的改善作用。     

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。     

FY-3A SATELLITE MICROWAVE DATA ASSIMILATION EXPERIMENTS IN TROPICAL CYCLONE FORECAST

China’s new generation of polar-orbiting meteorological satellite FY-3A was successfully launched on May 26,2008,carrying microwave sounding devices which had similar performance to ATOVS of NOAA series.In order to study the application of microwave sounding data in numerical prediction of typhoons and to improve typhoon forecasting,we assimilated data directly for numerical forecasting of the track and intensity of the 2009 typhoon Morakot(0908)based on the WRF-3DVar system.Results showed that the initial fields of the numerical model due to direct assimilation of FY-3A microwave sounding data was improved much more than that due to assimilation of conventional observations alone,and the improvement was especially significant over the ocean,which is always without conventional observations.The model initial fields were more reasonable in reflecting the initial situation of typhoon circulation as well as temperature and humidity conditions,and typhoon central position at sea was also adjusted.Through direct 3DVar assimilation of FY-3A microwave data,the regional mesoscale model improves the forecasting of typhoon track.Therefore,the FY-3A microwave data could efficiently improve the numerical prediction of typhoons.     

集合卡尔曼滤波同化探空资料的数值试验

应用集合卡尔曼滤波（Ensemble Kalman Filter;EnKF）方法,同化了2005年7月一次暴雨过程的探空观测资料,并用非静力中尺度模式MM5进行数值模拟试验。结果表明：在理想模式的假设下,即假设真实模拟和所产生的集合用的是同一个模式并有相同的初始误差,EnKF方法同化的分析结果较好。如果不运用EnKF方法同化探空观测资料,则集合预报结果和不加扰动的单个数值预报结果都没有EnKF方法同化过的好。     

风廓线雷达资料对GRAPES_MESO数值预报系统影响的初步研究

针对一个南方切变线系统降水个例,通过观测系统模拟试验(OSSEs)对我国拟建风廓线雷达观测网内的不同类型风廓线雷达观测资料在GRAPES_MESO系统中的影响、对风廓线雷达观测和探空观测及两者混合使用时在GRAPES_MESO系统中的影响差异进行了初步分析和讨论。试验结果表明,在GRAPES_MESO系统中,风廓线雷达资料对500 hPa高度以下水平风速分析场的修正作用明显优于探空资料;风廓线雷达资料对水平风速分析场的影响高度极限大约在300 hPa附近,经过6h的传播,其影响可以向上继续传播至250 hPa以上高度;在300 hPa高度以下,同化对流层Ⅱ型风廓线雷达资料对水平风速分析场的影响比边界层型风廓线雷达资料略大;单独同化风廓线雷达资料对降水预报的贡献较弱,与探空观测混合使用时有助改进降水预报。     

臭氧卫星观测资料同化系统构建及其试验研究

为检验臭氧卫星资料同化对臭氧分析场和预报场的影响,基于集合平方根滤波(ENSRF)理论,结合通用地球系统模式(CESM),构建了CESM-ENSRF同化预报系统。系统构建过程考虑了卡尔曼滤波同化中的关键问题:利用全场随机扰动对初始场加扰,结合一般协方差膨胀和松弛协方差膨胀方法实现协方差膨胀,使用五阶距离相关函数进行协方差局地化。将构建的系统用于微波临边探测器(MLS)臭氧廓线数据的同化,分析臭氧卫星资料同化对模式预报的影响。结果表明:构建的CESM-ENSRF同化系统有效实现了臭氧资料同化,臭氧卫星资料同化对臭氧分析场和预报场精度有较大改进。     

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。     

基于模式约束三维变分技术的连续循环同化试验研究

由于模式约束三维变分同化技术中考虑了模式的动力和物理过程,因此能保证各物理量间的平衡关系,从而滤除由于观测资料引入导致的高频波动,减小模式与初始场的协调时间.由于能在较短时间调整到稳定状态,采用模式约束三维变分同化进行连续循环同化可用较少的计算量达到同化多时次的多种观测资料的目的.该研究利用模式约束三维变分技术,针对2006年"桑美"台风个例,进行了连续循环同化卫星云导风、QuikSCAT海面风、Bogus海平面气压的试验.在台风数值预报中往往需要使用经验构造的台风信息(如Bogus海平面气压,Bogus风场等),该研究采用了模式约束三维变分同化技术同化Bogus海平面气压.由于模式约束三维变分同化技术充分考虑了各物理量间的约束,因此通过同化Bogus海平面气压也调整了初始场中相应的高度场、温度场、风场等变量,使得初始场中的台风涡旋具有较强的协调性,提高了对台风的模拟能力.采用AVN模式6小时间隔的分析场作为侧边界,2006年8月8日20时的分析场作为初估场,文中对8月8日20时到9日05时"桑美"台风的观测资料进行了连续循环同化.采用连续循环同化后台风路径的模拟精度得到了显著提高,对台风降水结构等的模拟也得到了改善.