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。     

基于Hybrid EnSRF-En3DVar的雷达资料同化研究

基于WRF模式构建了Hybrid En SRF-En3DVar同化系统,该系统使用En SRF方案直接更新集合扰动。利用构建的同化系统针对台风"桑美"分别进行集合协方差权重敏感性试验和同化雷达不同观测资料的敏感性试验。集合协方差权重敏感性试验发现:当集合协方差权重分别为0.25、0.5和0.75时,同化效果优于3DVar试验,其中0.75的集合协方差权重试验得到了分析场的最优估计;当集合协方差权重为1.0时,分析场最差。同化雷达不同观测资料的敏感性试验表明,联合同化雷达径向风及反射率能有效改善大气湿度场和风场,但对风场的改善效果不如仅同化雷达径向风好。将En SRF集合扰动更新方案与扰动观测方案综合分析发现,扰动观测方案集合离散度较小,计算代价大,En SRF方案优于扰动观测方案。     

雷达资料在登陆台风“桑美”数值模拟中的应用

将国内多普勒天气雷达的反射率因子及径向风资料引入ARPS-3DVar同化系统进行同化,针对2006年登陆浙江苍南并造成严重影响的超强台风“桑美”,探讨多普勒雷达资料同化对台风模拟初始场和预报场的改进作用。结果表明:利用ARPS-3DVar同化雷达资料可以明显改善6 h同化窗口内的降水、风场和回波结构,并能提高模式对中尺度雨团位置、强度的模拟能力;雷达资料初始场同化后模拟的台风涡旋和台风眼结构与位置更加接近实况,各物理量空间分布结构更具有明显中尺度特征,从而改善了台风路径和降水的预报。但模拟过程中台风强度模拟偏弱,有待进一步改进。     

CMA-GFS全球预报系统中的台风初始化

在CMA-GFS(CMA Global Forecast System)全球四维变分资料同化系统(4DVar)基础上,参照BDA(Bogus Data Assimilation)方法,建立了一个全球模式台风初始化方案.该方案通过4DVar同化窗口吸收诊断处理后的1 h间隔台风中心定位及中心气压信息,利用模式动力物理约束...     

集合预报误差在GRAPES全球四维变分同化中的应用研究Ⅱ：参数选取与数值试验

研究的第一部分讨论了如何有效应用集合预报误差的科学方案,确定了集合预报误差在GRAPES（Global Regional Assimilation and PrEdiction System）全球4DVar（four dimensional variational data assimilation）中应用的分析框架。在此基础上研究了针对集合预报误差实际应用于GRAPES全球4DVar,解决接近或超过100个集合样本数时高效生成的计算效率问题,以及与GRAPES全球4DVar匹配的同化关键参数确定问题。选择基于4DVar的集合资料同化方法生成集合样本,通过将第1个样本极小化迭代过程中产生的预调节信息用于其他样本极小化做预调节,将计算效率提高了2倍。通过时间错位扰动方法增加集合样本数,实现集合样本增加到3倍。对集合方差进行膨胀,并选择水平局地化相关尺度为流函数背景误差水平相关的1.4倍。通过批量数值试验方法确定背景误差与集合预报误差的权重系数,对60个集合样本当集合预报误差权重为0.7时预报效果最好。对北半球夏、冬两季各52 d的批量试验表明,对于南、北半球En4DVar （ensemble 4DVar）较4DVar的改进在冬季主要集中在700—30 hPa,而在夏季主要集中在400—150 hPa。赤道地区受季节影响较小,En4DVar对位势高度、风场与温度的改进都较为明显,且经向风场的改进最为显著。文中研发的集合预报误差在GRAPES全球4DVar中应用的方法合理可行。      

基于混合集合—变分同化方案对台风“布拉万”模拟中协方差权重系数的选择

利用WRF以及WRFDA3.6.1的ETKF-3DVAR混合集合—变分同化方案,对2012年第15号台风"布拉万"进行了模拟,并分析协方差权重系数对"流依赖"属性和台风强度、路径的模拟效果的影响。通过单点实验发现:随着集合协方差权重系数增加,分析增量的"流依赖"属性就越发明显。当集合协方差权重系数大于0.5时,由于集合成员数量以及预报质量的限制,将会引入虚假的"流依赖"信息,使得分析增量的范围形状不再发生变化,强度有所减弱。在对台风"布拉万"路径和强度的模拟中发现:集合协方差权重系数取0.5以下的预报结果普遍好于系数大于0.5的预报结果,其中,当集合协方差权重系数取0.25时路径预报误差最小,当集合协方差权重系数取0.2时强度预报误差最小。     

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。      

台风涡旋循环初始化方法及其在GRAPES-TCM中的应用

由于观测资料的缺乏,全球数值模式中台风涡旋一般较弱.但在区域数值模式中由于能使用更高的分辨率,采用适合台风的物理过程计算方案,因此区域模式中的台风涡旋能得到更好的发展.通常情况下,由于区域模式每次预报都使用全球模式的预报结果作为背景场,因此在区域模式中得到发展的台风涡旋并不能出现在下一次预报的初始场中.本研究结合BDA和涡旋重定位方法,采用MC-3DVar技术将台风涡旋初始化与资料同化技术结合起来,提出了循环初始化技术.在该技术中,提取区域模式6 h预报的台风涡旋周围的廓线资料,并根据台风观测位置将这些廓线资料平移到正确位置进行同化,从而使得台风涡旋在区域模式中得到循环发展.个例试验的结果表明循环初始化方案能更准确地刻画初始台风的强度和结构,相比控制试验,其初始台风强度更接近实况,结构更为合理,而且与观测更为接近,相应的,台风路径和强度预报也有很大的改善.对超强台风"蔷薇"的22次预报的总体结果表明,相对控制试验,循环初始化方案使得试验的总体路径预报距离误差从24 h的113 km降低到89 km,从48 h的188 km降低到184 km.另一方面,循环初始化方案对强度预报也有很大改善,24 h中心气压均方根误差从控制试验的32 hPa降到22 hPa.2009年汛期开始,以循环初始化方案为基础的GRAPES-TCM投入准业务试验,在对2009年2、3、4和6号热带气旋的准业务运行的预报结果的分析表明,新的方案较之采用涡旋重定位的GRAPES-TCM业务系统在路径和强度预报能力方面均有较大改善.     

不同卫星微波遥感资料同化对台风路径模拟的影响

本文以2015年13号超强台风“苏迪罗”为个例,利用WRF模式及其3DVar同化系统对NOAA15、NOAA18和NOAA19的AMSU-A微波遥感资料分别同化及组合同化,探究同化不同卫星的同一种微波遥感资料对于台风路径模拟效果的影响。结果表明:同化不同卫星的同一种微波遥感资料对于台风路径模拟具有不同的调整,本文中NOAA15的同化效果最好,其次是NOAA18,最后是NOAA19;同时同化NOAA15、NOAA18和NOAA19的AMSU-A资料并没有取得最好的同化效果,而组合NOAA15和NOAA18则取得了最好的同化效果,即不是同化的卫星数量越多,同化效果越好;同化试验3个时刻的增量场表明同化不同卫星的同一种微波遥感资料对物理场具有不同的调整,这与其对台风模拟路径的调整有着较好的对应,相对于温度场、海平面气压场、位势高度场和风场的增量结构与模拟台风路径的调整更为密切。     

边界层参数化方案对南海秋季台风“莎莉嘉”(2016)模拟的影响

利用美国中尺度数值模式WRF,选取两个局地(QNSE、MYJ)闭合和两个非局地(YSU、ACM2)闭合的边界层参数化方案对台风“莎莉嘉”(2016)进行了4组模拟试验,结果表明,不同边界层方案对台风路径影响较小,但对台风强度和结构有明显的影响,就本个例研究而言,非局地闭合边界层方案明显优于局地闭合边界层方案。台风强度的差异是热力和动力共同作用的影响。局地闭合方案模拟的地表焓通量、水汽通量和动量通量更大,台风偏强;局地闭合方案模拟的边界层高度更高、边界层顶的夹卷过程更强、垂直混合更强、台风暖心结构更强,从而台风也更强。台风强度的差异和台风结构的变化密切相关。      

SVD-En3DVar同化方法在一次飑线过程中的应用北大核心CSCD

基于集合和奇异值分解的三维变分同化方法(SVD-En3DVar)对2009年6月14日江苏地区的一次飑线过程进行多普勒雷达资料同化预报数值试验,以检验该方法在这类尺度较小的强对流天气过程中的同化应用效果。同时,还讨论了SVD-En3DVar的分块局地化方案中水平半径对此次飑线过程同化效果的敏感性,并应用WRF 3DVar进行了平行对比试验。数值试验结果表明,应用SVD-En3DVar方法同化多普勒雷达资料后能够有效调整风场、比湿和位温等状态变量,同化预报结果对分块局地化方案中水平半径参数较为敏感,水平分块半径为50 km时对组合反射率的预报效果最好。SVD-En3DVar和WRF 3DVar两种同化方法同化雷达资料后都能够提高雷达组合回波的预报水平,但SVD-En3DVar方法的效果明显优于WRF 3DVar同化系统,对回波带位置及其向东南方向发展趋势的预报和观测回波较为一致。     

台风数值模拟中边界层方案的敏感性试验I.对台风结构的影响

通过比较不同边界层方案下中尺度数值模式模拟的台风地表特征量以及形势场和风场, 表明台风边界层通过摩擦混合和辐射等作用与地表产生水汽、热量和动量的交换, 并通过湍流效应和积云的夹卷作用将边界层的影响扩展至整个自由大气.对台风Dan的模拟个例表明, 由于边界层过程的差异导致台风尺度大小不同, 风场、形势场的水平和垂直分布结构都有所差异.不同边界层方案模拟的台风结构的差异必然导致强度的差异, 与此相对应, 在不同边界层方案下, Eta方案模拟的台风强度偏大; 而Burk-Thompson和Blackadar方案略次之,在没有边界层方案的情况下模拟的强度非常弱,体现了边界层过程对台风发生发展的巨大影响.     

华南暴雨区域集合预报中不同同化方案的影响试验研究

基于全球集合预报系统(GEFS)资料,利用WRF中尺度模式及GEFS动力降尺度获取区域集合预报初值场,通过对同化后的分析场进行模式积分实现华南前汛期区域集合预报。对2019年6月10日的一次华南前汛期暴雨过程进行不同同化方案的试验:混合同化(Hybrid)、三维变分(3Dvar)、集合卡尔曼滤波(EnKF)和对比试验(Ctrl)四组试验的对比分析,探讨具有不同背景误差协方差矩阵的同化方案对区域集合预报集合扰动和集合离散随时间演变特征的影响,评估不同试验的降水模拟效果。(1) Hybrid对模式初始场有较好的改善作用,而3DVar和EnKF对初始场的改善作用不明显。(2) 对风场、温度场和湿度场,在前期预报中Hybrid的预报误差小于3DVar和EnKF,在中后期的预报中,3DVar和EnKF的预报误差得到改善,且好于Hybrid。同样,集合扰动能量,Hybrid和Ctrl在前期预报发展好于3DVar和EnKF,而在中后期的预报3DVar和EnKF好于Hybrid和Ctrl。(3) 从24 h累积降水评分中,整体上同化试验好于Ctrl,3DVar和EnKF好于Hybrid,且3DVar对大中雨级别的降水评分较好,而EnKF对暴雨以上级别的降水评分较好。(4) 对于集合统计检验分析,同化试验的AUC值都大于Ctrl的AUC值,24 h累积降水量阈值在10~100 mm的AUC值,3DVar最好;而125 mm阈值的AUC值,EnKF最好。      

SVD-En3DVar同化方法在一次飑线过程中的应用

基于集合和奇异值分解的三维变分同化方法(SVD-En3DVar)对2009年6月14日江苏地区的一次飑线过程进行多普勒雷达资料同化预报数值试验,以检验该方法在这类尺度较小的强对流天气过程中的同化应用效果。同时,还讨论了SVD-En3DVar的分块局地化方案中水平半径对此次飑线过程同化效果的敏感性,并应用WRF 3DVar进行了平行对比试验。数值试验结果表明,应用SVD-En3DVar方法同化多普勒雷达资料后能够有效调整风场、比湿和位温等状态变量,同化预报结果对分块局地化方案中水平半径参数较为敏感,水平分块半径为50 km时对组合反射率的预报效果最好。SVD-En3DVar和WRF 3DVar两种同化方法同化雷达资料后都能够提高雷达组合回波的预报水平,但SVD-En3DVar方法的效果明显优于WRF 3DVar同化系统,对回波带位置及其向东南方向发展趋势的预报和观测回波较为一致。     

台风数值模拟中边界层方案的敏感性试验——Ⅰ．对台风结构的影响

通过比较不同边界层方案下中尺度数值模式模拟的台风地表特征量以及形势场和风场，表明台风边界层通过摩擦混合和辐射等作用与地表产生水汽、热量和动量的交换，并通过湍流效应和积云的夹卷作用将边界层的影响扩展至整个自由大气。对台风Dan的模拟个例表明。由于边界层过程的差异导致台风尺度大小不同，风场、形势场的水平和垂直分布结构都有所差异。不同边界层方案模拟的台风结构的差异必然导致强度的差异，与此相对应，在不同边界层方案下，Eta方案模拟的台风强度偏大；而Burk—Thompson和Blackadar方案略次之，在没有边界层方案的情况下模拟的强度非常弱，体现了边界层过程对台风发生发展的巨大影响。     

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。     

一种基于分析增量更新技术的台风初始化方案

台风初始化方案最大的困难在于其只能根据有限的观测资料（台风中心位置、最低气压、最大风速和大风半径等）来构造一个与模式动力-物理过程协调的涡旋模型。首先根据实际观测资料对背景场中的涡旋扰动进行重定位和风速调整,然后将分析增量更新（Incremental Analysis Update,IAU）技术应用于台风初始化方案中,将调整后的涡旋当作一个强迫项逐渐加入到模式预报过程中,通过模式自身调整来得到一个协调性较好的台风初始结构,从而改善模式对台风的预报性能。对“山竹”台风的多次预报结果表明:（1）台风初始化对于台风路径误差影响较小,对于强度预报改进则比较明显。特别是在台风生成初期,台风初始化技术能够有效地增强全球模式分析场中的涡旋强度,并解决预报过程中强度较弱的问题。（2）根据预先给定的三维风场,IAU技术能通过模式自身预报过程对其他变量进行调整,从而得到一个热力和动力协调的初始涡旋结构。相对于仅对初始风场的调整,它对24 h之后的路径和强度预报误差会有更进一步的改善。（3）对IAU中的松弛时间进行参数敏感性试验,发现该变量取3—6 h效果较好。      

集合变分混合方法同化FY 3A卫星微波资料时混合系数选择的试验

基于FY-3A卫星微波资料,利用Hybrid方法对2012年7月21日北京地区强降水过程进行同化模拟试验,并分析了混合系数在同化中的应用。通过单点试验发现,传统3DVar同化方法的背景误差协方差是静态的,其同化增量总是表现为以观测单点位置为中心呈均匀、各向同性分布,且与同化单点的位置有关。而集合变分同化的背景误差协方差是由集合预报结果构造的集合协方差,其单点观测试验同化增量集中在此次降水区域周围,依赖于环流形势的分布,其分布与观测单点的位置无关。通过实际个例的同化试验发现,混合系数取0.5的模拟效果最好,其次为0.1,混合系数取1的试验模拟效果最差。     

两种动力控制变量对比分析及其对台风同化和预报的影响

目前常用的流函数-势函数(ψ-χ)和水平风分量(U-V)两种动力控制变量方案分别被认为适用于大尺度同化和对流尺度同化,而两种方案在台风尺度同化中的具体特征及其对台风预报的影响尚未明确。基于WRF-3DVarDA系统,分析不同动力控制变量方案的背景场误差协方差的统计特征,并进行了单点观测同化理想试验和5场台风过程的20组连续循环同化和预报批量试验。两种动力控制变量方案的背景场误差协方差的统计特征分析表明,ψ-χ方案背景场误差更小、长度尺度更大,而U-V方案的局地性特征更明显,方差更大;单点观测试验证实了两种方案的统计特征,也表明ψ-χ作为控制变量会导致虚假负增量的出现;批量试验表明,U-V方案的台风路径、最大风速以及台风强度的整体优于ψ-χ方案;诊断分析表明,U-V方案得到的更合理的热动力结构特征是提高台风预报的主要原因。     

云微物理过程对台风数值模拟的影响

将中国气象科学研究院（CAMS）混合双参数云微物理方案用于中尺度天气模式WRF,开展了对2013年超强台风天兔（1319）的模拟,通过与台风最佳路径、强度及热带降雨测量卫星（TRMM）资料对比,分析CAMS云微物理方案在模拟台风中的适用性及云微物理过程对模拟台风天兔的影响机制。设计了3组敏感性试验:修改雪粒子质量和落速系数（EXP1）,采用海洋性云滴参数（EXP2）,同时修改雪粒子质量和落速系数并采用海洋性云滴参数（EXP3）。结果表明:EXP1和EXP3由于霰碰并雪速率的增加及减小的雪下落通量,导致雪含量显著降低,同时也减少了整体冰相物的含量;EXP2和EXP3模拟的台风眼区对流有效位能快速减小,再现了前期台风的快速增强过程,路径偏差也最小;各试验模拟的小时降水率总体偏强,EXP3的降水空间分布与实况更接近,明显降低雪粒子含量,并一定程度上改善模拟的台风路径、强度及降水分布等。该结果不但可为改进适用于台风的云微物理参数化方案提供思路,也可加深云微物理过程对台风影响的认识。